主题：【第六届原创】离子色谱法测定葡萄酒中可溶性硫酸根离子含量的不确定度评估

本文为“[url=https://insevent.instrument.com.cn/t/3p]离子色谱-抑制电导法快速测定葡萄酒中硫酸根离子[/url]”（http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20130702/4827744/）的配套资料，甚少进行这方面的研究，所以问题肯定不少，请大家支持、完善。

离子色谱法测定葡萄酒中可溶性硫酸根离子含量的不确定度评估

摘要：应用测量不确定度评定方法，对离子色谱法测定葡萄酒中可溶性硫酸根离子含量的方法进行了不确定度评价。分析了测定过程中不确定度的来源，并对各不确定度分量及合量进行了评估，确定了对测定结果有重要影响的分量，为进一步优化测定方法、确保检测数据和结果的准确、可靠提供了依据。

关键词：不确定度；离子色谱；硫酸根

测量不确定度是指表征合理地赋予被测量值的分散性与测量结果相联系的参数，是表征测试结果可靠性和范围的重要参数。按照ISO/IEC17025《校准和检测实验室能力的通用要求》[1]规定，对葡萄酒中可溶性硫酸根离子测定方法[2]进行了不确定度分析，以确定测量中的干扰因素，了解对测量结果容易产生偏差的来源，找出不确定度中影响最大的因素，采取相应的方法减少干扰因素带来的影响[3]。

1.  实验方法

1.1  主要仪器与试剂

离子色谱仪：型号为ICS-3000，美国戴安公司。

硫酸根（以SO42-计）标准溶液：1000 mg/L。购自国家标准物质研究中心。

实验用水：超纯水，电阻率为18.2 MΩ·cm。



1.2  色谱条件

分析柱Dionex IonPacAS11-HC（4 mm×250 mm）；保护柱IonPacAG11-HC，50*4mm；进样体积：50 μL；流速：1.0 mL/min；柱温：30 ℃；电导检测池温度：35 ℃；

淋洗液：洗液组成及流速：NaOH梯度淋洗程序：0 min～26 min，13 mmol/L；26 min～35 min，60 mmol/L；35.1 min～40 min，13 mmol/L；流速1.0 mL/min。



1.3  测定方法

精确量取试样10 mL，用0.04 %甲醛溶液定容至200 mL容量瓶中，涡流振荡器摇匀，溶液于10000 rpm离心15 min，取上清液过0.22 μm尼龙滤膜和OnGuard RP固相萃取柱（2.5 cc），弃初始约6 mL滤出液后收集约1 mL，供离子色谱仪测定。



1.4 测量结果

对同一葡萄酒样品中的硫酸根重复测定6次，结果见表1。

表1.  测定结果

测量次数            1  2   3   4   5   6

测量结果（mg/L）  348.8 352.3 355.6  350.0 350.3 358.3

2  不确定度来源分析

测试过程中的影响硫酸根离子含量的不确定度来源有5个方面，见图1。

2.1 样品定量引入的相对标准不确定度∪r

该不确定度∪r属于B类不确定度，包括三方面的来源：器材体积校准（证书）、体积读数和环境温度变化引起的相对标准不确定度；



2.2 标准溶液引入的相对标准不确定度∪r

该不确定度∪r属于B类不确定度，包括四方面的来源：标准溶液浓度本身引入的相对不确定度、器材体积校准引入的相对标准不确定度、体积读数引入的相对标准不确定度和环境温度变化引起的相对标准不确定度；



2.3 标准曲线引入的相对不确定度

该不确定度属于A类不确定度，主要是最小二乘法拟合标准曲线过程中引入的相对标准不确定度；



2.4  仪器测定条件引入的相对不确定度：

该不确定度属于B类不确定度，主要是进样体积引入的相对不确定度和温度变换引入的相对不确定度；

[img=,596,302]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11665.png[/img]

图1.  不确定度分量来源鱼刺图

3  各分量不确定度的分析及计算[4]

3.1  样品定量引入的相对标准不确定度

量取样品过程中引入的不确定度来源于使用的10 mL移液管和200 mL容量瓶。

3.1.1  器材体积校准引入的相对标准不确定度

其10 mL移液管和其200 mL容量瓶的体积校准允许波动范围为均匀分布，属于B类不确定度，取K=[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-8671.png[/img]。

10 mL移液管（记为V11）进行稀释，其容量允许不确定度±0.05 mL，按照矩形分布计算其相对标准不确定度为：

∪（V11）= V11/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-15718.png[/img]=0.05/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7409.png[/img]=0.02887 mL

∪rel（V11）=∪（V11）/10=0.2887%



200 mL容量瓶（记为V1）进行稀释，其容量允许不确定度±0.15 mL[5]，按照矩形分布计算其相对标准不确定度为：

∪（V12）= V12/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21920.png[/img]=0.15/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-7312.png[/img]=0.259785 mL

∪rel（V12）=∪（V12）/10=2.59785%



3.1.2  体积读数引入的相对标准不确定度

体积读数不确定度主要是有测量人员读数视觉误差与刻度线粗细产生的，是一类经验误差。10 mL移液管测量人员读数完全可以控制在范围内，并且在读数范围内靠近范围边缘的概率，概率分布应为三角分布，取K=[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20474.png[/img]，属于B类不确定度。

10 mL移液管（记为V2）其容量允许不确定度±0.05 mL，按照矩形分布计算其相对标准不确定度依次为：

∪（V2）= V1/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19329.png[/img]=0.05/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19530.png[/img]=0.02041 mL

∪rel（V2）=∪（V1）/10=0.2041 %



3.1.3  环境温度变化引起的相对标准不确定度

设定温度波动值为4 ℃，该影响引起的不确定度可通过估算该温度范围和体积膨胀系数进行计算。水的体积膨胀系数2.1×10-4/℃，假设温度变化是矩形分布。10 mL移液管和200 mL容量瓶

10 mL移液管温度相对标准不确定度为：

∪（T11） =10×4×2.1×10-4/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-4543.png[/img]=0.00485 mL

∪rel（T11）=∪（T11）/10=0.0485 %



200 mL容量瓶温度相对标准不确定度为：

∪（T12） =200×4×2.1×10-4/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-17438.png[/img]=0.097 mL

∪rel（T12）=∪（T12）/10=0.97 %



3.1.4  样品定量合成不确定度

该不确定度主要包括移液管移取过程中传递的不确定度，将上述各分量代入下列公式计算，得到样品定量引入的合成相对不确定度Urel（X）。



Urel（X）=[∪rel（V11）2+∪rel（V12）2+∪rel（T11）2+∪rel（T12）2+∪rel（V12）2]1/2=0.058133967



3.2  硫酸根标准溶液引入的相对标准不确定度∪r

3.2.1  标准溶液浓度本身引入的不确定度

绘制标准曲线所用的标准溶液购自国家标准物质研究中心，标准质量浓度为1000 mg/L，给出的扩展不确定度为±0.02%，取包含因子k=2，则标准溶液本身的标准不确定度为：

∪（S）= 0.02 %×1000/2=0.1 mg/L

∪rel（S）=∪（S）/1000=0.01 %



3.2.2  器材体积校准引入的相对标准不确定度

标准溶液稀释过程中引入的不确定度主要来自使用的移液管、容量瓶，体积校准允许波动范围为均匀分布，属于B类不确定度，取K=[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22073.png[/img]。

以10 mg/L标准溶液的配制过程为例，使用1 mL 移液管（记为V5）及10 mL容量瓶（记为V6）进行稀释，其证书上容量允许不确定度分别为±0.01、±0.05 mL。

按照矩形分布计算，其1 mL移液管相对标准不确定度为：

∪（V3）= V3/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20466.png[/img]=0.01/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3992.png[/img]=0.005774 mL

∪rel（V3）=∪（V3）/1=0.5774 %

10 mL 容量瓶相对标准不确定度为：

∪（V4）= V4/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-21350.png[/img]=0.05/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-9265.png[/img]=0.02887 mL

∪rel（V4）=∪（V4）/10=0.2887 %



3.2.3  体积读数引入的相对标准不确定度

体积读数不确定度主要是有测量人员读数视觉误差与刻度线粗细产生的，是一类经验误差。测量人员读数完全可以控制在范围内，并且在读书范围内靠近范围边缘的概率，概率分布应为三角分布，取K=[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-12256.png[/img]，属于B类不确定度。

以10 mg/L标准溶液的配制过程为例，使用1 mL 移液管（记为V5）及10 mL容量瓶（记为V6）进行稀释，其证书上容量允许不确定度分别为±0.01、±0.05 mL。

按照矩形分布计算，其1 mL移液管相对标准不确定度为：

∪（V5）= V5/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23184.png[/img]=0.01/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-22907.png[/img]=0.00408 mL

∪rel（V5）=∪（V5）/ V5=0.408 %

按照矩形分布计算，10 mL容量瓶相对标准不确定度为：

∪（V6）= V6/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-26424.png[/img]=0.05/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18486.png[/img]=0.02041 mL

∪rel（V6）=∪（V6）/ V6=0.2041 %



3.2.4  环境温度变化引起的相对标准不确定度

设定温度波动值为4 ℃，该影响引起的不确定度可通过估算该温度范围和体积膨胀系数进行计算。水的体积膨胀系数2.1×10-4/℃，假设温度变化是矩形分布。

按照矩形分布计算，1 mL移液管温度相对标准不确定度为：

∪（T2） =1×4×2.1×10-4/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-18832.png[/img]=4.85×10-4 mL

∪rel（T2）=∪（T2）/1=0.0485 %

按照矩形分布计算，10 mL容量瓶温度相对标准不确定度为：

∪（T3） =10×4×2.1×10-4/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-20406.png[/img]=4.85×10-3 mL

∪rel（T3）=∪（T3）/10=0.0485 %



3.2.5  标准溶液引入的合成相对不确定度

该不确定度主要包括移液管、容量瓶稀释过程及标准溶液浓度传递的不确定度，将上述各分量代入下列公式中计算，得到标准溶液引入的合成相对不确定度Urel（C1）。

Urel（C1）=[∪rel（S）2+∪rel（V3）2+∪rel（V4）2+∪rel（V5）2+∪rel（V6）2+∪rel（T2）2+∪rel（T3）2]1/2=0.007935



3.3  标准曲线拟合过程中引入的相对不确定度

用1000 mg/L硫酸根标准溶液配制5个标准系列，体积浓度依次为1.0、5.0、10.0、20.0、50.0 mg/L，测定结果见表1，并计算曲线的相关系数r，斜率B1以及截距B0。

表1 各浓度标准溶液测定结果

质量浓度（mg/L）	1	5	10	20	50.0
峰面积（μs·min）	0.666	3.258	6.103	12.198	29.515

采用线性最小二乘法对结果拟合得到标准曲线：Y=B1X+B0=0.588 X+0.117，确定系数R2=99.998。曲线的残差标准偏差S按下列公式计算：

[img=,287,43]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11668.png[/img]

式中：

yi———标准溶液峰面积的测定值，μS·min；

B0———曲线截距，其值为-0.0818；

B1———曲线的斜率，其值为0.2751；

Ci———标准溶液中氯化物的质量浓度，mg/L；

n———回归直线浓度点总数，n=5。

其中[img=,209,28]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-19419.png[/img]= 0.1562，由此，曲线的残差标准偏差S=0.2282。平行测定样品6次，测定结果如表2所示。依据下列公式计算由标准曲线引入的不确定度：

[img=,382,32]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-814.png[/img]，代入数据得∪(C0)=3.318mg/L

则相对不确定度：∪rel(C0)= ∪(C0)/ C0=0.00941



3.4  样品重复测量引入的相对不确定度

对葡萄酒样品中的硫酸根重复测定6次，结果见表2。

表2  样品多次测定结果

序号	1	2	3	4	5	6
质量浓度（mg/L）	348.8	352.3	355.6	350.0	350.3	358.3

则6次测定结果的平均值：[img=,121,28]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-31472.png[/img]= 352.6 mg/L

单次测量的实验标准差为：[img=,103,51]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-32235.png[/img] = 3.689

标准不确定度∪(C2)=Si/[img=,27,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-11238.png[/img]=1.650 mg/L

则相对不确定度为∪rel(C2)=1.650/352.6=0.00468



3.5  仪器测定条件引入的相对不确定度

3.5.1  进样体积的不确定度

离子色谱选用50 μL的定量环，按估算会产生±0.5 μL偏差，该不确定度为B 类不确定度，属三角分布，取K=[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-23586.png[/img]，则标准不确定度∪(C3)=0.5/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-16402.png[/img]=0.204 μL，相对标准不确定度：∪rel（C3）=0.204/50=0.00408。



3.5.2  温度变换引入的相对不确定度

温度对离子的迁移率、电导率有较大的影响。温度每升高1 ℃，电导率便增加2%[6]。在实验室温度恒定的条件下，离子色谱仪电导池具有自动温度补偿功能，因此温度可控制在±1 ℃波动，设为均匀分布，则温度对电导率引起的相对标准不确定度：

∪rel（C4）=2 %/[img=,24,25]file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/ksohtml/wps_clip_image-3274.png[/img]=0.0115



3.5.3  仪器测定条件的相对不确定度

该不确定度主要包括进样体积及温度变换，将上述各分量代入下列公式计算，得到样品定量引入的合成相对不确定度Urel（C5）。

∪rel（C5）=[∪rel（C3）2+∪rel（C4）2]1/2=0.0122



4  合成标准不确定度的计算

由于各不确定度分量相互独立，故相对合成标准不确定度为

∪rel（C）=[ Urel（X）2+ Urel（C1）2+ ∪rel (C0) 2+ ∪rel (C2) 2+ ∪rel（C5）2]1/2=0.0608

则合成标准不确定度∪x=0.0608×352.6=21.44 mg/L。取包含因子k=2，则扩展不确定度U=2∪x=2×21.44=42.88 mg/L。

可见，离子色谱-抑制电导法快速测定葡萄酒中硫酸根离子[2]质量浓度的结果为（352.6±42.88）mg/L。



5  结论

在离子色谱法测定葡萄酒中可溶性硫酸根离子含量的过程中，对合格的玻璃器皿、有证标准溶液、标准曲线、温度和样品测量重复性、仪器条件等各分量进行不确定度评估，由计算结果可见仪器测定条件对硫酸根离子的不确定度分量影响最大，其次是标准曲线的最小二乘法的建立。因此在实验过程中，控制好仪器测定条件，可以显著降低测试结果的不确定度，提高分析的准确度。



参考文献：

[1] ISO/IEC17025.校准和检测实验室能力的通用要求.

[2] 王飞，张静，刘芳，曹彦忠.离子色谱-抑制电导法快速测定葡萄酒中硫酸根离子[J]中国酿造，2013，5：159～161

[3] 孙翠香，梁玉清，王颖，张浩原.离子色谱法测定水中氯离子含量不确定度评估.光谱实验室，2009，26（4）：899-902.

[4] 李慎安，施昌彦，刘风.测量不确定度评定与表示.国家测量技术监督局，1999-05-01.

[5] JJG 196-2006 《常用玻璃量器检定规程》

[6] 牟世芬，刘克纳，丁晓静.离子色谱方法及应用[M]北京：化学工业出版社，2005：138-139.