比色法測定生活飲用水中鐵含量不確定的評定

石 沖

（陜西省桃曲坡水庫灌溉中心,陜西 銅川 727031）

1 引言

伴隨實驗室質(zhì)量管理提升,不確定度的評定越發(fā)突顯其重要性。測量不確定度能夠有效體現(xiàn)分析結(jié)果的可靠程度,與原有的誤差相比,更便于分析結(jié)果的溯源性,在實驗室檢測工作中具有廣泛性和適用性。能夠用于衡量實驗室內(nèi)分析結(jié)果的滿意程度及實驗室的檢驗?zāi)芰λ絒1],體現(xiàn)了分析結(jié)果分散程度[2]。

生活飲用水的鐵含量其主要來源于工業(yè)廢水和自然環(huán)境的污染。鐵含量高低對管道、設(shè)備及人體造成一定的影響。因此鐵含量作為生活飲用水的重要金屬檢測指標(biāo),生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)GB 5749-2006 將其列入常規(guī)檢測的分析項目。目前常見測定鐵分析方法有電感耦合等離子體質(zhì)譜法[3～4]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法[5]、原子吸收分光光度法[6]、分光光度法等。分光光度法投資少、操作簡單、易掌握等特點目前仍被廣泛使用。本文選用二氮雜菲分光光度法測定生活飲用水中鐵含量,依據(jù)《JJF 1059-2012 測量不確定評定與表示》[7]《CNAS-GL006: 化學(xué)分析中不確定的評估指南》[8]《水和廢水監(jiān)測分析方法第四版》[9],對通過測量過程建立模型分析不確定的來源,提高檢測質(zhì)量控制,保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確度。

2 儀器與試劑

2.1 儀器

容量瓶（A級）；錐形瓶150 mL；移液管瓶（A級）；UV-4802 型分光光度計（尤尼柯（上海）儀器有限公司）。

2.2 試劑

鹽酸（1+1）；乙酸-乙酸銨緩沖溶液（pH4.2）；鹽酸羥胺溶液（100 g/L）；二氮雜菲溶液（1.0 g/L）；鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08616,1000 mg/L）。

3 方法

3.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液的制備

標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液A（100 mg/L）：準(zhǔn)確移取鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08616）10.0 mL于100 mL容量瓶中,用去離子水定容搖勻,備用。

3.1.2 標(biāo)準(zhǔn)使用液的制備

標(biāo)準(zhǔn)使用溶液B（10.0 mg/L） ：準(zhǔn)確移取標(biāo)準(zhǔn)中間液A 10.0 mL于100 mL容量瓶中,用去離子水定容搖勻,備用。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制

標(biāo)準(zhǔn)使用溶液B：0.00 mL、0.25 mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、3.00 mL、4.00 mL、5.00 mL至于8 個150 mL錐形瓶,加去離子水至50 mL,加4 mL鹽酸（1+1）和1 mL鹽酸羥胺溶液（100 g/L）,在加熱板上低溫處濃縮至30 mL左右,冷卻至溫室轉(zhuǎn)移到50 mL比色管中。再加入2 mL二氮雜菲溶液（1.0 g/L）,混勻后加10.0 mL乙酸-乙酸銨緩沖溶液,搖勻定容。

最終得到含鐵0.00 mL、0.05 mL、0.10 mL、0.20 mL、0.40 mL、0.60 mL、0.80 mL、1.00 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,在室溫靜置10 min～15 min,于510 nm波長,2 cm比色皿,以純水為參比,讀取吸光度。依據(jù)濃度和吸光度繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,得出線性方程。

3.2 樣品測定

根據(jù)鐵含量取樣品體積于150 mL錐形瓶中,補加去離子水至50mL,按照標(biāo)準(zhǔn)溶液步驟顯色測量其吸光度。

3.3 測量數(shù)學(xué)模型

水中鐵質(zhì)量濃度的計算公式：

式中：C為水中鐵質(zhì)量濃度,mg/L；A為測得樣品的吸光度；a為標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距；b為標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率；V為待測樣品取樣體積,mL。

3.4 不確定度的來源和分析

按照分析方法進行待測樣品中鐵含量測量不確定度的主要包括：鐵單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合過程引入的不確定度、測量重復(fù)性引入的不確定度、待測樣品前處理引入的不確定度。

3.4.1 鐵單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定

標(biāo)準(zhǔn)溶液本身的不確定度、配制標(biāo)準(zhǔn)曲線工作時稀釋定容過程引入的不確定度。

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合過程引入的不確定度

采用最小二乘法進行曲線擬合,實際很難所有的標(biāo)準(zhǔn)點未必落在擬合后標(biāo)準(zhǔn)曲線上,導(dǎo)致擬合曲線本身具有相應(yīng)的不確定性,該不確定度可通過公式求得。

3.4.3 測量重復(fù)性引入的不確定度

重復(fù)性主要為樣品移取重復(fù)性、定容體積重復(fù)性、分析儀器重復(fù)性、回收率重復(fù)性等,其不確定度分量最終均在分析結(jié)果的重復(fù)性中體現(xiàn)。

3.4.4 待測樣品前處理引入的不確定度

樣品消解過程引入的不確定度主要為待測樣品移取、加酸溶解、定容搖勻等。

4 不確定度的評定

4.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液引入不確定度

4.1.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液本身不確度（A類）

鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液（GBW08616,1000 mg/L）由中國計量科學(xué)院生產(chǎn),對應(yīng)證書擴展不確定度2 mg/L（K=2）,則標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對不確定度為：

4.1.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋配制引入不確定度 （B類）

（1）配制鐵標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液引入不確定度

用單標(biāo)線移液管移取鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液至容量瓶,用去離子水定容。在本次稀釋過程中主要不確定度有：

1）確定量器所標(biāo)識體積時的不確定度：單標(biāo)線移液管、容量瓶制造商會標(biāo)明在20℃時最大容量允差,按均勻分布考慮,

2）量器刻度量取溶液體積的變化或重復(fù)性：單標(biāo)線移液管、容量瓶充滿液體到刻度的體積變動性可通過重復(fù)性實驗來評估。對單標(biāo)線移液管、容量瓶充滿10 次并稱量的實驗,得出標(biāo)準(zhǔn)偏差,可直接用作標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3）量器和溶液溫度與量器體積校準(zhǔn)時的溫度差異：根據(jù)制造商提供的信息,該容量瓶已在20℃校準(zhǔn),而實驗室的溫度在±4℃之間變動。該影響引起的不確定度可通過該溫度范圍和體積膨脹系數(shù)來進行計算。液體的體積膨脹明顯大于容量瓶的體積膨脹,因此只需要考慮前者即可。水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1,按矩形分布考慮,

表1 量器允差、重復(fù)性、溫度分散導(dǎo)致的不確定

配制鐵標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液過程由于體積因素引起的相對不確定度分量為：

（2）配制鐵標(biāo)準(zhǔn)使用液引入不確定度（B類）

用單標(biāo)線移液管移取鐵標(biāo)準(zhǔn)中間液至容量瓶,用去離子水定容。本稀釋過程不確定的來源及計算方法相同,均使用為10 ml單標(biāo)線移液管、100 ml容量瓶。因此配制鐵標(biāo)準(zhǔn)使用溶液過程由于體積因素引起的相對不確定度分量=0.25%。

4.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對不確度

4.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合過程引入的不確定度（A類）

待測樣品在分光光度計測得其吸光度,依據(jù)校準(zhǔn)曲線計算出樣品中鐵的含量。配制0.00 mg/L、0.05 mg/L、0.10 mg/L、0.20 mg/L、0.40 mg/L、0.60 mg/L、0.80 mg/L、1.00 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)溶液系列,進行顯色后,每個溶液吸光度分別測量2 次。標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度值與對應(yīng)吸光度（已扣除空白值）見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度值與對應(yīng)吸光度

得到的數(shù)據(jù)依據(jù)最小二乘法進行擬合,得到標(biāo)準(zhǔn)曲線擬方程為：y=0.4428x-0.0092, r= 0.9994。則得到擬合曲線的剩余標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

待測樣品測量10 次重復(fù)性濃度為0.31 mg/L,則待測樣品質(zhì)量濃度C形成的不確定度（c）為：

4.3 測量重復(fù)性引入的不確定度（A類）

重復(fù)性主要為樣品移取重復(fù)性、定容體積重復(fù)性、分析儀器重復(fù)性、回收率重復(fù)性等,其不確定度分量最終均在分析結(jié)果的重復(fù)性中體現(xiàn)。

對待測樣測量重復(fù)10次,其結(jié)果見表3。

表3 待測樣品重復(fù)性結(jié)果 單位：mg/L

待測樣品重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度3= S（）=0.0028 mg /L

4.4 待測樣品前處理引入的不確定度

4.4.1 待測樣品取樣量引入的不確定度（B類）

待測樣品取樣過程引入的不確定度主要為：移液管本身的不確定度、溫度變化導(dǎo)致液體體積變化的不確定度。

（1）移液管本身的不確定度

取樣采用A級單標(biāo)線吸量管50.00 mL,按照廠家標(biāo)明在20℃時最大容量允差為±0.05 mL,按均勻分布考慮則引入相對不確定度為：

（2）溫度變化導(dǎo)致液體體積變化的不確定度

根據(jù)制造商提供的信息,該A級單標(biāo)線移液管已在20℃校準(zhǔn),而實驗室的溫度在±4℃之間變動。該影響引起的不確定度可通過該溫度范圍和體積膨脹系數(shù)來進行計算。液體的體積膨脹明顯大于移液管的體積膨脹,因此只需要考慮前者即可。水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1,按矩形分布考慮則引入相對不確定度為：

（3）待測樣品取樣量引入的相對不確定度為：

4.4.2 定容過程引入的不確定度（B類）

待測樣品進行加熱消解后定容到50 mL具塞比色管。具塞比色管本身引入的不確定度為主要因素,操作溫度變化不確定較少并在測量重復(fù)性中體現(xiàn)因不在單獨考慮。按照《JJG 10-2005 專用玻璃量器檢定規(guī)程》[11]規(guī)定在20℃時最大容量允差為±0.40 mL,按均勻分布考慮,。則引入相對不確定度為：

4.4.3 消解（A類）

待測樣品加酸在加熱消解過程中被玻璃器皿污染、酸中雜質(zhì)代入、飛濺、轉(zhuǎn)移過程及溶解不完全等,使得樣品溶解具有隨機性,導(dǎo)致待測樣品中的鐵離子最終不能完全進入待測溶液中。此過程引入的不確定度可通過加標(biāo)回收率試驗評定,依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》第四版第三篇綜合指標(biāo)和無機污染物第四章金屬及其化合物中鄰菲啰啉分光光度法中鐵的加標(biāo)回收率為102.6%～97.4%。按照下列公式計算其回收率相對不確定度：

4.4.4 待測樣品前處理引入的相對不確定度

5 不確定度分量匯總表

不確定度分量匯總見表4。

表4 不確定度分量匯總表

6 合成不確度、擴展不確度

由上述相對不確定度分量,得到鐵含量測定結(jié)果的合成相對不確定度為：

取擴展因子為K=2,則相對擴展不確度度為：

7 結(jié)果與討論

1）通過分析過程評定測量結(jié)果的不確定度,影響測量結(jié)果不確度的因素為鐵標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程、曲線擬合、待測樣品重復(fù)性、取樣量。

2）通過對不確定度分量的評定,主要因素為曲線擬合求樣品濃度和重復(fù)性引起的。在實際分析中加強操作規(guī)范、用標(biāo)準(zhǔn)溶液進行儀器校準(zhǔn)和對應(yīng)的質(zhì)量控制,提高檢測分析的準(zhǔn)確度。