标准物质的研究及在分析实验中应用

许航线

(陕西国防工业职业技术学院 化学工程学院，陕西 西安 710300)

标准物质的研究及在分析实验中应用

许航线

(陕西国防工业职业技术学院 化学工程学院，陕西 西安 710300)

标准物质是具有准确量值的计量标准，是依法管理的一种计量器具，在基础工业、高新技术、环境保护、医疗卫生、贸易结算等国民经济的重要领域都有着广泛的应用。本文详细介绍了标准物质的定义、特征、分类、制备以及应用，对标准物质的发展前景做了展望，并总结了我国在标准物质研究中的不足之处。

标准物质; 分析实验; 研究及应用

随着经济和科学技术的发展，标准物质在基础工业、高新技术、环境保护、医疗卫生、贸易结算等国民经济的重要领域都有着广泛的应用(图1)[1-5]。标准物质是具有准确量值的计量标准，是依法管理的一种计量器具，不但是现代计量学研究的一个重要分支，也是量值传递与溯源的一种重要手段。其用于校准测量仪器、评价测量方法、对物质的成分或特性进行测量，最终确保测量过程和测量结果的准确性。因此，标准物质的研究与应用，越来越受到学者、专家、计量机构以及相关学术组织的关注。

图1 标准物质的应用

1 标准物质的简介

1.1 标准物质的定义

按照《国际通用计量学基本术语》[6]和《国际标准化组织指南30》[7]，标准物质有如下定义：标准物质(Reference Material, RM) 是一种已经确定了具有一个或多个足够均匀的特性值，用以校准测量装置、评价测量方法或给材料赋值的材料或物质。

1.2 标准物质的特征

标准物质是以特性量值的稳定性、均匀性和准确性为主要特征的，这也是标准物质的基本要求。其具有以下四个特点：a. 标准物质种类多，仅化学成分测量用标准物质就数以千计，其量值范围跨越12个数量级；b. 标准物质的量值只与物质的性质有关，与物质的数量和形状无关，具有一个或多个足够均匀的特性值；c. 标准物质用途明确、实用性强；d. 标准物质具有良好的复现性，可以批量制备并且在用完后可再行复制。

1.3 标准物质分类

标准物质按其溯源性可分为三级：基准标准物(Primary Reference Material, PRM)、有证标准物质(Certified Reference Material, CRM)和标准物质(Reference Material, RM)。按其特性量值的定值准确度可分为一级标准物质和二级标准物质。一级标准物质的定值准确度高，主要用于评价标准方法、仲裁分析以及对二级标准物质定值，是统一全国量值的重要依据；二级标准物质适合于现场分析的需要，应保持批量生产和供应。到2013年，经国家质量监督检验检疫总局批准发布的一级标准物质有1939种，二级标准物质有5425种，由它们将量值传递到实际应用中[8]。

标准物质按其定值的特性可分为三大类。第一类是化学成份标准物质(用于冶金、化工、临床实验、环境分析等行业)；第二类是物理或物理化学特性标准物质(用于光学、磁学、放射性、酸度、电导等分析)；第三类是工程特性标准物质(用于粒度、浊度、橡胶耐磨性、表面可燃性等评价)。

2 标准物质的制备

标准物质的制备一般需要如图2所示的过程。为了研制符合测试的普遍需要、产品标准的需要、科研的需要、市场和用户等的特定要求的标准物质，调研是必不可少的首要步骤。然后在对其进行可行性分析，如：所需的状况和数量、研制成本、回收成本、技术上成功的机率等。

图2 标准物质的制备过程

选定材料可以从天然物料或制成品中选取，也可由专人制备和人工合成。标准样品分湿法分析用和仪器分析用两大类。在选择标准样品制备工艺充分保证成品的均匀性，制备过程中要防止其它杂质混入和环境对制成品的影响，加工时不受氧化和腐蚀，保持原有的成份。对一些易吸湿和吸收二氧化碳的标准样品，在干燥环境和干燥气候下进行加工、混匀和包装，并储存于密闭容器中。对碎屑或粉末状样品在分装成最小单元前，必须充分混匀。包装成最小单元的标样的实际质量或体积与标称值应符合规定要求，并考虑保存、运输及使用方便等因素。

均匀性检验是标准样品不可缺少的步骤。目的在于评价标准样品的均匀性；二是通过试验数据了解标准样品不均匀的程度，其不均匀程度是否可以忽略不计，不可忽略时是否可加到不确定度中，不影响预期的使用。稳定性是标准样品质量性能的重要指标之一。例如：钢、铁、铁合金、铁矿石的稳定性，经过多个单位的实验室共同试验，表明稳定性很好，可稳定10年乃至更长的时间，在规定的储存条件下特性量值不会发生明显变化。

在标准样品均匀性和稳定性符合要求后，可以对其进行定值，主要考虑以下几个方面：a.样品的定值的分析方法；b.样品的定值方式；c.定值测试数据的汇总；d.定值分析数据的统计汇总；e.定值结果的表示，即不确定度的评定。总而言之，标准物质的研制过程就是赋予标准样品量值溯源的过程。

3 标准物质在分析实验中的应用

标准物质不仅是化学分析量值传递的基础，也是检测分析过程进行质量管理的工具。假如分析数据不准确，往往会导致错误的判断和决策，无法实现质量保证、分析数据准确可靠及一致性和可比性。标准物质是对测量数据进行对比和计量的数据标准，具有特定的量值和高度的稳定性，可以进行某些物质特性量与物理量、物理化学特性量约定标度复现与传递。测量标准、测量方法、实验环境、待测样品、测量仪器、实验人员是分析实验的六大要素，标准物质在每个要素中都具有非常重要的作用，具体来说主要包括以下几个方面的内容：

3.1 标准物质用于评价测量方法，即分析方法的精密度和准确度

标准物质具有一定的稳定性，根据标准物质建立测试结果的计量可溯源性。在研究或引用一种测量方法时，通过将标准物质作为标准进行实验，对测量过程的重复性、再现性与准确性做出最客观、有效、简便的评价。

选择合适的标准物质，用拟定的分析方法进行不少于10次重复测定，通过离群值检验法确定可疑值是否属于离群值，剔除离群值计算测定值的平均值和标准偏差。如果标准物质证书中给出了Src(定值实验室内标准偏差)，用方差比F与Fa, f1, f2(F检验的临界值)作比较，其中F用式F=(Sw)2/(Src)2计算，式中SW为标准证书偏差值与实验室测出偏差值之间的差。若F< Fa, f1, f2, 则表明拟评定的方法足够精密；若F> Fa, f1, f2, 则此方法的精密度不如标准物质认证时参与的实验室所用的方法。如果标准物质证书中给出了SLc(定值实验室间标准偏差)，则将平均值X与标准物质的标准值Ac作比较，若|X-Ac|≤2SLc，则所评定的方法足够准确，否则可认为该方法准确度不如标准物质认证时参与的实验室所用的方法。如果证书中未报告定值实验室间标准偏差SLc，若|X-Ac|≤4Sw，则可认为所评定的方法足够准确[9]。

3.2 标准物质用于评价测量仪器，即校准分析仪器

标准物质作为校准标准，评价测量仪器的计量性能是否合格，关系到仪器的响应曲线、精密度、灵敏度及检测线等。在此情况下，需选用与仪器测量范围相一致的一系列标准物质。

ISO/IEC导则25明确要求，影响校准或检验的准确性或有效性的所有测量和检验仪器设备在投入使用前均应进行校准，同时要求实验室的量值可追溯至国际或国家计量基准[10]。绝大部分分析测试仪器进行的是相对测量，不管在仪器出厂检验还是在使用前或使用过程中都需要用标准物质进行校准。一般用比较法、作图法、线性回归法处理数据，检查分析仪器是否存在误差并进行修正、校准。

3.3 准物质用于测试待测样品，即用标准物质控制分析质量

用标准物质作为标准，对待测样品进行检测分析，正如标准物质定义所述，给物质或材料赋值。在分析实验中利用标准物质评价待测样品的质量以及验证待测样品的可靠性时，选用标准物质与待测样品平行测定。如果标准物质的分析结果与标准值的一致，表明本次测定过程处于质量控制中，从而保证了实验室所测数据的公正性和权威性。

3.4 标准物质用于评价测量环境

采用相同的测量方法和相同类型的仪器设备，在不同环境条件下进行实验，通常使用标准物质进行评价，考查检验结果的变动性。

3.5 标准物质用于评价实验人员与检测实验室能力

标准物质用于行业系统组织的检测实验室能力考核、国家实验室认可与合格评定中心组织的能力验证以及实验室检测/校准实验室能力认可，这可使测量结果建立在溯源性的基础上，并由此实现测量结果的准确性与可比性。例如，中心实验室可定期把标准物质发给有关技术人员，根据他们对标准物质的分析结果，衡量技术人员技术水平的高低。中心实验室也可把标准物质发给所管辖的实验室，收集各实验室的测定值，作质量控制图，及时了解各实验室的工作质量。

总之，在分析实验中，无论分析人员的操作技巧多么熟练，分析仪器多么精确，分析结果都必须以准确的标准物质为依据。对评价方法的精密度和准确度、校准分析仪器、控制分析质量并评定实验室所出数据的公正性和权威性、评价实验人员与检测实验室能力等方面起着重要的作用，它是量值传递的溯源物质，也是评定测量不确定度报告中不可缺少的环节。因此，标准物质在分析实验中起着非常重要的作用，是检测分析的眼睛和指南针。

4 正确的使用标准物质

正确使用标准物质是保证测量量值可靠程度和准确性、一致性的重要手段。随着资源开发、贸易交流、生产控制、科学研究的需要以及分析仪器自动化程度的提高，标准物质的应用范围日益扩大，选择和使用标准物质应以保证分析、测量的可靠性为原则，选择使用合适的标准物质。

4.1 恰当选用标准物质的种类

从国家质量技术监督局发布的“标准物质目录”中选择与预期应用测量量值水平相适应的标准物质。标准物质的应用具有特定的使用领域。根据待测样品的性质，选用标准物质的基体组成与被测样品的基体组成一致或尽可能接近，还需注意所选的标准物质稳定性和数量应满足整个实验计划的需要，并充分考虑其影响。

4.2 保障标准物质的有效期

在进行分析实验时，为了保障样品的可靠性和高质量，利用标准物质进行分析比对。在使用标准物质前应全面地阅读标准物质证书，除了要熟悉和了解该标准物质的制备、性质、量值、用途、定值测量方法及最小取样量，标准物质的有效期也非常重要。标准物质应在规定的条件下进行储存，并在有效期内使用，可以有效的避免多次使用造成的数值差异和测量结果失真。

4.3 充分考虑测试方法的不确定性

一般来说，测量者选用标准物质进行测量的不确定度不能超过标准物质[11]。测量分析要充分保障测量仪器的精准性和测量方法的准确性，排除存在的不确定性。例如，在实际操作中，标准物质与被测样品在同一台仪器、同样的环境条件，用同一种方法进行测量，确保测量结果的一致性，避免系统误差。

5 展望

随着全球经济、科技一体化进程的加快和国际贸易的发展，材料工业、能源工业、资源开发与利用、环境科学与现代分析技术的发展推动着我国标准物质的发展。与此同时，标准物质也为上述工业与科学领域提供重要的技术基础并促进其发展。发展我国的经济、科技，加强国内外贸易，要大力提高检测技术，加快标准物质的研制步伐，满足社会发展和科技进步的需要。因此，我国应进一步拓宽标准物质的研究与应用范围。

(1) 研究准确的标准物质测量技术。重点是高准确度测量技术、痕量和超痕量测量技术，动态测量与多参数测量技术，从用于一般分析仪器性能主价向适用于大型仪器性能评价发展；从满足基础工业向满足高新技术产业质量控制与质量评价需要发展。

(2) 研制经济、科技、贸易发展所需的标准物质。如在生物测量领域深入发展，研制生物物质的成分、结构、活性等标准物质；化学成分标准物质将从无机物向有机化合物发展，从化学成分含量向化学形态(价态)、结构与异构体发展，从常量向痕量乃至单个原子或分子发展。

(3) 研究标准物质在校准仪器、评价测量方法以及在产品质量监督检验中的应用问题，进一步扩大标准物质的推广应用。

(4) 加强标准物质软科学研究，建立与完善标准物质信息系统、分析测量的评价系统以及不确定度的评定系统等。

6 存在的问题

随着国际间合作日益活跃，标准物质不仅为我国各个行业的发展做出了很大贡献，而且也世界范围的多个组织中得到了广泛应用，受到发达国家和国际组织的关注。我国在标准物质的研究方面虽然取得到了显著的较大成绩，但与科技发达国家相比，仍有较大差距。具体表现在：

(1) 在标准物质研制方面，各类标准物质发展不平衡。尤其是生物工程、食品成分、临床化学以及新材料、新能源等高新技术领域标准物质有待进一步发展；(2) 在标准物质管理方面存在某些不协调；

(3) 在标准物质应用方面，仍有使用没有经过认证，无制造计量器具许可证、无标准物质证书的标准物质的现象，因此加强标准物质法制管理的力度也是亟待解决的问题。

7 总结

国家一级、二级标准物质已在国内外各领域，如地质、环境、能源、材料、农业、食品、医药、医疗等方面得到广泛利用，为科研、生产、贸易和法律法规的贯彻，为经济、技术和法律法规的决策提供了可靠保证。当前分析实验已经从简单的数据分析发展到信息技术研究，但是都离不开标准物质的保障，因此标准物质的研究与科学应用是非常重要的。

[1] 赵祖亮, 李艳晖, 林振强. 标准物质在商检分析实验室中的应用[J]. 化学分析计量, 2000, 9 (1):2-4.

[2] 姜玉芬. 标准物质在气体分析中的应用[J]. 低温与特气, 1999 (2): 61-63.

[3] 申 彦. 浅析标准物质在环境监测中的应用[J]. 黑龙江科技信息, 2011(9):20.

[4] 潘秀荣. 标准物质在生物物质痕量元素分析中的作用[J]. 环境科学, 1989, 10(4): 58-58.

[5] 王 婵, 孙兴权, 吴远高, 等. 液质联用技术在生物毒素食品安全检测分析中的应用[J]. 食品安全质量检测学报, 2015(1): 3-9.

[6] 鲁绍曾. 国际通用计量学基本术语[M].北京：中国计量出版社, 1993.

[7] Australia S. Terms and definitions used in connection with reference materials, ISO Guide 30[M]. 1992.

[8] 韩永志.中华人民共和国标准物质目录[M]. 北京：中国质检出版社, 2013.

[9] 朱燕明, 朱瑞明. 标准物质在检测分析中的应用[J]. 青海科技, 2007, 14(3): 66-68.

[10] 高亦军, 刘丽兰. 标准物质在检测实验室质量控制中的应用[J].中国无机分析化学, 2012, 1(4): 72-76.

[11] 吴柳坚. 标准物质在化学分析不确定度评定中的应用[J].中国卫生检验杂志，2009(1):201-202.

(本文文献格式：许航线.标准物质的研究及在分析实验中应用[J].山东化工，2016，45(12)：71-73，80.)

Research and Application in the Analysis Experiments of Standard Reference Samples

Xu Hangxian

(Department of Chemical Engineering, Shaan Institute of Technology , Xi'an, Shaanxi 710300)

This paper describes the definition, characteristics, classification, preparation and application of standard reference samples. According to the development of the situation, put forward the prospect of the development of standard reference samples, and summarizes the deficiencies of research on the standard reference samples.

standard reference sample; analysis experiment; research and application

2016-03-31

许航线(1984—),讲师，硕士研究生，主要从事化工方面的教学及研究。

TQ421.3+1

A

1008-021X(2016)12-0071-03