離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度評定*

陳寬

(云南煙草科學(xué)研究院，煙草化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650106)

氨是44種霍夫曼有害成分之一[1]。氨在新鮮煙葉中的含量很少，煙葉經(jīng)調(diào)制發(fā)酵，由于蛋白質(zhì)、氨基酸的代謝(氧化、脫氧等反應(yīng))，氨含量增加。煙葉中的氨基酸、蛋白質(zhì)、硝酸鹽和銨鹽等是卷煙煙氣中氨的前體物[2]。在卷煙中，適量的氨對于碳水化合物和有機(jī)酸較多的卷煙是必需的，氨與其它含氮化合物參與了煙氣吃味勁頭的形成。氨含量過低，會(huì)造成煙氣勁頭下降，豐滿度不夠；但過量的氨會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的刺激性，引起吸煙者喉部收縮，使人感到嗆咳鼻腔、舌頭有辛辣難忍的感覺。因此氨對控制卷煙吸味有重要的作用。氨在主流煙氣中的氣相和粒相都有分布[3]。

離子色譜法(IC)作為一種快速、高效、靈敏的檢測技術(shù)[4]，是測定卷煙煙氣中氨含量應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)。為了符合中國實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可委員會(huì)(CNAL)認(rèn)可準(zhǔn)則CNAL/AR11:2002測量不確定度政策[5]及在測量數(shù)據(jù)的處理、測量結(jié)果的表達(dá)和測量結(jié)果質(zhì)量評定等方面與國際接軌，根據(jù)JJF 1059-1999[6]，對離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度進(jìn)行了評定。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 主要儀器與試劑

離子色譜儀：ICS-3000型，配備雙泵模塊、檢測器/色譜模塊、自動(dòng)進(jìn)樣器模塊和Chromeleon6.8色譜工作站，美國Dionex公司；

20孔道直線式吸煙機(jī)：SM450型，英國Cerulean公司；

劍橋?yàn)V片：44 mm ，英國Whatman公司；

超純水儀：美國ELGA公司；

往復(fù)式搖床振蕩器：HS 501型，德國IKA公司；

NH3標(biāo)準(zhǔn)溶液：1 000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

濃鹽酸：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%～38%，分析純；

實(shí)驗(yàn)用水：電阻率為18.2 MΩ·cm的超純水。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確移取1 mL NH3標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中,使用10 mmol/L的稀鹽酸稀釋定容，配制成10 μg/mL母液，再依次稀釋配制成0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 μg/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.3 樣品處理

卷煙抽吸時(shí)，采用44 mm劍橋?yàn)V片收集卷煙主流煙氣粒相物，用20 mL 10 mmol/L HCl吸收液吸收氣相物。抽吸結(jié)束后，將44 mm濾片放入100 mL萃取瓶中，再用四分之一濾片(44 mm)擦拭捕集器，一起放入100 mL錐形瓶中，準(zhǔn)確加入20 mL HCl吸收液。將錐形瓶放在振蕩器上，振蕩萃取40 min，轉(zhuǎn)速調(diào)至160 r/min。從主流煙氣氣相吸收液與粒相萃取液中各定量移取5 mL，合并置入25 mL容量瓶，并用10 mmol/L HCl定容，搖勻后，使用濾膜過濾，濾液置入色譜瓶中進(jìn)行IC分析。

1.4 IC分析條件

色譜柱：IonPac CS12A (250 mm×4 mm )；保護(hù)柱：IonPac CG12A(50 mm×4 mm)；淋洗液：MSA溶液，梯度淋洗程序：0～6 min 16 mmol/L MSA，6.1～14.5 min 25 mmol/L MSA，14.6～28 min 16 mmol/L MSA；流速：1.2 mL/min；抑制器電流：90 mA；柱溫：30℃；進(jìn)樣量：25 μL。

2 數(shù)學(xué)模型

樣品中氨含量測定采用外標(biāo)法，公式為：

(1)

式中：m——卷煙主流煙氣中氨的含量，μg/支；

c——根據(jù)樣品峰面積代入標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得到的樣品質(zhì)量濃度，μg/mL；

d——樣品溶液稀釋倍數(shù),d=20/5，其中20為

氣相吸收液和粒相萃取液的體積，5為稀釋時(shí)定量移取溶液的體積,mL；

25——樣品稀釋定容的體積，mL；

n——抽煙數(shù)量，支。

3 不確定度來源

從測量過程和數(shù)學(xué)模型分析，卷煙主流煙氣中氨含量測量不確定度的主要來源于標(biāo)準(zhǔn)溶液、樣品峰面積的測量、儀器響應(yīng)值、測量和樣品處理操作過程的差異，可歸納為A類和B類不確定度。

(1)A類不確定度是由重復(fù)性測定引入的不確定度[7]。

(2)B類不確定度主要包括以下幾個(gè)方面：

①標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度，主要包括標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)工作液配制過程中量器校準(zhǔn)引入的不確定度；標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制過程溫度變化引入的不確定度；

②標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的不確定度；

③樣品溶液稀釋因子引入的不確定度，主要包括稀釋過程中量器校準(zhǔn)引入的不確定度；稀釋過程溫度變化引入的不確定度。

④樣品處理后的總體積引入的不確定度，主要包括容量瓶校準(zhǔn)的不確定度和溫度變化引入的不確定度。

4 不確定度評定

4.1 重復(fù)性測定引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由重復(fù)性測定引入的不確定度屬于A類不確定度，對本實(shí)驗(yàn)所用未知樣重復(fù)測定6次，平均值為12.04 μg/支，測定結(jié)果見表1。

表1 卷煙主流煙氣中氨的含量 μg/支

6次測定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

(μg/支)

則測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(μg/支)

相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

(1)標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度引入的不確定度u(c)

繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線所用的標(biāo)準(zhǔn)溶液購自國家有色金屬分析測試中心，標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL，給出的相對擴(kuò)展不確定度為±0.07%，取擴(kuò)展因子k=2，則：

urel(c)= 0.7%/2=0.35%

(2)標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋定容引入的不確定度urel(V)

①1 mL 移液管V1的不確定度u(V1)

體積允許誤差引入的不確定度：經(jīng)校準(zhǔn)，1 mL移液管體積最大誤差為±0.008 mL，按均勻分布， 則誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

②100 mL單標(biāo)線容量瓶的不確定度u(V2)

體積允許誤差引入的不確定度： A級100 mL單標(biāo)線容量瓶的允差極值ΔV為±0.10 mL，按均勻分布考慮，則誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

重復(fù)性引入的不確定度：事先對100 mL容量瓶采用衡量法進(jìn)行10次重復(fù)測量，得到標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.02 mL，得到重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

u(V2，2)=0.02 mL

因此標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

=0.58%

4.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

對系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行測定，測定結(jié)果見表2。線性回歸得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線A=0.169 7c-0.001 5,r=0.999 9,由此得到斜率B=0.169 7，截距B0=-0.001 5

表2 系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液峰面積測定結(jié)果

對樣品進(jìn)行測量，響應(yīng)值為0.080 94，通過直線方程，得樣品溶液中氨濃度為：

c0=0.485 8 μg/mL

樣品溶液中氨濃度c0的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(c0)由測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算為：

近日，金鉬股份技術(shù)中心科研團(tuán)隊(duì)經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，成功制備出了外徑8 mm、壁厚0.6 mm、長度達(dá)8 m的無縫鉬合金薄壁管，一舉攻克了大長徑比無縫鉬合金薄壁管的關(guān)鍵技術(shù)。

(2)

其中s為標(biāo)準(zhǔn)溶液峰面積殘差的標(biāo)準(zhǔn)差,其值為：

P=2(對樣品溶液進(jìn)行2次測量)；

n=15(建立標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)各濃度點(diǎn)共進(jìn)行15次測量)；Aj為峰面積；cj為標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度。

將以上數(shù)據(jù)代入式(2)計(jì)算得：

4.4 樣品溶液稀釋因子引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

樣品溶液稀釋時(shí)是在同溫下操作，溫度變化不需考慮。處理過程中涉及到兩次稀釋，用到5 mL的吸量管(記為V3)和20 mL的瓶口移液器(記為V4)。

d=V4/V3

(1) 5 mL移液管引入的不確定度

①經(jīng)校準(zhǔn)，5 mL移液管體積最大誤差為±0.025 mL，按均勻分布，則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

(2) 50 mL瓶口移液器移取20 mL溶液引入的不確定度

50 mL瓶口移液器的證書上指出容量的準(zhǔn)確度誤差為0.00%，因此只考慮重復(fù)性引入的不確定度。

連續(xù)10次用瓶口移液器移取20 mL純水于燒杯中,用天平測得每次純水的質(zhì)量,換算成水的體積,根據(jù)貝塞爾公式,瓶口移液器體積變動(dòng)性不確定度由10次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算得s=0.015 mL，即：

u(V4)=0.015 mL

因此，兩次稀釋引入的相對不確定度為：

4.5 樣品處理后的總體積引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

樣品處理后稀釋定容至25 mL容量瓶，引入的不確定度u(V0)有3個(gè)來源：容量瓶允許誤差、重復(fù)性和溫度。

(1)A級25 mL單標(biāo)線容量瓶的允差極值ΔV為±0.03 mL，按均勻分布考慮，則25 mL單標(biāo)線容量瓶引入的不確定度為：

(2) 連續(xù)10次向25 mL容量瓶中加入純水,定容至刻度,用天平測得每次純水的質(zhì)量,換算成水的體積,根據(jù)貝塞爾公式,容量瓶定容變動(dòng)性不確定度由10次測量的標(biāo)準(zhǔn)偏差公式計(jì)算得s=0.017 mL，即：

u(V0,2)=0.017 mL

(3) 實(shí)驗(yàn)室的溫度在±5℃之間變動(dòng)，水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃，假定為均勻分布，因此溫度控制引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

以上各不確定度分量互不相關(guān)，則氨檢測結(jié)果的相對合成不確定度為：

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到該卷煙樣品主流煙氣中氨含量平均值為12.04 μg/支，則氨檢測結(jié)果的不確定度為：

u(c)=urel(c)×12.04=0.20 (μg/支)

6 擴(kuò)展不確定度與結(jié)果表示

取置信水平為95%，包含因子k=2，故擴(kuò)展不確定度為:

U=0.20×2=0.40 (μg/支)

離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的檢測結(jié)果表示為：(12.04±0.40) μg/支，k=2。

7 結(jié)論

離子色譜法測定卷煙主流煙氣中氨含量的不確定度主要來源于測量重復(fù)性、標(biāo)準(zhǔn)工作曲線、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制，因此實(shí)驗(yàn)過程中要盡量多做平行測定，取

平均值作為測量結(jié)果，更要認(rèn)真配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，確保標(biāo)準(zhǔn)系列各點(diǎn)的濃度準(zhǔn)確，這一點(diǎn)與文獻(xiàn)[8]得出的結(jié)論一致，也是化學(xué)分析工作者所公認(rèn)的。

[1] Hoffmann D，Hoffmann I. The Changing Cigarette：Chemical Studies and Bilassays[M]//National Cancer Institute’s(NCI) Smoking and Tobacco Control Program Monograph Series 13:Risks associated with smoking cigarettes with low tar machine-measured yields of tar and nicotine 2001.http://cancercontrol.cancer.gov/tcrb/monographs/13/index.html.

[2] Chorng B H，Ron Bassfield，Bettie Dabney，et al. Determination of total ammonia in mainstream smoke[J]. Beitrage Zur Tabakforschung International，2003，20(6)：389-393.

[3] Brunnemann K D，Hoffmann D. Gas chromatographic determination of ammonia in cigarette and cigar smoke[J]. J Chromat Sci，1975(13)：159-163.

[4] 牟世芬，劉克納.離子色譜方法及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：108.

[5] 中國實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可委員會(huì).實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可與管理基礎(chǔ)知識[M].北京：中國計(jì)量出版社，2003：176.

[6] JJF 1059-1999 測量不確定度評定與表示[S].

[7] 馮立順，劉洪燕.4-氨基安替比林分光光度法測定水中揮發(fā)酚的不確定度評定[J].冶金分析，2007，27(7):79-78.

[8] 中國實(shí)驗(yàn)室國家認(rèn)可委員會(huì).化學(xué)分析中不確定度的評估指南[M].北京：中國計(jì)量出版社，2002.