超痕量六價(jià)鉻分析儀的校準(zhǔn)

李萌，張娜，言思敏

（上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院，上海 201114）

鉻在自然界中的分布很廣，常見(jiàn)價(jià)態(tài)有二價(jià)、三價(jià)、四價(jià)和六價(jià)。鉻鹽的主要價(jià)態(tài)有三價(jià)和六價(jià)。其中，三價(jià)鉻是人體維持生命的必需元素，在糖、脂肪、蛋白質(zhì)的代謝中起重要作用[1]。六價(jià)鉻主要是工業(yè)化產(chǎn)物，來(lái)源于制革、化工、冶金、紡織等行業(yè)，有較強(qiáng)的氧化性和遷移性，難以降解，且具有強(qiáng)致癌性，其致癌性已被國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)及美國(guó)政府工業(yè)衛(wèi)生學(xué)家協(xié)會(huì)確認(rèn)[2?5]。工業(yè)生產(chǎn)中形成的廢水、廢氣、廢渣如處理不當(dāng)則會(huì)對(duì)環(huán)境造成持久性污染，對(duì)從業(yè)人員造成職業(yè)損傷。因此，六價(jià)鉻含量檢測(cè)的準(zhǔn)確性對(duì)于發(fā)展綠色低碳經(jīng)濟(jì)體系，保障人民生產(chǎn)生活的健康發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。

目前，六價(jià)鉻的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法主要有分光光度法、離子色譜法、連續(xù)流動(dòng)分析法、離子色譜與電感耦合等離子體質(zhì)譜聯(lián)用法(IC-ICP-MS)、火焰原子吸收光譜法[6?9]等。二苯碳酰二肼分光光度法和色譜法是較為常用的六價(jià)鉻檢測(cè)方法，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22807—2019《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定：分光光度法》、GB/T 28019—2011《飾品 六價(jià)鉻的測(cè)定 二苯碳酰二肼分光光度法》、GB/T 38287—2019《塑料材料中六價(jià)鉻含量的測(cè)定》和GB/T 38402—2019《皮革和毛皮 化學(xué)試驗(yàn) 六價(jià)鉻含量的測(cè)定：色譜法》[10?13]中均有規(guī)定。近年來(lái)，柱后衍生-離子色譜法被廣泛應(yīng)用。樣品先經(jīng)色譜柱分離，再通過(guò)柱后衍生方式與衍生試劑反應(yīng)生成有色絡(luò)合物，能有效避免樣品本底顏色和濁度干擾，特異性較強(qiáng)，可用于痕量六價(jià)鉻的測(cè)定[14?16]。

超痕量六價(jià)鉻分析儀是進(jìn)行六價(jià)鉻含量測(cè)定的專(zhuān)用儀器，具有雙離子色譜泵系統(tǒng)，可有效降低輸液脈沖和檢出限，其獨(dú)特的TLD檢測(cè)器和長(zhǎng)光程流通池也可有效提高檢測(cè)靈敏度和抗干擾能力，廣泛應(yīng)用于皮革、食品、水質(zhì)、固廢等領(lǐng)域。不同于色譜直接測(cè)定法，該儀器采用柱后衍生-離子色譜法搭配六價(jià)鉻專(zhuān)用分析柱，對(duì)六價(jià)鉻進(jìn)行定性定量分析。

目前，我國(guó)尚未有針對(duì)超痕量六價(jià)鉻分析儀的檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，已有的計(jì)量技術(shù)規(guī)范JJG 823—2014《離子色譜儀檢定規(guī)程》[17]提出了用NO2-離子溶液進(jìn)行紫外可見(jiàn)檢測(cè)器性能檢定的方法和技術(shù)指標(biāo)，JJG 705—2014《液相色譜儀檢定規(guī)程》[18]提出了用萘-甲醇溶液進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光檢測(cè)器和二極管陣列檢測(cè)器性能檢定的方法和技術(shù)指標(biāo)。而超痕量六價(jià)鉻分析儀是針對(duì)六價(jià)鉻含量測(cè)定的專(zhuān)用儀器，其測(cè)量目標(biāo)和測(cè)量方法中選用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、色譜柱及流動(dòng)相等與離子色譜儀和液相色譜儀的檢定均不同，且其獨(dú)特的TLD 檢測(cè)器和長(zhǎng)光程流通池，以及通過(guò)放大檢測(cè)信號(hào)而帶來(lái)的檢測(cè)器相關(guān)性能的改變，使其檢測(cè)器相關(guān)技術(shù)指標(biāo)與離子色譜儀和液相色譜儀均不同，以上兩個(gè)計(jì)量技術(shù)規(guī)范不完全適用于超痕量六價(jià)鉻分析儀的計(jì)量校準(zhǔn)。但以上兩個(gè)規(guī)范中關(guān)于色譜泵和檢測(cè)器的通用檢定方法可作為本校準(zhǔn)方法的參考。

筆者根據(jù)超痕量六價(jià)鉻分析儀的工作原理、出廠指標(biāo)及相關(guān)計(jì)量技術(shù)規(guī)范，建立一種適合于超痕量六價(jià)鉻分析儀的校準(zhǔn)方法，以便滿足超痕量六價(jià)鉻分析儀的校準(zhǔn)需求。

1 超痕量六價(jià)鉻分析儀組成及工作原理

超痕量六價(jià)鉻分析儀主要由輸液系統(tǒng)、自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、反應(yīng)管、檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等部分組成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其基本工作原理是利用六價(jià)鉻的強(qiáng)氧化性，樣品經(jīng)自動(dòng)進(jìn)樣器注入，在流動(dòng)相的作用下由色譜柱洗脫分離后，與衍生試劑二苯碳酰二肼在酸性條件下反應(yīng)形成紫紅色絡(luò)合物，根據(jù)檢測(cè)其在540 nm處的光吸收對(duì)樣品中的六價(jià)鉻進(jìn)行定性、定量分析。

圖1 超痕量六價(jià)鉻分析儀基本結(jié)構(gòu)示意圖

2 主要計(jì)量特性

根據(jù)超痕量六價(jià)鉻分析儀的工作原理、結(jié)構(gòu)組成，通過(guò)咨詢生產(chǎn)廠家和實(shí)際校準(zhǔn)經(jīng)驗(yàn)，參考離子色譜儀檢定規(guī)程，確定泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性、基線噪聲和漂移、最小檢測(cè)濃度、定性和定量重復(fù)性作為超痕量六價(jià)鉻分析儀的常規(guī)校準(zhǔn)項(xiàng)目。超痕量六價(jià)鉻分析儀不具備柱溫箱模塊，軟件運(yùn)行時(shí)會(huì)自動(dòng)校正六價(jià)鉻的特征波長(zhǎng)，且人工進(jìn)行波長(zhǎng)校準(zhǔn)時(shí)，一般需拆去儀器中的濾光片，在紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上進(jìn)行校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)可操作性不強(qiáng)，因此常規(guī)校準(zhǔn)時(shí)不需對(duì)其柱溫箱性能和波長(zhǎng)準(zhǔn)確性進(jìn)行評(píng)價(jià)。

對(duì)每一項(xiàng)計(jì)量特性確定其技術(shù)指標(biāo)，泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性、定性和定量重復(fù)性參照離子色譜儀檢定規(guī)程[17]給出?；€噪聲和漂移、最小檢測(cè)濃度根據(jù)其500 mm長(zhǎng)光程流通池相對(duì)于10 mm標(biāo)準(zhǔn)流通池引起的噪聲漂移的倍數(shù)增加和檢出限的有效降低，以及出廠指標(biāo)和多次驗(yàn)證數(shù)據(jù)綜合給出，以滿足計(jì)量性能的控制要求。超痕量六價(jià)鉻分析儀主要計(jì)量特性見(jiàn)表1。

表1 超痕量六價(jià)鉻分析儀計(jì)量特性

3 校準(zhǔn)條件

3.1 主要儀器與試劑

六價(jià)鉻單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：100 μg/mL，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW (E) 080257，相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=0.8%(k=2)，使用時(shí)用高純水稀釋成所需質(zhì)量濃度。也可選用重鉻酸鉀純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

電子天平：最大稱(chēng)量不小于100 g，分辨力不大于1 mg。

數(shù)字溫度計(jì)：測(cè)量范圍為0～50 ℃，分辨力不大于0.1 ℃。

電子秒表：分辨力不大于0.1 s。

容量瓶、移液管：須經(jīng)計(jì)量校準(zhǔn)或檢定，且能滿足相關(guān)計(jì)量技術(shù)規(guī)范的技術(shù)要求。

二苯碳酰二肼：分析純。甲醇、硝酸銨、硫酸：色譜純。實(shí)驗(yàn)用水為高純水。

3.2 環(huán)境條件

室內(nèi)環(huán)境溫度：20～30 ℃；相對(duì)濕度：不大于85%，室內(nèi)應(yīng)清潔無(wú)塵，通風(fēng)良好。

4 校準(zhǔn)方法

4.1 泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性

將儀器各部分連接好，以純水為流動(dòng)相，色譜泵流量設(shè)為1.2 mL/min，啟動(dòng)儀器，待壓力穩(wěn)定后，用電子天平稱(chēng)得潔凈容量瓶重量W1，在流動(dòng)相出口處收集流動(dòng)相，同時(shí)用秒表計(jì)時(shí)，收集5 min，在分析天平上稱(chēng)重得W2，按公式(1)計(jì)算流量實(shí)測(cè)值Fm。其中，ρ值由JJG 705—2014[18]附錄C.1 不同溫度下純水的密度表查得。重復(fù)測(cè)量3 次，按公式(2)和公式(3)分別計(jì)算泵流量設(shè)定值誤差Ss和穩(wěn)定性SR：

式中：Fm——泵流量實(shí)測(cè)值，mL/min；

W2——容量瓶與流動(dòng)相的質(zhì)量和，g；

W1——容量瓶的質(zhì)量，g；

ρ——實(shí)驗(yàn)溫度下流動(dòng)相的密度，g/cm3；

t——流動(dòng)相的收集時(shí)間，min；

Ss——泵流量設(shè)定值誤差，%；

FS——流量設(shè)定值，mL/min；

SR——泵流量穩(wěn)定性，%；

Fmax——3次流量測(cè)量值中的最大值，mL/min；

Fmin——3次流量測(cè)量值中的最小值，mL/min。

4.2 基線噪聲和漂移

選用六價(jià)鉻專(zhuān)用分析柱，以120 mmol/L硝酸銨溶液為流動(dòng)相，色譜泵流量為1.2 mL/min。儀器開(kāi)機(jī)預(yù)熱，待基線平穩(wěn)后記錄基線30 min，選取基線最大峰-峰值對(duì)應(yīng)的信號(hào)，基線漂移用30 min 內(nèi)基線偏離起始位置的最大信號(hào)值表示。

4.3 最小檢測(cè)濃度

選用六價(jià)鉻專(zhuān)用分析柱，以120 mmol/L硝酸銨為流動(dòng)相，色譜泵流量為1.2 mL/min，衍生泵流量為0.7 mL/min，柱后衍生試劑為3.3 mmol/L 二苯碳酰二肼、10%甲醇和0.5 mmol/L H2SO4溶液。由進(jìn)樣系統(tǒng)注入400 μL的0.1 μg/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄色譜圖，由色譜峰高和基線噪聲，按公式(4)計(jì)算最小檢測(cè)質(zhì)量濃度ρL(按400 μL進(jìn)樣量計(jì)算)：

式中：ρL——最小檢測(cè)質(zhì)量濃度，μg/L；

Nd——基線噪聲峰峰值；

ρ——六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度，μg/L；

V——進(jìn)樣體積，μL；

H——六價(jià)鉻的峰高。

4.4 定性和定量重復(fù)性

在4.3條件下，基線穩(wěn)定后由進(jìn)樣系統(tǒng)注入一定體積的0.2 μg/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，連續(xù)測(cè)量7次，記錄色譜峰的保留時(shí)間T和色譜峰面積A，按公式(5)和公式(6)分別計(jì)算其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為定性重復(fù)性RT和定量重復(fù)性RA。

式中：RT——定性(色譜保留時(shí)間)重復(fù)性，%；

RA——定量(色譜峰面積)重復(fù)性，%；

Ti——第i次測(cè)得的保留時(shí)間，s；

Ai——第i次測(cè)得的色譜峰面積；

n——測(cè)量次數(shù)，n=7。

5 校準(zhǔn)實(shí)例

按照上述校準(zhǔn)方法，對(duì)廣州譜臨晟科技有限公司Elspe-2型超痕量六價(jià)鉻分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，分別得到泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性、基線噪聲和漂移、最小檢測(cè)濃度、定性和定量重復(fù)性。

5.1 泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性

儀器穩(wěn)定后，按4.1 校準(zhǔn)方法對(duì)泵流量進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果列于表2。實(shí)驗(yàn)溫度為23.1 ℃，根據(jù)JJG 705—2014[18]附錄C.1查表可得，對(duì)應(yīng)溫度下的純水密度為0.997 5 g/cm3。

表2 泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

5.2 基線噪聲和漂移

儀器開(kāi)機(jī)預(yù)熱，待基線平穩(wěn)后，記錄基線30 min，基線噪聲為6×10-4，30 min 基線漂移為1.0×10-3。

5.3 最小檢測(cè)濃度

按4.3 校準(zhǔn)方法，由自動(dòng)進(jìn)樣系統(tǒng)注入400 μL 0.1 μg/L 六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄色譜峰高為4.4×10-3，基線噪聲為6.00×10-4，由公式(4)計(jì)算得儀器最小檢測(cè)質(zhì)量濃度ρL為0.027 μg/L。

5.4 定性和定量重復(fù)性

按4.4 校準(zhǔn)方法，基線穩(wěn)定后由進(jìn)樣系統(tǒng)注入400 μL 0.2 μg/L六價(jià)鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液，連續(xù)測(cè)量7次，記錄色譜峰的保留時(shí)間和色譜峰面積，由公式(5)和公式(6)計(jì)算定性、定量重復(fù)性，結(jié)果列于表3。

表3 定性和定量重復(fù)性校準(zhǔn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

綜上所述，Elspe-2型超痕量六價(jià)鉻分析儀按本方法計(jì)量校準(zhǔn)所得泵流量設(shè)定值誤差為0.09%，穩(wěn)定性為0.10%，基線噪聲為6×10-4，30 min 基線漂移為1.0×10-3，最小檢測(cè)質(zhì)量濃度為0.027 μg/L，定性重復(fù)性為0.5%，定量重復(fù)性為1.3%。各校準(zhǔn)項(xiàng)目結(jié)果均能滿足建議的計(jì)量技術(shù)指標(biāo)。

5.5 最小檢測(cè)濃度測(cè)量結(jié)果不確定度評(píng)定

5.5.1 數(shù)學(xué)模型

式(4)中，Nd、ρ、V和H各分量相互獨(dú)立，最小檢測(cè)質(zhì)量濃度的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel由式(7)計(jì)算：

5.5.2 輸入量Nd引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(Nd)

基線噪聲的不確定度主要來(lái)源于檢測(cè)器工作穩(wěn)定性和測(cè)量峰-峰值時(shí)所用卡尺的不確定度(此項(xiàng)影響較小，可忽略)。在儀器正常工作狀態(tài)下，連續(xù)記錄基線60 min，將基線圖譜均勻分為6段，取各段噪聲的最大峰值，采用A類(lèi)不確定度評(píng)定方法，計(jì)算單次測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為輸入量Nd引入的urel(Nd)。

5.5.3 輸入量ρ引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(ρ)

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)質(zhì)量濃度引入的不確定度，主要考慮所用六價(jià)鉻單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量，以及溶液逐級(jí)稀釋過(guò)程中容量瓶和移液管最大允許誤差引入的不確定度分量。采用B類(lèi)不確定度評(píng)定方法計(jì)算。六價(jià)鉻單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)給出0.8%(k=2)，則urel，1(ρ)=0.4%。溶液由100 μg/mL 經(jīng)2 次稀釋至0.1 μg/L，選用100 mLA 級(jí)容量瓶(最大允許誤差為±0.1 mL)和1 mL A 級(jí)分度吸量管(最大允許誤差為±0.008 mL)，服從均勻分布，k= 3，100 mL 容量瓶和1 mL 分度吸量管容量允差引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量分別為0.06%和0.46%，合成得溶液逐級(jí)稀釋過(guò)程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel，2(ρ)=0.66%，按式(8)計(jì)算urel(ρ)。

5.5.4 輸入量V引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(V)

進(jìn)樣體積引入的不確定度主要來(lái)源于自動(dòng)進(jìn)樣器的容量誤差(±1%)引入的不確定度分量，服從均勻分布，采用B類(lèi)不確定度評(píng)定方法計(jì)算urel(V)。

5.5.5 輸入量H引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(H)

標(biāo)準(zhǔn)溶液色譜峰高的不確定度主要體現(xiàn)于測(cè)量重復(fù)性，通過(guò)多次重復(fù)測(cè)量，采用A類(lèi)不確定度評(píng)定方法計(jì)算單次測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差作為輸入量H引入的urel(H)。

5.5.6 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc，rel

最小檢測(cè)質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果各輸入量的不確定度分量及合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度列于表4。

表4 最小檢測(cè)質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果的不確定度分量及合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度%

5.5.7 擴(kuò)展不確定度

取置信概率P=95%，k=2，按Urel=k·uc，rel計(jì)算得最小檢測(cè)質(zhì)量濃度測(cè)量結(jié)果的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=8%，k=2。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)超痕量六價(jià)鉻分析儀的結(jié)構(gòu)、工作原理，建立一種超痕量六價(jià)鉻分析儀的校準(zhǔn)方法，對(duì)儀器的泵流量設(shè)定值誤差和穩(wěn)定性、基線噪聲和漂移、最小檢測(cè)濃度、定性和定量重復(fù)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該方法切實(shí)可行，可為評(píng)價(jià)該類(lèi)儀器的計(jì)量性能，設(shè)備使用者內(nèi)部的期間核查、儀器校準(zhǔn)提供參考。