一种新的微量液体密度测量方法

/上海市计量测试技术研究院

0 引言

微量液体密度是分析试验中准确配制化学试剂浓度，准确测定微量元素的摩尔体积浓度以及杂质检测、成分定量测定的重要参数[1,2]。在生物医药领域密度的微小偏差都将影响最终药物的治疗效果，同时在产品检测中部分液体产品仅能抽取毫升、甚至是微升进行密度测量，因此，快速有效地测定微量液体密度具有重要研究意义[3,4]。

目前微量液体密度测量主要有称量法 （HW法）[5]和振动式液体密度计法（VD法）[6]。HW法中精密天平能够准确到0.01 mg，但是液体体积的测量准确度低，特别是微升级的液体体积测量。50 μL液体体积允许误差为±3%，也能引起4 kg/m3的密度偏差。VD法是常用的微量液体密度测量方法，但是单次测量至少需要3 mL，特别是对于高黏度和易挥发的液体，U形管内容易产生气泡，影响测量准确度。

本文提出了一种新的微量液体密度测量方法——吸光度法（AB法），通过测量特定波长下液体吸光度曲线，得到密度和吸光度之间的关系[7,8]，并通过与VD法测量量值比对试验，验证了这种方法的有效性。

1 基本原理

根据朗伯-比尔定律，当一束平行单色光通过单一均匀的、非散射的吸光物质溶液时，溶液的吸光度A与溶液浓度c和液层厚度L的乘积成正比。

式中：I0——入射光强；

I1——出射光强；

ε——比例常数，与入射光波长和环境温度等参数有关

配制标准液，其吸光度为As，在标准液中加入微量体积Vu的被测液，其吸光度Au为

式中：Vs——标准液体积

由式（1）、式（2）得到容积Vu为

通过精密天平得到标准液质量ms和被测液质量mu，通过VD法得到标准液的密度为ρs，则可以得到被测液体密度ρu为

式（4）表明这种测量方法不受光程和吸收常数等因素的影响，测量结果主要取决于质量的称量和标准液的密度。前者通过精密电子天平可以保证具有较低的不确定度，后者由VD法测得，不确定度也大大降低。

2 测量系统

本文所涉吸光度法微量液体密度测量系统包括：190～950 nm输出光谱的氘钨灯光源、比色皿支架、光纤光谱分析仪以及上位机（图1）。通过测得标准液吸光度和标准液中加入未知密度的被测液的吸光度两个步骤，实现被测液密度的准确测定。其中被测液体的质量需要通过精密电子天平称量，确保测量结果的准确性。试验的工作环境温度为 （20±2）℃，湿度控制在50% RH～60% RH，液体介质与室温相差不大于2℃。整套系统结构简单、测量环境要求低。

图1 测量系统

3 试验与分析

3.1 吸光度试验

油类产品中含有的甘油脂肪酸酯等酯类能够吸收某一特征波长的紫外光，引起中价电子跃阶，而吸光度与物质的质量浓度成正比，因此，采用紫外吸光度法测量油类产品密度。以准确度等级为 级的电子天平称取某公司的精炼一级大豆油5 g，用乙酸乙酯定容于500 mL容量瓶中，得到初始质量浓度为10 mg/mL的油溶液。以10 mg/mL的油溶液为母液，分别用乙酸乙酯稀释配制质量浓度为0.1～1 mg/mL油溶液。

测量前先将光源打开，预热使其稳定。在10 mm×10 mm石英比色皿中加入乙酸乙酯做空白校准，校准完后向比色皿中加入试样，在200～400 nm波长范围内扫描油溶液，得到其紫外吸收光谱图（图2）。

图2 紫外吸光谱图

随着样品质量浓度的增大，紫外吸收光谱吸光度逐渐增大。波长在280 nm以上时，吸光度随质量浓度的增大而增大。选取波长 290 nm、291 nm、292 nm，分析样品质量浓度与吸光度的关系，结果见图3。

图3 不同波长下油溶液质量浓度与吸光度关系

波长在291 nm处质量浓度与吸光度之间具有较好的线性关系，线性相关系数优于289 nm、290 nm、292 nm，同时291 nm处吸光度数值也在理想的范围内。故以0.4 mg/mL油溶液作为标准液，测定波长以291 nm 为佳。

采用VD法测定0.4 mg/mL的标准液密度值ρs。在石英比色皿中加入乙酸乙酯做空白校准，校准完后空称比色皿，再向比色皿加入标准液，得到标准液质量ms。在291 nm波长处扫描标准液，得到标准液吸光度As。用移液器从乙酸乙酯中量取约50～100 μL样品，加入标准液中，通过比色皿质量差得到待测液质量mu。在291 nm波长处继续扫描被 测液，得到被测液吸光度Au，最终得到的被测液密度值ρu。

3.2 试验分析

比较采用VD法与AB法的测量结果，由经中国计量科学研究院校准合格的DM45密度计测得乙酸乙酯溶液标称值为900.30 kg/m3。试验数据如表1所示。

表1 试验数据

分析表1实验结果可知，AB法测量值与VD法测量值最大偏差小于1 kg/m3，这正好是工作密度计的一个分度值。测量值偏大的主要原因是乙酸乙酯易挥发，导致标准液浓度上升，吸光度值偏大。为消除液体挥发造成的影响，比色皿应当加上盖片，尽可能减少溶液与空气的接触。AB法要求分光光度计具有较高的准确性和稳定性，试验过程中吸光度测量重复性较差，需要多次测量取平均值得到结果。

4 结语

基于朗伯-比尔定律研究了特定波长下微量液体密度测量的AB法，采用VD法进行了比对验证，由50～100 μL微量液体密度的试验数据表明：AB法和VD法测量结果具有良好的一致性，但测量值偏大，原因在于溶液挥发的影响，以及吸光度测量重复性较差。AB法为微升级的液体密度测量提供了一种研究方向。