紫外可見波長溶液標準物質的研制

蔣磊，李碩，徐昊晟

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

光譜光度測量儀器是一種使用頻繁、覆蓋面廣的分析儀器，尤其是紫外可見分光光度計，廣泛應用于制藥、醫療、食品、環保等行業的檢測領域。能否準確評價光譜光度測量儀器的性能，直接決定檢測結果的準確性和可靠性，其中波長是非常重要的指標之一[1]。

紫外可見光區的波長通常需要結合氧化鈥濾光片(峰值波長范圍為200 nm～600 nm)和鐠釹濾光片(峰值波長范圍為700 nm～900 nm)作為標準物質共同使用才能進行校準[2-6]。但由于濾光片是通過熔融玻璃摻入稀土元素制成，均勻性相對難以控制，峰形較差，不確定度較大，校準效果不夠理想[7]。氧化鈥及鐠釹濾光片的吸收譜圖如圖1和圖2所示。

圖1 氧化鈥濾光片紫外可見區吸收譜圖Fig.1 Absorption spectrum of holmium oxide filter in ultravioletvisible region

圖2 鐠釹濾光片紫外可見區吸收譜圖Fig.2 Absorption spectrum of praseodymium-neodymium filter in ultraviolet-visible region

另外，目前濾光片波長標準物質定值的數據間隔是0.1 nm，可以滿足常規計量測試，但無法滿足更高水準的光譜光度測量儀器的計量需求。隨著科技水平的不斷提高，高端光譜儀器的分辨力已經可以達到小數點后兩位。

三價稀土氧化物有以下特點：(1)能溶于稀酸，稀酸水溶液在紫外可見區無吸收；(2)三價稀土離子處于內層的4f電子受到5s和5p電子的屏蔽，受環境影響較??；(3)自由離子的光譜是類原子的線性光譜，譜帶尖銳。筆者利用稀土元素以上特點，通過配制不同稀土元素組成、不同濃度的溶液，篩選出峰形尖銳、在230～900 nm范圍內波長分布均勻、最大吸光度不超過2 的候選物作為最終目標樣品，研制了波長校準用溶液標準物質，以滿足國內外各類光譜光度測量儀器的計量需求，包括出廠檢驗、質量控制等需求，確保結果在國內外實驗室測量的可靠性、可比性和溯源性[8]。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外可見近紅外分光光度計：Cary6000i 型，美國安捷倫科技有限公司。

電子天平：XS205型，感量為0.01 mg，瑞士梅特勒-托利多儀器有限公司。

特制石英比色皿：光程為1 cm，材質為JGS2 光學石英玻璃。

醫用注射器：10 mL，江蘇治宇醫療器材有限責任公司。

高氯酸：分析純，國藥集團化學試劑有限公司。

氧化鈥：純度(質量分數)不小于99.99%，國藥集團化學試劑有限公司。

氧化釹：光譜純，國藥集團化學試劑有限公司。

氧化鈥溶液波長標準物質：SRM2034，美國國家標準與技術研究院。

Milli-Q超純水制備系統：美國密理博公司。

數字溫濕度計、單標線容量瓶、單標線吸管等玻璃量器。

所有儀器和玻璃量器均經過計量技術機構檢定或校準。

實驗用水為Milli-Q超純水制備系統制備。

1.2 實驗方法

1.2.1 紫外可見區波長溶液標準物質候選物的篩選

對不同稀土元素溶解于高氯酸后的溶液進行紫外可見區波長掃描，結果見圖3。

圖3 不同稀土元素溶液的紫外可見區吸收譜圖Fig.3 Absorption spectrum of different rare earth elements solution in ultraviolet-visible region

根據光譜圖，從溶液中選取吸收光波長能夠均勻覆蓋200～900 nm 波長的氧化鈥、氧化釹的高氯酸溶液作為標準物質候選物。此外，氧化鈰溶液在200～250 nm的遠紫外區表現出良好的吸收特性。

1.2.2 紫外可見區波長溶液標準物質候選物的制備

準確稱量40.0 g氧化鈥和12.0 g氧化釹，溶于質量分數10%的高氯酸溶液中，用磁力攪拌器充分攪拌混勻，完全溶解后定容至1 L，得到所述紫外可見區波長校準用標準物質[9]。

1.2.3 紫外可見區波長溶液標準物質的封裝

設計一種特殊進樣口的石英比色皿，將波長溶液標準物質通過進樣針打入特制比色皿后，熔融進樣口處的石英來進行永久密封。密封后的紫外可見波長溶液標準物質成品見圖4。

圖4 密封后的紫外可見波長溶液標準物質成品Fig.4 Sealed ultraviolet-visible wavelength standard solution product

1.2.4 紫外可見區波長溶液標準物質的波長掃描

掃描參數設定參照JJG 178—2007《紫外、可見、近紅外分光光度計檢定規程》。波長掃描范圍選擇200～900 nm，光譜帶寬為2 nm，慢速掃描，掃描速率為40 nm/min，采樣間隔為0.1 nm，采用吸光度測量方式，使用空氣作空白進行儀器的基線校正，將紫外可見波長溶液標準物質垂直置于樣品光路中，連續掃描3 次，分別檢出吸光度峰值波長。掃描圖譜見圖5。

圖5 紫外可見波長溶液標準物質吸收譜圖Fig.5 Absorption spectrum of ultraviolet-visible wavelength standard solution

由圖5 可以看出，吸收峰形遠優于濾光片的吸收譜圖(圖1 和圖2)，且測試范圍更廣，滿足JJG 178—2007中對于波長檢定，每間隔100 nm至少選擇一個波長檢定點的要求。

2 結果與討論

2.1 紫外可見區波長溶液標準物質的定值方法

常規波長峰值的檢出是選取吸光度測試點的局部最大值對應的波長。為了滿足高端光譜儀器對于分析精度的要求，采用0.01 nm采樣間隔，以241 nm處波長為例，發現當掃描間隔太小時，峰頂處點與點之間的縱坐標過于接近，峰值檢出的效果會受到儀器基線誤差的影響，如圖6。另外，采用0.01 nm 采樣間隔進行紫外可見區全波段掃描，用時是0.1 nm采樣間隔的10 倍，不僅效率大幅降低，還會更容易受到儀器穩定性的影響。

圖6 采樣間隔0.01 nm，紫外可見波長溶液標準物質241 nm處吸收譜圖Fig.6 Absorption spectrum of ultraviolet-visible wavelength standard solution at 241 nm with sampling interval of 0.01 nm

筆者在對比了三次函數擬合和三次樣條插值后，選擇采用三次樣條插值為峰值波長定值[10-11]，得到多一位有效位數的量值，解決了掃描間隔對定值準確性限制的問題。當采用最小二乘法中最泛用的Levenberg-Marquardt 算法進行3 次多項式擬合時，發現并非所有吸收峰的形狀符合三次函數，部分吸收峰擬合結果的相關系數差強人意。因此，在未知函數表達式的情況下，用三次樣條插值能夠經過所有已知點，且該點的前后函數為連續函數，更為安全和合理。

如圖7 所示，以0.1 nm 掃描下頂點的左右各2個點，共5個點進行三次樣條插值，考慮到需要0.01 nm的間隔，插值數量定為80，并以此方法對全波長范圍內的波峰進行定值[12]。

圖7 采樣間隔0.1 nm，紫外可見波長溶液標準物質241 nm處吸收譜圖的數據插值Fig.7 Ⅰnterpolation of absorption spectrum data of ultraviolet-visible wavelength standard solution at 241 nm with sampling interval of 0.1 nm

另外，865 nm處吸收峰的重復性和復現性遠差于其他吸收峰，插值結果異常，因此將其舍去。

經過一段時間的觀察，不同的光譜帶寬對于均勻性、穩定性幾乎沒有影響，因此在計算不確定度時，均采用光譜帶寬為2 nm下的數據。

2.2 均勻性檢驗

2.2.1 瓶內均勻性

由于不同廠家型號的儀器甚至是相同廠家不同型號的儀器入射比色皿的位置都會有所不同，因此單支比色皿的均勻性也會引入不確定度，需要通過比色皿不同位置的均勻性進行考察。

隨機抽取4 瓶紫外可見波長溶液標準物質，通過調節紫外可見分光光度計樣品槽的深度，對樣品3 個不同深度位置進行掃描，每個位置掃描3 次，記錄峰值波長值。采用方差分析法對該標準物質進行均勻性檢驗，結果表明，在95%置信水平下，F值均小于F0.05(11，24)，可認為數據組間無明顯差異，表明該標準物質瓶內是均勻的。

2.2.2 瓶間均勻性

隨機抽取11 瓶紫外可見波長溶液標準物質樣品，對每個樣品重復測定3次，記錄峰值波長值。采用方差分析法對該標準物質進行均勻性檢驗，結果表明，95%置信水平下F值均小于F0.05(10，22)，認為數據組間無明顯差異，表明該標準物質瓶間是均勻的。

2.3 穩定性考察結果

保持樣品穩定性的措施必須貫穿標準物質研制的全過程。由于標準物質在使用過程中不可避免要涉及到運輸等因素，因此對該標準物質分別進行了運輸穩定性和長期穩定性考察。

2.3.1 運輸穩定性考察

運輸穩定性考察采用同步穩定性研究，所有穩定性研究的測量在重復性條件下進行，即僅進行一輪校準，實驗模擬樣品在運輸中可能遇到的條件。潛在動力學機理未知的情況下，采用經典線性模型。將制備的標準物質取6 瓶，分別于50 和4 ℃下保存0、1、3、5、7、14 天后取出，同時進行測試，考察運輸穩定性，每個樣品重復測定3 次。對運輸穩定性考察結果進行t檢驗，在95%置信水平上，斜率不顯著，沒有觀察到不穩定性。表明該標準物質在運輸條件下14天內是穩定的，滿足實際運輸要求。

2.3.2 長期穩定性考察

長期穩定性考察采用經典穩定性研究，即同時制備的樣品在相同條件下隨著時間的推移進行測量。分別在樣品制備完成后當天和1、2、3、4、5、8、12 個月對制備的標準物質隨機抽取1 瓶，每次重復測定3 次，樣品在室溫下存放，進行長期穩定性考察。同樣對長期穩定性考察結果進行t檢驗，在95%置信水平上，斜率不顯著，沒有觀察到不穩定性。該標準物質在室溫條件(25 ℃)下保存，可以判定在12個月內是穩定的。同時，實驗室將持續監測該標準物質的穩定性。

2.4 標準物質的定值及不確定度評定

2.4.1 標準物質的定值

按照ⅠSO導則35《標準物質/標準樣品定值的一般原則和統計方法》的要求，該標準物質采用多家實驗室合作定值的方法。參加定值單位包括中科院上海微系統所、中科院上海光機所、中科院上海硅酸鹽所、東華大學等9 家具有高精度紫外可見分光光度計的機構。定值儀器選用與NⅠST 標準物質SRM 2034 國際比對相同品牌的儀器的最高端型號[12]，包括 安 捷 倫 的Cary5000、Cary6000i、PE 的lambda 1050 Plus、日立的UH4150、島津UV3600i Plus。定值儀器采用NⅠST標準物質SRM 2034 進行驗證，定值儀器的波長示值誤差小于0.1 nm。數據結果為2 nm 光譜帶寬下，以0.1 nm 掃描間隔掃描，并通過對峰值波長附近的5 個數據點做三次樣條插值，插值數量為80，得到插值后的數據結果。平行測定9次，進行定值分析。檢測結果經過柯克倫檢驗(等精度檢驗)和格拉布斯檢驗(可疑值檢驗)，所有單元的數據均可保留并參與最終定值，每個實驗室檢測結果的平均值和總平均值見表1。

表1 紫外可見波長溶液標準物質峰值波長9家實驗室聯合定值數據結果Tab.1 Joint determination results of wavelength standard solutions in the ultraviolet-visible regions by 9 laboratories

2.4.2 標準物質的不確定度評定

紫外可見分光光度計波長標準物質峰值波長的不確定度來源由4 部分組成：比色皿不同位置均勻性引入的不確定度、瓶間均勻性引入的不確定度、標準物質的長期穩定性引入的不確定度、標準物質的定值過程帶來的不確定度，包括測量過程引入的不確定度和測量數據統計引入的不確定度[13-14]。將合成標準不確定度乘以包含因子k=2，得到擴展不確定度。統計結果見表2。

表2 紫外可見波長溶液標準物質峰值波長的定值及不確定度Tab.2 List of wavelengths and uncertainties of wavelength standard solutions in the ultraviolet-visible regions

3 結語

采用高精度紫外可見近紅外分光光度計，經多家實驗室聯合定值，結果量值可靠，研制的紫外可見波長溶液標準物質準確性、均勻性和穩定性良好。該標準物質在多家光譜光度測量儀器生產單位和使用單位使用過程中，檢測得到的結果重復性、穩定性好，可以滿足國內外光譜光度測量儀器的出廠檢驗及質量控制的要求。除此之外，發現氧化鈰溶液在遠紫外區表現出了良好的吸收特性，未來可進一步通過研究，擴展紫外可見區的波長標準物質。