二氯甲烷中萘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制

劉曉茹，朱國(guó)建，阿布都沙拉木·托爾遜，馬立平，趙曉輝，常嘉欣，梁鎧

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院，北京 100038； 2.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000)

萘屬于低分子量的多環(huán)芳香烴(PAHs)類化合物，是最簡(jiǎn)單的稠環(huán)芳烴，化學(xué)式為C10H8。萘由2個(gè)苯環(huán)共用2 個(gè)相鄰碳原子稠合而成。萘為無(wú)色，有毒，易升華并有特殊氣味的片狀晶體。從煉焦的副產(chǎn)品煤焦油和石油蒸餾中大量生產(chǎn)，主要用于合成鄰苯二甲酸酐等[1]。萘具有刺激作用，高濃度致溶血性貧血及肝、腎損害，會(huì)導(dǎo)致貧血或紅細(xì)胞數(shù)、血色素和血細(xì)胞數(shù)顯著減少，對(duì)皮膚敏感者，萘?xí)鹨恍﹪?yán)重的皮膚病。根據(jù)世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)公布的致癌物清單，萘在2B 類致癌物清單中[2]，并且是我國(guó)《地下水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 14848—2017)中的毒理學(xué)指標(biāo)，因此監(jiān)測(cè)水環(huán)境中萘尤為重要[3]。

萘的測(cè)定主要采用色譜法[4]和質(zhì)譜法[5]，需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為量值傳遞溯源的載體，進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和質(zhì)量控制，是獲得有效結(jié)果的重要保證[6-7]。目前我國(guó)萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)主要以甲醇為溶劑[8]，但甲醇與空氣混合能形成爆炸性混合物，遇熱源和明火有燃燒爆炸的危險(xiǎn)，因此給標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)封口帶來(lái)較大風(fēng)險(xiǎn)。

筆者研制了二氯甲烷中萘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，研究了其配制和量值核驗(yàn)中的技術(shù)難點(diǎn)問(wèn)題，該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)是對(duì)該類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)系統(tǒng)的補(bǔ)充，為水環(huán)境中萘監(jiān)測(cè)的質(zhì)控工作奠定基礎(chǔ)。

1 方案設(shè)計(jì)

萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制流程如圖1所示。

圖1 萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制流程

1.1 介質(zhì)選擇

為保證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻和穩(wěn)定性，配制標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)時(shí)選擇合適的溶解介質(zhì)尤為重要。根據(jù)萘的理化性質(zhì)及相關(guān)資料查詢，萘在水中溶解度小，溶于部分有機(jī)試劑，在二氯甲烷中的溶解性及穩(wěn)定性較好，比在甲醇中溶解力更高，且二氯甲烷不可燃，高溫火焰封口更加安全，因此選擇二氯甲烷作為萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溶解介質(zhì)。二氯甲烷及萘的物理化學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 二氯甲烷及萘物化性質(zhì)

1.2 配方設(shè)計(jì)

參考中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院以及生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所已有的同類產(chǎn)品，綜合考慮了水利系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室水質(zhì)監(jiān)測(cè)及質(zhì)控考核工作實(shí)際需要，確定萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的配方設(shè)計(jì)如表2 所示。

表2 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配方設(shè)計(jì)表 mg/L

首先將二氯甲烷中萘標(biāo)準(zhǔn)溶液準(zhǔn)確配制于容量瓶中，分裝至2 mL 棕色安瓿瓶中，火焰封口。由于二氯甲烷沸點(diǎn)較低(39.75 ℃)，易揮發(fā)，因此對(duì)灌封技術(shù)要求較高，灌封過(guò)程中溶液需保持低溫，灌封時(shí)間盡量短，防止溶液揮發(fā)，保障均勻性良好[9]。

2 灌封技術(shù)

為了在灌裝過(guò)程中溶液保持低溫狀態(tài)，將密封好的容量瓶置于-25 ℃低溫冰柜中冷凍約60 min，取出，放入保溫箱中，通過(guò)灌裝管線將溶液分裝到2 mL 安瓿瓶中，每支灌裝1.2 mL，用鋁箔蓋緊該安瓿瓶，迅速放入低溫冰柜中冷凍。

將上述冷凍的安瓿瓶每次從冰柜中取出5 支，用火焰迅速封口，放至室溫檢查封口的嚴(yán)密性，保證安瓿瓶不漏液。

由于不斷開(kāi)關(guān)低溫冰柜門取出安瓿瓶封口，冰柜溫度在-25～-15 ℃之間變動(dòng)，對(duì)封口的效果會(huì)產(chǎn)生影響，因此需要優(yōu)化冷凍條件和時(shí)間，在盡量短時(shí)間達(dá)到最佳封口效果，否則出現(xiàn)熔封失敗導(dǎo)致安瓿瓶口漏液的現(xiàn)象，影響標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性。

2.1 封口條件優(yōu)化

對(duì)二氯甲烷溶液在安瓿瓶中冷凍溫度及冷凍時(shí)間進(jìn)行了優(yōu)化試驗(yàn)。將冷凍的二氯甲烷溶液迅速灌裝到20支安瓿瓶中，置于-15 ℃下冷凍10 min，每5 支一組依次取出安瓿瓶進(jìn)行高溫火焰封口，待封口完的安瓿瓶冷卻至室溫，檢驗(yàn)其是否漏液，漏液即為破損，計(jì)算20 支的破損率。按此操作程序分別于-20 ℃以及-25 ℃冷凍10 min，檢驗(yàn)破損情況。

按上述試驗(yàn)程序操作，三種溫度下冷凍時(shí)間分別為15、20、25、30 min，開(kāi)展封口破損率試驗(yàn)，破損率統(tǒng)計(jì)圖如圖2。

圖2 安瓿瓶封口破損率曲線

由圖2 得出結(jié)論：在冷凍溫度為-25 ℃、冷凍時(shí)間為20 min 熔封安瓿瓶破損率最低，時(shí)間最短，是最適宜的封口條件。

2.2 灌封過(guò)程對(duì)均勻性的影響

采用上述優(yōu)化的灌封條件，將二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)灌裝至安瓿瓶中進(jìn)行火焰熔封，需考慮在灌封過(guò)程中二氯甲烷揮發(fā)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性不確定度帶來(lái)的影響。

取10 支空安瓿，逐一稱量，該10 支空安瓿熔封后，再逐一稱量，計(jì)算該10 支空安瓿瓶熔封前后的質(zhì)量差，記為為Δm0，稱量10 支灌有二氯甲烷的安瓿瓶熔封前后質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量差記為Δm1，熔封不確定度Um=Δm1-Δm0，根據(jù)表1 中二氯甲烷的密度為1.325 g/cm3，每支安瓿瓶?jī)?nèi)灌裝1.2 mL二氯甲烷溶液，則其質(zhì)量為1.59 g。

按照式(1)計(jì)算相對(duì)熔封不確定度Um，rel，計(jì)算數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3。

表3 熔封不確定度

由表3 可知，熔封相對(duì)不確定度Um，rel為0.01%，而萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性相對(duì)不確定度為0.93%，Um，rel是萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性相對(duì)不確定度的1%，占比較小，不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性產(chǎn)生顯著影響，不必疊加到均勻性不確定度內(nèi)，說(shuō)明本灌封條件滿足標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制要求[10]。

3 萘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值核驗(yàn)

3.1 主要儀器及試劑

氣相色譜儀：Agilent GC7890A 型，安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

液相色譜儀：Agilent HPLC1100 型，安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

移液槍：500 μL，德國(guó)普蘭德(BRAND)公司。

二氯甲烷：色譜純，美國(guó)Fisher 公司。

甲醇：HPLC 級(jí)，德國(guó)默克公司。

氮?dú)猓杭兌炔恍∮?9.999%，北京誠(chéng)為信工業(yè)氣體銷售中心。

液相色譜儀檢定用溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(萘-甲醇溶液)：100 μg/mL，3 mL/支，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW(E) 130167，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

甲醇-二氯甲烷(1∶1)中萘溶液：100 μg/mL，裝量約1 mL，標(biāo)準(zhǔn)樣品編號(hào)為GSB 07-3042-2013，生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所。

3.2 儀器工作條件

3.2.1 氣相色譜儀

色譜柱：HP-5MS 型(30 m×250 μm，0.25 μm，美國(guó)安捷倫科技有限公司)；載氣：氮?dú)?；柱流量?.0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：250 ℃；進(jìn)樣方式：分流進(jìn)樣，分流比為10∶1；進(jìn)樣體積：1 μL；柱溫：160 ℃保持4 min ；檢測(cè)器：FID檢測(cè)器；檢測(cè)器溫度：300 ℃；氫氣流量：30 mL/min；空氣流量：300 mL/min；尾吹氣流量：25 mL/min；隔墊吹掃流量：3 mL/min。

3.2.2 液相色譜儀

色譜柱：C18柱(100 mm×4.6 mm，3.5 μm，美國(guó)安捷倫科技有限公司)；流動(dòng)相：甲醇-水(80∶20，體積比，下同)，流量為1.0 mL/min；檢測(cè)波長(zhǎng)：219 nm；柱溫：40℃；進(jìn)樣體積：1.0 μL。

3.3 不同溶劑介質(zhì)萘溶液比對(duì)試驗(yàn)

我國(guó)萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)/標(biāo)準(zhǔn)樣品主要生產(chǎn)單位為中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院及生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所，兩個(gè)單位的萘溶液信息及筆者研制的萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)信息見(jiàn)表4。

表4 萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（標(biāo)準(zhǔn)樣品）信息 mg/L

由表4 可知，三個(gè)單位的萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的溶劑比例各不相同，以中國(guó)計(jì)量院的萘-甲醇溶液100 mg/L 為儀器校準(zhǔn)液，分別采用氣相色譜和液相色譜單點(diǎn)法測(cè)定生態(tài)環(huán)境部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所的甲醇-二氯甲烷(體積比為1∶1，下同)中萘溶液，每種方法測(cè)定7 次，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 100 mg/L 甲醇-二氯甲烷(1∶1)中萘標(biāo)準(zhǔn)樣品測(cè)定值

由表5 可知，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差為5.23%～5.42%，超出表4 中列出的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)相對(duì)擴(kuò)展不確定度，因此溶劑不同對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度準(zhǔn)確測(cè)定有一定影響，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化稀釋方法[11]。

3.4 萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的稀釋方法

由上述分析結(jié)果可見(jiàn)，萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)/標(biāo)準(zhǔn)樣品的溶劑不同，稀釋及測(cè)定過(guò)程會(huì)受溶劑效應(yīng)影響，因此用甲醇和二氯甲烷溶液將中國(guó)計(jì)量院和生態(tài)環(huán)境部標(biāo)樣所的萘溶液的溶劑按比例稀釋一致，從而確定定值方法的可行性及準(zhǔn)確性，具體稀釋方法見(jiàn)表6。

表6 萘溶液稀釋方法

對(duì)表6 中萘的稀釋液進(jìn)行量值比對(duì)，確定萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值核驗(yàn)方法。

3.5 萘標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液比對(duì)試驗(yàn)

按表6 方法，稀釋中國(guó)計(jì)量院和生態(tài)環(huán)境部標(biāo)樣所的萘溶液至50 mg/L，稀釋后的萘溶液溶劑皆為甲醇-二氯甲烷(1∶1)，以計(jì)量院萘稀釋溶液為儀器校準(zhǔn)液，以生態(tài)環(huán)境部的萘稀釋液為質(zhì)控樣品，采用單點(diǎn)定量法測(cè)定，分別用氣相色譜法及液相色譜法測(cè)定，測(cè)定結(jié)果(換算為稀釋前濃度)列于表7。

表7 生態(tài)環(huán)境部萘溶液測(cè)定數(shù)據(jù)

通過(guò)表7 中數(shù)據(jù)可知，測(cè)定結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值的相對(duì)誤差為0.20%～0.24%，準(zhǔn)確性好，說(shuō)明溶劑比例一致，測(cè)定結(jié)果可信度高。

3.6 二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值核驗(yàn)

分別采用氣相色譜法和液相色譜法對(duì)筆者研制的二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行量值核驗(yàn)，儀器校準(zhǔn)液采用中國(guó)計(jì)量院的甲醇中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，溶液稀釋方法見(jiàn)表8，稀釋后溶劑一致，均為甲醇-二氯甲烷溶液(體積比為1∶1)。量值核驗(yàn)的氣相色譜圖和液相色譜圖分別如圖3 和圖4 所示。

表8 二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稀釋方法

圖3 二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)氣相色譜圖

圖4 二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)液相色譜圖

兩種方法量值核驗(yàn)結(jié)果(換算為稀釋前濃度)見(jiàn)表9。

表9 二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品測(cè)定數(shù)據(jù)

由表9 可見(jiàn)，兩種方法測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.33%～0.57%(n=7)，與配制值的相對(duì)誤差為0.18%～0.89%，說(shuō)明方法精密度和準(zhǔn)確度較好，滿足標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)要求[12]。

3.7 定值結(jié)果

經(jīng)上述量值核驗(yàn)，其核驗(yàn)結(jié)果在配制值及不確定度范圍內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)值采用配制值，不確定度主要由原料純度、稱量、定容等制備過(guò)程及均勻性和穩(wěn)定性引入的不確定度分量合成，并以擴(kuò)展不確定度表示[13-14]，擴(kuò)展因子k=2，定值結(jié)果及不確定度如表10 所示。

表10 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值結(jié)果及不確定度 mg/L

4 結(jié)語(yǔ)

研制了二氯甲烷中萘溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)包括100 mg/L 和200 mg/L 兩種濃度。突破了二氯甲烷在灌封過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)，確定了低溫灌裝工藝，最佳封口條件為-25 ℃冷凍溫度及20 min冷凍時(shí)間，灌封過(guò)程不確定度對(duì)均勻性影響較小，可忽略不計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)達(dá)到同類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)水平，是對(duì)我國(guó)該類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)系列的補(bǔ)充，填補(bǔ)了該類溶劑介質(zhì)的空白。該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)已應(yīng)用于我國(guó)西北地區(qū)某水庫(kù)水中萘的監(jiān)測(cè)[15]，為預(yù)防水庫(kù)周邊企業(yè)對(duì)庫(kù)區(qū)水質(zhì)的影響提供科學(xué)依據(jù)。