氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量的不確定度評(píng)定

張 吉，周吉峙，段路路

(1.上海大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院 上海 200444；2.上海化工研究院有限公司 上海 200062)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性事關(guān)實(shí)驗(yàn)室的核心競(jìng)爭力，也是實(shí)驗(yàn)室資質(zhì)認(rèn)證的關(guān)鍵。然而，由于真值的未知性和不確定性，而誤差又是客觀存在且不可避免，測(cè)量的不確定度也由此應(yīng)運(yùn)而生。測(cè)量的不確定度是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的重要指標(biāo)，是目前對(duì)于誤差分析的最新理解和闡述，它表示由于測(cè)量誤差的存在而對(duì)被測(cè)量值不能確定的程度。

由于經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，土壤、水體和空氣作為人類賴以生存的物質(zhì)基礎(chǔ)已經(jīng)受到不同程度的污染。特別是進(jìn)入現(xiàn)代社會(huì)后，原油的開采以及石油產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用，造成了土壤中大量的石油烴污染。目前，檢測(cè)土壤中石油烴含量的方法比較成熟，主要有重量法、紅外光度法、紫外分光光度法、熒光分光光度法和氣相色譜法，其中氣相色譜法可以同時(shí)對(duì)多個(gè)組分進(jìn)行定性定量分析，且能獲得樣品的特征色譜數(shù)據(jù)，目前在國內(nèi)外都有逐漸取代其他方法的趨勢(shì)[1]。因此，對(duì)氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量的不確定度評(píng)定顯得尤為必要。為此，根據(jù)《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》(JJF 1059.1—2012)[2]和《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》(CNAS-GL06)[3]并參照EPA Method 8015c(美國國家環(huán)保局方法 8015c)[4]，采用氣相色譜法對(duì)土壤中石油烴的含量進(jìn)行測(cè)定，并建立起針對(duì)氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量的較為完整的不確定度評(píng)價(jià)方案。

1 測(cè)定用儀器及測(cè)定步驟

1.1 主要儀器和試劑

主要儀器：7890A氣相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；AL204-1C分析天平，220 g/0.1 mg，e=1 mg，瑞士梅特勒公司；PPM48半自動(dòng)正壓固相萃取儀，美國J2Scientific公司；E-916快速溶劑萃取儀，瑞士步琦有限公司；平行蒸發(fā)儀，瑞士步琦有限公司；20～200 μL、100～1 000 μL、1～10 mL移液器，德國普蘭德公司。

主要試劑：二氯甲烷，色譜純，CNW；正己烷，色譜純，CNW；無水硫酸鈉，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；固相萃取柱子，CNWBOND Si SPE Cartridge 500 mg 6 mL；石油烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，o2si n-Alkane Solution，C7to C40，1 000 mg/L，1 mL。

1.2 儀器工作參數(shù)及環(huán)境條件

(1)工作參數(shù)

色譜柱：Agilent 19091 J-413，325 ℃，30 m×20 μm×0.25 μm，HP-5。

前置進(jìn)樣口：不分流進(jìn)樣；加熱器：300 ℃；壓力：46.223 kPa(6.704 1 psi)；總流量：19.5 mL/min；隔墊吹掃流量：3 mL/min；隔墊吹掃流量模式：標(biāo)準(zhǔn)；載氣節(jié)省打開：15 mL/min；開始等待時(shí)間：10 min；分流出口吹掃流量：15 mL/min，1 min。

前置FID，加熱器：320 ℃；H2流量：40 mL/min；空氣流量：400 mL/min；尾吹流量(N2)：28.5 mL/min；恒定柱流尾吹：30 mL/min；火焰：打開；電位計(jì)：打開。前部信號(hào)(FID)數(shù)據(jù)采集頻率/最小峰寬：20 Hz/0.01 min。

柱箱運(yùn)行過程：40 ℃保持5 min，升溫至60 ℃保持1 min，再從60 ℃升溫至320 ℃保持9 min，整個(gè)過程升溫速率均為15 ℃/min。

(2)環(huán)境條件

溫度：(20±5)℃；濕度：50%～70%。

1.3 測(cè)定步驟

參照EPA Method 8015c，稱取固體樣品20 g(實(shí)際稱樣量精確至0.000 1 g)，加入50 mL混合溶劑萃取液(V二氯甲烷∶V正己烷=1∶1)，放置于快速溶劑萃取儀中進(jìn)行萃取，加入過量無水硫酸鈉干燥，過濾，轉(zhuǎn)移至錐形瓶中；用半自動(dòng)正壓固相萃取儀進(jìn)行固相萃取，隨后用平行蒸發(fā)儀進(jìn)行濃縮，濃縮液用正己烷定容至1 mL，空白試樣進(jìn)行同樣的處理；樣品溶液采用氣相色譜儀進(jìn)行測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行空白試樣的測(cè)定，測(cè)定流程如圖1所示。氣相色譜儀會(huì)自動(dòng)將空白溶液中石油烴的含量進(jìn)行扣減，得到的測(cè)定結(jié)果即為樣品溶液中石油烴的實(shí)測(cè)含量。

圖1 土壤樣品中石油烴含量測(cè)定流程

2 測(cè)量模型及不確定度來源

2.1 測(cè)量模型的建立

測(cè)量模型如式(1)所示：

(1)

式中：W——樣品中被測(cè)石油烴的含量，mg/kg；

C——樣品溶液中被測(cè)石油烴的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度，mg/L；

V——樣品濃縮液的定容體積，mL；

f——樣品溶液的稀釋因子；

Q——?dú)庀嗌V儀定量校準(zhǔn)影響因子；

m——樣品稱樣量，g。

樣品溶液中被測(cè)石油烴的實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度按式(2)計(jì)算：

C=Ci-C0

(2)

式中：Ci——樣品溶液中被測(cè)石油烴的質(zhì)量濃度，mg/L；

C0——空白溶液中被測(cè)石油烴的質(zhì)量濃度，mg/L。

2.2 不確定度主要來源及分析

由測(cè)量模型可知，輸出量是各輸入量的乘積。因此，根據(jù)測(cè)量不確定度傳播律，樣品中被測(cè)元素含量的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可寫成各輸入量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的方和根值。則樣品中被測(cè)元素含量測(cè)定的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(W)為：

(3)

式中：ur(C)——樣品溶液中被測(cè)元素實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(V)——樣品溶液定容體積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(f)——樣品溶液稀釋因子的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(m)——樣品稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

ur(Q)——?dú)庀嗌V定量校準(zhǔn)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

測(cè)量不確定度主要來源于如下因素：

(1)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

包括配制標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的不確定度，溫度變化造成移液、定容體積變化的不確定度以及稀釋過程中引入的不確定度。

(2)樣品處理過程

包括選樣代表性、樣品本身的均勻性，分析天平稱量過程引入的不確定度，消解過程的回收率，溫度變化對(duì)定容體積及移液體積的影響。

(3)樣品測(cè)定過程的重復(fù)性

平行樣品測(cè)量過程中引入的不確定度包括分析天平稱量的重復(fù)性、移液體積及定容體積的重復(fù)性、萃取回收率的重復(fù)性等。

(4)最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線

被測(cè)元素的測(cè)定結(jié)果是用標(biāo)準(zhǔn)溶液通過最小二乘法擬合成標(biāo)準(zhǔn)曲線后獲得，故須考慮由標(biāo)準(zhǔn)曲線的非線性以及儀器的穩(wěn)定性等引入的不確定度。

綜上所述，參照EPA Method 8015c，采用氣相色譜法對(duì)土壤中石油烴含量進(jìn)行測(cè)定的不確定度因果關(guān)系如圖2所示。

圖2 氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量不確定度因果關(guān)系

3 不確定度的分量評(píng)定

3.1 樣品溶液中被測(cè)元素實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(C)

樣品溶液中被測(cè)元素實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(C)包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)本身不確定度、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程以及標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合時(shí)引入的不確定度。

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)本身不確定度對(duì)質(zhì)量濃度C測(cè)定的不確定度分量u1(C)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)附件資料，質(zhì)量濃度(1 000±50)mg/L，取均勻分布，則：

=0.000 6%

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程帶來對(duì)質(zhì)量濃度C測(cè)定的不確定度分量u2(C)

將石油烴的標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液(1 000 mg/L)分別稀釋配制得到1.25、5.00、12.50、25.00、50.00和100.00 mg/L 6個(gè)濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，即石油烴(C9～C16)10.00、40.00、100.00、200.00、400.00和800.00 mg/L 6個(gè)濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液和石油烴(C17～C40)30.00、120.00、300.00、600.00、1 200.00和2 400.00 mg/L 6個(gè)濃度點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

根據(jù)測(cè)定不確定度評(píng)定的相關(guān)規(guī)定[3]，標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋過程不確定度相對(duì)于用于擬合直線求實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度C時(shí)的不確定度完全可以忽略不計(jì)。采用最小二乘法擬合曲線程序的前提是假定橫坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值xi的不確定度遠(yuǎn)小于縱坐標(biāo)響應(yīng)值yi的不確定度，因此，通常實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度C的不確定度計(jì)算程序僅與儀器響應(yīng)的不確定度有關(guān)，而與校準(zhǔn)溶液不確定度無關(guān)，也不與從同一溶液中逐次稀釋產(chǎn)生必然的相關(guān)性。所以，u2(C)≈0，u2 r(C)≈0。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合時(shí)引入的不確定度分量u3(C)

試驗(yàn)采用7個(gè)濃度水平點(diǎn)(包括空白)的石油烴標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)溶液，用GC-FID法測(cè)定其發(fā)射強(qiáng)度，每一濃度水平測(cè)定3次，測(cè)定結(jié)果(表1)用最小二乘法擬合得到直線方程：石油烴C9～C16為y=23.194x-65.323，相關(guān)系數(shù)r2=0.998 1；石油烴C17～C40為y=17.732x+3 083.7，相關(guān)系數(shù)r2=0.995 7。則擬合直線方程的標(biāo)準(zhǔn)差u(y)可由式(4)得出：

(4)

式中：yi——xi的儀器響應(yīng)值；

yfi——xi對(duì)應(yīng)于擬合直線方程求算出的值。

針對(duì)實(shí)測(cè)質(zhì)量濃度C，由擬合直線引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(C)如式(5)所示：

(5)

表1 石油烴標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度與信號(hào)面積

式中：b——擬合直線的斜率；

p——試樣平行測(cè)試次數(shù)，p=10；

n——配制7個(gè)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度點(diǎn)，每個(gè)濃度點(diǎn)測(cè)試3次，共計(jì)21次，即n=21；

u(y)——工作曲線的標(biāo)準(zhǔn)偏差；

Cp——試驗(yàn)樣品測(cè)定值，mg/L。

則樣品測(cè)定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(C)=u3(C)/Cp。石油烴的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(C)及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3 r(C)如表2所示。

表2 石油烴的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3(C)及相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3r(C)

3.1.4 各種隨機(jī)因素導(dǎo)致的測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量u4(C)

在樣品快速溶劑萃取過程中存在許多隨機(jī)因素，包括加入試劑的量、萃取過程的回收率、容器附著的量、移液過程、容量瓶定容過程等，由此導(dǎo)致的樣品測(cè)定重復(fù)性引入的不確定度分量可以通過平行測(cè)試樣品用A類評(píng)定方法評(píng)定。在重復(fù)性條件下，對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行10次獨(dú)立測(cè)定，測(cè)定結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)樣品中石油烴含量重復(fù)測(cè)定結(jié)果 mg/kg

項(xiàng)目石油烴C9～C16石油烴C17～C40測(cè)定次數(shù)115.7432.59217.2734.40317.5334.75417.7735.19517.2734.13617.4034.37716.4833.02817.5034.71916.6733.661016.2633.14x16.9934.00

經(jīng)由Grubbs檢驗(yàn)[5-6]確認(rèn)所有10組數(shù)據(jù)均有效后，分別按式(6)計(jì)算算術(shù)平均值：

(6)

單次測(cè)量的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差按式(7)計(jì)算：

(7)

以10次測(cè)定濃度平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差作為重復(fù)性系數(shù)的不確定度，按式(8)計(jì)算：

(8)

3.1.5 計(jì)算樣品實(shí)測(cè)濃度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(C)

3.2 樣品濃縮液定容體積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(V)

定容過程中的不確定度包括由容量瓶準(zhǔn)確性引入的不確定度、由移液器準(zhǔn)確性引入的不確定度、讀數(shù)的重復(fù)性引入的不確定度以及溫度變化引入的不確定度組成，其中讀數(shù)的重復(fù)性引入的不確定度分量已包含在各種隨機(jī)因素造成的重復(fù)性引入的不確定度分量中。

3.2.1 容量瓶的允許誤差引入的體積不確定度分量u1(V)

根據(jù)《常用玻璃量器檢定規(guī)程》(JJG 196—2006)[7]，1 mL容量瓶在20 ℃時(shí)的容量允許差為±0.010 mL，取均勻分布，則由此引入的容量瓶體積不確定度分量為：

3.2.2 移液器的允許誤差引入的體積不確定度分量u2(V)

試驗(yàn)中所用移液器經(jīng)計(jì)量檢定合格，根據(jù)檢定證書，10 mL移液器給出的測(cè)量結(jié)果擴(kuò)展不確定度為U=0.004 mL(k=2)，由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.3 溫度變化引入的不確定度分量u3(V)

已知正己烷的膨脹系數(shù)α=1.36×10-3℃-1，玻璃器具出廠校準(zhǔn)溫度為20 ℃，試驗(yàn)使用溫度與校準(zhǔn)溫度變化范圍為±5 ℃，按正態(tài)分布計(jì)算，95%置信概率時(shí)k=1.96，所以標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.2.4 計(jì)算定容引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(V)

=0.008 1(mL)

其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.3 稀釋因子f引入的不確定度

對(duì)于樣品稀釋因子，已將其并入樣品濃縮液定容體積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，因此不再考慮其對(duì)于不確定度的影響，稀釋因子對(duì)于不確定度的貢獻(xiàn)率為0，即u(f)=0、ur(f)=0。

3.4 稱量過程引入的不確定度u(m)

稱量過程的不確定度主要來自天平的準(zhǔn)確性和稱量過程的重復(fù)性，其中稱量過程的重復(fù)性引入的不確定度分量已包含在各種隨機(jī)因素造成的樣品測(cè)量重復(fù)性中。

3.4.1 分析天平的準(zhǔn)確性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u1(m)

試驗(yàn)中所使用的分析天平最大允許誤差為0.1 mg，經(jīng)計(jì)量校準(zhǔn)合格，其校準(zhǔn)證書給出的擴(kuò)展不確定度為U=0.2 mg(k=2)，則：

3.4.2 天平的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u2(m)

分析天平的檢定證書給出的分辨力為0.1 mg，按均勻分布處理，由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.4.3 計(jì)算稱量過程引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(m)

=0.104(mg)

則由天平稱量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為：

3.5 氣相色譜儀校準(zhǔn)引入的不確定度

根據(jù)儀器的校準(zhǔn)證書，u(Q)=3%(k=2)，則：

4 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度

根據(jù)式(3)，石油烴C9～C16和石油烴C17～C40的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

石油烴C9～C16和石油烴C17～C40測(cè)定過程中各不確定度分量對(duì)合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(W)的貢獻(xiàn)如圖3所示。

圖3 石油烴C9～C16和石油烴C17～C40測(cè)定過程中各不確定度分量對(duì)合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ur(W)的貢獻(xiàn)

由圖3結(jié)合上述分析計(jì)算可見：對(duì)于石油烴的測(cè)定而言，不確定度的主要影響因素來源于樣品濃度測(cè)定中標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合和儀器本身的定量校準(zhǔn)；另外，定容過程對(duì)不確定度帶來的影響也不可忽略。

5 擴(kuò)展不確定度

根據(jù)JJF 1059.1—2012[2]的規(guī)定，測(cè)量不確定度最多取2位有效數(shù)字。在95%的置信區(qū)間，取包含因子k=2，石油烴C9～C16和石油烴C17～C40的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

Ur(C9～C16)=urC9～C16(W)×k

=2.38%×2=4.8%

Ur(C17～C40)=urC17～C40(W)×k

=3.42%×2=6.8%

6 結(jié)果與討論

通過建立氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量不確定度評(píng)價(jià)模型，從而保證對(duì)土壤中石油烴(C9～C16和C17～C40)含量測(cè)定結(jié)果的有效性和合理性，為氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴含量的質(zhì)量控制提供了有效、可靠的測(cè)量體系。

土壤中石油烴C9～C16的含量可表示為17.0×(1±4.8%)mg/kg，k=2；土壤中石油烴C17～C40含量可表示為34.0×(1±6.8%)mg/kg，k=2。

氣相色譜法測(cè)定土壤中石油烴的方法有效、可靠、合理、靈敏度高，可以應(yīng)用于對(duì)土壤中石油烴的定性和定量檢測(cè)。

結(jié)果表明，對(duì)于石油烴的氣相色譜測(cè)定而言，不確定度的主要影響因素來源于樣品濃度測(cè)定中標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合和儀器本身的定量校準(zhǔn)；另外，定容過程對(duì)不確定度帶來的影響也不可忽略。因此，增加標(biāo)準(zhǔn)曲線的濃度水平數(shù)以減少由擬合曲線帶來的影響，定期對(duì)氣相色譜儀進(jìn)行定量校準(zhǔn)和及時(shí)的階段性核查顯得十分必要；另外，加強(qiáng)對(duì)定容儀器的管理和提高實(shí)驗(yàn)室分析人員的定容操作能力，有助于減輕定容過程對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。