摘 要： 建立茶多酚检测仪的校准方法。采用光纤光谱仪、中性滤光片作为计量标准，测量茶多酚检测仪在特定波长下的波长及透射比，给出茶多酚检测仪的波长最大允许误差、透射比示值误差及重复性、稳定性和通道间差异参考计量特性要求，波长最大允许误差为±10.0 nm，透射比示值误差为±2.0%，重复性不大于0.5%，10 min内吸光度变化为±0.01，通道间吸光度示值差异不大于0.05。分析测量过程不确定度来源，并进行不确定度评定。波长的扩展不确定度（k=2）为3.5 nm，透射比的扩展不确定度为0.3%（k=2）。该校准方法考虑了茶多酚检测仪的发展现状，使茶多酚检测仪的校准有据可依，可用于茶多酚检测仪的校准。

 

关键词： 计量； 茶多酚检测仪； 不确定度； 波长； 透射比； 稳定性； 通道间差异

 

 

茶多酚具有抗氧化、抗炎、抗病毒等作用[1‒5]，可添加到饮料、食品及保健品中。适当摄入对身体有一定的保健作用，但如果摄入过多，对身体有一定的危害[6]。GB 2760—2014《食品安全国家标准食品　添加剂使用标准》对茶多酚作为添加剂的用量做了严格的限定。茶多酚的检测方法主要有高效液相色谱法[7]、近红外光谱法[8]、紫外-可见分光光度计法[9]、荧光法[10]、电化学法[11]、流动注射分析技术等[12]；GB/T 8313—2018《茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》中茶多酚的检测采用分光光度法；GB/T 21733—2008《茶饮料》规定了茶饮料中茶多酚含量检测方法是分光光度法。目前以分光光度法、光电比色法为基础的快速检测技术，由于其具有快速、操作方便、价格低等优点，已在市场得到广泛应用[13]。该类快速检测仪主要基于朗伯-比尔定律，在一定浓度范围内物质吸光度值与浓度成线性关系。通过测量吸光度值并将其换算成浓度值，进而获得被检测物质含量。快速检测技术能在较短时间内提供检测结果，并可为应急检测及突击检查提供及时处理依据，因此在食品安全检测中备受青睐[14‒15]。2015年10月1日实施的《中华人民共和国食品安全法》规定了采用快速检测方法对食用农产品进行抽查检测，可见快速检测技术在食品安全检测中的重要性。近年来，由于食品安全问题频发，公众对食品安全的关注度越来越高[16]，如何增加公众对食品安全监督抽查的信任度成为了一个关键问题[17]。监督抽查所使用的设备检测数据的准确可靠是抽查结果可信的前提，解决检测设备的溯源问题、使检测设备能溯源到统一的量值，使检测结果具有可比性具有重要意义。

茶多酚快速检测仪主要用于快速测量茶叶及茶制品中茶多酚含量。然而，目前相关标准中缺乏对所使用仪器计量特性的相应要求和校准方法，使得仪器一直无法实现有效溯源，进而影响茶多酚含量检测数据的准确性，食品安全检测存在隐患。目前全国范围内尚无针对茶多酚检测仪的检定规程或校准规范，为提出较为全面的校准方法和计量特性要求，促进茶多酚检测仪技术指标的统一，向市场提供检测校准依据，促进茶多酚检测仪检测技术的提高，笔者结合前人研究，在实验基础上建立了茶多酚检测仪的校准方法。选择不同型号的茶多酚检测仪或具备茶多酚检测项目的食品安全检测仪，根据说明书及相关标准指标，测量不同型号仪器的波长、透射比等数据，给出较为全面的参考计量特性，并进行不确定度评定。目前已发布地方校准规范JJF (桂) 120—2023《茶多酚检测仪校准规范》。

 

 

1、 实验部分

 

 

1.1 主要仪器与试剂

光纤光谱仪：HR4000型，测量范围为350～600 nm，波长最大允许误差为±3.0 nm，美国海洋光学公司。

光谱中性滤光片：透射比标称值为10%、20%、30%；相对扩展不确定度不大于1.0% (k=2)，国家标准物质研究中心。

重铬酸钾纯度标准物质：质量分数为99.99%，中国计量科学研究院。

1.2 茶多酚检测仪的工作原理

茶多酚检测仪是用于测定样品中茶多酚含量的仪器。其原理是依据亚铁离子与样品中多酚类物质形成蓝紫色络合物，然后利用光电比色原理，根据式(1)朗伯-比尔定律进行测量：

 

(1)

式中：A——物质的吸光度；

T——物质的透射比；

——物质的吸光系数；

b——光路长度；

c——物质的浓度。

茶多酚检测仪主要由光源、样品室、检测器、显示单元等组成。其结构如图1所示。

图1   茶多酚检测仪结构图

Fig. 1   Structure diagram of tea polyphenol tester

1.3 校准条件

环境温度：15～35 ℃；相对湿度：≤85%。

1.4 校准范围

本校准方法适用于酒石酸亚铁比色法原理的茶多酚检测仪的校准。

1.5 校准项目

校准包括波长最大允许误差、透射比示值误差、重复性、稳定性和通道间差异共五个项目。校准项目依据地方校准规范JJF (桂)120—2023《茶多酚检测仪校准规范》确定。

1.6 校准方法

1.6.1 波长

把光纤光谱仪的探头依次置于样品室的各个通道中，测量仪器的峰值波长λ，重复3次，按式(2)计算波长误差，以所检通道中最大差值作为仪器波长误差：

 

(2)

式中：——光纤光谱仪3次测量的平均值，nm；

——仪器波长标称值，nm。

1.6.2 透射比示值误差和重复性

用透射比标称值约为10%、20%、30%的中性滤光片，依次放入样品室每个通道中，重复测量透射比3次，按式(3)依次计算每个通道每块透射比滤光片透射比示值误差，以所检通道中最大差值作为仪器透射比示值误差。

 

(3)

式中：——3次测量的平均值，%；

——透射比标准值，%。

按式(4)计算每个通道每块透射比滤光片透射比重复性，以所检通道中最大差值为仪器重复性：

 

(4)

式中：——透射比重复性，%；

Tmax，Tmin——每块滤光片透射比测量值最大值与最小值，％。

对仅有吸光度显示的仪器，可根据朗伯-比尔定律A=-lgT将吸光度测量值换算成透射比，再进行计算。

1.6.3 稳定性

以空气为测量对象，调节零位，记录初始值，每2 min读取仪器显示值。10 min 内吸光度相对初始值变化最大值与初始值之差即为仪器的稳定性，按式(5)计算：

(5)

式中：——稳定性；

AH——10 min内吸光度相对初始值变化最大值；

A0——吸光度初始值。

1.6.4 通道间差异

配制100 mg/L的重铬酸钾溶液放入样品室每个通道中，测量溶液吸光度。按式(6)计算全部通道中吸光度最大值与最小值之差：

 

(6)

式中：A——通道间吸光度差异；

Amax——全部通道测得的最大吸光度；

Amin——全部通道测得的最小吸光度。

A0——吸光度初始值。

 

 

2、 结果与讨论

 

 

选择不同型号的茶多酚检测仪进行试验，不同型号茶多酚检测仪校准结果见表1。由表1可知，进行实验的8台仪器，其中第2台设备的波长超出了计量特性要求，另外7台均符合要求。所测大部分产品波长最大允许误差、透射比示值误差、重复性、稳定性和通道间差异在本校准方法提出的计量性能要求范围内，表明所提出的要求较为合理。通过观察所检测的数据，波长误差均较大，通道间差异也较为明显，仪器可以从这两方面进行改进。

表1   不同型号茶多酚检测仪校准结果

Tab. 1   Calibration results of different types of tea polyphenol testers

 

 

3、 校准结果不确定度分析

 

仪器检测的关键指标是波长和透射比，因此对波长误差和透射比示值误差开展不确定度分析。

3.1 波长误差的不确定度来源

波长误差的测量模型见式(2)，为常量，为标准器光纤光谱仪测量3次的平均值，测量结果的不确定度主要来源于测量重复性和标准器引入的不确定度分量，两个变量之间不存在相互依赖的关系，二者不相关，因此合成标准不确定度计算公式见式(7)~（9）：

 

(7)

 

(8)

 

(9)

式中：——测量重复性引入的不确定度分量；

——标准器引入的不确定度分量

c1，c2——灵敏系数，±1

因此，波长误差的不确定度可用公式(10)计算：

 

(10)

3.2 波长误差的不确定度分量的评定

3.2.1 测量重复性引入的标准不确定度

选一台茶多酚检测仪，将光纤光谱仪的探头依次置于样品室的各个通道中，测量仪器的峰值波长。测量重复性引入的标准不确定度：

=

式中：s——标准偏差，nm。

以540 nm为例，测量值为545.21、545.36、545.15、545.32、545.32、545.31、545.32、545.25、545.12、545.30 nm。计算得到重复性引入的不确定分量为0.05 nm。测量过程中环境条件的变化、人员操作以及仪器分辨力引入的不确定度可以认为体现在测量的重复性中。

3.2.2 标准器引入的标准不确定度

根据校准规范的规定，仪器使用光纤光谱仪作为标准器测量波长。光纤光谱仪波长最大允许误差为±3.0 nm，按照均匀分布，扩展因子k=，则光纤光谱仪引入的标准不确定度：

不确定度分量汇总如表2所示。

表2   不确定度分量汇总

Tab. 2   Summary of uncertainty components

 

 

3.2.3 合成标准不确定度

算合成标准不确定度：

取k=2，波长误差的扩展不确定度：

3.3 透射比示值误差的不确定度来源

测量模型见式(3)，影响仪器示值误差不确定度的因素来自测量重复性引入的不确定度分量和中性滤光片引入的不确定度分量。各输入量不相关，因此合成标准不确定度计算公式如式(11)：

 

(11)

式中：——测量重复性引入的不确定度分量；

——中性滤光片引入的不确定度分量；

c1，c2——灵敏系数，c1=c2±1

3.4 不确定度分量的评定

3.4.1 测量重复性引入的不确定度分量

按照规范要求，分别用透射比标称值为10%，20%，30%滤光片对仪器进行测量，每块重复3次，测量结果如表3所示。最大极差为0.2%，因此重复性引入的不确定度分量：

表3   透射比测量结果

Tab. 3   measurement results of transmittance

 

测量过程中环境条件的变化、人员操作及仪器分辨力引入的不确定度可体现在测量的重复性中。

3.4.2 中性滤光片标准器引入的不确定度u (Ts)

从滤光片的证书得到扩展不确定度U=0.16%，k=2。故：

u (Ts)=0.16%/2=0.08%

测量不确定度分量汇总如表4所示。

表4   测量不确定度分量汇总表

Tab. 4   Summary of measurement uncertainty components

 

3.4.3 合成标准不确定度及扩展不确定度

合成标准不确定度计算：

取k=2，透射比测量结果的扩展不确定度：

U=k×u ()=0.3%。

 

4、 结语

 

建立茶多酚检测仪的校准方法。规定了波长最大允许误差、透射比示值误差、重复性、稳定性和通道间差异的校准方法，提出了波长最大允许误差、透射比示值误差、重复性、稳定性和通道间差异的计量特性要求，开展测量不确定度的评定，为市场提供检测校准依据，为日后茶多酚检测仪国家检定规程或校准规范的制定提供数据支持。

 

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