化學(xué)計量中不確定度的具體問題研究

【摘要】由于化學(xué)計量中的不確定度會對測量計算的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，繼而影響產(chǎn)品的質(zhì)量。因此，為盡可能減少化學(xué)計量誤差，使化學(xué)計量的應(yīng)用效果得到最大限度的提升，本文通過闡述不確定度的概念及其計算方式，深入分析化學(xué)計量中不確定度的成因，并根據(jù)實際情況提出解決化學(xué)計量中不確定度問題的方法，以保證計量的準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】化學(xué)計量；不確定度；產(chǎn)品質(zhì)量

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2023.03.027

Study on the Specific Problems of Uncertainty in Chemical Measurement

YU Shizhen

（Tongren Inspection and Testing Institute，Tongren 554300，China）

Abstract：Due to the impact of uncertainty in chemical measurement on the accuracy of measurement calculation and product quality，it is necessary to minimize chemical measurement errors and maximize the application efficiency. This article will explain the concept and calculation method of uncertainty，analyze the causes of uncertainty in chemical measurement，and propose solutions to address uncertainty in chemical measurement based on actual situations to ensure measurement accuracy.

Key words：chemical measurement；uncertainty；product quality

化學(xué)計量是對化學(xué)反應(yīng)具體量的計算。通常這些量直接與物理、化學(xué)等多個變量存在密切的關(guān)系，而針對其中關(guān)系的描述依據(jù)則是以化學(xué)變化中量與能量關(guān)系為主。基于化學(xué)計量能準(zhǔn)確描述量與變量的多重關(guān)系，所以化學(xué)計量被廣泛運用到科學(xué)研究、食品、醫(yī)學(xué)以及化工等領(lǐng)域的檢驗控制工作中。雖然化學(xué)計量是一種能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段，但其本身容易受到各方因素影響而產(chǎn)生不確定度，以致影響最終的計量結(jié)果[1]。

因此，為了有效保證化學(xué)計量工作的質(zhì)量，需要構(gòu)建完善的、多維的化學(xué)計量監(jiān)督與校準(zhǔn)體系，以此來實現(xiàn)對不確定度的有效控制，保障化學(xué)計量的準(zhǔn)確性。目前，研究化學(xué)計量中不確定度的具體問題具有重要現(xiàn)實意義，可以高效地完成不確定度控制目標(biāo)，讓化學(xué)計量更加標(biāo)準(zhǔn)。

1不確定度的計算與評估

不確定度的評估需要依據(jù)一套嚴(yán)密的方法及步驟流程。首先，不確定度評估人員需要對不確定的來源有清楚的認(rèn)知，通過對不確定分量的分析，再經(jīng)由相關(guān)的質(zhì)量數(shù)據(jù)對不確定度進(jìn)行一系列的驗證及評估后，方可確認(rèn)所獲不確定度數(shù)據(jù)具有相當(dāng)?shù)目煽慷萚2]。除此之外，為盡可能確保所測值與精確值更為接近，在開展測量工作時還要積極做好以下幾項工作：

1）明確被測量。在進(jìn)行測量的過程中應(yīng)明確所需測量的目標(biāo)以及被測量與輸入量的關(guān)系。

2）識別不確定度的來源，找出與不確定度來源相關(guān)的參數(shù)，再將這些參數(shù)逐一進(jìn)行分析。

3）深入分析不確定度分量的量化，對可能存在的不確定度來源的相關(guān)不確定分量大小進(jìn)行測量和估計[3]。

4）對不確定度的合成計算。通過對不確定度的一些量化分量進(jìn)行綜合分析可知其與多方因素有著極為密切的關(guān)聯(lián)。因此，在合成計算不確定度時也要用標(biāo)準(zhǔn)偏差的形式來表示這些不同的分量。合成同樣要嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)則來進(jìn)行。

2化學(xué)計量中不確定度成因

化學(xué)計量工作的開展需要一些高精度儀器設(shè)備的輔助。通常化學(xué)計量用于測量樣品成分，所以需要在保障測量精準(zhǔn)性和有效性的基礎(chǔ)上對某些化學(xué)反應(yīng)過程進(jìn)行溯源和分析，這樣才能對產(chǎn)品質(zhì)量予以有效監(jiān)測。隨著科技的不斷發(fā)展，公眾對現(xiàn)代企業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量要求也越來越高，這也意味著現(xiàn)代企業(yè)所生產(chǎn)的產(chǎn)品及相關(guān)產(chǎn)品的質(zhì)量檢測也要提高標(biāo)準(zhǔn)。對此，要想確保檢測結(jié)果的準(zhǔn)確，則與檢測相關(guān)的化學(xué)計量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)予以完善，這樣才能對計量中產(chǎn)生的不確定度做到有效規(guī)避，降低對化學(xué)計量準(zhǔn)確性的影響[4]。但是，通過對當(dāng)前化學(xué)計量開展的實際情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，不確定度的問題極易產(chǎn)生。影響化學(xué)計量中不確定度的成因主要包括以下幾項。

2.1標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)使用與制備中產(chǎn)生的不確定度

化學(xué)計量需要使用適當(dāng)?shù)臏y量儀器。這些儀器須非常靈敏和準(zhǔn)確。化學(xué)計量的不確定度與測量裝置密切相關(guān)。根據(jù)相關(guān)研究，測量設(shè)備是不確定度產(chǎn)生的主要原因。如果設(shè)備本身不準(zhǔn)確或在測量前未校準(zhǔn)，則測量結(jié)果將不準(zhǔn)確。以實驗室使用的pH計為例，要想確保其計量的準(zhǔn)確性，需在使用前按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)完成pH計的校準(zhǔn)工作，任何疏漏都可能導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)不確定度，因此須高度謹(jǐn)慎。

基于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中所包含的材料及物質(zhì)具有均勻特性值的特點，可將其作為量值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行使用。在具體制備標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的過程中，需考慮到計算樣品數(shù)值存在偏差的情況，一旦出現(xiàn)偏差必然會有不確定度產(chǎn)生，影響后續(xù)的計量過程[5]。

2.2儀器設(shè)備產(chǎn)生的不確定度

開展化學(xué)計量工作涉及諸多理化分析測試儀器的使用，如果使用儀器前未做好相應(yīng)的檢定及校準(zhǔn)工作，則會對化學(xué)計量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致化學(xué)計量不確定度產(chǎn)生，所以儀器設(shè)備也是造成化學(xué)計量中產(chǎn)生不確定度的一個主要原因。

在對計量器具校準(zhǔn)管理時，所有采購的化學(xué)計量器具均要按照相關(guān)行業(yè)法規(guī)和要求送專業(yè)機構(gòu)進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，在以pH計測量溶液pH值的實驗中，需要用到的儀器設(shè)備分別包含實驗室pH計、溫度計、溶液配制玻璃量器等。而針對上述實驗器具，任何一個器具未在使用前做好校準(zhǔn)工作，都可能對測量結(jié)果產(chǎn)生影響，導(dǎo)致化學(xué)計量的不確定度產(chǎn)生[6]。

經(jīng)過長時間的使用后，儀器的精準(zhǔn)度會受到影響。儀器保存不合理或是檢驗不及時也可能會影響到儀器的精準(zhǔn)度。因此，在每次使用儀器前都要做好儀器的檢驗及校準(zhǔn)，避免儀器設(shè)備因精準(zhǔn)度缺失而導(dǎo)致不確定度產(chǎn)生。例如在化學(xué)計量實驗中普遍使用的電子式pH計，在每次使用前都應(yīng)按規(guī)范使用流程做好校準(zhǔn)工作，待精準(zhǔn)度確定后再投入使用，以此最大限度規(guī)避不確定度的產(chǎn)生[7]。然而，個別實驗室的計量管理人員未重視該環(huán)節(jié)，通常未校準(zhǔn)儀器設(shè)備便開始化學(xué)計量實驗，由此產(chǎn)生了不確定度，對最終的計量結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來了影響。

2.3實驗人員操作產(chǎn)生的不確定度

在化學(xué)測量工作的開展過程中，當(dāng)實驗操作人員出現(xiàn)操作不恰當(dāng)或者是不合理的情況時，也會導(dǎo)致不確定度產(chǎn)生，繼而影響到整個化學(xué)計量結(jié)果。以實驗室應(yīng)用pH計測量實驗為例，操作人員在進(jìn)行實驗時，若稍有不慎使探頭與燒杯壁相接觸，便會導(dǎo)致最終讀數(shù)出現(xiàn)誤差，往往因為這些問題，使化學(xué)計量中出現(xiàn)了不確定度，嚴(yán)重降低整個實驗的有效性。再比如，在溶解氧測定儀的檢定過程中，由于工作人員未能對測量的時間予以合理控制，又或者在布置測點時存在誤差，也會直接影響測量的結(jié)果，導(dǎo)致化學(xué)計量產(chǎn)生不確定度。

3化學(xué)計量中不確定度問題的解決措施

通常化學(xué)計量會受到多種因素的影響，所以很容易出現(xiàn)不確定度的問題。為最大限度降低化學(xué)計量中不確定度出現(xiàn)的概率，需要采取多元化的解決策略。

3.1合理選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，保證計量值的準(zhǔn)確性

為了保證計量值的可靠性和準(zhǔn)確性，需要合理選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或選擇正確的制備方法。通常在制備的過程中應(yīng)該嚴(yán)格遵循分析測量可靠性的原則，統(tǒng)籌考慮標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的供應(yīng)量、可獲得性和相關(guān)費用等幾個綜合性的因素。具體需做好以下幾個方面：

1）針對預(yù)期分析，需對不確定度的水平予以明確。在化學(xué)計量過程中，避免不確定度產(chǎn)生有較大難度，因此可以為不確定度設(shè)置一個合理的范圍值，將不確定水平控制在該范圍內(nèi)，確保該不確定度產(chǎn)生的影響可以忽略不計。通過對不確定度的合理控制，使其不影響計量結(jié)果整體的精準(zhǔn)度，這是提升化學(xué)計量水平的有效方式。2）關(guān)于檢定物質(zhì)的選擇。操作人員必須嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，在選擇后還須做好物質(zhì)的校準(zhǔn)工作，以此確保應(yīng)用測量的量值水平在預(yù)期范圍之內(nèi)。3）操作人員必須確保所選標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)擁有與被測樣品相同的成分含量，同時還要全面關(guān)注標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的形態(tài)，保證所選標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有能夠適應(yīng)實驗計劃的數(shù)量及穩(wěn)定性。4）對于標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與被測樣品，所用儀器與方法也要趨同，避免因系統(tǒng)誤差而對最終結(jié)果產(chǎn)生影響。5）無論標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或是被測物質(zhì)，兩者均應(yīng)嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行儲存，后續(xù)使用時要保證在物質(zhì)的有效期之內(nèi)。6）在選擇標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的過程中，應(yīng)該統(tǒng)籌考慮化學(xué)與物理的適用性、供應(yīng)狀況和成本等綜合性因素，并分析結(jié)果的不確定度，這樣便能夠保證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的選擇盡量傾向較大不確定度，從而有效節(jié)省分析成本。

3.2完善化學(xué)計量體制，提高計量人員素質(zhì)

通常化學(xué)計量直接關(guān)系到產(chǎn)品檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此，要想確保化學(xué)計量工作的順利推進(jìn)，須構(gòu)建完善且科學(xué)的化學(xué)計量體制，這也是提高化學(xué)計量檢測精準(zhǔn)度的重要途徑。化學(xué)計量體制所囊括的具體內(nèi)容包括：首先要對計量操作的內(nèi)容予以規(guī)范，尤其是對操作人員及儀器設(shè)備的管理；其次要對實驗的基本操作流程及人員操作予以統(tǒng)籌規(guī)范，這樣能夠保障化學(xué)計量數(shù)據(jù)檢測的精準(zhǔn)性；最后要將計量數(shù)據(jù)完整地保存下來，最大限度保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

完成化學(xué)計量體制的構(gòu)建后，還要鼓勵計量人員不斷充實化學(xué)計量知識，努力提高計量人員自身素質(zhì)，有效增強化學(xué)計量操作的規(guī)范意識。在此過程中，相關(guān)化學(xué)計量人員進(jìn)行的操作均應(yīng)依據(jù)化學(xué)計量檢驗規(guī)范，并嚴(yán)格按照化學(xué)計量的規(guī)定來進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)數(shù)據(jù)驗證，保證化學(xué)計量檢驗結(jié)論的有效性。此外，計量人員還須牢記質(zhì)量檢測規(guī)定，不斷完善精度需求和儀器設(shè)備等方面的知識，以此保證化學(xué)計量的科學(xué)性與合理性。

3.3強化儀器設(shè)備的校準(zhǔn)，提高儀器設(shè)備測量的準(zhǔn)確性

基于上文所述，導(dǎo)致化學(xué)計量出現(xiàn)不確定的一項原因便是儀器設(shè)備未能提前校準(zhǔn)，可能對最終所測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生嚴(yán)重影響。對此，在化學(xué)計量工作的開展過程中，必須嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)定做好儀器設(shè)備的提前校準(zhǔn)及檢驗工作。尤其是對部分有著較高使用頻率的儀器設(shè)備而言，更是需要定期對其進(jìn)行檢查與維護，這樣才能保證儀器設(shè)備的精準(zhǔn)度，最大限度規(guī)避化學(xué)計量不確定度的產(chǎn)生。

3.4強化量器的管理和使用，提高量器讀數(shù)的準(zhǔn)確性

在開展化學(xué)計量檢驗的過程中，常常會使用到玻璃量器，所以需要加強對玻璃量器的管理，嚴(yán)格按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)使用玻璃量器。其中，檢驗企業(yè)應(yīng)該定期做好玻璃量器檢查工作，發(fā)現(xiàn)量器出現(xiàn)質(zhì)量問題時應(yīng)及時進(jìn)行更換處理。另外，玻璃量器的刻度定制的確定過程也可能導(dǎo)致不確定度的產(chǎn)生，因此還需對影響刻度精準(zhǔn)度的諸多因素加以統(tǒng)籌考量，根據(jù)量器的物質(zhì)特性采取適宜的應(yīng)對方案，保證化學(xué)計量的科學(xué)性與合理性。

4結(jié)論

隨著化學(xué)計量在檢驗工作中的運用愈發(fā)廣泛，對產(chǎn)品質(zhì)量控制的影響更深遠(yuǎn)，我們必須積極構(gòu)建完善的化學(xué)計量體制及規(guī)范化檢驗體系，規(guī)避化學(xué)計量過程的不確定度產(chǎn)生；為保證測量結(jié)果的精準(zhǔn)性，不能僅憑一次測量所得作為測量結(jié)果，要根據(jù)多次測量結(jié)果予以綜合考量；檢驗人員本身的綜合素質(zhì)與能力會對檢驗結(jié)果產(chǎn)生直接影響，因此，還需不斷提高從人員的專業(yè)能力與職業(yè)素質(zhì)。

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【作者簡介】

余世珍，女，1985年出生，助理工程師，研究方向為化學(xué)計量。

（編輯：李加鵬）