王亞玲

（北京海岸鴻蒙標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 102600）

苯系物包括苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯、異丙苯、苯乙烯等多種物質(zhì)，苯系物在水質(zhì)、大氣以及室內(nèi)環(huán)境污染監(jiān)測方面的作用受到關(guān)注[1]，目前已被列為環(huán)境監(jiān)測和衛(wèi)生防疫部門的日常檢測項目。其中，甲苯被作為油漆、涂料等產(chǎn)品有害物質(zhì)限量的檢測項目之一[2]。隨著HJ 584—2010[3]、HJ 644—2013[4]、HJ 734—2014[5]等標(biāo)準(zhǔn)的實施，市場上對甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)以及甲苯試劑或溶液的需求量較大。筆者研制了甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。

目前對甲苯應(yīng)用性能的研究[6-8]較多，對甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制較少，且對于原料僅限于用兩種方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)與質(zhì)量濃度核驗[8-9]。

筆者選擇高純試劑原料，為確保原材料物質(zhì)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，采用三種方法對原料進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)，同時利用面積歸一化法對甲苯純度進(jìn)行初步核驗，根據(jù)JJF 1006—1994《一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范要求》[10]，采用兩種不同原理的方法對甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值，基于卡爾費(fèi)休法準(zhǔn)確測量了影響主成分純度的水分含量?？疾炝思妆郊兌葮?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性、穩(wěn)定性，并評估了標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的量值不確定度。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

氣相色譜儀：GC2030 型，配有氫火焰離子化（FⅠD）檢測器，日本島津公司。

氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀：7890A+5975C 型，配有電子沖擊模式（EⅠ）和化學(xué)電離模式（CⅠ）的質(zhì)量檢測器，美國安捷倫科技有限公司。

電子天平：（1）MS205DU 型，感量為0.01 mg；（2）XP6 型，感量為0.001 mg，瑞士梅特勒-托利多集團(tuán)。

容量瓶：A 級，1 000 mL，天津市天科玻璃儀器制造有限公司。

庫倫法水分測定儀：831KF型，瑞士萬通中國有限公司。

超導(dǎo)脈沖傅里葉變換核磁共振儀：Bruker Ultrashield 600/AVANCE NEO型，瑞士布魯克公司。

傅里葉變換紅外光譜儀：ⅠRAffinity-1S型，日本島津公司。

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：Varian-720-ES 型，美國安捷倫科技有限公司。

無苯二硫化碳：色譜純，天津科密歐化學(xué)試劑有限公司。

尼泊金乙酯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.97%，擴(kuò)展不確定度為0.05%(k=2)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號為GBW 06120，中國計量科學(xué)研究院。

氘代氯仿：純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為 99.8%，北京伊諾凱科技有限公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物的選擇

甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)原料來自市售高純試劑，產(chǎn)品包裝規(guī)格為500 mL。為進(jìn)一步確認(rèn)原料的準(zhǔn)確可靠，采用氣相色譜-質(zhì)譜法[9]、紅外光譜法[11]、核磁共振波譜法[12]三種分析技術(shù)對原料進(jìn)行主成分定性分析。將標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)原料分裝至1 mL 干燥潔凈的安瓿瓶中，每個包裝量為1 mL，共435個包裝單元，置于干燥、常溫、避光條件下保存。

1.2.2 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物結(jié)構(gòu)定性分析

利用氣相色譜-質(zhì)譜法、紅外光譜法、核磁共振波譜法三種定性手段對高純試劑甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗證。

（1）紅外光譜法。掃描次數(shù)：15；分辨率：4；掃描波數(shù)范圍：400～4 000 cm-1。掃描前扣除水蒸氣與二氧化碳干擾，采用液膜法上機(jī)測試，通過比對紅外測試光譜圖與紅外標(biāo)準(zhǔn)光譜圖吸收峰的位置，判斷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物與甲苯結(jié)構(gòu)的一致性。

（2）氣相色譜-質(zhì)譜法。色譜柱：DB-5MS柱(30 m×0.25 mm，0.25 μm，美國賽默飛世爾科技公司)；色譜柱流量：1 mL/min；分流比：20∶1；進(jìn)樣體積：0.1 μL；離子源(EⅠ)溫度：230 ℃；離子化能量：70 eV；采集方式：Scan；接口溫度：260 ℃；溶劑延遲：0 min；掃描范圍：m/z35～350；程序升溫：40 ℃保持2 min，以4 ℃/min 升至100 ℃，以15 ℃/min 升至180 ℃，保持15 min，以30 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；進(jìn)樣方式：直接進(jìn)樣。比較測試譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的特征峰并查看與NⅠST標(biāo)準(zhǔn)譜庫匹配度，來確認(rèn)原料結(jié)構(gòu)。

（3）核磁共振波譜法。稱取約10 mg的樣品，溶解于氘代氯仿中，將得到的清亮溶液轉(zhuǎn)移到5 mm核磁管中，在20 ℃條件下通過自動進(jìn)樣器將含目標(biāo)物溶液的核磁管放入核磁共振儀中進(jìn)行檢測。核磁測試的1H-NMR 頻率范圍是6～1.5 GHz，相位分辨率小于0.001°，頻率分辨率小于0.005 MHz，時間分辨精度為12.5 ns。比較測試譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖的特征峰并查看與NⅠST 標(biāo)準(zhǔn)譜庫匹配度，來確認(rèn)原料結(jié)構(gòu)。

1.3 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物純度初驗

采用氣相色譜質(zhì)量平衡法[13]對原料高純試劑甲苯標(biāo)準(zhǔn)品的純度進(jìn)行初步檢驗。

氣相色譜儀工作條件：色譜柱為DB-wax柱(30 m×0.32 mm，0.50 μm，美國安捷倫科技有限公司)；汽化室溫度為200 ℃；檢測器為FⅠD；檢測器溫度為220 ℃；載氣流量為1 mL/min；進(jìn)樣體積為0.5 μL；分流比為100∶1；升溫程序為初溫40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min 升至100 ℃，以15 ℃/min 升至180 ℃，保持15 min，以30 ℃/min升至200 ℃，保持10 min；進(jìn)樣方式為直接進(jìn)樣。

1.4 定值方法

根據(jù)JJF 1006—1994《一級標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范》及JJF 1343—2022《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值及均勻性、穩(wěn)定性評估》[14]等相關(guān)規(guī)范要求，對甲苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行含量測定。采用不同原理的兩種定值方法，一種是質(zhì)量平衡法[15]，另一種是核磁共振定量法。

1.4.1 質(zhì)量平衡法

（1）色譜峰面積歸一化定量。分析條件：色譜柱為DB-wax柱（30 m×0.32 mm，0.50 μm，美國安捷倫科技有限公司）；汽化室溫度為200 ℃；檢測器為FⅠD；檢測器溫度為220 ℃；載氣流量為1 mL/min；進(jìn)樣體積為1 μL；分流比為10∶1；升溫程序為初溫40 ℃，保持2 min，以4 ℃/min 升至100 ℃，以15 ℃/min 升至180 ℃，保持15 min，以30 ℃/min 升至200 ℃，保持10 min。

（2）卡爾費(fèi)休法測定水分。采用水分標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校準(zhǔn)儀器后，稱取5～7 mg 甲苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物樣品，待測試結(jié)束后記錄水分測試結(jié)果。

（3）無機(jī)元素含量測定。稱取甲苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物樣品于50 mL聚四氟乙烯燒杯中，加入4 mL硝酸-鹽酸混酸（體積比為1∶3）作為消解液，于250 ℃消解90 min，消解過程中適當(dāng)補(bǔ)加上述消解液，降溫后定容至10 mL比色管中，混勻，以電感耦合等離子體質(zhì)譜（ⅠCP-MS）法測定含量[16]。

（4）揮發(fā)性組分含量測定。對甲苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物樣品采用液體直接進(jìn)樣，以氣相色譜法進(jìn)行主成分測試，在測試中已經(jīng)包含了溶劑殘留的測試，因此這項不再單獨(dú)計算。

1.4.2 核磁共振法

選擇尼鉑金乙酯作為內(nèi)標(biāo)，將準(zhǔn)確稱量的甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與尼鉑金乙酯內(nèi)標(biāo)物共溶解于氘代溶劑中，待充分溶解后，移取到石英核磁管中，參照文獻(xiàn)[17]測定甲苯的純度。測定參數(shù)：脈沖名稱為PULPROG: zg，激發(fā)脈沖角度為90°，脈沖寬度P1為5.0 μs，時間域數(shù)據(jù)點(diǎn)為32 k，掃描寬度為16 025 Hz，弛豫延遲D1為30.0 s，累計采樣16次，探頭溫度為296 K，頻率域數(shù)據(jù)點(diǎn)為32 k，譜寬為12.0×10-6，中心頻率為5.5×10-6。

1.5 均勻性檢驗

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制技術(shù)規(guī)范[10]，按溶液分裝前、中、后隨機(jī)抽取15瓶，每個單元取3個子樣，采用氣相色譜法測定主成分，同時采用卡爾費(fèi)休法測定15個抽取單元中水分含量，主成分扣除水分后進(jìn)行均勻性檢驗。采用單因素方差分析法，計算統(tǒng)計量F值，在95%置信區(qū)間內(nèi)，若F＜Fα，可認(rèn)為樣品是均勻的。

1.6 穩(wěn)定性檢驗

長期穩(wěn)定性：在分裝儲藏后的0、1、2、4、6、9、12個月按由密到疏的原則抽樣測定。

短期穩(wěn)定性：模擬運(yùn)輸過程溫度變化，分別在-20 ℃、60 ℃條件下監(jiān)測14天的穩(wěn)定性。每個溫度時間條件下隨機(jī)抽取2 個包裝單元，采用氣相色譜法測定主成分，平行測定3次，同時測定每個單元的水分含量，主成分扣除水分后進(jìn)行穩(wěn)定性考察。

利用t檢驗統(tǒng)計分析樣品的穩(wěn)定性[18]。

2 結(jié)果與討論

2.1 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物結(jié)構(gòu)定性分析

2.1.1 紅外光譜法

按1.2.2（1）方法分析，紅外光譜圖見圖1。結(jié)果表明，圖1 與美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)庫中的化學(xué)部分（NⅠST Chemistry WebBook）對應(yīng)圖譜一致。

圖1 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物的紅外光譜圖

2.1.2 氣相色譜-質(zhì)譜法

按1.2.2（2）方法分析，甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物質(zhì)譜圖見圖2。由圖2 可知，主要分子離子峰m/z92及碎片離子峰m/z91等與NⅠST譜庫相符，相似度為96.0%。

圖2 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物的質(zhì)譜圖

2.1.2 核磁共振波譜法

按1.2.2（3）方法分析，核磁測試H 譜圖見圖3。測試譜圖中呈現(xiàn)峰的化學(xué)位移值與標(biāo)準(zhǔn)譜圖一致。

圖3 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物的核磁圖

綜上，利用三種定性手段得到的譜圖，與標(biāo)準(zhǔn)譜圖吻合，可證實原料化學(xué)結(jié)構(gòu)正確。

2.2 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物純度初驗

按照1.3 方法對原料甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物進(jìn)行純度初步檢驗，氣相色譜法測得其主成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.999%，純度滿足申報純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)要求，初檢色譜圖見圖4。

圖4 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物純度檢測初驗色譜圖

2.3 定值方法

2.3.1 氣相色譜法

采用質(zhì)量平衡法對經(jīng)過定性確認(rèn)分析并分裝好的甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物進(jìn)行純度定值?；谇捌谙囝愃茦?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究[3-5]，認(rèn)為DB-Wax 色譜柱更適用于揮發(fā)性有機(jī)物苯系物該類純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中雜質(zhì)的色譜響應(yīng)與分離，因此選擇DB-Wax 色譜柱進(jìn)行測試。以采用重量-容量法配制好的二硫化碳中甲苯溶液（質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL）為分析對象，通過改變程序升溫、流量、分流等參數(shù)，對色譜分析條件進(jìn)行優(yōu)化。由于17 min前沒有雜質(zhì)被檢出，因此17 min 前采用相同的程序升溫條件，分別對17 min 后采用15、20、30 ℃/min 升溫速率進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)升溫速率過高雜質(zhì)峰不能實現(xiàn)理想分離，最終選用梯度升溫檢測雜質(zhì)，雜質(zhì)可準(zhǔn)確檢出且達(dá)到基線分離；分別設(shè)定載氣流量為0.8、1.0、1.5 mL/min進(jìn)行試驗，結(jié)果表明載氣流量為0.8～1.5 mL/min 時，主成分的色譜峰面積無顯著變化，只是目標(biāo)色譜峰的對稱性及色譜保留時間有所改變。從分析效率和安全性方面考慮，當(dāng)載氣流量為0.8 mL/min 時分析過程耗時較長；當(dāng)載氣流量為1.5 mL/min 時則柱壓較大，長期使用會影響色譜柱的壽命。因此選擇載氣流量為1.0 mL/min。分別采用10∶1、20∶1、50∶1 三種分流比進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)不同分流比只影響目標(biāo)物質(zhì)的響應(yīng)值，考慮儀器使用成本，選擇分流比為10∶1。

在優(yōu)化的色譜條件下，甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物色譜圖如圖5。由圖5可見雜質(zhì)成分響應(yīng)充分，主成分色譜峰對稱性好，且與雜質(zhì)峰能夠?qū)崿F(xiàn)基線分離，滿足色譜峰面積歸一化定量要求。采用上述條件，對隨機(jī)抽取的6個單元，測量了甲苯主成分及結(jié)構(gòu)相似有機(jī)雜質(zhì)的含量。

圖5 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物色譜圖

2.3.2 水分測定

按照1.4.1 (2)方法測得甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.090 7%，測定數(shù)據(jù)見表1。

表1 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物水分含量測定結(jié)果

2.3.3 無機(jī)元素測定

按照1.4.1(3)方法測得甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物無機(jī)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.006 8%，測定數(shù)據(jù)見表2。

表2 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物無機(jī)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果

2.3.4 質(zhì)量平衡法定值結(jié)果

定值結(jié)果如表3 所示，質(zhì)量平衡法測定的甲苯純度值為99.78%。

表3 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)候選物的質(zhì)量平衡法定值結(jié)果 %

2.3.5 定量核磁法定值結(jié)果

將精確稱量的甲苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品與尼泊金乙酯分別溶于氘代丙酮中，上機(jī)測定后，通過與甲苯和尼泊金乙酯標(biāo)準(zhǔn)氫譜對照，確定氫峰的歸屬及選擇定量峰。由于尼泊金乙酯的特征氫峰化學(xué)位移分布在δ4～7 低場范圍，因此選擇甲苯結(jié)構(gòu)中化學(xué)位移處于δ2.3的氫峰作為定量峰，而且該質(zhì)子峰裂峰簡單且不受自身結(jié)構(gòu)中其它質(zhì)子峰的干擾，同時與尼泊金乙酯內(nèi)標(biāo)物的氫峰又互不干擾，滿足定量要求，尼泊金乙酯與甲苯樣品的1H-NMR 譜圖見圖6，定值結(jié)果見表4，定值結(jié)果為99.82%。

表4 甲苯的定量核磁法(1H-NMR)的定值結(jié)果 %

圖6 尼泊金乙酯與甲苯樣品的1 H-NMR譜圖

2.4 均勻性檢驗結(jié)果

按1.4.1儀器條件進(jìn)行均勻性測試，采用氣相色譜峰面積歸一化法，將隨機(jī)抽取的樣品編號為1#～15#，在潔凈干燥環(huán)境下平衡至室溫后，每個單元取3個子樣，配制成質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL 的二硫化碳中甲苯溶液，上機(jī)測試。采用卡爾費(fèi)休法測定15個抽取單元中水分含量。定值結(jié)果采用單因素方差分析法進(jìn)行統(tǒng)計檢驗[14]，均勻性檢驗結(jié)果見表5。用單因素方差分析法對測定數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，計算得F=1.32，查表得F0.05(14，30)=2.04，F(xiàn)＜F0.05(14，30)，表明制備的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性良好。

表5 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性檢驗甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 %

2.5 穩(wěn)定性檢驗結(jié)果

采用同均勻性相同的測試條件，對二硫化碳中甲苯溶液(1 000 μg/mL)進(jìn)行長期和短期穩(wěn)定性檢驗，測定數(shù)據(jù)分別見表6～表8。對表6～表8 測定數(shù)據(jù)分別進(jìn)行t檢驗，計算得長期穩(wěn)定性線性斜率為0.000 654，60 ℃、-20 ℃下短期穩(wěn)定性線性斜率分別為0.000 088 4、-0.000 489，均小于t(0.95，n-2)·s(β1)，短期和長期穩(wěn)定性考察數(shù)據(jù)均滿足|β1|＜t(0.95，n-2)·s(β1)，表明制備的該溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)特性值在考察期限內(nèi)無顯著性變化，穩(wěn)定性良好。

表6 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)長期穩(wěn)定性檢驗水及甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 %

表7 60 ℃甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)短期穩(wěn)定性檢驗水及甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 %

表8 -20 ℃甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)短期穩(wěn)定性檢驗水及甲苯質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定結(jié)果 %

2.6 量值的不確定度

基于前期研究報道的不確定度評估與計算方法[19-23]，系統(tǒng)分析與評估了甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制過程中的不確定度，結(jié)果見表9。甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)純度值為99.8%，擴(kuò)展不確定度為0.2%(k=2)。

表9 甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度評估結(jié)果 %

3 結(jié)語

研制了甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值結(jié)果準(zhǔn)確可靠、一致性好，水分含量穩(wěn)定，特性量值的均勻性良好，12個月內(nèi)穩(wěn)定性可靠。該純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研制，填補(bǔ)了國內(nèi)甲苯純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)空白，保證了甲苯相關(guān)檢測結(jié)果的計量溯源性。