气相色谱仪灵敏度及检测限的测量不确定度评定

吕 鸿 刘志娟 许 峰 张文申 荀其宁

(中国兵器工业集团第五三研究所，济南 250031)

气相色谱分析技术作为一种有效的分离工具已被广泛地应用于各个领域，并承担量值测量、量值传递、质量仲裁等重要角色。随着科技的不断发展，品种繁多、性能各异的气相色谱仪层出不穷，为使气相色谱仪在使用过程中始终保持良好的技术状态，确保测试数据准确可靠，必须利用相应的标准物质在被检定的色谱仪上对其检测器的灵敏度或检出限定期检定。

JJG 700-1999〔1〕明确规定了仪器载气流速的稳定性、柱箱温度稳定性、程序升温的重复性、基线噪声、基线漂移、灵敏度、检测限、定量重复性、衰减误差等技术指标，其中仪器的灵敏度(S)和检测限(D)是评价检测器性能的主要技术参数。笔者按照JJF 1059-1999[2]，对气相色谱仪5种检测器即热导池检测器(TCD)的灵敏度，火焰离子化检测器(FID)、火焰光度检测器(FPD)、电子捕获检测器(ECD)和氮磷检测器(NPD)的检测限的测量不确定度进行了评定。

1 实验部分

1.1 检定方法

按JJG 700-1999分别对载气流速的稳定性、柱箱温度稳定性、程序升温的重复性、基线噪声、基线漂移、灵敏度、检测限等指标进行检定。

1.2 检定设备及标准物质

微量进样器：5 μL，无进样死体积，分度值0.1 μL；

电子秒表：最小分度值不大于0.01 s；

空盒气压表：800～1 060 hPa，测量不确定度不大于2.0 hPa；

皂膜流量计：40 mL，最小分度值0.05 mL；

自校式铂电阻数字测温仪：误差0.05℃，最小分辨力0.01℃；

苯-甲苯标准物质：编号GBW(E)130101，扩展不确定度3%(k=2),用于TCD；

正十六烷-异辛烷标准物质：编号GBW(E)130102，扩展不确定度3%(k=2),用于FID；

甲基对硫磷-无水乙醇标准物质：编号GBW(E)130103，扩展不确定度3%(k=2),用于FPD；

丙体六六六-异辛烷标准物质：编号GBW(E)130104，扩展不确定度3%(k=2),用于ECD；

偶氮苯-马拉硫磷-异辛烷标准物质：编号BW 5026，扩展不确定度3%(k=2),用于NPD。

1.3 数学模型

1.3.1 浓度型检测器的灵敏度(S)和检测限(D)

(1)热导池检测器的灵敏度按式(1)计算：

(1)

式中：STCD——TCD灵敏度，mV·mL/mg；

A——苯的峰面积，mV·min；

FC——校正后的载气流速，mL/min；

W——苯的进样量，mg。

(2)浓度型检测器的检测限按式(2)计算：

(2)

式中：DECD——ECD检测限，g/mL；

N——基线噪声，mV；

W——丙体六六六的进样量，g；

A——丙体六六六峰面积的算术平均值，mV·min。

1.3.2 质量型检测器的检测限

(1)火焰离子化检测器的检测限按式(3)计算：

(3)

式中：DFID——FID的检测限，g/s；

W——正十六烷的进样量，g；

A——正十六烷峰面积算术平均值，mV·min。

(2)火焰光度检测器的检测限按式(4)、式(5)计算：

(4)

(5)

式中：DFPD(S)——FPD对硫的检测限，g/s；

DFPD(P)——FPD对磷的检测限，g/s；

W——甲基对硫磷的进样量，g；

A——甲基对硫磷峰面积算术平均值，mV·s；

h——硫的峰高，mV；

W1/4——硫的峰高1/4处的峰宽，mV；

ns、np——常数，ns=0.122，np=0.118。

(3)氮磷检测器的检测限按式(6)、式(7)计算:

(6)

(7)

式中：DNPD(N)——NPD对氮的检测限，g/s；

DNPD(P)——NPD对磷的检测限，g/s；

W——偶氮苯或马拉硫磷的进样量，g；

A——偶氮苯或马拉硫磷峰面积的算术平均值，mV·s；

nN、np——常数，ns=0.154，np=0.093 8。

2 不确定度来源

浓度型检测器灵敏度是单位浓度所产生的电压信号。由式(1)可知TCD检测器灵敏度测量不确定度来源主要有：

结核性胸膜炎属于肺外结核病，临床上常以胸腔积液的形式被发现，当处于敏感状态的机体胸膜腔被结核杆菌及其代谢物质侵犯时，机体产生炎性反应，炎性细胞、纤维素、蛋白质等产生并聚集于胸膜腔，可导致胸膜发生粘连，影响肺功能［10-11］。结核性胸膜炎如不能得到及时的治疗，可在5个月～5年之内转变为肺结核，因此，对结核性胸膜炎采取及时、有效的治疗至关重要。对于结核性胸膜炎临床多在异烟肼、利福平、吡嗪酰胺、乙胺丁醇等全身抗结核的基础上，进行胸腔穿刺抽取胸腔积液，但部分患者疗效不佳，病程长，住院周期长。近年来本院在此治疗的基础上应用胸腺肽α1辅助治疗结核性胸膜炎，显著提高了临床疗效，效果满意。

(1)标准物质色谱峰面积的算术平均值引入的不确定度；

(2)校正后载气流速测量结果引入的不确定度；

(3)柱箱温度的稳定性引入的不确定度；

(4) 标准物质进样量引入的不确定度。

质量型或浓度型检测器的检测限是指检测器能产生的信号相当于2倍噪声时检测器内被测标准物质在流动相中的质量或浓度。由式(2)～式(7)可知FID、FPD、ECD、NPD检测器检测限的测量不确定度来源主要有：

(1)标准物质色谱峰面积的算术平均值引入的不确定度；

(2)柱箱温度的稳定性引入的相对标准不确定度；

(3)标准物质进样量引入的不确定度；

(4)基线噪声引入的不确定度；

3 不确定度评定

3.1 A类相对不确定度u(A)

利用标准物质检定色谱仪定量重复性的数据进行统计，而色谱仪的定量重复性主要由6次进样标物中溶质峰面积算术平均值的相对标准偏差来表示，并规定了定量重复性RSD的最大允许值为3%，则：

3.2 B类不确定度

3.2.1 校正后载气流速引入的相对标准不确定度u(FC)

校正后载气流速按式(8)计算：

(8)

式中：F0——室温下用皂膜流量计测得检测器出口的载气流速，mL/min；

j——压力梯度校正因子；

Td——检测器温度，K；

T0——室温，K；

Pw——室温下水的饱和蒸汽压，MPa；

P0——大气压强，MPa。

检定中由于载气流经皂液时，被水蒸气饱和，所以需按公式(8)进行温度和水蒸气压的校正。

查表得，t=25℃时，Pw=31.672 hPa。(1-PW/P0)0为压强计读数加减校正值，假定为标准大气压，此时P0的标准不确定度可忽略不计。则(1-PW/P0)=0.968。j≈1，因此载气流速计算式可简化为：

(9)

(1)流速F0测量引入的相对标准不确定度u(F0)

在检定室温度为(25±1)℃下，用皂膜流量计重复测量6次检测器出口处的载气流速，按式(10)计算：

(10)

式中：V——皂膜流量计体积(10 mL)；

t——载气流经10 mL的时间(20 s)。

①皂膜流量计引入的相对标准不确定度

证书给出10 mL皂膜流量计的相对扩展不确定度为U=0.06 mL(k=2)，其相对标准不确定度为0.06/(2×10)=0.3%。

②秒表分度值的相对标准不确定度

秒表分度值为0.01 s，测量流速最少时间为20 s，则秒表分度值的相对标准不确定度为：0.29×0.01/20=0.015%(“0.29”从文献[1]中查得)。

③秒表的不确定度

根据秒表校准证书提供，秒表的扩展不确定度U=1.0×10-7(k=2)。由于此项数值较小，在合成时不予考虑。

④仪器载气流速稳定性引入的相对标准不确定度

根据JJG 700-1999规程要求，载气流速稳定性引入的相对标准不确定度为1.0%。因此：

(2)检测器温度引入的相对标准不确定度u(Td)

(3)室温引入的相对标准不确定度u(Tr)

则校正后载气流速测量结果的相对标准不确定度为：

3.2.2 柱箱温度稳定性引入的相对标准不确定度u(T)

(1)自校式铂电阻数字测温仪的相对标准不确定度u(Tc)

(2)柱箱温度6次测量重复性的相对标准不确定度u(S)

因此,柱箱温度的稳定性引入的相对标准不确定度为：

3.2.3 标准物质进样量引入的相对标准不确定度u(W)

在检定中使用微量进样器向色谱仪注入一定量的标准物质，进样量按式(11)计算:

W=cV

(11)

式中：W——进样量，g；

c——标准物质浓度，mg/mL或ng/μL；

V——进样体积，μL。

(1)标准物质浓度引入的相对不确定度u(c)

证书给出标准物质的相对扩展不确定度为3%(k=2)，则标准物质浓度引入的相对标准确定度为：u(c)=3%/2=1.5%。

(2)进样体积引入的相对标准确定度u(V)

3.2.4 噪声引入的相对标准不确定度u(N)

表1 各相对不确定度分量评定结果

4 合成相对标准不确定度

浓度型检测器灵敏度的合成相对标准不确定度为：

浓度型检测器检测限的合成相对标准不确定度为：

质量型检测器检测限的合成相对标准不确定度为：

5 扩展不确定度

浓度型检测器灵敏度的扩展不确定度为：

UTCD=kuTCD=4.4%(k=2)

浓度型检测器检测限的扩展不确定度为：

UECD=kuECD=4.4%(k=2)

质量型检测器检测限的扩展不确定度为：

UFID=UFPD=UNPD=kuFID=kuFPD=kuNPD=3.8%(k=2)

6 测量结果不确定度的验证

依据JJF 1033-2008[3]采用测量比较法对测量不确定度进行了验证，即将实际测量值与标准值(经检定合格的气相色谱仪，出具的检定证书上的值)进行比较，其差值在评定的扩展不确定度范围内，则证明评定的测量结果不确定度合理。

表2 测量结果不确定度的验证实验参数

表2中的实测值与标准值的相对误差均在扩展不确定度的范围内，说明评定的不确定度合理。

[1] JJG 700-1999 气相色谱仪检定规程[S].

[2] JJF 1059-1999 测量不确定度评定与表示[S].

[3] JJF 1033-2008 计量标准考核规范[S].