高效液相色谱法测定车内非金属材料中甲醛含量的不确定度评估

姚响林，刘丹丹，熊 芬，胡 曼，冯槐宇

(1. 东风汽车公司技术中心 非金属材料室，湖北 武汉 430058；2. 国家汽车质量监督检验中心(襄阳)，湖北 襄阳 441004)

在车内挥发性有机气体所含的组分中，甲醛是一种无色、有刺激性气味的气体. 甲醛对人体健康的影响包括嗅觉异常、刺激、过敏、肺功能异常、肝功能异常，还可损害细胞内的遗传物质，2006年被确定为1类致癌物.

车内常见非金属材料，例如PU泡沫、再生棉、织物和真皮等原材料的挥发物中均能检测到甲醛. 本文以车内安全带锁扣毛毡材料为例，对材料中甲醛含量的不确定度进行了测量和评定[1-2]，以期为评定测量结果的准确性提供理论基础和科学依据.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

高效液相色谱仪(Agilent 1260)，带可变波长检测器(VWD)(美国安捷伦公司).

标准品：13种醛酮-DNPH组分混合标准溶液(其中甲醛-DNPH：40 μg/mL，购自SUPELCO；DNPH：中文名2,4-二硝基苯肼，英文名：2,4-dinitrophenyl hydrazine)；DNPH(分析纯，国药)；高氯酸(GR级，国药)乙腈(色谱纯，Merck)；超纯水(美国密理博公司)；试验样品：安全带锁扣毛毡，材质：聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate，PET).

1.2 混合标准溶液制备

E0标准溶液是13种衍生物混合而成的标准溶液，其中甲醛-DNPH质量浓度为40 μg/mL. 使用移液枪和容量瓶按照表1的配方要求分别配制标准子溶液E1、E2、E3和E4，并用乙腈稀释至容量瓶的刻度线.

表1 标准溶液Table 1 Standard solution

1.3 样品前处理

用5 mL的刻度移液管移取2.25 mL高氯酸溶液，注入25 mL容量瓶中，使用乙腈稀释至刻度线，摇匀备用. 精确称取0.123 g的DNPH，置于100 mL容量瓶中，加入乙腈使其溶解并加入上述1.25 mL的高氯酸溶液，使用乙腈稀释至刻度线，摇匀备用，此溶液为DNPH溶液.

将尺寸大小为60 mm×30 mm、质量在0.5～2 g之间的试验样品悬挂在一个500 mL广口瓶中，瓶中装有50 mL超纯水，试验样品位于超纯水的上方. 将瓶子放入60 ℃的烘箱中加热3 h，然后冷却至室温. 从广口瓶取出悬挂的试验样品，采用10 mL移液枪从广口瓶中吸取9 mL样品溶液于10 mL容量瓶中. 用1 mL移液枪吸取1 mL DNPH溶液加入容量瓶中，使两者充分混合衍生，此衍生液作为HPLC分析用的试验样品溶液冷藏保存.

1.4 检测

采用高效液相色谱仪对衍生液进行分析，通过衍生物分子对紫外线的吸收进行检测. DNPH衍生物的含量通过外标法进行检测和分析.

色谱柱：Eclipse XDB-C18 4.6 mm×250 mm, 5 μm Analytical；洗脱模式：梯度洗脱；检测器波长：367 nm；柱温：40 ℃；进样体积：20 μL；淋洗梯度：0 min 乙腈60% 超纯水40% ，10 min 乙腈65% 超纯水35%，20 min 乙腈100% 超纯水 0，25 min 乙腈100% 超纯水0.

2 建立数学模型

试样中甲醛含量计算公式为[3]：

(1)

式中：C试样中甲醛含量，mg/kg;X样品溶液中甲醛浓度，μg/mL;V样品溶液的体积，mL;m样品质量，g; Rec样品处理回收率.

3 不确定度的来源及其量化

对某汽车安全带锁扣毛毡材料取7组平行样进行测定，测定结果如表2所列.

3.1 重复试验引入的平均值不确定度分析

按A 类进行评定试验重复性引入的不确定度Ur(x)，采用极差法进行评定，试验次数为7 次，极差系数C为2.70. 样品溶液中甲醛-DNPH重复测量引入的不确定度为：

(2)

表2 汽车安全带锁扣毛毡材料甲醛含量检测结果Table 2 Test results of formaldehyde contents in automobile safety belt lock and felt material

重复测定引入的相对标准不确定度为：

(3)

3.2 样品溶液中甲醛-DNPH含量测定引入的不确定度分析Ur(X)

样品溶液中甲醛-DNPH含量测定引入的不确定度主要包括标准曲线绘制所引入的不确定度和标准溶液配制所引入的不确定度.

3.2.1 标准曲线的不确定度ur(X1)

按照1.4的色谱条件，对每个浓度的标准溶液测定2次，分析数据如表3所列.

设y(峰面积)对x(甲醛浓度)的回归直线方程为y=a+bx，其中，a为标准曲线的截距，b为标准曲线的斜率. 采用Excel自动拟合得到拟合函数：y=639.983 96x，即：a=0，b=639.98，相关系数R2=0.999 95.

表3 甲醛标准曲线系列Table 3 Standard curve series of formaldehyde

由标准溶液的质量-吸光度拟合的线性函数求得X1时所产生的测量不确定度(即线性最小二乘法校准的不确定度):

(4)

(5)

则：

=0.005 44

(6)

3.2.2 甲醛-DNPH标准溶液的不确定度

根据标准物质证书，甲醛-DNPH标准物质相对不确定度为4%，k=2，因此甲醛-DNPH标准物质引入的相对标准不确定度为：

(7)

标准溶液配制过程中量具校准引入的不确定度：标准工作溶液配制过程中，首先用1 000 μL移液枪分别移取200、400 μL标准母液至2 mL 容量瓶中，然后用100 μL移液枪分别移取10、50 μL标准母液至10 mL容量瓶中，用到了2、10 mL 容量瓶和100～1 000 μL、10～100 μL移液枪.

由仪器计量校准证书得到量具引起的不确定度[4]如表4所列.

表4 标准溶液制备使用的量具引起的不确定度Table 4 Uncertainty caused by standard gauges prepared by standard solution

样品稀释过程中引入的不确定度包括容量瓶的允差和温度引起水体积变化两个部分[8]. 按照矩形分布考虑，试验过程中用到的玻璃量具校准引入的相对不确定度如表5所列.

表5 玻璃量具校准引起的不确定度Table 5 Uncertainty caused by calibration of glass gauge

溶液配制过程中,由温度变化引起的相对不确定度如表6所列.

由表4、5和6可以计算出标准溶液配置过程中,量具引入的相对标准不确定度如式(8)所示.

表6 溶液配制过程中温度变化引起的不确定度Table 6 Uncertainty caused by temperature change in preparation of solution

(8)

=0.023 294

(9)

3.3 样品溶液制备体积引入的相对标准不确定度

DNPH溶液制备过程中，首先称取0.123 g DNPH固体，加入1.25 mL 6.1 mol/mL的高氯酸溶液，用乙腈定容至100 mL刻度线，用到了万分之一精度的天平、10 mL移液枪、25 mL容量瓶和100 mL容量瓶. 取广口瓶中水溶液9 mL与上述DNPH溶液1 mL反应，用乙腈定容至10 mL容量瓶刻度线，即得到待测样品. 样品溶液制备过程中使用的量具校准引起的不确定度如表7所列.

称量用万分之一数字显示电子分析天平，其示值误差：0.000 5 g，则：

(10)

称量引入的相对不确定度为：

ur(m1) =u(m1) /m = 2.887×10-4/ 0.123

=2.347×10-3

(11)

表7 样品溶液制备使用的量具引起的不确定度Table 7 Uncertainty caused by measuring tools used in sample solution preparation

由表5可以计算出DNPH溶液配置过程中量具校准引入的相对标准不确定度为：

(12)

样品溶液制备过程中引入的相对标准不确定度：

(13)

由以上数据可计算出样品溶液制备体积引入的相对标准不确定度:

(14)

3.4 样品质量称量引起的相对标准不确定度

称量引入的相对不确定度为：

ur(m) =u(m1)/m=2.887×10-4/0.826 2

=3.494×10-4

(15)

3.5 回收率因子引入的相对标准不确定度

回收率是在样品处理过程中产生的，主要由样品均一性、溶液转移、提取效率、制备过程复杂程度等因素引入[9]. 本试验采用添加甲醛-DNPH标准物质,4次加标回收试验结果分别为：98.86%、101.43%、102.21%、103.07%，平均加标回收率为101.39%. 根据贝塞尔公式[10]计算加标回收率引入的相对不确定度：

=0.824 8%

(16)

4 甲醛测定结果的不确定度报告

4.1 合成相对不确定度

4.2 扩展不确定度

4.3 某毛毡材料中甲醛的测定结果

某毛毡材料中甲醛的质量分数为(162.06±9.64) mg/kg.

5 结论

上述毛毡材料中甲醛测定相对不确定度各引入分量占比如图1所示.

图1 甲醛测定相对不确定度各分量占比Fig. 1 Determination of percentage of each component of relative uncertainty by formaldehyde

根据每个分量引起的不确定度计算结果，最终的不确定度主要由样品重复测定过程和样品溶液中甲醛-DNPH含量测定引入的不确定度引起，占比分别达25%和61%，对合成相对不确定度贡献较大. 其他分量引起的不确定度与样品处理过程产生的不确定度相比较小，其中样品质量称量引入的不确定度可忽略不计.

重复试验引入的平均值不确定度主要来源于样品溶液，平行样样品溶液的制备过程中每一步操作细节需保持一致. 通过重复试验的平均值不确定度分析，也可以反映出材料的材质均匀性.

样品溶液中甲醛-DNPH含量测定引入的不确定度主要包括标准溶液的不确定度和标准曲线的不确定度，标准曲线的不确定度大小取决于标准溶液配置误差的大小，在试验中可以需规范标准子溶液配制的操作，提高标准曲线的线性，减小测量结果的不确定度，有利于提高检测的准确性和一致性.

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