超痕量六价铬分析仪的校准

李萌，张娜，言思敏

（上海市质量监督检验技术研究院，上海 201114）

铬在自然界中的分布很广，常见价态有二价、三价、四价和六价。铬盐的主要价态有三价和六价。其中，三价铬是人体维持生命的必需元素，在糖、脂肪、蛋白质的代谢中起重要作用[1]。六价铬主要是工业化产物，来源于制革、化工、冶金、纺织等行业，有较强的氧化性和迁移性，难以降解，且具有强致癌性，其致癌性已被国际癌症研究机构及美国政府工业卫生学家协会确认[2‒5]。工业生产中形成的废水、废气、废渣如处理不当则会对环境造成持久性污染，对从业人员造成职业损伤。因此，六价铬含量检测的准确性对于发展绿色低碳经济体系，保障人民生产生活的健康发展具有至关重要的作用。

目前，六价铬的实验室检测方法主要有分光光度法、离子色谱法、连续流动分析法、离子色谱与电感耦合等离子体质谱联用法(IC-ICP-MS)、火焰原子吸收光谱法[6‒9]等。二苯碳酰二肼分光光度法和色谱法是较为常用的六价铬检测方法，在国家标准GB/T 22807—2019《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定：分光光度法》、GB/T 28019—2011《饰品 六价铬的测定 二苯碳酰二肼分光光度法》、GB/T 38287—2019《塑料材料中六价铬含量的测定》和GB/T 38402—2019《皮革和毛皮 化学试验 六价铬含量的测定：色谱法》[10‒13]中均有规定。近年来，柱后衍生-离子色谱法被广泛应用。样品先经色谱柱分离，再通过柱后衍生方式与衍生试剂反应生成有色络合物，能有效避免样品本底颜色和浊度干扰，特异性较强，可用于痕量六价铬的测定[14‒16]。

超痕量六价铬分析仪是进行六价铬含量测定的专用仪器，具有双离子色谱泵系统，可有效降低输液脉冲和检出限，其独特的TLD检测器和长光程流通池也可有效提高检测灵敏度和抗干扰能力，广泛应用于皮革、食品、水质、固废等领域。不同于色谱直接测定法，该仪器采用柱后衍生-离子色谱法搭配六价铬专用分析柱，对六价铬进行定性定量分析。

目前，我国尚未有针对超痕量六价铬分析仪的检定规程或校准规范，已有的计量技术规范JJG 823—2014《离子色谱仪检定规程》[17]提出了用NO2-离子溶液进行紫外可见检测器性能检定的方法和技术指标，JJG 705—2014《液相色谱仪检定规程》[18]提出了用萘-甲醇溶液进行紫外-可见光检测器和二极管阵列检测器性能检定的方法和技术指标。而超痕量六价铬分析仪是针对六价铬含量测定的专用仪器，其测量目标和测量方法中选用的标准物质、色谱柱及流动相等与离子色谱仪和液相色谱仪的检定均不同，且其独特的TLD 检测器和长光程流通池，以及通过放大检测信号而带来的检测器相关性能的改变，使其检测器相关技术指标与离子色谱仪和液相色谱仪均不同，以上两个计量技术规范不完全适用于超痕量六价铬分析仪的计量校准。但以上两个规范中关于色谱泵和检测器的通用检定方法可作为本校准方法的参考。

笔者根据超痕量六价铬分析仪的工作原理、出厂指标及相关计量技术规范，建立一种适合于超痕量六价铬分析仪的校准方法，以便满足超痕量六价铬分析仪的校准需求。

1 超痕量六价铬分析仪组成及工作原理

超痕量六价铬分析仪主要由输液系统、自动进样系统、分离系统、反应管、检测系统和数据处理系统等部分组成，其基本结构如图1 所示。其基本工作原理是利用六价铬的强氧化性，样品经自动进样器注入，在流动相的作用下由色谱柱洗脱分离后，与衍生试剂二苯碳酰二肼在酸性条件下反应形成紫红色络合物，根据检测其在540 nm处的光吸收对样品中的六价铬进行定性、定量分析。

图1 超痕量六价铬分析仪基本结构示意图

2 主要计量特性

根据超痕量六价铬分析仪的工作原理、结构组成，通过咨询生产厂家和实际校准经验，参考离子色谱仪检定规程，确定泵流量设定值误差和稳定性、基线噪声和漂移、最小检测浓度、定性和定量重复性作为超痕量六价铬分析仪的常规校准项目。超痕量六价铬分析仪不具备柱温箱模块，软件运行时会自动校正六价铬的特征波长，且人工进行波长校准时，一般需拆去仪器中的滤光片，在紫外可见分光光度计上进行校准，现场可操作性不强，因此常规校准时不需对其柱温箱性能和波长准确性进行评价。

对每一项计量特性确定其技术指标，泵流量设定值误差和稳定性、定性和定量重复性参照离子色谱仪检定规程[17]给出。基线噪声和漂移、最小检测浓度根据其500 mm长光程流通池相对于10 mm标准流通池引起的噪声漂移的倍数增加和检出限的有效降低，以及出厂指标和多次验证数据综合给出，以满足计量性能的控制要求。超痕量六价铬分析仪主要计量特性见表1。

表1 超痕量六价铬分析仪计量特性

3 校准条件

3.1 主要仪器与试剂

六价铬单元素溶液标准物质：100 μg/mL，标准物质编号为GBW (E) 080257，相对扩展不确定度Urel=0.8%(k=2)，使用时用高纯水稀释成所需质量浓度。也可选用重铬酸钾纯度标准物质。

电子天平：最大称量不小于100 g，分辨力不大于1 mg。

数字温度计：测量范围为0～50 ℃，分辨力不大于0.1 ℃。

电子秒表：分辨力不大于0.1 s。

容量瓶、移液管：须经计量校准或检定，且能满足相关计量技术规范的技术要求。

二苯碳酰二肼：分析纯。甲醇、硝酸铵、硫酸：色谱纯。实验用水为高纯水。

3.2 环境条件

室内环境温度：20～30 ℃；相对湿度：不大于85%，室内应清洁无尘，通风良好。

4 校准方法

4.1 泵流量设定值误差和稳定性

将仪器各部分连接好，以纯水为流动相，色谱泵流量设为1.2 mL/min，启动仪器，待压力稳定后，用电子天平称得洁净容量瓶重量W1，在流动相出口处收集流动相，同时用秒表计时，收集5 min，在分析天平上称重得W2，按公式(1)计算流量实测值Fm。其中，ρ值由JJG 705—2014[18]附录C.1 不同温度下纯水的密度表查得。重复测量3 次，按公式(2)和公式(3)分别计算泵流量设定值误差Ss和稳定性SR：

式中：Fm——泵流量实测值，mL/min；

W2——容量瓶与流动相的质量和，g；

W1——容量瓶的质量，g；

ρ——实验温度下流动相的密度，g/cm3；

t——流动相的收集时间，min；

Ss——泵流量设定值误差，%；

FS——流量设定值，mL/min；

SR——泵流量稳定性，%；

Fmax——3次流量测量值中的最大值，mL/min；

Fmin——3次流量测量值中的最小值，mL/min。

4.2 基线噪声和漂移

选用六价铬专用分析柱，以120 mmol/L硝酸铵溶液为流动相，色谱泵流量为1.2 mL/min。仪器开机预热，待基线平稳后记录基线30 min，选取基线最大峰-峰值对应的信号，基线漂移用30 min 内基线偏离起始位置的最大信号值表示。

4.3 最小检测浓度

选用六价铬专用分析柱，以120 mmol/L硝酸铵为流动相，色谱泵流量为1.2 mL/min，衍生泵流量为0.7 mL/min，柱后衍生试剂为3.3 mmol/L 二苯碳酰二肼、10%甲醇和0.5 mmol/L H2SO4溶液。由进样系统注入400 μL的0.1 μg/L六价铬标准溶液，记录色谱图，由色谱峰高和基线噪声，按公式(4)计算最小检测质量浓度ρL(按400 μL进样量计算)：

式中：ρL——最小检测质量浓度，μg/L；

Nd——基线噪声峰峰值；

ρ——六价铬标准溶液质量浓度，μg/L；

V——进样体积，μL；

H——六价铬的峰高。

4.4 定性和定量重复性

在4.3条件下，基线稳定后由进样系统注入一定体积的0.2 μg/L六价铬标准溶液，连续测量7次，记录色谱峰的保留时间T和色谱峰面积A，按公式(5)和公式(6)分别计算其相对标准偏差作为定性重复性RT和定量重复性RA。

式中：RT——定性(色谱保留时间)重复性，%；

RA——定量(色谱峰面积)重复性，%；

Ti——第i次测得的保留时间，s；

Ai——第i次测得的色谱峰面积；

n——测量次数，n=7。

5 校准实例

按照上述校准方法，对广州谱临晟科技有限公司Elspe-2型超痕量六价铬分析仪进行校准，分别得到泵流量设定值误差和稳定性、基线噪声和漂移、最小检测浓度、定性和定量重复性。

5.1 泵流量设定值误差和稳定性

仪器稳定后，按4.1 校准方法对泵流量进行测量，结果列于表2。实验温度为23.1 ℃，根据JJG 705—2014[18]附录C.1查表可得，对应温度下的纯水密度为0.997 5 g/cm3。

表2 泵流量设定值误差和稳定性校准数据及结果

5.2 基线噪声和漂移

仪器开机预热，待基线平稳后，记录基线30 min，基线噪声为6×10-4，30 min 基线漂移为1.0×10-3。

5.3 最小检测浓度

按4.3 校准方法，由自动进样系统注入400 μL 0.1 μg/L 六价铬标准溶液，记录色谱峰高为4.4×10-3，基线噪声为6.00×10-4，由公式(4)计算得仪器最小检测质量浓度ρL为0.027 μg/L。

5.4 定性和定量重复性

按4.4 校准方法，基线稳定后由进样系统注入400 μL 0.2 μg/L六价铬标准溶液，连续测量7次，记录色谱峰的保留时间和色谱峰面积，由公式(5)和公式(6)计算定性、定量重复性，结果列于表3。

表3 定性和定量重复性校准数据及结果

综上所述，Elspe-2型超痕量六价铬分析仪按本方法计量校准所得泵流量设定值误差为0.09%，稳定性为0.10%，基线噪声为6×10-4，30 min 基线漂移为1.0×10-3，最小检测质量浓度为0.027 μg/L，定性重复性为0.5%，定量重复性为1.3%。各校准项目结果均能满足建议的计量技术指标。

5.5 最小检测浓度测量结果不确定度评定

5.5.1 数学模型

式(4)中，Nd、ρ、V和H各分量相互独立，最小检测质量浓度的相对扩展不确定度Urel由式(7)计算：

5.5.2 输入量Nd引入的相对标准不确定度urel(Nd)

基线噪声的不确定度主要来源于检测器工作稳定性和测量峰-峰值时所用卡尺的不确定度(此项影响较小，可忽略)。在仪器正常工作状态下，连续记录基线60 min，将基线图谱均匀分为6段，取各段噪声的最大峰值，采用A类不确定度评定方法，计算单次测量值的相对标准偏差作为输入量Nd引入的urel(Nd)。

5.5.3 输入量ρ引入的相对标准不确定度urel(ρ)

标准物质质量浓度引入的不确定度，主要考虑所用六价铬单元素溶液标准物质引入的不确定度分量，以及溶液逐级稀释过程中容量瓶和移液管最大允许误差引入的不确定度分量。采用B类不确定度评定方法计算。六价铬单元素溶液标准物质的相对扩展不确定度由国家标准物质证书给出0.8%(k=2)，则urel，1(ρ)=0.4%。溶液由100 μg/mL 经2 次稀释至0.1 μg/L，选用100 mLA 级容量瓶(最大允许误差为±0.1 mL)和1 mL A 级分度吸量管(最大允许误差为±0.008 mL)，服从均匀分布，k= 3，100 mL 容量瓶和1 mL 分度吸量管容量允差引入的相对标准不确定度分量分别为0.06%和0.46%，合成得溶液逐级稀释过程引入的相对标准不确定度urel，2(ρ)=0.66%，按式(8)计算urel(ρ)。

5.5.4 输入量V引入的相对标准不确定度urel(V)

进样体积引入的不确定度主要来源于自动进样器的容量误差(±1%)引入的不确定度分量，服从均匀分布，采用B类不确定度评定方法计算urel(V)。

5.5.5 输入量H引入的相对标准不确定度urel(H)

标准溶液色谱峰高的不确定度主要体现于测量重复性，通过多次重复测量，采用A类不确定度评定方法计算单次测量值的相对标准偏差作为输入量H引入的urel(H)。

5.5.6 合成相对标准不确定度uc，rel

最小检测质量浓度测量结果各输入量的不确定度分量及合成相对标准不确定度列于表4。

表4 最小检测质量浓度测量结果的不确定度分量及合成相对标准不确定度%

5.5.7 扩展不确定度

取置信概率P=95%，k=2，按Urel=k·uc，rel计算得最小检测质量浓度测量结果的相对扩展不确定度Urel=8%，k=2。

6 结语

根据超痕量六价铬分析仪的结构、工作原理，建立一种超痕量六价铬分析仪的校准方法，对仪器的泵流量设定值误差和稳定性、基线噪声和漂移、最小检测浓度、定性和定量重复性进行评价。结果表明，该方法切实可行，可为评价该类仪器的计量性能，设备使用者内部的期间核查、仪器校准提供参考。