固相吸附–高效液相色譜法測(cè)定車內(nèi)空氣中醛酮的不確定度

尹桂林，周龍龍，劉成帥，侯勇，李秋誠，周保華

（青島海關(guān)技術(shù)中心，山東青島 266002）

近年來，汽車設(shè)計(jì)逐漸向輕量化發(fā)展，非金屬材料在汽車制造中得以廣泛應(yīng)用［1–3］。非金屬內(nèi)飾材料會(huì)散發(fā)出各種有害氣體和令人不適的異味，而汽車車廂一般密封性較好，車內(nèi)空氣的被動(dòng)換氣率相對(duì)較低，內(nèi)飾中散發(fā)出的氣體不易與車外新鮮空氣交換，導(dǎo)致車內(nèi)空氣中有害氣體濃度較高，空氣質(zhì)量較差［4–6］。車內(nèi)空氣中對(duì)人體健康影響較大、有致癌隱患的主要有苯系物和醛酮類有機(jī)物，其中醛酮類有機(jī)物以甲醛、乙醛和丙烯醛為代表［7–8］。醛酮類有機(jī)物對(duì)人體健康的影響主要表現(xiàn)在嗅覺損傷，呼吸道刺激，皮膚過敏，肺功能、肝功能和免疫功能異常等方面［9–10］，現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《乘用車內(nèi)空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指南》（GB／T 27630–2011）和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法》（HJ／T 400–2007）等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)車內(nèi)空氣中的醛酮含量和測(cè)定方法均有具體規(guī)定［11］。

測(cè)量不確定度簡(jiǎn)稱不確定度，是根據(jù)所采集的信息，表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)［12］。測(cè)量不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表述，測(cè)量結(jié)果的可用性在很大程度上取決于其不確定度的大小。ISO／IEC 17025–2017 要求，實(shí)驗(yàn)室應(yīng)評(píng)定測(cè)量不確定度。目前的文獻(xiàn)或僅針對(duì)某一種醛酮組分進(jìn)行不確定評(píng)價(jià)［13–14］，或未對(duì)整車中的醛酮組分進(jìn)行不確定度評(píng)價(jià)［15–16］。為了描述固相吸附–高效液相色譜法測(cè)定車內(nèi)空氣中醛酮類含量結(jié)果的分散程度，對(duì)測(cè)定值給出一個(gè)合理的較高置信水平存在的區(qū)間寬度（即擴(kuò)展不確定度），筆者對(duì)固相吸附–高效液相色譜法測(cè)定車內(nèi)醛酮類含量的不確定度進(jìn)行了評(píng)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 測(cè)定方法

HJ／T 400–2007 車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法。

1.2 方法原理

選擇填充涂漬DNPH（2，4-二硝基苯肼）硅膠的填充柱采樣管，采集一定體積的車內(nèi)空氣樣品，樣品中的醛酮組分保留在采樣管中。醛酮組分在強(qiáng)酸作為催化劑的條件下與涂漬于硅膠上的DNPH 反應(yīng)，生成有顏色的腙類衍生物。使用高效液相色譜儀二極管陣列檢測(cè)器檢測(cè)，以色譜峰保留時(shí)間定性，峰面積定量。

1.3 主要儀器與試劑

數(shù)顯恒流采樣泵：HL–2 型，北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所；

數(shù)字皂膜流量計(jì)：Defender 510 型，美國Mesa-Labs 公司；

計(jì)時(shí)器：PS–382 型，深圳市追日電子科技有限公司；

氣壓計(jì)：DYM3 型空盒氣壓表，青島路博恒業(yè)環(huán)?？萍加邢薰荆?/p>

DNPH 衍生小柱：青島拜爾維生物科技有限公司；

環(huán)境艙系統(tǒng)：SEWTH–A–2000US 型，上海愛斯佩克環(huán)境設(shè)備有限公司；

高效液相色譜儀：Agilent 1260 型，配ZORBAX SB–C18型色譜柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），美國安捷倫科技有限公司；

可調(diào)移液器：量程分別為0.5～5 mL，100～1 000 μL，10～100 μL，德國普蘭德公司；

容量瓶：5 mL，天津玻璃儀器廠；

甲醛–DNPH、乙醛–DNPH、丙烯醛–DNPH 衍生物標(biāo)準(zhǔn)溶液：質(zhì)量濃度均為1 000 μg／mL，介質(zhì)為乙腈，德國Dr.Ehrenstorfer 公司。

1.4 測(cè)定步驟

甲醛–DNPH、乙醛–DNPH 和丙烯醛–DNPH衍生物系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度均分別為0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0 μg／mL。配 制 過程：將0.5 mL 甲醛–DNPH、乙醛–DNPH 和丙烯醛–DNPH 衍生物標(biāo)準(zhǔn)溶液分別加入5 mL 容量瓶中，以乙腈定容，分別得到3 種衍生物質(zhì)量濃度均為100 μg／mL 的儲(chǔ)備液。用可調(diào)移液器從上述3種衍生物儲(chǔ)備液中各取50 μL 加至同一容量瓶中，用乙腈定容至5 mL，得到質(zhì)量濃度均為1 μg／mL的3 種衍生物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。用可調(diào)移液器分別取50，100，250，500，1 000，2 500 μL 上述3 種衍生物混合標(biāo)準(zhǔn)溶液，用乙腈定容至5 mL，得上述梯度濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

根據(jù)HJ／T 400–2007 《車內(nèi)揮發(fā)性有機(jī)物和醛酮類物質(zhì)采樣測(cè)定方法》，設(shè)置環(huán)境艙溫度為25.0℃，相對(duì)濕度為50%，環(huán)境氣流速度不大于0.3 m／s。選定某型號(hào)的乘用越野車，嚴(yán)格經(jīng)過準(zhǔn)備和封閉階段后，以400 mL／min 的采樣流量，在101.325 kPa 的壓力下，設(shè)定取樣時(shí)間為30 min，平行采集6 個(gè)空氣樣品，用乙腈反向洗脫后，定容至5 mL，并利用高效液相色譜法進(jìn)行定量分析。

2 數(shù)學(xué)模型

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下氣體的質(zhì)量濃度按式(1)計(jì)算：

式中：ρN——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下樣品的質(zhì)量濃度，mg／m3；

mF——采樣管采集的醛酮組分的質(zhì)量，mg；

mB——空白管中醛酮組分的質(zhì)量，mg；

V——采樣體積，L；

P0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的大氣壓力，101.325 kPa；

P——采樣的大氣壓力，kPa；

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，273.15 K；

T——采樣現(xiàn)場(chǎng)的熱力學(xué)溫度，K。

3 不確定度來源

3.1 采樣過程引入的不確定度

采樣體積等于采樣流量與時(shí)間的乘積，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=nRT，采樣過程引入的不確定度主要來源于采樣體積、采樣溫度、大氣壓力等因素，具體涉及大氣采樣泵、流量計(jì)、計(jì)時(shí)工具、環(huán)境艙溫控系統(tǒng)和氣壓表等設(shè)備。

3.2 測(cè)試過程引入的不確定度

采取色譜峰面積外標(biāo)法進(jìn)行定量，因此分析測(cè)試過程引入的不確定度主要包括樣品溶液定容、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合、測(cè)量重復(fù)性等因素，具體涉及標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、容量瓶、可調(diào)移液器和高效液相色譜儀等設(shè)備。

4 不確定度計(jì)算

4.1 采樣過程引入的不確定度

4.1.1 大氣采樣泵

根據(jù)校準(zhǔn)證書，HL–2 型數(shù)顯恒流采樣泵的采樣擴(kuò)展不確定度(Up)為2.5%，服從正態(tài)分布，置信度95%時(shí)，包含因子（k）為2，因此大氣采樣泵引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：up，rel=Up／k=1.25%。

4.1.2 皂膜流量計(jì)

根據(jù)校準(zhǔn)證書，MesaLabs Defender 510 型數(shù)字皂膜流量計(jì)的流量擴(kuò)展不確定度（Uf）為1.0%，服從正態(tài)分布，置信度95%時(shí)，k=2，因此皂膜流量計(jì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uf，rel=Uf／k=0.5%。

4.1.3 計(jì)時(shí)工具

根據(jù)校準(zhǔn)證書，PS–382 型計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)擴(kuò)展不確定度(Ut)為0.8%，服從正態(tài)分布，置信度95%時(shí)，k=2，因此計(jì)時(shí)器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：ut，rel=Ut／k=0.4%。

4.1.4 環(huán)境艙溫控系統(tǒng)

根據(jù)技術(shù)偏離表，愛斯佩克SEWTH–A–2000-US 型環(huán)境艙系統(tǒng)，溫度最大允許誤差為±0.1℃，服從均勻分布，包含因子k= 3，現(xiàn)場(chǎng)溫度為25.0℃，因此采樣溫控系統(tǒng)控制溫度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：uT，rel=0.1／［k(273.15+25.0)］=0.019%。

4.1.5 氣壓計(jì)

根據(jù)計(jì)量證書，DYM3 型空盒氣壓計(jì)擴(kuò)展不確定度(Ub)為0.06 kPa，服從正態(tài)分布，置信度95%時(shí)，k=2，因此氣壓計(jì)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：ub，rel=Ub／(101.325×2)=0.000 3%。

綜上，測(cè)定甲醛、乙醛和丙烯醛時(shí)，空氣采樣過程引入的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度均為：

4.2 測(cè)定過程中引入的不確定度

4.2.1 樣品溶液定容

用乙腈反向洗脫吸附樣品的DNPH 衍生小柱，定容至5 mL 容量瓶中，此過程的不確定度來源包括容量瓶校準(zhǔn)、定容重復(fù)性和溫度變化3 個(gè)方面。

容量瓶校準(zhǔn)：A 級(jí)5 mL 容量瓶在20℃時(shí)的容量誤差為±0.01 mL，區(qū)間半寬度為0.4 mL，服從三角分布［17］，k= 6，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u1(V)=0.01／k= 0.004 1 mL。

定容重復(fù)性：用乙腈對(duì)容量瓶定容10 次，稱其質(zhì)量，采用貝塞爾法［18］計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.03 mL，即容量瓶定容的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u2(V)=0.03 mL。

溫度變化：根據(jù)容量瓶檢定規(guī)程JJG 196–2006，檢定是在室溫20℃環(huán)境下進(jìn)行的，實(shí)驗(yàn)時(shí)定容在(20±5)℃下進(jìn)行，因?yàn)橐后w的體積膨脹系數(shù)遠(yuǎn)大于玻璃，因此只需考慮前者即可。乙腈的體積膨脹系數(shù)為1.37×10–3℃–1，溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u3(V)=5 mL×5 ℃×1.37×10–3℃–1=0.034 25 mL。

將以上3 個(gè)不確定度分量合成，得5 mL 容量瓶定容體積的標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV：

4.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

（1）標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值的不確定度。標(biāo)準(zhǔn)溶液配制涉及3 種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，即甲醛–DNPH、乙醛–DNPH、丙烯醛–DNPH，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書，3 種標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度均為1 000 μg／mL，擴(kuò)展不確定度Us1均為2.0%，服從正態(tài)分布，置信度95%時(shí)，k=2，因此標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u1，rel(S)=U(S)／k=1.0%。

（2）可調(diào)移液器移取體積的不確定度。按1.4步驟配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，所用可調(diào)移液器有0.5～5 mL，100～1 000 μL 和10～100 μL 3 種規(guī)格，根據(jù)檢定證書，其容量最大允許誤差分別為0.5%，1.0%和2.0%，按照均勻分布處理，k= 3，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為：0.5%／k=0.288 7%，1.0%／k=0.577 4% 和2.0%／k= 1.155%，因此可調(diào)移液器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

（3）容量瓶容量的不確定度。根據(jù)4.2.1，容量瓶的容量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u3，rel(S)=0.91%。

綜上，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，甲醛、乙醛和丙烯醛均為：

4.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合

分別測(cè)定1.4 配制的7 個(gè)濃度梯度的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的色譜峰面積各2 次，取平均值，以標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度為自變量，對(duì)應(yīng)的色譜峰面積平均值為因變量，采用最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線。3 種醛酮–DNPH 衍生物系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的濃度及對(duì)應(yīng)色譜峰面積測(cè)定值列于表1，標(biāo)準(zhǔn)曲線及其相關(guān)系數(shù)列于表2。利用液相色譜法對(duì)車內(nèi)空氣樣品進(jìn)行2次平行測(cè)定，利用標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算樣品中醛酮類組分的含量，所得結(jié)果列于表3。

表1 醛酮類系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液色譜峰面積測(cè)定結(jié)果

表2 醛酮–DNPH 衍生物標(biāo)準(zhǔn)溶液標(biāo)準(zhǔn)曲線

表3 樣品中醛酮類組分測(cè)定結(jié)果 μg／mL

根據(jù)1.4 測(cè)定步驟，最后以5 mL 乙腈定容，計(jì)算得甲醛–DNPH 與甲醛的相對(duì)分子質(zhì)量之比約為7，車內(nèi)空氣采樣體積為12 L，將樣品中甲醛–DNPH的測(cè)定值轉(zhuǎn)化為車內(nèi)空氣樣品中甲醛的濃度值：

根據(jù)式(2)、式(3)及表1、表2 中的數(shù)據(jù)，計(jì)算到醛酮類物質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的不確定度，進(jìn)而通過公式urel(L)=u(L)／cs計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度［19］。甲醛–DNPH，乙醛–DNPH，丙烯醛–DNPH 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(L)分別為0.0069，0.032，0.033。

4.2.4 測(cè)量重復(fù)性

對(duì)同一樣品按照相同步驟進(jìn)行6 次平行測(cè)定，按式(4)計(jì)算重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度［19］：

表4 樣品中醛酮類組分色譜峰面積及其不確定度

綜上，測(cè)試過程中引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

5 合成相對(duì)不確定度

采樣過程引入的不確定度和分析測(cè)試過程引入的不確定度是相互獨(dú)立的，使用相對(duì)不確定度合成的方法，按照式(6)合成醛酮類物質(zhì)含量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

將數(shù)據(jù)代入式(6)，得樣品中甲醛、乙醛、丙烯醛含量測(cè)定的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.026，0.040，0.041；合成標(biāo)準(zhǔn)不確 定度uc為uc,rel與實(shí)際樣品中甲醛、乙醛和丙烯醛濃度的乘積，分別為0.000 63，0.000 38，0.000 49 mg／m3。

6 擴(kuò)展不確定度U

測(cè)定結(jié)果不確定度服從正態(tài)分布，當(dāng)置信概率為95%時(shí)，k=2，則醛酮類物質(zhì)的擴(kuò)展不確定度：U=kuc，據(jù)此計(jì)算得樣品中甲醛、乙醛、丙烯醛含量的擴(kuò)展不確定度分布為0.001 3，0.000 76，0.000 98 mg／m3。

7 結(jié)語

根據(jù)各相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，計(jì)算得汽車車內(nèi)空氣中醛酮類物質(zhì)測(cè)定的擴(kuò)展不確定度分別為：甲醛0.001 3 mg／m3、乙醛0.000 76 mg／m3、丙烯醛0.000 98 mg／m3。醛酮類物質(zhì)的不確定度主要來源于采樣和分析兩個(gè)方面，其中采樣過程引入的不確定度大于分析過程。采樣過程最大不確定度分量來源于皂膜流量計(jì)的采樣體積，分析過程最大不確定度分量來源于標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制，因此，在進(jìn)行汽車車內(nèi)空氣質(zhì)量檢測(cè)中應(yīng)著重對(duì)這兩個(gè)分量進(jìn)行控制。