离子色谱仪检定及整机性能不确定度评定

王树加，黎佩珊，陈晓丽，陈佩丽，苏秋成

（1.中国科学院广州能源研究所，广州 510640； 2.广州特种承压设备检测研究院，广州 510100)

离子色谱是高效液相色谱的一种，主要应用于阴阳离子的分析检测，可以同时测定多种离子［1］，利用待测组分的保留时间进行定性［2］，以色谱峰高或峰面积进行样品的定量［3］。检测器是离子色谱仪的重要组成部分，比较常见的有电导检测器、安培检测器以及光学检测器。电导检测器主要用于检测电离度较高的阴、阳离子（pKa或pKb＜7）和部分极性有机酸［4］；安培检测器主要用于检测糖类有机化合物以及部分酚类物质；光学检测器主要用于检测离子型的过渡金属元素、镧系元素及有机酸等有机化合物［5-6］。由于使用频率较高，离子色谱仪在使用一段时间后，因受一些客观因素比如操作方法、维护过程、环境条件和样品、试剂污染等的影 响［7］，不能持续稳定的保持在仪器校准或检定时的状态测定数据。因此有必要定时对仪器进行核查，可以预防和发现不合格的因素［8］，保证测试结果持续准确可靠。

离子色谱仪是阴离子常用的测定仪器［9］，JJG 823-2014 没有直接对仪器进行检定的方法实例［10］，而以往的一些研究报告忽略了对离子色谱泵流量设定值误差和稳定性的研究［11-13］。笔者以电导检测器离子色谱仪为例，对离子色谱仪进行较为全面系统的检定分析。同时对仪器整机性能检定定性、定量重复性的不确定度来源进行分析。以5 μg／mL氯离子为检测离子，依据JJF 1059.1-2012 对整机性能不确定度进行评定［14］。分析了检定过程中的整机性能误差主要来源，提出将分析误差降低至最小的方法。同时为配置紫外检测器或电化学检测器的离子色谱仪器的检定方法提供参考。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

离子色谱仪：883 型，配有抑制器、电导检测器，瑞士万通中国有限公司。

电子分析天平：BSA224S-CW 型，感量为0.1 mg，德国赛多利斯集团。

超纯水制备仪：Milli-Q Synergy 型，美国密理博公司。

氯离子标准溶液：1 000 mg／L，国家有色金属及电子材料分析测试中心。碳酸钠、碳酸氢钠：分析纯，纯度大于99.5%。实验用水为超纯水。

1.2 色谱条件

色谱柱：Metrosep A Supp4-250／4.0 型柱（250 mm×4.0 mm，瑞士万通中国有限公司）；保护住：Metrosep Carb 2 Guard 型柱（5 mm×4.0 mm，瑞士万通中国有限公司）；流动相：1.8 mmol／L Na2CO3-1.7 mmol／L NaHCO3混合液，流量为0.8 mL／min；抑制电导检测器；进样体积：20 μL。

2 检定方法及实例

2.1 泵流量设定值误差SS 和稳定性误差SR

以去离子水为流动相，将流动相的流量分别设置为0.5、0.8、1.2 mL／min。启动仪器，等压力稳定后，用干净的离心管在流动相经过泵但不经过柱子的排出口收集流动相，同时用秒表进行记时，分别准确收集20 min（流量为0.5 mL／min）、10 min(流速量为0.8 mL／min)、5 min(流量为1.2 mL／min)流出的流动相，用分析天平称其质量，重复测量3 次，按式(1)～式(3)计算SS和SR：

表1 泵流量设定值误差SS 和稳定性误差SR 数据测量结果

2.2 基线噪声和基线漂移

仪器开机预热，稳定后记录30 min 基线。30 min 基线中最大峰高对应的信号值为基线噪声HN，30 min 内基线最高点与起始线最低点的最大垂直距离为基线漂移H1。由于检测器不能实时显示电导值，则以0.5 μg／mL 的Cl-的标准溶液峰高H为满刻度，将上述记录的基线噪声和基线漂移值除以该满刻度即为仪器噪声H3和基线漂移H4。计算公式见式(4)、式(5)：

由仪器测定结果得HN=0.002 μs／cm，H1=0.01 μs／cm，H=0.136 μs／cm。将测量数据代入上式，计算得仪器的基线噪声、基线漂移分别为0.014 7、0.073 5 μs／cm。

2.3 最小检测浓度

在1.2 色谱条件下，通过定量环注入20 μL 0.5 μg／mL 的Cl-的标准溶液，记录色谱图，由色谱峰高和基线噪声按式(6)计算最小检测浓度cmin：

H——标准溶液的色谱峰高，μs／cm。

将相关数据代入式(6)，得cmin=0.014 7μg／mL。

2.4 线性范围、相关系数

用去离子水分别将Cl-离子标准贮存液稀释成质量浓度分别为1、2、5、10、20、50 mg／L 的系列标准溶液，每个浓度点重复测量3 次，取平均值，以色谱峰面积和标准浓度点进行线性拟合，同时以3 倍空白溶液测定值的标准偏差为检出限，计算和线性方程、相关系数与检出限结果列于表2。由表2可知，Cl-离子的质量浓度与其色谱峰面积呈良好的线性关系。

表2 氯离子的线性范围、线性方程、相关系数及检出限

2.5 整机性能保留时间重复性和定量重复性

在1.2 色谱条件下，利用定量环注入20 μL 的 5 μg／mL 的Cl-的标准溶液，记录色谱图。重复测定6 次，记录色谱保留时间、峰面积，计算氯离子的检出浓度及保留时间、峰面积、氯离子浓度的相对标准偏差，结果列于表3。

表3 氯离子的保留时间及定量重复性的测定结果

3 检定性能指标

将仪器检定的各个性能指标和离子色谱检定规程规定值进行比较确认，相关结果见表4。由表4可知，各项指标性能均满足要求，评定结果为合格。

表4 仪器检定各性能指标评定结果

4 整机性能不确定度的评定

整机性能是评定仪器稳定性、测量精密度的重要指标，采用5 μg／mL 的Cl-的标准溶液为待测溶液，对整机性能进行不确定度评定。

4.1 数学模型

用5 μg／mL 的Cl-标准溶液对仪器的整机性能进行评定，先使用2.4 中的系列标准溶液，以外标法建立标准工作曲线，再用5 μg／mL 的Cl-标准溶液为质控样品，进行6 次样品测量验证，同时分析此过程产生的不确定度。数学模型为：

式中：W(Cl)——待测氯离子的质量浓度，μg／mL；

c(X)——从标准曲线上测得的氯离子的浓度， μg／mL。

4.2 不确定度的来源

整机性能的不确定度来源主要包括：配制系列标准工作溶液所用移液器和容量瓶引入的不确定度；样品配制引入的不确定度；标准工作曲线拟合引入的不确定度；随机效应引入的不确定度；重复测量引入的不确定度等。

4.3 A 类不确定度的评定

根据JJF 1059.1-2012，在重复性测量条件下获得的量值用统计分析方法进行的不确定度分量作为A 类不确定度进行评定。重复测量5 μg／mL 的Cl-标准溶液引入的不确定度为A 类不确定度。

重复测量5 μg／mL 的Cl-标准溶液引入的相对标准不确定度urel(A)，用5 μg／mL 的Cl-标准溶液6 次重复测量平均值的相对标准偏差计算：

4.4 B 类不确定度的评定

期间核查产生的B 类不确定度主要包括标准物质浓度引入的不确定度、待测样品的稀释制备引入的不确定度、测量过程中随机效应引入的不确定度、系列标准工作溶液拟合标准工作曲线引入的不确定度。

4.4.1 标准物质浓度产生的相对标准不确定度u1，rel

由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供的氯离子标准溶液质量浓度为1 000 mg／L，标准溶液证书提供的不确定度为0.7%，按照正态分布，k=2，其相对不确定度：u1,rel=0.7／k=0.35%。

4.4.2 标准溶液配制过程中产生的相对标准不确定 度u2，rel

使用A 级100 mL 的容量瓶以及100～500 μL和1 000～5 000 μL 的移液器，将1 000 mg／L 标准溶液分别稀释成1、2、5、10、20、50 mg／L 的系列标准工作溶液。根据各浓度点所需要移液器移取的体积及校准证书提供的扩展不确定度U（k=2）可计算各浓度点标准不确定度ui及其相对标准不确定度ui,rel，相关数据列于表5。

表5 标准溶液配制过程引入的不确定度

100 mL 容量瓶的允差为0.02，标准不确定度按三角分布计算，k= 6，则100 mL 容量瓶标准不确定度uV=0.02／k=0.008，100 mL 容量瓶相对标准不确定度为uV,rel=0.008／100=0.01%。

由于检定环境的温度与配制溶液过程中液体的温度一致，故温度引起的不确定度忽略不计。

由表5 数据及uV,rel合成相对标准不确定度，得u2，rel=0.31%。

4.4.3 标准曲线拟合引入的相对标准不确定度u3，rel

系列标准工作溶液中氯离子的质量浓度及相应的色谱峰面积列于表6。

表6 氯离子标准溶液的质量浓度与相应的色谱峰面积

利用表6 中数据进行线性回归，拟合所得标准工作曲线线性方程为Y=0.171 1X-0.118 9，相关系数r=0.999，工作曲线拟合引入的标准不确定度按照文献［14］规定计算，得s=0.062 42，标准工作曲线拟合引入的标准不确定度u3=0.172 μg／mL，则相对标准不确定度u3，rel=0.17 2／4.94=3.5%。

4.4.4 测试过程中随机效应产生的不确定度u4，rel

由表3 可知，氯离子浓度5 μg／mL 测试过程中随机效应产生的标准不确定度u4按式(7)、式(8)计算：

计算得u4=0.025，u4，rel=u4／4.94=0.51%。

4.4.5 测定结果的合成标准不确定度和扩展不确定度

各相对标准不确定度分量列于表7。

表7 相对标准不确定度分量

5 结语

计算可知，影响离子色谱检定测量不确定度的主要因素为标准工作曲线拟合造成的不确定度，其次是测试过程中的随机效应产生的不确定度。因此在仪器的核查校准过程中，仪器要预热稳定，应尽量使用允许误差小的玻璃容器定容。测试标准样品及评价仪器的整机性能时，尽量增加标准工作曲线浓度点的测量次数，尽量使用待测溶液的浓度位于标准工作曲线的中间。配制系列标准工作溶液时严格按照规定方法步骤，尽量减少人为误差，提高仪器的测量检测结果准确性。