连续流动法测定烟草中总糖、还原糖、氯、钾含量的不确定度评定

许 永 李 超 杨乾栩 - 秦云华 - 蒋 薇 刘志华U - 吴亿勤 - 蒋次清 - 张承明 - 刘 巍U

(云南中烟工业有限责任公司技术中心，云南 昆明 650231)

烟草中的糖含量与烟叶品质有着密切的关系，而氯、钾则与烟草的燃吸性和吸湿性密切相关[1]。烟叶化学成分是评判烟叶品质的重要手段之一[2]。目前在烟草行业中，连续流动法被广泛用于烟草中总糖、还原糖、氯和钾含量的快速检测分析，该方法自动化程度较高。1993年，中国实验室国家认可委员会公布了《测量不确定度表示指南》[3]，自此，不确定度便作为衡量检测结果可信度的重要指标，陆续应用于化学计量学界，但烟草中对于总糖、还原糖、氯和钾含量测量不确定度的相关评定分析研究较少[4-8]。目前的研究大多是针对其中的某一种指标来做分析，并计算其扩展不确定度和相应的权重，鲜见有同一种检测方法同时分析多个指标的不确定度，对不确定度各分量的权重的成因则未见具体分析。为克服前人研究的缺陷，本试验对连续流动法同时测定烟叶样品中总糖、还原糖、氯和钾的检测过程进行了详细分析，筛选并明确每一个不确定度的影响因素，同时通过量化各不确定度的分量构成，最终综合提出该种方法的合成不确定度，以期为实验室检测工作的准确性和科学性提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 主要试剂与仪器

样品：任意抽检烟叶样品A，昆明卷烟厂配方库；

一水葡萄糖：纯度≥98%，国药集团化学试剂有限公司；

氯化钠：纯度≥99.5%，国药集团化学试剂有限公司；

硫酸钾：纯度≥99%，国药集团化学试剂有限公司；

其他试剂均为分析纯；

连续流动分析仪：AA3型，德国BRAN+LUEBBE公司；

电热鼓风干燥箱：DHG-9245A型，上海一恒科学仪器有限公司；

电子天平：CP224S型，感量0.000 1 g，德国Sartorius公司；

数字型可调瓶口分液器：50 mL，德国BRAND公司。

1.2 样品的处理与分析

精确称取0.250 0 g样品置于50 mL磨口三角瓶中，加入25 mL冰醋酸，封口后震荡萃取30 min。用定性滤纸过滤萃取液，弃去前5 mL滤液，收集其余滤液用于分析。按照YC/T31—1996《烟草及烟草制品试样的制备和水分测定 烘箱法》要求，严格进行水分测定，其中天平精度(0.001 g)、烘箱控温精度[(100±1) ℃]、水分测定值有效期(15 d)和两次平行测定结果绝对值总差(≤0.10%)都严格按标准执行。

依据YC/T 159—2002《烟草及烟草制品水溶性糖的测定 连续流动法》、 YC/T 162—2002《烟草及烟草制品氯的测定 连续流动法》、 YC/T 217—2007《烟草及烟草制品钾的测定 连续流动法》对样品进行检测。具体样品处理及检测步骤参见测量流程图，见图1。

图1 测量流程图Figure 1 Measurement flow chart

1.3 总糖、还原糖、氯、钾含量

按式(1)计算：

(1)

式中：

P——测定指标的含量，%；

V——萃取液体积，mL；

C——通过标准工作曲线计算得到的样品成分浓度，g/mL；

W——样品含水率，%；

m——样品质量，g。

2 结果与讨论

2.1 测量不确定度的评估

2.1.1 不确定度的来源识别 不确定度的来源根据来源因果图进行识别，见图2。

通过分析整个测量模型及每一步试验过程，明确总糖、还原糖、氯和钾测量的不确定度来源。

2.1.2 水分测量的不确定度u(W) 包括烘箱温度的不稳定性，含水率测量的重复性，以及分析天平的称量误差。

2.1.3 样品称量的不确定度u(m) 试验主要通过分析天平进行样品称量，采用的方法为减量法。由于样品的称量量较小，可忽略空气浮力，样品用量虽小但仍在天平的线性范围内，因此样品称量的不确定度主要是由天平的最大允差造成。

2.1.4 萃取液体积的不确定度u(V) 主要由瓶口分液器刻度和人为读数误差造成。试验过程中，试剂瓶和容量瓶中的萃取液所处的环境温度差异较小，因此，可以忽略溶剂温度变化引入的不确定度，具体包括对体积的影响、非水溶液热膨胀系数差异等。

图2 不确定度来源的因果图Figure 2 The causal diagram of the source of uncertainty

2.1.5 测量样品中总糖、还原糖、氯和钾浓度的不确定度u(C) 主要来源为标准工作溶液的配制、标准物质定值和非线性工作曲线效应带来的误差。

2.1.6 试验重复性测量的不确定度u(R) 每次外界内部条件不同引入的不确定度。

2.2 测量不确定度分量的量化

2.2.1 样品水分测量的不确定度u(W)评定 烟草样品含水率测量的不确定度来源主要有：含水率测量的重复性u(W1)，烘箱温度变化u(W2)和天平称量不准u(W3)。

(1)u(W1)评定：假设样品瓶内样品含水率是均匀的，同一天内同一样品的6次试验数据，含水率分别为8.96%，8.89%，8.96%，8.92%，8.87%，8.88%，采用标准偏差计算含水率的重复性。

水分单次试验的标准偏差为0.040%，平均值标准偏差为：

(2)u(W2)评定：在烘箱温度[(100±1) ℃]条件下，采用同一样品进行2次水分测定，每次6个平行样，数据见表1。假定烘箱温度为均匀分布，可得温度对含水率测量影响分量：

(3)u(W3)评定：含水率W按式(2)计算：

(2)

式中：

W——含水率，%；

m0——称量皿质量，g；

m1——烘前(称量皿+样品)质量，g；

m2——烘后(称量皿+样品)质量，g。

用同一分析天平进行称量，假定均匀分布(计算相对不确定度时，采用重复性试验中数据，m0为16.425 7 g，m1为19.430 6 g，m2为19.161 4 g)，具体计算过程见表2。

表1 不同温度样品水分含量

表2 u(W3)的计算过程

(4) 合并不确定度：

2.2.3 萃取液体积的不确定度u(V)评定 使用数字型可调瓶口分液器移取萃取液。事先采用衡量法对瓶口分液器进行容量检定，共做10次测定，其单次试验的标准偏差为0.080 mL，平均值标准偏差为：

2.2.4 测量烟样中总糖、还原糖、氯和钾浓度的不确定度u(C)评定

(1) 由标准物质纯度引起的标准溶液定值不确定度u(C0)：以生产商提供的信息作为根据，一水葡萄糖纯度为98%～100%，扩展不确定度近似为1.0%，按均匀分布计算，其中覆盖因子k=3，则糖的相对标准不确定度为：

氯化钠纯度为99.5%～100%，扩展不确定度近似为0.25%，按均匀分布计算，其中覆盖因子k=3，则氯的相对标准不确定度为：

硫酸钾纯度为99%～100%，扩展不确定度近似为0.50%，按均匀分布计算，其中覆盖因子k=3，则钾的相对标准不确定度为：

(2) 标准溶液配制引入的标准不确定度u(C1)：称取一水葡萄糖(ρ1)11 g(m1)，氯化钠(ρ2)0.549 8 g(m2)，硫酸钾(ρ3)2.234 0 g(m3)，用水稀释至100 mL，得到储备液。逐级稀释储备液配制得标准工作溶液，见表3。建立标准曲线的过程中，各影响量的不确定度包含在拟合工作曲线的不确定度中，此处不进行单独计算。

由标准物质称量引起的相对标准不确定度ur(m)：万分

表3 标准系列溶液配制表

将上述各值代入，计算由标准工作液引入的合成相对标准不确定度为：

ur(C1)氯=0.059%；ur(C1)钾= 0.058%。

(3) 工作曲线拟合的不确定度u(C2)：5个浓度(每个浓度测定3次)的标准工作液由标准物质配制，应用最小二乘法拟合工作曲线，得到回归方程：

Hj=bCi+a，

(3)

式中：

Hj——第i个标准工作溶液的第j次测定峰高；

b——工作曲线的斜率；

Ci——第i个标准工作溶液的浓度，%；

a——工作曲线的截距。

根据表4、5，得到总糖回归方程为：Hj=1 438.0Ci+3 366.3。

误差公式：vi=Hj-(bCi+a)，式中vi为残差。根据总糖回归方程，可以计算得到理论峰高值与相应的实测峰高值之差，基于Bessel方程，其标准化残差S为：

表4 总糖标准工作曲线的峰高测定值

(4)

式中：

Hj——第i个标准工作溶液的第j次测定峰高；

b——回归方程的斜率；

a——工作曲线的截距；

P——样品检测次数；

n——标准工作溶液检测次数；

C——样品溶液的浓度，%；

i——第i个浓度的标准工作溶液；

j——获得标准工作曲线的检测次数。

考虑日常检测平行样，测试的次数取2次。在计算中，借用重复性测定的数据，试样溶液双样总糖平均值C=18.32%。

同理得浓度为C的还原糖的标准不确定度：

(4) 合并相对标准不确定度：

ur(C)还原糖=1.17%；ur(C)氯=0.78%；ur(C)钾=1.12%。

2.2.5 试验重复性引起的不确定度u(R)评定 采用同一样品，进行6次完整的重复测定，包括称量样品、样品前处理和分析检测的整个过程，数据见表6。

表6 样品6次测定结果

2.3 计算合成不确定度u(P)

各指标合成相对标准不确定度分别为：

ur(P)总糖=

同理得ur(P)还原糖=1.29%、ur(P)氯=1.16%、ur(P)钾=1.36%。

根据公式u(P)=P×ur(P)计算各项目的合成不确定度，结果见表7。

表7 各项目合成不确定度

2.4 扩展不确定度分析U(P)及报告

2.4.1 扩展不确定度计算 按正态分布，取95%置信区间，k=2，根据公式U(P)=k×u(P)，既得各项目测定结果的扩展不确定度，结果见表8。

2.4.2 测量结果不确定度的表达 按各项目标准进行检测，样品中总糖、还原糖、氯、钾含量测定结果不确定度的表达见表9。

表8 各项目的扩展不确定度

表9 各项目测定结果不确定度的表达

3 结论

采用连续流动法测定烟草中的总糖、还原糖、氯、钾，分别考虑了水分测定、萃取、过滤、仪器设备以及测定等环节所引入的不确定度分量对测定结果的影响。其测定结果的扩展不确定度分别为0.44%，0.40%，0.02%，0.06%，观察评定结果，从不同参数的分量大小可以发现，检测样品中总糖、还原糖、氯和钾的浓度引入了最大的不确定度。横向对比3种待测指标可知，总糖的扩展不确定度最大，还原糖次之，氯最小。这可能与4种物质在烟草中的含量有关，根据4种物质在烟草中的含量均值大小顺序：总糖(18.32%)>还原糖(15.83%)>钾(2.45%)>氯(0.81%)。说明4种指标不确定度大小与其在烟草中的含量呈正比。而最具权重的分量是拟合工作曲线带来的不确定度。因此，为确保检测数据可靠准确，在标准工作溶液检测前，对相关标准溶液的配制和标准曲线制作应严格按规定进行。

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