郭士剛，凌鳳香，高旭鋒

（中國石化 大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045）

1 引言

隨著生物柴油的快速發(fā)展，為有效鑒別車用柴油和生物柴油，脂肪酸甲酯（fatty acid methyl ester，F(xiàn)AME）含量檢測(cè)越來越受到關(guān)注。燃料油品中FAME的檢測(cè)方法主要有色譜法（包括色譜與質(zhì)譜等的聯(lián)用方法）和紅外光譜法。色譜法［1，2］多用于生物柴油或生物柴油調(diào)和柴油產(chǎn)品的檢測(cè)，適用于多種類、較高含量FAME的檢測(cè)。紅外光譜法為GB／T 23801—2009《中間餾分油中脂肪酸甲酯含量的測(cè)定—紅外光譜法》中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法［3］，為我國車用柴油產(chǎn)品中測(cè)定生物柴油項(xiàng)目制定了標(biāo)準(zhǔn)，保證了生物柴油及其調(diào)和產(chǎn)品與車用柴油的有效區(qū)分［4～6］。檢出限是衡量分析化學(xué)測(cè)試方法檢測(cè)能力和靈敏度的量度指標(biāo)，具有重要的意義［7～12］。不確定度是衡量結(jié)果可靠性的重要定量參數(shù)，也是衡量檢測(cè)能力和準(zhǔn)確性的主要指標(biāo)［13～20］。紅外光譜法檢測(cè)FAME的應(yīng)用非常普遍，但是針對(duì)該方法檢測(cè)準(zhǔn)確性和靈敏度的研究尚未見報(bào)道。本文通過測(cè)量紅外光譜法測(cè)定柴油中脂肪酸甲酯的檢出限和不確定度，評(píng)價(jià)此方法的檢測(cè)能力、靈敏度和準(zhǔn)確度。

2 材料和試劑

2.1 儀器和試劑

Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀，波數(shù)范圍為400～4 000 cm－1；樣品池KBr晶片，光程為0.5 mm；分析天平，精度為0.1 mg；25 mL容量瓶；油酸甲酯，色譜純，純度99%，SIGMA公司，Lot＃BCBW2906；環(huán)己烷，分析純；精度為0.1 mL的移液管。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)GB／T 23801［3］，采用色譜純油酸甲酯代表脂肪酸甲酯，配制質(zhì)量濃度為1、2、4、6、10 g／L的油酸甲酯環(huán)己烷溶液。在波數(shù)為1 745 cm－1時(shí)，以最大吸光度（A）與樣品池光程（L）的比值為因變量，脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度為自變量建立工作曲線。

對(duì)于待測(cè)樣品，預(yù)測(cè)其濃度范圍，在工作曲線范圍內(nèi)選擇直接測(cè)試；超出工作曲線濃度范圍則選擇相應(yīng)的稀釋等級(jí)稀釋到工作曲線濃度范圍進(jìn)行測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果經(jīng)稀釋比修正后獲得樣品結(jié)果。記錄測(cè)定的紅外吸收譜圖，測(cè)量在波數(shù)（1 745±1）cm－1處的典型酯類吸收帶的最大峰值吸收，通過已建立的標(biāo)準(zhǔn)曲線，運(yùn)用式（1）計(jì)算脂肪酸甲酯含量。

式中：φ為脂肪酸甲酯含量，g／L；X為稀釋系數(shù)；a為工作曲線的斜率；A為典型酯類吸收帶的最大峰值吸收；L為樣品池光程，為0.05 cm；b為工作曲線的截距。

3 結(jié)果與討論

3.1 檢出限

3.1.1 工作曲線

以環(huán)己烷作為空白對(duì)照，使用Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀測(cè)定不同濃度的脂肪酸甲酯環(huán)己烷溶液的紅外吸收光譜如圖1，建立工作曲線如圖2。由圖2可知，在質(zhì)量濃度為1～10 g／L范圍內(nèi)具備良好的線性響應(yīng)，線性回歸方程為y＝2.1 308x－0.125 6，相關(guān)系數(shù)平方為0.999 9。

圖1 不同濃度脂肪酸甲酯紅外光譜Fig.1 Infrared spectra of different concentrations fatty acid methyl esters

圖2 紅外光譜法檢測(cè)脂肪酸甲酯工作曲線Fig.2 Determination of fatty acid methyl ester working curve by infrared spectroscopy

3.1.2 加標(biāo)回收

實(shí)際樣品中定量添加不同質(zhì)量脂肪酸甲酯，獲得不同濃度的樣品溶液，進(jìn)行加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。測(cè)得加標(biāo)量分別為0.956、4.200、9.808、20.130 g／L，實(shí)際加標(biāo)量為0.944、4.232、9.794、20.126 g／L，加標(biāo)回收率（測(cè)得加標(biāo)量和實(shí)際加標(biāo)量的比值）為99.2%～101.3%，表明定量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

表1 不同質(zhì)量脂肪酸甲酯加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Addition standard recovery test results g／L

3.1.3 檢出限和定量限

檢出限是評(píng)價(jià)分析方法測(cè)試性能的重要指標(biāo)。不同專業(yè)領(lǐng)域，根據(jù)各自的檢測(cè)情況，對(duì)檢出限有不同的解釋。文獻(xiàn)［21］中檢出限以濃度或者質(zhì)量表示，是指由特定的分析步驟能夠合理地檢測(cè)出最小信號(hào)的最低濃度或質(zhì)量，上述表示方法得到廣泛的使用。檢出限LOD為：

式中：kD為與置信度有關(guān)的常數(shù)，取kD＝3，置信區(qū)間為99.6%；σ為空白標(biāo)準(zhǔn)偏差，一般測(cè)量次數(shù)不少于20次；m為標(biāo)準(zhǔn)曲線在較低濃度范圍內(nèi)的斜率。

在測(cè)定誤差滿足預(yù)定要求的前提下，用特定分析方法能夠準(zhǔn)確測(cè)定的待測(cè)元素的最小濃度或含量，稱為方法的定量限，以CD表示。文獻(xiàn)［22］建議取kD＝10計(jì)算定量限，計(jì)算式為：

利用式（2）和式（3）計(jì)算紅外光譜檢測(cè)脂肪酸甲酯實(shí)驗(yàn)方法的檢出限和測(cè)定下限，空白標(biāo)準(zhǔn)偏差σ采用Thermo Scientific Nicolet 6700傅立葉紅外光譜儀測(cè)定空白環(huán)己烷在波數(shù)為1745cm－1處的吸強(qiáng)度獲得為0.004 7，結(jié)果見表2。檢出限和定量限分別為0.006 6、0.022 0 g／L，表明該方法可以靈敏地檢測(cè)柴油中的脂肪酸甲酯。

表2 檢出限和定量限Tab.2 Detection limit and limit of quantitation

3.2 不確定度評(píng)定

3.2.1 不確定度來源分析

通過對(duì)檢測(cè)步驟的逐一分析和計(jì)算公式所需數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析不確定度來源［23］，見圖3。測(cè)量不確定度的來源主要為重復(fù)性引入的A類不確定度，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制（標(biāo)樣純度、標(biāo)液體積和標(biāo)樣質(zhì)量）、待測(cè)樣品配制（取樣和定容）、標(biāo)準(zhǔn)曲線引入的B類不確定度。

圖3 脂肪酸甲酯含量測(cè)定的不確定度評(píng)定魚骨圖Fig.3 Fishbone Diagram of Uncertainty Evaluation of FAME measurement

3.2.2 重復(fù)性測(cè)定引入的A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（A）

在實(shí)驗(yàn)條件完全相同的條件下，短時(shí)間重復(fù)測(cè)定樣品10次，獲得脂肪酸甲酯含量，數(shù)值見表3。

單次測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（A）采用貝塞爾公式［24］計(jì)算：

式中：ρi為第i次測(cè)量獲得的脂肪酸甲酯的質(zhì)量濃度，g／L為n次測(cè)量獲得的脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度平均值，g／L；n為測(cè)量次數(shù)。

則測(cè)量結(jié)果的A類相對(duì)不確定度urel（A）為：

根據(jù)表3中數(shù)值可求得u（A）＝0.005 9 g／L，urel（A）＝0.001 5。

表3 樣品中脂肪酸甲酯含量Tab.3 Test results of fatty acid methyl ester content in a sample g／L

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（S）

（1）標(biāo)樣天平稱量的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（m）。試驗(yàn)中稱量0.199 g脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，采用50 mL的容量瓶配制標(biāo)準(zhǔn)溶液。天平校準(zhǔn)證書給出了天平的置信區(qū)間為±0.2 mg，按均勻分布，天平稱量不確定度為：

按《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》得到分析天平的重復(fù)性約為0.5與最后一位有效數(shù)字的積，分析天平的最后一位有效數(shù)字為0.1 mg，則天平重復(fù)性不確定度為：

稱量采用的是差減法，因此標(biāo)樣天平稱量的不確定度為：

則標(biāo)樣天平稱量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）標(biāo)樣純度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（p）。實(shí)驗(yàn)中采用脂肪酸甲酯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，按照實(shí)驗(yàn)要求以色譜純油酸甲酯計(jì)，純度不確定度為：

則標(biāo)樣純度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

4.4 適時(shí)收獲 芝麻終花后20 d左右逐漸成熟，此時(shí)植株下部葉片基本脫落，莖稈顏色變黃或黃綠色，中部蒴果灌漿飽滿，下部蒴果種子充分成熟，有少量蒴果輕微炸裂，種皮均呈現(xiàn)品種固有色澤。芝麻成熟后，應(yīng)在早晚收獲，避開中午高溫陽光強(qiáng)烈照射，減少下部裂蒴掉籽或病死株裂蒴造成的損失。收時(shí)選優(yōu)良單株留種，搞好提純復(fù)壯。

（3）標(biāo)液配制引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（V）。容量瓶校準(zhǔn)不確定度u（V1）滿足均勻分布，校準(zhǔn)證書給出其置信區(qū)間為±0.1 mL；把容量瓶充滿10次稱量獲得的標(biāo)準(zhǔn)偏差0.02 mL作為容量瓶變動(dòng)性不確定度u（V2）；人員讀數(shù)不確定度u（V3）可根據(jù)使用體積容器允許有1%的讀數(shù)誤差，假設(shè)為三角分布獲得。則不確定度分別為：

則標(biāo)液配制引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

則標(biāo)準(zhǔn)溶液配制帶來的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.4 待測(cè)樣品配制引入的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（Y）

（1）樣品取樣引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（q）。根據(jù)JJG 646—1990《定量、可調(diào)移液器試行檢定規(guī)程》規(guī)定，1 mL可調(diào)移液器吸取1 mL時(shí)容量允差為1.5%，服從均勻分布，則取樣帶來的不確定度為：

樣品取樣引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）樣品定容引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（d）。待測(cè)樣品定容于50 mL容量瓶，引入的不確定度與標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程相同，則樣品定容引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

故待測(cè)樣品定容引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合帶來的B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel（g）

本實(shí)驗(yàn)采用最小二乘法擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線，由此帶來的不確定度為：

式中：SR為回歸曲線的殘差標(biāo)準(zhǔn)差；a為回歸線的斜率；P為待測(cè)樣品的重復(fù)測(cè)定次數(shù)，這里P＝10；n為回歸曲線的點(diǎn)數(shù)，n＝5；為待測(cè)樣品質(zhì)量濃度的平均值；為回歸曲線各點(diǎn)質(zhì)量濃度的平均值；C0i為各標(biāo)準(zhǔn)溶液的質(zhì)量濃度值。

其中，回歸曲線的殘差標(biāo)準(zhǔn)差可以通過實(shí)際吸光度響應(yīng)值（A0i／L）和標(biāo)準(zhǔn)曲線理論響應(yīng)值（b＋aC0i）獲得，標(biāo)準(zhǔn)曲線及擬合參照第3.1.1節(jié)。

則標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2.6 合成不確定度及擴(kuò)展不確定度

紅外光譜法測(cè)試柴油中脂肪酸甲酯測(cè)量結(jié)果的相對(duì)合成不確定度由A類不確定度和B類不確定度組成。B類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度由標(biāo)準(zhǔn)溶液的稱量配制、樣品取樣配制和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合組成：

相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

合成不確定度為：

取置信概率為95%，包含因子k＝2，擴(kuò)展不確定度為：

則脂肪酸甲酯質(zhì)量濃度為（3.960±0.097）g／L，各相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量對(duì)比分析如圖4，可知標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和待測(cè)樣品配制為引入不確定度的主要因素，而重復(fù)測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度較小。

圖4 各相對(duì)不確定度分量對(duì)比Fig.4 Comparison of relative uncertainty components

4 結(jié)論

紅外光譜法適用于測(cè)定柴油中脂肪酸甲酯含量，應(yīng)用普遍。研究測(cè)定紅外光譜檢測(cè)柴油中脂肪酸甲酯工作曲線，線性回歸方程為y＝2.130 8x－0.125 6，線性相關(guān)系數(shù)平方R2為0.999 9，并且加標(biāo)回收實(shí)驗(yàn)加標(biāo)回收率為99.2%～101.3%。依據(jù)《IUPAC Compendium of Analytical Nomenclature》和ACS的方法，獲得方法的檢出限和定量限分別為0.006 6 g／L、0.022 0 g／L。結(jié)果表明紅外光譜法能夠靈敏準(zhǔn)確地檢測(cè)柴油中脂肪酸甲酯的含量。方法合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.012 3，取置信概率為95%，包含因子k＝2，測(cè)定脂肪酸甲酯含量為（3.960±0.097）g／L。對(duì)不確定度引入因素進(jìn)行分析，表明標(biāo)準(zhǔn)溶液配制和待測(cè)樣品配制是引入不確定度的主要因素。