于亚洲,丁海铭,李 莹

（黑龙江省计量检定测试研究院,黑龙江 哈尔滨 150036）

溶液的折射率是关系食品质量和食品安全的重要指标。但是目前国内缺少高水平的折射率标准物质,导致折射率这一通用基础数据测试水平低下,以致质量检验水平低,使产品质量提升受到制约。检测溶液折射率的方法很多,最常用的是阿贝折射仪、手持折射仪手持折射仪等。这些仪器标称的折射率准确度达到10-5量级。然而长期以来,我国最高准确度的标准物质只能达到10-4量级,无法保障高准确度仪器测量结果的准确可靠。基于此笔者研制了系列折射率溶液标准物质,折射率范围覆盖1.330～1.658,不确定度为0.0001 nD。本研究使用高精度折射仪测量溶液的折射率,经过F 检验和T 检验,证明其均定性和稳定性良好,量值准确可靠,符合国家二级标准物质的要求。

1 折射率标准物质的制备和封装过程

1.1 需要的仪器设备和试剂

广口瓶,4 个；500 ml 容量瓶1 个；超声波清洗器；电热鼓风干燥箱；全自动安瓿拉丝灌封机；

安瓿瓶,棕色,规格为2 mL,数量为1 000 只；安瓿瓶,白色,规格为2mL,数量为200 只；安瓿瓶架,50孔；瓶口分液器（0.5～5）mL（无机）,定量1.2 mL；瓶口分液器（0.5～5）mL、（有机）,定量1.2 mL。

标准物质是具有高度均匀性、良好稳定性和量值准确性,用来校准、对测量方法进行评价或为物质定值的物质[1],我们选取的四种有机试剂分别为异辛烷（C8H18）、环己烷（C6H12）、氯苯（C6H5Cl）、1- 溴代萘（C10H7Br）。四种有机试剂的结构见图1～图4。

图1 异辛烷

图2 环己烷

图3 氯苯

图4 1- 溴代萘

1.2 折射率标准溶液配制过程

纯水标准物质使用超纯水器二次处理过的纯水,装入500 ml 容量瓶中,使用封口膜封紧,放置在阴凉干燥处待用。使用的超纯水器见图5。而有机溶剂配置的标准物质时,选择的每种有机溶剂要使用同一批次,同一生产日期,同一厂家的试剂,每种选择两瓶体积数均为500 mL 的试剂进行预混,将四种有机溶剂分别装入预先清洗干燥好的四个棕色广口瓶中预混均匀,然后将瓶口封闭好,放置在阴凉干燥处待用。

图5 配制纯水标准物质使用的超纯水器

1.3 折射率标准溶液封装过程

将安瓿瓶按顺序的放置在安瓿瓶架上,一次可放置50 只。使用瓶口移液器（定量为1.2 mL）（有机）,按顺序将折射率标准溶液装入准备好的安瓿瓶中。装完一批后马上在封装机上进行封装。每种标准物质完成200 只的分装量。安瓿瓶封装完的四种有机折射率标准溶液见图6。

图6 分装后的四种有机折射率标准物质

将配置好的纯水溶液放置在超净工作台上,将安瓿瓶按顺序放置在安瓿瓶架上。一次可放置50 只。使用瓶口移液器（定量为1.2 mL）（无机）,按顺序将折射率标准溶液装入准备好的安瓿瓶中。装完一批后马上在封装机上进行封装。纯水折射率标准物质需要完成200 只的分装量。安瓿瓶封装完的纯水折射率标准溶液见图7。

图7 分装后的纯水折射率标准物质

2 均匀性评估、稳定性分析及定值方法研究

2.1 折射率标准物质的均匀性评估

均匀性评估中,抽取单元数目对样品总体要有足够的代表性。抽取单元数取决于总体样品的单元数和对样品的均匀程度的了解[2]。将制备的折射率溶液标准物质各分装为200 瓶,每种随机抽取15 瓶。每瓶独立测试3 次,采用高精度自动折光仪在相同条件下得到等精度测量数据。测量数据经F 检验得出F＜F0.05（14,30）,验证了制备的样品均匀性良好。均匀性检验结果见表1。

表1 折射率标准物质均匀性检验结果 单位：nD20

2.2 折射率标准物质的稳定性分析

为了考察标准物质在规定贮存条件下的长期稳定性,在9 个月的时间里对研制的标准物质进行稳定性研究。按照时间间隔先密后疏的原则,每次抽取3 瓶,取3 次测定结果的平均值作为一次稳定性测试结果。使用安东帕的高准确度折光仪对样品一共进行了6次测定,得到的折射率标准物质的稳定性检验测试数据结果,测试数据经t 检验[3],确定器稳定性良好。长期稳定性分析结果见表2。

表2 折射率标准物质长期稳定性检验结果 单位：n20D

为了评估在短期运输条件下稳定性,对研制的标准物质进行了短期稳定性实验。短期稳定性的实验条件为4 ℃和60 ℃贮存7 天,在7 天内,将随机抽取的3 个样品按时间间隔先密后疏的原则,分别放入4℃冰箱和60 ℃烘箱中。测试时每个样品测试1 次,取3 次重复测定的平均值作为一次测量结果。根据测试数据经t 检验,确定其短期稳定性良好。4 ℃和60 ℃短期稳定性分析结果见表3 和表4。

表3 折射率标准物质短期稳定性检验4 ℃ 单位：n20D

表4 折射率标准物质短期稳定性检验60 ℃ 单位：n20D

2.3 折射率标准物质的定值方法

标准物质的定值是指对与标准物质预期用途有关的一个或多个物理、化学、生物或工程技术等方面的特性值的测定[4]。本课题研究的折射率标准物质的定值采用的是经过中国计量科学研究院检定合格的V 棱镜折射仪进行定值。通过使用满足计量学特性要求的制备方法、测量方法和检定合格的计量器具,保证标准物质的量值溯源性。采用测量误差为≤±5×10-5nD 的V 棱镜折射仪对折射率标准物质进行定值测定。

3 定值结果的不确定度分析

折射率标准物质的的不确定度主要由定值测量的重复性、测量仪器本身的误差、溶液的不均匀性、溶液的不稳定性所引入的不确定度等组成的[5]。温度变化对折射率标物物质的折射率值影响小,计算时可以忽略不计。

3.1 定值测量重复性引入的不确定度uA

折射率标准物质测量时重复性引入的不确定度分量用ur表示,根据上表求出重复性测量结果sr,根据重复性引入的不确定度分量ur=sr可得出折射率标准物质测量重复性引入的不确定度为：纯水折射率标准物质的ur=sr=6.24×10-6nD；异辛烷折射率标准物质的ur=sr=3.51×10-6nD；环己烷折射率标准物质的ur=sr=5.51×10-6nD；氯苯折射率标准物质的u=s=4.16×10-6nD；1-溴代萘折射率标rr准物质的ur=sr=4.04×10-6nD。

3.2 V 棱镜折射仪测量时仪器本身的测量误差引入的不确定度uv

V 棱镜折射仪测量时仪器本身的测量误差为5×10-5nD,服从均匀分布,引入的不确定度分量为,则V 棱镜折射仪测量时仪器本身引入的不确定度分量uv为2.89×10-5nD。

3.3 均匀性引入的不确定度ubb

采用单因素方差分析法进行均匀性评估,则瓶间均匀性标准偏差sbb可以用下列公式计算：

式中:sbb为瓶间标准偏差；为组间方差；为组内方差；n 为组内测量次数。

在这种情况,sbb等同于瓶间不均匀性导致的不确定度分量ubb,即为如下公式

式中：ubb为瓶间不均匀性导致的不确定度分量。

根据均匀性检验的结果,代入公式后可得到折射率溶液标准物质均匀性引入的不确定度分别为:

纯水折射率标准物质：ubb=1.70×10-7nD；异辛烷折射率标准物质：ubb=2.98×10-7nD；环己烷折射率标准物质：ubb=5.47×10-7nD；氯苯折射率标准物质：ubb=1.57×10-6nD；1- 溴代萘折射率标准物质：ubb=1.32×10-6nD。

3.4 稳定性引入的不确定度us

3.4.1 长期稳定性引入的不确定度

对于多个时间点采用简单线性模型的稳定性研究中,由稳定性引入的标准不确定度用下列公式计算：

该式在稳定性变化趋势不明显的情况下适用,式中：us为稳定性引入的不确定度；s(β1)为斜率估计值的标准偏差；X 为稳定性检验的时间间隔。

长期稳定性考察结果代入稳定性不确定度评定公式,计算出长期稳定性不确定度ults结果为：

3.4.2 短期稳定性引入的不确定度

短期稳定性考察结果代入不确定度评定公式,计算出短期稳定性不确定度uss结果为：

纯水折射率标准物质：uss=1.12×10-5nD；异辛烷折射率标准物质：uss=1.60×10-5nD；环己烷折射率标准物质：uss=1.36×10-5nD；氯苯折射率标准物质：uss=1.47×10-5nD；1- 溴代萘折射率标准物质：uSS=1.77×10-5nD。

3.4.3 将长期稳定性和短期稳定性不确定度进行合成,得到稳定性引入的不确定度：

3.5 合成不确定度的计算

折射率标准物质的扩展不确定度由上述4 个不确定度合成而得,其合成的扩展不确定度表示为

把表中各不确定度分量数据代入上式,计算得各折射率标准物质的的uc为：纯水折射率标准物质：uc=3.63×10-5nD；异辛烷折射率标准物质：uc=3.46×10-5nD；环己烷折射率标准物质：uc=3.69×10-5nD；氯苯折射率标准物质：uc=3.58×10-5nD；1- 溴代萘折射率标准物质：uc=3.71×10-5nD。

3.6 扩展不确定度的计算

取扩展因子k=2,则扩展不确定度U=kuc。折射率标准物质的扩展不确定度分别为：纯水折射率标准物质：U=7.26×10-5nD；异辛烷折射率标准物质：U=6.92×10-5nD；环己烷折射率标准物质：U=7.38×10-5nD；氯苯折射率标准物质：U=7.15×10-5nD；1- 溴代萘折射率标准物质：U=7.41×10-5nD。

3.7 标准物质的折射率最终结果可以表示为：

纯水：Y=（1.332 993±0.000 073）nD；异辛烷：Y=（1.391 658±0.000 070）nD；环乙烷：Y=（1.426 628±0.000 074）nD；氯苯：Y=（1.524 585±0.000 072）nD；1- 溴代萘：Y=（1.657 950±0.000 074）nD。

4 结论

采用纯水和四种有机物制备的折射率标准物质溶液,经过测试和分析,均匀性良好,稳定性符合要求。通过对结果进行定值方法研究和对定值结果进行的不确定度的分析得出了折射率标准物质的不确定度。通过对折射率标准物质的研究,优化标准物质的赋值过程,减少中间不必要的溯源链,提升了标准物质的品质。对检验检测中折射仪器的检测方法研究,确保量值传递的准确可靠方面提供了技术支撑。