一级计量师

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漫谈糖度及糖度基准

人们如果稍加留意、品尝后便会发现，不同品种的白糖其品质是有差异的，有的品种纯净些、甜些，而有的则差一些。显然，这里存在着糖的甜度的标准问题。

白糖是由原糖纯化而来的，根据测定分析，上等的白糖几乎是纯的蔗糖，其蔗糖含量可达99%，我国生产的白糖纯度也达99%。白糖和原糖（以下简称糖）的主要成分是蔗糖。

蔗糖是自然界中分布最广的甙糖，甘蔗中约含有14%~26%，甜菜中含有16%~20%，工业上就是用甘蔗和甜菜来制造蔗糖的。蔗糖是一种非还原性糖，水解后生成等分子葡萄糖和果糖，蔗糖是一个分子的葡萄糖和一个分子的果糖通过两个甙羟基脱水连接而成的。

偏振光束通过蔗糖水溶液时会产生右旋现象。蔗糖的比旋光度（α）D20=66.5°（D）表示为采用钠光。20表示在20℃下测量），而蔗糖的水解产物之一果糖却是左旋的，它的比旋光度（α）D20=-93°；另一个水解产物葡萄糖又是右旋的，其（α）D20=52.5°，因此果糖和葡萄糖的等量混合物则显示左旋。这些是糖水溶液的一个基本物理特性，所以只要测定出糖水溶液的“旋光度”便可确定糖的纯度或糖度（符号°S）。国际糖研究基金会（ISRF）所属的糖分析统一方法国际委员会（ICUMSA）规定了国际糖度标尺，按该规定，用26克纯蔗糖制成100ml水溶液，用200mm试管，在20℃下用钠光测定，其旋光度为+34.626时，则糖度为100糖分度（即100°S）。

什么样的糖是最纯粹和最甜的呢？即100°S，或者100度的糖度是最纯粹和最甜的，这就涉及糖度的基准问题。科学家们认为：经过充分提纯而获得的最纯的蔗糖，其所含的杂质是极其微量的，其比旋光度也应是最高的，这样的蔗糖就可以被认为是糖度的基准物质了——即糖的基准试剂（纯蔗糖也是以（比）旋光度为依据的）。例如美国标准技术研究院发售的基准试剂——蔗糖SRM17，仅仅给出了旋光度数值。此外还列出：水份<0.01%，还原物质<0.02%，灰分0.003%作为附加数据。

为了确定纯蔗糖的旋光度，美国国家标准局的化学家经过两年多的努力，于1977年底完成了一台高精度旋光计的研制和测试工作。在这台基准装置上偏振光束通过糖水溶液时可观察到1角秒的偏振旋转角度。这个测量工作可以形象地表述为：假如你的手臂有5km长，那么当移动你的手指头2.5cm时，你的臂仅仅偏转了1角秒。可见其准确度之高。这项研究将糖度的基准推向了新的高度，比原有的基准提高了0.03%。这种变化对一袋糖的买卖不会有多大差别；但是如果对成百吨或成船载量的糖的大宗交易便会造成几百万美元的差价。据说在此之前，由于美国的旋光计不如联邦德国的，致使美国在一宗糖交易中打了败仗，也许就是由于这种处境促使美国产生了研制高精度旋光计的动力吧！美国国家标准局在当时报道这项研究成果时声称，这台高精度旋光计变成了美国国家标准局的财富。诚然，这确是一笔不小的财富，笔者在NIST作访问研究时曾去了解过这台装置。

历史上，德国在糖的研究方面一直处于领先地位。第一次世界大战前美国一直从德国进口纯粹的蔗糖，用于校准糖量计和旋光计以及其它一些稀有糖。第一次世界大战爆发后，从德国进口的来源被切断，于是美国标准局不得不自己动手制备纯蔗糖和其它稀有糖。他们在《测量进展》一书中回忆这段历史时，不胜感概地说：美国国家标准局糖度的研究历史是极其复杂的，可以讲它是美国以战争作为动力的第一个新型工业。

综前所述，我国也应借鉴美国国家标准局研制旋光计和建立糖度基准的历史，这对于我国建立糖度基准的决策是有益的。随着我国对外贸易的发展和工农业生产的突飞猛进，糖度基准的建立（包括基准旋光计）以及糖度基准试剂的发售，定会日显需要。虽然我国已在高精度旋光计的研制方面有了一定的进展，但还应进一步加快糖度基准装置以及糖度基准试剂的完善工作。

米的定义及其变迁

在日常生活中人们为估测长度或距离，习惯用手比一比或跨步量一量。据中国古书记载，“布指知寸，布手知尺，舒肘知寻，妇手为咫，人身为丈”，“举足为跬，倍跬为步，迈步为亩”。这里的寸、尺、寻、咫、丈、跬、步等，实际上就是长度计量单位。众多的单位直到公元前221年，秦始皇颁布“一法度衡石丈尺”命令和诏书后才得以统一。

我们的祖先早在汉朝就利用自然规律建立了度量衡标准，它们在原理上与米的现代定义相近，而在时间上却比西方早约二千年，令世人惊叹不已。

米（m）是国际单位制中表示长度的基本单位。提高米的测量准确度不仅对于物理学、天文学等基础学科有重要意义，而且也促进了大地测量、空间技术、纳米技术等的发展和进步。

米的最初定义是由1791年法国国民代表大会确定的，一米等于地球子午线1/4长度的一千万分之一。“米”来源于古希腊文，意为度量。当时认为子午线长度是固定不变的，所以米及由米确定的千克和升也固定不变，从而形成一种基于自然不变的“米制”。

1799年，根据度量子午线弧长的结果，用烧结铂制成了体现端度基准的米原器并保存在巴黎档案局，这就是最早的“档案米”（后来证明它的实际值比定义值短约0.2毫米）。

国际计量局（BIPM）据此复制了30个铂（90%）铱（10%）合金制的X型线纹基准米原器。1889年经第一届国际计量大会（CIPM）批准，从中选出了一个作为国际米原器，留出数个作为工作原器，而把其余的分发给米制公约成员国作为国家基准。这时的米被定义为，国际计量局保存的国际米原器上，两端刻划的中间刻线的轴线在00C时的距离。此定义实际上是由后来第7届国际计量大会，1927年，认定的。可以说这是米定义的第一次变迁。

国际米原器的准确度为0.1微米，即千万分之一（1×10-7）。到20世纪中叶，这个准确度已无法满足精密机械制造业和计量学发展的需要。于是有人提出用原子辐射波长值取而代之的建议，因为它是一种固定不变的自然基准。不久发现新研制的氪-86低压气体放电灯，在一定条件下辐射出的橙黄光谱的真空波长值是个“定值”。1960年第11届国际计量大会决定废除国际米原器，将米定义为，氪-86原子的2P10和 5d5能级之间跃过所对应辐射在真空中波长的1650763.73倍。这样米的准确度达到十亿分之四（4×10-9），它意味着在1000公里的长度上误差仅为4毫米。这是米定义的第二次变迁。

几乎与此同时，一种方向性好、亮度高、单色性强（相干能力强）的激光问世，其特性优于任何已有的光源。随着稳频和伺服技术的发展和应用，又使激光器输出频率的稳定性和复现性提高到百亿分之一（1×10-10），而后测得的真空中光速值为299792458米/秒，其准确度也比过去提高了100倍。

在这种背景下，1975年第15届国际计量大会提出，米定义可以通过光速表示，并认为光速值保持不变对天文学和大地测量具有重要意义。这就是说，光速值不再是可测的量，而是固定不变的常数，长度则可以建立在光速为常数的基础上，通过时间或频率确定。1983年第17届国际计量大会将米定义为，光在真空中，在1/299792458秒时间间隔内所行进路径的长度。这是米定义的第三次变迁。

新定义的米，可以通过时间法、频率法和辐射法来复现。时间法利用光行进的时间来测量长度，主要用于天文学和大地测量学。频率法利用光的频率来测量其真空波长，故在准确度方面潜力很大，但在实际应用中尚需建立激光波长基准。在辐射法方面，1993年国际计量委员会推荐了8种稳频激光器辐射的标准谱线频率（波长）值，作为复现米定义的国际标准。

由于目前还没有一种光电接收器能够响应可见光频率，所以尚需分波段研制多个稳频激光器作为基准。稳频激光器辐射频率的测量准确度仍在不断改进中，比如目前常用的碘吸收633纳米氦氖稳频激光器的复现性，已在1×10-10的基础上又提高了约一个数量级。因而，在光频范围内米有可能建立频率标准，这无疑将促进原子物理学、分子物理及高分辨率激光光谱学的发展。两个世纪以来米定义的变迁，既反映了科技进步对计量学发展的推动作用，也反映了计量学发展对科技进步的反作用。

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