罐采样_预浓缩-GC_MS法测定环境空气中7种苯系物的不确定度评定.pdf
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1、首都师范大学学报(自然科学版)Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition)No.5Oct.,2023第 44卷第 5期2023年 10月DOI:10.19789/j.1004-9398.2023.05.010文献引用:王丽敏,徐洪伟,于秀彦,等.罐采样/预浓缩-GC/MS法测定环境空气中 7种苯系物的不确定度评定 J.首都师范大学学报(自然科学版),2023,44(5):62-68.WANG L M,XU H W,YU X Y,et al.Uncertainty evaluation for determinatio
2、n of 7 BTEX in ambient air by canistersampling/preconcentration-GC/MS method J.Journal of Capital Normal University(Natural Science Edition),2023,44(5):62-68.罐采样/预浓缩-GC/MS法测定环境空气中7种苯系物的不确定度评定*王丽敏1,徐洪伟2,于秀彦1,王静云1*,张站朝3(1.山东省威海生态环境监测中心,山东 威海264200;2.山东省烟台生态环境监测中心,山东 烟台264010;3.山东省济南生态环境监测中心,山东 济南25010
3、2)摘要:为了建立罐采样/预浓缩-气相色谱质谱法(GC/MS)测定空气中 7种苯系物(BTEX)的不确定度评定方法,本文根据监测方法和计算公式,拟建立不确定度数学模型,分析其测定过程中不确定度的来源。文中涉及到的测量不确定度主要来源包括标准气体配置、校准曲线拟合、仪器测量、重复性测量、样品稀释和相对分子质量等。对各测量不确定度分量的计算和评定结果显示不确定度引入由高到低的排序为:标准气体配置、仪器测量、标准曲线拟合、重复性测量、样品稀释和相对分子质量。当环境空气中 7 种 BTEX 的质量浓度水平在 56.8145.2 g/m3,置信区间为 95.0%,包含因子为 2时,测定结果的扩展不确定度
4、为 4.010.4 g/m3。关键词:苯系物;不确定度;GC/MS;预浓缩;环境空气中图分类号:X830.2;O652文献标识码:AUncertainty evaluation for determination of 7 BTEX in ambientair by canister sampling/preconcentration-GC/MS method*WANG Limin1,XU Hongwei2,YU Xiuyan1,WANG Jingyun1*,ZHANG Zhanchao3(1.Weihai Ecological Environment Monitoring Center of
5、 Shandong Province,Weihai Shandong264200;2.Yantai Ecological Environment Monitoring Center of Shandong Province,Yantai Shandong264010;3.Jinan Ecological Environment Monitoring Center ofShandong Province,Jinan Shandong250102)Abstract:In order to establish an uncertainty evaluation method for the dete
6、rmination of seven benzeneseries(BTEX)in air by canister sampling/prethickening-gas chromatography/mass spectrometry(GC/MS),a mathematical model of uncertainty was proposed to analyze the sources of uncertainty in thedetermination process according to the monitoring method and calculation formula.Th
7、e main sourcesof uncertainty included standard gas configuration,calibration curve fitting,instrument measurement,repeatability measurement,sample dilution and relative molecular mass.The uncertainty componentswere calculated and evaluated.The evaluation results showed that the uncertainty was ranke
8、d from highto low as standard gas configuration,instrument measurement,standard curve fitting,repeatability收稿日期:2023-01-29*济南市科技局社会民生专项项目(201807008);山东省环境科学学会基金项目(202208,202102)*通信作者:62王丽敏等:罐采样/预浓缩-GC/MS法测定环境空气中 7种苯系物的不确定度评定第 5 期measurement,sample dilution and relative molecular mass.When the concen
9、tration levels of 7 BTEXin ambient air range from 56.8 to 145.2 g/m3and confidence interval is 95.0%,the inclusion factor is2,and the extended uncertainty of the determination results is 4.0 to 10.4 g/m3.Keywords:benzene series;uncertainty;GC/MS;preconcentration;ambient airCLC:X830.2;O652DC:A0引言苯系物(
10、benzene series,BTEX)一般是苯、甲苯、乙苯、苯乙烯、间-二甲苯、对-二甲苯和邻-二甲苯的统称1,是人类活动排放的常见污染物。BTEX 具有强烈刺激气味,易燃有毒,对人体中枢神经系统、皮肤、血液、呼吸系统和生殖系统都有损害2,长期接触可导致人体罹患白血病和贫血症3-4。2020年,BTEX 被 世 界 卫 生 组 织 确 定 为 强 烈 致 癌 物 质5。BTEX 来源广泛,主要源于机动车尾气、溶剂挥发和工业生产6。同时 BTEX 是挥发性有机物(volatileorganic compounds,VOCs)的重要组成部分,具有较强的化学活性和较高的 O3生成潜势6,能够促进
11、O3和二次有机气溶胶的生成7-8。因此,为保护人体健康、改善环境空气品质,开展对环境空气中 BTEX的高灵敏度、高精确度和可靠性检测势在必行,以为精细化治污提供数据支撑。目前实验室常见的检测环境空气中 BTEX的方法有固体吸附/热脱附-气相色谱质谱(gas chromatography/mass spectrometry,GC/MS)法9、活性炭吸附/CS2解 析-气 相 色 谱(gas chromatography,GC)法10和罐采样/预浓缩-GC/MS 法11。固体吸附/热脱附-GC/MS 法使用吸附管采样,吸附管具有方便携带和运输、可重复使用等优点,由于采样过程容易受水分和 O3的干扰
12、,存在吸附管易被穿透、易被污染等问题12;活性炭吸附/CS2解析-GC 法设备简单、灵敏度高,前处理受溶剂解析效率影响大7、解析过程易引入杂质,且使用的解析液会对环境造成不可避免的污染12。罐采样/预浓缩-GC/MS法使用苏玛罐采样,样品易于存储,一次采样可满足多次分析。样品前处理过程简单,存储在苏玛罐中的样品可通过大气预浓缩仪富集后进入 GC/MS仪检测。因此该方法具有灵敏度高、检出限低、二次污染较少13和环境适用性强等特点,对于检测环境空气中含量较低的 BTEX具有较高的准确度。但当环境空气样品中 BTEX 含量较高时,会存在苏玛罐易受污染、难于清洗等问题。不确定度是表征合理地赋予被测量值
13、的分散性14,是衡量监测数据可靠性的重要参数15。实验室开展不确定度评定,对于检验实验室能力水平、提高数据准确性具有重要意义。目前不确定度文献的报道中,关于 BTEX 的不确定度评定大都是水和土壤等环境要素的报道,对于气体要素的研究较少。王宠等16采用便携式 GC/MS 法对气体样品中6 种 VOCs 开展不确定度评定,表明不确定度的主要影响因素是标准气体定值和工作曲线的非线性,其次是重复性测量,标准气体稀释引入的不确定度较小;王鹤扬17采用固体吸附/热脱附-GC 法测定环境空气中 BTEX,并对测试过程中 7 个方面进行了不确定度评定,得出样品重复测量、采样过程和各种量器引入的不确定度占比最
14、大。目前尚无有关罐采样/预浓缩-GC/MS 法不确定度的报道。本文以罐采样/预浓缩-GC/MS 法测定环境空气中 7 种BTEX为研究对象,根据 测量不确定度评定与表示:JJF 1059.1201218和 化学分析中测量不确定度评估指南:RB/T 030202019的要求,建立不确定度评定方案,分析影响不确定度的主要因素,提出改进措施,降低实验过程中的测量误差,从而提高实验室分析检测的能力,为环境监测质量控制提供依据。1实验部分1.1试剂与材料7种 BTEX混合标准气体样品购自四川中测标物科技有限公司,有证标准物质编号为820220620078,摩尔分数为(0.991.01)106mol/mo
15、l,相对扩展不确定度(U)为2.0%,包含因子(k)为 2;纯度9 999.9的高纯 N2、He购自威海市新月化玻有限公司;3.2 L 苏玛罐购自北京博赛泰克质量技术检测有限公司;VOCs调谐液(4-溴氟苯,25 g/mL)和 DB-1ms毛细管柱(60.00 m0.32 mm1.80 m)均购自美国安捷伦科技有限公司。1.2仪器设备使用美国 ENTECH 公司生产的 7016D 型清罐63首都师范大学学报(自然科学版)2023年仪对苏玛罐进行清洗;使用美国 ENTECH 公司生产的 4700型高精度稀释仪配制标准曲线系列浓度点;使用美国 ENTECH 公司生产的 7200 型预浓缩仪对采集的
16、样品定量浓缩进样,采用液氮三级制冷方式;使用美国 ENTECH 公司生产的 7016 D 型 SUMMA 罐自动进样器自动进样分析样品;使用美国安捷伦科技有限公司生产的 GC8890-MS5977B型 GC/MS 仪 在 实 验 室 分 析 BTEX 含 量,进 样 口 温 度 为230,色谱柱流量为1.5 mL/min,不分流进样模式 13。1.3校准曲线绘制使用高精度稀释仪将标准气用高纯 N2稀释至20 nmol/mol标准使用气,将标准使用气连接到大气预浓缩仪,分别抽取 100、200、300、400和 600 mL 混合标准气,配制目标物的摩尔分数分别为 5、10、15、20 和 30
17、 nmol/mol,本实验中使用的 DB-1ms色谱柱不能分离间-二甲苯和对-二甲苯,因此,二者对应的摩尔分数系列点分别为10、20、30、40和60 nmol/mol,按照设定的仪器参数,依次从低到高测试,绘制标准曲线11。1.4样品测定参照 环境空气 挥发性有机物的测定 罐采样/气相色谱-质谱法:HJ 759201511开展检测,本研究中使用高精度稀释仪对国家环境监测总站下发的考核样品稀释 50 倍后,置于苏玛罐中,作为环境空气样品,进行测试。将制备的样品连接大气预浓缩仪,取 400 mL 样品浓缩后分析,采用外标法按照仪器条件进行定量分析。计算公式为样()组分=x样()组分 f MV标,
18、(1)式中:样(组分)为样品中各组分的质量浓度,单位为 g/m3;x样(组分)为样品中各组分的摩尔分数,单位为 nmol/mol;f为样品中各组分的稀释倍数,无量纲;M 为各组分的摩尔质量,单位为 g/mol;V标为标准状态下 1 mol气体的体积,V标=22.4 L。1.5不确定度评定1.5.1来源及类型根据监测方法和计算公式分析,环境空气中BTEX 浓度的测定不确定度来源主要由标准气体配置、标准曲线拟合、仪器的测量、样品重复性测定、样品稀释和相对分子质量等引入。本研究中涉及的不确定度来源及类型见表 1。不确定度评定类型分为 A 和 B 类18,前者指通过对观测一系列数据进行统计学分析,用实
19、验标准偏差进行估算的一种方法20;后者基于经验的非统计方法的评定,在缺乏其他信息的情况下,一般估计为均匀分布21。1.5.2标准气体配置标准气体配置引入的不确定度(urel(1)由标准气体定值和稀释过程决定,稀释过程的不确定度主要是由高精度稀释仪压力传感器和环境温度引入16。其计算公式为:urel(1)=u2rel()标+u2rel(稀),(2)urel(标)=Uk,(3)urel(稀)=u2rel()T+u2rel()P,(4)式中:urel(标)和 urel(稀)分别为标准气体定值和稀释过程引 入 的 不 确 定 度;标 准 气 体 定 值 按 正 态 分 布 评定22,k=2;urel(
20、T)和 urel(P)分别为标准气体稀释过程中环境温度和压力传感器引入的不确定度。1.5.3标准曲线拟合标准曲线拟合引入的不确定度可由其最小二乘法求得。标准曲线的相关性越高,测量所得浓度的不确定度越小,反之,不确定度越大。利用 GC/MS仪对 BTEX系列标准工作气体进行测定,每个摩尔分数重复测量 2 次,取平均值作为测定值。各组分的线性回归方程为y(组分)=bx(组分)+a,式中:y(组分)为不同组分的峰面积,b为斜率,x(组分)为各组分的摩尔分数,a为截距。由标准工作曲线拟合引入的标准不确定(urel(2)为:urel()2=SRx样()组分 b1P+1n+()x样()组分-x标()组分2
21、i=1n()xi()组分-x标()组分2,(5)表 1不确定度来源及类型分析不确定度来源标准气体配置标准曲线拟合仪器测量重复性测量样品稀释相对分子质量影响因素标准气体定值稀释过程曲线非线性进样体积分析仪器稳定性操作技术温度、压力原子质量的不确定性分布正态均匀正态均匀均匀正态均匀均匀不确定度类型B类B类A类B类B类A类B类B类64王丽敏等:罐采样/预浓缩-GC/MS法测定环境空气中 7种苯系物的不确定度评定第 5 期SR=1n 2i=1nyi()组分()bxi()组分+a2,(6)式中:SR为标准曲线的剩余标准差;P为平行测定次数,P=2;本实验中对 5 个摩尔分数重复测定 2 次,n为系列标准
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