固相吸附–高效液相色谱法测定车内空气中醛酮的不确定度

尹桂林，周龙龙，刘成帅，侯勇，李秋诚，周保华

（青岛海关技术中心，山东青岛 266002）

近年来，汽车设计逐渐向轻量化发展，非金属材料在汽车制造中得以广泛应用［1–3］。非金属内饰材料会散发出各种有害气体和令人不适的异味，而汽车车厢一般密封性较好，车内空气的被动换气率相对较低，内饰中散发出的气体不易与车外新鲜空气交换，导致车内空气中有害气体浓度较高，空气质量较差［4–6］。车内空气中对人体健康影响较大、有致癌隐患的主要有苯系物和醛酮类有机物，其中醛酮类有机物以甲醛、乙醛和丙烯醛为代表［7–8］。醛酮类有机物对人体健康的影响主要表现在嗅觉损伤，呼吸道刺激，皮肤过敏，肺功能、肝功能和免疫功能异常等方面［9–10］，现行国家标准《乘用车内空气质量评价指南》（GB／T 27630–2011）和行业标准《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》（HJ／T 400–2007）等相关标准对车内空气中的醛酮含量和测定方法均有具体规定［11］。

测量不确定度简称不确定度，是根据所采集的信息，表征赋予被测量值分散性的非负参数［12］。测量不确定度是对测量结果质量的定量表述，测量结果的可用性在很大程度上取决于其不确定度的大小。ISO／IEC 17025–2017 要求，实验室应评定测量不确定度。目前的文献或仅针对某一种醛酮组分进行不确定评价［13–14］，或未对整车中的醛酮组分进行不确定度评价［15–16］。为了描述固相吸附–高效液相色谱法测定车内空气中醛酮类含量结果的分散程度，对测定值给出一个合理的较高置信水平存在的区间宽度（即扩展不确定度），笔者对固相吸附–高效液相色谱法测定车内醛酮类含量的不确定度进行了评定。

1 实验部分

1.1 测定方法

HJ／T 400–2007 车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法。

1.2 方法原理

选择填充涂渍DNPH（2，4-二硝基苯肼）硅胶的填充柱采样管，采集一定体积的车内空气样品，样品中的醛酮组分保留在采样管中。醛酮组分在强酸作为催化剂的条件下与涂渍于硅胶上的DNPH 反应，生成有颜色的腙类衍生物。使用高效液相色谱仪二极管阵列检测器检测，以色谱峰保留时间定性，峰面积定量。

1.3 主要仪器与试剂

数显恒流采样泵：HL–2 型，北京市劳动保护科学研究所；

数字皂膜流量计：Defender 510 型，美国Mesa-Labs 公司；

计时器：PS–382 型，深圳市追日电子科技有限公司；

气压计：DYM3 型空盒气压表，青岛路博恒业环保科技有限公司；

DNPH 衍生小柱：青岛拜尔维生物科技有限公司；

环境舱系统：SEWTH–A–2000US 型，上海爱斯佩克环境设备有限公司；

高效液相色谱仪：Agilent 1260 型，配ZORBAX SB–C18型色谱柱（250 mm×4.6 mm，5 μm），美国安捷伦科技有限公司；

可调移液器：量程分别为0.5～5 mL，100～1 000 μL，10～100 μL，德国普兰德公司；

容量瓶：5 mL，天津玻璃仪器厂；

甲醛–DNPH、乙醛–DNPH、丙烯醛–DNPH 衍生物标准溶液：质量浓度均为1 000 μg／mL，介质为乙腈，德国Dr.Ehrenstorfer 公司。

1.4 测定步骤

甲醛–DNPH、乙醛–DNPH 和丙烯醛–DNPH衍生物系列标准工作溶液的质量浓度均分别为0.01，0.02，0.05，0.1，0.2，0.5，1.0 μg／mL。配 制 过程：将0.5 mL 甲醛–DNPH、乙醛–DNPH 和丙烯醛–DNPH 衍生物标准溶液分别加入5 mL 容量瓶中，以乙腈定容，分别得到3 种衍生物质量浓度均为100 μg／mL 的储备液。用可调移液器从上述3种衍生物储备液中各取50 μL 加至同一容量瓶中，用乙腈定容至5 mL，得到质量浓度均为1 μg／mL的3 种衍生物混合标准溶液。用可调移液器分别取50，100，250，500，1 000，2 500 μL 上述3 种衍生物混合标准溶液，用乙腈定容至5 mL，得上述梯度浓度的系列标准工作溶液。

根据HJ／T 400–2007 《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》，设置环境舱温度为25.0℃，相对湿度为50%，环境气流速度不大于0.3 m／s。选定某型号的乘用越野车，严格经过准备和封闭阶段后，以400 mL／min 的采样流量，在101.325 kPa 的压力下，设定取样时间为30 min，平行采集6 个空气样品，用乙腈反向洗脱后，定容至5 mL，并利用高效液相色谱法进行定量分析。

2 数学模型

标准状态下气体的质量浓度按式(1)计算：

式中：ρN——标准状态下样品的质量浓度，mg／m3；

mF——采样管采集的醛酮组分的质量，mg；

mB——空白管中醛酮组分的质量，mg；

V——采样体积，L；

P0——标准状态下的大气压力，101.325 kPa；

P——采样的大气压力，kPa；

T0——标准状态下的热力学温度，273.15 K；

T——采样现场的热力学温度，K。

3 不确定度来源

3.1 采样过程引入的不确定度

采样体积等于采样流量与时间的乘积，根据理想气体状态方程PV=nRT，采样过程引入的不确定度主要来源于采样体积、采样温度、大气压力等因素，具体涉及大气采样泵、流量计、计时工具、环境舱温控系统和气压表等设备。

3.2 测试过程引入的不确定度

采取色谱峰面积外标法进行定量，因此分析测试过程引入的不确定度主要包括样品溶液定容、标准溶液配制、标准曲线拟合、测量重复性等因素，具体涉及标准物质、容量瓶、可调移液器和高效液相色谱仪等设备。

4 不确定度计算

4.1 采样过程引入的不确定度

4.1.1 大气采样泵

根据校准证书，HL–2 型数显恒流采样泵的采样扩展不确定度(Up)为2.5%，服从正态分布，置信度95%时，包含因子（k）为2，因此大气采样泵引入的相对标准不确定度：up，rel=Up／k=1.25%。

4.1.2 皂膜流量计

根据校准证书，MesaLabs Defender 510 型数字皂膜流量计的流量扩展不确定度（Uf）为1.0%，服从正态分布，置信度95%时，k=2，因此皂膜流量计引入的相对标准不确定度：uf，rel=Uf／k=0.5%。

4.1.3 计时工具

根据校准证书，PS–382 型计时器的计时扩展不确定度(Ut)为0.8%，服从正态分布，置信度95%时，k=2，因此计时器引入的相对标准不确定度：ut，rel=Ut／k=0.4%。

4.1.4 环境舱温控系统

根据技术偏离表，爱斯佩克SEWTH–A–2000-US 型环境舱系统，温度最大允许误差为±0.1℃，服从均匀分布，包含因子k= 3，现场温度为25.0℃，因此采样温控系统控制温度的相对标准不确定度：uT，rel=0.1／［k(273.15+25.0)］=0.019%。

4.1.5 气压计

根据计量证书，DYM3 型空盒气压计扩展不确定度(Ub)为0.06 kPa，服从正态分布，置信度95%时，k=2，因此气压计引入的相对标准不确定度：ub，rel=Ub／(101.325×2)=0.000 3%。

综上，测定甲醛、乙醛和丙烯醛时，空气采样过程引入的合成相对标准不确定度均为：

4.2 测定过程中引入的不确定度

4.2.1 样品溶液定容

用乙腈反向洗脱吸附样品的DNPH 衍生小柱，定容至5 mL 容量瓶中，此过程的不确定度来源包括容量瓶校准、定容重复性和温度变化3 个方面。

容量瓶校准：A 级5 mL 容量瓶在20℃时的容量误差为±0.01 mL，区间半宽度为0.4 mL，服从三角分布［17］，k= 6，其标准不确定度：u1(V)=0.01／k= 0.004 1 mL。

定容重复性：用乙腈对容量瓶定容10 次，称其质量，采用贝塞尔法［18］计算标准偏差为0.03 mL，即容量瓶定容的标准不确定度：u2(V)=0.03 mL。

温度变化：根据容量瓶检定规程JJG 196–2006，检定是在室温20℃环境下进行的，实验时定容在(20±5)℃下进行，因为液体的体积膨胀系数远大于玻璃，因此只需考虑前者即可。乙腈的体积膨胀系数为1.37×10–3℃–1，温度变化引入的标准不确定度：u3(V)=5 mL×5 ℃×1.37×10–3℃–1=0.034 25 mL。

将以上3 个不确定度分量合成，得5 mL 容量瓶定容体积的标准不确定度uV：

4.2.2 标准溶液配制

（1）标准物质量值的不确定度。标准溶液配制涉及3 种标准物质，即甲醛–DNPH、乙醛–DNPH、丙烯醛–DNPH，根据标准物质证书，3 种标准溶液的质量浓度均为1 000 μg／mL，扩展不确定度Us1均为2.0%，服从正态分布，置信度95%时，k=2，因此标准物质的相对标准不确定度：u1，rel(S)=U(S)／k=1.0%。

（2）可调移液器移取体积的不确定度。按1.4步骤配制标准溶液，所用可调移液器有0.5～5 mL，100～1 000 μL 和10～100 μL 3 种规格，根据检定证书，其容量最大允许误差分别为0.5%，1.0%和2.0%，按照均匀分布处理，k= 3，其相对标准不确定度分别为：0.5%／k=0.288 7%，1.0%／k=0.577 4% 和2.0%／k= 1.155%，因此可调移液器引入的相对标准不确定度：

（3）容量瓶容量的不确定度。根据4.2.1，容量瓶的容量相对标准不确定度：u3，rel(S)=0.91%。

综上，标准溶液配制过程引入的相对标准不确定度，甲醛、乙醛和丙烯醛均为：

4.2.3 标准曲线拟合

分别测定1.4 配制的7 个浓度梯度的标准工作溶液的色谱峰面积各2 次，取平均值，以标准工作溶液的质量浓度为自变量，对应的色谱峰面积平均值为因变量，采用最小二乘法拟合标准曲线。3 种醛酮–DNPH 衍生物系列标准工作溶液的浓度及对应色谱峰面积测定值列于表1，标准曲线及其相关系数列于表2。利用液相色谱法对车内空气样品进行2次平行测定，利用标准曲线计算样品中醛酮类组分的含量，所得结果列于表3。

表1 醛酮类系列标准工作溶液色谱峰面积测定结果

表2 醛酮–DNPH 衍生物标准溶液标准曲线

表3 样品中醛酮类组分测定结果 μg／mL

根据1.4 测定步骤，最后以5 mL 乙腈定容，计算得甲醛–DNPH 与甲醛的相对分子质量之比约为7，车内空气采样体积为12 L，将样品中甲醛–DNPH的测定值转化为车内空气样品中甲醛的浓度值：

根据式(2)、式(3)及表1、表2 中的数据，计算到醛酮类物质标准曲线拟合的不确定度，进而通过公式urel(L)=u(L)／cs计算得标准曲线拟合的相对标准不确定度［19］。甲醛–DNPH，乙醛–DNPH，丙烯醛–DNPH 标准曲线拟合的相对标准不确定度urel(L)分别为0.0069，0.032，0.033。

4.2.4 测量重复性

对同一样品按照相同步骤进行6 次平行测定，按式(4)计算重复性引入的相对标准不确定度［19］：

表4 样品中醛酮类组分色谱峰面积及其不确定度

综上，测试过程中引入的相对标准不确定度：

5 合成相对不确定度

采样过程引入的不确定度和分析测试过程引入的不确定度是相互独立的，使用相对不确定度合成的方法，按照式(6)合成醛酮类物质含量的相对标准不确定度：

将数据代入式(6)，得样品中甲醛、乙醛、丙烯醛含量测定的合成相对标准不确定度分别为0.026，0.040，0.041；合成标准不确 定度uc为uc,rel与实际样品中甲醛、乙醛和丙烯醛浓度的乘积，分别为0.000 63，0.000 38，0.000 49 mg／m3。

6 扩展不确定度U

测定结果不确定度服从正态分布，当置信概率为95%时，k=2，则醛酮类物质的扩展不确定度：U=kuc，据此计算得样品中甲醛、乙醛、丙烯醛含量的扩展不确定度分布为0.001 3，0.000 76，0.000 98 mg／m3。

7 结语

根据各相对标准不确定度分量，计算得汽车车内空气中醛酮类物质测定的扩展不确定度分别为：甲醛0.001 3 mg／m3、乙醛0.000 76 mg／m3、丙烯醛0.000 98 mg／m3。醛酮类物质的不确定度主要来源于采样和分析两个方面，其中采样过程引入的不确定度大于分析过程。采样过程最大不确定度分量来源于皂膜流量计的采样体积，分析过程最大不确定度分量来源于标准溶液的配制，因此，在进行汽车车内空气质量检测中应着重对这两个分量进行控制。