離子色譜法測定飲用水中丙烯酸測定法及不確定度分析

朱良琪，鄔晶晶，馬雯爽，李萌萌，桂 萍*

(中國城市規(guī)劃設計研究院，北京 100037)

丙烯酸(acrylic acid)為無色液體，具有強烈的刺激性氣味，可與水、乙醇、乙醚等多種有機溶劑共同混溶[1]，對皮膚、眼睛等具有強烈的刺激性作用，遇到明火和高熱會引起燒傷或爆炸，同時丙烯酸具有較強的腐蝕性、中等毒性。丙烯酸廣泛應用于生產(chǎn)和合成丙烯酸酯、聚丙烯酸及其鹽等化工原料[2]，工業(yè)生產(chǎn)過程中很容易造成水體的污染，嚴重威脅周邊地區(qū)的飲用水安全。《生活飲用水衛(wèi)生標準》(GB 5749—2006)[3]附錄A中規(guī)定了生活飲用水中丙烯酸的最高限值為0.5 mg/L，但目前國內(nèi)外尚無飲用水中丙烯酸的檢測方法標準及其對應的不確定度評定方法。水質(zhì)檢測是飲用水安全保障的基礎(chǔ)，檢測結(jié)果是飲用水安全保障的依據(jù)。不確定度是測量結(jié)果質(zhì)量的指標，不確定度越小，表明檢測質(zhì)量越高[4]。在飲用水檢測過程中，不確定度的評定為檢測結(jié)果的判定提供了更科學的支撐，特別是飲用水中檢出濃度在限值附近時，不確定度評定的意義更加凸顯。CNAS-GL006：2019[5]中也明確規(guī)定了檢測實驗室在特定情況下報出數(shù)據(jù)時，需要提供不確定度。

國內(nèi)外相關(guān)研究中丙烯酸的檢測主要采用離子色譜法[6-10]、氣相色譜法[11-l5]、高效液相色譜法[16-20]、液相色譜-脈沖安培電化學法[21]。水中丙烯酸的檢測方法主要集中在氣相色譜法、高效液相色譜法，但這兩種方法耗時長，且儀器成本高，難以普及。同時，檢測過程均需使用有機溶劑進行萃取、濃縮、衍生化等前處理，這些復雜的前處理過程都是不確定度的重要來源。而離子色譜法具有無復雜的前處理過程、檢測時間耗時短、儀器普及率高等優(yōu)勢。

本文研究建立了丙烯酸的離子色譜檢測方法，同時根據(jù)試驗原理、試驗過程不確定度評價方法，并對生活飲用水中丙烯酸的測定結(jié)果進行了不確定度評定及影響因素分析，提出了降低離子色譜法測定飲用水中丙烯酸不確定度的對策與建議。

1 試驗部分

1.1 儀器與試劑

丙烯酸標準物質(zhì)(C2H3COOH，純度≥99%)，含穩(wěn)定劑對羥基苯甲醚(質(zhì)量濃度為200 mg/L)，購自Sigma公司。使用純水配制丙烯酸標準儲備溶液[ρ(C2H3COOH)=1 000 mg/L]、丙烯酸標準使用溶液[ρ(C2H3COOH)=2.00 mg/L]和校準曲線系列。試驗中使用的純水由密理博純水機制得(18.2 MΩ·cm，Millipore)。

1.2 儀器參數(shù)條件

使用氫氧化鉀淋洗系統(tǒng)，氫氧化鉀淋洗液可采用氫氧化鉀淋洗液發(fā)生器或性能等效的淋洗液發(fā)生裝置生成。采用AG11+AS11-HC色譜柱，柱溫為35 ℃，進樣量為100 μL，抑制器電流為124 mA。淋洗液濃度梯度如表1所示。

表1 淋洗液濃度梯度

1.3 校準曲線的配制

取9個50 mL棕色容量瓶，依次準確移取0、0.125、0.250、0.500、1.000、2.000、3.000、4.000、5.000 mL丙烯酸標準使用液，用純水定容，配制丙烯酸質(zhì)量濃度分別為0、0.005、0.010、0.020、0.040、0.080、0.120、0.160、0.200 mg/L的校準系列溶液，上機測定。以丙烯酸的峰面積為縱坐標、丙烯酸的質(zhì)量濃度為橫坐標，繪制校準曲線，如圖1所示。

圖1 丙烯酸的校準曲線圖

1.4 檢出限和測定下限

根據(jù)《分析方法標準制修訂技術(shù)導則》(HJ 168—2020)，利用信噪比估算的檢測限濃度的3～5倍配制標準樣品，配制質(zhì)量濃度為0.010 0 mg/L，樣品平行測定7次。7次測定結(jié)果分別為0.011 1、0.010 7、0.010 7、0.010 9、0.010 8、0.009 5、0.010 1 mg/L。方法檢出限和測定下限計算如式(1)～式(2)。通過計算，7次平行測定結(jié)果的S為0.000 553，MDL為0.001 74 mg/L，LOQ為0.006 96 mg/L。

MDL=t(n-1,0.99)×S

(1)

LOQ=4×MDL

(2)

其中：MDL——方法檢出限，mg/L；

LOQ——測定下限，mg/L；

n——樣品的平行測定次數(shù)；

t——自由度為n-1，置信度為99%時t分布值(單側(cè))。查表可知，當n=7時，t為3.143；

S——n次平行測定的標準偏差。

1.5 方法精密度

分別向純水、管網(wǎng)水、出廠水、水源水中加標低質(zhì)量濃度(0.020 mg/L)、中質(zhì)量濃度(0.100 mg/L)和高質(zhì)量濃度(0.180 mg/L)3種不同質(zhì)量濃度，平行測定6次，計算相對標準偏差(RSD)如表2所示。

表2 不同類型水樣中丙烯酸的精密度

1.6 方法準確度

分別向純水、管網(wǎng)水、出廠水、水源水中加標低質(zhì)量濃度(0.020 mg/L)、中質(zhì)量濃度(0.100 mg/L)和高質(zhì)量濃度(0.180 mg/L)3種不同質(zhì)量濃度，平行測定6次，計算加標回收率如表3所示。

表3 不同類型水樣中丙烯酸的加標回收率

1.7 水樣測定

向飲用水中加標質(zhì)量濃度為0.100 mg/L的丙烯酸，平行測定7次，測定的結(jié)果和對應的峰面積如表4所示。

表4 丙烯酸平行測定結(jié)果

2 不確定度評定

2.1 方法原理

丙烯酸是一種極性不飽和羧酸，采用離子色譜測定時，水樣中的丙烯酸根陰離子和其他陰離子隨氫氧化鉀(或氫氧化鈉)淋洗液進入陰離子交換分離系統(tǒng)，分離柱根據(jù)對不同離子的親和力的差異性，將不同的離子進行順序性洗脫，從而達到分離的目的。已經(jīng)分離的不同陰離子再進入到抑制系統(tǒng)中轉(zhuǎn)化為強酸，增強電導率，提高待測陰離子的響應值。氫氧化鉀(或氫氧化鈉)淋洗液將轉(zhuǎn)化成低電導率的水，降低基線背景[22]。利用電導檢測器檢測各陰離子的電導率，通過相對保留時間進行定性，色譜峰面積進行定量。

2.2 數(shù)學模型

采用最小二乘法模型對標準系列的測量結(jié)果進行線性擬合，擬合方程為y=a+bx，被測樣品的計算如式(3)。

(3)

其中：x——空白及標準系列各質(zhì)量濃度溶液，mg/L；

y——儀器響應峰面積值，μS·min；

a——截距；

b——斜率。

2.3 主要不確定度分量及合成不確定度

參考《測量不確定度評定和表示》(GB/T 27418—2017)[23]、《實用測量不確定度評定》[24]、《測量不確定度評定與表示》(JJF 1059—1999)[25]等資料，不確定度的來源主要為標準溶液配制、校準曲線擬合、樣品測定、進樣體積、溫度、樣品稀釋6個方面。不確定度分量及因果關(guān)聯(lián)如圖2所示。

圖2 不確定度分量及因果關(guān)聯(lián)圖

2.3.1 標準溶液及配制過程引入的不確定度

(1)標準物質(zhì)純度引入的不確定度

(2)各種量具引入的測量不確定度

量具包括容量瓶、移液器，其不確定度來源為體積校準、估讀誤差、溫度變化等，估讀誤差所產(chǎn)生的不確定度可忽略不計。體積校準和環(huán)境溫度變化引入的不確定度均采用B類評定，測定時實驗室的溫差為±1 ℃，水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4，各不確定度分量計算如下。

①稱量引入的相對不確定度

②100 μL移液器引入的相對不確定度

③50 mL容量瓶引入的相對不確定度

同理，可依次計算出使用100、200、1 000、5 000 μL移液器引入的相對不確定度和50、100、1 000 mL容量瓶引入的相對不確定度，如表5和表6所示。

表5 單標線容量瓶的不確定度

表6 移液器不確定度

根據(jù)標準溶液配制過程中移液器的規(guī)格、使用次數(shù)和定容時容量瓶的規(guī)格，計算出標準系列配制過程引入的相對標準不確定度urel(系列)，如表7所示。

表7 標準系列配制過程引入的不確定度

使用溶液在配制過程中進行了二級稀釋，同理可根據(jù)移液器規(guī)格、移液次數(shù)及定容使用的容量瓶規(guī)格、天平稱量過程可計算出標準使用溶液配制過程引入的相對標準不確定度urel(稀釋)，如表8所示。

表8 標準使用液配制引入的不確定度

(3)標準系列配制引入的相對標準不確定度

2.3.2 校準曲線擬合引入的相對標準不確定度

對標準系列進行測定，并用最小二乘法擬合標準校準曲線，線性回歸方程為y=0.187 5x-0.000 3，校準曲線系列測定結(jié)果如表9所示。

表9 標準系列測定結(jié)果

y殘差的標準偏差Sy/x如式(4)，按正態(tài)分布變化屬A類，u(y)=Sy/x=0.000 300。

(4)

校準曲線擬合引入的相對標準不確定度如式(5)。

≈0.000 842

(5)

其中：m——測試標準溶液的點數(shù)，m=9；

p——測定樣品的次數(shù)，p=7；

b——校準曲線的斜率，b=0.187 5；

a——校準曲線的截距，a=-0.000 3；

Ci——實際標準曲線各點質(zhì)量濃度，mg/L；

yi——標準溶液峰面積的測定值，μS·min；

xi——標準溶液中丙烯酸的質(zhì)量濃度，mg/L。

2.3.3 樣品測定引入的不確定度

對水中丙烯酸進行7次平行測定，測定結(jié)果如表2所示，平均值為0.103 mg/L。樣品測定引入的相對標準不確定度如式(6)。

(6)

其中：n——平行測定次數(shù)，n=7；

Yi——測定質(zhì)量濃度，mg/L；

2.3.4 進樣體積的不確定度

2.3.5 溫度變化引入的不確定度

2.3.6 樣品稀釋引入的不確定度

此樣品無需稀釋，則k=1，同時也不引入任何不確定度該檢測方法無樣品稀釋過程，無不確定度引入。

2.3.7 合成標準不確定度

2.3.8 擴展標準不確定度與結(jié)果表達

置信概率為95%時，取k=2，擴展標準不確定度U=urel(A)×k=0.005 32 mg/L。

樣品檢測結(jié)果C=(0.103±0.005 32)mg/L，不確定度分量匯總?cè)绫?0所示。

表10 不確定度分量匯總

3 不確定度評定影響因素分析

離子色譜法測定飲用水中丙烯酸產(chǎn)生的不確定度主要來源標準溶液配制、校準曲線擬合、樣品測定、進樣體積、溫度變化這5個方面。其中，標準溶液配制及溫度變化貢獻最大。

標準溶液配制過程中，檢測人員的技術(shù)水平、標準系列濃度的選取、容量瓶及移液器等器具的使用，都會引入不同的不確定度。校準曲線擬合引入的不確定主要來源校準曲線系列的數(shù)量、校準曲線系列的濃度、待測樣品濃度和測定次數(shù)。校準曲線的斜率和截距對檢測結(jié)果的準確性有很大影響，特別是對于低濃度：負截距越大，低濃度樣品偏高越多；正截距越大，低濃度樣品偏小越多。同樣，待測的樣品濃度也會對校準曲線定量引入的相對標準不確定度產(chǎn)生影響，樣品的濃度過高或過低，都會使樣品濃度與校準曲線系列濃度平均值的差方越大，不確定度也會越大。因此，在進行實際檢測時，應使待測物的濃度在校準曲線的中段，特別是對于測量審核、盲樣考核等需要高準確度的檢測活動。當待測物濃度的測定均值與校準曲線系列濃度的均值相等時，不確定度最小。

一般情況下，隨著溫度的升高，液體的黏度降低，色譜柱分離效能也明顯下降[26]。溫度的變化也會帶動柱壓變化，溫度變化1 ℃，壓力將會發(fā)生680～1 100 kPa的變化。其中，壓力變化時離子色譜儀會改變進樣的流速，使出峰保留時間發(fā)生一定的變化，影響準確定量。離子色譜法依靠離子交換作用進行分離，依靠電導率產(chǎn)生響應信號而被檢測器檢出，其定量原理屬于離子濃度-電導率函數(shù)。在離子電導函數(shù)中，溫度是一種主要影響因素，溫度每升高1 ℃，電導響應值就會增加2%左右[27]。因此，溫度對離子色譜的穩(wěn)定性影響很大，保持檢測環(huán)境溫度恒定是降低檢測結(jié)果不確定度的重要措施。

增加測定次數(shù)，樣品測定引入的不確定將減少。在離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸的過程中，可進行多次測定取平均值，能有效降低不確定度。

進樣體積誤差引入的不確定度屬于儀器固有，與檢測方法無關(guān)。在實際檢測活動中，應選擇正規(guī)廠家的合格定量環(huán)與進樣針，避免系統(tǒng)誤差增大而引入更大的不確定度。

4 對策與建議

不確定度是測量結(jié)果質(zhì)量的指標，不確定度越小，表明檢測質(zhì)量越高。在飲用水檢測過程中，通過降低不確定度提升檢測結(jié)果的質(zhì)量，主要從標準溶液的配制過程、校準曲線的擬合過程及實驗室溫度控制3個方面改善。

離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸，該方法無前處理過程，校準曲線的準確性決定了檢測結(jié)果的準確性，配制標準儲備液、標準使用液及校準曲線系列應由專業(yè)人員進行，合理使用量器，規(guī)范操作，按照統(tǒng)一步驟配制每個校準系列濃度點，盡量減小人為因素引入的不確定度。

分析方法要求校準曲線應不少于6個濃度點(包含原點)，在本方法中，校準曲線的線性范圍為0.005 00～0.200 mg/L，測定濃度相對較低，合理設計校準曲線的濃度點是降低不確定度的關(guān)鍵。一般濃度點越低，使用的移液器等量器具的量程越小，允差越大，引入的不確定度也將越大。而濃度點越多，意味著使用的移液器等量器具的次數(shù)越多，不確定度也會相應增大。另外，應注意合理使用量器具，使用滿量程進行移取時允差最小，也應合理使用容量瓶，避免超大倍數(shù)稀釋和多次稀釋引入更大的不確定度。

恒定的檢測環(huán)境溫度對儀器的穩(wěn)定性非常重要，是降低檢測結(jié)果不確定度的重要措施，檢測環(huán)境溫度變化允許在±1 ℃波動，檢測環(huán)境溫度一般設置在20 ℃左右。

5 結(jié)語

離子色譜法檢測飲用水中丙烯酸，不確定度分量主要來源標準溶液配制、校準曲線擬合、樣品測定、進樣體積、溫度變化、樣品稀釋這6個方面。其中，標準溶液配制過程引入的不確定度對總不確定度的影響最大。在日常檢測中，可以在標準溶液的配制過程、校準曲線的擬合過程及實驗室溫度合理設置3個方面來降低不確定度，從而提高飲用水中丙烯酸測定的科學性和準確性。