水分活度儀的校準

何欣，唐敏然，戴紅，王偉東

（1.廣州計量檢測技術研究院，廣州 510030； 2.中山大學，廣州 510275）

水分活度表示指樣品中水分存在的狀態(tài)，即水分與樣品結合程度。水分活度aw值越高，結合程度越低；水分活度值越低，結合程度越高。水分活度是食品檢測的一項重要指標［1–2］，對食品安全的控制具有非常重要的作用?？茖W研究表明，水分活度低于0.85 不會支持病源性細菌的生長［3–4］。另外，水分活度測量也被廣泛應用于藥品中微生物的控制［5–7］。水分活度儀目前尚沒有國家校準規(guī)范，一般依據(jù)水分活度檢測國家標準的要求及廠家技術文件進行校準，無法系統(tǒng)地表征儀器的計量特性。

筆者研究不同環(huán)境條件（溫度、濕度、大氣壓）對水分活度儀測量結果的影響，以及溴化鋰、氯化鋰、乙酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、溴化鈉、碘化鉀、氯化鈉、氯化鉀、硫酸鉀飽和溶液的水分活度特性，據(jù)此制訂了一種簡單、準確、可靠的水分活度儀校準方法。

1 水分活度儀的工作原理

水分活度儀的測量原理通?；谄胶庀鄬穸确?，水分活度值等于密閉環(huán)境的相對濕度值，通過測量密閉環(huán)境中的相對濕度即可得到樣品的水分活度值。樣品水分活度測量是將被測樣品置于一個密閉的容器中，被測樣品與密閉空間中的環(huán)境之間進行水分子交換并達到濕度平衡，待平衡后測定容器內的相對濕度，從而獲得被測樣的水分活度值。水分活度儀主要由樣品倉、傳感器、數(shù)據(jù)處理和顯示單元等部分組成。傳感器的工作原理通?；诶溏R露點法、電子濕度計法（電容傳感器或電阻傳感器法）、電解池法（電阻–電解法）和可調諧二極管激光吸收光譜法（TDL 法）。

1.1 冷鏡露點法

在鏡面冷凝露點系統(tǒng)里，將樣品置于恒溫密閉的小容器中，用鏡面冷凝露點傳感器測量樣品縫隙間的平衡水蒸氣壓即露點值，同時用溫度計測量樣品的溫度，然后計算平衡相對濕度，從而得到樣品水分活度。該方法測量準確、迅速，是目前許多國家推薦使用的水分活度測量方法［3］。

1.2 電子濕度計法

電子濕度計法水分活度儀利用電阻或電容傳感器測量相對濕度。傳感器由吸濕材料和聯(lián)合電路制成，利用電容或電阻的變化，將電信號和濕度信號進行轉換，輸出平衡相對濕度的信號，當樣品溫度與傳感器溫度一致時即達到蒸汽和溫度的平衡，平衡相對濕度值等于樣品水分活度值。

1.3 電解池法

電解池法也稱庫侖濕度計法［8］，被測氣體穿過電解池時蒸汽被全部連續(xù)吸收并連續(xù)電解，電解池敏感元件所測瞬時電解電流可以視為氣體瞬時含水量。在電解池法原理的基礎上研發(fā)的電阻–電解型濕度傳感器，可以測得樣品在蒸汽和溫度達到平衡時密閉環(huán)境中空氣的相對濕度，從而得到樣品水分活度。

1.4 可調諧二極管激光吸收光譜法

可調激光傳感器（TDL）用特定波長（例如1 854 nm）的激光測量樣品上方空氣的相對濕度［9］。水蒸氣在該波長處有很強的吸收，傳感器能夠精確測定樣品上方的水蒸氣，并轉換成水分活度值。由于激光光束波長寬度小于1 nm，絕大部分揮發(fā)性蒸汽分子對該波長激光沒有吸收，故可調激光傳感器不受揮發(fā)性物質影響。

2 水分活度儀的計量特性

目前商品化水分活度儀主要生產(chǎn)廠家有美國METER 集團公司、瑞士Novasina 公司、瑞士Rotronic 公司、德國Testo 公司、中國深圳市冠亞電子科技有限公司、中國無錫市華科儀器儀表有限公司等。根據(jù)其工作原理，水分活度儀的計量特性主要有水分活度示值誤差、水分活度測量重復性、溫度示值誤差、溫度波動性、溫度控制偏差等［10–14］。各計量特性參考技術要求見表1。

表1 水分活度儀的主要計量特性

響應時間也是一項重要計量特性參數(shù)［15］。響應時間與飽和鹽溶液平衡相對濕度的時間有很大關系，不同的鹽溶液，環(huán)境溫度、濕度對其響應時間影響很大。實驗結果表明，不同種類的鹽溶液響應時間從3 min 到10 h 不等，故響應時間不適宜使用飽和鹽溶液進行校準，建議改用不飽和鹽溶液進行校準。

3 水分活度標準樣品制備

3.1 水分活度的參考值

常見飽和鹽溶液水分活度值及其擴展不確定度如表2 所示［16］。

3.2 飽和溶液的配制方法

飽和鹽溶液由相應的分析純鹽試劑溶解在純水中制備而成。飽和鹽溶液可使用無結晶水或含結晶水的鹽試劑配制，從溶解性方面考慮宜選用無結晶水的鹽試劑。飽和鹽溶液應該保持有30%～90%的鹽未溶解在水中，因此對于飽和鹽溶液，在給定溫度下鹽的質量應該比完全溶解的量大30% （見表2）。為了獲得均相溶液，鹽試劑應在溫度遠高于測量溫度的水中溶解，然后將溶液降溫至需要的溫度。配制好的鹽溶液需貯于棕色試劑瓶中，常溫下放置一周后使用。

表2 飽和鹽溶液水分活度值及其擴展不確定度（k=2）

3.3 飽和鹽溶液的水分活度定值方法

飽和鹽溶液使用前，需使用精密露點儀與配套裝置組成的水分活度計量標準裝置（專利號：202020271515.6）［17］為飽和鹽溶液水分活度定值，水分活度計量標準裝置結構如圖1 所示。

圖1 水分活度計量標準裝置結構圖

精密露點儀的露點溫度允差：±0.10℃，環(huán)境溫度允差：±0.10℃。精密恒溫水浴溫度波動性：±0.05℃。飽和鹽溶液水分活度定值結果保留至0.000 1，定值不確定度0.002 0～0.006 0（k=2）。

4 水分活度儀的校準方法

4.1 水分活度示值誤差

在儀器正常工作條件下，測量5 種水分活度標準溶液，所選溶液水分活度aw分別滿足：

0 ＜aw≤0.2、0.2 ＜aw≤0.4、0.4 ＜aw≤0.6、0.6 ＜aw≤0.8、0.8 ＜aw≤1 的5 個區(qū)間條件，每種溶液重復測量3 次，取算術平均值作為儀器的測量結果，計算測量結果與參考值的差，即為儀器的水分活度示值誤差。

4.2 水分活度測量重復性

在儀器正常工作條件下，重復測量飽和氯化鈉溶液3 次，按照式(1)計算儀器的測量重復性：

4.3 溫度示值誤差

將儀器的溫度探頭與標準溫度計（示值允差為±0.15℃）的感溫部分盡量接近，測量樣品倉溫度，待儀器溫度示值穩(wěn)定后，同時記錄儀器及標準溫度計的溫度示值，計算儀器與標準溫度計的溫度差，即為儀器的溫度示值誤差。具有溫度控制功能的儀器，分別設定儀器溫度為20、25、30 ℃，校準儀器的溫度示值誤差。

4.4 溫度波動性

具有溫度控制功能的儀器，按4.3 布置標準溫度計，設定儀器溫度為20.0 ℃（或儀器下限溫度），待儀器溫度示值穩(wěn)定10 min 后，每隔2 min 記錄標準溫度計的溫度示值1 次，持續(xù)10 min，共記錄6次測量結果，取最大值與最小值差值的一半，冠以“±”號，即為儀器在下限溫度的溫度波動性。設定儀器溫度為30.0 ℃（或儀器上限溫度），重復上述步驟，即為儀器在上限溫度的溫度波動性。不具有溫度控制功能的儀器不需校準溫度波動性。

4.5 溫度控制偏差

具有溫度控制功能的儀器，按4.3 布置標準溫度計，分別設定儀器溫度為20.0、25.0、30.0 ℃，待儀器溫度示值穩(wěn)定后，每隔2 min 記錄標準溫度計的溫度示值1 次，持續(xù)10 min，共記錄6 次測量結果，取偏離設定值最大的絕對值為儀器的溫度控制偏差。

5 環(huán)境條件對校準結果的影響

5.1 溫度

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)計算可知，溫度對飽和鹽溶液的水分活度值影響較大。溫度每變化10℃，乙酸鉀、溴化鋰、化鈉飽和溶液的水分活度值分別變化6.49%、6.06%、5.25%，表明環(huán)境溫度對不帶溫度控制的水分活度儀示值有較大的影響，建議校準實驗室的溫度波動不大于1.0 ℃／h，同時應保證飽和鹽溶液的溫度與測量溫度的差值在±2℃內，若溫差超出±2℃范圍，需要預先把飽和鹽溶液放入與測定溫度相同的恒溫水浴中，恒溫至少4 h。

5.2 濕度

實驗結果表明無論是基于冷鏡露點法還是基于電容／電阻法的水分活度儀，環(huán)境濕度在20%～90%時對水分活度測量結果幾乎沒有影響，主要原因是絕大多數(shù)儀器廠家在樣品倉開口處都設置有密封圈，外界與樣品倉沒有空氣交換。因此校準對實驗室環(huán)境濕度沒有特別要求。

5.3 大氣壓

實驗結果表明無論是基于冷鏡露點法還是基于電容／電阻法的水分活度儀，環(huán)境大氣壓在80～106 kPa 時對水分活度測量結果幾乎沒有影響。以室溫20 ℃（293 K）為例，水的摩爾體積為18.02 cm3／mol，海拔0 m 時大氣壓P1=101 325 Pa，海拔2 500 m 時大氣壓P2=74 671 Pa，根據(jù)大氣壓與水分活度的關系式［18］也可以推知，當大氣壓變化26%時，水分活度值變化0.02%，因此大氣壓對水活度的影響可以忽略不計。

6 校準實例

以一臺美國Meter Aqualab 4TE 型水分活度儀為例，其校準結果如表3、表4 所示。

表3 水分活度示值誤差和測量重復性校準結果（25℃）

表4 溫度示值誤差、波動性和控制偏差校準結果（25℃） ℃

7 結果討論

7.1 溯源性和不確定度問題

目前，國內尚無水分活度有證標準物質。依據(jù)JJG 2046–1990 《濕度計量器具檢定系統(tǒng)》［19］，鹽的飽和溶液可作為濕度二級標準，當相對濕度為10%～95%時，濕度不確定度不大于2.0%（即aw≤0.020），顯然無法滿足水分活度儀的校準要求。使用精密露點儀與配套定值裝置為飽和鹽溶液定值，不確定度為相對濕度0.2%～0.6%（即aw=0.002～0.006）。因此，本校準方法具有計量溯源性。

7.2 飽和鹽溶液的平衡時間

樣品和空氣的相對濕度達到平衡的時間是不確定的。實驗表明，若無機鹽在溶解過程中有明顯吸放熱現(xiàn)象，則其平衡時間相應較長。氯化鈉、氯化鉀飽和溶液的平衡時間較短，而碳酸鉀、氯化鎂、氯化鋰飽和溶液的平衡時間較長。

7.3 揮發(fā)性樣品的水活度測量

揮發(fā)性樣品（例如醇類或汽油等）不適用基于冷鏡露點法或電容電阻法的水分活度儀測量，這是因為揮發(fā)物可以在冷卻后的鏡面上共同冷凝，從而改變檢測的露點溫度，導致水分活度讀數(shù)偏高。此外，揮發(fā)物可以被電容式或電阻式濕度傳感器吸收，從而改變傳感器的特性和響應曲線。

7.4 不飽和鹽溶液作為標準物質的探索

在25℃下，分別測定0.5 mol／L 氯化鉀、2.33 mol／L 氯化鈉、6.0 mol／L 氯化 鈉、8.57 mol／L 氯化鋰、13.41 mol／L 氯化鋰、17.18 mol／L 氯化鋰溶液（不飽和）的水分活度。實驗結果表明，其穩(wěn)定時間遠優(yōu)于飽和鹽溶液，即使改變測量溫度，也可以快速達到穩(wěn)定，測量重復性與飽和鹽溶液相當，是作為水分活度標準物質的理想對象。但不飽和鹽溶液容易受溶劑揮發(fā)或吸潮影響，標準樣品不可重復使用。