紫外可见波长溶液标准物质的研制

蒋磊，李硕，徐昊晟

（上海市计量测试技术研究院，上海 201203）

光谱光度测量仪器是一种使用频繁、覆盖面广的分析仪器，尤其是紫外可见分光光度计，广泛应用于制药、医疗、食品、环保等行业的检测领域。能否准确评价光谱光度测量仪器的性能，直接决定检测结果的准确性和可靠性，其中波长是非常重要的指标之一[1]。

紫外可见光区的波长通常需要结合氧化钬滤光片(峰值波长范围为200 nm～600 nm)和镨钕滤光片(峰值波长范围为700 nm～900 nm)作为标准物质共同使用才能进行校准[2-6]。但由于滤光片是通过熔融玻璃掺入稀土元素制成，均匀性相对难以控制，峰形较差，不确定度较大，校准效果不够理想[7]。氧化钬及镨钕滤光片的吸收谱图如图1和图2所示。

图1 氧化钬滤光片紫外可见区吸收谱图Fig.1 Absorption spectrum of holmium oxide filter in ultravioletvisible region

图2 镨钕滤光片紫外可见区吸收谱图Fig.2 Absorption spectrum of praseodymium-neodymium filter in ultraviolet-visible region

另外，目前滤光片波长标准物质定值的数据间隔是0.1 nm，可以满足常规计量测试，但无法满足更高水准的光谱光度测量仪器的计量需求。随着科技水平的不断提高，高端光谱仪器的分辨力已经可以达到小数点后两位。

三价稀土氧化物有以下特点：(1)能溶于稀酸，稀酸水溶液在紫外可见区无吸收；(2)三价稀土离子处于内层的4f电子受到5s和5p电子的屏蔽，受环境影响较小；(3)自由离子的光谱是类原子的线性光谱，谱带尖锐。笔者利用稀土元素以上特点，通过配制不同稀土元素组成、不同浓度的溶液，筛选出峰形尖锐、在230～900 nm范围内波长分布均匀、最大吸光度不超过2 的候选物作为最终目标样品，研制了波长校准用溶液标准物质，以满足国内外各类光谱光度测量仪器的计量需求，包括出厂检验、质量控制等需求，确保结果在国内外实验室测量的可靠性、可比性和溯源性[8]。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

紫外可见近红外分光光度计：Cary6000i 型，美国安捷伦科技有限公司。

电子天平：XS205型，感量为0.01 mg，瑞士梅特勒-托利多仪器有限公司。

特制石英比色皿：光程为1 cm，材质为JGS2 光学石英玻璃。

医用注射器：10 mL，江苏治宇医疗器材有限责任公司。

高氯酸：分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

氧化钬：纯度(质量分数)不小于99.99%，国药集团化学试剂有限公司。

氧化钕：光谱纯，国药集团化学试剂有限公司。

氧化钬溶液波长标准物质：SRM2034，美国国家标准与技术研究院。

Milli-Q超纯水制备系统：美国密理博公司。

数字温湿度计、单标线容量瓶、单标线吸管等玻璃量器。

所有仪器和玻璃量器均经过计量技术机构检定或校准。

实验用水为Milli-Q超纯水制备系统制备。

1.2 实验方法

1.2.1 紫外可见区波长溶液标准物质候选物的筛选

对不同稀土元素溶解于高氯酸后的溶液进行紫外可见区波长扫描，结果见图3。

图3 不同稀土元素溶液的紫外可见区吸收谱图Fig.3 Absorption spectrum of different rare earth elements solution in ultraviolet-visible region

根据光谱图，从溶液中选取吸收光波长能够均匀覆盖200～900 nm 波长的氧化钬、氧化钕的高氯酸溶液作为标准物质候选物。此外，氧化铈溶液在200～250 nm的远紫外区表现出良好的吸收特性。

1.2.2 紫外可见区波长溶液标准物质候选物的制备

准确称量40.0 g氧化钬和12.0 g氧化钕，溶于质量分数10%的高氯酸溶液中，用磁力搅拌器充分搅拌混匀，完全溶解后定容至1 L，得到所述紫外可见区波长校准用标准物质[9]。

1.2.3 紫外可见区波长溶液标准物质的封装

设计一种特殊进样口的石英比色皿，将波长溶液标准物质通过进样针打入特制比色皿后，熔融进样口处的石英来进行永久密封。密封后的紫外可见波长溶液标准物质成品见图4。

图4 密封后的紫外可见波长溶液标准物质成品Fig.4 Sealed ultraviolet-visible wavelength standard solution product

1.2.4 紫外可见区波长溶液标准物质的波长扫描

扫描参数设定参照JJG 178—2007《紫外、可见、近红外分光光度计检定规程》。波长扫描范围选择200～900 nm，光谱带宽为2 nm，慢速扫描，扫描速率为40 nm/min，采样间隔为0.1 nm，采用吸光度测量方式，使用空气作空白进行仪器的基线校正，将紫外可见波长溶液标准物质垂直置于样品光路中，连续扫描3 次，分别检出吸光度峰值波长。扫描图谱见图5。

图5 紫外可见波长溶液标准物质吸收谱图Fig.5 Absorption spectrum of ultraviolet-visible wavelength standard solution

由图5 可以看出，吸收峰形远优于滤光片的吸收谱图(图1 和图2)，且测试范围更广，满足JJG 178—2007中对于波长检定，每间隔100 nm至少选择一个波长检定点的要求。

2 结果与讨论

2.1 紫外可见区波长溶液标准物质的定值方法

常规波长峰值的检出是选取吸光度测试点的局部最大值对应的波长。为了满足高端光谱仪器对于分析精度的要求，采用0.01 nm采样间隔，以241 nm处波长为例，发现当扫描间隔太小时，峰顶处点与点之间的纵坐标过于接近，峰值检出的效果会受到仪器基线误差的影响，如图6。另外，采用0.01 nm 采样间隔进行紫外可见区全波段扫描，用时是0.1 nm采样间隔的10 倍，不仅效率大幅降低，还会更容易受到仪器稳定性的影响。

图6 采样间隔0.01 nm，紫外可见波长溶液标准物质241 nm处吸收谱图Fig.6 Absorption spectrum of ultraviolet-visible wavelength standard solution at 241 nm with sampling interval of 0.01 nm

笔者在对比了三次函数拟合和三次样条插值后，选择采用三次样条插值为峰值波长定值[10-11]，得到多一位有效位数的量值，解决了扫描间隔对定值准确性限制的问题。当采用最小二乘法中最泛用的Levenberg-Marquardt 算法进行3 次多项式拟合时，发现并非所有吸收峰的形状符合三次函数，部分吸收峰拟合结果的相关系数差强人意。因此，在未知函数表达式的情况下，用三次样条插值能够经过所有已知点，且该点的前后函数为连续函数，更为安全和合理。

如图7 所示，以0.1 nm 扫描下顶点的左右各2个点，共5个点进行三次样条插值，考虑到需要0.01 nm的间隔，插值数量定为80，并以此方法对全波长范围内的波峰进行定值[12]。

图7 采样间隔0.1 nm，紫外可见波长溶液标准物质241 nm处吸收谱图的数据插值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处吸收峰的重复性和复现性远差于其他吸收峰，插值结果异常，因此将其舍去。

经过一段时间的观察，不同的光谱带宽对于均匀性、稳定性几乎没有影响，因此在计算不确定度时，均采用光谱带宽为2 nm下的数据。

2.2 均匀性检验

2.2.1 瓶内均匀性

由于不同厂家型号的仪器甚至是相同厂家不同型号的仪器入射比色皿的位置都会有所不同，因此单支比色皿的均匀性也会引入不确定度，需要通过比色皿不同位置的均匀性进行考察。

随机抽取4 瓶紫外可见波长溶液标准物质，通过调节紫外可见分光光度计样品槽的深度，对样品3 个不同深度位置进行扫描，每个位置扫描3 次，记录峰值波长值。采用方差分析法对该标准物质进行均匀性检验，结果表明，在95%置信水平下，F值均小于F0.05(11，24)，可认为数据组间无明显差异，表明该标准物质瓶内是均匀的。

2.2.2 瓶间均匀性

随机抽取11 瓶紫外可见波长溶液标准物质样品，对每个样品重复测定3次，记录峰值波长值。采用方差分析法对该标准物质进行均匀性检验，结果表明，95%置信水平下F值均小于F0.05(10，22)，认为数据组间无明显差异，表明该标准物质瓶间是均匀的。

2.3 稳定性考察结果

保持样品稳定性的措施必须贯穿标准物质研制的全过程。由于标准物质在使用过程中不可避免要涉及到运输等因素，因此对该标准物质分别进行了运输稳定性和长期稳定性考察。

2.3.1 运输稳定性考察

运输稳定性考察采用同步稳定性研究，所有稳定性研究的测量在重复性条件下进行，即仅进行一轮校准，实验模拟样品在运输中可能遇到的条件。潜在动力学机理未知的情况下，采用经典线性模型。将制备的标准物质取6 瓶，分别于50 和4 ℃下保存0、1、3、5、7、14 天后取出，同时进行测试，考察运输稳定性，每个样品重复测定3 次。对运输稳定性考察结果进行t检验，在95%置信水平上，斜率不显著，没有观察到不稳定性。表明该标准物质在运输条件下14天内是稳定的，满足实际运输要求。

2.3.2 长期稳定性考察

长期稳定性考察采用经典稳定性研究，即同时制备的样品在相同条件下随着时间的推移进行测量。分别在样品制备完成后当天和1、2、3、4、5、8、12 个月对制备的标准物质随机抽取1 瓶，每次重复测定3 次，样品在室温下存放，进行长期稳定性考察。同样对长期稳定性考察结果进行t检验，在95%置信水平上，斜率不显著，没有观察到不稳定性。该标准物质在室温条件(25 ℃)下保存，可以判定在12个月内是稳定的。同时，实验室将持续监测该标准物质的稳定性。

2.4 标准物质的定值及不确定度评定

2.4.1 标准物质的定值

按照ⅠSO导则35《标准物质/标准样品定值的一般原则和统计方法》的要求，该标准物质采用多家实验室合作定值的方法。参加定值单位包括中科院上海微系统所、中科院上海光机所、中科院上海硅酸盐所、东华大学等9 家具有高精度紫外可见分光光度计的机构。定值仪器选用与NⅠST 标准物质SRM 2034 国际比对相同品牌的仪器的最高端型号[12]，包括 安 捷 伦 的Cary5000、Cary6000i、PE 的lambda 1050 Plus、日立的UH4150、岛津UV3600i Plus。定值仪器采用NⅠST标准物质SRM 2034 进行验证，定值仪器的波长示值误差小于0.1 nm。数据结果为2 nm 光谱带宽下，以0.1 nm 扫描间隔扫描，并通过对峰值波长附近的5 个数据点做三次样条插值，插值数量为80，得到插值后的数据结果。平行测定9次，进行定值分析。检测结果经过柯克伦检验(等精度检验)和格拉布斯检验(可疑值检验)，所有单元的数据均可保留并参与最终定值，每个实验室检测结果的平均值和总平均值见表1。

表1 紫外可见波长溶液标准物质峰值波长9家实验室联合定值数据结果Tab.1 Joint determination results of wavelength standard solutions in the ultraviolet-visible regions by 9 laboratories

2.4.2 标准物质的不确定度评定

紫外可见分光光度计波长标准物质峰值波长的不确定度来源由4 部分组成：比色皿不同位置均匀性引入的不确定度、瓶间均匀性引入的不确定度、标准物质的长期稳定性引入的不确定度、标准物质的定值过程带来的不确定度，包括测量过程引入的不确定度和测量数据统计引入的不确定度[13-14]。将合成标准不确定度乘以包含因子k=2，得到扩展不确定度。统计结果见表2。

表2 紫外可见波长溶液标准物质峰值波长的定值及不确定度Tab.2 List of wavelengths and uncertainties of wavelength standard solutions in the ultraviolet-visible regions

3 结语

采用高精度紫外可见近红外分光光度计，经多家实验室联合定值，结果量值可靠，研制的紫外可见波长溶液标准物质准确性、均匀性和稳定性良好。该标准物质在多家光谱光度测量仪器生产单位和使用单位使用过程中，检测得到的结果重复性、稳定性好，可以满足国内外光谱光度测量仪器的出厂检验及质量控制的要求。除此之外，发现氧化铈溶液在远紫外区表现出了良好的吸收特性，未来可进一步通过研究，扩展紫外可见区的波长标准物质。