气相色谱–质谱联用仪校准质量准确性用异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质研制及不确定度评定

刘淑华，王冰玥，王骏，吴红，赵海波

（北京市计量检测科学研究院，北京 100029）

气相色谱–质谱联用（GC–MS）仪既充分利用气相色谱的分离能力，又发挥质谱定性的特长，相互补充，结合谱库，广泛用于复杂组分的分离和鉴定。GC–MS法具有高效快速定性、定量的特点，因此在农残检测、石油化工、食品安全、材料分析等领域得到广泛应用［1–3］。为了保证分析结果具有准确可靠性、统一性和溯源性［4–6］，气相色谱–质谱联用仪必须按照国家校准规范JJF 1164—2018［7］进行计量校准，仪器的各项性能指标均应满足校准规范的要求。异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质用于气相色谱–质谱联用仪的质量准确性考察，通过对物质硬脂酸甲酯的进行谱库搜索，对比硬脂酸甲酯主要离子质量数的实测值与理论值的偏差来判断气相色谱–质谱联用仪定性分析的能力。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气相色谱仪：TRACE1300型，配FID检测器，美国赛默飞世尔科技有限公司。

气相色谱–质谱联用仪：TRACE1300／ISQ LT型，美国赛默飞世尔科技有限公司。

色谱柱：TG–5MS型，30 m×0.25 mm，0.25 μm，美国赛默飞世尔科技有限公司。

傅立叶变换红外光谱仪：Frontier型，珀金埃尔默仪器（上海）有限公司。

液相色谱仪：UltiMate3000型，配DAD检测器，美国赛默飞世尔科技有限公司。

卡尔费休水分仪：852型，瑞士万通（中国）有限公司。

电子天平：XPE205，感量值为0.01 mg，瑞士梅特勒–托利多公司。

电感耦合等离子质谱仪：NexIONTM350X型，珀金埃尔默仪器（上海）有限公司。

容量瓶：100 mL、1000 mL，A 级，经检定合格后使用。

刻度吸量管：1 mL、10 mL，A 级，经检定合格后使用。

甲醇：HPLC级，德国默克公司。

硬脂酸甲酯纯度标准品：编号为DRE–C15710180，Lot Number为G173792，证书纯度（质量分数）标准值为97.97%（g／g），Urel=0.30%（k=2），德国Dr. Ehrenstorfer公司。

溶剂异辛烷：色谱纯，德国默克公司。

超纯水：符合GB／T 6682–2008规定的一级实验用水。

1.2 溶液标准物质制备

在(20±3)℃的实验环境下，准确称取102.46 mg硬脂酸甲酯标准品于100 mL的洁净容量瓶中，用异辛烷稀释、定容至标线，充分摇匀后作为储备液，该储备液的质量浓度为1 003.8 mg／L。在(20±3)℃的实验温度下，用移液管准确移取异辛烷中硬脂酸甲酯储备液10 mL于1 000 mL洁净容量瓶中，用异辛烷稀释、定容至标线，充分摇匀，放置48 h 后熔封于2 mL安瓿瓶中，封装量为1 mL，共分装500个单元，于4 ℃低温保存。对分装好的标准溶液进行均匀性、稳定性检验［8–9］。

2 纯品定性分析

2.1 气相色谱–质谱联用（GC–MS）法

采用气相色谱–质谱联用法对硬脂酸甲酯纯度标准品进行定性分析［3］。

仪器工作条件：温度250 ℃，不分流进样，吹扫流量为5.0 mL／min，柱流量为1.0 mL／min，进样体积为1 μL；程序升温：初始温度为150 ℃，保持1 min，以10 ℃／min的速率升温至250 ℃，保持5 min；质谱条件：离子源温度为280 ℃，传输线温度为250 ℃，采用全扫描模式，扫描范围为50～310 Da，溶剂延迟时间为3 min。

以上述条件进行测试，得到硬脂酸甲酯纯度标准品实际质谱图，与NIST标准谱图库中对应图谱进行比对，结果表明实际质谱图与NIST质谱库的标准图谱相似度为90.6%。

2.2 红外光谱法

采用红外光谱法对硬脂酸甲酯纯度标准品进行定性分析。

仪器工作参数：红外光谱扫描范围为400～4 000 cm–1，样品扫描8次，背景扫描8次，分辨率为4.0 cm–1。

以上述条件进行测试，得到硬脂酸甲酯纯度标准品的红外吸收光谱图，与标准谱库中的谱图进行比对。光谱图中出现的1 739.55 cm–1是羰基（C=O）伸缩振动谱带，2 952.48、2 915.99、2 847.94、2 870.09 cm–1是甲基中的C—H伸缩振动谱带，1 462.71、1 380.99 cm–1是甲基中的C—H弯曲振动谱带，与硬脂酸甲酯的标准谱图基本一致。

3 硬脂酸甲酯纯度标准品纯度核验

3.1 纯度定值

质量平衡法又称杂质扣除法，是目前普遍采用的经典有机纯物质定值技术［10］。实验采用气相色谱法（FID检测器）面积归一化法对硬脂酸甲酯纯度标准品主成分含量进行测定，分别采用卡尔·费休方法对水分进行测定，顶空进样–气相色谱法（FID检测器）对挥发性溶剂残留进行测定，电感耦合等离子体质谱（ICP–MS）法对无机元素杂质含量进行测定。根据质量平衡法按照式(1)计算其定值结果：

式中：P——主成分质量分数，%；

Pw——水分质量分数，%；

Pi——无机元素杂质质量分数，%；

Pv——挥发性溶剂残留质量分数，%；

Pgc——气相色谱法面积归一化法测得的主成分质量分数，%。

3.1.1 硬脂酸甲酯质量分数测定

主成分含量（Pgc）采用气相色谱法（FID检测器）面积归一化法进行核验。在使用面积归一化法定量时，要求样品中存在的所有组分都能够被检测到，所以应使用通用型检测器分析［1］。为了保证所有的有机杂质均出峰，依据《气相色谱–质谱联用仪校准规范》选用TG–5MS型色谱柱，并对GC–FID法所需要的测试条件进行逐一优化，主要包括进样口温度、程序升温法的优化等条件，最终确定硬脂酸甲酯的检测条件：FID检测器温度为280 ℃，进样口为250 ℃；设置升温程序，初始温度为60 ℃，保持2 min，以10 ℃／min的速率升至260 ℃，保持5 min，然后再以10 ℃／min的速率升至280 ℃，保持6 min。硬脂酸甲酯纯度标准品色谱图见图1。

图1 硬脂酸甲酯色谱图

取11份质量浓度约为1 003.8 ng／μL的异辛烷中硬脂酸甲酯溶液，在以上检测条件下每份重复测量3次，取11个样品测量结果的平均值，纯度测定结果见表1。由表1可知，硬脂酸甲酯纯度标准样品含量的色谱面积归一化法测定结果为98.17%，相对标准偏差为0.03%。

表1 硬脂酸甲酯色谱面积归一化含量测定结果 %

3.1.2 水分测定

卡尔·费休库伦滴定法是经典的水分测量法［10］。对水分杂质的测量，特别是痕量水分杂质，在操作中应尽量减少样品与外界环境的接触时间，减少环境湿度对样品水分的影响。对固体样品，采用卡尔·费休法水分测定［11］。从样品瓶中不同位置随机抽取11份样品，每份样品约10 mg，每份样品在相同的环境及条件下重复测定3次，取平均值，结果列于表2。由表2可知，硬脂酸甲酯纯度标准品原料中水分质量分数Pw最大为0.060 5%，水分含量以0.061%计。

表2 硬脂酸甲酯纯品原料中水分质量分数(n=3) %

3.1.3 无机元素杂质测定

采用ICP–MS法对有机高纯物质中痕量的无机元素杂质进行半定量分析，基于DZ／T 0223—2001《电感耦合等离子体质谱（ICP–MS）分析方法通则》测定66种元素含量［12–13］，本研究选用质量浓度为10 g／L的样品，测定结果列于表3。由表3可知，硬脂酸甲酯中66种元素含量中无机元素杂质质量分数为0.001 01%，总质量分数以0.002%计。

表3 硬脂酸甲酯中无机元素测定结果 %

3.1.4 挥发性溶剂残留测定

据文献报道，传统合成硬脂酸甲酯的方法是以浓硫酸作催化剂，将硬脂酸与甲醇直接酯化［14］。可能用到的溶剂为甲醇，因此对硬脂酸甲酯的溶剂残留测定主要考虑甲醇的残留。甲醇溶剂低沸点，极易挥发，基本上不会在产品中残留，为进一步验证此结论，采用顶空气相色谱法对硬脂酸甲酯纯度标准品中的挥发性溶剂残留量进行测试，结果显示硬脂酸甲酯纯度标准品中未见杂质峰出现，则Pv以0计。

3.1.5 质量平衡法定值结果

硬脂酸甲酯主成分纯度Pgc为98.17%，水分质量分数Pw为0.061%，挥发性溶剂残留Pv未检出，无机元素杂质Pi为0.002%，代入式(1)，计算得硬脂酸甲酯纯度P=98.11%。该结果在硬脂酸甲酯纯度标准品证书给定值及不确定度的范围之内，因此可使用证书中给定值（P=97.97%，Urel=0.3%，k=2）作为硬脂酸甲酯纯度标准值。

3.2 溶剂异辛烷纯度测定

异辛烷作为异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质配制所需的溶剂，其纯度须得到保证。采用气相色谱法（FID检测器）对异辛烷进行纯度验证，并检测是否含有硬脂酸甲酯杂质。考察溶剂异辛烷色谱图（图2）和硬脂酸甲酯–异辛烷溶液色谱图叠加图（图3）可发现，异辛烷中不含硬脂酸甲酯，且异辛烷中的其它杂质并不与硬脂酸甲酯中的杂质重合，因此不影响硬脂酸甲酯的定量分析及纯度测定，符合实验要求。

图2 异辛烷色谱图

图3 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液色谱图

4 均匀性检验

标准物质的均匀性是衡量标准物质性能的一个重要指标，也是标准物质量值能准确传递的物质基础，标准物质的特性应该是均匀的，即在一定的细分范围内其特性保持不变［4–6］。根据JJF 1343—2012［15］抽取单元数目对样品总体要有足够的代表性。从已经分装好并编号的异辛烷中硬脂酸甲酯溶液中按照前–中–后随机共抽取15个包装，每个样品重复进样3次，进行均匀性检验，检验结果列于表4，统计结果列于表5。由表5可知，F值小于F0.05(14,30)，说明该样品均匀性良好。

表4 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质均匀性检验结果

表5 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质均匀性检验统计结果

5 稳定性检验

标准物质的稳定性是指被定值的特性量随时间变化的情况，标准物质的稳定性受物理、化学和保存条件等因素的影响［4–6］。标准物质稳定性考察按先密后疏的原则，在一定时间间隔内选择检测方法，检测在规定条件下保存的标准物质浓度随时间的变化情况。JJF 1343—2012［15］的要求，采用回归曲线法对稳定性监测结果进行判断，即以时间为横坐标，测定值为纵坐标进行线性拟合。

5.1 短期稳定性检验

为评估在短期运输条件下的稳定性，对研制的标准物质进行了短期稳定性检验［15］。将样品于–20℃和60 ℃贮存15 d，其中–20 ℃通过冰箱冷冻中实现，60 ℃通过放在烘箱中实现。分别在第0、2、4、7、10、15 d进行稳定性监测，采取同步稳定性评估的方法，每次随机取样3个样品，每份样品平行测定3次，第15 d统一进行测试。–20 ℃、60 ℃贮存15 d的短期稳定性检验结果列于表6，统计结果列于表7。由表7可知，t检验通过，斜率估计值不显著。因此，研制的异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质在–20 ℃和60 ℃贮存15 d内，其特征量值是稳定的。

表6 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质短期稳定性检验数据

表7 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质短期稳定性统计结果

5.2 长期稳定性检验

为了评价标准物质的稳定性，在贮存期间必须定期对标准物质进行抽样测定［15］。将样品置于低温（4 ℃）储存条件，分别在第0、3、6、9、12个月进行稳定性监测。每次取3份样品，每份样品平行测定3次，以3次测量结果平均值作为检测结果。异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质12个月长期稳定性检验的数据列于表8，统计结果列于表9。由表9可知，t检验通过，则斜率估计值不显著，表明异辛烷中硬脂酸甲酯溶液的量值在12个月内没有发生明显的趋势性变化。

表8 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质长期稳定性检验数据

表9 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质长期稳定性统计结果

6 溶液标准物质定值

异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质采用重量–容量法定值，根据硬脂酸甲酯的纯度值、称取的质量和溶液定容体积确定其特性量值。则异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质的质量浓度定值结果：

式中：c——异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质的质量浓度，ng／μL；

m——硬脂酸甲酯纯度标准品的质量，mg；

P——硬脂酸甲酯纯度标准品的纯度，%；

V2——10 mL刻度移液管体积，mL；

103——质量转换因子；

V1——100 mL容量瓶定容体积，mL；

V3——1 000 mL容量瓶定容体积，mL。

7 溶液标准物质不确定度评定

7.1 硬脂酸甲酯纯度标准品引入的不确定度urel(x)

硬脂酸甲酯纯度标准品的质量分数为97.97%，相对扩展不确定度为0.3%，k=2，则：

Urel(x)=0.3%／2=0.001 5

7.2 溶液配制过程引入的不确定度urel(p)

7.2.1 天平称量引入的不确定度

（3）浮力影响。由于常压下称重，此项可忽略。

因此，由天平称量引入的合成标准不确定度：

硬脂酸甲酯纯度标准品称重102.46 mg，由此引入的相对不确定度urel(w)=0.15／102.46=1.44×10–3。

7.2.2 溶液体积随温度变化引入的相对标准不确定度

由于本方法溶剂体积随温度变化而变化，所以需要考虑温度对溶剂体积的影响引入的不确定度。标准物质制备过程中环境温度为（20±3）℃，因此考虑按温度变化3 ℃引起体积变化所引入的标准不确定度。异辛烷的膨胀系数为1.19×10–3℃–1，因此产生的体积变化为：

1 000 mL×3 ℃×0.001 19 ℃–1=3.57 mL

100 mL×3 ℃×0.001 19 ℃–1=0.36 mL

温度变化按照均匀分布，k= 3，异辛烷随温度变化引入的相对标准不确定度：

对上述分量进行合成，得到：

7.2.3 容量量器引入的不确定度

依据常用玻璃量器检定证书100 mL和1 000 mL容量瓶最大允许误差分别为±0.10 mL、±0.40 mL；10 mL分度吸量管的最大允许误差为±0.050 mL，按均匀分布，k= 3，容量容器的相对标准不确定度：

在制备异辛烷中硬脂酸甲酯标准溶液的整个过程中，使用100 mL容量瓶、1 000 mL容量瓶、10 mL吸量管各1次，则由容量量器引入的相对标准不确定度：

7.2.4 充满容量瓶／吸量管至标线的随机变化产生的不确定度

100 mL容量瓶通过反复充满11次称重得出的标准偏差为0.03 mL，1 000 mL容量瓶通过反复充满11次称重得出的标准偏差为0.10 mL，10 mL分度吸量管通过反复充满11次放出后称重得出的标准偏差0.007 mL，则充满容量瓶／吸量管至标线的随机变化产生的相对标准不确定度：

在制备异辛烷中硬脂酸甲酯标准溶液的整个过程中，使用100 mL容量瓶、1 000 mL容量瓶、10 mL吸量管各1次，则充满容量瓶／吸量管至标线的随机变化产生的相对标准不确定度：

溶液配制过程引入的合成相对标准不确定度：

7.3 溶液标准物质均匀性引入的不确定度urel(bb)

根据JJF 1343—2012［15］，由表5可知，当s12大于s22时，瓶间标准偏差：

重复性标准偏差：

考察重复性标准偏差对瓶间标准偏差的影响，以反映重复性标准偏差相对较大的情况：

定值结果X=10，则均匀性引入的相对不确定度urel(bb)=ubb／X=4.80×10–3。

7.4 溶液标准物质稳定性引入的不确定度urel(s)

定值结果X=10，则不稳定性引入的相对不确定度urel(s)=us／X=0.011。

7.5 合成不确定度及扩展不确定度

将纯品定值、溶液配制、均匀性、稳定性引入的相对不确定度合成，即得溶液标准物质的合成相对不确定度：

取k=2，置信区间为95%的条件下，定值结果的合成相对扩展不确定度U=k×urel=2.74%。

8 量值验证

为确保所研制的标准物质量值的准确性、可靠性和溯源性，选用中国计量科学研究院生产的GBW(E) 130662作为标准，各随机抽取3瓶异辛烷中硬脂酸甲酯溶液进行量值比对，结果列于表10。由表10可知，|En|均小于1，说明研制的标准物质量值准确度满足要求。

表10 异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质比对验证结果

9 结语

异辛烷中硬脂酸甲酯溶液标准物质采用重量–容量法制备并定值，分别对均匀性和稳定性检验，评定了定值的不确定度，通过与国家二级标准物质GBW(E) 130662比对，验证了定值结果的准确性。标准物质定值结果的相对扩展不确定度U=3%(k=2)，有效期限为12个月。