离子色谱法测定卷烟主流烟气中氨含量的不确定度评定*

陈宽

(云南烟草科学研究院，烟草化学重点实验室, 昆明 650106)

氨是44种霍夫曼有害成分之一[1]。氨在新鲜烟叶中的含量很少，烟叶经调制发酵，由于蛋白质、氨基酸的代谢(氧化、脱氧等反应)，氨含量增加。烟叶中的氨基酸、蛋白质、硝酸盐和铵盐等是卷烟烟气中氨的前体物[2]。在卷烟中，适量的氨对于碳水化合物和有机酸较多的卷烟是必需的，氨与其它含氮化合物参与了烟气吃味劲头的形成。氨含量过低，会造成烟气劲头下降，丰满度不够；但过量的氨会产生强烈的刺激性，引起吸烟者喉部收缩，使人感到呛咳鼻腔、舌头有辛辣难忍的感觉。因此氨对控制卷烟吸味有重要的作用。氨在主流烟气中的气相和粒相都有分布[3]。

离子色谱法(IC)作为一种快速、高效、灵敏的检测技术[4]，是测定卷烟烟气中氨含量应用最为广泛的技术。为了符合中国实验室国家认可委员会(CNAL)认可准则CNAL/AR11:2002测量不确定度政策[5]及在测量数据的处理、测量结果的表达和测量结果质量评定等方面与国际接轨，根据JJF 1059-1999[6]，对离子色谱法测定卷烟主流烟气中氨含量的不确定度进行了评定。

1 实验方法

1.1 主要仪器与试剂

离子色谱仪：ICS-3000型，配备双泵模块、检测器/色谱模块、自动进样器模块和Chromeleon6.8色谱工作站，美国Dionex公司；

20孔道直线式吸烟机：SM450型，英国Cerulean公司；

剑桥滤片：44 mm ，英国Whatman公司；

超纯水仪：美国ELGA公司；

往复式摇床振荡器：HS 501型，德国IKA公司；

NH3标准溶液：1 000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析测试中心；

浓盐酸：质量分数为36%～38%，分析纯；

实验用水：电阻率为18.2 MΩ·cm的超纯水。

1.2 标准溶液配制

准确移取1 mL NH3标准溶液于100 mL容量瓶中,使用10 mmol/L的稀盐酸稀释定容，配制成10 μg/mL母液，再依次稀释配制成0.10、0.30、0.50、0.70、1.00 μg/mL的系列标准工作溶液。

1.3 样品处理

卷烟抽吸时，采用44 mm剑桥滤片收集卷烟主流烟气粒相物，用20 mL 10 mmol/L HCl吸收液吸收气相物。抽吸结束后，将44 mm滤片放入100 mL萃取瓶中，再用四分之一滤片(44 mm)擦拭捕集器，一起放入100 mL锥形瓶中，准确加入20 mL HCl吸收液。将锥形瓶放在振荡器上，振荡萃取40 min，转速调至160 r/min。从主流烟气气相吸收液与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，摇匀后，使用滤膜过滤，滤液置入色谱瓶中进行IC分析。

1.4 IC分析条件

色谱柱：IonPac CS12A (250 mm×4 mm )；保护柱：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；抑制器电流：90 mA；柱温：30℃；进样量：25 μL。

2 数学模型

样品中氨含量测定采用外标法，公式为：

(1)

式中：m——卷烟主流烟气中氨的含量，μg/支；

c——根据样品峰面积代入标准工作曲线得到的样品质量浓度，μg/mL；

d——样品溶液稀释倍数,d=20/5，其中20为

气相吸收液和粒相萃取液的体积，5为稀释时定量移取溶液的体积,mL；

25——样品稀释定容的体积，mL；

n——抽烟数量，支。

3 不确定度来源

从测量过程和数学模型分析，卷烟主流烟气中氨含量测量不确定度的主要来源于标准溶液、样品峰面积的测量、仪器响应值、测量和样品处理操作过程的差异，可归纳为A类和B类不确定度。

(1)A类不确定度是由重复性测定引入的不确定度[7]。

(2)B类不确定度主要包括以下几个方面：

①标准溶液引入的不确定度，主要包括标准溶液浓度的不确定度；标准工作液配制过程中量器校准引入的不确定度；标准工作溶液配制过程温度变化引入的不确定度；

②标准曲线引入的不确定度；

③样品溶液稀释因子引入的不确定度，主要包括稀释过程中量器校准引入的不确定度；稀释过程温度变化引入的不确定度。

④样品处理后的总体积引入的不确定度，主要包括容量瓶校准的不确定度和温度变化引入的不确定度。

4 不确定度评定

4.1 重复性测定引入的相对标准不确定度

由重复性测定引入的不确定度属于A类不确定度，对本实验所用未知样重复测定6次，平均值为12.04 μg/支，测定结果见表1。

表1 卷烟主流烟气中氨的含量 μg/支

6次测定结果的标准偏差为：

(μg/支)

则测量重复性引入的标准不确定度为：

(μg/支)

相对标准不确定度为：

4.2 标准溶液引入的相对标准不确定度

(1)标准溶液浓度引入的不确定度u(c)

绘制标准曲线所用的标准溶液购自国家有色金属分析测试中心，标准质量浓度为1 000 μg/mL，给出的相对扩展不确定度为±0.07%，取扩展因子k=2，则：

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

(2)标准溶液稀释定容引入的不确定度urel(V)

①1 mL 移液管V1的不确定度u(V1)

体积允许误差引入的不确定度：经校准，1 mL移液管体积最大误差为±0.008 mL，按均匀分布， 则误差引入的标准不确定度为：

②100 mL单标线容量瓶的不确定度u(V2)

体积允许误差引入的不确定度： A级100 mL单标线容量瓶的允差极值ΔV为±0.10 mL，按均匀分布考虑，则误差引入的标准不确定度为：

重复性引入的不确定度：事先对100 mL容量瓶采用衡量法进行10次重复测量，得到标准偏差为0.02 mL，得到重复性引入的标准不确定度为：

u(V2，2)=0.02 mL

因此标准溶液浓度引入的相对标准不确定度为：

=0.58%

4.3 标准曲线引入的相对标准不确定度

对系列标准工作溶液进行测定，测定结果见表2。线性回归得标准工作曲线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 系列标准工作溶液峰面积测定结果

对样品进行测量，响应值为0.080 94，通过直线方程，得样品溶液中氨浓度为：

c0=0.485 8 μg/mL

样品溶液中氨浓度c0的标准不确定度u(c0)由测量数据统计计算为：

近日，金钼股份技术中心科研团队经过技术攻关，成功制备出了外径8 mm、壁厚0.6 mm、长度达8 m的无缝钼合金薄壁管，一举攻克了大长径比无缝钼合金薄壁管的关键技术。

(2)

其中s为标准溶液峰面积残差的标准差,其值为：

P=2(对样品溶液进行2次测量)；

n=15(建立标准曲线时各浓度点共进行15次测量)；Aj为峰面积；cj为标准溶液浓度。

将以上数据代入式(2)计算得：

4.4 样品溶液稀释因子引入的相对标准不确定度

样品溶液稀释时是在同温下操作，温度变化不需考虑。处理过程中涉及到两次稀释，用到5 mL的吸量管(记为V3)和20 mL的瓶口移液器(记为V4)。

d=V4/V3

(1) 5 mL移液管引入的不确定度

①经校准，5 mL移液管体积最大误差为±0.025 mL，按均匀分布，则引入的标准不确定度为：

(2) 50 mL瓶口移液器移取20 mL溶液引入的不确定度

50 mL瓶口移液器的证书上指出容量的准确度误差为0.00%，因此只考虑重复性引入的不确定度。

连续10次用瓶口移液器移取20 mL纯水于烧杯中,用天平测得每次纯水的质量,换算成水的体积,根据贝塞尔公式,瓶口移液器体积变动性不确定度由10次测量的标准偏差公式计算得s=0.015 mL，即：

u(V4)=0.015 mL

因此，两次稀释引入的相对不确定度为：

4.5 样品处理后的总体积引入的相对标准不确定度

样品处理后稀释定容至25 mL容量瓶，引入的不确定度u(V0)有3个来源：容量瓶允许误差、重复性和温度。

(1)A级25 mL单标线容量瓶的允差极值ΔV为±0.03 mL，按均匀分布考虑，则25 mL单标线容量瓶引入的不确定度为：

(2) 连续10次向25 mL容量瓶中加入纯水,定容至刻度,用天平测得每次纯水的质量,换算成水的体积,根据贝塞尔公式,容量瓶定容变动性不确定度由10次测量的标准偏差公式计算得s=0.017 mL，即：

u(V0,2)=0.017 mL

(3) 实验室的温度在±5℃之间变动，水的体积膨胀系数为2.1×10-4/℃，假定为均匀分布，因此温度控制引入的标准不确定度为:

5 合成标准不确定度

以上各不确定度分量互不相关，则氨检测结果的相对合成不确定度为：

由试验数据得到该卷烟样品主流烟气中氨含量平均值为12.04 μg/支，则氨检测结果的不确定度为：

u(c)=urel(c)×12.04=0.20 (μg/支)

6 扩展不确定度与结果表示

取置信水平为95%，包含因子k=2，故扩展不确定度为:

U=0.20×2=0.40 (μg/支)

离子色谱法测定卷烟主流烟气中氨含量的检测结果表示为：(12.04±0.40) μg/支，k=2。

7 结论

离子色谱法测定卷烟主流烟气中氨含量的不确定度主要来源于测量重复性、标准工作曲线、标准溶液的配制，因此实验过程中要尽量多做平行测定，取

平均值作为测量结果，更要认真配制标准溶液，确保标准系列各点的浓度准确，这一点与文献[8]得出的结论一致，也是化学分析工作者所公认的。

[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，刘克纳.离子色谱方法及应用[M].北京：化学工业出版社，2000：108.

[5] 中国实验室国家认可委员会.实验室认可与管理基础知识[M].北京：中国计量出版社，2003：176.

[6] JJF 1059-1999 测量不确定度评定与表示[S].

[7] 冯立顺，刘洪燕.4-氨基安替比林分光光度法测定水中挥发酚的不确定度评定[J].冶金分析，2007，27(7):79-78.

[8] 中国实验室国家认可委员会.化学分析中不确定度的评估指南[M].北京：中国计量出版社，2002.