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摘 要： 采用頂空氣相色譜法測(cè)定土壤中氯苯含量，并對(duì)其測(cè)量不確定度進(jìn)行評(píng)定。依據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》建立數(shù)學(xué)模型，分析不確定度的主要來(lái)源，分別對(duì)標(biāo)準(zhǔn)系列配制過(guò)程、標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合、自動(dòng)進(jìn)樣器取樣、樣品稱(chēng)量、樣品的干物質(zhì)含量、樣品制備過(guò)程及樣品測(cè)量重復(fù)性等不確定度分量進(jìn)行評(píng)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合和樣品測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量最大，當(dāng)實(shí)際土壤樣品中氯苯含量為0.033 mg/kg時(shí)，擴(kuò)展不確定度為0.006 mg/kg（k=2）。該評(píng)定結(jié)果可為實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氯苯含量檢測(cè)和實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制提供參考依據(jù)。

 

關(guān)鍵詞： 頂空氣相色譜法； 土壤； 氯苯； 不確定度

 

不確定度是對(duì)測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，它表明了測(cè)量結(jié)果的可信賴(lài)程度。不確定度值越小，質(zhì)量越高，測(cè)量結(jié)果與真值越接近，結(jié)果可信度越高［1］。目前，對(duì)氣相色譜法測(cè)定各種有機(jī)物的不確定度評(píng)定報(bào)道較多，主要涉及環(huán)境［2-5］、醫(yī)藥［6-7］、化妝品［8-9］、工業(yè)原料［10］等。土壤中有機(jī)物的測(cè)量不確定度評(píng)定雖有報(bào)道［11-15］，但對(duì)于頂空氣相色譜法測(cè)定土壤中揮發(fā)性有機(jī)物的測(cè)量不確定度評(píng)定尚未見(jiàn)報(bào)道。筆者參照HJ 741—2015《土壤和沉積物揮發(fā)性有機(jī)物測(cè)定》，采用頂空氣相色譜法對(duì)土壤中氯苯含量進(jìn)行測(cè)定，對(duì)其不確定度來(lái)源進(jìn)行分析，并對(duì)各不確定度分量進(jìn)行評(píng)定，得出擴(kuò)展不確定度，為測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供依據(jù)。

 

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和主要試劑

氣相色譜儀：7820 A型，帶氫火焰離子化檢測(cè)器，安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

自動(dòng)頂空進(jìn)樣器：MODEL-DK 5001 B型，配有22 mL頂空瓶，北京中興嘉乘儀器有限公司。

電熱鼓風(fēng)干燥箱：101型，北京科偉永興儀器有限公司。

調(diào)速多用震蕩器：HY-2型，江蘇金壇市重大儀器廠(chǎng)。

電子天平：MR204型，感量為0.1 mg，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司。

VOCs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：含二氯甲烷、反-1， 2-二氯乙烯、順-1，2-二氯乙烯、三氯甲烷、1，1，1-三氯乙烷、四氯化碳、三氯乙烯、1，2-二氯丙烷、溴二氯甲烷、1，1，2-三氯乙烷、四氯乙烯、二溴一氯甲烷、三溴甲烷、1-氯乙烯、1，1-二氯乙烯、1，2-二氯乙烷、苯、甲苯、氯苯、乙苯、間二甲苯、對(duì)二甲苯、鄰二甲苯、苯乙烯、1，4-二氯苯、1，2-二氯苯和1，2，4-三氯苯等27種VOCs，質(zhì)量濃度均為200 mg/mL，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為2-H331209ME，德國(guó)Dr.Ehrenstorfer公司。

氯化鈉：優(yōu)級(jí)純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司，使用前于400 ℃烘烤4 h，置于干燥器中冷卻至室溫，轉(zhuǎn)移至磨口玻璃瓶中保存。

飽和氯化鈉溶液：量取500 mL水，滴加幾滴磷酸調(diào)節(jié)pH≤2，加入180 g氯化鈉，溶解并混勻，于4 ℃下保存，可保存6個(gè)月。甲醇：色譜純，天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

石英砂：分析純，粒徑為42~74μm（20～50目），天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司。

土壤樣品：某化工廠(chǎng)附近土壤。

實(shí)驗(yàn)用水為二級(jí)蒸餾水。

1.2 儀器工作條件

1.2.1 頂空進(jìn)樣器

加熱平衡溫度：85 ℃；加熱平衡時(shí)間：50 min；取樣針溫度：100 ℃；傳輸線(xiàn)溫度：110 ℃；進(jìn)樣時(shí)間：0.2 min；拔針時(shí)間：0.4 min。

1.2.2 色譜儀

色譜柱：AE·OV-1301毛細(xì)管柱（60 m×0.25 mm，1.4 μm，蘭州市中科安泰分析科技有限責(zé)任公司）；升溫程序：初始溫度為40 ℃保持5 min，以8 ℃/min升溫至100 ℃，保持5 min，再以6 ℃/min升溫至200 ℃，保持10 min；進(jìn)樣口溫度：220 ℃；檢測(cè)器溫度：240 ℃；載氣：氮?dú)猓w積分?jǐn)?shù)為99.99%）流量為1.2 mL/min；燃?xì)猓簹錃猓w積分?jǐn)?shù)為99.99%），流量為40 mL/min；助燃?xì)猓嚎諝?，流量?00 mL/min；分流進(jìn)樣：4∶1；尾吹氣流量：35 mL/min。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)繪制

向6只頂空瓶中加入2.00 g石英砂、10.00 mL飽和氯化鈉溶液，再分別加入VOCs混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液0.00、0.50、1.00、2.50、5.00、10.00 μL，立刻密封，配制成含量（質(zhì)量）為0.00、0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 μg的VOCs系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，將其置于振蕩器中，以150次/min的頻率振蕩15 min，然后放入頂空進(jìn)樣器，自動(dòng)進(jìn)樣1.0 mL氣體，按照1.2儀器工作條件進(jìn)行分析，以VOCs的質(zhì)量為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的色譜峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)。

1.3.2 樣品采集

將已稱(chēng)重的頂空瓶帶到現(xiàn)場(chǎng)，加入飽和氯化鈉溶液10.00 mL。用采集器采集約2.00 g土壤樣品于頂空瓶中，不要攪動(dòng)土樣，立即密封，置于冷藏箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室。同時(shí)用鐵鏟將樣品盡快采集到采樣瓶，并填滿(mǎn)，密封采樣瓶，置于冷藏箱內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，此樣品用于土壤干物質(zhì)含量的測(cè)定。

1.3.3 樣品分析

將現(xiàn)場(chǎng)封好的裝有實(shí)際樣品的頂空瓶取出放置至室溫，稱(chēng)重后，在振蕩器上以150次/min的頻率振蕩15 min，然后裝入頂空進(jìn)樣器，自動(dòng)進(jìn)樣1.0 mL氣體，按照1.2儀器工作條件進(jìn)行分析。

1.3.4 土壤干物質(zhì)含量

將稱(chēng)量瓶和蓋子洗凈，置于（105±5） ℃下烘干1 h，稍冷，蓋好蓋子，然后置于干燥器中，至少冷卻45 min，在天平上稱(chēng)量，質(zhì)量為m0，精確至0.01 g。用樣品勺取15.00 g風(fēng)干土壤樣品于已稱(chēng)重帶蓋的稱(chēng)量瓶中，蓋好蓋子，在天平上稱(chēng)量，質(zhì)量為m1，精確至0.01 g。取下蓋子，將盛有樣品的稱(chēng)量瓶和蓋子一并放入烘箱中，在（105±5） ℃下烘干至恒重，稍冷，蓋上蓋子，置于干燥器中至少冷卻45 min，取出后立即稱(chēng)量，質(zhì)量為m2，精確至0.01 g。土壤樣品干物質(zhì)含量Wdm按公式（1）計(jì)算：

(1)

1.3.5 空白樣品分析精密稱(chēng)取2.00 g石英砂于頂空瓶中，加入飽和氯化鈉溶液10.00 mL，立刻密封，置于振蕩器上，以150次/min的頻率振蕩15 min，然后裝入頂空進(jìn)樣器中，自動(dòng)進(jìn)樣1.0 mL氣體，再按照1.2儀器工作條件進(jìn)行分析。

 

2 數(shù)學(xué)模型

(2)

式中： w——樣品中揮發(fā)性有機(jī)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；ms——利用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)所得樣品的質(zhì)量，μg；mi——稱(chēng)樣質(zhì)量，g；wd——樣品的干物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；fr——重復(fù)性校正因子。由數(shù)學(xué)模型分析，各不確定度分量之間互不相關(guān)，按照不確定度的傳播規(guī)律，得到合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

 

3 不確定度來(lái)源

從數(shù)學(xué)模型分析，不確定度來(lái)源主要有以下幾個(gè)方面：（1）標(biāo)準(zhǔn)系列制備過(guò)程引入的不確定度u（cs）；（2）標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合引入的不確定度u（c）；（3）自動(dòng)取樣器取樣引入的不確定度u（vs）；（4）稱(chēng)樣量引入的不確定度u（mi）；（5）樣品的干物質(zhì)含量引起的不確定度u（wd）；（6） 樣品測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度u（r）。

 

4 不確定度分量評(píng)定

4.1 標(biāo)準(zhǔn)系列制備過(guò)程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(cs)

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(w)從氯苯標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液標(biāo)準(zhǔn)品證書(shū)知，其標(biāo)準(zhǔn)值為（200±6.9）μg/mL，按照正態(tài)分布（置信概率為95%，k=2），則由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

（μg/mL）

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.1.2 微量注射器移取標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(v1)在系列標(biāo)準(zhǔn)溶液制備過(guò)程中，分別使用了5、10 μL微量注射器。一方面，5 μL微量注射器證書(shū)說(shuō)明其容量允差為±0.01 μL，按照矩陣分布處理，k=，則微量注射器容量允差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.01/=0.005 77 μL；10 μL微量注射器證書(shū)說(shuō)明其容量允差為±0.02 μL，按矩陣分布處理，k=，10 μL微量注射器容量允差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.02/= 0.011 5 μL。制備氯苯系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液過(guò)程中，由微量注射器容量允差引入的不確定度見(jiàn)表1。

表1   系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制過(guò)程中微量注射器容量允差引入的不確定度

Tab. 1   Uncertainty introduced by microsyringe volume tolerance during the preparation of a series of mixed standard working solutions

 

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，計(jì)算由微量注射器容量允差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

0.013 2

另一方面，在（20±5）℃溫度下，采用微量注射器取0.50 µL氯苯標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，由實(shí)驗(yàn)室溫度效應(yīng)引起的體積變化為0.50 µL×5 ℃×1.02×10-3 = 0.002 55 µL，其中1.02×10-3為氯苯的熱膨脹系數(shù)，按照矩陣分布處理，k=，計(jì)算此時(shí)由實(shí)驗(yàn)室溫度效應(yīng)引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.001 47，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u'c11=0.002 94。同理，采用微量注射器分別移取1.00、2.50、5.00、10.00 µL氯苯標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，由實(shí)驗(yàn)室溫度效應(yīng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.002 94、0.007 36、0.014 7、0.029 4，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為均為0.002 94。由此計(jì)算，采用微量注射器取氯苯系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液時(shí)，由溫度效應(yīng)引入的相對(duì)不確定度為urel（v12）=0.006 57。綜上，由微量注射器移取標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：urel（v1）==0.014 7

4.1.3 10 mL移液管移取氯化鈉引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(v)采用10 mL移液管向20 mL頂空瓶中加入10 mL飽和氯化鈉溶液。一方面，由JJG 196—2006《常用玻璃量器檢定規(guī)程》可知，10 mL單標(biāo)線(xiàn)移液管的最大容量允差為±0.02 mL，按均勻分布處理，k=，10 mL單標(biāo)線(xiàn)移液管容量允差引入的不確定度：

吸取10 mL飽和氯化鈉溶液移液管容量允差引入的相對(duì)不確定度：

另一方面，在（20±5）℃溫度下，10 mL飽和氯化鈉溫度引起的體積變化為10 mL×5 ℃×3.0×10-4= 0.015 mL，其中，3.0×10-4是飽和氯化鈉的熱膨脹系數(shù)，按照矩陣分布處理，由實(shí)驗(yàn)室溫度效應(yīng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（v3）為0.008 66 mL，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（v3）為0.000 866。綜上，由10 mL移液管移取氯化鈉引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：urel（v）==0.001 44因此，由系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液制備引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：=0.022 7

4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合時(shí)測(cè)量樣品引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(c)

在繪制氯苯標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)時(shí)，采用（200 ± 6.9） μg/mL標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液，分別配制了0.10、0.20、0.50、1.00、2.00 μg 5種含量的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，每個(gè)含量點(diǎn)測(cè)定3次，以VOCs的質(zhì)量（c）為橫坐標(biāo)，對(duì)應(yīng)的色譜峰面積（y）為縱坐標(biāo)，采用線(xiàn)性回歸，得到曲線(xiàn)的線(xiàn)性方程y=719 335c+5 954.3（k為標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)斜率，b為截距），相關(guān)系數(shù)為0.999 9。由曲線(xiàn)擬合時(shí)樣品測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照公式（3）計(jì)算：

(3)

式中：——樣品測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；s（A）——標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積殘差的標(biāo)準(zhǔn)差；k——標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)的斜率；p——樣品測(cè)量次數(shù)，p=6；n——測(cè)定次數(shù)，n=15；c——土壤樣品中氯苯的質(zhì)量，μg；c?s——系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中氯苯含量的平均值，μg；sqc——標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度殘余標(biāo)準(zhǔn)差的平方和。對(duì)土壤樣品進(jìn)行6次測(cè)量，由樣品中氯苯的峰面積，從標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)回歸方程中求出土壤樣品中氯苯的平均質(zhì)量為0.066 μg，經(jīng)計(jì)算，系列混合標(biāo)準(zhǔn)工作溶液中氯苯的平均質(zhì)量c?s為0.76 μg，則標(biāo)準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.081 2。

4.3 自動(dòng)取樣器引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(vs)

頂空自動(dòng)進(jìn)樣器取1 mL樣品進(jìn)入頂空進(jìn)樣器中，自動(dòng)進(jìn)樣器取樣時(shí)容量允差為±0.05 mL，按照均勻分布考慮，k=，由頂空自動(dòng)進(jìn)樣器取樣引入的體積標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由頂空自動(dòng)進(jìn)樣器取樣1 mL引入的體積相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.4 樣品稱(chēng)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(mi)

HJ 741—2015《土壤和沉積物揮發(fā)性有機(jī)物測(cè)定》方法要求樣品稱(chēng)量準(zhǔn)確至0.01 g，稱(chēng)樣天平檢定證書(shū)給定的最大允許誤差為0.01 g，按均勻分布處理，k=，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.01/=0.005 77。使用電子天平稱(chēng)取樣品時(shí)需經(jīng)過(guò)2次獨(dú)立稱(chēng)量（1次空盤(pán)和1次毛重），因此天平的校準(zhǔn)不確定度：

則樣品稱(chēng)量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

4.5 樣品的干物質(zhì)含量引起的不確定度urel（wd）

樣品的干物質(zhì)含量引起的不確定度主要是由樣品稱(chēng)量引起的，按1.3.4土壤干物質(zhì)含量要求稱(chēng)量準(zhǔn)確至0.01 g，按照稱(chēng)樣天平檢定證書(shū)給定的最大允許誤差為0.01 g，按照均勻分布處理，k=，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.01/=0.005 77。在進(jìn)行土壤干物質(zhì)含量測(cè)定時(shí)，使用天平稱(chēng)取樣品需經(jīng)過(guò)3次獨(dú)立稱(chēng)量（1次帶蓋稱(chēng)量瓶、1次風(fēng)干土壤樣品和帶蓋稱(chēng)量瓶、1次烘過(guò)的土壤樣品和帶蓋稱(chēng)量瓶），因此由天平校準(zhǔn)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為，則樣品干物質(zhì)含量引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：urel（wd）=0.000 67

4.6 測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(r)

參照1.3.2方法對(duì)某化工廠(chǎng)附近土壤樣進(jìn)行采集，于1.2儀器工作條件下對(duì)6份樣品中氯苯進(jìn)行測(cè)定，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。由表3數(shù)據(jù)可以計(jì)算得土壤樣品中氯苯的平均質(zhì)量為0.066 g，則樣品測(cè)量重復(fù)性的標(biāo)準(zhǔn)差按照貝塞爾公式計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)偏差s（r）=0.002 93。

表3   土壤樣品中氯苯6次平行樣測(cè)定結(jié)果

Tab. 3   Determination results of chlorobenzene in soil samples by 6 parallel samples

 

通過(guò)表3數(shù)據(jù)計(jì)算6次測(cè)量結(jié)果的平均值=0.033 mg/kg，將其作為實(shí)際樣品測(cè)試數(shù)據(jù)，則測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

那么，測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

 

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

評(píng)定出的各不確定度分量見(jiàn)表4。各分量相互獨(dú)立，互不相關(guān)，由各相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量引入合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度ucrel(w)=0.092 0。

表4   各不確定度分量

Tab. 4   Uncertainty components

 

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：=0.003 04 mg/kg

 

6 擴(kuò)展不確定度

合成不確定度是在標(biāo)準(zhǔn)不確定度基礎(chǔ)上得來(lái)的，而標(biāo)準(zhǔn)不確定度只是給出了在測(cè)量結(jié)果所在區(qū)間內(nèi)，被測(cè)量值可能出現(xiàn)的那一部分，其可信度不高。為了提高對(duì)測(cè)量結(jié)果所在區(qū)間評(píng)定的可信度，需加以擴(kuò)展，引進(jìn)擴(kuò)展不確定度，用合成不確定度乘以包含因子k，在絕大多數(shù)情況下，取擴(kuò)展因子k=2，符合正態(tài)分布對(duì)應(yīng)的置信概率約為95%，因此擴(kuò)展不確定度： ≈ 0.006 mg/kg某化工廠(chǎng)附近土壤樣品中氯苯含量結(jié)果表示為（0.033±0.006） mg/kg。

 

7 結(jié)論

采用頂空氣相色譜測(cè)定土壤中氯苯含量，對(duì)其測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，計(jì)算出其擴(kuò)展不確定度為0.006 mg/kg，某化工廠(chǎng)附近土壤樣品中氯苯含量結(jié)果可以表示為（0.033±0.006）mg/kg，k=2；由標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合測(cè)量樣品及樣品測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量最大，由樣品的干物質(zhì)含量引入的不確定分量最小。

 

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