气相色谱法测定乙醇消毒剂中乙醇含量的不确定度评定

Uncertainty Evaluation of the Determination of Ethanol in Disinfectant by Gas Chromatography

摘要: 根据GB/T 26373-2020《乙醇消毒剂中乙醇含量的测定》测定乙醇消毒剂中乙醇的含量，分析和量化了影响测定结果的不确定度分量，将不确定度分量合成，在95%置信区间，当乙醇含量为78.2% (体积分数)时，其扩展不确定度为±5.9%，k = 2。

Abstract: According to GB/T 26373-2020 determination of ethanol content in ethanol disinfectants, the uncertainty components affecting the determination results were analyzed and quantified. The expanded uncertainty was ±5.9%, k = 2, when the ethanol content was 78.2% (volume fraction).

1. 引言

乙醇消毒剂是以乙醇为杀菌成分的消毒剂，是目前最容易被大家接受的一种消毒剂，主要因为它不仅消毒能力强，而且挥发快，无毒无刺激且无腐蚀性。常用浓度为75%，多用于手部皮肤消毒。此前我国国家标准GB 27363-2010《乙醇消毒剂卫生标准》 [1] 规定消毒剂的乙醇含量应在70%~80% (体积分数)之间。2020年12月1日发布实施的新版国家标准GB/T 27363-2020《醇类消毒剂卫生要求》 [2] 则规定乙醇消毒剂中乙醇含量应不低于60%(体积分数)或52%(质量分数)，且有效成分的±10%应符合标示量，这对生产企业以及实验室检测都提出了更高的要求。由于乙醇具有挥发性，在生产过程中很难准确把握添加的乙醇含量，实验室经常检测到含量在标准要求临界点或有效成分和标示值的偏差在临界点的。因而为保证检测结果质量，对乙醇含量的测定进行不确定度评定显得非常必要而且有意义。

2. 实验部分

2.1. 主要仪器与试剂

CP-3800气相色谱仪，配CTC顶空自动进样器，天美(中国)科学仪器有限公司。

乙醇(纯度大于99.9%)，CNW公司；试验用水为纯水。

2.2. 测试方法

用移液管准确移取1.00 mL试样，置于100 mL容量瓶中，用纯水溶解并定容至刻度，摇匀后待气相色谱分析，采用外标–校正曲线法进行定量测定。

2.3. 数学模型

乙醇含量按式(1)进行计算：

$\phi ={\phi }_1\times f$ (1)

式中：φ：样品中乙醇的体积分数，%；

φ₁：根据体积分数标准工作曲线计算出的试样溶液中乙醇的体积分数，%；

f：样品稀释倍数。

3. 不确定度来源

3.1. 样品加标回收率Rec引入的不确定度

为保证检测结果的准确性，测试过程中会随同样品一起，在样品中添加乙醇标准溶液计算加标回收率，连续多次的加标回收率能很好地反应出测试过程的整体偏倚，并引入不确定度分量。

3.2. 样品稀释倍数f引入的不确定度

在测试过程中，准确移取1.00 mL至100 mL容量瓶中，并定容至刻度，相当于稀释了100倍。根据JJG 196-2006《常用玻璃量具检定规程》 [3] 规定，所用到1 mL刻度吸管和100 mL容量瓶本身的允差会在测试过程中引入不确定度分量。

3.3. 样品分析得到的乙醇体积分数φ₁引入的相对标准不确定度

样品分析得到的乙醇体积分数φ₁是根据乙醇标准工作曲线计算而得，乙醇标准储备液的配制、标准工作溶液的稀释以及标准曲线拟合都会引入相应的不确定分量。

4. 不确定度的评定

4.1. 样品加标回收率引入的相对标准不确定度u_rel(Rec)

按照测试方法对乙醇消毒剂样品进行6次加标回收率试验，所得6次回收率分别为104%、107%、104%、99.8%、98.5%、94.3%，6次加标的平均回收率为101%，标准偏差为4.59%，则 $u_{\left(Rec\right)}=0.0\text{459}/\sqrt{6}=0.0\text{188}$，u_rel(Rec) = 0.0188/1.01 = 0.0186。

4.2. 样品检测过程中其稀释倍数f引入的相对标准不确定度u_rel(f)

查得移取样品用1 mL刻度吸管的最大允许误差为0.015 mL，按照均匀分布考虑，刻度吸管引入的标准不确定度为：

$u_{\left(v1\right)}=\frac{0.015}{\sqrt{3}}=0.00\text{866}\text{mL}$，其相对标准不确定度 $u_{rel\left(v1\right)}=\frac{u_{\left(v1\right)}}{V}=0.00\text{866}$。

查得定容用100 mL容量瓶的最大允许误差为±0.20 mL，按照均匀分布考虑，容量瓶引入的标准不确定度为： $u_{\left(v2\right)}=\frac{0.20}{\sqrt{3}}=0.116\text{mL}$，其相对标准不确定度 $u_{rel\left(v2\right)}=\frac{u_{\left(v2\right)}}{V}=0.00\text{116}$。

因此，由样品稀释倍数f引入的相对标准不确定度 $u_{rel\left(f\right)}=\sqrt{u_{rel\left(v1\right)}^2+u_{rel\left(v2\right)}^2}=0.00874$。

4.3. 样品分析得到的乙醇体积分数φ₁引入的相对标准不确定度u_rel(φ₁₎

1) 乙醇标准品引入的相对标准不确定度u_rel(p)

乙醇标准品的浓度为99.9%，从标准物质证书上查得其相对扩展标准不确定度±0.3%，标准品引入的相对标准不确定度为：

$u_{rel\left(p\right)}=\frac{0.3\%}{2}=0.0015$

2) 配制标准溶液中稀释标准品引入的相对标准不确度u_rel(c)

分别移取0.10 mL、0.20 mL、0.30 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL的乙醇标准品(99.9%)至100 mL容量瓶中，用水溶解并定容至刻度。得到乙醇溶液的浓度分别为0.1%、0.2%、0.3%、0.5%、1.0%、2.0%的标准工作液。以峰面积–浓度作图，得到标准曲线回归方程。标准工作液稀释过程中共用到0.1 mL刻度吸管1次，0.2 mL刻度吸管1次，0.5 mL刻度吸管2次，1 mL刻度吸管1次，2 mL刻度吸管1次，100 mL容量瓶6次。

这一系列玻璃吸管及容量瓶等，均有相应的最大允许误差，按均匀分布考虑 $k=\sqrt{3}$，分别计算标准不确定度 [3]，计算方法同3.2，不同类型的玻璃量器引入的标准不确定度详见表1。

Table 1. Standard uncertainty introduced by glass gauge

表1. 玻璃量器引入的相对标准不确定度

可得由玻璃量器引入的总体相对标准不确定度为：

$u_{rel\left(c\right)}=\sqrt{6u_{100}^2+u_1^2+u_2^2+2u_{0.5}^2+u_{0.1}^2+u_{0.2}^2}=0.0311$

3) 校准准曲线拟合引入的相对标准不确定度u_{rel (curve)}。

标准工作液系列每个浓度点分别进样三次，对应浓度及峰面积详见表2：

Table 2. Concentration and peak area of standard working solution series

表2. 标准工作液系列浓度及其峰面积

根据校准曲线拟合引入的标准不确定度计算公式 [4]，详见式(2)和式(3)：

$u_{\left(curve\right)}=\frac{s}{b}\sqrt{\frac{1}{p}+\frac{1}{n}+\frac{{\left(c_p-\bar{c}\right)}^2}{{\displaystyle \sum {\left(c_i-\bar{c}\right)}^2}}}$ (2)

$s=\sqrt{\frac{{\displaystyle \underset{i=1}{\overset{n}{\sum }}{\left(y_i-b_0-b{c}_i\right)}^2}}{n-2}}$ (3)

式(2)、(3)中，s：标准溶液峰面积残差的标准偏差；

y_i：第i次标准溶液测量峰面积；

b₀：拟合直线(工作曲线)的截距；

b：拟合直线(工作曲线)的斜率；

c_i：绘制拟合直线的第i个标准溶液浓度；

n：拟合直线的数据对总数(几个 × 次数)。

P：样品平行测定次数；

c_p：样品测量平均值；

$\bar{c}$ 为绘制拟合直线输入值c_i (几个)的总平均值。

标准曲线线性回归方程为：y = 2000000x − 17469。样品测量结果平均值c_p = 0.782%，p = 2，n = 18， $\bar{c}$ = 0.683%，b = 2000000，b₀ = −17469，代入公式得到：u_(curve) = 0.000635。

故u_rel(curve) = 0.000635/0.782 = 0.000813。则乙醇体积分数φ₁引入的相对标准不确定度 $u_{rel\left(\phi 1\right)}=\sqrt{u_{rel\left(c\right)}^2+u_{rel\left(curve\right)}^2+u_{rel\left(p\right)}^2}=0.0312$。

5. 不确定度分量汇总表

综上，主要不确定度来源引入的相对标准不确定度分量详见表3：

Table 3. Summary of uncertainty components of ethanol content

表3. 乙醇含量不确定度分量汇总表

6. 合成不确定度

根据CNAS-GL006-2019 [4] 合成标准不确定度规则，测得合成标准不确定度为：

$u_{rel}=\sqrt{u_{rel\left(\phi 1\right)}^2+u_{rel\left(f\right)}^2+u_{rel\left(R_{ec}\right)}^2}=0.0374$

7. 扩展不确定度及结果完整表示

当样品中乙醇的含量为78.2%时，其标准不确定度为：78.2% × 0.0374 = 2.92%。在95%置信区间，取包含因子k = 2，其扩展不确定度为2.92% × 2 = 5.84%。检测结果的完整表示为：(78.2 ± 5.9)%，(k = 2)。

8. 结论

本文通过对乙醇消毒剂中乙醇含量(体积分数)测定结果的影响因素进行分析，量化了测定过程中的各个分量，并根据CNAS-GL006-2019合成标准不确定度简单规则评定了95%置信区间下的扩展不确定度，有助于增强乙醇含量结果判定的可靠性。