離子色譜法測定飲用水中丙烯酸測定法及不確定度分析

朱良琪，鄔晶晶，馬雯爽，李萌萌，桂 萍*

(中國城市規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100037)

丙烯酸(acrylic acid)為無色液體，具有強烈的刺激性氣味，可與水、乙醇、乙醚等多種有機溶劑共同混溶[1]，對皮膚、眼睛等具有強烈的刺激性作用，遇到明火和高熱會引起燒傷或爆炸，同時丙烯酸具有較強的腐蝕性、中等毒性。丙烯酸廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和合成丙烯酸酯、聚丙烯酸及其鹽等化工原料[2]，工業(yè)生產(chǎn)過程中很容易造成水體的污染，嚴(yán)重威脅周邊地區(qū)的飲用水安全?！渡铒嬘盟l(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2006)[3]附錄A中規(guī)定了生活飲用水中丙烯酸的最高限值為0.5 mg/L，但目前國內(nèi)外尚無飲用水中丙烯酸的檢測方法標(biāo)準(zhǔn)及其對應(yīng)的不確定度評定方法。水質(zhì)檢測是飲用水安全保障的基礎(chǔ)，檢測結(jié)果是飲用水安全保障的依據(jù)。不確定度是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，不確定度越小，表明檢測質(zhì)量越高[4]。在飲用水檢測過程中，不確定度的評定為檢測結(jié)果的判定提供了更科學(xué)的支撐，特別是飲用水中檢出濃度在限值附近時，不確定度評定的意義更加凸顯。CNAS-GL006：2019[5]中也明確規(guī)定了檢測實驗室在特定情況下報出數(shù)據(jù)時，需要提供不確定度。

國內(nèi)外相關(guān)研究中丙烯酸的檢測主要采用離子色譜法[6-10]、氣相色譜法[11-l5]、高效液相色譜法[16-20]、液相色譜-脈沖安培電化學(xué)法[21]。水中丙烯酸的檢測方法主要集中在氣相色譜法、高效液相色譜法，但這兩種方法耗時長，且儀器成本高，難以普及。同時，檢測過程均需使用有機溶劑進(jìn)行萃取、濃縮、衍生化等前處理，這些復(fù)雜的前處理過程都是不確定度的重要來源。而離子色譜法具有無復(fù)雜的前處理過程、檢測時間耗時短、儀器普及率高等優(yōu)勢。

本文研究建立了丙烯酸的離子色譜檢測方法，同時根據(jù)試驗原理、試驗過程不確定度評價方法，并對生活飲用水中丙烯酸的測定結(jié)果進(jìn)行了不確定度評定及影響因素分析，提出了降低離子色譜法測定飲用水中丙烯酸不確定度的對策與建議。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

丙烯酸標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(C2H3COOH，純度≥99%)，含穩(wěn)定劑對羥基苯甲醚(質(zhì)量濃度為200 mg/L)，購自Sigma公司。使用純水配制丙烯酸標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液[ρ(C2H3COOH)=1 000 mg/L]、丙烯酸標(biāo)準(zhǔn)使用溶液[ρ(C2H3COOH)=2.00 mg/L]和校準(zhǔn)曲線系列。試驗中使用的純水由密理博純水機制得(18.2 MΩ·cm，Millipore)。

1.2 儀器參數(shù)條件

使用氫氧化鉀淋洗系統(tǒng)，氫氧化鉀淋洗液可采用氫氧化鉀淋洗液發(fā)生器或性能等效的淋洗液發(fā)生裝置生成。采用AG11+AS11-HC色譜柱，柱溫為35 ℃，進(jìn)樣量為100 μL，抑制器電流為124 mA。淋洗液濃度梯度如表1所示。

表1 淋洗液濃度梯度

1.3 校準(zhǔn)曲線的配制

取9個50 mL棕色容量瓶，依次準(zhǔn)確移取0、0.125、0.250、0.500、1.000、2.000、3.000、4.000、5.000 mL丙烯酸標(biāo)準(zhǔn)使用液，用純水定容，配制丙烯酸質(zhì)量濃度分別為0、0.005、0.010、0.020、0.040、0.080、0.120、0.160、0.200 mg/L的校準(zhǔn)系列溶液，上機測定。以丙烯酸的峰面積為縱坐標(biāo)、丙烯酸的質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)，繪制校準(zhǔn)曲線，如圖1所示。

圖1 丙烯酸的校準(zhǔn)曲線圖

1.4 檢出限和測定下限

根據(jù)《分析方法標(biāo)準(zhǔn)制修訂技術(shù)導(dǎo)則》(HJ 168—2020)，利用信噪比估算的檢測限濃度的3～5倍配制標(biāo)準(zhǔn)樣品，配制質(zhì)量濃度為0.010 0 mg/L，樣品平行測定7次。7次測定結(jié)果分別為0.011 1、0.010 7、0.010 7、0.010 9、0.010 8、0.009 5、0.010 1 mg/L。方法檢出限和測定下限計算如式(1)～式(2)。通過計算，7次平行測定結(jié)果的S為0.000 553，MDL為0.001 74 mg/L，LOQ為0.006 96 mg/L。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

LOQ=4×MDL

(2)

其中：MDL——方法檢出限，mg/L；

LOQ——測定下限，mg/L；

n——樣品的平行測定次數(shù)；

t——自由度為n-1，置信度為99%時t分布值(單側(cè))。查表可知，當(dāng)n=7時，t為3.143；

S——n次平行測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

1.5 方法精密度

分別向純水、管網(wǎng)水、出廠水、水源水中加標(biāo)低質(zhì)量濃度(0.020 mg/L)、中質(zhì)量濃度(0.100 mg/L)和高質(zhì)量濃度(0.180 mg/L)3種不同質(zhì)量濃度，平行測定6次，計算相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)如表2所示。

表2 不同類型水樣中丙烯酸的精密度

1.6 方法準(zhǔn)確度

分別向純水、管網(wǎng)水、出廠水、水源水中加標(biāo)低質(zhì)量濃度(0.020 mg/L)、中質(zhì)量濃度(0.100 mg/L)和高質(zhì)量濃度(0.180 mg/L)3種不同質(zhì)量濃度，平行測定6次，計算加標(biāo)回收率如表3所示。

表3 不同類型水樣中丙烯酸的加標(biāo)回收率

1.7 水樣測定

向飲用水中加標(biāo)質(zhì)量濃度為0.100 mg/L的丙烯酸，平行測定7次，測定的結(jié)果和對應(yīng)的峰面積如表4所示。

表4 丙烯酸平行測定結(jié)果

2 不確定度評定

2.1 方法原理

丙烯酸是一種極性不飽和羧酸，采用離子色譜測定時，水樣中的丙烯酸根陰離子和其他陰離子隨氫氧化鉀(或氫氧化鈉)淋洗液進(jìn)入陰離子交換分離系統(tǒng)，分離柱根據(jù)對不同離子的親和力的差異性，將不同的離子進(jìn)行順序性洗脫，從而達(dá)到分離的目的。已經(jīng)分離的不同陰離子再進(jìn)入到抑制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為強酸，增強電導(dǎo)率，提高待測陰離子的響應(yīng)值。氫氧化鉀(或氫氧化鈉)淋洗液將轉(zhuǎn)化成低電導(dǎo)率的水，降低基線背景[22]。利用電導(dǎo)檢測器檢測各陰離子的電導(dǎo)率，通過相對保留時間進(jìn)行定性，色譜峰面積進(jìn)行定量。

2.2 數(shù)學(xué)模型

采用最小二乘法模型對標(biāo)準(zhǔn)系列的測量結(jié)果進(jìn)行線性擬合，擬合方程為y=a+bx，被測樣品的計算如式(3)。

(3)

其中：x——空白及標(biāo)準(zhǔn)系列各質(zhì)量濃度溶液，mg/L；

y——儀器響應(yīng)峰面積值，μS·min；

a——截距；

b——斜率。

2.3 主要不確定度分量及合成不確定度

參考《測量不確定度評定和表示》(GB/T 27418—2017)[23]、《實用測量不確定度評定》[24]、《測量不確定度評定與表示》(JJF 1059—1999)[25]等資料，不確定度的來源主要為標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、校準(zhǔn)曲線擬合、樣品測定、進(jìn)樣體積、溫度、樣品稀釋6個方面。不確定度分量及因果關(guān)聯(lián)如圖2所示。

圖2 不確定度分量及因果關(guān)聯(lián)圖

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液及配制過程引入的不確定度

(1)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度引入的不確定度

(2)各種量具引入的測量不確定度

量具包括容量瓶、移液器，其不確定度來源為體積校準(zhǔn)、估讀誤差、溫度變化等，估讀誤差所產(chǎn)生的不確定度可忽略不計。體積校準(zhǔn)和環(huán)境溫度變化引入的不確定度均采用B類評定，測定時實驗室的溫差為±1 ℃，水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4，各不確定度分量計算如下。

①稱量引入的相對不確定度

②100 μL移液器引入的相對不確定度

③50 mL容量瓶引入的相對不確定度

同理，可依次計算出使用100、200、1 000、5 000 μL移液器引入的相對不確定度和50、100、1 000 mL容量瓶引入的相對不確定度，如表5和表6所示。

表5 單標(biāo)線容量瓶的不確定度

表6 移液器不確定度

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中移液器的規(guī)格、使用次數(shù)和定容時容量瓶的規(guī)格，計算出標(biāo)準(zhǔn)系列配制過程引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(系列)，如表7所示。

表7 標(biāo)準(zhǔn)系列配制過程引入的不確定度

使用溶液在配制過程中進(jìn)行了二級稀釋，同理可根據(jù)移液器規(guī)格、移液次數(shù)及定容使用的容量瓶規(guī)格、天平稱量過程可計算出標(biāo)準(zhǔn)使用溶液配制過程引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(稀釋)，如表8所示。

表8 標(biāo)準(zhǔn)使用液配制引入的不確定度

(3)標(biāo)準(zhǔn)系列配制引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.3.2 校準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

對標(biāo)準(zhǔn)系列進(jìn)行測定，并用最小二乘法擬合標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)曲線，線性回歸方程為y=0.187 5x-0.000 3，校準(zhǔn)曲線系列測定結(jié)果如表9所示。

表9 標(biāo)準(zhǔn)系列測定結(jié)果

y殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差Sy/x如式(4)，按正態(tài)分布變化屬A類，u(y)=Sy/x=0.000 300。

(4)

校準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(5)。

≈0.000 842

(5)

其中：m——測試標(biāo)準(zhǔn)溶液的點數(shù)，m=9；

p——測定樣品的次數(shù)，p=7；

b——校準(zhǔn)曲線的斜率，b=0.187 5；

a——校準(zhǔn)曲線的截距，a=-0.000 3；

Ci——實際標(biāo)準(zhǔn)曲線各點質(zhì)量濃度，mg/L；

yi——標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積的測定值，μS·min；

xi——標(biāo)準(zhǔn)溶液中丙烯酸的質(zhì)量濃度，mg/L。

2.3.3 樣品測定引入的不確定度

對水中丙烯酸進(jìn)行7次平行測定，測定結(jié)果如表2所示，平均值為0.103 mg/L。樣品測定引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度如式(6)。

(6)

其中：n——平行測定次數(shù)，n=7；

Yi——測定質(zhì)量濃度，mg/L；

2.3.4 進(jìn)樣體積的不確定度

2.3.5 溫度變化引入的不確定度

2.3.6 樣品稀釋引入的不確定度

此樣品無需稀釋，則k=1，同時也不引入任何不確定度該檢測方法無樣品稀釋過程，無不確定度引入。

2.3.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

2.3.8 擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度與結(jié)果表達(dá)

置信概率為95%時，取k=2，擴展標(biāo)準(zhǔn)不確定度U=urel(A)×k=0.005 32 mg/L。

樣品檢測結(jié)果C=(0.103±0.005 32)mg/L，不確定度分量匯總?cè)绫?0所示。

表10 不確定度分量匯總

3 不確定度評定影響因素分析

離子色譜法測定飲用水中丙烯酸產(chǎn)生的不確定度主要來源標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、校準(zhǔn)曲線擬合、樣品測定、進(jìn)樣體積、溫度變化這5個方面。其中，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制及溫度變化貢獻(xiàn)最大。

標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中，檢測人員的技術(shù)水平、標(biāo)準(zhǔn)系列濃度的選取、容量瓶及移液器等器具的使用，都會引入不同的不確定度。校準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定主要來源校準(zhǔn)曲線系列的數(shù)量、校準(zhǔn)曲線系列的濃度、待測樣品濃度和測定次數(shù)。校準(zhǔn)曲線的斜率和截距對檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性有很大影響，特別是對于低濃度：負(fù)截距越大，低濃度樣品偏高越多；正截距越大，低濃度樣品偏小越多。同樣，待測的樣品濃度也會對校準(zhǔn)曲線定量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度產(chǎn)生影響，樣品的濃度過高或過低，都會使樣品濃度與校準(zhǔn)曲線系列濃度平均值的差方越大，不確定度也會越大。因此，在進(jìn)行實際檢測時，應(yīng)使待測物的濃度在校準(zhǔn)曲線的中段，特別是對于測量審核、盲樣考核等需要高準(zhǔn)確度的檢測活動。當(dāng)待測物濃度的測定均值與校準(zhǔn)曲線系列濃度的均值相等時，不確定度最小。

一般情況下，隨著溫度的升高，液體的黏度降低，色譜柱分離效能也明顯下降[26]。溫度的變化也會帶動柱壓變化，溫度變化1 ℃，壓力將會發(fā)生680～1 100 kPa的變化。其中，壓力變化時離子色譜儀會改變進(jìn)樣的流速，使出峰保留時間發(fā)生一定的變化，影響準(zhǔn)確定量。離子色譜法依靠離子交換作用進(jìn)行分離，依靠電導(dǎo)率產(chǎn)生響應(yīng)信號而被檢測器檢出，其定量原理屬于離子濃度-電導(dǎo)率函數(shù)。在離子電導(dǎo)函數(shù)中，溫度是一種主要影響因素，溫度每升高1 ℃，電導(dǎo)響應(yīng)值就會增加2%左右[27]。因此，溫度對離子色譜的穩(wěn)定性影響很大，保持檢測環(huán)境溫度恒定是降低檢測結(jié)果不確定度的重要措施。

增加測定次數(shù)，樣品測定引入的不確定將減少。在離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸的過程中，可進(jìn)行多次測定取平均值，能有效降低不確定度。

進(jìn)樣體積誤差引入的不確定度屬于儀器固有，與檢測方法無關(guān)。在實際檢測活動中，應(yīng)選擇正規(guī)廠家的合格定量環(huán)與進(jìn)樣針，避免系統(tǒng)誤差增大而引入更大的不確定度。

4 對策與建議

不確定度是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，不確定度越小，表明檢測質(zhì)量越高。在飲用水檢測過程中，通過降低不確定度提升檢測結(jié)果的質(zhì)量，主要從標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程、校準(zhǔn)曲線的擬合過程及實驗室溫度控制3個方面改善。

離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸，該方法無前處理過程，校準(zhǔn)曲線的準(zhǔn)確性決定了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，配制標(biāo)準(zhǔn)儲備液、標(biāo)準(zhǔn)使用液及校準(zhǔn)曲線系列應(yīng)由專業(yè)人員進(jìn)行，合理使用量器，規(guī)范操作，按照統(tǒng)一步驟配制每個校準(zhǔn)系列濃度點，盡量減小人為因素引入的不確定度。

分析方法要求校準(zhǔn)曲線應(yīng)不少于6個濃度點(包含原點)，在本方法中，校準(zhǔn)曲線的線性范圍為0.005 00～0.200 mg/L，測定濃度相對較低，合理設(shè)計校準(zhǔn)曲線的濃度點是降低不確定度的關(guān)鍵。一般濃度點越低，使用的移液器等量器具的量程越小，允差越大，引入的不確定度也將越大。而濃度點越多，意味著使用的移液器等量器具的次數(shù)越多，不確定度也會相應(yīng)增大。另外，應(yīng)注意合理使用量器具，使用滿量程進(jìn)行移取時允差最小，也應(yīng)合理使用容量瓶，避免超大倍數(shù)稀釋和多次稀釋引入更大的不確定度。

恒定的檢測環(huán)境溫度對儀器的穩(wěn)定性非常重要，是降低檢測結(jié)果不確定度的重要措施，檢測環(huán)境溫度變化允許在±1 ℃波動，檢測環(huán)境溫度一般設(shè)置在20 ℃左右。

5 結(jié)語

離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸，不確定度分量主要來源標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、校準(zhǔn)曲線擬合、樣品測定、進(jìn)樣體積、溫度變化、樣品稀釋這6個方面。其中，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程引入的不確定度對總不確定度的影響最大。在日常檢測中，可以在標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過程、校準(zhǔn)曲線的擬合過程及實驗室溫度合理設(shè)置3個方面來降低不確定度，從而提高飲用水中丙烯酸測定的科學(xué)性和準(zhǔn)確性。