氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀校準質(zhì)量準確性用異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)研制及不確定度評定

劉淑華，王冰玥，王駿，吳紅，趙海波

（北京市計量檢測科學研究院，北京 100029）

氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用（GC–MS）儀既充分利用氣相色譜的分離能力，又發(fā)揮質(zhì)譜定性的特長，相互補充，結合譜庫，廣泛用于復雜組分的分離和鑒定。GC–MS法具有高效快速定性、定量的特點，因此在農(nóng)殘檢測、石油化工、食品安全、材料分析等領域得到廣泛應用［1–3］。為了保證分析結果具有準確可靠性、統(tǒng)一性和溯源性［4–6］，氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀必須按照國家校準規(guī)范JJF 1164—2018［7］進行計量校準，儀器的各項性能指標均應滿足校準規(guī)范的要求。異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)用于氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀的質(zhì)量準確性考察，通過對物質(zhì)硬脂酸甲酯的進行譜庫搜索，對比硬脂酸甲酯主要離子質(zhì)量數(shù)的實測值與理論值的偏差來判斷氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀定性分析的能力。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜儀：TRACE1300型，配FID檢測器，美國賽默飛世爾科技有限公司。

氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀：TRACE1300／ISQ LT型，美國賽默飛世爾科技有限公司。

色譜柱：TG–5MS型，30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國賽默飛世爾科技有限公司。

傅立葉變換紅外光譜儀：Frontier型，珀金埃爾默儀器（上海）有限公司。

液相色譜儀：UltiMate3000型，配DAD檢測器，美國賽默飛世爾科技有限公司。

卡爾費休水分儀：852型，瑞士萬通（中國）有限公司。

電子天平：XPE205，感量值為0.01 mg，瑞士梅特勒–托利多公司。

電感耦合等離子質(zhì)譜儀：NexIONTM350X型，珀金埃爾默儀器（上海）有限公司。

容量瓶：100 mL、1000 mL，A 級，經(jīng)檢定合格后使用。

刻度吸量管：1 mL、10 mL，A 級，經(jīng)檢定合格后使用。

甲醇：HPLC級，德國默克公司。

硬脂酸甲酯純度標準品：編號為DRE–C15710180，Lot Number為G173792，證書純度（質(zhì)量分數(shù)）標準值為97.97%（g／g），Urel=0.30%（k=2），德國Dr. Ehrenstorfer公司。

溶劑異辛烷：色譜純，德國默克公司。

超純水：符合GB／T 6682–2008規(guī)定的一級實驗用水。

1.2 溶液標準物質(zhì)制備

在(20±3)℃的實驗環(huán)境下，準確稱取102.46 mg硬脂酸甲酯標準品于100 mL的潔凈容量瓶中，用異辛烷稀釋、定容至標線，充分搖勻后作為儲備液，該儲備液的質(zhì)量濃度為1 003.8 mg／L。在(20±3)℃的實驗溫度下，用移液管準確移取異辛烷中硬脂酸甲酯儲備液10 mL于1 000 mL潔凈容量瓶中，用異辛烷稀釋、定容至標線，充分搖勻，放置48 h 后熔封于2 mL安瓿瓶中，封裝量為1 mL，共分裝500個單元，于4 ℃低溫保存。對分裝好的標準溶液進行均勻性、穩(wěn)定性檢驗［8–9］。

2 純品定性分析

2.1 氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用（GC–MS）法

采用氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用法對硬脂酸甲酯純度標準品進行定性分析［3］。

儀器工作條件：溫度250 ℃，不分流進樣，吹掃流量為5.0 mL／min，柱流量為1.0 mL／min，進樣體積為1 μL；程序升溫：初始溫度為150 ℃，保持1 min，以10 ℃／min的速率升溫至250 ℃，保持5 min；質(zhì)譜條件：離子源溫度為280 ℃，傳輸線溫度為250 ℃，采用全掃描模式，掃描范圍為50～310 Da，溶劑延遲時間為3 min。

以上述條件進行測試，得到硬脂酸甲酯純度標準品實際質(zhì)譜圖，與NIST標準譜圖庫中對應圖譜進行比對，結果表明實際質(zhì)譜圖與NIST質(zhì)譜庫的標準圖譜相似度為90.6%。

2.2 紅外光譜法

采用紅外光譜法對硬脂酸甲酯純度標準品進行定性分析。

儀器工作參數(shù)：紅外光譜掃描范圍為400～4 000 cm–1，樣品掃描8次，背景掃描8次，分辨率為4.0 cm–1。

以上述條件進行測試，得到硬脂酸甲酯純度標準品的紅外吸收光譜圖，與標準譜庫中的譜圖進行比對。光譜圖中出現(xiàn)的1 739.55 cm–1是羰基（C=O）伸縮振動譜帶，2 952.48、2 915.99、2 847.94、2 870.09 cm–1是甲基中的C—H伸縮振動譜帶，1 462.71、1 380.99 cm–1是甲基中的C—H彎曲振動譜帶，與硬脂酸甲酯的標準譜圖基本一致。

3 硬脂酸甲酯純度標準品純度核驗

3.1 純度定值

質(zhì)量平衡法又稱雜質(zhì)扣除法，是目前普遍采用的經(jīng)典有機純物質(zhì)定值技術［10］。實驗采用氣相色譜法（FID檢測器）面積歸一化法對硬脂酸甲酯純度標準品主成分含量進行測定，分別采用卡爾·費休方法對水分進行測定，頂空進樣–氣相色譜法（FID檢測器）對揮發(fā)性溶劑殘留進行測定，電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP–MS）法對無機元素雜質(zhì)含量進行測定。根據(jù)質(zhì)量平衡法按照式(1)計算其定值結果：

式中：P——主成分質(zhì)量分數(shù)，%；

Pw——水分質(zhì)量分數(shù)，%；

Pi——無機元素雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)，%；

Pv——揮發(fā)性溶劑殘留質(zhì)量分數(shù)，%；

Pgc——氣相色譜法面積歸一化法測得的主成分質(zhì)量分數(shù)，%。

3.1.1 硬脂酸甲酯質(zhì)量分數(shù)測定

主成分含量（Pgc）采用氣相色譜法（FID檢測器）面積歸一化法進行核驗。在使用面積歸一化法定量時，要求樣品中存在的所有組分都能夠被檢測到，所以應使用通用型檢測器分析［1］。為了保證所有的有機雜質(zhì)均出峰，依據(jù)《氣相色譜–質(zhì)譜聯(lián)用儀校準規(guī)范》選用TG–5MS型色譜柱，并對GC–FID法所需要的測試條件進行逐一優(yōu)化，主要包括進樣口溫度、程序升溫法的優(yōu)化等條件，最終確定硬脂酸甲酯的檢測條件：FID檢測器溫度為280 ℃，進樣口為250 ℃；設置升溫程序，初始溫度為60 ℃，保持2 min，以10 ℃／min的速率升至260 ℃，保持5 min，然后再以10 ℃／min的速率升至280 ℃，保持6 min。硬脂酸甲酯純度標準品色譜圖見圖1。

圖1 硬脂酸甲酯色譜圖

取11份質(zhì)量濃度約為1 003.8 ng／μL的異辛烷中硬脂酸甲酯溶液，在以上檢測條件下每份重復測量3次，取11個樣品測量結果的平均值，純度測定結果見表1。由表1可知，硬脂酸甲酯純度標準樣品含量的色譜面積歸一化法測定結果為98.17%，相對標準偏差為0.03%。

表1 硬脂酸甲酯色譜面積歸一化含量測定結果 %

3.1.2 水分測定

卡爾·費休庫倫滴定法是經(jīng)典的水分測量法［10］。對水分雜質(zhì)的測量，特別是痕量水分雜質(zhì)，在操作中應盡量減少樣品與外界環(huán)境的接觸時間，減少環(huán)境濕度對樣品水分的影響。對固體樣品，采用卡爾·費休法水分測定［11］。從樣品瓶中不同位置隨機抽取11份樣品，每份樣品約10 mg，每份樣品在相同的環(huán)境及條件下重復測定3次，取平均值，結果列于表2。由表2可知，硬脂酸甲酯純度標準品原料中水分質(zhì)量分數(shù)Pw最大為0.060 5%，水分含量以0.061%計。

表2 硬脂酸甲酯純品原料中水分質(zhì)量分數(shù)(n=3) %

3.1.3 無機元素雜質(zhì)測定

采用ICP–MS法對有機高純物質(zhì)中痕量的無機元素雜質(zhì)進行半定量分析，基于DZ／T 0223—2001《電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP–MS）分析方法通則》測定66種元素含量［12–13］，本研究選用質(zhì)量濃度為10 g／L的樣品，測定結果列于表3。由表3可知，硬脂酸甲酯中66種元素含量中無機元素雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為0.001 01%，總質(zhì)量分數(shù)以0.002%計。

表3 硬脂酸甲酯中無機元素測定結果 %

3.1.4 揮發(fā)性溶劑殘留測定

據(jù)文獻報道，傳統(tǒng)合成硬脂酸甲酯的方法是以濃硫酸作催化劑，將硬脂酸與甲醇直接酯化［14］?？赡苡玫降娜軇榧状?，因此對硬脂酸甲酯的溶劑殘留測定主要考慮甲醇的殘留。甲醇溶劑低沸點，極易揮發(fā)，基本上不會在產(chǎn)品中殘留，為進一步驗證此結論，采用頂空氣相色譜法對硬脂酸甲酯純度標準品中的揮發(fā)性溶劑殘留量進行測試，結果顯示硬脂酸甲酯純度標準品中未見雜質(zhì)峰出現(xiàn)，則Pv以0計。

3.1.5 質(zhì)量平衡法定值結果

硬脂酸甲酯主成分純度Pgc為98.17%，水分質(zhì)量分數(shù)Pw為0.061%，揮發(fā)性溶劑殘留Pv未檢出，無機元素雜質(zhì)Pi為0.002%，代入式(1)，計算得硬脂酸甲酯純度P=98.11%。該結果在硬脂酸甲酯純度標準品證書給定值及不確定度的范圍之內(nèi)，因此可使用證書中給定值（P=97.97%，Urel=0.3%，k=2）作為硬脂酸甲酯純度標準值。

3.2 溶劑異辛烷純度測定

異辛烷作為異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)配制所需的溶劑，其純度須得到保證。采用氣相色譜法（FID檢測器）對異辛烷進行純度驗證，并檢測是否含有硬脂酸甲酯雜質(zhì)?？疾烊軇┊愋镣樯V圖（圖2）和硬脂酸甲酯–異辛烷溶液色譜圖疊加圖（圖3）可發(fā)現(xiàn)，異辛烷中不含硬脂酸甲酯，且異辛烷中的其它雜質(zhì)并不與硬脂酸甲酯中的雜質(zhì)重合，因此不影響硬脂酸甲酯的定量分析及純度測定，符合實驗要求。

圖2 異辛烷色譜圖

圖3 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液色譜圖

4 均勻性檢驗

標準物質(zhì)的均勻性是衡量標準物質(zhì)性能的一個重要指標，也是標準物質(zhì)量值能準確傳遞的物質(zhì)基礎，標準物質(zhì)的特性應該是均勻的，即在一定的細分范圍內(nèi)其特性保持不變［4–6］。根據(jù)JJF 1343—2012［15］抽取單元數(shù)目對樣品總體要有足夠的代表性。從已經(jīng)分裝好并編號的異辛烷中硬脂酸甲酯溶液中按照前–中–后隨機共抽取15個包裝，每個樣品重復進樣3次，進行均勻性檢驗，檢驗結果列于表4，統(tǒng)計結果列于表5。由表5可知，F(xiàn)值小于F0.05(14,30)，說明該樣品均勻性良好。

表4 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)均勻性檢驗結果

表5 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)均勻性檢驗統(tǒng)計結果

5 穩(wěn)定性檢驗

標準物質(zhì)的穩(wěn)定性是指被定值的特性量隨時間變化的情況，標準物質(zhì)的穩(wěn)定性受物理、化學和保存條件等因素的影響［4–6］。標準物質(zhì)穩(wěn)定性考察按先密后疏的原則，在一定時間間隔內(nèi)選擇檢測方法，檢測在規(guī)定條件下保存的標準物質(zhì)濃度隨時間的變化情況。JJF 1343—2012［15］的要求，采用回歸曲線法對穩(wěn)定性監(jiān)測結果進行判斷，即以時間為橫坐標，測定值為縱坐標進行線性擬合。

5.1 短期穩(wěn)定性檢驗

為評估在短期運輸條件下的穩(wěn)定性，對研制的標準物質(zhì)進行了短期穩(wěn)定性檢驗［15］。將樣品于–20℃和60 ℃貯存15 d，其中–20 ℃通過冰箱冷凍中實現(xiàn)，60 ℃通過放在烘箱中實現(xiàn)。分別在第0、2、4、7、10、15 d進行穩(wěn)定性監(jiān)測，采取同步穩(wěn)定性評估的方法，每次隨機取樣3個樣品，每份樣品平行測定3次，第15 d統(tǒng)一進行測試。–20 ℃、60 ℃貯存15 d的短期穩(wěn)定性檢驗結果列于表6，統(tǒng)計結果列于表7。由表7可知，t檢驗通過，斜率估計值不顯著。因此，研制的異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)在–20 ℃和60 ℃貯存15 d內(nèi)，其特征量值是穩(wěn)定的。

表6 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)短期穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)

表7 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)短期穩(wěn)定性統(tǒng)計結果

5.2 長期穩(wěn)定性檢驗

為了評價標準物質(zhì)的穩(wěn)定性，在貯存期間必須定期對標準物質(zhì)進行抽樣測定［15］。將樣品置于低溫（4 ℃）儲存條件，分別在第0、3、6、9、12個月進行穩(wěn)定性監(jiān)測。每次取3份樣品，每份樣品平行測定3次，以3次測量結果平均值作為檢測結果。異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)12個月長期穩(wěn)定性檢驗的數(shù)據(jù)列于表8，統(tǒng)計結果列于表9。由表9可知，t檢驗通過，則斜率估計值不顯著，表明異辛烷中硬脂酸甲酯溶液的量值在12個月內(nèi)沒有發(fā)生明顯的趨勢性變化。

表8 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)長期穩(wěn)定性檢驗數(shù)據(jù)

表9 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)長期穩(wěn)定性統(tǒng)計結果

6 溶液標準物質(zhì)定值

異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)采用重量–容量法定值，根據(jù)硬脂酸甲酯的純度值、稱取的質(zhì)量和溶液定容體積確定其特性量值。則異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)的質(zhì)量濃度定值結果：

式中：c——異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)的質(zhì)量濃度，ng／μL；

m——硬脂酸甲酯純度標準品的質(zhì)量，mg；

P——硬脂酸甲酯純度標準品的純度，%；

V2——10 mL刻度移液管體積，mL；

103——質(zhì)量轉換因子；

V1——100 mL容量瓶定容體積，mL；

V3——1 000 mL容量瓶定容體積，mL。

7 溶液標準物質(zhì)不確定度評定

7.1 硬脂酸甲酯純度標準品引入的不確定度urel(x)

硬脂酸甲酯純度標準品的質(zhì)量分數(shù)為97.97%，相對擴展不確定度為0.3%，k=2，則：

Urel(x)=0.3%／2=0.001 5

7.2 溶液配制過程引入的不確定度urel(p)

7.2.1 天平稱量引入的不確定度

（3）浮力影響。由于常壓下稱重，此項可忽略。

因此，由天平稱量引入的合成標準不確定度：

硬脂酸甲酯純度標準品稱重102.46 mg，由此引入的相對不確定度urel(w)=0.15／102.46=1.44×10–3。

7.2.2 溶液體積隨溫度變化引入的相對標準不確定度

由于本方法溶劑體積隨溫度變化而變化，所以需要考慮溫度對溶劑體積的影響引入的不確定度。標準物質(zhì)制備過程中環(huán)境溫度為（20±3）℃，因此考慮按溫度變化3 ℃引起體積變化所引入的標準不確定度。異辛烷的膨脹系數(shù)為1.19×10–3℃–1，因此產(chǎn)生的體積變化為：

1 000 mL×3 ℃×0.001 19 ℃–1=3.57 mL

100 mL×3 ℃×0.001 19 ℃–1=0.36 mL

溫度變化按照均勻分布，k= 3，異辛烷隨溫度變化引入的相對標準不確定度：

對上述分量進行合成，得到：

7.2.3 容量量器引入的不確定度

依據(jù)常用玻璃量器檢定證書100 mL和1 000 mL容量瓶最大允許誤差分別為±0.10 mL、±0.40 mL；10 mL分度吸量管的最大允許誤差為±0.050 mL，按均勻分布，k= 3，容量容器的相對標準不確定度：

在制備異辛烷中硬脂酸甲酯標準溶液的整個過程中，使用100 mL容量瓶、1 000 mL容量瓶、10 mL吸量管各1次，則由容量量器引入的相對標準不確定度：

7.2.4 充滿容量瓶／吸量管至標線的隨機變化產(chǎn)生的不確定度

100 mL容量瓶通過反復充滿11次稱重得出的標準偏差為0.03 mL，1 000 mL容量瓶通過反復充滿11次稱重得出的標準偏差為0.10 mL，10 mL分度吸量管通過反復充滿11次放出后稱重得出的標準偏差0.007 mL，則充滿容量瓶／吸量管至標線的隨機變化產(chǎn)生的相對標準不確定度：

在制備異辛烷中硬脂酸甲酯標準溶液的整個過程中，使用100 mL容量瓶、1 000 mL容量瓶、10 mL吸量管各1次，則充滿容量瓶／吸量管至標線的隨機變化產(chǎn)生的相對標準不確定度：

溶液配制過程引入的合成相對標準不確定度：

7.3 溶液標準物質(zhì)均勻性引入的不確定度urel(bb)

根據(jù)JJF 1343—2012［15］，由表5可知，當s12大于s22時，瓶間標準偏差：

重復性標準偏差：

考察重復性標準偏差對瓶間標準偏差的影響，以反映重復性標準偏差相對較大的情況：

定值結果X=10，則均勻性引入的相對不確定度urel(bb)=ubb／X=4.80×10–3。

7.4 溶液標準物質(zhì)穩(wěn)定性引入的不確定度urel(s)

定值結果X=10，則不穩(wěn)定性引入的相對不確定度urel(s)=us／X=0.011。

7.5 合成不確定度及擴展不確定度

將純品定值、溶液配制、均勻性、穩(wěn)定性引入的相對不確定度合成，即得溶液標準物質(zhì)的合成相對不確定度：

取k=2，置信區(qū)間為95%的條件下，定值結果的合成相對擴展不確定度U=k×urel=2.74%。

8 量值驗證

為確保所研制的標準物質(zhì)量值的準確性、可靠性和溯源性，選用中國計量科學研究院生產(chǎn)的GBW(E) 130662作為標準，各隨機抽取3瓶異辛烷中硬脂酸甲酯溶液進行量值比對，結果列于表10。由表10可知，|En|均小于1，說明研制的標準物質(zhì)量值準確度滿足要求。

表10 異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)比對驗證結果

9 結語

異辛烷中硬脂酸甲酯溶液標準物質(zhì)采用重量–容量法制備并定值，分別對均勻性和穩(wěn)定性檢驗，評定了定值的不確定度，通過與國家二級標準物質(zhì)GBW(E) 130662比對，驗證了定值結果的準確性。標準物質(zhì)定值結果的相對擴展不確定度U=3%(k=2)，有效期限為12個月。