實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代分析儀器的非電量計(jì)量

實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)代分析儀器的非電量計(jì)量 俞志平 摘　要　引出科學(xué)儀器計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中的基本概念，對(duì)現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室常用分析儀器的非電量計(jì)量學(xué)的共性作了探討。以分光光度計(jì)的非電量計(jì)量為例，著重加以說(shuō)明。 關(guān)鍵詞　計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)　非電量計(jì)量　誤差校正 1. 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)廣義性論述 　　計(jì)量是為了保證量值的統(tǒng)一和準(zhǔn)確一致的一種測(cè)量，它的三個(gè)主要的特征是統(tǒng)一性、準(zhǔn)確性和法制性。計(jì)量工作主要是把未知量與經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確確定，并經(jīng)國(guó)家計(jì)量部門(mén)認(rèn)可的基準(zhǔn)或標(biāo)準(zhǔn)相比較來(lái)加以測(cè)定，也就是通過(guò)建立基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行量值傳遞。因此，計(jì)量器具按傳遞途徑可分為計(jì)量基準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、工作用計(jì)量器具三類(lèi)。(1)計(jì)量基準(zhǔn)一般又分為國(guó)家基準(zhǔn)、副基準(zhǔn)和工作基準(zhǔn)。國(guó)家基準(zhǔn)又叫主基準(zhǔn)，它是用來(lái)復(fù)現(xiàn)和保存計(jì)量單位，具有現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)所能達(dá)到的最高準(zhǔn)確度，經(jīng)國(guó)家鑒定并批準(zhǔn)，作為統(tǒng)一全國(guó)計(jì)量單位量值的最高依據(jù)的計(jì)量器具。(2) 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)有兩類(lèi)：一類(lèi)是標(biāo)準(zhǔn)器具，一類(lèi)是標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，即在規(guī)定條件下，具有高穩(wěn)定的物理、化學(xué)或計(jì)量學(xué)特性，并經(jīng)正式批準(zhǔn)作為標(biāo)準(zhǔn)使用的物質(zhì)或材料。在鑒定、評(píng)估和考核儀器、測(cè)量方法和測(cè)量結(jié)果方面，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的使用是一種常見(jiàn)的重要手段。(3)工作用計(jì)量器具作為不用于檢定工作而只用于日常測(cè)量的計(jì)量器具。但是工作用計(jì)量器具要定期用計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)檢定，即由計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)評(píng)定它的計(jì)量性能(準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度、靈敏度等)是否合格。當(dāng)此檢定誤差超過(guò)一定限度，測(cè)量工作和測(cè)量結(jié)果不但變得毫無(wú)意義，甚至?xí)o工作帶來(lái)很大危害。因此，對(duì)測(cè)量誤差的控制就成為衡量測(cè)量技術(shù)水平，以至于科學(xué)技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。 2. 分析儀器的非電量計(jì)量的共性 　　為使儀具有正常的功能和準(zhǔn)確示值，保證其精確度和準(zhǔn)確度，必須對(duì)新生產(chǎn)的儀器、使用中的儀器和修理后的儀器進(jìn)行周期性檢定。我校實(shí)驗(yàn)室的工作用計(jì)量器具作為分析儀器大致可分為三大類(lèi)：光譜類(lèi)、色譜類(lèi)、電化學(xué)類(lèi)。以下分別對(duì)這三類(lèi)分析儀器中的非電量部分予以計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的作一歸類(lèi)，以至對(duì)其非電量計(jì)量的共性作一探討。 　　(1) 對(duì)光譜類(lèi)儀器主要有可見(jiàn)光分光光度計(jì)如721型、722型。可見(jiàn)紫外分光光度計(jì)如：751型，UV-2000，TU-1800型，紅外分光光度計(jì)島津IR-460型及熒光光度計(jì)930型，F(xiàn)-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(xué)系統(tǒng)，因此都將引入波長(zhǎng)誤差與波長(zhǎng)校正的問(wèn)題，那么通常對(duì)單色器就存在計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。 　　(2) 對(duì)色譜類(lèi)儀器主要有氣相類(lèi)SP-501型、島津GC-15型等，它們的計(jì)量共性存在于柱溫，檢測(cè)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(lèi)則有varian-5000型、BECKMAN-163型及島津SPD-6AV型等，它們都存在著該光學(xué)檢測(cè)器波長(zhǎng)誤差，特別是LC-6A類(lèi)型恒流泵的流速及液壓的誤差涉及對(duì)流動(dòng)相流速的計(jì)量，尤其關(guān)系到實(shí)驗(yàn)條件和結(jié)果數(shù)據(jù)。 　　(3) 對(duì)電化學(xué)類(lèi)主要有PHS-3型、PHS-9V型，ORION-720型等，它們的計(jì)量共性存在于電極對(duì)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(shí)驗(yàn)室分析儀器通常需要根據(jù)不同類(lèi)型、不同目的對(duì)其溫度、流速、壓力、光學(xué)波長(zhǎng)、電極滲透性等分別進(jìn)行非電量計(jì)量，及時(shí)校正誤差，保證實(shí)驗(yàn)條件與結(jié)果數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性、重復(fù)性和可報(bào)導(dǎo)性。即根據(jù)不同非電量計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)器具或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)這些不同種類(lèi)的工作用計(jì)量器具進(jìn)行測(cè)量后校正誤差方可正常工作。 3. 現(xiàn)代分析儀器常見(jiàn)計(jì)量應(yīng)用典型 　　對(duì)分析儀器需要計(jì)量的非電量參數(shù)各種類(lèi)實(shí)在太多，作為典例今僅對(duì)光譜類(lèi)中的可見(jiàn)紫外分光光度計(jì)的光學(xué)波長(zhǎng)部分根據(jù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其作誤差較正，其實(shí)在HPLC的檢測(cè)器中通常也是一套可見(jiàn)紫外分光光學(xué)系統(tǒng)，同樣存在以上的問(wèn)題，故以期達(dá)到舉一反三的效果。 　　色散元件不同，分光光度計(jì)包括兩大類(lèi)：棱鏡式和光柵式。檢定工作用計(jì)量器具的計(jì)量性能，確定其是否合格這項(xiàng)檢定工作必須按照國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)程進(jìn)行。規(guī)程JJG178-89《可見(jiàn)分光光度計(jì)檢定規(guī)程》適用于新制造、使用中和修理后，波長(zhǎng)范圍360～800nm可連續(xù)選擇使用的可見(jiàn)分光光度計(jì)的檢定，如721、722等型號(hào)。規(guī)程JJG375-85《單光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)檢定規(guī)程》適用于新制造、使用中和修理后波長(zhǎng)從紫外光區(qū)至可見(jiàn)光區(qū)連續(xù)選擇使用的單光束紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的檢定。如751、UV-2000、TU-1800等型號(hào)，歸納成以下方面： 　　(1) 波長(zhǎng)計(jì)量。波長(zhǎng)準(zhǔn)確度定義為波長(zhǎng)正確度與波長(zhǎng)重復(fù)性之和，是分光光度計(jì)非電量計(jì)量的一項(xiàng)主要指標(biāo)。計(jì)量波長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)器具或標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，規(guī)程JJG178-89規(guī)定：“對(duì)于波長(zhǎng)準(zhǔn)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(duì)于波長(zhǎng)準(zhǔn)確度優(yōu)于2nm的儀器”則用波長(zhǎng)準(zhǔn)確度優(yōu)于0.01nm的汞燈或氧化鈥玻璃濾光片檢定。對(duì)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(guī)程JJG375-85中規(guī)定：采用汞燈譜線(xiàn)、氫燈譜線(xiàn)(486.13nm)或氘燈(486.00nm)譜線(xiàn)；鐠釹濾光片(528.7nm和807.7nm)吸收峰作為參考波長(zhǎng)檢定。具體方法一類(lèi)是利用原子發(fā)射光譜中的譜線(xiàn)，這些譜線(xiàn)尖銳準(zhǔn)確，是校核波長(zhǎng)很好的依據(jù)。另一類(lèi)是用吸收光譜中有較狹窄吸收譜帶的吸光物質(zhì)，只要吸收峰尖銳，也用作核對(duì)波長(zhǎng)。分別介紹如下。 　　譜線(xiàn)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(cè)量光源，使汞燈發(fā)出的光束與光源燈發(fā)出的光束方向一致。采用連續(xù)掃描法，即從短波長(zhǎng)向長(zhǎng)波長(zhǎng)方法連續(xù)驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)傳動(dòng)裝置，找出各譜線(xiàn)最大吸收值所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)，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(xiàn)波長(zhǎng)參考值

線(xiàn)號(hào)	波長(zhǎng)(nm)	線(xiàn)號(hào)	波長(zhǎng)(nm)	線(xiàn)號(hào)	波長(zhǎng)(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(duì)于無(wú)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(zhǎng)來(lái)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(zhǎng)

線(xiàn)號(hào)	波長(zhǎng)(nm)	峰號(hào)	波長(zhǎng)(nm)	峰號(hào)	波長(zhǎng)(nm)	峰號(hào)	波長(zhǎng)(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(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)器，需事先經(jīng)過(guò)標(biāo)定。標(biāo)定用波長(zhǎng)準(zhǔn)確度誤差不大于±0.3nm的分光光度計(jì)。先用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)固定干涉濾光片位置的架體放置正確。規(guī)程JJG178-89中規(guī)定用逐點(diǎn)法則。即對(duì)干涉濾光片峰值波長(zhǎng)附近點(diǎn)，自短波向長(zhǎng)波逐個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)調(diào)整參比的透射比為100%，分別測(cè)出濾光片透射比示值，求得最大透射比值所對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)。 　　波長(zhǎng)檢定結(jié)果的處理。若對(duì)某參考波長(zhǎng)連續(xù)測(cè)量3次，3次波長(zhǎng)測(cè)量值的平均值與參考波長(zhǎng)值之差為波長(zhǎng)正確度：3次波長(zhǎng)測(cè)量值與平均值之差中絕對(duì)值最大的一個(gè)作為波長(zhǎng)重復(fù)性：波長(zhǎng)精確度是最終判斷儀器波長(zhǎng)合格與否的技術(shù)指標(biāo)：Uλ=Δλ±δλ式中，正負(fù)號(hào)的取用原則為與Δλ符號(hào)同向。 　　(2) 分辨率檢定。分光光度計(jì)的分辨率主要由單色器的分辨率決定。規(guī)程JJG375-85中，規(guī)定由汞燈的3條非常接近的譜線(xiàn)來(lái)檢定儀器的分辨率。即在狹縫寬度為0.02nm處，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)波長(zhǎng)讀數(shù)輪，對(duì)波長(zhǎng)為365.02nm、365.48nm、366.33nm的汞三線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量，應(yīng)能在指示電表上觀測(cè)到相應(yīng)的3個(gè)波長(zhǎng)峰值。 　　(3) 光度計(jì)量。光度透射比準(zhǔn)確度近似等于透射比正確度與透射比重復(fù)性之和。與儀器光源的穩(wěn)定性，單色器的性能、波長(zhǎng)變動(dòng)等因素有關(guān)，是反應(yīng)分光光度計(jì)的綜合技術(shù)指標(biāo)。在可見(jiàn)光區(qū)：規(guī)程中采用國(guó)家一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其編號(hào)為GBW13305光譜中性玻璃濾光片，特點(diǎn)是在400～800nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，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(zhǎng)處，分別連續(xù)測(cè)量3次。透射比正確度的計(jì)算：式中Ti為每一濾光片第i次透射比測(cè)量值，Ts為每一濾光片在相應(yīng)濾長(zhǎng)下的透射比標(biāo)準(zhǔn)值。透射比重復(fù)性的計(jì)算：式中Ti為透射比20%的濾光片在紅光區(qū)的測(cè)定值。在紫外光區(qū)：用0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標(biāo)準(zhǔn)溶液，取用1cm工作標(biāo)準(zhǔn)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(zhǎng)處，分別測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)溶液的透射比值，連續(xù)測(cè)3次(每次測(cè)量前允許調(diào)零點(diǎn)和100%點(diǎn))。正確度按以上ΔT計(jì)算，重復(fù)性按式中Ti為標(biāo)準(zhǔn)溶液第i次透射比的測(cè)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(shù)據(jù)如表3。

圖3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標(biāo)準(zhǔn)溶液的透射比光譜圖 表3　0.06000/1000K2Cr2O7的0.001mol/L HCLO4標(biāo)準(zhǔn)溶液在相應(yīng)波長(zhǎng)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(huì)與思考 　　現(xiàn)代計(jì)量已突破了傳統(tǒng)的物理量的范疇，形成了電磁、電子、頻率、電輻射、時(shí)間、長(zhǎng)度、熱學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)和化學(xué)等電量的和非電量的計(jì)量?jī)深?lèi)。對(duì)電量計(jì)量一般都有傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)電子儀表來(lái)定量如各類(lèi)電表、示波器、頻譜儀等。而非電量計(jì)量一般需經(jīng)過(guò)傳感換能再作為電量來(lái)計(jì)量，引入的誤差相對(duì)加大。各類(lèi)分析儀器作為基本工作用計(jì)量器具，本身就要求對(duì)其它化學(xué)量定量測(cè)量，也具有化學(xué)、藥學(xué)等計(jì)量特征。而分析儀器組份中非電量計(jì)量種類(lèi)較多，計(jì)量的方法、手段及標(biāo)準(zhǔn)都不一樣。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中開(kāi)設(shè)了對(duì)各類(lèi)分析儀器有關(guān)檢定標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)生實(shí)驗(yàn)。如在《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》課中開(kāi)設(shè)了“PH計(jì)性能的檢定”；“分光光電比色計(jì)的性能檢定”；“紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)的性能檢定”；“氣相色譜儀性能的檢定”等實(shí)驗(yàn)課程，已包含了以上各儀器的非電量計(jì)量，盡管這些實(shí)驗(yàn)課程并非以計(jì)量為目的，但強(qiáng)調(diào)使用這些計(jì)量器具前，首先應(yīng)了解它們是否符合計(jì)量部門(mén)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度具有重要性，從而增強(qiáng)學(xué)生的計(jì)量意識(shí)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。對(duì)科學(xué)研究意義更大。 作者單位：浙江大學(xué)湖濱校區(qū)藥學(xué)院分析中心　杭州　310031 參考文獻(xiàn) 　[1]　蔣煥文等編著《電子測(cè)量》　北京：中國(guó)計(jì)量出版社　1995年版 　[2]　于如嘏等主編《分析化學(xué)實(shí)驗(yàn)》　北京：中國(guó)醫(yī)藥科技出版社　1988年 　[3]　邱耀彰等編著《分光光度計(jì)原理，使用及維修》　成都：電子科技大學(xué)出版社　1995年 　[4]　D.A..Bell《Electronic instrumentation and Measurements》 Reston Publishing Company Inc 1983.