李昌厚教授:略论分析测试工作中的一些关键问题

2020年10月29日 19:00:30 来源: 分析测试百科
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  本文讨论了分析测试工作者应该重视的五个必须:必须不忘初心、牢记使命;必须掌握一些仪器学理论知识;必须认真做好样品的前处理;必须了解有关仪器的性能指标和认真选择仪器条件;必须学会判断分析测试数据可靠性的方法等问题;同时对科技工作者如何才能成为合格的分析测试工作者的问题进行了讨论。

前言

  分析测试工作涉及的面很广,是一种涉及到很多高科技领域的工作,一般都非常复杂;从样品前处理到出具分析测试报告,需要做大量的工作,有时需要很长的时间。特别是每个样品的分析测试工作,都会涉及到样品前处理、仪器性能指标、仪器条件选择、分析测试的数据处理等多个方面的问题。并且这些问题,都是保证所有分析测试工作者能否顺利完成任务、能否得到可靠的分析测试数据的关键。

  本文将根据作者的实践、仪器学理论、分析测试工作的普遍实际需求,分别对上述有关的一些关键问题展开了讨论。本文可供广大从事分析测试工作的科技工作者和有关管理人员参考。

必须不忘初心、牢记使命

  众所周知,目前的分析测试工作主要涉及的是人和仪器。从事分析测试工作的人(科技工作者),一定要认清自己的初心和使命。什么是分析测试工作者的初心和使命呢?首先,要认识到我们买分析仪器的目的就是要搞分析测试,搞分析测试目的就是要出数据,出数据最根本、最关键的就是要数据准确可靠。因此,分析测试数据的准确可靠,就是分析测试工作者的初心和使命;或者说用好分析仪器、把仪器用到最佳状态、出具最佳数据(准确可靠),就是分析测试工作者的初心和使命。

  要用好分析仪器、要得到可靠的分析测试数据,不是一个简单问题,这里的要求是很高的;这里的关键问题,就是要求分析测试工作者必须具备一些良好的素质、就要求分析测试工作者了解一些仪器学理论,并且将仪器学理论、分析化学理论、应用的实践,有机的紧密结合起来思考和解决问题,以此指导自己的分析测试工作实践。因此,作者认为分析测试工作者必须不忘自己的初心和使命、必须要认真用好分析仪器、必须要通过分析测试工作,得到最佳的、最准确的、最可靠的分析测试数据。

必须掌握一些仪器学理论

  因为现代分析测试工作已经发生了分析对象转移、难度增大、涉及的面更广的特点[6],所以,对使用仪器的人要求就越来越高、这就需要有理论支撑,这个理论就是仪器学理论。

  什么是仪器学理论?它是一门涉及到光学、机械学、电子学、计算机(包括软件和硬件)和应用的综合性科学;它包含许多基础科学和应用学科方面的内容、包含许多边缘科学、交叉学科、实验技能知识。仪器学理论是一把金钥匙,可以保证仪器使用者一通百通;可以保证使使用者得到最佳、最准确可靠的分析测试数据。

  目前,很多分析测试工作者没有重视仪器学理论,或者说还重视得不够;工作中往往出现数据不准确或发生疑虑时、分析数据与文献值不一致时,大家就不知所措。例如:当试样很稀或很浓时,分析误差很大,但是中等浓度时,分析误差就正常;为什么?这个问题很多使用者不清楚。因为,从仪器学理论来讲,所有根据比耳定律设计的分析仪器,都只能适用于一定浓度范围;噪声(N)都是限制被分析样品浓度下限的。根据仪器学中的信噪比(S/N)理论:当信号S一定,噪声N大,则仪器S/N就小、灵敏度就低,同时仪器的分析测试误差就会大。而杂散光(SL)是限制被分析样品浓度上限的,试样很浓时,浓度与吸光度不成正比、就偏离比耳定律,分析误差就会很大。特别是有使用者提出,要求用常规的紫外可见分光光度计(UVS)检测0.0004 Abs的样品,这是违背仪器学理论的。因为目前世界上最好的UVS中,例如美国Varian的6000i,其基线平直度(B.F)为±0.001 Abs;它的噪声都比0.0004 Abs大几倍,N把信号淹没了,根本不能检测出0.0004 Abs的样品。所以,懂了一点仪器学理论,使用分析仪器的人才会知其然,也知其所以然;才会当仪器出现误差大、出现不稳定、出现重复性差等问题时,能够解释或顺利解决。特别是挑选仪器、评价仪器、决定分析测试方案时,出现的各种疑问都可以顺利解决。所以,分析测试工作者越来越需要和重视仪器学理论,这是现代分析仪器和应用发展的需要。

必须重视、认真做好样品的前处理

  样品前处理工作非常重要[1]、[2]。我们如果需要准确的得到样品(一粒药片、一块土、一个固体的复杂体系或食品)中,含有多少我们需要知道的组分,一般就必须首先对这些样品进行前处理,把它变为可以在各种仪器上测试的液体状态;各类样品的前处理方法很多,例如:固相萃取(SPE)、固相微萃取(SPME)、免疫亲和层析(IAC)、凝胶渗透色谱(GPC)、分子印迹技术(MIT)、微波消解(MAD)、加速溶剂萃取(ASE)等等。很多科技工作者在样品前处理方面做过很多研究工作[1]、[2]。一般来讲,分析检测工作中,样品前处理需要花费很多时间、带来很多分析误差,这是广大分析测试工作者必须高度重视的问题。一个样品的整个分析工作的全过程中,样品前处理所占时间往往是最多的,特别是食品药品等复杂体系更是如此。所以,分析工作者经常说“快速前处理,是快检技术的关键”。食品检测中,前处理、检测、采样和数据处理所占时间的比例如下图所示:

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食品检测各个步骤花费时间的比例

  图中表明:样品预处理占时间61%;检测分析占时间6%;采样6%;数据处理27%

  所以在样品前处理时,分析工作者会根据不同样品、不同仪器、不同处理方法,选用不同的操作方法;例如:AAS样品的微波消解,温度的选择非常重要,如果选择过高,就会将被分析检测的样品组分挥发掉而产生误差;如果温度选择过低,就会因为温度不够,而使被分析检测的样品中的杂质,挥发不掉,影响整个分析检测数据的可靠性。全世界的科学家公认,样品前处理带来的分析误差约占总分析误差的30%以上。

必须认真选择仪器的最佳条件[3]、[5]

  对分析测试工作者而言,选择仪器条件是最重要的问题之一。例如:UVS的光谱带宽的选择非常重要,因为每种样品,都有自己的最佳分析测试的光谱带宽,只有在最佳分析测试的光谱带宽下进行分析测试,才能得到误差最小的分析测试数据。如果分析工作不在最佳光谱带宽下进行,就会产生较大的分析误差[1];作者在做青霉素钠分析检测时,选择0.3 nm光谱带宽,测试结果为0.865 Abs,选择光谱带宽为1.0 nm时,测试结果为0.825 Absolute,选择光谱带宽为0.2 nm时,测试结果为0.845 Abs;说明0.3 nm光谱带宽为最佳值。1.0 nm光谱带宽和0.3 nm光谱带宽测试结果相差为0.04 Abs,二者的相对误差△A/A=0.047(4.7%)。作者还在工作中碰到这样的问题:当选择光谱带宽为2.0 nm时,测试结果的误差小于0.5%。但是当光谱带宽为5 nm时,相对误差将达到2.7%。有些药厂用光谱带宽为5 nm的UVS来作质量控制时,仪器本身的相对误差就远远超过了我国药典规定的1%的要求,这个问题必须引起我国广大药检工作中的重视。

  又如,HPLC的流动相选择(配制),非常重要,作者在作核酸和肽类物质分析检测时,开始采用 水:甲醇:磷酸=70:30:1的溶液做流动相,样品无法分开;后来改为 水:甲醇:磷酸=70:30:2的溶液做流动相,样品的分离状况开始明显改善,但是效果还是不好;再后来改为 水:甲醇:磷酸=70:30:3的溶液做流动相,结果分离效果非常好。为了选择最佳流动相的配制,作者又改为水:甲醇:磷酸=70:30:4的溶液做流动相,结果分离效果非常不好。这已经充分说明 水:甲醇:磷酸=70:30:3的溶液做流动相,分离效果最佳。

  还有AAS分析测试工作中,如果PH值选择不当、或调0使用的溶剂不妥当,就有可能出现负峰。作者的实践表明:不能用水调0,而采用0.3%的硝酸水溶液调0,可以得到最佳的效果(具体细节请读者参考专著:李昌厚,《原子吸收分光光度计及其应用》,北京:科学出版社,2006)。

  还有:AAS的仪器条件选择,也非常重要;特别是在干燥温度、灰化温度、原子化温度以及净化温度的选择方面,是用好石墨炉原子吸收分光光度计最重要的关键问题,它是所有从事原子吸收分光光度计使用的分析工作者必须高度重视的问题[7]

  第一,干燥温度的选择:首先,应该搞清楚什么叫干燥温度?应该选多少为宜?所谓干燥温度,就是指通过加温,使试样中的水份或溶剂蒸发掉的温度。一般水样的干燥温度应选100℃左右。对于有机试样最高可选130℃。 但是,有些科技工作者选取的干燥温度为80℃,水份或有机溶剂不能蒸发,所以,分析测试结果很不理想。干燥时间应根据样品体积而定,作者的实践表明,干燥时间一般取样品的微升数1~2(秒)。但是,必须注意,干燥时间与石墨炉的结构、加热方式、升温模式等有关,不能千篇一律。干燥阶段的升温方式的选择也很关键。作者的实践证明:干燥阶段的升温方式,最好是通过实验来寻找;如果分析工作者已知样品的性质,可以将温度快速升到略低于沸点,然后再缓慢的把温度升到刚好高于沸点,并且保持12~18秒。但是,实际分析工作中,样品基本上是未知的。 因此,如何选择升温方式很重要。尤其是有些样品很复杂,属于复杂体系、多组分的样品,例如:中药类、食品类的样品就特别需要注意这个问题。还有对各类生物样品也需要重视;例如:各种胃液、血液等。

  干燥阶段还需要注意防止因为升温方式和升温速率的选择不恰当,而使样品发生飞溅现象,带来分析误差。这个问题许多科技工作者、特别是初学者不大注意,应该引起高度重视。

  第二,灰化温度;什么叫做灰化温度? 应选多少为好?所谓灰化温度,就是通过加温,使试样中的基体灰化掉,只留下被测试样的温度。一般来讲,灰化温度的选择,要根据具体情况而定 例如如:作Cd时,一般选择灰化温度在500℃以下( 如:300℃;但是与所加的基体改进剂有关);作铜时一般选择800~900℃;(如果加某些基体改进剂,最多可选1200℃);又如:作As时,可选择300℃(如加钯和硝酸镁改进剂,则最多可选1200℃)。

  灰化温度和升温方式的选择原则也很重要:根据作者的实践,灰化温度和升温方式灰化温度和升温方式的选择,一般是在不产生待测元素损失的原则下,尽量选用比较高的灰化温度,并采用阶梯升温方式。为了尽量多的排除共存物质,在升温时要注意设置一段保温时间(又叫保持时间);保温时间的长短,也是根据不同的加热方式和石墨炉的结构而定。

  对于生物样品、油料样品或非常复杂的样品,为了能除去盐类、油类、生物基体等,应选择斜坡升温方式,将温度从低到高,慢慢地升到沸点或分解点,再保温一段时间。有时为了能除去更多的共存组分,可以考虑设置多个灰化阶段。 但前提只有一个,这就是不把被测样品灰发掉。特别需要注意的是,使用者要善于根据不同的仪器、不同的条件(环境)、不同的石墨炉、不同的加热方式等,灵活机动区别对待。千万不要生搬硬套。

  第三,原子化温度;什么叫原子化温度?应选多少为好?所谓原子化温度,就是通过加温,使试样由分子状态变成原子状态的温度。原子化温度是由元素及其化合物的性质所决定的。最佳原子化温度应选择在刚好出现最大吸光度时对应的温度。 原则上应选择较高的原子化温度或吸光度峰值处的原子化温度。石墨管原子化温度的高低,除与被分析元素的性质有关外,还与基体改进剂有关。因此,原子化温度的选择既重要,又很复杂,要根据不同的具体情况具体进行选择。最佳原子化温度和最佳原子化时间可以用实验来决定;主要是通过实验,找到原子吸收信号的真正峰值(即最佳原子化温度)。原子化时间选择的原则是:必须使吸收信号能在原子化阶段回到基线。从开始到回到基线的整个时间,就是最佳原子化时间。一般来讲,在保证样品完全原子化的前提下,原子化时间越短越好。

  第四,净化温度什么叫净化温度?应选多少为好?所谓净化温度,就是用比原子化阶段稍高的温度加热空烧石墨管,以此除去石墨管内上一次测试时样品的残渣,这个温度就叫做净化温度。作者的实践证明,对纵向加热的原子吸收仪器,一般净化温度可取2600℃~3000℃;横向加热的仪器,一般净化温度可取2200℃~2600℃。同时,净化时间也应重视;对纵向加热的仪器,一般净化时间为3~5秒;横向加热的仪器,一般净化时间为2~3秒。

  要用好AAS学问很深、涉及的问题很多,作者认为本文中的四个问题,是直接影响分析检测数据可靠性的最关键的问题。如果读者想深入了解,请参考本文的参考文献。

  因此,分析测试工作者,必须认真做好仪器条件选择,才能得到最佳分析检测数据,才能得到分析误差最小的分析检测结果。

须了解仪器的性能指标对分析误差的影响

  从事分析测试工作的科技工作者,特别是从事仪器分析的分析测试科技工作者,必须对分析仪器的主要性能技术指标有一定的了解;要懂得使用的仪器性能指标的物理意义、这些指标如何影响分析从事结果的误差;例如:光吸收类的仪器的波长范围、波长准确度、光谱带宽、噪声、基线平直度、杂散光等等是什么意思?它们对分析误差有多大的影响?分析测试的科技工作者,还必须认真选择分析测试时仪器的测试条件;例如:测试波长的选择(不同的测试波长,有不同的摩尔吸光系数,有不同的分析误差)、光谱带宽的选择(不同的光谱带宽,会产生不同的分析误差[3])、积分时间的选择(不同的积分时间,噪声的影响的大小不同,分析误差不同)等等;使用AAS仪器进行分析测试的科技工作者,火焰AAS有36个条件需要选择、石墨炉AAS有48个条件需要选择[5]、[7];使用HPLC仪器进行分析测试的科技工作者,必须重视用好HPLC的九个关键问题[9];使用激光拉曼仪器的科技工作者,必须重视对激光器的噪声、积分时间等的选择[10]

  仪器的性能指标决定仪器在使用中的分析误差;例如:仪器的噪声,它直接影响和限制分析误差。特别是光谱类、色谱类的仪器,它们有多大的噪声,就会增加多少分析误差。所以使用者一般都需要特别重视仪器的噪声。仪器的噪声一般分为光噪声、电噪声、综合噪声等等;现代分析仪器一般都采用降噪技术,例如:国产的激光拉曼光谱中,很多都采用了降噪技术:随着化学计量学的发展,仪器的软件、特别是各种算法突飞猛进,降噪技术发展也很快;例如:国产的785 nm激光器的ExR510便携式激光拉曼光谱仪(以下简称Exr510),由于采用了具有知识产权的降噪的专利技术,S/N在国际上独占鳌头。

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从软件算法上降N技术例子(降噪不降信号大小)

  图中可见:背景、噪声都降低了,但是样品的信号强度没有降低。

  下图是滑石粉在积分时间为500ms的情况下,降噪技术使用前后的效果:

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  图中可见:背景、噪声都降低了,但是样品的信号强度没有降低。

  又如:积分时间的选择也是非常重要的;下图是不同积分时间下采集的滑石粉的原始谱图,激光波长为532.038 nm。采集样品的激光功率均为10级(约为200 mw),平均次数均为1次,积分时间分别为50 ms、500 ms、1000 ms、3000 ms、5000 ms。谱图如下:

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  图中可见:不同的积分时间,背景、噪声都不同;随着积分时间增加,样品的信号强度也增加了。但是积分时间增加后,噪声也增加了。

  全世界科学家们公认:仪器分析工作中,其分析误差主要来自5个方面:样品前处理产生的误差约占总误差的30%左右;仪器本身的性能指标产生的分析误差,约占总分析误差的30%左右;仪器条件的选择,带来的分析误差占总分析误差的35%左右;仪器的原理理论产生的误差约占总误差的2%;环境影响(电场的干扰、磁场的干扰、周围的震动等等)约占3%左右。所以,分析测试工作者如果不重视仪器的性能指标选择和仪器条件的选择,就不能用好分析仪器,不能得到可靠性好的分析测试数据。

认真掌握数据准确性判断的方法

  认真掌握数据可靠性、准确性判断的方法是分析测试工作者必须重视的问题;一般分析检测工作者,大多采用以下方法判断数据的可靠性或准确性:

  1)回收率的测定

  由于工作中样品溶液与标准溶液基体一致是很难做到的,基体中有无干扰,可以通过加标回收实验确定。在样品中加入标准物质,测定其回收率,这是目前大多数实验室中,广大分析检测工作者常用而又方便确定准确度的方法。

  注意:若样品浓度小于测定下限,则加入测定下限(标准系列浓度最低点)浓度。

  2)测量方法与测量结果的朔源

  测量方法至少包括抽样,样品前处理和仪器测定三个部分组成;除样品的代表性、合理的前处理外还要朔源到仪器的检定。当对某样品测定时,无论选用哪种分析方法,都要用化学组成形态与样品相似的标准参考物质,同时进行测量,只有标准参考物质的测量结果在证书值给定范围内,才能说明测量结果的可靠性。这也说明了标准参考物质的重要性。

  3)不同方法的比较

  ①当采用不同分析方法对同一样品进行重复测定所得结果一致;

  ②采用不同类型仪器(紫外、液相;AAS、滴定等)对同一样品进行重复测定所得结果一致;

  ③同一类型的不同仪器(不同型号的液相、不同型号的紫外等)对同一样品进行重复测定所得结果一致;

  ④统计检验表明其差异不显著时,则可认为测试数据具有较好的准确度。

  只有通过上述两种或多种方法比对测试,所得的结果一致,才能确定分析检测的数据的可靠性或准确性。这些方法也是广大分析测试工作者必须重视的问题。

关于分析测试的人才问题

  这个问题是困惑分析测试工作的关键之一,也是困惑很多科技管理人员的关键问题之一。作者认为以人为本,对从事分析测试工作的人的要求一般都很高;既要懂一些分析化学知识,又要懂一些分析测试方面的知识,还要懂一点仪器学方面的知识。分析测试的人才从哪里来呢?作者认为三个方面应该重视;

  第一,从大专院校的有关毕业生中挑选,然后让他们在实际工作中锻炼成长;

  第二,让科技工作者在实践中锻炼,放手大胆给他们压担子,扁担底下出秀才,这样可能会使科技工作者成长较快;

  第三,从社会上找,请已经退休的各种专业技术人员来企业继续工作,主要对年轻的科技工作者传帮带,手把手教他们如何做分析测试工作。这个办法可能是行之有效的办法,值得分析测试领域的各类管理者重视。

  主要参考文献:

  [1] 阎军 胡文祥,《分析样品制备》,北京:解放军出版社,2003

  [2] 陈小华 汪群杰,《固相萃取技术与应用》,北京:科学出版社,2010

  [3] 李昌厚,《紫外可见分光光度计》北京:化学工业出版社,2005

  [4] 李昌厚 《紫外可见分光光度计及其应用》,北京:化学工业出版社,2012

  [5] 李昌厚,《原子吸收分光光度计及其应用》,北京:科学出版社,2010

  [6] 李昌厚,《仪器学理论与实践》,北京:科学出版社,2008

  [7] 李昌厚,《用好AAS的几个关键问题》,分析测试百科网,2020-8-17

  [8] 曹文明(Wilmar Global R&D Center)学术报告:《粮油食品分析前处理及快速检测技术应用研究进展》,2017/09,上海仪器联盟样品前处理学术讨论会

  [9] 李昌厚,《用好HPLC的九大关键问题》,仪器信息网,2020/2/26

  [10] 李昌厚,《便携式激光拉曼光谱仪器及其应用的最新进展和有关问题》,仪器信息网2019/7/11

  作者简介

  李昌厚,男,中国科学院上海生物工程研究中心原仪器分析室主任、兼生命科学仪器及其应用研究室主任、教授、博士生导师、华东理工大学兼职教授,终身享受国务院政府特殊津贴。

  主要研究方向:长期从事分析仪器研究开发和分析仪器应用研究。主要从事光谱仪器(紫外吸收光谱、原子吸收光谱、旋光光谱、分子荧光光谱、原子荧光、拉曼光谱等)、色谱仪器(液相色谱、气相色谱等)及其应用研究;特别对《仪器学理论》和分析仪器指标检测等方面有精深研究;以第一完成者身份,完成科研成果15项。由中科院组织专家鉴定,其中13项达到鉴定时国际上同类仪器的先进水平,2项填补国内空白;以第一完成者身份获得国家级和省部级科技成果奖5项(含国家发明奖1项);发表论文183篇,出版专著5本;现任中国仪器仪表学会理事、《生命科学仪器》付主编;曾任中国仪器仪表学会分析仪器分会第五届、第六届付理事长;国家认监委计量认证/审查认可国家级常任评审员、国家科技部“十五”、“十一五”、“十二五”和“十三五”重大仪器及其应用专项的技术专家组成员或组长、上海市科学仪器专家组成员、《光学仪器》副主编、《光谱仪器与分析》副主编、上海化工研院院士专家工作站成员等十多个学术团体和专家委员会成员等职。


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