水的飽和辛醇溶液水分標準物質的研制

王海峰，馬康，張偉，李占元

中國計量科學研究院，北京 100013

水的飽和辛醇溶液水分標準物質的研制

王海峰，馬康，張偉，李占元

中國計量科學研究院，北京 100013

生物燃料的國家標準規定了產品的技術指標和相應的檢測方法。水的飽和辛醇溶液的水分標準物質，用于生物燃料水分測量時儀器的校準和方法的驗證，能夠保障測量結果的準確可靠和等效一致。該標準物質采用卡爾·費休庫侖法、卡爾·費休容量法和定量核磁共振等三種不同原理的方法定值。通過方法研究和改進，實現了庫侖法和容量法的一致；通過引入新的核磁共振方法，提高了結果的準確性。最終標準物質的水分量值為4.76%，擴展不確定度為0.09%。

水分，標準物質，不確定度，卡爾·費休庫侖法，卡爾·費休·容量法，核磁共振

Abstract:The national standards of biofuels specify the technique specification and analytical methods. A water content certified reference material based on the water saturated octanol was developed in order to satisfy the needs of the instrument calibration and the methods validation, assure the accuracy and consistency of results in water content measurements of biofuels. Three analytical methods based on different theories were employed to certify the water content of the reference material, including Karl Fischer coulometric titration, Karl Fischer volumetric titration and quantitative nuclear magnetic resonance. The consistency of coulometric and volumetric titration was achieved through the improvement of methods. The accuracy of the certified result was improved by the introduction of the new method of quantitative nuclear magnetic resonance. Finally, the certified value of reference material is 4.76%with an expanded uncertainty of 0.09%.

Keywords:water content, reference materials, uncertainty, Karl Fischer coulometry, Karl Fischer volumetry, quantitative nuclear magnetic resonance

隨著國內生物能源的快速發展，我國參考國際標準制定了生物乙醇、乙醇汽油和生物柴油的國家標準[1-3]，具體規定了燃料產品的技術指標和檢測方法。這些檢測方法大多數基于相對法原理，需要使用標準物質校準測量儀器。例如，生物燃料中水分含量通常用卡爾·費休容量法和庫侖法測量。容量法是一種相對測量方法，儀器需要用標準物質測定卡爾·費休試劑的滴定度，即校準儀器，才能測量實際樣品[1]。庫侖法雖然是一種絕對測量方法，水分結果可以從電解電量計算得到；但是庫侖法仍然需要標準物質對測量方法進行檢驗，以確認其準確性[4]。標準物質通常由具有最高準確度等級的權威方法定值，其結果能夠溯源到國際單位上；若是沒有公認的權威方法，則由多種不同原理的方法共同定值，如果多種方法的結果一致，那么定值結果與真值接近的可能性就更大，亦即結果具有更好的準確性[5]。由此可見，標準物質是量值溯源的載體，合理使用標準物質有助于實現測量結果的準確可靠和等效一致。

用于校準卡爾·費休滴定儀的標準物質，最早采用含有結晶水的無機鹽，如二水合酒石酸鈉 (水分含量15.66%)，主要是利用了無機鹽良好的穩定性[6-7]。但是固體物質進樣時需要打開滴定池，對于庫侖法來說，容易造成較高的漂移，因此影響測量結果。以甲醇為基體的液體水分標準物質，雖然便于進樣，配制也簡單，但是由于甲醇的高揮發性，量值穩定性較差[8]。美國國家標準與技術研究院(National Institute of Standard and Technology，NIST)研制了以水的飽和辛醇溶液為基體的水分標準物質 (SRM 2890)，水分含量4.73%，擴展不確定度為0.10%[9-10]。其定值方法采用了卡爾·費休庫侖法和容量法，以及基于庫侖法的多家實驗室聯合定值，量值準確可靠，穩定性和均勻性良好，得到了廣泛認可[11]。大多數商品化的水分標準樣品都溯源到SRM 2890，因此該標準物質對國際范圍水分測量的量值溯源都產生了重要影響。

然而，SRM 2890尚有一些不足：首先，對于水分含量低的樣品，如柴油 (小于0.05%)，使用該標準物質校準并不方便，需要其他水分含量不同的系列標準物質[3]；其次，該標準物質的兩種定值方法的原理并不完全獨立，并且兩種方法間差距較大(相對誤差達 1.3%)，準確性尚待提高[9]；最后，基于庫侖法的多家實驗室聯合定值，不考慮測量方法和條件引入的系統誤差，由測量結果分散性引入的量值不確定度較大[9]。本文報道一種基于水的飽和辛醇溶液的水分含量標準物質。通過改進庫侖法，引入新的定值方法 (定量核磁共振，quantitative magnetic resonance，QNMR)，提高了定值的準確性，減小了標準物質的水分量值不確定度。

1 材料與方法

1.1 材料

1-辛醇為分析純，購自國藥化學試劑公司；水為自制去離子水；卡爾·費休試劑購自Fluka公司。氘代氯仿購自英國劍橋同位素公司；尼泊金乙酯標準物質GBW(E)100064，來自中國計量科學研究院。

1.2 方法

水的飽和辛醇溶液標準物質的制備：在5 L的容量瓶中加入3.5 L辛醇和0.5 L水，攪拌24 h后靜置48 h，移出上層水的飽和辛醇溶液，分裝到10 mL安瓿瓶，每支5 mL，共500支。

水分標準樣品的制備 (僅用于實驗方法研究)：將2個20 mL帶橡膠蓋的玻璃瓶在95 ℃下烘干24 h，置于盛有五氧化二磷的干燥器中冷卻至室溫。在空白瓶中加入10 mL辛醇后，迅速用封口器封口；在樣品瓶中加入10 mL辛醇后稱重，再加入約0.16 g水，稱重后用封口器封口，混勻后備用。用庫侖法測出空白溶劑水分。根據空白溶劑水分和添加水分計算出標樣的水分含量。該水分標樣的水分含量約為2%，配制值的不確定度約為0.006%；配制10 h內使用。

卡爾·費休法測量水分的基本原理是基于在非水溶劑體系下，碘、二氧化硫和水按照 1∶1∶1的化學計量比反應 (式1、2和3)[12]。

總反應式：

庫侖法是通過電解反應生成碘分子參與卡爾·費休反應，根據法拉第定律通過電量計算總碘量，從而得到水分含量。DL39型庫侖滴定儀，瑞士梅特勒－托利多公司。使用有隔膜電極時，陽極液用Coulomat A和AG；使用無隔膜電極時，陽極液用Coulomat AG和AG-H；陰極液均用Coulomat CG。單次測量水分進樣量200~300 μg。

容量法是滴加已知濃度的碘溶液參與卡爾·費休反應。含有碘的滴定劑采用上述水分標樣標定。V30型容量法滴定儀為瑞士梅特勒-托利多公司生產。使用雙組分試劑，滴定劑為Titrant 2型，滴定度約為2 mg/mL，溶劑為Solvent型。單次測量水分進樣量為 2 000 μg。

NMR：不同分子的不同位置上的氫原子，如果數量相同，其核磁共振峰強度則相同。基于該原理，可以通過比較樣品中水分子的氫原子與內標物指定位置的氫原子的核磁共振峰強度來測定樣品水分含量[13]。

上式中 Px是樣品水分含量；Ix和 IStd是樣品和內標的共振峰面積；NStd和 Nx是內標和樣品的自旋數；Mx和MStd是水和內標的分子量；mStd和m是內標和樣品的質量；PStd是內標的純度。Bruker公司AVANCE DRX-600型核磁共振儀。稱量一定量的尼泊金乙酯加入一定量的氘代氯仿中，混合均勻后測量空白水分；稱量一定量的水的辛醇飽和溶液，加入尼泊金乙酯內標溶液中，混合均勻后測量總水分。總水分扣除空白水分后即樣品水分。

2 結果與分析

2.1 卡爾·費休庫侖法

使用實驗室配制的水分標樣，研究了影響庫侖法準確性的相關因素，包括卡氏試劑的種類、電極結構和進樣量。圖 1是使用有隔膜電極或無隔膜電極與不同卡氏試劑的組合，得到的水分測量結果。結果表明，使用有隔膜電極時，采用Coulomat A和AG陽極液，水分測量結果分別為配制值的98.57%和98.15%。使用無隔膜電極時，采用Coulomat AG和 AG-H陽極液，水分測量結果分別為配制值的99.93%和106.56%。可見，無隔膜電極測量結果高于有隔膜電極；另一方面，同是無隔膜電極，Coulomat A陽極液的結果高于AG，同是有隔膜電極，Coulomat AG-H陽極液的結果高于AG。綜合來看，采用無隔膜電極和Coulomat AG陽極液的組合，能夠獲得與配制值一致的結果。

圖1 不同電極結構和卡氏試劑種類的水分測量結果Fig. 1 Recovery results with different cell and Karl Fischer reagents.

圖 2是不同進樣量對應的水分測量值結果 (無隔膜電極和Coulomat AG陽極液)。結果表明，水進樣量在 (50~450) μg范圍內，測量值與配制值的比值在 (99.65%~100.47%) 范圍內，說明庫侖法測量結果在較寬的范圍內具有較高的準確性。在通常的進樣量范圍內 (200~450) μg，測量值與配制值的平均偏差為0.15%。

圖 3是不同水分含量的水分標樣的測量結果。水分含量在 (0.5%~4.0%) 范圍內，水分測量值與配制值的比值在 (99.78%~99.93%) 范圍內，說明對于不同水分含量的樣品，庫侖法測量結果具有較高的準確性。水分含量為 0.37%時，該比值為99.12%，其較大的偏差可能來自低水分含量的標樣配制過程中的水分蒸發。

圖2 不同進樣量下的水分測量結果Fig. 2 Recovery results of varied water titration.

圖3 不同水分配制值的測量結果Fig. 3 Recovery results of prepared sample with varied water content.

綜上所述，采用優化的庫侖法為水的飽和辛醇溶液標準物質定值。隨機取15瓶樣品，每瓶測量3次，共計45次，測量平均值為4.756%，相對標準偏差 (Standard deviation，s) 為 0.38% (表 1)。

表1 標準物質的庫侖法、容量法和NMR法定值結果Table 1 Results of reference material by coulometry,volumetry and NMR

2.2 卡爾·費休容量法

在容量法同一天系列測試中，滴定度有逐漸降低的趨勢，多次 (約8次) 測試后，滴定度逐漸穩定。采用以下措施保證測量具有良好重復性：首先，每天開機時移出約 1/2原溶劑，再加入適量新溶劑；其次，進行8次預測試后，再正式測量樣品；最后，交叉測定水分標樣和待測樣品，以臨近的 2個水分標樣作為外標，對待測樣品測量值進行修正。最后，采用優化的容量法為水的飽和辛醇溶液標準物質定值。隨機取10瓶樣品，每瓶測量2次，共計20次，測量平均值為4.770%，相對標準偏差為0.41% (表1)。容量法與庫侖法結果的相對偏差僅為 0.29%，而NIST的SRM 2890的該偏差為1.3%。

2.3 定量核磁共振法

尼泊金乙酯標準物質，純度為 99.7%，擴展不確定度為0.3%[11]。在NMR測量中，以尼泊金乙酯的亞甲基峰為內標 (δ4.33，2H)，測量水分含量(δ2.22，圖4)。在測空白水分時，不僅包括了溶劑中的微量水分，還包括了尼泊金乙酯中的水分，以及操作過程中可能吸收的空氣中水分。根據公式 3，測量得到空白水分平均值為 0.0336%。在測量樣品水分時，調節樣品進樣量，使得水的氫原子和內標指定位置氫原子的數量盡量一致 (圖 4)。扣除空白水分后，6次測量結果的平均值為4.746%，相對標準偏差為0.50%。NMR的結果與庫侖法的相對偏差為0.21%。

圖4 含有內標的樣品核磁共振譜Fig. 4 NMR spectrum of sample with internal standard.

3 討論

卡爾·費休庫侖法通過法拉第定律計算水分含量，是水分測量的絕對方法。事實上，該法假設電解效率 (f1) 為 100%，并且水和碘分子化學計量比為 1∶1 (f2=1) (公式 5)。

上式中，x為水分含量；W為水的質量；m為樣品質量；Q為電解電量；M為水的分子量；F為法拉第常數；n為電極反應電子轉移數；i是電解電流；t是電解時間。

商業化庫侖滴定儀通過較高的電解電流和脈沖電解方式，使得電解效率接近100%[14]。卡爾·費休反應的主要副反應是 Busen反應，即水和碘分子按照化學計量比 2∶1反應，使得測量結果低于真值(公式6)[12]。相同的電極結構，采用不同卡氏試劑測量結果不同，原因是不同試劑中卡爾·費休反應和Busen反應的反應速率不同[15]。卡爾·費休庫侖法的副反應還包括陰極電解產物在陽極的再氧化以及碘被陰極直接還原，導致了電量的過多消耗，使得測量結果偏高[15]。有隔膜電極將陽極區和陰極區分開，避免了該副反應；無隔膜電極陰極和陽極同在一個電解池中，該副反應明顯 (圖 1)。使用無隔膜電極和Coulomat AG陽極液的組合，同時存在2個副反應，相互抵銷使得測量值接近配制值 (99.93%)。因此，庫侖法和容量法結果偏差較小 (0.29%)；而NIST的SRM2890的庫侖法和容量法結果有較大偏差 (1.3%)，原因主要是庫侖法存在系統誤差[9]。

庫侖法的電解效率和副反應比例目前尚無法準確定量，因此庫侖法不是水分測量的權威方法，定值還需要其他獨立原理的方法。

容量法通過配制的水分標樣校準滴定度后實現準確測量。水分標樣的配制值溯源到庫侖法和重量法上，因此容量法和庫侖法從嚴格意義上說并不是原理完全獨立的兩種方法。容量法的優勢在于校準和測量在相同條件下進行，被測對象基體相同，有效地消除了系統誤差。 僅用庫侖法和容量法為水分標準物質定值有一定局限，原因在于：庫侖法和容量法原理并不完全獨立，不符合標準物質定值的技術要求[5]；兩種方法都依賴實驗室內配制的水分標樣，庫侖法需要其評價方法準確性，容量法需要其校準滴定度，水分標樣配制、定值和穩定性評價過程中產生的系統誤差將影響兩種方法的準確性。因此，需要一個不同原理的，量值溯源可靠和準確性良好的方法參與定值。

核磁共振方法通過內標的純品標準物質使水分量值溯源到有機物純度上，形成了一個新的量值溯源鏈[13]。而內標尼泊金乙酯的純度由凝固點下降裝置測定；該裝置根據凝固點下降原理，即純物質含有微量雜質，導致其熔點 (凝固點) 降低，降低的程度與雜質的含量成正比[16]。該法將純度結果溯源到國際單位上 (溫度和質量)，是純物質純度定值的一種絕對測量方法，準確性高，被認為是有機物純度定值潛在的權威方法。

綜上所述，定值在缺乏權威測量方法的情況下，選用了庫侖法、容量法和 NMR三種方法，水分定值結果取三種方法的平均值，為 4.76%；定值結果的不確定度由三種方法不確定度合成，最終擴展不確定度為0.09% (擴展因子k=2)。相比于NIST的同種標準物質 SRM 2890，此標準物質引入了原理獨立、量值溯源可靠的 NMR方法，三種方法測量結果一致性更好，因此具有更高的準確性。

在上述工作的基礎上，為了滿足測量對不同水分含量標準物質的需求，我們還研制了其他三種水分含量在 1%，0.2%和0.04%的水的飽和有機溶液水分標準物質。這一系列標準物質的研制，將為液體和固體樣品 (特別是液體燃料樣品) 的水分測量，提供量值溯源的保障。容量法和庫侖法都可以使用該標準物質進行校準，使得不同實驗室、不同品牌儀器、不同卡氏試劑和測量條件，都能獲得準確和等效一致的測量結果。

從上述工作中，可以看到目前水分測量尚缺乏權威測量方法，而作為絕對方法的庫侖法可能最有潛力成為權威方法。我們將在電解效率、卡爾·費休副反應機制和卡氏試劑組成等方面開展深入研究，目標是盡量減少副反應，精確定量各項系統誤差以提高準確性，使其接近權威方法。

4 結論

為了保障固體和液體樣品水分測量的量值溯源，我們研制了水的飽和辛醇溶液水分標準物質。通過研究卡爾·費休庫侖法和容量法反應機理，改進實驗條件，獲得了一致的測量結果；通過引入新的水分測量方法——定量核磁共振法，實現了原理完全獨立的不同方法定值。結合不確定度評定，最后給出該標準物質的水分含量為 4.76%，擴展不確定度為0.09% (k=2)。以該標準物質為代表的系列水分標準物質，在儀器校準、方法驗證和方法研究領域有廣泛的應用前景，對保證量值溯源有較大的意義。

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The water content reference material of water saturated octanol

Haifeng Wang, Kang Ma, Wei Zhang, and Zhanyuan Li
National Institute of Metrology, Beijing 100013, China

Received: October 8, 2010; Accepted: December 16, 2010

Supported by: General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine (GAQSIQ) Public Benefit Research Foundation (No.21-AHY-0915), National Institute of Metrology Basic Scientific Research and Operation Foundation (No. 21-AKY-1020).

Corresponding author: Haifeng Wang. Tel/Fax: +86-10-64225042; E-mail: wanghf@nim.ac.cn

國家質檢總局公益性行業科研專項 (No. 21-AHY-0915)，中國計量科學研究院基本科研業務費 (No. 21-AKY-1020) 資助。