7种指示性多氯联苯混合标准样品量值不确定度研究

黄林艳，赵彦辉，田中男，杨 刚，刘海萍，鲁炳闻，房丽萍，赵亚娴

1.生态环境部环境发展中心环境标准样品研究所，北京 100029 2.国家环境保护污染物计量和标准样品研究重点实验室，北京 100029

多氯联苯(Polychlorinated Biphenyls，PCBs)因具有良好的电绝缘性、热稳定性和阻燃性，在20世纪被广泛用作变压器、电容器等的绝缘流体，以及油漆、润滑油等的添加剂[1-2]。虽然目前世界上大多数国家和地区已停止生产和使用PCBs，但因具有难降解性、远距离迁移性、生物蓄积性等特点，PCBs在环境各介质中仍广泛存在[1,3-6]。另外，由于具有高毒性、持久性等特性，PCBs已被列入《关于持久性有机污染物的斯德哥尔摩公约》中的首批优先控制污染物名单[2]。作为缔约方之一，我国也加大了对PCBs等持久性有机污染物的管控和监测力度。根据氯取代数量和位置的不同，PCBs共有209种同类物，其中，2,4,4′-三氯联苯(PCB 28)、2,2′,5,5′-四氯联苯(PCB 52)、2,2′,4,5,5′-五氯联苯(PCB 101)、2,3′,4,4′,5-五氯联苯(PCB 118)、2,2′,3,4,4′,5′-六氯联苯(PCB 138)、2,2′,4,4′,5,5′-六氯联苯(PCB 153)和2,2′,3,4,4′,5,5′-七氯联苯(PCB 180)这7种PCBs为环境中常见且含量相对较高的指示性PCBs，也是受到环境监测和科研人员广泛关注与研究的一类PCBs[1]。

标准样品作为一种测量标准，在污染物分析检测过程中发挥着重要的质量保证与质量控制作用，用以保证污染物分析结果准确、可比[7-9]。标准样品量值的准确性和溯源性是其作为标准量具的重要特性之一。因此，准确并全面分析与评估标准样品的量值不确定度至关重要。溶液标准样品的量值不确定度主要来源于样品配制、样品均匀性、样品在有效期内的长期稳定性等方面，其中，样品配制引入的不确定度涉及纯品纯度、称量质量、定容体积等方面[10-11]。

本研究研制了异辛烷中7种指示性PCBs混合标准样品，全面分析了该混合标准样品的量值不确定度来源，并评估了各分量的大小，以期为我国PCBs相关国际履约监测和新污染物监测提供有效支撑。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

精密电子天平(瑞士Mettler-Toledo，XP205)，量程为0～220 g，精度为0.01 mg；气相色谱质谱联用仪(美国Agilent，7890B-5975 MSD)；气相色谱仪(美国Agilent，6890B)；库仑法卡尔费休水分测定仪(瑞士万通，831)；电感耦合等离子体-质谱仪(美国Thermo Fisher，iCAP Qc)。以上仪器设备及玻璃量器均经国家计量部门检定合格并在有效期限内。

PCB 28纯品，证书纯度为(100.0±2.5)%；PCB 52纯品，证书纯度为(99.4±2.5)%；PCB 101纯品，证书纯度为(99.0±2.5)%；PCB 118纯品，证书纯度为(99.3.0±2.5)%；PCB 138纯品，证书纯度为(100.0±2.5)%；PCB 153纯品，证书纯度为(99.9±2.5)%；PCB 180纯品，证书纯度为(99.0±2.5)%。以上纯品均来自美国Accustandard公司。异辛烷、甲苯(美国J.T.Baker，农残级)；甲醇(美国J.T.Baker，HPLC级)；异辛烷中7种指示性PCBs混合溶液标准样品(美国Chem Service，100 μg/mL)；异辛烷中PCB 114溶液标准样品(生态环境部环境发展中心环境标准样品研究所，100 μg/mL，GSB 07-3664-2019)。

1.2 纯品杂质测定方法

1.2.1 结构相似杂质

分别采用气相色谱-质谱法(GC-MS)和气相色谱-氢火焰检测器法(GC-FID)对PCBs纯品中的结构相似杂质进行分析。通过对色谱柱型号、进样口温度和升温速率等条件进行优化，最终确定的GC-MS条件如下：色谱柱型号为DB-XLB(60 m×250 μm×0.25 μm)；柱温为80 ℃保持1 min，以25 ℃/min升至220 ℃，再以2 ℃/min升至280 ℃，保持3 min；进样口温度为260 ℃；传输线温度为280 ℃；分流进样，分流比为10∶1；柱流速为1 mL/min；进样体积为1 μL；采集模式为SCAN。

优化后的GC-FID条件如下：色谱柱型号为DB-XLB(60 m×250 μm×0.25 μm)；柱温为80 ℃保持1 min，以25 ℃/min升至220 ℃，再以2 ℃/min升至280 ℃，保持10 min；进样口温度为280 ℃；检测器温度为300 ℃；进样模式为不分流进样；进样体积为1 μL；载气流量为1.0 mL/min；氢气流量为30 mL/min；空气流量为400 mL/min。

1.2.2 水分

采用卡尔费休法测定PCBs纯品的含水率。称取7种指示性PCBs纯品各20 mg，分别溶于约1.3 g甲苯中，制成甲苯溶液，平行测定6次，同时测定甲苯的含水率。

1.2.3 无机元素

称取7种PCBs纯品各5 mg，分别溶于5 mL丙酮-甲醇(体积比1∶9)中，制备成1 mg/mL的PCBs溶液，直接进电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)进行检测，每个样品平行测定2次。

1.3 标准样品制备方法

异辛烷中7种指示性PCBs混合标准样品采用称量-容量法制备。根据拟配制标准样品浓度、纯品纯度和配制量等，计算出所需7种指示性PCBs纯品的质量。在(20±1) ℃的超净间内准确称量7种指示性PCBs纯品(PCB 28，50.6 mg；PCB 52，50.5 mg；PCB 101，50.4 mg；PCB 118，50.9 mg；PCB 138，50.1 mg；PCB 153，50.0 mg；PCB 180，50.5 mg)，置于烧杯中，用异辛烷溶解并完全转移至1 000 mL容量瓶中，恒温后准确定容，定容后的最终浓度为50.00 μg/mL。将样品充分摇匀后，使用自动灌封设备进行分装，并分成两部分，分别放置于室温和4 ℃冷藏条件下保存。

1.4 标准样品分析方法

采用GC-MS方法研究标准样品的均匀性和稳定性。优化后的GC-MS条件如下：色谱柱型号为HP-5 MS(30 m×250 μm×0.25 μm)；柱温为120 ℃保持1 min，以20 ℃/min升至180 ℃，再以5 ℃/min升至280 ℃；进样口温度为270 ℃；传输线温度为280 ℃；分流进样，分流比为10∶1；柱流速为1 mL/min；进样体积为1 μL；采集模式为SIM。

2 结果与讨论

2.1 配制不确定度

根据标准样品配制浓度计算公式，标准样品配制不确定度主要由纯品纯度不确定度、称量质量不确定度及定容体积不确定度3部分组成。

2.1.1 纯品纯度及其不确定度

2.1.1.1 纯度测定

为了使PCBs中的结构相似杂质得到完全分离，提高纯度分析的准确度，对GC-MS和GC-FID方法中的色谱柱型号、升温程序、进样口温度等条件进行优化，优化后的仪器条件见1.2.1节。

将PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153和PCB 180纯品分别配制成浓度为50 μg/mL的异辛烷溶液，采用优化后的GC-MS方法进行分析。通过质荷比分析和NIST谱库检索发现，7种指示性PCBs纯品中的主要杂质均为具有相同或相近氯取代数的PCBs或结构类似物[12]。根据峰面积归一化法计算各PCBs纯品的纯度值，结果如表1所示，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180纯品纯度分别为99.56%、99.55%、99.51%、98.63%、100.0%、100.0%、99.36%。

表1 采用GC-MS法测定PCBs纯品纯度结果Table 1 Results of PCBs purities determined by GC-MS %

将7种指示性PCBs纯品分别配制成1 000 μg/mL的异辛烷溶液，采用优化后的GC-FID方法进行测定，通过峰面积归一化法计算PCBs纯品纯度，结果见表2。从表2可知，采用GC-FID法测定得到的PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180纯品纯度分别为98.21%、98.34%、98.77%、97.84%、99.49%、99.84%、98.65%。

表2 采用GC-FID法测定PCBs纯品纯度结果Table 2 Results of PCBs purities determined by GC-FID %

采用卡尔费休法测定PCBs纯品含水率，PCBs溶液含水率和甲苯溶剂含水率测定结果见表3。从表3可知，7种PCBs溶液含水率和甲苯溶剂含水率无显著差异，表明7种指示性PCBs纯品的含水率均可忽略不计。

采用ICP-MS法分析纯品中的无机杂质，共测定了30种无机元素的含量(Li、B、Na、Mg、Al、K、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ge、As、Se、Sr、Zr、Mo、Ag、Cd、Sn、Sb、Ba、W、Au、Pb)。方法检出限取空白样品的3倍标准偏差。经计算，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180纯品中的无机元素含量(质量分数，下同)分别为6.05×10-6、6.03×10-6、6.03×10-6、6.03×10-6、6.16×10-6、6.03×10-6、6.63×10-6。

表3 PCBs纯品含水率测定结果Table 3 Results of water contents of PCBs %

采用质量平衡法计算纯度值[13-16]，即：PCBs纯品纯度值为采用GC-MS法和GC-FID法测量所得色谱纯度平均值，扣除水分、无机元素含量后的结果。计算公式为

(1)

式中：PPCBs为PCBs纯品纯度值，%；PGC-MS为采用GC-MS方法测定的PCBs纯品纯度值，%；PGC-FID为采用GC-FID方法测定的PCBs纯品纯度值，%；C水为PCBs纯品的水分含量；C无机为PCBs纯品的无机元素含量。

采用质量平衡法计算得到的PCBs纯品纯度结果见表4。

表4 PCBs纯品纯度值及其不确定度Table 4 Results of purities and their uncertainties of PCBs %

计算结果显示，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180的纯度测定值分别为(98.89±0.93)%、(98.95±0.86)%、(99.14±0.66)%、(98.24±1.30)%、(99.75±0.26)%、(99.92±0.08)%、(99.01±0.75)%。

2.1.1.2 纯度不确定度

采用GC-MS和GC-FID方法测量色谱纯度引入的不确定度(分别为uGC-MS和uGC-FID)，主要包含测量重复性引入的不确定度(u1)、各组分响应差异引入的不确定度(u2)和仪器测量线性引入的不确定度(u3)等分量，即：

(2)

(3)

测量重复性引入的不确定度用多次重复测量结果的相对标准偏差表示，即u1=RSD，见表1和表2。由于7种PCBs纯品中的主要杂质为氯数相同或相邻1～2个的PCBs同类物，各组分响应差异对色谱纯度测量造成的误差为结构相似杂质含量的50%，即u2=50%×结构相似杂质的含量。由于样品进样量在GC-MS和GC-FID的检测线性范围内，仪器测量线性引入的不确定度可忽略不计，即u3=0。综上所述，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180纯品的uGC-MS分别为0.22%、0.22%、0.24%、0.68%、0.00%、0.00%、0.32%，uGC-FID分别为0.90%、0.83%、0.62%、1.08%、0.26%、0.08%、0.68%，采用GC-MS和GC-FID方法测量色谱纯度的合成不确定度分别为0.93%、0.86%、0.66%、1.28%、0.26%、0.08%、0.75%。

水分测量结果显示，含水率均可忽略不计。相对于采用色谱法测量纯度引入的不确定度，含水率引入的不确定度可忽略不计，因此，含水率不确定度为0。

总无机元素的含量均小于等于6.63×10-6，与有色谱响应的部分杂质的含量相差3个数量级。因此，相对于色谱纯度引入的不确定度，总无机元素引入的不确定度可忽略不计，其值取0。

将上述3部分不确定度分量进行合成，则PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180纯品纯度标准值的合成标准不确定度分别为0.93%、0.86%、0.66%、1.30%、0.26%、0.08%、0.75%。

2.1.2 称量质量不确定度

2.1.3 定容体积不确定度

2.1.4 配制不确定度

异辛烷中7种指示性混合标准样品的配制标准不确定度计算公式为

(4)

式中：uchar为配制标准不确定度，μg/mL；C为配制浓度，μg/mL；uP为纯品纯度不确定度；P为纯品纯度；um为纯品称量质量不确定度，mg；m为纯品称量质量，mg；uV为定容体积不确定度，mL；V为定容体积，mL。

经计算，该标准样品中，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180组分的配制标准不确定度分别为0.013、0.012、0.011、0.016、0.009、0.009、0.012 μg/mL。

2.2 瓶间均匀性不确定度

采用随机抽样方法，在样品灌装的前、中、后期随机抽取标准样品共15支。按照1.4节优化后的分析条件，对每支样品重复测定3次，采用单因素方差分析法对检测结果进行统计分析[17]。

溶液标准样品的瓶间均匀性不确定度分量(ubb)计算公式为

(5)

式中：MS间为样品间均方；MS内为样品内均方；n为测量次数。

该标准样品的均匀性统计结果如表5所示。经计算，组分PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180的瓶间均匀性不确定度分别为0.15、0.18、0.27、0.22、0.23、0.20、0.18 μg/mL。

表5 标准样品均匀性统计结果及其不确定度Table 5 Statistical results and uncertainties of homogeneity of the reference material μg/mL

2.3 长期稳定性不确定度

在一定的时间间隔内，对异辛烷中7种指示性PCBs混合标准样品进行长期稳定性检测，检测时间分别为标准样品制备完成后的第0、1、3、6、9、12、18个月。每次各随机抽取3支室温保存和4 ℃冷藏保存条件下的样品，每样平行测定3次，以3支样品的测定平均值作为稳定性检测的检验数据，结果见图1。根据稳定性检验方法[17]，在稳定性检测数据显示标准样品的特性没有发生显著变化时，假定特性量值(Y)与保存时间(X)之间存在线性关系，即Y=b1X+b0。当|b1|小于t(α,n-2)×sb1时，样品稳定。其中，sb1为斜率不确定度，t(α,n-2)为查表值。由表6可知，在室温和4 ℃冷藏两种保存条件下，该标准样品在18个月的保存期内均呈稳定状态。

图1 标准样品在4 ℃冷藏和室温保存条件下的长期稳定性Fig.1 Long-term stability of the reference materialunder 4 ℃ and room temperature

表6 标准样品稳定性统计结果及其不确定度Table 6 Statistical results and uncertainties of stability of the reference materialμg/mL

长期稳定性不确定度分量(ults)的计算公式为

ults=sb1×t

(6)

式中：t为稳定性考察时长，月。

本研究采用室温保存条件下的稳定性数据计算样品长期稳定性不确定度，结果如表6所示。该标准样品中，组分PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180的长期稳定性不确定度分别为0.59、0.71、0.52、0.53、0.82、0.47、0.32 μg/mL。

2.4 合成标准不确定度

溶液标准样品的量值不确定度(uCRM)主要由配制不确定度(uchar)、瓶间均匀性不确定度(ubb)和长期稳定性不确定度(ults)等分量组成，即：

(7)

经合成，异辛烷中7种指示性PCBs混合标准样品中，PCB 28、PCB 52、PCB 101、PCB 118、PCB 138、PCB 153、PCB 180的量值合成扩展不确定度(UCRM)(95%置信概率下，k=2)分别为1.2、1.5、1.2、1.1、1.7、1.0、0.7 μg/mL，具体见表7。

表7 标准样品量值不确定度Table 7 Uncertainties of the certified values of the reference material μg/mL

3 结论

本研究通过全面分析7种指示性PCBs纯品中的结构相似有机物、水分和无机物等杂质的含量，采用质量平衡法对纯品纯度进行了定值，并评估了其不确定度。采用称量-容量法制备了浓度为50.0 μg/mL的异辛烷中7种指示性PCBs混合标准样品，并对标准样品的均匀性和长期稳定性进行了研究，全面评估了配制不确定度分量、均匀性不确定度分量和长期稳定性不确定度分量等量值不确定度的大小，最终合成的该标准样品中7种指示性PCBs组分的量值扩展不确定度为0.7～1.7 μg/mL。该标准样品可为PCBs相关分析检测提供准确、可靠的实物标准，为我国PCBs相关监测与管理提供技术保障。