鉬酸銨分光光度法測定水中總磷的測量不確定度

鉬酸銨分光光度法測定水中總磷的測量不確定度

梁敏聰

(佛山市環(huán)境監(jiān)測中心站，廣東 佛山 528000)

摘要：本文通過鉬酸銨分光光度法測定水中總磷不確定度分量的分析計算，比較各不確定度分量的權重，可知在本方法影響不確定度的因素中，方法回收率產生的不確定度、曲線擬合引入的不確定度、重復測量樣品產生的不確定度及總磷標準物質引入的不確定度屬于主要不確定度分量。

關鍵詞：分光光度法不確定度總磷

磷是生物生長必需的元素之一，但水體中磷含量過高，可造成藻類的過度繁殖直至數量上達到有害的程度，造成湖泊，河流透明度降低，水質變壞，使水源喪失了飲用、養(yǎng)殖和游覽等方面的利用價值。為了保護水資源，控制水體的富營養(yǎng)化，我國已將總磷列為正式的環(huán)境監(jiān)測項目。鉬酸銨分光光度法測定水中總磷是較為廣泛應用的分析方法，但本方法會產生誤差，引入不確定度，研究影響其測定結果的因素，使得我們對于數據的測量誤差有進一步的了解。

1.檢測方法

1.1　方法依據

依據GB 11893-89《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》，對水中總磷的測量不確定度進行評定。

1.2　方法原理

在中性條件下用過硫酸鉀(或硝酸-高氯酸)使試樣消解，將所含磷全部氧化為正磷酸鹽。在酸性介質中，正磷酸鹽與鉬酸銨反應，在銻鹽存在下生成磷鉬雜多酸后，立即被抗壞血酸還原，生成藍色的絡合物。

1.3　儀器設備

722分光光度計；

玻璃量器：250mL容量瓶(A)級，500mL容量瓶(A)級，10.00mL(25.00mL)單標線移液管(A級)；20.00mL(5.00mL，2.00mL，1.00mL)移液管(A)級；50mL比色管等。

1.4　操作步驟

1.4.1校準曲線繪制

1.4.1.1標準使用液配制

標準溶液由環(huán)境保護部標準樣品研究所提供，編號為102810，質量濃度為500mg/L(相對擴展不確定度為1%)。用10.00mL單標移液管(A級)準確移取標準溶液10.00mL至250mL容量瓶(A級)，用超純水稀釋至標線，得到質量濃度為20mg/L的磷標準貯備溶液，從磷標準貯備液中用10.00mL單標移液管(A級)準確移取標準溶液10.00mL至100mL容量瓶(A級)中，用超純水稀釋至標線，得到質量濃度為2mg/L的磷標準使用液。

1.4.1.2標準曲線繪制

①分別吸取0，0.50，1.00，3.00，5.00，10.00和15.00mL磷標準使用液于50mL具塞比色管中，加水稀釋定容至25mL標線。

②分別加入4mL過硫酸鉀消解劑，封緊比色管在高壓全自動滅菌鍋中120℃加熱消解半小時，減壓冷卻至室溫后取出比色管，用超純水稀釋至50mL標線。

③分別加入1mL抗壞血酸溶液(100g/L)混勻，30s后加2mL鉬酸鹽溶液充分混勻。室溫下放置15min后，使用光程為30mm比色皿，在700nm波長下，以超純水做參比，測定吸光度。

④測得的吸光度扣除空白試驗的吸光度后，和對應的磷的含量繪制工作曲線。

1.4.1.3樣品測定

分取適量待測樣品于50mL具塞比色管中稀釋定容至25mL標線，其后處理步驟與校準曲線繪制步驟②，③，④相同。

2.建立數學模型

校準曲線擬合的回歸方程：y=a+bx

(1)

式中：y——溶液的吸光度；

x——從曲線查得的總磷含量，mg；

a——回歸方程的截距；

b——回歸方程的斜率。

水中總磷濃度的計算公式為：c=m/v

(2)

式中：c——水樣中總磷濃度，mg/L；

m——由校準曲線計算的含磷量，同式(1)中x，mg；

v——水樣體積，mL。

根據檢測方法和數學模型分析，各輸入量估計值彼此不相關，按不確定度傳播率，合成相對標準不確定度表示為：

式中：urel(c標)——標準物質引入的相對標準不確定度；

urel(V)——標準溶液的稀釋配制引入的相對標準不確定度；

urel(Q)——水樣取樣過程產生的相對標準不確定度；

urel(x)——重復測量樣品產生的相對標準不確定度；

urel(m)——曲線擬合引入的相對標準不確定度；

urel(R)——方法回收率產生的相對標準不確定度。

3.不確定度分量的來源分析

由檢測方法和數學模型分析，其不確定度主要來源有以下幾個方面：

3.1　標準物質引入的不確定度

有證標準物質在證書中給出標準值的同時，也給出其擴展不確定度，一般按置信概率p近似95%，k=2，計算出標準物質引入的不確定度。

3.2　標準溶液的稀釋配制引入的不確定度

稀釋標準溶液時要使用多種玻璃量器，所引入體積測量的不確定度，主要由體積校準、測量重復性、溫度變化三個因素構成。

3.2.1體積校準

容量瓶、移液管等容器，其真實的容積并不完全與標稱容積一致，其誤差有正有負。一般按標準生產的容器器皿的最大誤差小于規(guī)定的允許差，在GB/T 12805~12808中給出了常用的容器器皿的允許差(Δ)。一般可以把給定的容器容量允許差，按均勻分布換成標準不確定度。

3.2.2測量的重復性

容器充滿液體至滿刻度時具有變動性，可以通過重復充滿溶液，稱量并統計其標準差，再按均勻分布換成標準不確定度。

3.2.3溫度的變化

因容器器皿及所盛液體受溫度變化影響而熱脹冷縮，通常僅考慮液體受溫度變化的影響。由實際操作時溫度變化度數，乘上容器的體積和水的體積膨脹系數2.1×10-4℃-1，再按均勻分布轉化成標準不確定度。

3.3　水樣取樣過程產生的不確定度

取水樣的體積不確定度產生原因同上。

3.4　重復測量樣品產生的不確定度

將測量數據列進行統計分析，按A類方法評定測量不確定度。

3.5　曲線擬合引入的不確定度

被測物質的濃度是通過標準曲線計算得到，標準曲線線性關系直接影響分析結果的可靠性。用一元線性回歸方程計算出標準曲線的剩余標準差，再由各參數算出標準曲線的標準不確定度。

3.6　方法回收率產生的不確定度

水樣需消解預處理，必須于120℃加熱30min，溫度、壓力的變化會影響到水樣的消解完全與否，消解過程產生的不確定度包括在方法回收率產生的不確定度中。

4.不確定度分量的評定

4.1　標準物質引入的不確定度

從環(huán)境保護部標準樣品研究所購買的總磷標準溶液，批號102810，質量濃度為500mg/L，相對擴展不確定度為1%，k=2，則相對標準不確定度為：urel(c標)=1% / 2=0.005

4.2　標準溶液的稀釋配制引入的不確定度

總磷標準使用液的稀釋配制過程使用了A級10.00mL單標線移液管、A級250mL和100mL容量瓶，所引入的不確定度采用B類方法評定。玻璃量器的最大允許誤差可從JJG 196-2006《常用玻璃量器檢定規(guī)程》中差得。

4.2.1使用10.00mL單標線移液管配制標準溶液的不確定度，主要來自以下三方面：

(2)測量的重復性所引入的不確定度。對10.00單標線移液管進行10次定容和稱量，結果見表1。

表1　10.00單標線移液管定容實驗結果

用貝塞爾公式計算的標準差，即標準不確定度：u2(V10)=s=0.007mL

(3)溫度變化帶來的不確定度。操作時溫度變化為2℃，水體積膨脹系數為2.1×10-4℃-1，按均勻分布考慮，則溫度帶來的標準不確定度為：

上述三項合成的10.00mL單標線移液管的標準不確定度為：

4.2.2使用250mL容量瓶配制標準溶液的不確定度，主要來自以下三方面：

(2)測量的重復性所引入的不確定度。對250mL容量瓶進行10次定容和稱量，結果見表2。

表2　250mL容量瓶定容實驗結果

用貝塞爾公式計算的標準差，即標準不確定度：u2(V250)=s=0.029mL

(3)溫度變化帶來的不確定度。操作時溫度變化為2℃，水體積膨脹系數為2.1×10-4℃-1，按均勻分布考慮，則溫度帶來的標準不確定度為：

上述三項合成的250mL容量瓶的標準不確定度為：

4.2.3使用100mL容量瓶配制標準溶液的不確定度，主要來自以下三方面：

(2)測量的重復性所引入的不確定度。對100mL容量瓶進行10次定容和稱量，結果見表3。

表3　100mL容量瓶定容實驗結果

用貝塞爾公式計算的標準差，即標準不確定度：u2(V100)=s=0.025mL

(3)溫度變化帶來的不確定度。操作時溫度變化為2℃，水體積膨脹系數為2.1×10-4℃-1，按均勻分布考慮，則溫度帶來的標準不確定度為：

上述三項合成的250mL容量瓶的標準不確定度為：

綜上所述，標準溶液的稀釋配制引入的相對標準不確定度為：

=0.0021

4.3　水樣取樣過程產生的不確定度

使用25.00mL單標線移液管取水樣的不確定度，主要來自以下三方面：

(2)測量的重復性所引入的不確定度。對25.00單標線移液管進行10次定容和稱量，結果見表4。

表4　25.00單標線移液管定容實驗結果

用貝塞爾公式計算的標準差，即標準不確定度：u2(Q)=s=0.008mL

(3)溫度變化帶來的不確定度。操作時溫度變化為2℃，水體積膨脹系數為2.1×10-4℃-1，按均勻分布考慮，則溫度帶來的不確定度為：

上述三項合成的10.00mL單標線移液管的標準不確定度為：

=0.020

4.4　重復測量樣品產生的不確定度

選取某污水處理廠出水作為樣品重復測定10次，結果如表5。

表5　樣品重復性測定

計算測量試驗標準差，即標準不確定度如下：

實際上，日常監(jiān)測對水樣測量一次，見表5第一個數據x=25.651mg。

則重復測量樣品產生的相對標準不確定度為：

根據標準曲線計算待測水樣總磷濃度為：

4.5　曲線擬合引入的不確定度

采用2mg/L的總磷標準使用液繪制的標準曲線，數據如表6。

表6　采用2mg/L的總磷標準使用液繪制的標準曲線數據

由表6得出標準曲線y=a+bx，截距a=0.0016，斜率b=0.0275，曲線相關系數r=0.9999，一元線性回歸方程為：y=0.0016+0.0275x

根據貝塞爾公式計算標準曲線的剩余標準差：

標準曲線的標準不確定度：

其中：a——標準曲線的截距；

b——標準曲線的斜率；

p——樣品測量的次數；

n——曲線上濃度的點數；

m——樣品測量的質量，mg；

xi——標準溶液中待測物的質量，mg；

yi——標準溶液扣除空白后的吸光度；

所以曲線擬合引入的相對標準不確定度：

4.6　方法回收率產生的不確定度

水樣消解是測定水樣中總磷是否準確的重要環(huán)節(jié)。水樣在消解過程中產生的測量不確定度一般難以量化。但是，通過方法回收率試驗，可確定各種不易量化的因素所產生的的總誤差。當評定了方法回收率的不確定度，水樣消解產生的不確定度就包括在其中。

其相對標準不確定度為：

5.合成不確定度

鉬酸銨分光光度法測定水中總磷的不確定度分量匯總情況見表7。

表7　不確定度分量一覽表

合成相對標準不確定度：

urel(c)=

=0.0480

則合成標準不確定度為：

uc=urel(c)c=0.0480×1.03mg/L=0.0494mg/L

6.擴展不確定度

取包含因子k=2，則擴展不確定度為：

U=kuc=2×0.0494mg/L=0.10mg/L

7.結論分析

(1)鉬酸銨分光光度法測定水中總磷，測量結果為1.03mg/L，擴展不確定度為0.10mg/L(k=2)，即樣品中的總磷質量濃度為(1.03±0.10)mg/L，k=2。

(2)通過上述對鉬酸銨分光光度法測定水中總磷的不確定度分量的分析計算過程，比較各不確定度分量的權重，可知在本方法影響不確定度的因素中，方法回收率產生的不確定度、曲線擬合引入的不確定度、重復測量樣品產生的不確定度及總磷標準物質引入的不確定度屬于主要不確定度分量，以上這四項不確定度分量，占不確定度總量的97%以上，所以這是評定測量不確定度中，必須考慮的不確定度分量。

工作中采取相應措施，可通過采取提高操作人員的業(yè)務技術水平，適當增加樣品重復測量次數，多次繪制曲線等方法來降低測量不確定度，提高檢測結果的準確性。

參考文獻

[1]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].第四版.北京.中國環(huán)境科學出版社，2002：243-248.