三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)的研制

牛佳佳，彭黔榮，蔣錦鋒，李陽陽，楊敬國，劉舒暢，劉娜，賀琛，陳宸，葉長文，李棟*

1 鄭州煙草研究院，標準化研究中心，鄭州高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)楓楊街2 號 450001；

2 貴州中煙工業(yè)有限責任公司，技術(shù)中心，貴陽市小河區(qū)開發(fā)大道96 號 550009

基體標準物質(zhì)是標準物質(zhì)研究重要的一類，它是一種具有實際樣品特性（如土壤、飲用水、金屬合金、血液等）的標準物質(zhì)，可由生物、環(huán)境、工業(yè)等來源得到，也可將關(guān)心的成分添加至樣品基質(zhì)中制得。基體標準物質(zhì)研發(fā)難度大于純度或溶液標物物質(zhì)，不僅要求目標成分具有一定的穩(wěn)定性，還要求此成分在樣品基質(zhì)中足夠穩(wěn)定且足夠均勻，近年來在實驗室的質(zhì)量控制、測試方法掌握程度、測試水平的能力驗證等若干方面已顯現(xiàn)出極大的應(yīng)用價值[1-3]。煙草行業(yè)內(nèi)已發(fā)行的基體標準物質(zhì)主要有卷煙煙氣常規(guī)成分標樣煙、煙草常規(guī)成分基體標準物質(zhì)以及農(nóng)殘基體標準物質(zhì)等，這些基體標準物質(zhì)的研發(fā)和推出，解決了測試工作中的實際問題，提升了實驗室內(nèi)部測試水平和質(zhì)量。但目前基體標準物質(zhì)的研發(fā)仍跟不上煙草行業(yè)的發(fā)展，如卷煙企業(yè)在生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制等方面有需求的一些個性化基體標物仍有很大的空缺。因此，圍繞著產(chǎn)品需求，進一步加強基體標準物質(zhì)的研發(fā)力度，解決生產(chǎn)、測試中的實際問題仍然是煙草行業(yè)在標準物質(zhì)研發(fā)領(lǐng)域的重點和難點。

近年來，近紅外快速測定技術(shù)在煙草行業(yè)得到了快速發(fā)展[4-7]，如貴州中煙搭建了利用近紅外法快速測定濾棒中三乙酸甘油酯含量（質(zhì)量分數(shù)）的技術(shù)平臺，用于各個加工點以及技術(shù)中心日常濾棒的測試。但測試過程中存在2 個問題：（1）需要1 個三乙酸甘油酯量值準確的濾棒樣品對近紅外測試方法進行賦值；（2）由于不同人員對操作規(guī)程掌握程度不同，以及斷電、開關(guān)機等偶然事件的發(fā)生，整個測試過程有時會處于一種非正常的工作狀態(tài)，從而導致測試結(jié)果與實際施加量偏離較大。鑒于此，亟需研制出一種三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)，在每日檢驗前或一定周期內(nèi)對濾棒基體標準物質(zhì)進行測試，從而監(jiān)控近紅外測試過程是否處于受控的工作狀態(tài)，確保近紅外分析數(shù)據(jù)可靠、可信。此外，該濾棒基體標準物質(zhì)也可用于近紅外、GC[8]等方法的實驗室能力驗證和測試數(shù)據(jù)比對。

1 材料與方法

1.1 儀器、試劑與材料

三乙酸甘油酯純度標準物質(zhì)[國家二級標準物質(zhì)GBW(E)082265，質(zhì)量分數(shù)99.9%，相對不確定度0.2%，中國煙草標準化研究中心]；茴香腦（99.0%，德國MERCK 集團）；無水乙醇（色譜純，德國MERCK 集團），包裝盒（特百惠，0.5 L）。

6890N、7890A、7890B 氣相色譜儀（美國Agilent公司），色譜柱型號：DB-WAXETR（30 m×0.32 mm×1.0 μm）。

1.2 實驗方法和條件

1.2.1 濾棒制作

選取貴陽卷煙廠濾棒生產(chǎn)車間5#機臺制作，機型：ZL29 型濾咀棒成型機；機臺參數(shù)：V1/VkDF＝1.1～1.2，V2/V1＝1.35～1.45，搭口膠膠量17～21 mg/600 m，內(nèi)粘接線膠量17～21 mg/600 m，機速600 m/min；絲束規(guī)格：二醋酸纖維素絲束，類型：3.0Y32000（mm）；三乙酸甘油酯規(guī)格：無色透明液體，無異味，純度≥99.0%。

待生產(chǎn)穩(wěn)定后，抽取樣品并檢測三乙酸甘油酯施加量（質(zhì)量分數(shù)），持續(xù)監(jiān)控一周，將濾棒三乙酸甘油酯施加量控制在（10±0.5）%的范圍內(nèi)。機臺制作10000 支濾棒，混合后均勻分裝至200 個包裝盒中，將盒樣品置于貴州中煙技術(shù)中心恒溫恒濕間[溫度（22±1）℃、相對濕度（60±2）%]固化平衡一周。濾棒物理參數(shù)：圓周23.89 mm、圓度0.18 mm、長度100.23 mm、吸阻2990 Pa。

1.2.2 均勻性檢驗

根據(jù)JJF 1343—2012[9]均勻性檢驗抽樣數(shù)量的要求（當總體單元數(shù)N≤200 時，抽取單元數(shù)不少于11個），從制備的200 盒樣品中隨機抽取11 盒，進行編號，從每盒中隨機抽取5 根濾棒為一組進行測試，將5 根濾棒的測試平均值作為測試結(jié)果，每盒抽取3 組。為避免儀器系統(tǒng)誤差對結(jié)果的影響，對上機試樣進行隨機排列。

1.2.3 穩(wěn)定性檢驗

隨機取樣，每次取2 盒。每盒隨機抽取5 根濾棒報告1 次測試值，以2 次測試值（共測10 根）的平均值作為盒樣品報告值。在間隔時間分別為0、1、2、3、4、5、6 月條件下，記錄2 盒的報告值。

1.2.4 定值

組織6 個實驗室開展聯(lián)合定值工作（表1），儀器條件參照YC/T 331—2010[8]。每個實驗室從制備的盒樣品中均隨機抽取5 盒，共30 盒待測樣品。

表1 聯(lián)合定值實驗室及儀器設(shè)備Tab.1 Cooperative valuation laboratory and equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 均勻性檢驗

基于YC/T 331—2010 標準，將從每盒中隨機抽取的5 根濾棒作為一組，每盒抽取3 組，對組內(nèi)、組間樣品進行測試，結(jié)果見表2。按照ISO Guide 35—2017[10]要求，計算組內(nèi)及組間的方差、自由度等，結(jié)果見表3。其中，F(xiàn)實驗值＜F臨界值，表明在95%置信概率下組內(nèi)、組間不存在顯著性差異，樣品的均勻性良好。

表2 均勻性檢驗過程中測定的三乙酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)Tab.2 Mass fraction of triacetin determined during the homogeneity test %

2.2 穩(wěn)定性檢驗

基于規(guī)范JJF 1343—2012，利用趨勢分析法對穩(wěn)定性檢驗測試結(jié)果（表4）進行計算，并對樣品穩(wěn)定性進行評估。選用線性模型作為三乙酸甘油酯標準物質(zhì)的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停詘代表間隔時間，y代表濾棒中三乙酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)的100 倍數(shù)值，得到的擬合直線方程為y=-0.0171x+8.5414，則斜率a=-0.0171，截距b=8.5414。直線上每點的方差S2[計算方法見公式（1）]為0.0028，斜率不確定度S（a）[計算方法見公式（2）]為0.0122。監(jiān)控次數(shù)n為7 次，自由度為n-2=5，p=0.95（95%置信區(qū)間），查t值表[9]，t為2.57。

表4 穩(wěn)定性檢驗過程中測定的三乙酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)Tab.4 Mass fraction of triacetin determined during the stability test %

式中：S2為直線上每點的方差；n為監(jiān)控次數(shù)（7次）；yi表示三乙酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)的100 倍數(shù)值；xi表示間隔時間，月；a、b分別代表擬合直線方程的斜率和截距。

式中：S（a）為斜率不確定度；S為公式（1）中的S；n表示監(jiān)控次數(shù)（為7 次）；xi表示間隔時間，月；ˉx表示間隔時間的平均值，月。

結(jié)合上述計算結(jié)果，可知|a|＜t·S（a），斜率不顯著，表明隨著時間的推移，濾棒中三乙酸甘油酯的質(zhì)量分數(shù)不存在明顯變化，6 個月內(nèi)穩(wěn)定性良好。

2.3 定值

6 個實驗室從制備的盒樣品中均隨機抽取5 盒，共30 盒，測定的三乙酸甘油酯的質(zhì)量分數(shù)見表5。基于Grubbs 檢驗[9]，將6 個實驗室的平均值數(shù)據(jù)由小到大排列，殘差與標準偏差的比值為Gi（最大的記作Gimax）。結(jié)果表明，Gimax小于G0.05(5)（查表為1.715），說明各個實驗室的平均值測量數(shù)據(jù)無異常值。然后基于Dixon 檢驗[11]，將6 個平均值數(shù)據(jù)由小到大排列，分別用X1，…，X6表示，r6=（X6－X5）/（X6－X1）=0.094、r1=（X2－X1）/（X6－X1）=0.132，查表得f(0.05,6)=0.628。r6＜r1＜f(0.05,6)，再次表明6 個實驗室測定的平均值無異常值。

表5 6 個實驗室測定的三乙酸甘油酯質(zhì)量分數(shù)Tab.5 Mass fraction of triacetin measured by 6 laboratories %

將6 個實驗室測定的30 個數(shù)據(jù)作為整體，基于Grubbs 檢驗[9]驗證整體數(shù)據(jù)是否存在異常值；將數(shù)據(jù)由小到大排列，殘差與標準偏差的比值記為Gi’（最大的記作Gimax’）。Gimax’=2.351＜G0.05(30)（查表為2.908），表明整體數(shù)據(jù)無異常值。

將6 個實驗室測定的30 個數(shù)據(jù)作為整體，利用Origin 8.0 軟件中的柯爾莫可洛夫-斯米洛夫（Kolmogorov-Smirnov）[12]進行檢驗，計算出相對頻數(shù)D=0.1283、D(0.05, 30)= 0.6869，D＜D(0.05, 30)，表明6 個實驗室測得的30 個數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。

利用Cochran 檢驗[13]驗證6 個實驗室測定的數(shù)據(jù)是否等精度，計算各實驗室方差數(shù)據(jù)與方差之和的比值，用C表示最大值，可知C= 0.3675、C(0.05, 6, 5)=0.4447。C＜C(0.05, 6, 5)，通過了Cochran 檢驗，表明各實驗室間的數(shù)據(jù)是等精度的。

按照GB/T 15000.3—2008[14]的規(guī)定，取6 個實驗室測量數(shù)據(jù)的總平均值（8.50%）作為定值結(jié)果，即為三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)的標準值。

2.4 不確定度評定

經(jīng)分析，三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)定值結(jié)果的不確定度來源有：1）均勻性引入的相對標準不確定度ur1，旨在體現(xiàn)樣品間的均勻性差異所引入的不確定度分量；2）長期穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度ur2，旨在體現(xiàn)樣品在長期存放過程中所引入的不確定度分量；3）合作定值引入的相對標準不確定度ur3，旨在體現(xiàn)不同實驗室測試結(jié)果差異性所引入的不確定度分量。

2.4.1 均勻性引入的不確定度

根據(jù)ISO GUIDE 35—2017[10]，計算出均勻性引入的相對標準不確定度為0.17%，具體計算方法見公式（3）、（4）。

式中：SH表示均勻性引入的標準不確定度；MS組間表示組間方差，MS組內(nèi)表示組內(nèi)方差；n表示測試組數(shù)（n=3），組。

式中：ur1表示均勻性引入的相對標準不確定度；ˉx表示所檢驗樣品的平均值。

2.4.2 長期穩(wěn)定性引入的不確定度

長期穩(wěn)定性引入的不確定度可根據(jù)斜率的不確定度評估，其相對標準不確定度為0.86%，計算方法見公式（5）。

式中：ur2表示長期穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度；S（a）為公式（2）中的斜率不確定度；t表示時間，月；ˉx表示所檢驗樣品的平均值。

2.4.3 不同實驗室聯(lián)合定值引入的不確定度

對于不同實驗室之間結(jié)果的隨機性引入的不確定度，利用6 個實驗室定值結(jié)果中最大標準偏差進行評估。6 個實驗室定值結(jié)果的標準偏差見表6。可知，6個實驗室定值結(jié)果中最大標準偏差來自Ⅲ實驗室，則不同實驗室聯(lián)合定值引入的相對標準不確定度ur3=0.089 14/8.50=1.05%。

表6 6 個實驗室定值結(jié)果的標準偏差Tab.6 Standard deviation of value determination results from six laboratories

2.4.4 合成不確定度

合成相對標準不確定度u為1.37%，計算方法見公式（6）。當置信概率為95%時，取擴展因子為2，即相對擴展不確定度為2×1.37%=2.74%，擴展不確定度UCRM=8.50%×2.74%≈0.24%。

式中：ur1表示均勻性引入的相對標準不確定度；ur2表示長期穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度；ur3表示不同實驗室聯(lián)合定值引入的相對標準不確定度。

2.5 標物應(yīng)用

目前貴州中煙已建立近紅外測試濾棒中三乙酸甘油施加量的技術(shù)平臺，通過近紅外云分析系統(tǒng)（Acould）在線監(jiān)控各家卷煙廠近紅外法測量濾棒中三乙酸甘油酯施加量的結(jié)果。為防止某天、某廠的整個測試過程處于一種非正常的工作狀態(tài)，將所研制三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)應(yīng)用于貴州中煙5 家卷煙廠（貴陽卷煙廠、遵義卷煙廠、畢節(jié)卷煙廠、貴定卷煙廠和銅仁卷煙廠）的數(shù)據(jù)監(jiān)控，要求定期或不定期測試所研制標物。

在5 家廠的日常監(jiān)控中偶然發(fā)現(xiàn)，卷煙廠4 的基體標物近紅外檢測結(jié)果連續(xù)兩天偏離較大，并且對比其他4 家卷煙廠和技術(shù)中心都存在較大差異，因此車間緊急反饋至技術(shù)中心。技術(shù)中心相關(guān)人員通過對“人、機、料、法、環(huán)”的各個環(huán)節(jié)進行排查，發(fā)現(xiàn)主要原因為近紅外儀器光源和儀器內(nèi)部干燥劑須更換，因此技術(shù)中心相關(guān)人員迅速更換光源并對干燥劑進行重生，通過以上操作并對基體標物重新復測，測試結(jié)果恢復正常值范圍（表7）。

表7 各家廠近紅外檢測結(jié)果及復測結(jié)果Tab.7 Near-infrared detection results and re-test results from various factories

通過上述測試，該基體標物在實驗室和車間實際生產(chǎn)中發(fā)揮了積極作用，不僅可以為近紅外法檢測濾棒中三乙酸甘油酯施加量的準確性提供支撐，還能為整個測試是否處于正常狀態(tài)提供預(yù)警，保障濾棒生產(chǎn)的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

對制備的三乙酸甘油酯濾棒基體標準物質(zhì)進行檢驗，結(jié)果表明，該標準物質(zhì)均勻性、穩(wěn)定性良好，6個實驗室聯(lián)合定值結(jié)果為8.50%。經(jīng)計算得到其不確定度為0.24%，符合國家二級標準物質(zhì)要求，可滿足近紅外法賦值和實驗室能力驗證、數(shù)據(jù)比對的需要。