連續(xù)流動(dòng)法測定煙草中總糖、還原糖、氯、鉀含量的不確定度評(píng)定

許 永 李 超 楊乾栩 - 秦云華 - 蔣 薇 劉志華U - 吳億勤 - 蔣次清 - 張承明 - 劉 巍U

(云南中煙工業(yè)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南 昆明 650231)

煙草中的糖含量與煙葉品質(zhì)有著密切的關(guān)系，而氯、鉀則與煙草的燃吸性和吸濕性密切相關(guān)[1]。煙葉化學(xué)成分是評(píng)判煙葉品質(zhì)的重要手段之一[2]。目前在煙草行業(yè)中，連續(xù)流動(dòng)法被廣泛用于煙草中總糖、還原糖、氯和鉀含量的快速檢測分析，該方法自動(dòng)化程度較高。1993年，中國實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可委員會(huì)公布了《測量不確定度表示指南》[3]，自此，不確定度便作為衡量檢測結(jié)果可信度的重要指標(biāo)，陸續(xù)應(yīng)用于化學(xué)計(jì)量學(xué)界，但煙草中對(duì)于總糖、還原糖、氯和鉀含量測量不確定度的相關(guān)評(píng)定分析研究較少[4-8]。目前的研究大多是針對(duì)其中的某一種指標(biāo)來做分析，并計(jì)算其擴(kuò)展不確定度和相應(yīng)的權(quán)重，鮮見有同一種檢測方法同時(shí)分析多個(gè)指標(biāo)的不確定度，對(duì)不確定度各分量的權(quán)重的成因則未見具體分析。為克服前人研究的缺陷，本試驗(yàn)對(duì)連續(xù)流動(dòng)法同時(shí)測定煙葉樣品中總糖、還原糖、氯和鉀的檢測過程進(jìn)行了詳細(xì)分析，篩選并明確每一個(gè)不確定度的影響因素，同時(shí)通過量化各不確定度的分量構(gòu)成，最終綜合提出該種方法的合成不確定度，以期為實(shí)驗(yàn)室檢測工作的準(zhǔn)確性和科學(xué)性提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

樣品：任意抽檢煙葉樣品A，昆明卷煙廠配方庫；

一水葡萄糖：純度≥98%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

氯化鈉：純度≥99.5%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

硫酸鉀：純度≥99%，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；

其他試劑均為分析純；

連續(xù)流動(dòng)分析儀：AA3型，德國BRAN+LUEBBE公司；

電熱鼓風(fēng)干燥箱：DHG-9245A型，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；

電子天平：CP224S型，感量0.000 1 g，德國Sartorius公司；

數(shù)字型可調(diào)瓶口分液器：50 mL，德國BRAND公司。

1.2 樣品的處理與分析

精確稱取0.250 0 g樣品置于50 mL磨口三角瓶中，加入25 mL冰醋酸，封口后震蕩萃取30 min。用定性濾紙過濾萃取液，棄去前5 mL濾液，收集其余濾液用于分析。按照YC/T31—1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定 烘箱法》要求，嚴(yán)格進(jìn)行水分測定，其中天平精度(0.001 g)、烘箱控溫精度[(100±1) ℃]、水分測定值有效期(15 d)和兩次平行測定結(jié)果絕對(duì)值總差(≤0.10%)都嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

依據(jù)YC/T 159—2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測定 連續(xù)流動(dòng)法》、 YC/T 162—2002《煙草及煙草制品氯的測定 連續(xù)流動(dòng)法》、 YC/T 217—2007《煙草及煙草制品鉀的測定 連續(xù)流動(dòng)法》對(duì)樣品進(jìn)行檢測。具體樣品處理及檢測步驟參見測量流程圖，見圖1。

圖1 測量流程圖Figure 1 Measurement flow chart

1.3 總糖、還原糖、氯、鉀含量

按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：

P——測定指標(biāo)的含量，%；

V——萃取液體積，mL；

C——通過標(biāo)準(zhǔn)工作曲線計(jì)算得到的樣品成分濃度，g/mL；

W——樣品含水率，%；

m——樣品質(zhì)量，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 測量不確定度的評(píng)估

2.1.1 不確定度的來源識(shí)別 不確定度的來源根據(jù)來源因果圖進(jìn)行識(shí)別，見圖2。

通過分析整個(gè)測量模型及每一步試驗(yàn)過程，明確總糖、還原糖、氯和鉀測量的不確定度來源。

2.1.2 水分測量的不確定度u(W) 包括烘箱溫度的不穩(wěn)定性，含水率測量的重復(fù)性，以及分析天平的稱量誤差。

2.1.3 樣品稱量的不確定度u(m) 試驗(yàn)主要通過分析天平進(jìn)行樣品稱量，采用的方法為減量法。由于樣品的稱量量較小，可忽略空氣浮力，樣品用量雖小但仍在天平的線性范圍內(nèi)，因此樣品稱量的不確定度主要是由天平的最大允差造成。

2.1.4 萃取液體積的不確定度u(V) 主要由瓶口分液器刻度和人為讀數(shù)誤差造成。試驗(yàn)過程中，試劑瓶和容量瓶中的萃取液所處的環(huán)境溫度差異較小，因此，可以忽略溶劑溫度變化引入的不確定度，具體包括對(duì)體積的影響、非水溶液熱膨脹系數(shù)差異等。

圖2 不確定度來源的因果圖Figure 2 The causal diagram of the source of uncertainty

2.1.5 測量樣品中總糖、還原糖、氯和鉀濃度的不確定度u(C) 主要來源為標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的配制、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值和非線性工作曲線效應(yīng)帶來的誤差。

2.1.6 試驗(yàn)重復(fù)性測量的不確定度u(R) 每次外界內(nèi)部條件不同引入的不確定度。

2.2 測量不確定度分量的量化

2.2.1 樣品水分測量的不確定度u(W)評(píng)定 煙草樣品含水率測量的不確定度來源主要有：含水率測量的重復(fù)性u(píng)(W1)，烘箱溫度變化u(W2)和天平稱量不準(zhǔn)u(W3)。

(1)u(W1)評(píng)定：假設(shè)樣品瓶內(nèi)樣品含水率是均勻的，同一天內(nèi)同一樣品的6次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，含水率分別為8.96%，8.89%，8.96%，8.92%，8.87%，8.88%，采用標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算含水率的重復(fù)性。

水分單次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.040%，平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

(2)u(W2)評(píng)定：在烘箱溫度[(100±1) ℃]條件下，采用同一樣品進(jìn)行2次水分測定，每次6個(gè)平行樣，數(shù)據(jù)見表1。假定烘箱溫度為均勻分布，可得溫度對(duì)含水率測量影響分量：

(3)u(W3)評(píng)定：含水率W按式(2)計(jì)算：

(2)

式中：

W——含水率，%；

m0——稱量皿質(zhì)量，g；

m1——烘前(稱量皿+樣品)質(zhì)量，g；

m2——烘后(稱量皿+樣品)質(zhì)量，g。

用同一分析天平進(jìn)行稱量，假定均勻分布(計(jì)算相對(duì)不確定度時(shí)，采用重復(fù)性試驗(yàn)中數(shù)據(jù)，m0為16.425 7 g，m1為19.430 6 g，m2為19.161 4 g)，具體計(jì)算過程見表2。

表1 不同溫度樣品水分含量

表2 u(W3)的計(jì)算過程

(4) 合并不確定度：

2.2.3 萃取液體積的不確定度u(V)評(píng)定 使用數(shù)字型可調(diào)瓶口分液器移取萃取液。事先采用衡量法對(duì)瓶口分液器進(jìn)行容量檢定，共做10次測定，其單次試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.080 mL，平均值標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

2.2.4 測量煙樣中總糖、還原糖、氯和鉀濃度的不確定度u(C)評(píng)定

(1) 由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度引起的標(biāo)準(zhǔn)溶液定值不確定度u(C0)：以生產(chǎn)商提供的信息作為根據(jù)，一水葡萄糖純度為98%～100%，擴(kuò)展不確定度近似為1.0%，按均勻分布計(jì)算，其中覆蓋因子k=3，則糖的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

氯化鈉純度為99.5%～100%，擴(kuò)展不確定度近似為0.25%，按均勻分布計(jì)算，其中覆蓋因子k=3，則氯的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

硫酸鉀純度為99%～100%，擴(kuò)展不確定度近似為0.50%，按均勻分布計(jì)算，其中覆蓋因子k=3，則鉀的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(2) 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(C1)：稱取一水葡萄糖(ρ1)11 g(m1)，氯化鈉(ρ2)0.549 8 g(m2)，硫酸鉀(ρ3)2.234 0 g(m3)，用水稀釋至100 mL，得到儲(chǔ)備液。逐級(jí)稀釋儲(chǔ)備液配制得標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，見表3。建立標(biāo)準(zhǔn)曲線的過程中，各影響量的不確定度包含在擬合工作曲線的不確定度中，此處不進(jìn)行單獨(dú)計(jì)算。

由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稱量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(m)：萬分

表3 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制表

將上述各值代入，計(jì)算由標(biāo)準(zhǔn)工作液引入的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

ur(C1)氯=0.059%；ur(C1)鉀= 0.058%。

(3) 工作曲線擬合的不確定度u(C2)：5個(gè)濃度(每個(gè)濃度測定3次)的標(biāo)準(zhǔn)工作液由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制，應(yīng)用最小二乘法擬合工作曲線，得到回歸方程：

Hj=bCi+a，

(3)

式中：

Hj——第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的第j次測定峰高；

b——工作曲線的斜率；

Ci——第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的濃度，%；

a——工作曲線的截距。

根據(jù)表4、5，得到總糖回歸方程為：Hj=1 438.0Ci+3 366.3。

誤差公式：vi=Hj-(bCi+a)，式中vi為殘差。根據(jù)總糖回歸方程，可以計(jì)算得到理論峰高值與相應(yīng)的實(shí)測峰高值之差，基于Bessel方程，其標(biāo)準(zhǔn)化殘差S為：

表4 總糖標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的峰高測定值

(4)

式中：

Hj——第i個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的第j次測定峰高；

b——回歸方程的斜率；

a——工作曲線的截距；

P——樣品檢測次數(shù)；

n——標(biāo)準(zhǔn)工作溶液檢測次數(shù)；

C——樣品溶液的濃度，%；

i——第i個(gè)濃度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液；

j——獲得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的檢測次數(shù)。

考慮日常檢測平行樣，測試的次數(shù)取2次。在計(jì)算中，借用重復(fù)性測定的數(shù)據(jù)，試樣溶液雙樣總糖平均值C=18.32%。

同理得濃度為C的還原糖的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(4) 合并相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

ur(C)還原糖=1.17%；ur(C)氯=0.78%；ur(C)鉀=1.12%。

2.2.5 試驗(yàn)重復(fù)性引起的不確定度u(R)評(píng)定 采用同一樣品，進(jìn)行6次完整的重復(fù)測定，包括稱量樣品、樣品前處理和分析檢測的整個(gè)過程，數(shù)據(jù)見表6。

表6 樣品6次測定結(jié)果

2.3 計(jì)算合成不確定度u(P)

各指標(biāo)合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：

ur(P)總糖=

同理得ur(P)還原糖=1.29%、ur(P)氯=1.16%、ur(P)鉀=1.36%。

根據(jù)公式u(P)=P×ur(P)計(jì)算各項(xiàng)目的合成不確定度，結(jié)果見表7。

表7 各項(xiàng)目合成不確定度

2.4 擴(kuò)展不確定度分析U(P)及報(bào)告

2.4.1 擴(kuò)展不確定度計(jì)算 按正態(tài)分布，取95%置信區(qū)間，k=2，根據(jù)公式U(P)=k×u(P)，既得各項(xiàng)目測定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，結(jié)果見表8。

2.4.2 測量結(jié)果不確定度的表達(dá) 按各項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測，樣品中總糖、還原糖、氯、鉀含量測定結(jié)果不確定度的表達(dá)見表9。

表8 各項(xiàng)目的擴(kuò)展不確定度

表9 各項(xiàng)目測定結(jié)果不確定度的表達(dá)

3 結(jié)論

采用連續(xù)流動(dòng)法測定煙草中的總糖、還原糖、氯、鉀，分別考慮了水分測定、萃取、過濾、儀器設(shè)備以及測定等環(huán)節(jié)所引入的不確定度分量對(duì)測定結(jié)果的影響。其測定結(jié)果的擴(kuò)展不確定度分別為0.44%，0.40%，0.02%，0.06%，觀察評(píng)定結(jié)果，從不同參數(shù)的分量大小可以發(fā)現(xiàn)，檢測樣品中總糖、還原糖、氯和鉀的濃度引入了最大的不確定度。橫向?qū)Ρ?種待測指標(biāo)可知，總糖的擴(kuò)展不確定度最大，還原糖次之，氯最小。這可能與4種物質(zhì)在煙草中的含量有關(guān)，根據(jù)4種物質(zhì)在煙草中的含量均值大小順序：總糖(18.32%)>還原糖(15.83%)>鉀(2.45%)>氯(0.81%)。說明4種指標(biāo)不確定度大小與其在煙草中的含量呈正比。而最具權(quán)重的分量是擬合工作曲線帶來的不確定度。因此，為確保檢測數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確，在標(biāo)準(zhǔn)工作溶液檢測前，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制和標(biāo)準(zhǔn)曲線制作應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定進(jìn)行。

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