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有证标准物质在计量学中的作用

在分析化学中,标准物质是溯源链的主要组成单元。因此,它们的计量学特征,特别是所提供特性量值的不确定度和在溯源层级中所处的位置,是分析测量质量保证关心的焦点问题。

标准物质所提供特性量值的不确定度必须已知且满足测量需求。因此,标准物质可以按不确定度等级(越小越好,但评定必须合理)和依据不确定度报告的可靠性和验证结果进行分级分类。

国际标准化组织(ISO)标准物质委员会编制的ISO导则33——“有证标准物质的使用”中提出的有证标准物质在计量学中的作用包括:

一、贮存和传递特性量值信息

根据定义,一种标准物质具有一个或多个准确测量的特性量值。一种有证标准物质中的特性量值一旦被确定,在有效期内它们就被贮存在这种有证标准物质中。当这种有证标准物质从一地发送到另一地使用时,它所携带的量值也就得到了传递。在规定的不确定度范围内,有证标准物质的特性量值可以用作实验室间比对的标准值或用于量值传递目的。因此,有证标准物质帮助量值在时间和空间上的实现传递,类似于测量仪器和材料标度的传递。

二、保证测量溯源性

实验室应该控制并且校准或检定一定数量的仪器以确保所开展的测量的溯源性。但在所有具体必要的环节中做到这一点是非常困难的。此项工作通过使用已建立了溯源性的有证标准物质可被大大地简化。标准物质(基体)要求必须尽可能地近似于被测的实际样品,以便对冲基体效应,以此来囊括测量时可能引起误差的所有问题。当然,使用者应当对标准物质和未知样品的测量采用相同的分析测量程序。因此,标准物质的作用与用于其他产业计量实验室的传递标准的作用相同,它允许在一个规定的不确定度范围内开展比较测量工作。有证标准物质也为确定分析测量或工艺测试测量的不确定度提供一种可行的方式。

三、复现国际单位

SI基本单位的复现依赖于物质和材料。当今世界的主要测量都是在国际单位制框架下进行的。2013年为止,SI确认了7个基本单位。这些基本单位的定义涉及一些物质,如:铂一铱合金,用于制造公斤原器;铯-133,用于定义秒;水,用于定义开尔文等等。这些物质在基础计量学中的使用与标准物质在其他类型计量中的使用是相同的。

这些材料作为SI单位所依据的定义物质具有特殊状态。这种状态严格应用来定义特定单位,因为这种单位的复现也许还涉及其他物质/材料。这种情况当涉及摩尔和千克的复现时特别符合实际。在标准物质的帮助下复现SI导出单位。

分析化学与国际单位制相联系,纯化学物质,纯度的测量,或常称为物质的化学组成,是在分析化学范畴。除了sI对化学物质的依赖外,分析化学对SI的依赖也值得考察。2013年为止,大多数分析化学l丁作者在测量中采用SI单位(除cande-la以外的所有基本单位和许多导出单位)。但是,组份分析取决于另外一个概念,即纯化合物相对于参照的其他物质和材料的化学组成存在(采用化学反应定律和化学计量法有两层意思:一是SI单位的复现是依赖于标准物质,而成分分析又是使用sI单位;二是测量成分量时,以纯物质作为标准,被测物的成分量以此为参照)。

从一种或多种考虑作为基准测量标准的纯化合物出发,像物理测量一样来为分析化学构架测量溯源层级是可行的。这样测量标准的例子有:

①电子,其他化合物可通过电化学分析与其相联;

②碳-12,原则上其他化合物可通过质谱、Raoult’s定律测量或低密度气体体积测量等方法与其相联;

③高纯元素或化合物,其他化合物可通过电化学法、重量法、滴定法、光谱法等与其相联。

在上例中提及的其他化合物在许多情况下可以用作标准物质。许多物质可在基准和工作(分析)标准之间充当中间体的角色。如同应用于计量学其他分支一样,溯源性的概念也普遍应用于分析化学中。如果测量结果的溯源性在仪器、材料量度和所用标准物质等方面都能描述得很清楚的话,化学分析测量结果的质量将会大大提高。在大多数情况下,溯源性也取决于计算时使用的相对原子质量值(以前称“原子重量”,即原子量);分析测量工作者应记录所用原子量的出处或来源。

四、定义和复现约定标度

如今,国际单位制并不能涵盖所有的工程特性量,有些工程特性量的单位需要特别约定。为了方便地实现实际测量,一般通过标准物质建立其约定标度,并在国际建议或者标准文件上说明给定的值。全球认可的用于复现约定标度固定点的标准物质在国际上具有广泛的一致性。这种约定标度的复现与传递主要依赖于复现标度固定点的标准物质和测量方法或测量过程的技术规范。在工程量的测量中,标准物质的作用不仅是复现约定的标度,而且还可以用于测量仪器校准或者用作实际样品测量时的工作标准。约定标度的实例很多,在此仅举几例说明标准物质的特殊作用。

①浊度单位:在国际标准化组织制定的标准(ISO7027)中定义了浊度的单位。单位的复现依赖于。formazine标准溶液。该标准溶液的浊度是400FAU或FNU,通过稀释这一标准溶液获得一系列的标度固定点,以满足不同浊度样品的测定要求。如果所用仪器测量的是衰减光,所复现的则是formazine衰减浊度单位(FAU);若测量的是漫射光,复现的则是formazine散射浊度单位(FNU)。

②pH标度:由于单个离子的活度无法通过试验测量得到,pH值并非一个确切的物理量。为了使测得的pH值有意义,人们通常采用一种约定的pH标度。这种标度是由被赋予准确pH值的标准溶液所定义的。通过测定消除了液接电势的、由氢电极和银/氯化银电极组成的电池电动势,并按照约定的方法计算就可以得到pH值。

各国的国家标准规范规定了制备和赋予标准溶液pH值的方法。这些标准溶液验证过的值的不确定度在千分之几pH单位范围内。

③辛烷值标度:辛烷值是燃料油的重要技术指标。美国材料试验协会(ASTM)用标准燃料油和标准测试方法定义与复现辛烷值的标度,得到了业内专业人士的认同,进而在全球范围内被采纳。按照以上标准测试方法的要求,在特定的实验条件下,比较燃料油与已知辛烷值的AsTM标准燃料油的混合物的发爆声,以此来确定燃料油的辛烷值。ASTM标准燃料油的辛烷值溯源到美国标准技术研究院(NIsT)的正庚烷有证标准物质(SRM 1815)和异辛烷有证标准物质(SRM 1816)。

④煤的烧结力:煤的烧结力是硬煤分级的重要技术指标,Roga测试法已在世界范围内得到各国广泛地采用。Roga测试方法是基于一个有确定的物理性质和化学成分的无烟煤标准物质。用规定的测试设备与程序将被测样品与无烟煤标准物质混合、烧结,由烧结的剩余物来计算Roga指数,从而实现煤的烧结力的量度。国际实用温标和国际实用盐标也是类似的约定标度。

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