Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Эфиры o-фталевой кислоты, методы их определения и концентрирования (обзор литературы) .14
1.1. Распространение и источники поступления эфиров о-фталевой кислоты 14
1.2. Физико-химические свойства диалкил-о-фталатов и воздействие на человека 15
1.3. Методы определения диалкил-о-фталатов
1.3.1. Газовая хроматография .17
1.3.2. Жидкостная хроматография .18
1.3.3. Способы детектирования при определении диалкил-о-фталатов методом хроматографии 1.3.3.1. Масс-спектрометрический детектор 19
1.3.3.2. Другие способы детектирования 20
1.3.4. Иммунохимический и полярографический методы определения диалкил-о-фталатов 21
1.4. Факторы, ограничивающие определение эфиров о-фталевой кислоты .21
1.5. Основные понятия теории микроэкстракционного концентрирования 22
1.6. Методы экстракционного концентрирования о-фталатов из воды
1.6.1. Твердофазная макро- и микроэкстракция 26
1.6.2. Жидкофазная макро- и микроэкстракция .28
ГЛАВА 2. Экспериментальная база хромато-масс-спектрометрического определения диалкил-о-фталатов с микроэкстракционным концентрированием .35
2.1. Используемые реактивы .35
2.2. Используемое оборудование и материалы 35
2.3. Методика эксперимента
2.3.1. Условия хромато-масс-спектрометрического определения 36
2.3.2. Приготовление образцов сравнения, содержащих диалкил-о-фталаты .37
2.3.3. Исследование возможных источников систематических погрешностей при определении о-фталатов .38
2.3.4. Микроэкстракционное концентрирование о-фталатов из воды .40
ГЛАВА 3. Разработка и оптимизация микроэкстракционного концентрирования. снижение пределов обнаружения .42
3.1. Влияние экспериментальных параметров на пределы хромато-масс спектрометрического обнаружения эфиров о-фталевой кислоты 42
3.1.1. Влияние объема вводимой пробы на предел обнаружения .43
3.1.2. Влияние толщины пленки неподвижной жидкой фазы на эффективность хроматографической колонки 46
3.2. Микроэкстракционное концентрирование о-фталатов из воды 49
3.2.1. Выбор экстрагента .49
3.2.2. Выбор формы емкости для микроэкстракции 49
3.2.3. Выбор частоты генератора ультразвукового облучения .50
3.2.4. Продолжительность микроэкстракционного извлечения примесей 50
3.2.5. Влияние объема экстрагента на степень извлечения .51
3.2.6. Влияние скорости вращения ротора центрифуги 52
3.2.7. Влияние времени центрифугирования 53
3.2.8. Влияние ионной силы 53
3.2.9. Влияние содержания поверхностно-активных веществ в воде 54
3.2.10. Исследование материального баланса экстрагента в экстракционной
системе .55
3.2.11. Аналитические характеристики методики хромато-масс спектрометрического определения с жидкофазным микроэкстракционным концентрированием 55
ГЛАВА 4. Исследование источников возможных систематических погрешностей 59
4.1. Исследование чистоты растворителей 59
4.2. Исследование поступления из хроматографических септ .63
4.3. Исследование поступления из вспомогательных материалов и посуды 68
4.4. Исследование гидролитической устойчивости диалкил-о-фталатов 69
ГЛАВА 5. Анализ реальных водных образцов. метрологическое обеспечение анализа 72
5.1. Отбор проб 72
5.2. Идентификация примесей диалкил-о-фталатов 72
5.3. Результаты анализа реальных водных образцов .72
5.4. Расчет неопределенности результатов определения о-фталатов
5.4.1. Понятие неопределенности 76
5.4.2. Неопределенность и погрешность 77
5.4.3. Описание измеряемой величины 79
5.4.4. Выявление источников неопределенности 80
5.4.5. Количественное описание составляющих неопределенности 81
5.4.6. Расчет суммарной стандартной неопределенности и расширенной неопределенности 90
5.5. Подтверждение достоверности результатов анализа 92
5.5.1. Метод добавок 93
5.5.2. Метод варьирования объема пробы .93
5.6. Сравнение с результатами других работ 95
Результаты и выводы 99
Список литературы
- Способы детектирования при определении диалкил-о-фталатов методом хроматографии
- Условия хромато-масс-спектрометрического определения
- Влияние толщины пленки неподвижной жидкой фазы на эффективность хроматографической колонки
- Расчет неопределенности результатов определения о-фталатов
Введение к работе
Актуальность темы исследования и степень ее разработанности. Эфиры о-фталевой
кислоты (диалкил-о-фталаты) являются основными пластификаторами полимеров. Они способны диффундировать из полимеров в окружающую среду (воду, воздух и т. д.). Диалкил-о-фталаты опасны для здоровья человека даже в микроколичествах, их содержание в питьевой воде нормируется на уровне 0.008 – 3 мг/л. В связи с этим разработка высокочувствительных методик определения эфиров о-фталевой кислоты в воде является весьма актуальной. Для определения о-фталатов чаще всего используют метод газовой хроматографии с масс-спектрометрическим детектированием, но даже в этом случае необходимо осуществлять предварительное концентрирование примесей. Наименьшие пределы газохроматографического обнаружения достигнуты с твердофазным и жидкофазным микроэкстракционным концентрированием. Несмотря на высокие потенциальные возможности твердофазной экстракции, ее проблемами являются: дороговизна и недолговечность микросорбентов, эффект «памяти» микросорбентов, длительность достижения равновесного концентрирования.
В опубликованных работах по применению обоих методов концентрирования побочные факторы, осложняющие определение эфиров о-фталевой кислоты, практически не изучены. Завышенные результаты определения о-фталатов весьма вероятны, так как эти соединения широко распространены в окружающей среде и могут поступать в анализируемый образец даже из лабораторного воздуха [1].
Во многих исследованиях по микроэкстракционному концентрированию о-фталатов в качестве экстрагента использованы хлорсодержащие растворители, которые весьма токсичны. Это связано с трудностями отбора «легкого» экстракта на анализ, из-за того, что он растекается по поверхности водного раствора слоем микронной толщины.
Целью настоящего исследования была разработка методики низкофонового
высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения эфиров о-фталевой кислоты в воде с жидкофазным микроэкстракционным концентрированием примесей и введением в хроматографическую колонку больших объемов экстракта.
Для этого необходимо было решить следующие задачи:
-
Разработать методику высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения эфиров о-фталевой кислоты в воде с микроэкстракционным концентрированием;
-
Разработать высокоэффективное микроэкстракционное концентрирование эфиров о-фталевой кислоты из воды эмульгированным экстрагентом с плотностью, меньшей, чем у воды;
-
Установить источники формирования систематических погрешностей при определении эфиров о-фталевой кислоты в воде, предложить способы устранения или учета этих систематических погрешностей;
-
Провести анализ образцов воды различного происхождения;
-
Рассчитать расширенную неопределенность результатов определения диалкил-о-фталатов в воде. Подтвердить надежность разработанной методики определения.
Научная новизна. Впервые в России разработана методика высокочувствительного хромато-масс-спектрометрического определения диметилфталата, диэтилфталата, дибутилфталата, ди-(2-этилгексил)фталата и динонилфталата в воде с микроэкстракционным концентрированием экстрагентом, эмульгированным ультразвуком. Достигнутые пределы обнаружения находятся в интервале 310-6–110-5 мг/л и не уступают лучшим мировым результатам. Установлены и исследованы источники систематических погрешностей определения диалкил-о-фталатов: хроматографические септы, растворители, гидролиз диалкил-о-фталатов, лабораторная посуда; предложены способы учета и устранения влияния этих источников.
Теоретическая и практическая значимость. Показана большая информативность степени извлечения как показателя эффективности микроэкстракционного концентрирования по сравнению с коэффициентом концентрирования. Проведен расчет неопределенности результатов определения эфиров о-фталевой кислоты. Впервые в отечественной практике проведено определение диалкил-о-фталатов в воде различного происхождения (в том числе бутилированной питьевой воде отечественного и зарубежного производства). Разработанная методика определения эфиров о-фталевой кислоты характеризуется пределами обнаружения значительно меньшими предельно допустимых концентраций (ПДК). Это позволяет устанавливать источники загрязнения воды и контролировать развитие экологической ситуации задолго до наступления критического состояния. Работа выполнена в рамках гранта РФФИ 11-03-00524-а «Разработка высокоэффективного жидкофазного микроэкстракционного концентрирования примесей наноэмульгированным экстрагентом» и гранта Нижегородской области в сфере науки, технологий и техники «Разработка высокочувствительного определения пластификаторов полимеров в бутилированной воде, алкогольных и безалкогольных напитках».
Методология и методы исследования. В качестве метода исследования применяли хромато-масс-спектрометрию. Руководствовались концепциями пробоотбора и метрологии.
Положения, выносимые на защиту:
-
Оптимальные условия осуществления эффективного микроэкстракционного концентрирования примесей диалкил-о-фталатов из воды;
-
Результаты исследования источников возможных систематических погрешностей при определении эфиров о-фталевой кислоты, способы их устранения или учета;
-
Методика хромато-масс-спектрометрического определения эфиров о-фталевой кислоты в воде с предварительным жидкофазным микроэкстракционным концентрированием с пределами обнаружения на уровне 310-6 – 110-5 мг/л;
-
Результаты анализа образцов воды различного происхождения;
-
Расчет неопределенности результатов определения эфиров о-фталевой кислоты.
Степень достоверности и апробация результатов.
Достоверность результатов обеспечивалась применением современного оборудования и
использованием веществ известной чистоты. Исследованы и устранены источники возможных
детерминированных систематических погрешностей определения диалкил-о-фталатов. Проведен
расчет расширенной неопределенности результатов определения диалкил-о-фталатов.
Подтверждение достоверности газохроматографического определения токсикантов проведено с использованием методов добавок и варьирования объема пробы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях различного уровня, в том числе на международных: IV Международный интернет-симпозиум по сорбции и экстракции (Владивосток, 2012); 4th International Conference of Young scientists: Chemistry today (Yerevan, 2014); «Analytica Acta» (Beijing, 2014); на всероссийских: III и IV Всероссийский симпозиум «Разделение и концентрирование в аналитической химии» (Краснодар 2011, 2014); «Менделеев-2012», Всероссийская конференция молодых ученых, аспирантов и студентов с международным участием (Санкт-Петербург, 2012); «Методы анализа и контроля качества воды» (Москва, 2012); IX научная конференция «Аналитика Сибири и Дальнего Востока» (Красноярск, 2012); II Всероссийская конференция «Аналитическая хроматография и капиллярный электрофорез» (Краснодар, 2013); Второй съезд аналитиков России (Москва, 2013); II Всероссийский симпозиум «Кинетика и динамика обменных процессов» (Краснодар, 2013); IX Всероссийская конференция по анализу объектов окружающей среды «Экоаналитика-2014» (Светлогорск, 2014), а также на региональных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, результатов и выводов, списка цитируемой литературы (144 наименования) и приложения. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 17 таблиц и 3 приложения.
Способы детектирования при определении диалкил-о-фталатов методом хроматографии
Эфиры о-фталевой кислоты – бесцветные вязкие жидкости, практически без запаха. Имеют высокие температуры кипения и низкое давление насыщенного пара при комнатной температуре. Растворимость в воде слабая и уменьшается с увеличением молекулярной массы о-фталата. В Приложениях 2 и 3 приведены основные физико-химические характеристики наиболее распространенных эфиров о-фталевой кислоты, их структурные формулы и некоторые другие сведения [11, 35-40].
Для о-фталатов характерны химические свойства сложных эфиров. Они медленно гидролизуются под действием влаги с образованием моноэфира и спирта (на первой стадии), а затем – фталевого ангидрида и спирта [41]; реакция ускоряется основаниями и кислотами.
В обычных условиях диалкил-о-фталаты устойчивы к действию кислорода воздуха, однако при повышенных температурах возможны термоокислительные процессы, приводящие к деструкции о-фталатов. Радиационная стойкость о-фталатов зависит от их химического состава. Так, стойкость к -излучению уменьшается в ряду: ДМФ ДЭФ ДБФ ДОФ. Диалкил-о-фталаты устойчивы к действию микроорганизмов.
Хроматография – доминирующий метод для определения о-фталатов. В меньшей степени используют иммуноферментный метод и полярографию.
В 80 % работ по определению эфиров о-фталевой кислоты применяют ГХ. Это связано с тем, что диалкил-о-фталаты – стабильные вещества и могут быть переведены в газовую фазу. Метод ГХ обладает высокой чувствительностью и разделяющей способностью, позволяя разделить даже изомерные о-фталаты, такие как ДОФ и ДЭГФ [35]. о-Фталаты относятся к слабополярным соединениям, для их разделения чаще всего используют капиллярные колонки со слабополярной неподвижной фазой на основе полисилоксана с 5% фенильных и 95% метильных радикалов, например, DB-5ms, HP-5ms, ZB-5ms и другие. Эта неподвижная фаза характеризуется высокой разделяющей способностью, химической и термической стойкостью, коммерчески она также доступна. При использовании полярных неподвижных фаз типа HP-FFAP «тяжелые» фталаты не успевают элюироваться за приемлемое время, накапливаются в колонке и выходят из нее в виде «размытых» пиков, осложняющих определение более летучих соединений [42]. Поэтому эти фазы не нашли широкого применения. В испаритель хроматографа проба вводится обычно без деления потока газа-носителя, температура испарителя составляет при этом 250–290 С. Начальная температура колонки находится на уровне 40–80 С (чаще всего – 60С) и поддерживается несколько минут, затем постепенно повышается в режиме деления потока газа-носителя до 240–300 С, конечная температура поддерживается несколько минут. В качестве газа-носителя обычно используют гелий чистотой не хуже 99.995%, реже – азот. Обычно вводимые в хроматографическую колонку пробы не превышают 1 мкл [43]. Большие объемы пробы (до 300 мкл) с целью повышения чувствительности анализа вводили при использовании испарителя с программированием температуры [44-47]. При этом с применением твердофазной экстракции пределы обнаружения аналитов понижены до 210-7мг/л [47]. В случае изотермического испарителя достигнутые пределы обнаружения находятся на уровне 10-3–10-4 мг/л.
ЖХ реже применяется при определении о-фталатов. Это менее чувствительный метод, но он позволяет анализировать экстракты из сложных матриц и вводить в хроматограф пробы больших объемов (5–100 мкл) без ухудшения эффективности колонки. Во всех случаях это обращенно-фазовая хроматография, в качестве элюентов в основном применяют смесь метанол–вода (80 и 20 % об. соответственно), реже – ацетонитрил–вода. Анализ проводят обычно при комнатной температуре, иногда при 30–40С. Используемые неподвижные фазы – силикагели с привитыми группами С8, С18. Колонки с этими неподвижными фазами характеризуются высокой химической стабильностью и воспроизводимостью разделения
Масс-спектрометрический детектор Масс-спектрометрический детектор в настоящее время является наиболее используемым, благодаря высокой чувствительности (абсолютный предел обнаружения 10-12 г) и универсальной селективности [48]. Он применяется как в ГХ, так и ВЭЖХ. Высокие возможности ХМС обусловлены сочетанием разделительной способности капиллярной ГХ и идентификации определяемых соединений по фундаментальным масс-спектрам [49-51]. Сочетание хроматографии с другими детекторами характеризуется меньшей надежностью, так как идентификация соединений осуществляется по временам удерживания, а в случае ХМС – по масс-спектрам. При определении диалкил-о-фталатов чаще всего используется ионизация электронами с энергией 70 эВ. В Таблице 2 приведены массовые числа основных ионов, образующихся при ионизации молекул о-фталатов.
Условия хромато-масс-спектрометрического определения
В качестве индивидуальных примесных веществ использовали ДМФ ГОСТ 9657-67, ДЭФ ТУ 6-09-3663-74, ДБФ ГОСТ 2102-78, ДЭГФ ГОСТ 8728-88, ДНФ ТУ 6-09-2800-78. н-Октан ТУ 6-09-3748-74 использован как экстрагент. Для приготовления образцов сравнения использовали этанол ГОСТ 1830087, очищенный ректификацией [105]. Этот же этанол применяли в качестве диспергента при микроэкстракции с эмульгированием третьим компонентом. Для исследования возможностей высаливания использовали хлорид натрия ч.д.а. ГОСТ 4233-77. Для исследования влияния ПАВ на микроэкстракцию примесей использовали неионогенные Triton X-100 и Tween 80.
Для экстракции о-фталатов из хроматографических септ и других полимерных материалов использовали четыреххлористый углерод oc. ч. 18-4 ТУ 6-09-3219. В качестве объектов анализа использовали толуол х.ч. ТУ 2631-020-44493179-98, ацетонитрил ч. ТУ 6-09-6448-69, этанол технический ГОСТ 1830087, этанол пищевой ГОСТ 51652-2000, метанол х.ч. ТУ 6-09-1709-77, изооктан эталонный ГОСТ 12433-83, н-октан х.ч. МРТУ 6-09-3748-74, гексан «Криохром» сорт
Для хроматографического определения примесей применяли хромато-масс-спектрометры Finnigan Focus DSQ II и Agilent 6890/MSD 5973N с квадрупольными масс-анализаторами. Разделение веществ осуществляли в кварцевых капиллярных колонках: TR-5ms 30 м 0.25 мм 0.25 мкм и DB-5ms 30 м 0.25 мм 0.10 мкм, содержащие полисилоксан с 5% фенильных и 95% метильных групп. Использованные хромато-масс-спектрометры состоят из газового хроматографа, ионного источника электронного удара, квадрупольного масс-анализатора, электронного умножителя непрерывного динодного типа и системы управления и обработки данных [51]. Ионизация примесей происходила ускоренными электронами с энергией 70 эВ [106, 107].
Массу веществ контролировали на аналитических весах Shimadzu aux 220 (точность 0.0001 г). В работе также использовались: ультразвуковая ванна GY 3560; центрифуга CLN-2 (MRTU 42-1742-63 N2509); хроматографические септы: отечественная септа ТУ 381-005-1165-92, Agilent 5080-8894, Agilent 5183-4759-S, Agilent BTO 5183-4757-S, SGE AUTO-SEP Pkt.25 BATCH CO-01, Thermo-Finnigan 31303211, Thermo-Finnigan 313G3211-1, Agilent High Pressure Merlin Microseal септа: виалы Agilent 5182-0714; стеклянные ампулы емкостью 5 мл с притертыми стеклянными пробками; микрошприцы HAMILTON 701-N емкостью 10 мкл и МШ-1 емкостью 1 мкл; стеклянный шприц на 5 мл; установка для рэлеевской дистилляции [108]; краны из стекла и фторопласта-4, полисилоксановые уплотнения для крышки виалы Agilent 5182-0714, полиэтиленовые крышки для бутылей; виалы Agilent 5182-0714; центрифужные стеклянные ампулы емкостью 3 мл для микроэкстракционного концентрирования с припаянным капилляром; стеклянные бюксы емкостью 5 мл с притертыми стеклянными пробками; мерные цилиндры; химические стаканы; стеклянные ампулы; нагревающий термостат ALPHA LAUDA A 6.
Хроматографическое разделение проводили в кварцевых капиллярных колонках с разной толщиной неподвижной фазы – 0.1 мкм и 0.25 мкм. В качестве газа-носителя использовали гелий 60 (ТУ 0271-011-45905715-02). Поток газа носителя через колонку составлял 1 млмин-1, деление потока – 1:10. При анализе использовали метод термофокусирования, который заключается в концентрировании примесей на начальном участке капиллярной колонки с последующей термодесорбцией [107]. Пробу вводили в режиме без деления потока газа-носителя. Начальная температура колонки составляла 50С. Эта температура поддерживалась 1 мин. За это время вся проба поступала из испарителя в колонку, труднолетучие аналиты концентрировались на начальном участке колонки, а зона растворителя двигалась далее по колонке и не осложняла определение менее летучих веществ. После этого температура колонки программировалась со скоростью 40С/мин до 120С, а затем со скоростью 50С/мин до 280С (10 мин). При повышении температуры происходило хроматографическое разделение сконцентрированных на начальном участке колонки диалкил-о-фталатов. Температура интерфейса хроматограф-масс-спектрометр составляла 300С. Сканирование спектра начиналось с 4.5 минуты после начала анализа – за это время основной компонент – н-октан выходил из колонки. До этого момента для предотвращения выхода катода из строя питание его отключали. Объем вводимой пробы варьировался в интервале 1–10 мкл.
Влияние толщины пленки неподвижной жидкой фазы на эффективность хроматографической колонки
н-Октан удовлетворяет требованиям к экстрагентам для жидкостной микроэкстракции. Он весьма мало растворим в воде (0.66 мг/л) [37] и относительно слабо летуч (Ткип = 125.7С). Кроме этого, н-октан не затрудняет хромато-масс-спектрометрическое определение о-фталатов и не является токсичным соединением. Степень чистоты н-октана после дополнительной очистки рэлеевской дистилляцией достаточна для использования его как экстрагента.
В работе использовали капиллярный сбор экстракта. Его осуществляли с помощью центрифужной пробирки с капиллярным сужением. Преимущества этого способа в том, что облегчается отбор экстракта и уменьшаются его потери за счет испарения. Нами исследованы два вида пробирок с капиллярным сужением, схематически они изображены на Рисунке 14. Экспериментально показано, что более удобна пробирка Б с заостренной в виде конуса верхней частью. На сферической верхней части ампулы А при центрифугировании задерживается («прилипает») часть экстракта, в результате чего в капилляре собирается не весь его объем, «потери» экстракта возрастают с уменьшением используемого объема и могут достигать 20–30%. Эти потери не устранялись даже при увеличении скорости вращения ротора центрифуги до 9000 об/мин. Рисунок 14. Центрифужные пробирки для микроэкстракции «легкими» экстрагентами.
Согласно [103] 42 кГц – частота ультразвукового излучения, при которой не происходит нежелательных химических реакций между водой, экстрагентом и примесями, поэтому для эмульгирования экстрагента применяли ультразвуковую ванну с частотой излучения именно 42 кГц.
Влияние времени ультразвукового облучения на степень извлечения о-фталатов из воды исследовали в интервале от 20 сек до 10 мин, с использованием объема экстрагента, равного 2 мкл. Зависимость полноты извлечения от времени ультразвукового облучения показана на Рисунке 17. Равновесное значение степени извлечения было достигнуто через 3 минуты. Результаты находятся в согласии с литературными данными, полученными при определении о-фталатов в воде [59]. Использование объема экстрагента, равного 2 мкл, не позволило получить высокие степени извлечения для ДМФ и ДЭФ, поэтому в дальнейших исследованиях объем экстрагента был увеличен.
Исследовано влияние объема н-октана на степень извлечения диалкил-о-фталатов в интервале 2 – 10 мкл. Из Рисунка 16 видно, что степень извлечения ДМФ, ДЭФ и ДБФ возросла и при объеме н-октана 10 мкл увеличилась в 2.4, 1.7 и 1.2 раза, соответственно. Поэтому в дальнейших исследованиях по концентрированию примесей объем н-октана составлял 10 мкл. Время достижения равновесного концентрирования при всех использованных объемах н-октана не изменилось и находилось на уровне 3 мин. Рисунок 16. Зависимость степени извлечения пяти диалкил-о-фталатов от объема н-октана.
Как следует из монографии [117], коэффициент разделения частиц при центрифугировании пропорционален квадрату скорости вращения ротора центрифуги: F =КГУ П2) S где Fr - коэффициент разделения, rt - скорость вращения; гл - внутренний радиус ротора центрифуги; g - ускорение свободного падения. Поэтому скорость вращения ротора центрифуги устанавливали максимально возможной, при которой не происходило растрескивание центрифужной ампулы. Исследование показало, что при скорости более 6000 об/мин донная часть центрифужных ампул часто лопалась, а стеклянный капилляр отламывался. По этой причине скорость 6000 об/мин была выбрана как оптимальная.
Расчет неопределенности результатов определения о-фталатов
Согласно «Международному словарю основных и общих терминов в области метрологии» [131], неопределенность – это параметр, связанный с результатом измерения и характеризующий разброс значений, которые с достаточным основанием могут быть приписаны измеряемой величине [132–144]. Употребление термина неопределенность связано с общей концепцией сомнения. Знание неопределенности предполагает увеличение степени достоверности результата измерения. Надежность определения связана с так называемой прослеживаемостью. Прослеживаемость означает, что результат измерения получен через цепь сравнения размера измеряемой величины с размером единицы, воспроизведенной эталоном данной величины (образцом сравнения) с расчетом всех неопределенностей этой связи.
На практике неопределенность результата измерения может возникать вследствие влияния многих возможных источников, включая, например, такие как пробоотбор, эффекты матрицы, условия окружающей среды, погрешности средств измерений массы и объема, неопределенности значений эталонов, приближения и допущения, являющиеся частью метода и процедуры измерений, а также случайные колебания. Неопределенность измерения включает в себя множество составляющих. Те составляющие, которые могут быть оценены на основании статистического распределения измерений и охарактеризованы своими стандартными отклонениями, относят к составляющим неопределенности типа А. Составляющие, которые оценивают на основании предполагаемых распределений вероятностей и взятые из нормативных документов и справочников, данных предшествовавших измерений, данных о поверке и калибровке используемых приборов или иной информации и также выражаемые в виде стандартного отклонения, относят к составляющим неопределенности типа В.
При оценке суммарной неопределенности может оказаться необходимым рассмотрение каждого источника неопределенности по отдельности, чтобы установить вклад именно этого источника. Каждый из отдельных вкладов рассматривается тогда как составляющая неопределенности. Если составляющая неопределенности выражена в виде стандартного отклонения, она определяется как стандартная неопределенность.
Результат определения выражается расширенной неопределенностью U. Расширенная неопределенность представляет собой интервал, в котором лежит значение измеряемой величины с высоким уровнем достоверности. Значение U получают умножением суммарной стандартной неопределенности, на коэффициент охвата k. Выбор коэффициента k зависит от требуемого уровня достоверности. Для уровня достоверности 95 % k равно 2.
Важно различать погрешность и неопределенность. Погрешность определяется как разность между отдельным результатом и истинным значением измеряемой величины. Таким образом, погрешность имеет единственное значение. Неопределенность, с другой стороны, это интервал значений. Величина неопределенности не может быть использована для исправления результата измерения. Погрешность имеет две составляющие – случайную и систематическую. Случайная погрешность обычно возникает вследствие непредсказуемых изменений влияющих величин. Эти случайные влияния приводят к разбросу при повторных наблюдениях измеряемой величины. Случайную погрешность результата анализа нельзя скомпенсировать с помощью какой-либо поправки, ее лишь можно уменьшить путем увеличения числа наблюдений. Систематическая погрешность определяется как составляющая погрешности, которая в ходе измерений одной и той же величины остается постоянной или изменяется закономерным образом. Она не зависит от числа выполненных измерений и поэтому не может быть уменьшена путем увеличения числа повторных определений при одних и тех же условиях. Постоянные систематические погрешности, вызванные, например, отсутствием учета холостой пробы или неточностями при градуировке прибора по нескольким точкам, являются постоянными для данного уровня измеряемой величины, но они могут изменяться в зависимости от ее значений.
Эффекты, величина которых систематически изменяется в ходе повторных определений, например, вследствие недостаточного контроля условий эксперимента, вызывают систематические погрешности, которые уже не являются постоянными.
В результат измерения следует вносить поправки на все выявленные значимые детерминированные систематические эффекты. Понятия классической теории погрешностей и понятия концепции неопределенности можно сопоставить между собой. В Таблице 11 приведены основные понятия классической теории погрешностей и соответствующие им понятия концепции неопределенности.