離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度評定*

陳寬

(云南煙草科學研究院，煙草化學重點實驗室, 昆明 650106)

氨是44種霍夫曼有害成分之一[1]。氨在新鮮煙葉中的含量很少，煙葉經(jīng)調(diào)制發(fā)酵，由于蛋白質(zhì)、氨基酸的代謝(氧化、脫氧等反應)，氨含量增加。煙葉中的氨基酸、蛋白質(zhì)、硝酸鹽和銨鹽等是卷煙煙氣中氨的前體物[2]。在卷煙中，適量的氨對于碳水化合物和有機酸較多的卷煙是必需的，氨與其它含氮化合物參與了煙氣吃味勁頭的形成。氨含量過低，會造成煙氣勁頭下降，豐滿度不夠；但過量的氨會產(chǎn)生強烈的刺激性，引起吸煙者喉部收縮，使人感到嗆咳鼻腔、舌頭有辛辣難忍的感覺。因此氨對控制卷煙吸味有重要的作用。氨在主流煙氣中的氣相和粒相都有分布[3]。

離子色譜法(IC)作為一種快速、高效、靈敏的檢測技術[4]，是測定卷煙煙氣中氨含量應用最為廣泛的技術。為了符合中國實驗室國家認可委員會(CNAL)認可準則CNAL/AR11:2002測量不確定度政策[5]及在測量數(shù)據(jù)的處理、測量結果的表達和測量結果質(zhì)量評定等方面與國際接軌，根據(jù)JJF 1059-1999[6]，對離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度進行了評定。

1 實驗方法

1.1 主要儀器與試劑

離子色譜儀：ICS-3000型，配備雙泵模塊、檢測器/色譜模塊、自動進樣器模塊和Chromeleon6.8色譜工作站，美國Dionex公司；

20孔道直線式吸煙機：SM450型，英國Cerulean公司；

劍橋濾片：44 mm ，英國Whatman公司；

超純水儀：美國ELGA公司；

往復式搖床振蕩器：HS 501型，德國IKA公司；

NH3標準溶液：1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

濃鹽酸：質(zhì)量分數(shù)為36%～38%，分析純；

實驗用水：電阻率為18.2 MΩ·cm的超純水。

1.2 標準溶液配制

準確移取1 mL NH3標準溶液于100 mL容量瓶中,使用10 mmol/L的稀鹽酸稀釋定容，配制成10 μg/mL母液，再依次稀釋配制成0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 μg/mL的系列標準工作溶液。

1.3 樣品處理

卷煙抽吸時，采用44 mm劍橋濾片收集卷煙主流煙氣粒相物，用20 mL 10 mmol/L HCl吸收液吸收氣相物。抽吸結束后，將44 mm濾片放入100 mL萃取瓶中，再用四分之一濾片(44 mm)擦拭捕集器，一起放入100 mL錐形瓶中，準確加入20 mL HCl吸收液。將錐形瓶放在振蕩器上，振蕩萃取40 min，轉速調(diào)至160 r/min。從主流煙氣氣相吸收液與粒相萃取液中各定量移取5 mL，合并置入25 mL容量瓶，并用10 mmol/L HCl定容，搖勻后，使用濾膜過濾，濾液置入色譜瓶中進行IC分析。

1.4 IC分析條件

色譜柱：IonPac CS12A (250 mm×4 mm )；保護柱：IonPac CG12A(50 mm×4 mm)；淋洗液：MSA溶液，梯度淋洗程序：0～6 min 16 mmol/L MSA，6.1～14.5 min 25 mmol/L MSA，14.6～28 min 16 mmol/L MSA；流速：1.2 mL/min；抑制器電流：90 mA；柱溫：30℃；進樣量：25 μL。

2 數(shù)學模型

樣品中氨含量測定采用外標法，公式為：

(1)

式中：m——卷煙主流煙氣中氨的含量，μg/支；

c——根據(jù)樣品峰面積代入標準工作曲線得到的樣品質(zhì)量濃度，μg/mL；

d——樣品溶液稀釋倍數(shù),d=20/5，其中20為

氣相吸收液和粒相萃取液的體積，5為稀釋時定量移取溶液的體積,mL；

25——樣品稀釋定容的體積，mL；

n——抽煙數(shù)量，支。

3 不確定度來源

從測量過程和數(shù)學模型分析，卷煙主流煙氣中氨含量測量不確定度的主要來源于標準溶液、樣品峰面積的測量、儀器響應值、測量和樣品處理操作過程的差異，可歸納為A類和B類不確定度。

(1)A類不確定度是由重復性測定引入的不確定度[7]。

(2)B類不確定度主要包括以下幾個方面：

①標準溶液引入的不確定度，主要包括標準溶液濃度的不確定度；標準工作液配制過程中量器校準引入的不確定度；標準工作溶液配制過程溫度變化引入的不確定度；

②標準曲線引入的不確定度；

③樣品溶液稀釋因子引入的不確定度，主要包括稀釋過程中量器校準引入的不確定度；稀釋過程溫度變化引入的不確定度。

④樣品處理后的總體積引入的不確定度，主要包括容量瓶校準的不確定度和溫度變化引入的不確定度。

4 不確定度評定

4.1 重復性測定引入的相對標準不確定度

由重復性測定引入的不確定度屬于A類不確定度，對本實驗所用未知樣重復測定6次，平均值為12.04 μg/支，測定結果見表1。

表1 卷煙主流煙氣中氨的含量 μg/支

6次測定結果的標準偏差為：

(μg/支)

則測量重復性引入的標準不確定度為：

(μg/支)

相對標準不確定度為：

4.2 標準溶液引入的相對標準不確定度

(1)標準溶液濃度引入的不確定度u(c)

繪制標準曲線所用的標準溶液購自國家有色金屬分析測試中心，標準質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL，給出的相對擴展不確定度為±0.07%，取擴展因子k=2，則：

urel(c)= 0.7%/2=0.35%

(2)標準溶液稀釋定容引入的不確定度urel(V)

①1 mL 移液管V1的不確定度u(V1)

體積允許誤差引入的不確定度：經(jīng)校準，1 mL移液管體積最大誤差為±0.008 mL，按均勻分布， 則誤差引入的標準不確定度為：

②100 mL單標線容量瓶的不確定度u(V2)

體積允許誤差引入的不確定度： A級100 mL單標線容量瓶的允差極值ΔV為±0.10 mL，按均勻分布考慮，則誤差引入的標準不確定度為：

重復性引入的不確定度：事先對100 mL容量瓶采用衡量法進行10次重復測量，得到標準偏差為0.02 mL，得到重復性引入的標準不確定度為：

u(V2，2)=0.02 mL

因此標準溶液濃度引入的相對標準不確定度為：

=0.58%

4.3 標準曲線引入的相對標準不確定度

對系列標準工作溶液進行測定，測定結果見表2。線性回歸得標準工作曲線A=0.169 7c-0.001 5,r=0.999 9,由此得到斜率B=0.169 7，截距B0=-0.001 5

表2 系列標準工作溶液峰面積測定結果

對樣品進行測量，響應值為0.080 94，通過直線方程，得樣品溶液中氨濃度為：

c0=0.485 8 μg/mL

樣品溶液中氨濃度c0的標準不確定度u(c0)由測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算為：

近日，金鉬股份技術中心科研團隊經(jīng)過技術攻關，成功制備出了外徑8 mm、壁厚0.6 mm、長度達8 m的無縫鉬合金薄壁管，一舉攻克了大長徑比無縫鉬合金薄壁管的關鍵技術。

(2)

其中s為標準溶液峰面積殘差的標準差,其值為：

P=2(對樣品溶液進行2次測量)；

n=15(建立標準曲線時各濃度點共進行15次測量)；Aj為峰面積；cj為標準溶液濃度。

將以上數(shù)據(jù)代入式(2)計算得：

4.4 樣品溶液稀釋因子引入的相對標準不確定度

樣品溶液稀釋時是在同溫下操作，溫度變化不需考慮。處理過程中涉及到兩次稀釋，用到5 mL的吸量管(記為V3)和20 mL的瓶口移液器(記為V4)。

d=V4/V3

(1) 5 mL移液管引入的不確定度

①經(jīng)校準，5 mL移液管體積最大誤差為±0.025 mL，按均勻分布，則引入的標準不確定度為：

(2) 50 mL瓶口移液器移取20 mL溶液引入的不確定度

50 mL瓶口移液器的證書上指出容量的準確度誤差為0.00%，因此只考慮重復性引入的不確定度。

連續(xù)10次用瓶口移液器移取20 mL純水于燒杯中,用天平測得每次純水的質(zhì)量,換算成水的體積,根據(jù)貝塞爾公式,瓶口移液器體積變動性不確定度由10次測量的標準偏差公式計算得s=0.015 mL，即：

u(V4)=0.015 mL

因此，兩次稀釋引入的相對不確定度為：

4.5 樣品處理后的總體積引入的相對標準不確定度

樣品處理后稀釋定容至25 mL容量瓶，引入的不確定度u(V0)有3個來源：容量瓶允許誤差、重復性和溫度。

(1)A級25 mL單標線容量瓶的允差極值ΔV為±0.03 mL，按均勻分布考慮，則25 mL單標線容量瓶引入的不確定度為：

(2) 連續(xù)10次向25 mL容量瓶中加入純水,定容至刻度,用天平測得每次純水的質(zhì)量,換算成水的體積,根據(jù)貝塞爾公式,容量瓶定容變動性不確定度由10次測量的標準偏差公式計算得s=0.017 mL，即：

u(V0,2)=0.017 mL

(3) 實驗室的溫度在±5℃之間變動，水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃，假定為均勻分布，因此溫度控制引入的標準不確定度為:

5 合成標準不確定度

以上各不確定度分量互不相關，則氨檢測結果的相對合成不確定度為：

由試驗數(shù)據(jù)得到該卷煙樣品主流煙氣中氨含量平均值為12.04 μg/支，則氨檢測結果的不確定度為：

u(c)=urel(c)×12.04=0.20 (μg/支)

6 擴展不確定度與結果表示

取置信水平為95%，包含因子k=2，故擴展不確定度為:

U=0.20×2=0.40 (μg/支)

離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的檢測結果表示為：(12.04±0.40) μg/支，k=2。

7 結論

離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度主要來源于測量重復性、標準工作曲線、標準溶液的配制，因此實驗過程中要盡量多做平行測定，取

平均值作為測量結果，更要認真配制標準溶液，確保標準系列各點的濃度準確，這一點與文獻[8]得出的結論一致，也是化學分析工作者所公認的。

[1] Hoffmann D，Hoffmann I. The Changing Cigarette：Chemical Studies and Bilassays[M]//National Cancer Institute’s(NCI) Smoking and Tobacco Control Program Monograph Series 13:Risks associated with smoking cigarettes with low tar machine-measured yields of tar and nicotine 2001.http://cancercontrol.cancer.gov/tcrb/monographs/13/index.html.

[2] Chorng B H，Ron Bassfield，Bettie Dabney，et al. Determination of total ammonia in mainstream smoke[J]. Beitrage Zur Tabakforschung International，2003，20(6)：389-393.

[3] Brunnemann K D，Hoffmann D. Gas chromatographic determination of ammonia in cigarette and cigar smoke[J]. J Chromat Sci，1975(13)：159-163.

[4] 牟世芬，劉克納.離子色譜方法及應用[M].北京：化學工業(yè)出版社，2000：108.

[5] 中國實驗室國家認可委員會.實驗室認可與管理基礎知識[M].北京：中國計量出版社，2003：176.

[6] JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表示[S].

[7] 馮立順，劉洪燕.4-氨基安替比林分光光度法測定水中揮發(fā)酚的不確定度評定[J].冶金分析，2007，27(7):79-78.

[8] 中國實驗室國家認可委員會.化學分析中不確定度的評估指南[M].北京：中國計量出版社，2002.