食品安全快速检测仪校准技术探讨

尚岚　朱茜　丁峰元

摘要：为确保食品安全快速检测仪量值的准确可靠，探讨该类仪器主要计量特性的校准方法。根据工作原理和结构组成，将仪器的校准项目分为波长示值误差与重复性两大计量特性指标。仪器波长校准采用光纤光谱仪，仪器示值误差校准采用光谱中性滤光片、甲醛溶液标准物质或氯化钴溶液标准物质。试验结果表明：该校准方法可操作性强，校准结果有较好的溯源性和可比性。

关键词：食品安全快速检测仪；校准技术；波长示值误差；仪器示值误差

文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2015）01-0050-04

0引言

食品安全快速检测仪是食品安全快速测量仪器的统称，包括食品甲醛分析仪、农药残留快速检定仪、重金属快速测定仪、过氧化苯甲酰快速测定仪、蛋白质含量快速测定仪等，广泛应用于食品和农产品质量的快速定性定量检测。2009年7月8日开始实施的《中华人民共和国食品安全法实施条例》中明确规定：“质量监督、工商行政管理、食品药品监督管理部门在食品安全监督管理工作中可以采用国务院质量监督、工商行政管理和国家食品药品监督管理部门认定的快速检测方法对食品进行初步筛查”。

随着食品安全快速检测仪的广泛使用，其量值溯源问题也受到越来越多的关注，目前只有个别省份编写了食品甲醛分析仪、农药残毒快速检定仪地方检定规程。这些规程仅从仪器测量结果方面对仪器进行检定和校准，未涉及对测量结果有显著影响的单色光；另外，现有检定规程无法覆盖农药残留快速检定仪等其他食品安全快速检测仪。针对以上问题，本文探讨了食品安全快速检测仪主要计量特性的校准方法，并分析了方法的溯源性和可比性。

1食品安全快速检测仪的工作原理

食品安全陕速检测仪的结构如图1所示，由光源提供稳定的复合光源，单色器将复合光分解成单色光，并将某一特定波长的单色光照射于被测量物质上，再通过光电传感器（检测器）接收通过物质后的光信号，根据此光信号对该物质进行定性和定量分析。

2食品安全快速检测仪的主要校准项目

对于光谱类仪器，仪器发出的波长准确与否至关重要，是决定最终测量结果准确度的关键；所以本文将波长示值误差与波长重复性作为食品安全快速检测仪校准的主要项目之一，仪器示值误差、仪器线性误差与仪器重复性体现了仪器的整体性能，也是对食品安全快速检测仪校准必须涉及的内容。本方法的主要校准项目及具体技术指标见表1。

3校准用标准设备的选择

食品安全快速检测仪多采用超高亮LED（发光二极管）发出波长，其发出波长与标称波长的一致性直接影响最终测量结果的准确度；本文中选用光纤光谱仪来测量波长示值误差，通过自行研制的光谱采集系统，采用光纤作为信号耦合器件，将被测光耦合到光谱检测仪中进行光谱分析，采集波长信号进行测量。本文选用光谱检测仪波长范围380～800 nm，最大允许误差±1nm。

对于仪器示值误差和线性误差的校准，根据仪器显示测量结果的不同，分别选择光谱中性滤光片圈、甲醛溶液标准物质或氯化钴溶液标准物质进行测量，3种计量标准均为国家有证标准物质，使用方便，操作简单。光谱中性滤光片作为常规的吸光度计量标准，其稳定性和可靠性已得到验证，在紫外可见分光光度计和酶标分析仪的检定中已得到广泛应用。本文选用的光谱中性滤光片由Ⅰ级紫外可见分光光度计定值，吸光度范围0.1～0.2，不确定度U=0.01，k=2。甲醛溶液标准物质和氯化钴标准溶液均为国家有证标准物质，其定值准确度和稳定性已得到验证，不确定度能够满足食品安全快速检测仪的校准需要，本文中选用的甲醛溶液标准物质质量浓度10mg/mL，不确定度U_rel=3%，k=2；氯化钴溶液标准物质，测量范围2.0～10.0g/L，不确定度U_rel=1.5%，k=2。

4校准方法

4.1波长示值误差与波长重复性的校准

单色器波长示值误差和波长重复性的校准装置如图2所示。

待仪器预热稳定后，对食品安全陕速检测仪波长示值误差的校准，利用自制的光谱采集系统，采集波长信号进行测量，根据其发光二级管发出波长理论值范围的不同，选择合适的波长扫描范围，单一方向逐点测出光谱能量最大时的峰值波长，重复测量3次，取其平均值。波长理论值与测得波长平均值之差为波长示值误差△λ。按式（1）计算波长示值误差，其最大值与最小值之差为波长重复性δλ，按式（2）计算。式中：λ_max——测得波长最大值，nm；

λ_min——测得波长最小值，nm。

由于计量标准器使用光纤光谱仪，直接溯源到自然基准汞光谱灯，其最大允许误差为±1nm，完全可以满足波长示值误差±5nm的测量水平需要。由表2分析，目前国产仪器中有些发光二极管给出的标称波长与实际波长悬殊较大，势必会给最终测量结果带来影响，生产厂家应提高技术水平以满足食品安全检测的需求。

4.2仪器示值误差及仪器重复性的校准

4.2.1吸光度示值误差的校准

依次选用吸光度范围为0.2，0.5，1.0的3块光谱中性滤光片，首先根据测得发光二极管发出的峰值波长，用Ⅰ级紫外可见分光光度计测量其吸光度，作为吸光度标准值A_s。

待仪器预热稳定后，以空气为参比，将滤光片垂直置于样品池光路中，测量其吸光度，重复测量3次，取其平均值，按照下式计算示值误差：式中：△——吸光度示值误差，%；

A_s——吸光度标准值；

A_i——第i次吸光度测量值。

通过对近年部分吸光度校准数据的汇总分析（见表3），大部分仪器的示值误差在±5%以内，该方法规定的技术指标科学合理。

4.2.2吸光度重复性的校准

选用吸光度标称值为1.0的光谱中性滤光片，以空气为参比，重复测量7次，记录其测量值。并按下式计算仪器的重复性。式中：RSD——相对标准偏差，重复性，%；

s——测量的实验标准偏差；

A_i——测量7次的算术平均值；

选取不同厂家不同型号的仪器进行吸光度重复性的测量，根据测量数据统计，大部分仪器的重复性均在1%以下。

4.2.3浓度示值误差的校准

以食品甲醛陕速检测仪为例介绍浓度示值误差的校准，直接选取甲醛溶液标准物质，在其量程范围内，分别选取满量程的20%、50%、80%的甲醛溶液标准物质进行测量，分别重复3次，记录其测量值，并计算3次测量的算术平均值。示值误差按下式计算：式中：△c——示值误差，%；

c——测量值的算术平均值，mg/L；

C_s——甲醛溶液标准物质质量浓度的标准值，mg/L。

4.2.4浓度示值重复性的校准

在进行4.2.3测量时，选取高质量浓度溶液，重复测量7次，求其相对标准偏差RSD，即为仪器测量重复性，计算方法同4.2.2。

4.2.5仪器线性误差的校准

有些食品安全快速检测仪以质量浓度为单位，由于仪器为相对测量法，那么标准曲线线性的优劣可以直接反映出仪器计量性能的好坏。通过多次试验，氯化钴系列标准溶液在可见光区的吸收特性明显，最终选用该溶液做工作曲线。根据仪器测量范围的不同，选取氯化钴标准溶液（2.0，4.0，6.0，8.0，10.0g/L中的3～5个点进行测量，以空白溶液调零，每点重复测量3次，取其平均值，求出工作曲线的线性相关系数。

5校准过程的注意事项

校准方法中采用光纤将单色光导出，为了减少测量过程的能量损失，设计一个光学折光元件，可以将单色光导入到光谱检测仪中进行波长测量，针对不同仪器不同规格的样品池，可以考虑多设计几个折光元件以方便使用。

食品安全快速检测仪中LED通电发光后，LED芯片温度逐渐上升，与环境温度达到热平衡需要一定时间，在此过程中，LED的发光强度和峰值波长会发生变化，根据文献资料，峰值波长能够产生大于1nm的偏移；所以，在对波长示值误差进行校准时，应在被校准仪器预热稳定后进行，以减少校准结果的偏差。

6结束语

本文提出的校准方法，通过自制的波长采集系统和光谱检测仪，实现了食品安全快速检测仪的波长示值误差与波长重复性的校准，同时，本方法使用光谱中性滤光片、甲醛溶液标准物质或氯化钴溶液标准物质，实现了食品安全快速检测仪的仪器示值误差、仪器线性误差和仪器重复性的校准。实践证明：本方法科学合理，可操作性强，可以有效应用于常见各种食品安全快速检测仪的检定和校准工作，客观全面地评价该类仪器的计量性能。