比色法測定生活飲用水中鐵含量不確定的評(píng)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(shí)驗(yàn)室質(zhì)量管理提升,不確定度的評(píng)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(shí)驗(yàn)室檢測工作中具有廣泛性和適用性。能夠用于衡量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析結(jié)果的滿意程度及實(shí)驗(yàn)室的檢驗(yàn)?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(duì)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(xiàng)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(diǎn)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(píng)定與表示》[7]《CNAS-GL006: 化學(xué)分析中不確定的評(píng)估指南》[8]《水和廢水監(jiān)測分析方法第四版》[9],對(duì)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(jí)）；錐形瓶150 mL；移液管瓶（A級(jí)）；UV-4802 型分光光度計(jì)（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(chǔ)備溶液的制備

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)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(gè)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(bǔ)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(jì)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(jìn)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(shí)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(jìn)行曲線擬合,實(shí)際很難所有的標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)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(píng)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(jì)量科學(xué)院生產(chǎn),對(duì)應(yīng)證書擴(kuò)展不確定度2 mg/L（K=2）,則標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)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(chǔ)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(shí)體積時(shí)的不確定度：單標(biāo)線移液管、容量瓶制造商會(huì)標(biāo)明在20℃時(shí)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(dòng)性可通過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)來評(píng)估。對(duì)單標(biāo)線移液管、容量瓶充滿10 次并稱量的實(shí)驗(yàn),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(shí)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(shí)驗(yàn)室的溫度在±4℃之間變動(dòng)。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(jìn)行計(jì)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(chǔ)備溶液過程由于體積因素引起的相對(duì)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(jì)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(duì)不確定度分量=0.25%。

4.1.3 合成標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)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(jì)測得其吸光度,依據(jù)校準(zhǔn)曲線計(jì)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(jìn)行顯色后,每個(gè)溶液吸光度分別測量2 次。標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度值與對(duì)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(duì)應(yīng)吸光度

得到的數(shù)據(jù)依據(jù)最小二乘法進(jìn)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(duì)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(jí)單標(biāo)線吸量管50.00 mL,按照廠家標(biāo)明在20℃時(shí)最大容量允差為±0.05 mL,按均勻分布考慮則引入相對(duì)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(jí)單標(biāo)線移液管已在20℃校準(zhǔn),而實(shí)驗(yàn)室的溫度在±4℃之間變動(dòng)。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(jìn)行計(jì)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(duì)不確定度為：

（3）待測樣品取樣量引入的相對(duì)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(jìn)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(dú)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(shí)最大容量允差為±0.40 mL,按均勻分布考慮,。則引入相對(duì)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(jī)性,導(dǎo)致待測樣品中的鐵離子最終不能完全進(jìn)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(yàn)評(píng)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(jī)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(jì)算其回收率相對(duì)不確定度：

4.4.4 待測樣品前處理引入的相對(duì)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(kuò)展不確度

由上述相對(duì)不確定度分量,得到鐵含量測定結(jié)果的合成相對(duì)不確定度為：

取擴(kuò)展因子為K=2,則相對(duì)擴(kuò)展不確度度為：

7 結(jié)果與討論

1）通過分析過程評(píng)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(duì)不確定度分量的評(píng)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(shí)際分析中加強(qiáng)操作規(guī)范、用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行儀器校準(zhǔn)和對(duì)應(yīng)的質(zhì)量控制,提高檢測分析的準(zhǔn)確度。