連續流動法測定煙草中總糖、還原糖、氯、鉀含量的不確定度評定

許 永 李 超 楊乾栩 - 秦云華 - 蔣 薇 劉志華U - 吳億勤 - 蔣次清 - 張承明 - 劉 巍U

(云南中煙工業有限責任公司技術中心，云南 昆明 650231)

煙草中的糖含量與煙葉品質有著密切的關系，而氯、鉀則與煙草的燃吸性和吸濕性密切相關[1]。煙葉化學成分是評判煙葉品質的重要手段之一[2]。目前在煙草行業中，連續流動法被廣泛用于煙草中總糖、還原糖、氯和鉀含量的快速檢測分析，該方法自動化程度較高。1993年，中國實驗室國家認可委員會公布了《測量不確定度表示指南》[3]，自此，不確定度便作為衡量檢測結果可信度的重要指標，陸續應用于化學計量學界，但煙草中對于總糖、還原糖、氯和鉀含量測量不確定度的相關評定分析研究較少[4-8]。目前的研究大多是針對其中的某一種指標來做分析，并計算其擴展不確定度和相應的權重，鮮見有同一種檢測方法同時分析多個指標的不確定度，對不確定度各分量的權重的成因則未見具體分析。為克服前人研究的缺陷，本試驗對連續流動法同時測定煙葉樣品中總糖、還原糖、氯和鉀的檢測過程進行了詳細分析，篩選并明確每一個不確定度的影響因素，同時通過量化各不確定度的分量構成，最終綜合提出該種方法的合成不確定度，以期為實驗室檢測工作的準確性和科學性提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 主要試劑與儀器

樣品：任意抽檢煙葉樣品A，昆明卷煙廠配方庫；

一水葡萄糖：純度≥98%，國藥集團化學試劑有限公司；

氯化鈉：純度≥99.5%，國藥集團化學試劑有限公司；

硫酸鉀：純度≥99%，國藥集團化學試劑有限公司；

其他試劑均為分析純；

連續流動分析儀：AA3型，德國BRAN+LUEBBE公司；

電熱鼓風干燥箱：DHG-9245A型，上海一恒科學儀器有限公司；

電子天平：CP224S型，感量0.000 1 g，德國Sartorius公司；

數字型可調瓶口分液器：50 mL，德國BRAND公司。

1.2 樣品的處理與分析

精確稱取0.250 0 g樣品置于50 mL磨口三角瓶中，加入25 mL冰醋酸，封口后震蕩萃取30 min。用定性濾紙過濾萃取液，棄去前5 mL濾液，收集其余濾液用于分析。按照YC/T31—1996《煙草及煙草制品試樣的制備和水分測定 烘箱法》要求，嚴格進行水分測定，其中天平精度(0.001 g)、烘箱控溫精度[(100±1) ℃]、水分測定值有效期(15 d)和兩次平行測定結果絕對值總差(≤0.10%)都嚴格按標準執行。

依據YC/T 159—2002《煙草及煙草制品水溶性糖的測定 連續流動法》、 YC/T 162—2002《煙草及煙草制品氯的測定 連續流動法》、 YC/T 217—2007《煙草及煙草制品鉀的測定 連續流動法》對樣品進行檢測。具體樣品處理及檢測步驟參見測量流程圖，見圖1。

圖1 測量流程圖Figure 1 Measurement flow chart

1.3 總糖、還原糖、氯、鉀含量

按式(1)計算：

(1)

式中：

P——測定指標的含量，%；

V——萃取液體積，mL；

C——通過標準工作曲線計算得到的樣品成分濃度，g/mL；

W——樣品含水率，%；

m——樣品質量，g。

2 結果與討論

2.1 測量不確定度的評估

2.1.1 不確定度的來源識別 不確定度的來源根據來源因果圖進行識別，見圖2。

通過分析整個測量模型及每一步試驗過程，明確總糖、還原糖、氯和鉀測量的不確定度來源。

2.1.2 水分測量的不確定度u(W) 包括烘箱溫度的不穩定性，含水率測量的重復性，以及分析天平的稱量誤差。

2.1.3 樣品稱量的不確定度u(m) 試驗主要通過分析天平進行樣品稱量，采用的方法為減量法。由于樣品的稱量量較小，可忽略空氣浮力，樣品用量雖小但仍在天平的線性范圍內，因此樣品稱量的不確定度主要是由天平的最大允差造成。

2.1.4 萃取液體積的不確定度u(V) 主要由瓶口分液器刻度和人為讀數誤差造成。試驗過程中，試劑瓶和容量瓶中的萃取液所處的環境溫度差異較小，因此，可以忽略溶劑溫度變化引入的不確定度，具體包括對體積的影響、非水溶液熱膨脹系數差異等。

圖2 不確定度來源的因果圖Figure 2 The causal diagram of the source of uncertainty

2.1.5 測量樣品中總糖、還原糖、氯和鉀濃度的不確定度u(C) 主要來源為標準工作溶液的配制、標準物質定值和非線性工作曲線效應帶來的誤差。

2.1.6 試驗重復性測量的不確定度u(R) 每次外界內部條件不同引入的不確定度。

2.2 測量不確定度分量的量化

2.2.1 樣品水分測量的不確定度u(W)評定 煙草樣品含水率測量的不確定度來源主要有：含水率測量的重復性u(W1)，烘箱溫度變化u(W2)和天平稱量不準u(W3)。

(1)u(W1)評定：假設樣品瓶內樣品含水率是均勻的，同一天內同一樣品的6次試驗數據，含水率分別為8.96%，8.89%，8.96%，8.92%，8.87%，8.88%，采用標準偏差計算含水率的重復性。

水分單次試驗的標準偏差為0.040%，平均值標準偏差為：

(2)u(W2)評定：在烘箱溫度[(100±1) ℃]條件下，采用同一樣品進行2次水分測定，每次6個平行樣，數據見表1。假定烘箱溫度為均勻分布，可得溫度對含水率測量影響分量：

(3)u(W3)評定：含水率W按式(2)計算：

(2)

式中：

W——含水率，%；

m0——稱量皿質量，g；

m1——烘前(稱量皿+樣品)質量，g；

m2——烘后(稱量皿+樣品)質量，g。

用同一分析天平進行稱量，假定均勻分布(計算相對不確定度時，采用重復性試驗中數據，m0為16.425 7 g，m1為19.430 6 g，m2為19.161 4 g)，具體計算過程見表2。

表1 不同溫度樣品水分含量

表2 u(W3)的計算過程

(4) 合并不確定度：

2.2.3 萃取液體積的不確定度u(V)評定 使用數字型可調瓶口分液器移取萃取液。事先采用衡量法對瓶口分液器進行容量檢定，共做10次測定，其單次試驗的標準偏差為0.080 mL，平均值標準偏差為：

2.2.4 測量煙樣中總糖、還原糖、氯和鉀濃度的不確定度u(C)評定

(1) 由標準物質純度引起的標準溶液定值不確定度u(C0)：以生產商提供的信息作為根據，一水葡萄糖純度為98%～100%，擴展不確定度近似為1.0%，按均勻分布計算，其中覆蓋因子k=3，則糖的相對標準不確定度為：

氯化鈉純度為99.5%～100%，擴展不確定度近似為0.25%，按均勻分布計算，其中覆蓋因子k=3，則氯的相對標準不確定度為：

硫酸鉀純度為99%～100%，擴展不確定度近似為0.50%，按均勻分布計算，其中覆蓋因子k=3，則鉀的相對標準不確定度為：

(2) 標準溶液配制引入的標準不確定度u(C1)：稱取一水葡萄糖(ρ1)11 g(m1)，氯化鈉(ρ2)0.549 8 g(m2)，硫酸鉀(ρ3)2.234 0 g(m3)，用水稀釋至100 mL，得到儲備液。逐級稀釋儲備液配制得標準工作溶液，見表3。建立標準曲線的過程中，各影響量的不確定度包含在擬合工作曲線的不確定度中，此處不進行單獨計算。

由標準物質稱量引起的相對標準不確定度ur(m)：萬分

表3 標準系列溶液配制表

將上述各值代入，計算由標準工作液引入的合成相對標準不確定度為：

ur(C1)氯=0.059%；ur(C1)鉀= 0.058%。

(3) 工作曲線擬合的不確定度u(C2)：5個濃度(每個濃度測定3次)的標準工作液由標準物質配制，應用最小二乘法擬合工作曲線，得到回歸方程：

Hj=bCi+a，

(3)

式中：

Hj——第i個標準工作溶液的第j次測定峰高；

b——工作曲線的斜率；

Ci——第i個標準工作溶液的濃度，%；

a——工作曲線的截距。

根據表4、5，得到總糖回歸方程為：Hj=1 438.0Ci+3 366.3。

誤差公式：vi=Hj-(bCi+a)，式中vi為殘差。根據總糖回歸方程，可以計算得到理論峰高值與相應的實測峰高值之差，基于Bessel方程，其標準化殘差S為：

表4 總糖標準工作曲線的峰高測定值

(4)

式中：

Hj——第i個標準工作溶液的第j次測定峰高；

b——回歸方程的斜率；

a——工作曲線的截距；

P——樣品檢測次數；

n——標準工作溶液檢測次數；

C——樣品溶液的濃度，%；

i——第i個濃度的標準工作溶液；

j——獲得標準工作曲線的檢測次數。

考慮日常檢測平行樣，測試的次數取2次。在計算中，借用重復性測定的數據，試樣溶液雙樣總糖平均值C=18.32%。

同理得濃度為C的還原糖的標準不確定度：

(4) 合并相對標準不確定度：

ur(C)還原糖=1.17%；ur(C)氯=0.78%；ur(C)鉀=1.12%。

2.2.5 試驗重復性引起的不確定度u(R)評定 采用同一樣品，進行6次完整的重復測定，包括稱量樣品、樣品前處理和分析檢測的整個過程，數據見表6。

表6 樣品6次測定結果

2.3 計算合成不確定度u(P)

各指標合成相對標準不確定度分別為：

ur(P)總糖=

同理得ur(P)還原糖=1.29%、ur(P)氯=1.16%、ur(P)鉀=1.36%。

根據公式u(P)=P×ur(P)計算各項目的合成不確定度，結果見表7。

表7 各項目合成不確定度

2.4 擴展不確定度分析U(P)及報告

2.4.1 擴展不確定度計算 按正態分布，取95%置信區間，k=2，根據公式U(P)=k×u(P)，既得各項目測定結果的擴展不確定度，結果見表8。

2.4.2 測量結果不確定度的表達 按各項目標準進行檢測，樣品中總糖、還原糖、氯、鉀含量測定結果不確定度的表達見表9。

表8 各項目的擴展不確定度

表9 各項目測定結果不確定度的表達

3 結論

采用連續流動法測定煙草中的總糖、還原糖、氯、鉀，分別考慮了水分測定、萃取、過濾、儀器設備以及測定等環節所引入的不確定度分量對測定結果的影響。其測定結果的擴展不確定度分別為0.44%，0.40%，0.02%，0.06%，觀察評定結果，從不同參數的分量大小可以發現，檢測樣品中總糖、還原糖、氯和鉀的濃度引入了最大的不確定度。橫向對比3種待測指標可知，總糖的擴展不確定度最大，還原糖次之，氯最小。這可能與4種物質在煙草中的含量有關，根據4種物質在煙草中的含量均值大小順序：總糖(18.32%)>還原糖(15.83%)>鉀(2.45%)>氯(0.81%)。說明4種指標不確定度大小與其在煙草中的含量呈正比。而最具權重的分量是擬合工作曲線帶來的不確定度。因此，為確保檢測數據可靠準確，在標準工作溶液檢測前，對相關標準溶液的配制和標準曲線制作應嚴格按規定進行。

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