土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性研究方法探討

田 衎, 周裕敏, 邢書(shū)才, 封躍鵬, 楊 珺, 王 堯, 邱赫男

(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所 國(guó)家環(huán)境保護(hù)污染物計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)樣品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性研究方法探討

田 衎, 周裕敏, 邢書(shū)才, 封躍鵬, 楊 珺, 王 堯, 邱赫男

(環(huán)境保護(hù)部標(biāo)準(zhǔn)樣品研究所 國(guó)家環(huán)境保護(hù)污染物計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn)樣品研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100029)

土壤、沉積物等標(biāo)準(zhǔn)樣品在地質(zhì)、環(huán)保、農(nóng)業(yè)和水利等監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-4]。穩(wěn)定性是標(biāo)準(zhǔn)樣品的三大基本特性之一,是確保標(biāo)準(zhǔn)樣品在有效期限內(nèi)量值穩(wěn)定可靠的前提條件,它指的是在規(guī)定的保存和使用條件下,定值組分量值在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力。隨著土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品研制工作由無(wú)機(jī)元素總量向元素價(jià)態(tài)和形態(tài)分析[5-8]、持久性有機(jī)污染物[9-10]等指標(biāo)的拓展,有關(guān)這類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性的研究起步較晚,且分析檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜,如何考察其穩(wěn)定性已越來(lái)越引起人們的關(guān)注。GB/T 15000.3-2008《標(biāo)準(zhǔn)樣品工作導(dǎo)則(3) 標(biāo)準(zhǔn)樣品定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法》和JJF 1343-2012《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理》中規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的普遍原則,本文對(duì)土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品采取的穩(wěn)定化措施及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等進(jìn)行了探討。

1 土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性的影響因素及穩(wěn)定化措施

為確保土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品具有良好的穩(wěn)定性,應(yīng)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的制備方法、保存運(yùn)輸條件及使用注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行探究。標(biāo)準(zhǔn)樣品中易揮發(fā)和易氧化等不穩(wěn)定成分的量值容易發(fā)生變化,外部環(huán)境要素如光照、溫度和濕度,樣品中的水分、微生物,以及標(biāo)準(zhǔn)樣品的使用方法等,是影響其穩(wěn)定性的主要因素[7]。應(yīng)根據(jù)土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的定值特性確定穩(wěn)定化措施和方法,提高其穩(wěn)定性、消除或延緩組分量值的變化。

首先是控制樣品中的水分含量和進(jìn)行滅活處理。采用105 ℃烘干去水,進(jìn)行滅活處理等可抑制微生物對(duì)特性量值的影響。歐盟標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與測(cè)量研究所(IRMM)的研究表明,活性水分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在15%～30%之間可最大程度地防止有機(jī)質(zhì)等微生物的降解,提高標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性[11]。形態(tài)分析標(biāo)準(zhǔn)樣品在保存環(huán)境條件下放置一段時(shí)間可以使樣品形態(tài)成分逐漸達(dá)到平衡,從而使其量值達(dá)到穩(wěn)定[7]。

其次是優(yōu)化樣品包裝保存和運(yùn)輸條件。樣品包裝可采用配聚四氟乙烯內(nèi)襯的棕色玻璃瓶,瓶口用白蠟封口,保存在陰涼避光處,避免樣品受陽(yáng)光直射,或與空氣中的水氣、氧氣、細(xì)菌等接觸而使量值發(fā)生變化[7]。必要時(shí),可采取措施保證樣品在郵寄運(yùn)輸過(guò)程中的環(huán)境條件與短期穩(wěn)定性研究時(shí)的環(huán)境條件一致;對(duì)某些特殊指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)樣品,可采用冰袋、干冰或特殊的保溫材料包裝,保證低溫運(yùn)輸條件。

再者,土壤、沉積物等土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品在有效期內(nèi)會(huì)被反復(fù)使用,可采用小單元包裝,避免樣品在使用過(guò)程中因反復(fù)打開(kāi)包裝接觸空氣而影響穩(wěn)定性。此外,樣品啟封后,用戶應(yīng)嚴(yán)格按照證書(shū)要求進(jìn)行保存,放置在陰涼處或干燥不易受潮的地方,以保證樣品在有效期內(nèi)穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定性的考察

以往的土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的特性量值以無(wú)機(jī)成分為主,此類標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性較好。文獻(xiàn)[12]依據(jù)多年的土壤類標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果,表明土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品(除“相態(tài)”標(biāo)準(zhǔn)樣品外)具有良好的穩(wěn)定性,絕大多數(shù)成分在有效期內(nèi)量值變化所引起的不確定度可以忽略不計(jì)。對(duì)中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站20世紀(jì)80年代研制的ESS系列土壤標(biāo)準(zhǔn)樣品中的易變組分汞和砷的測(cè)定結(jié)果表明:在室溫保存條件下,汞和砷的量值沒(méi)有發(fā)生顯著性變化。

近年來(lái),隨標(biāo)準(zhǔn)樣品研制工作的逐步發(fā)展,標(biāo)準(zhǔn)樣品的定值組分越來(lái)越多,持久性有機(jī)污染物和形態(tài)分析等樣品的研制逐漸展開(kāi)。文獻(xiàn)[13]研制了水系沉積物標(biāo)準(zhǔn)樣品,并對(duì)其中16種多環(huán)芳烴進(jìn)行了定值;中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院研制了土壤中7種多氯聯(lián)苯標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等,此類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性分析的步驟較長(zhǎng),穩(wěn)定性檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較差。穩(wěn)定性評(píng)價(jià)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣品的不確定度評(píng)價(jià)和有效期的確定非常關(guān)鍵,因此考察其穩(wěn)定性顯得越來(lái)越重要。

2．1 穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型

對(duì)土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品不穩(wěn)定的機(jī)理還不太明確,穩(wěn)定性評(píng)價(jià)模型主要有趨勢(shì)分析法[14]和方差分析法[15]。

2．1．1 趨勢(shì)分析法

趨勢(shì)分析法即一元線性回歸模型,在穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示標(biāo)準(zhǔn)樣品特性沒(méi)有顯著變化趨勢(shì)時(shí),

tcal=|b1|

式中:tcal為t檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量;b1為直線的斜率;sb1為斜率的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在95%置信水平下,通過(guò)比較tcal與t分布(t0.95,n-2,n為檢驗(yàn)次數(shù))的大小評(píng)估抽檢組分的穩(wěn)定性,即當(dāng)tcal≤t0.95,n-2時(shí),可認(rèn)為被檢組分在檢驗(yàn)期間是穩(wěn)定的;當(dāng)tcal>t0.95,n-2時(shí),則認(rèn)為被檢組分在檢驗(yàn)期間存在不穩(wěn)定的趨勢(shì),需要采取必要的措施改善其穩(wěn)定性。

在實(shí)際應(yīng)用中,除計(jì)算tcal外,同時(shí)將穩(wěn)定性引入的不確定度分量合成到標(biāo)準(zhǔn)樣品總不確定中,以是否滿足標(biāo)準(zhǔn)樣品的預(yù)期用途來(lái)判斷樣品的穩(wěn)定性[15]。

一元線性回歸模型對(duì)分析方法的精密度和再現(xiàn)性有很高的要求,而一般的土壤類樣品分析由于前處理過(guò)程復(fù)雜,在待測(cè)成分含量較低時(shí),分析方法的再現(xiàn)性往往較差,會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性檢測(cè)數(shù)據(jù)失真,評(píng)價(jià)的穩(wěn)定性結(jié)果可能并不完全是標(biāo)準(zhǔn)樣品的真實(shí)反映,而是分析方法的再現(xiàn)性偏差等,造成穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)結(jié)果偏高,甚至遠(yuǎn)高于定值的不確定度。松花江沉積物中部分多環(huán)芳烴的16個(gè)月穩(wěn)定性測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表1[13]。

表1 松花江沉積物樣品中10個(gè)多環(huán)芳烴的穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果Tab. 1 Results of stability tests of 10 PAHs in sediment of Songhua river

由表1可知:大多數(shù)組分的5次穩(wěn)定性檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)大于10%,二苯并[a,h]蒽的RSD為24%,數(shù)據(jù)采用一元線性回歸模型檢驗(yàn)沒(méi)有趨勢(shì)性,因此分析方法等因素對(duì)穩(wěn)定性數(shù)據(jù)影響很大,給穩(wěn)定性的正確評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。在對(duì)土壤中鉻的3年期穩(wěn)定性考察中,采用一元線性回歸模型評(píng)估的穩(wěn)定性不確定度分量為3.78 mg·kg-1,這顯然不可能完全是由土壤中鉻的不穩(wěn)定性引起的[16]。

2．1．2 方差分析法

為了克服分析方法的精密度等對(duì)穩(wěn)定性結(jié)果的影響,提出了計(jì)算穩(wěn)定性引入的不確定度的方差分析法[15],見(jiàn)公式(2):

采用此種評(píng)價(jià)方法,扣除了分析方法精密度對(duì)穩(wěn)定性結(jié)果的影響,但在土壤類樣品分析方法精密度欠佳的條件下,可能使評(píng)價(jià)的穩(wěn)定性不確定度偏小,甚至由于結(jié)果小于零而無(wú)法進(jìn)行穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。同時(shí),該法不能反映出標(biāo)準(zhǔn)樣品量值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。

在穩(wěn)定性趨勢(shì)不顯著的情況下,這兩種評(píng)價(jià)方法宜選用趨勢(shì)分析法;在無(wú)變化趨勢(shì)的情況下可選用方差分析法或趨勢(shì)分析法。以上說(shuō)明,在測(cè)量誤差中,除標(biāo)準(zhǔn)樣品可能發(fā)生的變化帶來(lái)誤差,還有測(cè)量方法和儀器等帶來(lái)的測(cè)量誤差,這些因素都使穩(wěn)定性檢驗(yàn)難以給出嚴(yán)格的定量評(píng)價(jià)結(jié)果。當(dāng)要使測(cè)量結(jié)果之間的差異著重反映出由標(biāo)準(zhǔn)樣品變化所引起的那一部分誤差時(shí),就必須有高精密度和再現(xiàn)性的分析方法。目前,土壤形態(tài)分析和有機(jī)物成分分析等由于前處理過(guò)程復(fù)雜,分析數(shù)據(jù)的精密度不高,給標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性評(píng)價(jià)帶來(lái)困難。

為正確評(píng)價(jià)樣品的穩(wěn)定性,穩(wěn)定性檢驗(yàn)時(shí)間點(diǎn)的數(shù)量應(yīng)該達(dá)到模型的有效性對(duì)數(shù)據(jù)的需求,測(cè)定的時(shí)間間隔根據(jù)定值特性而定。國(guó)內(nèi)對(duì)一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的保存穩(wěn)定期要求在一年以上,國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有效期應(yīng)在半年以上[17]。一些研制單位為了取得足夠的數(shù)據(jù),在1～2年內(nèi)完成5～10次以上的穩(wěn)定性試驗(yàn)[9,18],如此短的時(shí)間間隔是完全沒(méi)有必要的,只有在觀察到不穩(wěn)定趨勢(shì)的情況下,才有必要加密進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)。如果土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性只有幾個(gè)月或者1年,除去研制期和銷售期,用戶實(shí)際可使用的時(shí)間很短,研制者需要多次復(fù)制標(biāo)準(zhǔn)樣品才能滿足用戶需求,因此,穩(wěn)定性極差的標(biāo)準(zhǔn)樣品對(duì)研制者和用戶都極為不利。在此情況下,研制者需要研究提高標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定化的措施,而不僅僅是通過(guò)穩(wěn)定性檢驗(yàn)結(jié)果給出短暫的有效期。

2．3 穩(wěn)定性檢驗(yàn)元素選擇及不確定度評(píng)價(jià)

在土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的研制過(guò)程中,由于定值成分多,且受工作量和分析方法精密度等的限制,通常只選擇易變的和有代表性的特性指標(biāo)進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)[15],但對(duì)于如何選擇有代表性的組分,各單位在實(shí)際工作中即使對(duì)同類樣品,其穩(wěn)定性考察組分也有較大差異。土壤類樣品中各組分降解緩慢,但某些組分的特性可能會(huì)在某個(gè)時(shí)間突然發(fā)生變化,從而造成標(biāo)準(zhǔn)樣品失效,由于這些機(jī)理非常難以預(yù)測(cè),因此如何選擇有代表性的組分非常關(guān)鍵。穩(wěn)定性存疑的易變組分都應(yīng)該在有效期內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn),應(yīng)謹(jǐn)慎采用選擇有代表性組分的方法進(jìn)行穩(wěn)定性考察,但是土壤類樣品中一些易變微量組分分析檢測(cè)困難,這無(wú)疑增加了穩(wěn)定性檢驗(yàn)的難度。

土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性一般采用趨勢(shì)分析法和方差分析法進(jìn)行評(píng)價(jià),并通過(guò)計(jì)算引入穩(wěn)定性不確定度。對(duì)未檢驗(yàn)成分的穩(wěn)定性不確定度不能忽略,但如何評(píng)價(jià)穩(wěn)定性不確定度目前標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范都沒(méi)有明確說(shuō)明。同一類的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)特性相同,其穩(wěn)定性也是相似的。對(duì)新研制樣品,應(yīng)當(dāng)根據(jù)成分類比特性,采用已進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)同類成分的最大不確定度進(jìn)行評(píng)估[19]。對(duì)于復(fù)制樣品,可利用已積累的土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品長(zhǎng)期穩(wěn)定性的試驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估相應(yīng)的不確定度分量。

2．4 有效期的確定

穩(wěn)定性試驗(yàn)只表明樣品在過(guò)去的檢驗(yàn)時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的,對(duì)于新研制的土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品,在沒(méi)有明確的穩(wěn)定性模型條件下,組分量值在未來(lái)的時(shí)間將會(huì)怎樣變化無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。只有在經(jīng)過(guò)足夠長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性檢測(cè)中,穩(wěn)定性引起的不確定度評(píng)估才可能接近實(shí)際情況,這是評(píng)價(jià)穩(wěn)定性最合理的方式。但在實(shí)際研制中,研制單位只能通過(guò)分析已有的穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)結(jié)果,對(duì)新研制標(biāo)準(zhǔn)樣品給出預(yù)期有效期。沒(méi)有穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù),憑經(jīng)驗(yàn)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)樣品的有效期嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是不科學(xué)的,但目前只能采取持續(xù)監(jiān)測(cè)樣品穩(wěn)定性,如在有效期內(nèi)量值發(fā)生變化時(shí)及時(shí)通知使用者的辦法來(lái)彌補(bǔ)。后續(xù)穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)如果量值穩(wěn)定,則延長(zhǎng)樣品使用有效期,否則說(shuō)明特性量值在不確定度范圍之外,召回已售樣品或重新進(jìn)行量值評(píng)定。對(duì)于復(fù)制樣品來(lái)說(shuō),可行的辦法是根據(jù)已積累的穩(wěn)定性研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)確定標(biāo)準(zhǔn)樣品的使用有效期。

3 結(jié)語(yǔ)

土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性研究是標(biāo)準(zhǔn)樣品研制的重要組成部分,隨著各類土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品研制工作的廣泛開(kāi)展,土壤類標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性研究工作應(yīng)該引起足夠重視。標(biāo)準(zhǔn)樣品的穩(wěn)定性是有條件的,需要對(duì)樣品制備方法、保存條件及使用等影響標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性的因素進(jìn)行探究,同時(shí)合理評(píng)價(jià)穩(wěn)定性不確定度,使考察及評(píng)價(jià)的穩(wěn)定性能真正反映出該標(biāo)準(zhǔn)樣品穩(wěn)定性能,發(fā)揮其量值傳遞和溯源的作用。目前,穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法有一定的局限性,需要開(kāi)展大量的研究工作。

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證明分析 若記=k,要證(2)式成立，即證f′(ξ)=k?f′(ξ)-k=0?[f′(x)-k]x=ξ=0?也就是在(a,b)內(nèi)是否存在一點(diǎn)ξ，使得φ(x)=f(x)-kx在ξ點(diǎn)的導(dǎo)數(shù)等于零，即φ′(ξ)=0.

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10.11973/lhjy-hx201702016

2016-02-03

國(guó)家環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目(2012-60)

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