實驗室現代分析儀器的非電量計量

實驗室現代分析儀器的非電量計量 俞志平 摘　要　引出科學儀器計量標準中的基本概念，對現代實驗室常用分析儀器的非電量計量學的共性作了探討。以分光光度計的非電量計量為例，著重加以說明。 關鍵詞　計量標準　非電量計量　誤差校正 1. 計量標準廣義性論述 　　計量是為了保證量值的統一和準確一致的一種測量，它的三個主要的特征是統一性、準確性和法制性。計量工作主要是把未知量與經過準確確定，并經國家計量部門認可的基準或標準相比較來加以測定，也就是通過建立基準、標準，進行量值傳遞。因此，計量器具按傳遞途徑可分為計量基準、計量標準、工作用計量器具三類。(1)計量基準一般又分為國家基準、副基準和工作基準。國家基準又叫主基準，它是用來復現和保存計量單位，具有現代科學技術所能達到的最高準確度，經國家鑒定并批準，作為統一全國計量單位量值的最高依據的計量器具。(2) 計量標準有兩類：一類是標準器具，一類是標準物質，即在規定條件下，具有高穩定的物理、化學或計量學特性，并經正式批準作為標準使用的物質或材料。在鑒定、評估和考核儀器、測量方法和測量結果方面，標準物質的使用是一種常見的重要手段。(3)工作用計量器具作為不用于檢定工作而只用于日常測量的計量器具。但是工作用計量器具要定期用計量標準來檢定，即由計量標準來評定它的計量性能(準確度、穩定度、靈敏度等)是否合格。當此檢定誤差超過一定限度，測量工作和測量結果不但變得毫無意義，甚至會給工作帶來很大危害。因此，對測量誤差的控制就成為衡量測量技術水平，以至于科學技術水平的重要標志之一。 2. 分析儀器的非電量計量的共性 　　為使儀具有正常的功能和準確示值，保證其精確度和準確度，必須對新生產的儀器、使用中的儀器和修理后的儀器進行周期性檢定。我校實驗室的工作用計量器具作為分析儀器大致可分為三大類：光譜類、色譜類、電化學類。以下分別對這三類分析儀器中的非電量部分予以計量標準的作一歸類，以至對其非電量計量的共性作一探討。 　　(1) 對光譜類儀器主要有可見光分光光度計如721型、722型。可見紫外分光光度計如：751型，UV-2000，TU-1800型，紅外分光光度計島津IR-460型及熒光光度計930型，F-4000型，以及島津AA-670型原子吸收光譜儀，它們的共性是都具有一套光學系統，因此都將引入波長誤差與波長校正的問題，那么通常對單色器就存在計量標準。 　　(2) 對色譜類儀器主要有氣相類SP-501型、島津GC-15型等，它們的計量共性存在于柱溫，檢測室溫及氣化器溫度的誤差校正，及各種氣體的流速與壓力的誤差與示值誤差校正。HPLC類則有varian-5000型、BECKMAN-163型及島津SPD-6AV型等，它們都存在著該光學檢測器波長誤差，特別是LC-6A類型恒流泵的流速及液壓的誤差涉及對流動相流速的計量，尤其關系到實驗條件和結果數據。 　　(3) 對電化學類主要有PHS-3型、PHS-9V型，ORION-720型等，它們的計量共性存在于電極對的非電量誤差及校正。如玻璃電極的球膜的不均勻度、電極的滲透性及儀表面的示值誤差。 　　綜上所述，實驗室分析儀器通常需要根據不同類型、不同目的對其溫度、流速、壓力、光學波長、電極滲透性等分別進行非電量計量，及時校正誤差，保證實驗條件與結果數據的真實性、可靠性、重復性和可報導性。即根據不同非電量計量標準的標準器具或標準物質對這些不同種類的工作用計量器具進行測量后校正誤差方可正常工作。 3. 現代分析儀器常見計量應用典型 　　對分析儀器需要計量的非電量參數各種類實在太多，作為典例今僅對光譜類中的可見紫外分光光度計的光學波長部分根據計量標準對其作誤差較正，其實在HPLC的檢測器中通常也是一套可見紫外分光光學系統，同樣存在以上的問題，故以期達到舉一反三的效果。 　　色散元件不同，分光光度計包括兩大類：棱鏡式和光柵式。檢定工作用計量器具的計量性能，確定其是否合格這項檢定工作必須按照國家計量基準的相關規程進行。規程JJG178-89《可見分光光度計檢定規程》適用于新制造、使用中和修理后，波長范圍360～800nm可連續選擇使用的可見分光光度計的檢定，如721、722等型號。規程JJG375-85《單光束紫外可見分光光度計檢定規程》適用于新制造、使用中和修理后波長從紫外光區至可見光區連續選擇使用的單光束紫外可見分光光度計的檢定。如751、UV-2000、TU-1800等型號，歸納成以下方面： 　　(1) 波長計量。波長準確度定義為波長正確度與波長重復性之和，是分光光度計非電量計量的一項主要指標。計量波長的標準器具或標準物質，規程JJG178-89規定：“對于波長準確度大于、等于2nm的儀器”選擇合適的干涉濾光片(不少于3片)檢定。“對于波長準確度優于2nm的儀器”則用波長準確度優于0.01nm的汞燈或氧化鈥玻璃濾光片檢定。對于用汞燈檢查的儀器仍需用鐠釹濾光片(528.7nm和807.7nm)吸收峰檢定。規程JJG375-85中規定：采用汞燈譜線、氫燈譜線(486.13nm)或氘燈(486.00nm)譜線；鐠釹濾光片(528.7nm和807.7nm)吸收峰作為參考波長檢定。具體方法一類是利用原子發射光譜中的譜線，這些譜線尖銳準確，是校核波長很好的依據。另一類是用吸收光譜中有較狹窄吸收譜帶的吸光物質，只要吸收峰尖銳，也用作核對波長。分別介紹如下。 　　譜線校核：將儀器光源拆除或遮擋，用外部插入的筆型低壓石英汞燈作為測量光源，使汞燈發出的光束與光源燈發出的光束方向一致。采用連續掃描法，即從短波長向長波長方法連續驅動波長傳動裝置，找出各譜線最大吸收值所對應的峰值波長，其光譜圖如圖1。

圖1　低壓汞燈光譜圖 表1　低壓汞燈光譜線波長參考值

線號	波長(nm)	線號	波長(nm)	線號	波長(nm)
1	253.65	5	334.15	9	435.83
2	296.73	6	365.02	10	546.07
3	302.15	7	404.66	11	576.96
4	313.15	8	407.78	12	579.07

吸收峰校核：對于無法安裝筆型低壓石英汞燈的儀器，可采用氧化狄的高氯酸溶液的吸收峰作為參考波長來檢定。溶液置樣品池中同上操作，其透射比光譜圖如圖2。

圖2　10%高氯酸中4%氧化狄溶液的吸收光譜圖 表2　氧化狄溶液的參考波長

線號	波長(nm)	峰號	波長(nm)	峰號	波長(nm)	峰號	波長(nm)
1	241.1	5	333.4	9	416.3	13	536.4
2	249.7	6	345.5	10	450.8	14	641.1
3	278.7	7	361.5	11	467.6
4	287.1	8	385.4	12	485.8

用干涉光片作為波長標準器，需事先經過標定。標定用波長準確度誤差不大于±0.3nm的分光光度計。先用專門設計固定干涉濾光片位置的架體放置正確。規程JJG178-89中規定用逐點法則。即對干涉濾光片峰值波長附近點，自短波向長波逐個波長點調整參比的透射比為100%，分別測出濾光片透射比示值，求得最大透射比值所對應的峰值波長。 　　波長檢定結果的處理。若對某參考波長連續測量3次，3次波長測量值的平均值與參考波長值之差為波長正確度：3次波長測量值與平均值之差中絕對值最大的一個作為波長重復性：波長精確度是最終判斷儀器波長合格與否的技術指標：Uλ=Δλ±δλ式中，正負號的取用原則為與Δλ符號同向。 　　(2) 分辨率檢定。分光光度計的分辨率主要由單色器的分辨率決定。規程JJG375-85中，規定由汞燈的3條非常接近的譜線來檢定儀器的分辨率。即在狹縫寬度為0.02nm處，緩慢轉動波長讀數輪，對波長為365.02nm、365.48nm、366.33nm的汞三線進行測量，應能在指示電表上觀測到相應的3個波長峰值。 　　(3) 光度計量。光度透射比準確度近似等于透射比正確度與透射比重復性之和。與儀器光源的穩定性，單色器的性能、波長變動等因素有關，是反應分光光度計的綜合技術指標。在可見光區：規程中采用國家一級標準物質，其編號為GBW13305光譜中性玻璃濾光片，特點是在400～800nm波長范圍內，光譜特性近乎中性。用透射比分別為20%、40%、70%左右的光譜中性玻璃濾光片，分別在440、546、635nm波長處，分別連續測量3次。透射比正確度的計算：式中Ti為每一濾光片第i次透射比測量值，Ts為每一濾光片在相應濾長下的透射比標準值。透射比重復性的計算：式中Ti為透射比20%的濾光片在紅光區的測定值。在紫外光區：用0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標準溶液，取用1cm工作標準石英比色皿(需配套)，以0.001mol/L HCLO4為參比，分別在235、257、313、350nm波長處，分別測量標準溶液的透射比值，連續測3次(每次測量前允許調零點和100%點)。正確度按以上ΔT計算，重復性按式中Ti為標準溶液第i次透射比的測量值，溶液的透射比光譜圖如圖3。不同溫度下的透射比參考數據如表3。

圖3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標準溶液的透射比光譜圖 表3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標準溶液在相應波長下不同溫度的透射比

溫度(℃)	235nm	257nm	313nm	350nm
10	18.0	13.5	51.2	22.6
15	18.0	13.6	51.3	22.7
20	18.1	13.7	51.3	22.8
25	18.2	13.7	51.3	22.9
30	18.3	13.8	51.4	22.9

4. 體會與思考 　　現代計量已突破了傳統的物理量的范疇，形成了電磁、電子、頻率、電輻射、時間、長度、熱學、力學、聲學、光學和化學等電量的和非電量的計量兩類。對電量計量一般都有傳統的標準電子儀表來定量如各類電表、示波器、頻譜儀等。而非電量計量一般需經過傳感換能再作為電量來計量，引入的誤差相對加大。各類分析儀器作為基本工作用計量器具，本身就要求對其它化學量定量測量，也具有化學、藥學等計量特征。而分析儀器組份中非電量計量種類較多，計量的方法、手段及標準都不一樣。因此，在實驗教學中開設了對各類分析儀器有關檢定標準的學生實驗。如在《分析化學實驗》課中開設了“PH計性能的檢定”；“分光光電比色計的性能檢定”；“紫外可見分光光度計的性能檢定”；“氣相色譜儀性能的檢定”等實驗課程，已包含了以上各儀器的非電量計量，盡管這些實驗課程并非以計量為目的，但強調使用這些計量器具前，首先應了解它們是否符合計量部門的各項標準，對后續實驗的準確度具有重要性，從而增強學生的計量意識，提高實驗教學質量。對科學研究意義更大。 作者單位：浙江大學湖濱校區藥學院分析中心　杭州　310031 參考文獻 　[1]　蔣煥文等編著《電子測量》　北京：中國計量出版社　1995年版 　[2]　于如嘏等主編《分析化學實驗》　北京：中國醫藥科技出版社　1988年 　[3]　邱耀彰等編著《分光光度計原理，使用及維修》　成都：電子科技大學出版社　1995年 　[4]　D.A..Bell《Electronic instrumentation and Measurements》 Reston Publishing Company Inc 1983.