高效液相色譜法測(cè)定車(chē)內(nèi)非金屬材料中甲醛含量的不確定度評(píng)估

姚響林，劉丹丹，熊 芬，胡 曼，馮槐宇

(1. 東風(fēng)汽車(chē)公司技術(shù)中心 非金屬材料室，湖北 武漢 430058；2. 國(guó)家汽車(chē)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(襄陽(yáng))，湖北 襄陽(yáng) 441004)

在車(chē)內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)氣體所含的組分中，甲醛是一種無(wú)色、有刺激性氣味的氣體. 甲醛對(duì)人體健康的影響包括嗅覺(jué)異常、刺激、過(guò)敏、肺功能異常、肝功能異常，還可損害細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)，2006年被確定為1類(lèi)致癌物.

車(chē)內(nèi)常見(jiàn)非金屬材料，例如PU泡沫、再生棉、織物和真皮等原材料的揮發(fā)物中均能檢測(cè)到甲醛. 本文以車(chē)內(nèi)安全帶鎖扣毛氈材料為例，對(duì)材料中甲醛含量的不確定度進(jìn)行了測(cè)量和評(píng)定[1-2]，以期為評(píng)定測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供理論基礎(chǔ)和科學(xué)依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

高效液相色譜儀(Agilent 1260)，帶可變波長(zhǎng)檢測(cè)器(VWD)(美國(guó)安捷倫公司).

標(biāo)準(zhǔn)品：13種醛酮-DNPH組分混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(其中甲醛-DNPH：40 μg/mL，購(gòu)自SUPELCO；DNPH：中文名2,4-二硝基苯肼，英文名：2,4-dinitrophenyl hydrazine)；DNPH(分析純，國(guó)藥)；高氯酸(GR級(jí)，國(guó)藥)乙腈(色譜純，Merck)；超純水(美國(guó)密理博公司)；試驗(yàn)樣品：安全帶鎖扣毛氈，材質(zhì)：聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET).

1.2 混合標(biāo)準(zhǔn)溶液制備

E0標(biāo)準(zhǔn)溶液是13種衍生物混合而成的標(biāo)準(zhǔn)溶液，其中甲醛-DNPH質(zhì)量濃度為40 μg/mL. 使用移液槍和容量瓶按照表1的配方要求分別配制標(biāo)準(zhǔn)子溶液E1、E2、E3和E4，并用乙腈稀釋至容量瓶的刻度線.

表1 標(biāo)準(zhǔn)溶液Table 1 Standard solution

1.3 樣品前處理

用5 mL的刻度移液管移取2.25 mL高氯酸溶液，注入25 mL容量瓶中，使用乙腈稀釋至刻度線，搖勻備用. 精確稱(chēng)取0.123 g的DNPH，置于100 mL容量瓶中，加入乙腈使其溶解并加入上述1.25 mL的高氯酸溶液，使用乙腈稀釋至刻度線，搖勻備用，此溶液為DNPH溶液.

將尺寸大小為60 mm×30 mm、質(zhì)量在0.5～2 g之間的試驗(yàn)樣品懸掛在一個(gè)500 mL廣口瓶中，瓶中裝有50 mL超純水，試驗(yàn)樣品位于超純水的上方. 將瓶子放入60 ℃的烘箱中加熱3 h，然后冷卻至室溫. 從廣口瓶取出懸掛的試驗(yàn)樣品，采用10 mL移液槍從廣口瓶中吸取9 mL樣品溶液于10 mL容量瓶中. 用1 mL移液槍吸取1 mL DNPH溶液加入容量瓶中，使兩者充分混合衍生，此衍生液作為HPLC分析用的試驗(yàn)樣品溶液冷藏保存.

1.4 檢測(cè)

采用高效液相色譜儀對(duì)衍生液進(jìn)行分析，通過(guò)衍生物分子對(duì)紫外線的吸收進(jìn)行檢測(cè). DNPH衍生物的含量通過(guò)外標(biāo)法進(jìn)行檢測(cè)和分析.

色譜柱：Eclipse XDB-C18 4.6 mm×250 mm, 5 μm Analytical；洗脫模式：梯度洗脫；檢測(cè)器波長(zhǎng)：367 nm；柱溫：40 ℃；進(jìn)樣體積：20 μL；淋洗梯度：0 min 乙腈60% 超純水40% ，10 min 乙腈65% 超純水35%，20 min 乙腈100% 超純水 0，25 min 乙腈100% 超純水0.

2 建立數(shù)學(xué)模型

試樣中甲醛含量計(jì)算公式為[3]：

(1)

式中：C試樣中甲醛含量，mg/kg;X樣品溶液中甲醛濃度，μg/mL;V樣品溶液的體積，mL;m樣品質(zhì)量，g; Rec樣品處理回收率.

3 不確定度的來(lái)源及其量化

對(duì)某汽車(chē)安全帶鎖扣毛氈材料取7組平行樣進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表2所列.

3.1 重復(fù)試驗(yàn)引入的平均值不確定度分析

按A 類(lèi)進(jìn)行評(píng)定試驗(yàn)重復(fù)性引入的不確定度Ur(x)，采用極差法進(jìn)行評(píng)定，試驗(yàn)次數(shù)為7 次，極差系數(shù)C為2.70. 樣品溶液中甲醛-DNPH重復(fù)測(cè)量引入的不確定度為：

(2)

表2 汽車(chē)安全帶鎖扣毛氈材料甲醛含量檢測(cè)結(jié)果Table 2 Test results of formaldehyde contents in automobile safety belt lock and felt material

重復(fù)測(cè)定引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(3)

3.2 樣品溶液中甲醛-DNPH含量測(cè)定引入的不確定度分析Ur(X)

樣品溶液中甲醛-DNPH含量測(cè)定引入的不確定度主要包括標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制所引入的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)溶液配制所引入的不確定度.

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的不確定度ur(X1)

按照1.4的色譜條件，對(duì)每個(gè)濃度的標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)定2次，分析數(shù)據(jù)如表3所列.

設(shè)y(峰面積)對(duì)x(甲醛濃度)的回歸直線方程為y=a+bx，其中，a為標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距，b為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率. 采用Excel自動(dòng)擬合得到擬合函數(shù)：y=639.983 96x，即：a=0，b=639.98，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 95.

表3 甲醛標(biāo)準(zhǔn)曲線系列Table 3 Standard curve series of formaldehyde

由標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量-吸光度擬合的線性函數(shù)求得X1時(shí)所產(chǎn)生的測(cè)量不確定度(即線性最小二乘法校準(zhǔn)的不確定度):

(4)

(5)

則：

=0.005 44

(6)

3.2.2 甲醛-DNPH標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)，甲醛-DNPH標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相對(duì)不確定度為4%，k=2，因此甲醛-DNPH標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(7)

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程中量具校準(zhǔn)引入的不確定度：標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制過(guò)程中，首先用1 000 μL移液槍分別移取200、400 μL標(biāo)準(zhǔn)母液至2 mL 容量瓶中，然后用100 μL移液槍分別移取10、50 μL標(biāo)準(zhǔn)母液至10 mL容量瓶中，用到了2、10 mL 容量瓶和100～1 000 μL、10～100 μL移液槍.

由儀器計(jì)量校準(zhǔn)證書(shū)得到量具引起的不確定度[4]如表4所列.

表4 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備使用的量具引起的不確定度Table 4 Uncertainty caused by standard gauges prepared by standard solution

樣品稀釋過(guò)程中引入的不確定度包括容量瓶的允差和溫度引起水體積變化兩個(gè)部分[8]. 按照矩形分布考慮，試驗(yàn)過(guò)程中用到的玻璃量具校準(zhǔn)引入的相對(duì)不確定度如表5所列.

表5 玻璃量具校準(zhǔn)引起的不確定度Table 5 Uncertainty caused by calibration of glass gauge

溶液配制過(guò)程中,由溫度變化引起的相對(duì)不確定度如表6所列.

由表4、5和6可以計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)溶液配置過(guò)程中,量具引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(8)所示.

表6 溶液配制過(guò)程中溫度變化引起的不確定度Table 6 Uncertainty caused by temperature change in preparation of solution

(8)

=0.023 294

(9)

3.3 樣品溶液制備體積引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

DNPH溶液制備過(guò)程中，首先稱(chēng)取0.123 g DNPH固體，加入1.25 mL 6.1 mol/mL的高氯酸溶液，用乙腈定容至100 mL刻度線，用到了萬(wàn)分之一精度的天平、10 mL移液槍、25 mL容量瓶和100 mL容量瓶. 取廣口瓶中水溶液9 mL與上述DNPH溶液1 mL反應(yīng)，用乙腈定容至10 mL容量瓶刻度線，即得到待測(cè)樣品. 樣品溶液制備過(guò)程中使用的量具校準(zhǔn)引起的不確定度如表7所列.

稱(chēng)量用萬(wàn)分之一數(shù)字顯示電子分析天平，其示值誤差：0.000 5 g，則：

(10)

稱(chēng)量引入的相對(duì)不確定度為：

ur(m1) =u(m1) /m = 2.887×10-4/ 0.123

=2.347×10-3

(11)

表7 樣品溶液制備使用的量具引起的不確定度Table 7 Uncertainty caused by measuring tools used in sample solution preparation

由表5可以計(jì)算出DNPH溶液配置過(guò)程中量具校準(zhǔn)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(12)

樣品溶液制備過(guò)程中引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(13)

由以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出樣品溶液制備體積引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

(14)

3.4 樣品質(zhì)量稱(chēng)量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

稱(chēng)量引入的相對(duì)不確定度為：

ur(m) =u(m1)/m=2.887×10-4/0.826 2

=3.494×10-4

(15)

3.5 回收率因子引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

回收率是在樣品處理過(guò)程中產(chǎn)生的，主要由樣品均一性、溶液轉(zhuǎn)移、提取效率、制備過(guò)程復(fù)雜程度等因素引入[9]. 本試驗(yàn)采用添加甲醛-DNPH標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì),4次加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果分別為：98.86%、101.43%、102.21%、103.07%，平均加標(biāo)回收率為101.39%. 根據(jù)貝塞爾公式[10]計(jì)算加標(biāo)回收率引入的相對(duì)不確定度：

=0.824 8%

(16)

4 甲醛測(cè)定結(jié)果的不確定度報(bào)告

4.1 合成相對(duì)不確定度

4.2 擴(kuò)展不確定度

4.3 某毛氈材料中甲醛的測(cè)定結(jié)果

某毛氈材料中甲醛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(162.06±9.64) mg/kg.

5 結(jié)論

上述毛氈材料中甲醛測(cè)定相對(duì)不確定度各引入分量占比如圖1所示.

圖1 甲醛測(cè)定相對(duì)不確定度各分量占比Fig. 1 Determination of percentage of each component of relative uncertainty by formaldehyde

根據(jù)每個(gè)分量引起的不確定度計(jì)算結(jié)果，最終的不確定度主要由樣品重復(fù)測(cè)定過(guò)程和樣品溶液中甲醛-DNPH含量測(cè)定引入的不確定度引起，占比分別達(dá)25%和61%，對(duì)合成相對(duì)不確定度貢獻(xiàn)較大. 其他分量引起的不確定度與樣品處理過(guò)程產(chǎn)生的不確定度相比較小，其中樣品質(zhì)量稱(chēng)量引入的不確定度可忽略不計(jì).

重復(fù)試驗(yàn)引入的平均值不確定度主要來(lái)源于樣品溶液，平行樣樣品溶液的制備過(guò)程中每一步操作細(xì)節(jié)需保持一致. 通過(guò)重復(fù)試驗(yàn)的平均值不確定度分析，也可以反映出材料的材質(zhì)均勻性.

樣品溶液中甲醛-DNPH含量測(cè)定引入的不確定度主要包括標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度和標(biāo)準(zhǔn)曲線的不確定度，標(biāo)準(zhǔn)曲線的不確定度大小取決于標(biāo)準(zhǔn)溶液配置誤差的大小，在試驗(yàn)中可以需規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)子溶液配制的操作，提高標(biāo)準(zhǔn)曲線的線性，減小測(cè)量結(jié)果的不確定度，有利于提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性和一致性.

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