实验室现代分析仪器的非电量计量

实验室现代分析仪器的非电量计量 俞志平 摘　要　引出科学仪器计量标准中的基本概念，对现代实验室常用分析仪器的非电量计量学的共性作了探讨。以分光光度计的非电量计量为例，着重加以说明。 关键词　计量标准　非电量计量　误差校正 1. 计量标准广义性论述 　　计量是为了保证量值的统一和准确一致的一种测量，它的三个主要的特征是统一性、准确性和法制性。计量工作主要是把未知量与经过准确确定，并经国家计量部门认可的基准或标准相比较来加以测定，也就是通过建立基准、标准，进行量值传递。因此，计量器具按传递途径可分为计量基准、计量标准、工作用计量器具三类。(1)计量基准一般又分为国家基准、副基准和工作基准。国家基准又叫主基准，它是用来复现和保存计量单位，具有现代科学技术所能达到的最高准确度，经国家鉴定并批准，作为统一全国计量单位量值的最高依据的计量器具。(2) 计量标准有两类：一类是标准器具，一类是标准物质，即在规定条件下，具有高稳定的物理、化学或计量学特性，并经正式批准作为标准使用的物质或材料。在鉴定、评估和考核仪器、测量方法和测量结果方面，标准物质的使用是一种常见的重要手段。(3)工作用计量器具作为不用于检定工作而只用于日常测量的计量器具。但是工作用计量器具要定期用计量标准来检定，即由计量标准来评定它的计量性能(准确度、稳定度、灵敏度等)是否合格。当此检定误差超过一定限度，测量工作和测量结果不但变得毫无意义，甚至会给工作带来很大危害。因此，对测量误差的控制就成为衡量测量技术水平，以至于科学技术水平的重要标志之一。 2. 分析仪器的非电量计量的共性 　　为使仪具有正常的功能和准确示值，保证其精确度和准确度，必须对新生产的仪器、使用中的仪器和修理后的仪器进行周期性检定。我校实验室的工作用计量器具作为分析仪器大致可分为三大类：光谱类、色谱类、电化学类。以下分别对这三类分析仪器中的非电量部分予以计量标准的作一归类，以至对其非电量计量的共性作一探讨。 　　(1) 对光谱类仪器主要有可见光分光光度计如721型、722型。可见紫外分光光度计如：751型，UV-2000，TU-1800型，红外分光光度计岛津IR-460型及荧光光度计930型，F-4000型，以及岛津AA-670型原子吸收光谱仪，它们的共性是都具有一套光学系统，因此都将引入波长误差与波长校正的问题，那么通常对单色器就存在计量标准。 　　(2) 对色谱类仪器主要有气相类SP-501型、岛津GC-15型等，它们的计量共性存在于柱温，检测室温及气化器温度的误差校正，及各种气体的流速与压力的误差与示值误差校正。HPLC类则有varian-5000型、BECKMAN-163型及岛津SPD-6AV型等，它们都存在着该光学检测器波长误差，特别是LC-6A类型恒流泵的流速及液压的误差涉及对流动相流速的计量，尤其关系到实验条件和结果数据。 　　(3) 对电化学类主要有PHS-3型、PHS-9V型，ORION-720型等，它们的计量共性存在于电极对的非电量误差及校正。如玻璃电极的球膜的不均匀度、电极的渗透性及仪表面的示值误差。 　　综上所述，实验室分析仪器通常需要根据不同类型、不同目的对其温度、流速、压力、光学波长、电极渗透性等分别进行非电量计量，及时校正误差，保证实验条件与结果数据的真实性、可靠性、重复性和可报导性。即根据不同非电量计量标准的标准器具或标准物质对这些不同种类的工作用计量器具进行测量后校正误差方可正常工作。 3. 现代分析仪器常见计量应用典型 　　对分析仪器需要计量的非电量参数各种类实在太多，作为典例今仅对光谱类中的可见紫外分光光度计的光学波长部分根据计量标准对其作误差较正，其实在HPLC的检测器中通常也是一套可见紫外分光光学系统，同样存在以上的问题，故以期达到举一反三的效果。 　　色散元件不同，分光光度计包括两大类：棱镜式和光栅式。检定工作用计量器具的计量性能，确定其是否合格这项检定工作必须按照国家计量基准的相关规程进行。规程JJG178-89《可见分光光度计检定规程》适用于新制造、使用中和修理后，波长范围360～800nm可连续选择使用的可见分光光度计的检定，如721、722等型号。规程JJG375-85《单光束紫外可见分光光度计检定规程》适用于新制造、使用中和修理后波长从紫外光区至可见光区连续选择使用的单光束紫外可见分光光度计的检定。如751、UV-2000、TU-1800等型号，归纳成以下方面： 　　(1) 波长计量。波长准确度定义为波长正确度与波长重复性之和，是分光光度计非电量计量的一项主要指标。计量波长的标准器具或标准物质，规程JJG178-89规定：“对于波长准确度大于、等于2nm的仪器”选择合适的干涉滤光片(不少于3片)检定。“对于波长准确度优于2nm的仪器”则用波长准确度优于0.01nm的汞灯或氧化钬玻璃滤光片检定。对于用汞灯检查的仪器仍需用镨钕滤光片(528.7nm和807.7nm)吸收峰检定。规程JJG375-85中规定：采用汞灯谱线、氢灯谱线(486.13nm)或氘灯(486.00nm)谱线；镨钕滤光片(528.7nm和807.7nm)吸收峰作为参考波长检定。具体方法一类是利用原子发射光谱中的谱线，这些谱线尖锐准确，是校核波长很好的依据。另一类是用吸收光谱中有较狭窄吸收谱带的吸光物质，只要吸收峰尖锐，也用作核对波长。分别介绍如下。 　　谱线校核：将仪器光源拆除或遮挡，用外部插入的笔型低压石英汞灯作为测量光源，使汞灯发出的光束与光源灯发出的光束方向一致。采用连续扫描法，即从短波长向长波长方法连续驱动波长传动装置，找出各谱线最大吸收值所对应的峰值波长，其光谱图如图1。

图1　低压汞灯光谱图 表1　低压汞灯光谱线波长参考值

线号	波长(nm)	线号	波长(nm)	线号	波长(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：对于无法安装笔型低压石英汞灯的仪器，可采用氧化狄的高氯酸溶液的吸收峰作为参考波长来检定。溶液置样品池中同上操作，其透射比光谱图如图2。

图2　10%高氯酸中4%氧化狄溶液的吸收光谱图 表2　氧化狄溶液的参考波长

线号	波长(nm)	峰号	波长(nm)	峰号	波长(nm)	峰号	波长(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

用干涉光片作为波长标准器，需事先经过标定。标定用波长准确度误差不大于±0.3nm的分光光度计。先用专门设计固定干涉滤光片位置的架体放置正确。规程JJG178-89中规定用逐点法则。即对干涉滤光片峰值波长附近点，自短波向长波逐个波长点调整参比的透射比为100%，分别测出滤光片透射比示值，求得最大透射比值所对应的峰值波长。 　　波长检定结果的处理。若对某参考波长连续测量3次，3次波长测量值的平均值与参考波长值之差为波长正确度：3次波长测量值与平均值之差中绝对值最大的一个作为波长重复性：波长精确度是最终判断仪器波长合格与否的技术指标：Uλ=Δλ±δλ式中，正负号的取用原则为与Δλ符号同向。 　　(2) 分辨率检定。分光光度计的分辨率主要由单色器的分辨率决定。规程JJG375-85中，规定由汞灯的3条非常接近的谱线来检定仪器的分辨率。即在狭缝宽度为0.02nm处，缓慢转动波长读数轮，对波长为365.02nm、365.48nm、366.33nm的汞三线进行测量，应能在指示电表上观测到相应的3个波长峰值。 　　(3) 光度计量。光度透射比准确度近似等于透射比正确度与透射比重复性之和。与仪器光源的稳定性，单色器的性能、波长变动等因素有关，是反应分光光度计的综合技术指标。在可见光区：规程中采用国家一级标准物质，其编号为GBW13305光谱中性玻璃滤光片，特点是在400～800nm波长范围内，光谱特性近乎中性。用透射比分别为20%、40%、70%左右的光谱中性玻璃滤光片，分别在440、546、635nm波长处，分别连续测量3次。透射比正确度的计算：式中Ti为每一滤光片第i次透射比测量值，Ts为每一滤光片在相应滤长下的透射比标准值。透射比重复性的计算：式中Ti为透射比20%的滤光片在红光区的测定值。在紫外光区：用0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4标准溶液，取用1cm工作标准石英比色皿(需配套)，以0.001mol/L HCLO4为参比，分别在235、257、313、350nm波长处，分别测量标准溶液的透射比值，连续测3次(每次测量前允许调零点和100%点)。正确度按以上ΔT计算，重复性按式中Ti为标准溶液第i次透射比的测量值，溶液的透射比光谱图如图3。不同温度下的透射比参考数据如表3。

图3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4标准溶液的透射比光谱图 表3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4标准溶液在相应波长下不同温度的透射比

温度(℃)	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. 体会与思考 　　现代计量已突破了传统的物理量的范畴，形成了电磁、电子、频率、电辐射、时间、长度、热学、力学、声学、光学和化学等电量的和非电量的计量两类。对电量计量一般都有传统的标准电子仪表来定量如各类电表、示波器、频谱仪等。而非电量计量一般需经过传感换能再作为电量来计量，引入的误差相对加大。各类分析仪器作为基本工作用计量器具，本身就要求对其它化学量定量测量，也具有化学、药学等计量特征。而分析仪器组份中非电量计量种类较多，计量的方法、手段及标准都不一样。因此，在实验教学中开设了对各类分析仪器有关检定标准的学生实验。如在《分析化学实验》课中开设了“PH计性能的检定”；“分光光电比色计的性能检定”；“紫外可见分光光度计的性能检定”；“气相色谱仪性能的检定”等实验课程，已包含了以上各仪器的非电量计量，尽管这些实验课程并非以计量为目的，但强调使用这些计量器具前，首先应了解它们是否符合计量部门的各项标准，对后续实验的准确度具有重要性，从而增强学生的计量意识，提高实验教学质量。对科学研究意义更大。 作者单位：浙江大学湖滨校区药学院分析中心　杭州　310031 参考文献 　[1]　蒋焕文等编著《电子测量》　北京：中国计量出版社　1995年版 　[2]　于如嘏等主编《分析化学实验》　北京：中国医药科技出版社　1988年 　[3]　邱耀彰等编著《分光光度计原理，使用及维修》　成都：电子科技大学出版社　1995年 　[4]　D.A..Bell《Electronic instrumentation and Measurements》 Reston Publishing Company Inc 1983.