气相色谱法测定葡萄酒中甲醇含量不确定度评定
2013-03-20曹小彦黄雄伟邹剑兰
曹小彦 张 燕 黄雄伟 邹剑兰 冯 敏
（1．湖南省食品和工业产品生产许可审查中心，湖南 长沙 410111；2．湖南农业大学食品科技学院，湖南 长沙 410128；3．湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室，湖南 长沙 410128）
在化学测试工作中，由于种种原因，分析结果往往带有误差，而不能得到真值。为评价测定结果的质量，需要进行不确定度的评定。不确定度愈小，结果与真值愈近，数据愈准确。文章根据GB／T 15038－2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》的检测方法［1］，对使用气相色谱法测定葡萄酒中甲醇含量测量的不确定度进行了评定［2］，从而保证分析结果的准确性。
1 试验方法
1．1 仪器
气相色谱仪：Agilent 6890N 型，带有FID 检测器（HP－INNOwax柱），安捷伦科技有限公司。
1．2 标准品
甲醇标准：色谱纯，浓度为99%，不确定度为1%，国家标准物质中心。
1．3 测定方法
采用气相色谱法详见GB／T 15038－2006《葡萄酒、果酒通用分析方法》。
其测量过程示意图见图1。
图1 样品测试流程Figure1 Sample testing process
2 数学模型
式中：
X′—— 样品中甲醇的含量，mg／100mL；
X—— 根据标准曲线测得样品中甲醇的浓度，mg／L。
3 不确定度来源
从测量过程和数学模型来看，气相色谱法测定葡萄酒样中甲醇含量的不确定度主要来源：标准溶液配制过程引入的不确定度、酒样在蒸馏过程中引入的不确定度（包括取样体积和定容体积引入的不确定度）以及仪器数据处理系统引入的不确定度（包括有仪器测定峰面积的不确定度，最小二乘法拟合校准曲线的不确定度和样品GC 测定重复性不确定度）等。
4 标准不确定度的评定
4．1 标准溶液配制过程引入的不确定度
4．1．1 标准储备液配制引入的不确定度 99%色谱纯甲醇配制成500mg／100 mL 甲醇标准储备液，不确定度主要由电子天平、100mL容量瓶、标准溶液的不确定度及实验室温度与校准温度不一致引起的。
（1）甲醇的纯度引入的不确定度：标准溶液的不确定度为1%，甲醇纯度为矩形分布，则相对标准不确定度：
（2）标准物质称量时引入的不确定度［3］：查称量的电子天平检定证书，最大允许误差±0．1mg，按正态分布考虑，则包含因子k ＝3（其置信水平p＝99%），标准不确定度：
称标样量为0．500 00 g，则其相对标准不确定度：
（3）标准储备液定容时引入的不确定度：此过程使用了100mL容量瓶定容，按照常用玻璃量器检定规程JJG 196－2006 的要求［4］，均有相应的最大容量允差，欧洲分析化学中心（EURACHEM）认为其服从三角分布，则区间半宽度为0．1mL，包含因子k ＝槡6。由此引起的标准不确定度：
其相对标准不确定度：
故，标准储备液配制过程引入的不确定度：
4．1．2 用标准储备液稀释成标准系列工作液引入的不确定度［4，5］用1mL移液管分别取0．10，0．20，0．50，1．0mL甲醇储备液于4个10mL容量瓶中，以60% 乙醇作为溶剂，配制成浓度分别为5，10，25，50 mg／100 mL 的标准工作液，此过程引入的不确定度如下：
（1）10mL 容量瓶的标准不确定度来源：①容量瓶体积的不确定度，按检定证书最大允许误差为±0．020mL，采用矩形分 布 则K ＝槡3，换 算 成 标 准 偏 差 为0．020／槡3 ＝0．011 5mL；②温度变化的不确定度，实验室的温度波动范围一般为±3 ℃，玻璃膨胀系数为2．5×10－5℃－1，水体积膨胀系数为2．1×10–4℃－1，由容量瓶校准温度与使用温度不同引起的体积变化值△V ＝V1－V2＝（α水－α玻璃）×V10×（T1－T2）＝（2．1×10－4－2．5×10－5）×10×（25－22）＝0．005 55mL，取K ＝槡3，换 算 成 标 准 偏 差 为；③容量瓶刻度的变动性，通过重复测定进行统计，重复10次其标准偏差为0．012mL。
以上3项合成得出：
（2）1mL 分度移液管（A 级）的标准不确定度来源：①容量瓶体积的不确定度，按检定证书给定为±0．008mL，按照矩形分布K ＝槡3（按均匀分布），换算成标准偏差为②温度变化的不确定度，实验室的温度波动范围一般为±3 ℃，玻璃膨胀系数为2．5×10–5℃－1，水体积膨胀系数为2．1×10－4℃－1，由容量瓶校准温度与使用温度不同引起的体积变化值△V ＝V1－V2＝（α水－α玻璃）×V20×（T1－T2）＝（2．1×10－4－2．5×10－5）×10×（25－22）＝0．005 55mL，取K ＝槡3（按均匀分布），换算成标准偏差为△V／K ＝0．005 55／槡3 ＝0．003 2mL；③容量瓶刻度的变动性，通过重复测定进行统计，重复10 次其标准偏差为0．010mL。
以上3项合成得出：
由此合成用甲醇标准储备液稀释为标准工作液时的相对标准不确定度：
因此，标准溶液配制过程共引入的不确定度：
4．2 蒸馏葡萄酒样时引入的不确定度
4．2．1 取样体积引入的不确定度 此过程采用100mL容量瓶取样，按照常用玻璃量器检定规程JJG 196－2006 的要求，100mL容量瓶的标准不确定度来源及计算同4．1．1（3），其值为U1＝0．000 408。
4．2．2 定容体积带入的不确定度 此过程使用了100mL容量瓶定容，同4．1．1（3），其不确定度为U2＝0．000 408，因此，蒸馏葡萄酒过程总共引入的不确定度：
4．3 仪器数据处理系统引入的不确定度
4．3．1 仪器测定峰面积的不确定度评定［6］依据仪器及积分仪的一般性能指标分析，目前用于气相色谱仪峰面积积分处理的最大误差为0．2%～1%，属B类评定，如取1%，按均匀分布考虑，则此项峰面积的相对不确定度分量为u ＝1%／槡3 ＝5．77×10－3；对于数学模型中峰面积比Ax／A0来说，其相对标准不确定度：
4．3．2 最小二乘法拟合校准曲线的不确定度评定（A 类评定）［7］用最小二乘法拟合标准溶液浓度－峰面积曲线校准，包含了曲线拟合相关性的不确定度和峰面积重复测量产生的不确定度。
用气相色谱仪分别测定4种不同浓度甲醇标准液5，10，25，50mg／100mL，每种浓度分别测3次，得到相应的峰面积A，测定结果见表1。
表1 最小二乘法拟合标准溶液浓度－峰面积结果Table1 Least squares fitting of standard solution concentration－Peak area results
试验数据用最小二乘法进行拟合，得到直线方程：
式中：
a—— 截距；
b—— 斜率。
标准溶液平均浓度：s拟合曲线的标准偏差：
式中：
n—— 标准系列的点数，n ＝4；
m—— 每个标准点的测定次数，m ＝3。
用该曲线对被测酒样进行测量，测量次数p ＝2，测得酒样中甲醇的估计值为X0＝7．695 1mg／100mL。
由最小二乘法拟合曲线求得X0时所引起的标准不确定度：
因此相对不确定度：
4．3．3 酒样中甲醇的含量重复性的标准不确定度（A 类评定）［3］对测定酒样作6次重复测量，测量数据见表2。
表2 酒样中甲醇含量的测量值Table2 Measurement of methanol contentin wine values ／（10－2 mg·mL－1 ）
测量重复性的不确定度属A 类评定方法，其标准不确定度
因此，仪器数据处理系统引入的相对标准不确定度：
4．4 合成标准不确定度
由上述各相对标准不确定度合成酒样中甲醇含量的相对标准不确定度：
4．5 扩展不确定度
因此，该酒样中甲醇含量测定的相对扩展不确定度：
U95rel＝kp×Ucrel（X）＝2×0．044 0＝0．088（k≈2，置信概率p＝95%）
由试验数据的平均值计算得该酒样中甲醇含量的最佳估计值：
X ＝7．695 1mg／100mL＝76．951mg／L
故其扩展 不确定度为U95＝76．951 mg／L×0．088 ≈6．772mg／L
该葡萄酒样中甲醇含量的测量不确定度报告：
X ＝（76．951±6．772）mg／L（包含因子k ＝2，具有95%的置信概率）。
5 结论
通过对测定酒样中甲醇各不确定度分量测量的研究，分析各测量标准不确定度对总测量不确定度的相对贡献，可知被测葡萄酒样中甲醇测定的测量不确定度主要来源于标准曲线拟合和测量重复性。因此通过选择合理的试验方案及稳定性好的仪器，规范试验操作并增加试验次数，就可以减少不确定度，得到准确性较高的测量结果。
1 中国国家标准管理委员会．GB／T 15038－2006 葡萄酒、果酒通用分析方法［S］．北京：中国标准出版社，2007．
2 国家质量监督检验检疫总局．测量不确定度评定与表示［M］．北京，中国计量出版社，1999．
3 刘燕，陈利国，彭新凯，等．测定果冻中环己基氨基磺酸钠（甜蜜素）结果不确定度评定［J］．食品与机械，2008，24（2）：110～113．
4 国家质量监督检验检疫总局．JJG196－2006 常用玻璃量器检定规程［S］．北京：中国计量出版社，2007．
5 陈利国，曹小彦，谭舸，等．气相色谱法测定酱腌菜中甲胺磷农药残留量的不确定度评定［J］．食品与机械，2007，23（1）：112～114．
6 汪辉，曹小彦，彭新凯，等．HPLC测定原料乳与乳制品中三聚氰胺质量分数的不确定度评定［J］．中国乳品工业，2010，38（3）：58～60．
7 潘振球，冯家力，王春娥，等．气相色谱法测定结果不确定有关问题的分析［J］．中国卫生检验杂志，2003，13（6）：771～772．
