紅外光譜法測定柴油中脂肪酸甲酯的檢出限及不確定度評定

郭士剛，凌鳳香，高旭鋒

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

1 引言

隨著生物柴油的快速發(fā)展，為有效鑒別車用柴油和生物柴油，脂肪酸甲酯（fatty acid methyl ester，F(xiàn)AME）含量檢測越來越受到關(guān)注。燃料油品中FAME的檢測方法主要有色譜法（包括色譜與質(zhì)譜等的聯(lián)用方法）和紅外光譜法。色譜法［1，2］多用于生物柴油或生物柴油調(diào)和柴油產(chǎn)品的檢測，適用于多種類、較高含量FAME的檢測。紅外光譜法為GB／T 23801—2009《中間餾分油中脂肪酸甲酯含量的測定—紅外光譜法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法［3］，為我國車用柴油產(chǎn)品中測定生物柴油項目制定了標(biāo)準(zhǔn)，保證了生物柴油及其調(diào)和產(chǎn)品與車用柴油的有效區(qū)分［4～6］。檢出限是衡量分析化學(xué)測試方法檢測能力和靈敏度的量度指標(biāo)，具有重要的意義［7～12］。不確定度是衡量結(jié)果可靠性的重要定量參數(shù)，也是衡量檢測能力和準(zhǔn)確性的主要指標(biāo)［13～20］。紅外光譜法檢測FAME的應(yīng)用非常普遍，但是針對該方法檢測準(zhǔn)確性和靈敏度的研究尚未見報道。本文通過測量紅外光譜法測定柴油中脂肪酸甲酯的檢出限和不確定度，評價此方法的檢測能力、靈敏度和準(zhǔn)確度。

2 材料和試劑

2.1 儀器和試劑

Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀，波數(shù)范圍為400～4 000 cm－1；樣品池KBr晶片，光程為0.5 mm；分析天平，精度為0.1 mg；25 mL容量瓶；油酸甲酯，色譜純，純度99%，SIGMA公司，Lot＃BCBW2906；環(huán)己烷，分析純；精度為0.1 mL的移液管。

2.2 實驗方法

根據(jù)GB／T 23801［3］，采用色譜純油酸甲酯代表脂肪酸甲酯，配制質(zhì)量濃度為1、2、4、6、10 g／L的油酸甲酯環(huán)己烷溶液。在波數(shù)為1 745 cm－1時，以最大吸光度（A）與樣品池光程（L）的比值為因變量，脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度為自變量建立工作曲線。

對于待測樣品，預(yù)測其濃度范圍，在工作曲線范圍內(nèi)選擇直接測試；超出工作曲線濃度范圍則選擇相應(yīng)的稀釋等級稀釋到工作曲線濃度范圍進(jìn)行測量，試驗結(jié)果經(jīng)稀釋比修正后獲得樣品結(jié)果。記錄測定的紅外吸收譜圖，測量在波數(shù)（1 745±1）cm－1處的典型酯類吸收帶的最大峰值吸收，通過已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線，運用式（1）計算脂肪酸甲酯含量。

式中：φ為脂肪酸甲酯含量，g／L；X為稀釋系數(shù)；a為工作曲線的斜率；A為典型酯類吸收帶的最大峰值吸收；L為樣品池光程，為0.05 cm；b為工作曲線的截距。

3 結(jié)果與討論

3.1 檢出限

3.1.1 工作曲線

以環(huán)己烷作為空白對照，使用Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀測定不同濃度的脂肪酸甲酯環(huán)己烷溶液的紅外吸收光譜如圖1，建立工作曲線如圖2。由圖2可知，在質(zhì)量濃度為1～10 g／L范圍內(nèi)具備良好的線性響應(yīng)，線性回歸方程為y＝2.1 308x－0.125 6，相關(guān)系數(shù)平方為0.999 9。

圖1 不同濃度脂肪酸甲酯紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of different concentrations fatty acid methyl esters

圖2 紅外光譜法檢測脂肪酸甲酯工作曲線Fig.2 Determination of fatty acid methyl ester working curve by infrared spectroscopy

3.1.2 加標(biāo)回收

實際樣品中定量添加不同質(zhì)量脂肪酸甲酯，獲得不同濃度的樣品溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收實驗，實驗結(jié)果見表1。測得加標(biāo)量分別為0.956、4.200、9.808、20.130 g／L，實際加標(biāo)量為0.944、4.232、9.794、20.126 g／L，加標(biāo)回收率（測得加標(biāo)量和實際加標(biāo)量的比值）為99.2%～101.3%，表明定量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表1 不同質(zhì)量脂肪酸甲酯加標(biāo)回收實驗結(jié)果Tab.1 Addition standard recovery test results g／L

3.1.3 檢出限和定量限

檢出限是評價分析方法測試性能的重要指標(biāo)。不同專業(yè)領(lǐng)域，根據(jù)各自的檢測情況，對檢出限有不同的解釋。文獻(xiàn)［21］中檢出限以濃度或者質(zhì)量表示，是指由特定的分析步驟能夠合理地檢測出最小信號的最低濃度或質(zhì)量，上述表示方法得到廣泛的使用。檢出限LOD為：

式中：kD為與置信度有關(guān)的常數(shù)，取kD＝3，置信區(qū)間為99.6%；σ為空白標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般測量次數(shù)不少于20次；m為標(biāo)準(zhǔn)曲線在較低濃度范圍內(nèi)的斜率。

在測定誤差滿足預(yù)定要求的前提下，用特定分析方法能夠準(zhǔn)確測定的待測元素的最小濃度或含量，稱為方法的定量限，以CD表示。文獻(xiàn)［22］建議取kD＝10計算定量限，計算式為：

利用式（2）和式（3）計算紅外光譜檢測脂肪酸甲酯實驗方法的檢出限和測定下限，空白標(biāo)準(zhǔn)偏差σ采用Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀測定空白環(huán)己烷在波數(shù)為1745cm－1處的吸強度獲得為0.004 7，結(jié)果見表2。檢出限和定量限分別為0.006 6、0.022 0 g／L，表明該方法可以靈敏地檢測柴油中的脂肪酸甲酯。

表2 檢出限和定量限Tab.2 Detection limit and limit of quantitation

3.2 不確定度評定

3.2.1 不確定度來源分析

通過對檢測步驟的逐一分析和計算公式所需數(shù)據(jù)的對比，分析不確定度來源［23］，見圖3。測量不確定度的來源主要為重復(fù)性引入的A類不確定度，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制（標(biāo)樣純度、標(biāo)液體積和標(biāo)樣質(zhì)量）、待測樣品配制（取樣和定容）、標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的B類不確定度。

圖3 脂肪酸甲酯含量測定的不確定度評定魚骨圖Fig.3 Fishbone Diagram of Uncertainty Evaluation of FAME measurement

3.2.2 重復(fù)性測定引入的A類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（A）

在實驗條件完全相同的條件下，短時間重復(fù)測定樣品10次，獲得脂肪酸甲酯含量，數(shù)值見表3。

單次測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（A）采用貝塞爾公式［24］計算：

式中：ρi為第i次測量獲得的脂肪酸甲酯的質(zhì)量濃度，g／L為n次測量獲得的脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度平均值，g／L；n為測量次數(shù)。

則測量結(jié)果的A類相對不確定度urel（A）為：

根據(jù)表3中數(shù)值可求得u（A）＝0.005 9 g／L，urel（A）＝0.001 5。

表3 樣品中脂肪酸甲酯含量Tab.3 Test results of fatty acid methyl ester content in a sample g／L

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（S）

（1）標(biāo)樣天平稱量的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（m）。試驗中稱量0.199 g脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用50 mL的容量瓶配制標(biāo)準(zhǔn)溶液。天平校準(zhǔn)證書給出了天平的置信區(qū)間為±0.2 mg，按均勻分布，天平稱量不確定度為：

按《化學(xué)分析中不確定度的評估指南》得到分析天平的重復(fù)性約為0.5與最后一位有效數(shù)字的積，分析天平的最后一位有效數(shù)字為0.1 mg，則天平重復(fù)性不確定度為：

稱量采用的是差減法，因此標(biāo)樣天平稱量的不確定度為：

則標(biāo)樣天平稱量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）標(biāo)樣純度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（p）。實驗中采用脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照實驗要求以色譜純油酸甲酯計，純度不確定度為：

則標(biāo)樣純度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.4 適時收獲 芝麻終花后20 d左右逐漸成熟，此時植株下部葉片基本脫落，莖稈顏色變黃或黃綠色，中部蒴果灌漿飽滿，下部蒴果種子充分成熟，有少量蒴果輕微炸裂，種皮均呈現(xiàn)品種固有色澤。芝麻成熟后，應(yīng)在早晚收獲，避開中午高溫陽光強烈照射，減少下部裂蒴掉籽或病死株裂蒴造成的損失。收時選優(yōu)良單株留種，搞好提純復(fù)壯。

（3）標(biāo)液配制引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（V）。容量瓶校準(zhǔn)不確定度u（V1）滿足均勻分布，校準(zhǔn)證書給出其置信區(qū)間為±0.1 mL；把容量瓶充滿10次稱量獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.02 mL作為容量瓶變動性不確定度u（V2）；人員讀數(shù)不確定度u（V3）可根據(jù)使用體積容器允許有1%的讀數(shù)誤差，假設(shè)為三角分布獲得。則不確定度分別為：

則標(biāo)液配制引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則標(biāo)準(zhǔn)溶液配制帶來的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.4 待測樣品配制引入的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（Y）

（1）樣品取樣引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（q）。根據(jù)JJG 646—1990《定量、可調(diào)移液器試行檢定規(guī)程》規(guī)定，1 mL可調(diào)移液器吸取1 mL時容量允差為1.5%，服從均勻分布，則取樣帶來的不確定度為：

樣品取樣引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）樣品定容引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（d）。待測樣品定容于50 mL容量瓶，引入的不確定度與標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程相同，則樣品定容引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

故待測樣品定容引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合帶來的B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（g）

本實驗采用最小二乘法擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，由此帶來的不確定度為：

式中：SR為回歸曲線的殘差標(biāo)準(zhǔn)差；a為回歸線的斜率；P為待測樣品的重復(fù)測定次數(shù)，這里P＝10；n為回歸曲線的點數(shù)，n＝5；為待測樣品質(zhì)量濃度的平均值；為回歸曲線各點質(zhì)量濃度的平均值；C0i為各標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度值。

其中，回歸曲線的殘差標(biāo)準(zhǔn)差可以通過實際吸光度響應(yīng)值（A0i／L）和標(biāo)準(zhǔn)曲線理論響應(yīng)值（b＋aC0i）獲得，標(biāo)準(zhǔn)曲線及擬合參照第3.1.1節(jié)。

則標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.6 合成不確定度及擴展不確定度

紅外光譜法測試柴油中脂肪酸甲酯測量結(jié)果的相對合成不確定度由A類不確定度和B類不確定度組成。B類相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度由標(biāo)準(zhǔn)溶液的稱量配制、樣品取樣配制和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合組成：

相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

合成不確定度為：

取置信概率為95%，包含因子k＝2，擴展不確定度為：

則脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度為（3.960±0.097）g／L，各相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量對比分析如圖4，可知標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和待測樣品配制為引入不確定度的主要因素，而重復(fù)測量和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度較小。

圖4 各相對不確定度分量對比Fig.4 Comparison of relative uncertainty components

4 結(jié)論

紅外光譜法適用于測定柴油中脂肪酸甲酯含量，應(yīng)用普遍。研究測定紅外光譜檢測柴油中脂肪酸甲酯工作曲線，線性回歸方程為y＝2.130 8x－0.125 6，線性相關(guān)系數(shù)平方R2為0.999 9，并且加標(biāo)回收實驗加標(biāo)回收率為99.2%～101.3%。依據(jù)《IUPAC Compendium of Analytical Nomenclature》和ACS的方法，獲得方法的檢出限和定量限分別為0.006 6 g／L、0.022 0 g／L。結(jié)果表明紅外光譜法能夠靈敏準(zhǔn)確地檢測柴油中脂肪酸甲酯的含量。方法合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.012 3，取置信概率為95%，包含因子k＝2，測定脂肪酸甲酯含量為（3.960±0.097）g／L。對不確定度引入因素進(jìn)行分析，表明標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和待測樣品配制是引入不確定度的主要因素。