氣相色譜法測定土壤中石油烴含量的不確定度評定

張 吉，周吉峙，段路路

(1.上海大學環境與化學工程學院 上海 200444；2.上?；ぱ芯吭河邢薰?上海 200062)

試驗數據的準確性和可靠性事關實驗室的核心競爭力，也是實驗室資質認證的關鍵。然而，由于真值的未知性和不確定性，而誤差又是客觀存在且不可避免，測量的不確定度也由此應運而生。測量的不確定度是測量結果質量的重要指標，是目前對于誤差分析的最新理解和闡述，它表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能確定的程度。

由于經濟和社會的發展，土壤、水體和空氣作為人類賴以生存的物質基礎已經受到不同程度的污染。特別是進入現代社會后，原油的開采以及石油產品的廣泛應用，造成了土壤中大量的石油烴污染。目前，檢測土壤中石油烴含量的方法比較成熟，主要有重量法、紅外光度法、紫外分光光度法、熒光分光光度法和氣相色譜法，其中氣相色譜法可以同時對多個組分進行定性定量分析，且能獲得樣品的特征色譜數據，目前在國內外都有逐漸取代其他方法的趨勢[1]。因此，對氣相色譜法測定土壤中石油烴含量的不確定度評定顯得尤為必要。為此，根據《測量不確定度評定與表示》(JJF 1059.1—2012)[2]和《化學分析中不確定度的評估指南》(CNAS-GL06)[3]并參照EPA Method 8015c(美國國家環保局方法 8015c)[4]，采用氣相色譜法對土壤中石油烴的含量進行測定，并建立起針對氣相色譜法測定土壤中石油烴含量的較為完整的不確定度評價方案。

1 測定用儀器及測定步驟

1.1 主要儀器和試劑

主要儀器：7890A氣相色譜儀，美國安捷倫科技有限公司；AL204-1C分析天平，220 g/0.1 mg，e=1 mg，瑞士梅特勒公司；PPM48半自動正壓固相萃取儀，美國J2Scientific公司；E-916快速溶劑萃取儀，瑞士步琦有限公司；平行蒸發儀，瑞士步琦有限公司；20～200 μL、100～1 000 μL、1～10 mL移液器，德國普蘭德公司。

主要試劑：二氯甲烷，色譜純，CNW；正己烷，色譜純，CNW；無水硫酸鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；固相萃取柱子，CNWBOND Si SPE Cartridge 500 mg 6 mL；石油烴標準物質，o2si n-Alkane Solution，C7to C40，1 000 mg/L，1 mL。

1.2 儀器工作參數及環境條件

(1)工作參數

色譜柱：Agilent 19091 J-413，325 ℃，30 m×20 μm×0.25 μm，HP-5。

前置進樣口：不分流進樣；加熱器：300 ℃；壓力：46.223 kPa(6.704 1 psi)；總流量：19.5 mL/min；隔墊吹掃流量：3 mL/min；隔墊吹掃流量模式：標準；載氣節省打開：15 mL/min；開始等待時間：10 min；分流出口吹掃流量：15 mL/min，1 min。

前置FID，加熱器：320 ℃；H2流量：40 mL/min；空氣流量：400 mL/min；尾吹流量(N2)：28.5 mL/min；恒定柱流尾吹：30 mL/min；火焰：打開；電位計：打開。前部信號(FID)數據采集頻率/最小峰寬：20 Hz/0.01 min。

柱箱運行過程：40 ℃保持5 min，升溫至60 ℃保持1 min，再從60 ℃升溫至320 ℃保持9 min，整個過程升溫速率均為15 ℃/min。

(2)環境條件

溫度：(20±5)℃；濕度：50%～70%。

1.3 測定步驟

參照EPA Method 8015c，稱取固體樣品20 g(實際稱樣量精確至0.000 1 g)，加入50 mL混合溶劑萃取液(V二氯甲烷∶V正己烷=1∶1)，放置于快速溶劑萃取儀中進行萃取，加入過量無水硫酸鈉干燥，過濾，轉移至錐形瓶中；用半自動正壓固相萃取儀進行固相萃取，隨后用平行蒸發儀進行濃縮，濃縮液用正己烷定容至1 mL，空白試樣進行同樣的處理；樣品溶液采用氣相色譜儀進行測定，同時進行空白試樣的測定，測定流程如圖1所示。氣相色譜儀會自動將空白溶液中石油烴的含量進行扣減，得到的測定結果即為樣品溶液中石油烴的實測含量。

圖1 土壤樣品中石油烴含量測定流程

2 測量模型及不確定度來源

2.1 測量模型的建立

測量模型如式(1)所示：

(1)

式中：W——樣品中被測石油烴的含量，mg/kg；

C——樣品溶液中被測石油烴的實測質量濃度，mg/L；

V——樣品濃縮液的定容體積，mL；

f——樣品溶液的稀釋因子；

Q——氣相色譜儀定量校準影響因子；

m——樣品稱樣量，g。

樣品溶液中被測石油烴的實測質量濃度按式(2)計算：

C=Ci-C0

(2)

式中：Ci——樣品溶液中被測石油烴的質量濃度，mg/L；

C0——空白溶液中被測石油烴的質量濃度，mg/L。

2.2 不確定度主要來源及分析

由測量模型可知，輸出量是各輸入量的乘積。因此，根據測量不確定度傳播律，樣品中被測元素含量的相對合成標準不確定度可寫成各輸入量的相對標準不確定度的方和根值。則樣品中被測元素含量測定的相對合成標準不確定度ur(W)為：

(3)

式中：ur(C)——樣品溶液中被測元素實測質量濃度的相對標準不確定度；

ur(V)——樣品溶液定容體積的相對標準不確定度；

ur(f)——樣品溶液稀釋因子的相對標準不確定度；

ur(m)——樣品稱量的相對標準不確定度；

ur(Q)——氣相色譜定量校準引入的相對標準不確定度。

測量不確定度主要來源于如下因素：

(1)標準物質

包括配制標準儲備液的不確定度，溫度變化造成移液、定容體積變化的不確定度以及稀釋過程中引入的不確定度。

(2)樣品處理過程

包括選樣代表性、樣品本身的均勻性，分析天平稱量過程引入的不確定度，消解過程的回收率，溫度變化對定容體積及移液體積的影響。

(3)樣品測定過程的重復性

平行樣品測量過程中引入的不確定度包括分析天平稱量的重復性、移液體積及定容體積的重復性、萃取回收率的重復性等。

(4)最小二乘法擬合標準曲線

被測元素的測定結果是用標準溶液通過最小二乘法擬合成標準曲線后獲得，故須考慮由標準曲線的非線性以及儀器的穩定性等引入的不確定度。

綜上所述，參照EPA Method 8015c，采用氣相色譜法對土壤中石油烴含量進行測定的不確定度因果關系如圖2所示。

圖2 氣相色譜法測定土壤中石油烴含量不確定度因果關系

3 不確定度的分量評定

3.1 樣品溶液中被測元素實測質量濃度的標準不確定度u(C)

樣品溶液中被測元素實測質量濃度的標準不確定度u(C)包括標準物質本身不確定度、標準溶液配制過程以及標準曲線擬合時引入的不確定度。

3.1.1 標準物質本身不確定度對質量濃度C測定的不確定度分量u1(C)

根據標準物質附件資料，質量濃度(1 000±50)mg/L，取均勻分布，則：

=0.000 6%

3.1.2 標準溶液配制過程帶來對質量濃度C測定的不確定度分量u2(C)

將石油烴的標準儲備液(1 000 mg/L)分別稀釋配制得到1.25、5.00、12.50、25.00、50.00和100.00 mg/L 6個濃度點的標準溶液，即石油烴(C9～C16)10.00、40.00、100.00、200.00、400.00和800.00 mg/L 6個濃度點的標準溶液和石油烴(C17～C40)30.00、120.00、300.00、600.00、1 200.00和2 400.00 mg/L 6個濃度點的標準溶液。

根據測定不確定度評定的相關規定[3]，標準溶液稀釋過程不確定度相對于用于擬合直線求實測質量濃度C時的不確定度完全可以忽略不計。采用最小二乘法擬合曲線程序的前提是假定橫坐標標準值xi的不確定度遠小于縱坐標響應值yi的不確定度，因此，通常實測質量濃度C的不確定度計算程序僅與儀器響應的不確定度有關，而與校準溶液不確定度無關，也不與從同一溶液中逐次稀釋產生必然的相關性。所以，u2(C)≈0，u2 r(C)≈0。

3.1.3 標準曲線擬合時引入的不確定度分量u3(C)

試驗采用7個濃度水平點(包括空白)的石油烴標準物質溶液，用GC-FID法測定其發射強度，每一濃度水平測定3次，測定結果(表1)用最小二乘法擬合得到直線方程：石油烴C9～C16為y=23.194x-65.323，相關系數r2=0.998 1；石油烴C17～C40為y=17.732x+3 083.7，相關系數r2=0.995 7。則擬合直線方程的標準差u(y)可由式(4)得出：

(4)

式中：yi——xi的儀器響應值；

yfi——xi對應于擬合直線方程求算出的值。

針對實測質量濃度C，由擬合直線引入的標準不確定度u3(C)如式(5)所示：

(5)

表1 石油烴標準溶液質量濃度與信號面積

式中：b——擬合直線的斜率；

p——試樣平行測試次數，p=10；

n——配制7個標準溶液濃度點，每個濃度點測試3次，共計21次，即n=21；

u(y)——工作曲線的標準偏差；

Cp——試驗樣品測定值，mg/L。

則樣品測定值的相對標準不確定度ur(C)=u3(C)/Cp。石油烴的標準不確定度u3(C)及相對標準不確定度u3 r(C)如表2所示。

表2 石油烴的標準不確定度u3(C)及相對標準不確定度u3r(C)

3.1.4 各種隨機因素導致的測量重復性引入的不確定度分量u4(C)

在樣品快速溶劑萃取過程中存在許多隨機因素，包括加入試劑的量、萃取過程的回收率、容器附著的量、移液過程、容量瓶定容過程等，由此導致的樣品測定重復性引入的不確定度分量可以通過平行測試樣品用A類評定方法評定。在重復性條件下，對試驗樣品進行10次獨立測定，測定結果如表3所示。

表3 試驗樣品中石油烴含量重復測定結果 mg/kg

項目石油烴C9～C16石油烴C17～C40測定次數115.7432.59217.2734.40317.5334.75417.7735.19517.2734.13617.4034.37716.4833.02817.5034.71916.6733.661016.2633.14x16.9934.00

經由Grubbs檢驗[5-6]確認所有10組數據均有效后，分別按式(6)計算算術平均值：

(6)

單次測量的試驗標準偏差按式(7)計算：

(7)

以10次測定濃度平均值的標準偏差作為重復性系數的不確定度，按式(8)計算：

(8)

3.1.5 計算樣品實測濃度的相對標準不確定度ur(C)

3.2 樣品濃縮液定容體積的標準不確定度u(V)

定容過程中的不確定度包括由容量瓶準確性引入的不確定度、由移液器準確性引入的不確定度、讀數的重復性引入的不確定度以及溫度變化引入的不確定度組成，其中讀數的重復性引入的不確定度分量已包含在各種隨機因素造成的重復性引入的不確定度分量中。

3.2.1 容量瓶的允許誤差引入的體積不確定度分量u1(V)

根據《常用玻璃量器檢定規程》(JJG 196—2006)[7]，1 mL容量瓶在20 ℃時的容量允許差為±0.010 mL，取均勻分布，則由此引入的容量瓶體積不確定度分量為：

3.2.2 移液器的允許誤差引入的體積不確定度分量u2(V)

試驗中所用移液器經計量檢定合格，根據檢定證書，10 mL移液器給出的測量結果擴展不確定度為U=0.004 mL(k=2)，由此引入的標準不確定度分量為：

3.2.3 溫度變化引入的不確定度分量u3(V)

已知正己烷的膨脹系數α=1.36×10-3℃-1，玻璃器具出廠校準溫度為20 ℃，試驗使用溫度與校準溫度變化范圍為±5 ℃，按正態分布計算，95%置信概率時k=1.96，所以標準不確定度分量為：

3.2.4 計算定容引入的標準不確定度u(V)

=0.008 1(mL)

其相對標準不確定度為：

3.3 稀釋因子f引入的不確定度

對于樣品稀釋因子，已將其并入樣品濃縮液定容體積的標準不確定度，因此不再考慮其對于不確定度的影響，稀釋因子對于不確定度的貢獻率為0，即u(f)=0、ur(f)=0。

3.4 稱量過程引入的不確定度u(m)

稱量過程的不確定度主要來自天平的準確性和稱量過程的重復性，其中稱量過程的重復性引入的不確定度分量已包含在各種隨機因素造成的樣品測量重復性中。

3.4.1 分析天平的準確性引入的標準不確定度分量u1(m)

試驗中所使用的分析天平最大允許誤差為0.1 mg，經計量校準合格，其校準證書給出的擴展不確定度為U=0.2 mg(k=2)，則：

3.4.2 天平的分辨力引入的標準不確定度分量u2(m)

分析天平的檢定證書給出的分辨力為0.1 mg，按均勻分布處理，由此引入的標準不確定度分量為：

3.4.3 計算稱量過程引入的標準不確定度u(m)

=0.104(mg)

則由天平稱量引入的相對標準不確定度分量為：

3.5 氣相色譜儀校準引入的不確定度

根據儀器的校準證書，u(Q)=3%(k=2)，則：

4 合成相對標準不確定度

根據式(3)，石油烴C9～C16和石油烴C17～C40的相對標準不確定度為：

石油烴C9～C16和石油烴C17～C40測定過程中各不確定度分量對合成相對標準不確定度ur(W)的貢獻如圖3所示。

圖3 石油烴C9～C16和石油烴C17～C40測定過程中各不確定度分量對合成相對標準不確定度ur(W)的貢獻

由圖3結合上述分析計算可見：對于石油烴的測定而言，不確定度的主要影響因素來源于樣品濃度測定中標準曲線的擬合和儀器本身的定量校準；另外，定容過程對不確定度帶來的影響也不可忽略。

5 擴展不確定度

根據JJF 1059.1—2012[2]的規定，測量不確定度最多取2位有效數字。在95%的置信區間，取包含因子k=2，石油烴C9～C16和石油烴C17～C40的相對擴展不確定度為：

Ur(C9～C16)=urC9～C16(W)×k

=2.38%×2=4.8%

Ur(C17～C40)=urC17～C40(W)×k

=3.42%×2=6.8%

6 結果與討論

通過建立氣相色譜法測定土壤中石油烴含量不確定度評價模型，從而保證對土壤中石油烴(C9～C16和C17～C40)含量測定結果的有效性和合理性，為氣相色譜法測定土壤中石油烴含量的質量控制提供了有效、可靠的測量體系。

土壤中石油烴C9～C16的含量可表示為17.0×(1±4.8%)mg/kg，k=2；土壤中石油烴C17～C40含量可表示為34.0×(1±6.8%)mg/kg，k=2。

氣相色譜法測定土壤中石油烴的方法有效、可靠、合理、靈敏度高，可以應用于對土壤中石油烴的定性和定量檢測。

結果表明，對于石油烴的氣相色譜測定而言，不確定度的主要影響因素來源于樣品濃度測定中標準曲線的擬合和儀器本身的定量校準；另外，定容過程對不確定度帶來的影響也不可忽略。因此，增加標準曲線的濃度水平數以減少由擬合曲線帶來的影響，定期對氣相色譜儀進行定量校準和及時的階段性核查顯得十分必要；另外，加強對定容儀器的管理和提高實驗室分析人員的定容操作能力，有助于減輕定容過程對試驗結果的影響。