離子色譜儀檢定及整機(jī)性能不確定度評定

王樹加，黎佩珊，陳曉麗，陳佩麗，蘇秋成

（1.中國科學(xué)院廣州能源研究所，廣州 510640； 2.廣州特種承壓設(shè)備檢測研究院，廣州 510100)

離子色譜是高效液相色譜的一種，主要應(yīng)用于陰陽離子的分析檢測，可以同時(shí)測定多種離子［1］，利用待測組分的保留時(shí)間進(jìn)行定性［2］，以色譜峰高或峰面積進(jìn)行樣品的定量［3］。檢測器是離子色譜儀的重要組成部分，比較常見的有電導(dǎo)檢測器、安培檢測器以及光學(xué)檢測器。電導(dǎo)檢測器主要用于檢測電離度較高的陰、陽離子（pKa或pKb＜7）和部分極性有機(jī)酸［4］；安培檢測器主要用于檢測糖類有機(jī)化合物以及部分酚類物質(zhì)；光學(xué)檢測器主要用于檢測離子型的過渡金屬元素、鑭系元素及有機(jī)酸等有機(jī)化合物［5-6］。由于使用頻率較高，離子色譜儀在使用一段時(shí)間后，因受一些客觀因素比如操作方法、維護(hù)過程、環(huán)境條件和樣品、試劑污染等的影 響［7］，不能持續(xù)穩(wěn)定的保持在儀器校準(zhǔn)或檢定時(shí)的狀態(tài)測定數(shù)據(jù)。因此有必要定時(shí)對儀器進(jìn)行核查，可以預(yù)防和發(fā)現(xiàn)不合格的因素［8］，保證測試結(jié)果持續(xù)準(zhǔn)確可靠。

離子色譜儀是陰離子常用的測定儀器［9］，JJG 823-2014 沒有直接對儀器進(jìn)行檢定的方法實(shí)例［10］，而以往的一些研究報(bào)告忽略了對離子色譜泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性的研究［11-13］。筆者以電導(dǎo)檢測器離子色譜儀為例，對離子色譜儀進(jìn)行較為全面系統(tǒng)的檢定分析。同時(shí)對儀器整機(jī)性能檢定定性、定量重復(fù)性的不確定度來源進(jìn)行分析。以5 μg／mL氯離子為檢測離子，依據(jù)JJF 1059.1-2012 對整機(jī)性能不確定度進(jìn)行評定［14］。分析了檢定過程中的整機(jī)性能誤差主要來源，提出將分析誤差降低至最小的方法。同時(shí)為配置紫外檢測器或電化學(xué)檢測器的離子色譜儀器的檢定方法提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

離子色譜儀：883 型，配有抑制器、電導(dǎo)檢測器，瑞士萬通中國有限公司。

電子分析天平：BSA224S-CW 型，感量為0.1 mg，德國賽多利斯集團(tuán)。

超純水制備儀：Milli-Q Synergy 型，美國密理博公司。

氯離子標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 mg／L，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。碳酸鈉、碳酸氫鈉：分析純，純度大于99.5%。實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 色譜條件

色譜柱：Metrosep A Supp4-250／4.0 型柱（250 mm×4.0 mm，瑞士萬通中國有限公司）；保護(hù)住：Metrosep Carb 2 Guard 型柱（5 mm×4.0 mm，瑞士萬通中國有限公司）；流動(dòng)相：1.8 mmol／L Na2CO3-1.7 mmol／L NaHCO3混合液，流量為0.8 mL／min；抑制電導(dǎo)檢測器；進(jìn)樣體積：20 μL。

2 檢定方法及實(shí)例

2.1 泵流量設(shè)定值誤差SS 和穩(wěn)定性誤差SR

以去離子水為流動(dòng)相，將流動(dòng)相的流量分別設(shè)置為0.5、0.8、1.2 mL／min。啟動(dòng)儀器，等壓力穩(wěn)定后，用干凈的離心管在流動(dòng)相經(jīng)過泵但不經(jīng)過柱子的排出口收集流動(dòng)相，同時(shí)用秒表進(jìn)行記時(shí)，分別準(zhǔn)確收集20 min（流量為0.5 mL／min）、10 min(流速量為0.8 mL／min)、5 min(流量為1.2 mL／min)流出的流動(dòng)相，用分析天平稱其質(zhì)量，重復(fù)測量3 次，按式(1)～式(3)計(jì)算SS和SR：

表1 泵流量設(shè)定值誤差SS 和穩(wěn)定性誤差SR 數(shù)據(jù)測量結(jié)果

2.2 基線噪聲和基線漂移

儀器開機(jī)預(yù)熱，穩(wěn)定后記錄30 min 基線。30 min 基線中最大峰高對應(yīng)的信號(hào)值為基線噪聲HN，30 min 內(nèi)基線最高點(diǎn)與起始線最低點(diǎn)的最大垂直距離為基線漂移H1。由于檢測器不能實(shí)時(shí)顯示電導(dǎo)值，則以0.5 μg／mL 的Cl-的標(biāo)準(zhǔn)溶液峰高H為滿刻度，將上述記錄的基線噪聲和基線漂移值除以該滿刻度即為儀器噪聲H3和基線漂移H4。計(jì)算公式見式(4)、式(5)：

由儀器測定結(jié)果得HN=0.002 μs／cm，H1=0.01 μs／cm，H=0.136 μs／cm。將測量數(shù)據(jù)代入上式，計(jì)算得儀器的基線噪聲、基線漂移分別為0.014 7、0.073 5 μs／cm。

2.3 最小檢測濃度

在1.2 色譜條件下，通過定量環(huán)注入20 μL 0.5 μg／mL 的Cl-的標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄色譜圖，由色譜峰高和基線噪聲按式(6)計(jì)算最小檢測濃度cmin：

H——標(biāo)準(zhǔn)溶液的色譜峰高，μs／cm。

將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(6)，得cmin=0.014 7μg／mL。

2.4 線性范圍、相關(guān)系數(shù)

用去離子水分別將Cl-離子標(biāo)準(zhǔn)貯存液稀釋成質(zhì)量濃度分別為1、2、5、10、20、50 mg／L 的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，每個(gè)濃度點(diǎn)重復(fù)測量3 次，取平均值，以色譜峰面積和標(biāo)準(zhǔn)濃度點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，同時(shí)以3 倍空白溶液測定值的標(biāo)準(zhǔn)偏差為檢出限，計(jì)算和線性方程、相關(guān)系數(shù)與檢出限結(jié)果列于表2。由表2可知，Cl-離子的質(zhì)量濃度與其色譜峰面積呈良好的線性關(guān)系。

表2 氯離子的線性范圍、線性方程、相關(guān)系數(shù)及檢出限

2.5 整機(jī)性能保留時(shí)間重復(fù)性和定量重復(fù)性

在1.2 色譜條件下，利用定量環(huán)注入20 μL 的 5 μg／mL 的Cl-的標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄色譜圖。重復(fù)測定6 次，記錄色譜保留時(shí)間、峰面積，計(jì)算氯離子的檢出濃度及保留時(shí)間、峰面積、氯離子濃度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果列于表3。

表3 氯離子的保留時(shí)間及定量重復(fù)性的測定結(jié)果

3 檢定性能指標(biāo)

將儀器檢定的各個(gè)性能指標(biāo)和離子色譜檢定規(guī)程規(guī)定值進(jìn)行比較確認(rèn)，相關(guān)結(jié)果見表4。由表4可知，各項(xiàng)指標(biāo)性能均滿足要求，評定結(jié)果為合格。

表4 儀器檢定各性能指標(biāo)評定結(jié)果

4 整機(jī)性能不確定度的評定

整機(jī)性能是評定儀器穩(wěn)定性、測量精密度的重要指標(biāo)，采用5 μg／mL 的Cl-的標(biāo)準(zhǔn)溶液為待測溶液，對整機(jī)性能進(jìn)行不確定度評定。

4.1 數(shù)學(xué)模型

用5 μg／mL 的Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液對儀器的整機(jī)性能進(jìn)行評定，先使用2.4 中的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液，以外標(biāo)法建立標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，再用5 μg／mL 的Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液為質(zhì)控樣品，進(jìn)行6 次樣品測量驗(yàn)證，同時(shí)分析此過程產(chǎn)生的不確定度。數(shù)學(xué)模型為：

式中：W(Cl)——待測氯離子的質(zhì)量濃度，μg／mL；

c(X)——從標(biāo)準(zhǔn)曲線上測得的氯離子的濃度， μg／mL。

4.2 不確定度的來源

整機(jī)性能的不確定度來源主要包括：配制系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液所用移液器和容量瓶引入的不確定度；樣品配制引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合引入的不確定度；隨機(jī)效應(yīng)引入的不確定度；重復(fù)測量引入的不確定度等。

4.3 A 類不確定度的評定

根據(jù)JJF 1059.1-2012，在重復(fù)性測量條件下獲得的量值用統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行的不確定度分量作為A 類不確定度進(jìn)行評定。重復(fù)測量5 μg／mL 的Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度為A 類不確定度。

重復(fù)測量5 μg／mL 的Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(A)，用5 μg／mL 的Cl-標(biāo)準(zhǔn)溶液6 次重復(fù)測量平均值的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差計(jì)算：

4.4 B 類不確定度的評定

期間核查產(chǎn)生的B 類不確定度主要包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度引入的不確定度、待測樣品的稀釋制備引入的不確定度、測量過程中隨機(jī)效應(yīng)引入的不確定度、系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液擬合標(biāo)準(zhǔn)工作曲線引入的不確定度。

4.4.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1，rel

由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供的氯離子標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度為1 000 mg／L，標(biāo)準(zhǔn)溶液證書提供的不確定度為0.7%，按照正態(tài)分布，k=2，其相對不確定度：u1,rel=0.7／k=0.35%。

4.4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定 度u2，rel

使用A 級100 mL 的容量瓶以及100～500 μL和1 000～5 000 μL 的移液器，將1 000 mg／L 標(biāo)準(zhǔn)溶液分別稀釋成1、2、5、10、20、50 mg／L 的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。根據(jù)各濃度點(diǎn)所需要移液器移取的體積及校準(zhǔn)證書提供的擴(kuò)展不確定度U（k=2）可計(jì)算各濃度點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ui及其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度ui,rel，相關(guān)數(shù)據(jù)列于表5。

表5 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程引入的不確定度

100 mL 容量瓶的允差為0.02，標(biāo)準(zhǔn)不確定度按三角分布計(jì)算，k= 6，則100 mL 容量瓶標(biāo)準(zhǔn)不確定度uV=0.02／k=0.008，100 mL 容量瓶相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uV,rel=0.008／100=0.01%。

由于檢定環(huán)境的溫度與配制溶液過程中液體的溫度一致，故溫度引起的不確定度忽略不計(jì)。

由表5 數(shù)據(jù)及uV,rel合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度，得u2，rel=0.31%。

4.4.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3，rel

系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中氯離子的質(zhì)量濃度及相應(yīng)的色譜峰面積列于表6。

表6 氯離子標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度與相應(yīng)的色譜峰面積

利用表6 中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸，擬合所得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線線性方程為Y=0.171 1X-0.118 9，相關(guān)系數(shù)r=0.999，工作曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照文獻(xiàn)［14］規(guī)定計(jì)算，得s=0.062 42，標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3=0.172 μg／mL，則相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度u3，rel=0.17 2／4.94=3.5%。

4.4.4 測試過程中隨機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的不確定度u4，rel

由表3 可知，氯離子濃度5 μg／mL 測試過程中隨機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u4按式(7)、式(8)計(jì)算：

計(jì)算得u4=0.025，u4，rel=u4／4.94=0.51%。

4.4.5 測定結(jié)果的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

各相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量列于表7。

表7 相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

5 結(jié)語

計(jì)算可知，影響離子色譜檢定測量不確定度的主要因素為標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合造成的不確定度，其次是測試過程中的隨機(jī)效應(yīng)產(chǎn)生的不確定度。因此在儀器的核查校準(zhǔn)過程中，儀器要預(yù)熱穩(wěn)定，應(yīng)盡量使用允許誤差小的玻璃容器定容。測試標(biāo)準(zhǔn)樣品及評價(jià)儀器的整機(jī)性能時(shí)，盡量增加標(biāo)準(zhǔn)工作曲線濃度點(diǎn)的測量次數(shù)，盡量使用待測溶液的濃度位于標(biāo)準(zhǔn)工作曲線的中間。配制系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液時(shí)嚴(yán)格按照規(guī)定方法步驟，盡量減少人為誤差，提高儀器的測量檢測結(jié)果準(zhǔn)確性。