钼酸铵分光光度法测定水中总磷的测量不确定度

钼酸铵分光光度法测定水中总磷的测量不确定度

梁敏聪

(佛山市环境监测中心站，广东 佛山 528000)

摘要：本文通过钼酸铵分光光度法测定水中总磷不确定度分量的分析计算，比较各不确定度分量的权重，可知在本方法影响不确定度的因素中，方法回收率产生的不确定度、曲线拟合引入的不确定度、重复测量样品产生的不确定度及总磷标准物质引入的不确定度属于主要不确定度分量。

关键词：分光光度法不确定度总磷

磷是生物生长必需的元素之一，但水体中磷含量过高，可造成藻类的过度繁殖直至数量上达到有害的程度，造成湖泊，河流透明度降低，水质变坏，使水源丧失了饮用、养殖和游览等方面的利用价值。为了保护水资源，控制水体的富营养化，我国已将总磷列为正式的环境监测项目。钼酸铵分光光度法测定水中总磷是较为广泛应用的分析方法，但本方法会产生误差，引入不确定度，研究影响其测定结果的因素，使得我们对于数据的测量误差有进一步的了解。

1.检测方法

1.1　方法依据

依据GB 11893-89《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》，对水中总磷的测量不确定度进行评定。

1.2　方法原理

在中性条件下用过硫酸钾(或硝酸-高氯酸)使试样消解，将所含磷全部氧化为正磷酸盐。在酸性介质中，正磷酸盐与钼酸铵反应，在锑盐存在下生成磷钼杂多酸后，立即被抗坏血酸还原，生成蓝色的络合物。

1.3　仪器设备

722分光光度计；

玻璃量器：250mL容量瓶(A)级，500mL容量瓶(A)级，10.00mL(25.00mL)单标线移液管(A级)；20.00mL(5.00mL，2.00mL，1.00mL)移液管(A)级；50mL比色管等。

1.4　操作步骤

1.4.1校准曲线绘制

1.4.1.1标准使用液配制

标准溶液由环境保护部标准样品研究所提供，编号为102810，质量浓度为500mg/L(相对扩展不确定度为1%)。用10.00mL单标移液管(A级)准确移取标准溶液10.00mL至250mL容量瓶(A级)，用超纯水稀释至标线，得到质量浓度为20mg/L的磷标准贮备溶液，从磷标准贮备液中用10.00mL单标移液管(A级)准确移取标准溶液10.00mL至100mL容量瓶(A级)中，用超纯水稀释至标线，得到质量浓度为2mg/L的磷标准使用液。

1.4.1.2标准曲线绘制

①分别吸取0，0.50，1.00，3.00，5.00，10.00和15.00mL磷标准使用液于50mL具塞比色管中，加水稀释定容至25mL标线。

②分别加入4mL过硫酸钾消解剂，封紧比色管在高压全自动灭菌锅中120℃加热消解半小时，减压冷却至室温后取出比色管，用超纯水稀释至50mL标线。

③分别加入1mL抗坏血酸溶液(100g/L)混匀，30s后加2mL钼酸盐溶液充分混匀。室温下放置15min后，使用光程为30mm比色皿，在700nm波长下，以超纯水做参比，测定吸光度。

④测得的吸光度扣除空白试验的吸光度后，和对应的磷的含量绘制工作曲线。

1.4.1.3样品测定

分取适量待测样品于50mL具塞比色管中稀释定容至25mL标线，其后处理步骤与校准曲线绘制步骤②，③，④相同。

2.建立数学模型

校准曲线拟合的回归方程：y=a+bx

(1)

式中：y——溶液的吸光度；

x——从曲线查得的总磷含量，mg；

a——回归方程的截距；

b——回归方程的斜率。

水中总磷浓度的计算公式为：c=m/v

(2)

式中：c——水样中总磷浓度，mg/L；

m——由校准曲线计算的含磷量，同式(1)中x，mg；

v——水样体积，mL。

根据检测方法和数学模型分析，各输入量估计值彼此不相关，按不确定度传播率，合成相对标准不确定度表示为：

式中：urel(c标)——标准物质引入的相对标准不确定度；

urel(V)——标准溶液的稀释配制引入的相对标准不确定度；

urel(Q)——水样取样过程产生的相对标准不确定度；

urel(x)——重复测量样品产生的相对标准不确定度；

urel(m)——曲线拟合引入的相对标准不确定度；

urel(R)——方法回收率产生的相对标准不确定度。

3.不确定度分量的来源分析

由检测方法和数学模型分析，其不确定度主要来源有以下几个方面：

3.1　标准物质引入的不确定度

有证标准物质在证书中给出标准值的同时，也给出其扩展不确定度，一般按置信概率p近似95%，k=2，计算出标准物质引入的不确定度。

3.2　标准溶液的稀释配制引入的不确定度

稀释标准溶液时要使用多种玻璃量器，所引入体积测量的不确定度，主要由体积校准、测量重复性、温度变化三个因素构成。

3.2.1体积校准

容量瓶、移液管等容器，其真实的容积并不完全与标称容积一致，其误差有正有负。一般按标准生产的容器器皿的最大误差小于规定的允许差，在GB/T 12805~12808中给出了常用的容器器皿的允许差(Δ)。一般可以把给定的容器容量允许差，按均匀分布换成标准不确定度。

3.2.2测量的重复性

容器充满液体至满刻度时具有变动性，可以通过重复充满溶液，称量并统计其标准差，再按均匀分布换成标准不确定度。

3.2.3温度的变化

因容器器皿及所盛液体受温度变化影响而热胀冷缩，通常仅考虑液体受温度变化的影响。由实际操作时温度变化度数，乘上容器的体积和水的体积膨胀系数2.1×10-4℃-1，再按均匀分布转化成标准不确定度。

3.3　水样取样过程产生的不确定度

取水样的体积不确定度产生原因同上。

3.4　重复测量样品产生的不确定度

将测量数据列进行统计分析，按A类方法评定测量不确定度。

3.5　曲线拟合引入的不确定度

被测物质的浓度是通过标准曲线计算得到，标准曲线线性关系直接影响分析结果的可靠性。用一元线性回归方程计算出标准曲线的剩余标准差，再由各参数算出标准曲线的标准不确定度。

3.6　方法回收率产生的不确定度

水样需消解预处理，必须于120℃加热30min，温度、压力的变化会影响到水样的消解完全与否，消解过程产生的不确定度包括在方法回收率产生的不确定度中。

4.不确定度分量的评定

4.1　标准物质引入的不确定度

从环境保护部标准样品研究所购买的总磷标准溶液，批号102810，质量浓度为500mg/L，相对扩展不确定度为1%，k=2，则相对标准不确定度为：urel(c标)=1% / 2=0.005

4.2　标准溶液的稀释配制引入的不确定度

总磷标准使用液的稀释配制过程使用了A级10.00mL单标线移液管、A级250mL和100mL容量瓶，所引入的不确定度采用B类方法评定。玻璃量器的最大允许误差可从JJG 196-2006《常用玻璃量器检定规程》中差得。

4.2.1使用10.00mL单标线移液管配制标准溶液的不确定度，主要来自以下三方面：

(2)测量的重复性所引入的不确定度。对10.00单标线移液管进行10次定容和称量，结果见表1。

表1　10.00单标线移液管定容实验结果

用贝塞尔公式计算的标准差，即标准不确定度：u2(V10)=s=0.007mL

(3)温度变化带来的不确定度。操作时温度变化为2℃，水体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，按均匀分布考虑，则温度带来的标准不确定度为：

上述三项合成的10.00mL单标线移液管的标准不确定度为：

4.2.2使用250mL容量瓶配制标准溶液的不确定度，主要来自以下三方面：

(2)测量的重复性所引入的不确定度。对250mL容量瓶进行10次定容和称量，结果见表2。

表2　250mL容量瓶定容实验结果

用贝塞尔公式计算的标准差，即标准不确定度：u2(V250)=s=0.029mL

(3)温度变化带来的不确定度。操作时温度变化为2℃，水体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，按均匀分布考虑，则温度带来的标准不确定度为：

上述三项合成的250mL容量瓶的标准不确定度为：

4.2.3使用100mL容量瓶配制标准溶液的不确定度，主要来自以下三方面：

(2)测量的重复性所引入的不确定度。对100mL容量瓶进行10次定容和称量，结果见表3。

表3　100mL容量瓶定容实验结果

用贝塞尔公式计算的标准差，即标准不确定度：u2(V100)=s=0.025mL

(3)温度变化带来的不确定度。操作时温度变化为2℃，水体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，按均匀分布考虑，则温度带来的标准不确定度为：

上述三项合成的250mL容量瓶的标准不确定度为：

综上所述，标准溶液的稀释配制引入的相对标准不确定度为：

=0.0021

4.3　水样取样过程产生的不确定度

使用25.00mL单标线移液管取水样的不确定度，主要来自以下三方面：

(2)测量的重复性所引入的不确定度。对25.00单标线移液管进行10次定容和称量，结果见表4。

表4　25.00单标线移液管定容实验结果

用贝塞尔公式计算的标准差，即标准不确定度：u2(Q)=s=0.008mL

(3)温度变化带来的不确定度。操作时温度变化为2℃，水体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1，按均匀分布考虑，则温度带来的不确定度为：

上述三项合成的10.00mL单标线移液管的标准不确定度为：

=0.020

4.4　重复测量样品产生的不确定度

选取某污水处理厂出水作为样品重复测定10次，结果如表5。

表5　样品重复性测定

计算测量试验标准差，即标准不确定度如下：

实际上，日常监测对水样测量一次，见表5第一个数据x=25.651mg。

则重复测量样品产生的相对标准不确定度为：

根据标准曲线计算待测水样总磷浓度为：

4.5　曲线拟合引入的不确定度

采用2mg/L的总磷标准使用液绘制的标准曲线，数据如表6。

表6　采用2mg/L的总磷标准使用液绘制的标准曲线数据

由表6得出标准曲线y=a+bx，截距a=0.0016，斜率b=0.0275，曲线相关系数r=0.9999，一元线性回归方程为：y=0.0016+0.0275x

根据贝塞尔公式计算标准曲线的剩余标准差：

标准曲线的标准不确定度：

其中：a——标准曲线的截距；

b——标准曲线的斜率；

p——样品测量的次数；

n——曲线上浓度的点数；

m——样品测量的质量，mg；

xi——标准溶液中待测物的质量，mg；

yi——标准溶液扣除空白后的吸光度；

所以曲线拟合引入的相对标准不确定度：

4.6　方法回收率产生的不确定度

水样消解是测定水样中总磷是否准确的重要环节。水样在消解过程中产生的测量不确定度一般难以量化。但是，通过方法回收率试验，可确定各种不易量化的因素所产生的的总误差。当评定了方法回收率的不确定度，水样消解产生的不确定度就包括在其中。

其相对标准不确定度为：

5.合成不确定度

钼酸铵分光光度法测定水中总磷的不确定度分量汇总情况见表7。

表7　不确定度分量一览表

合成相对标准不确定度：

urel(c)=

=0.0480

则合成标准不确定度为：

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

6.扩展不确定度

取包含因子k=2，则扩展不确定度为：

U=kuc=2×0.0494mg/L=0.10mg/L

7.结论分析

(1)钼酸铵分光光度法测定水中总磷，测量结果为1.03mg/L，扩展不确定度为0.10mg/L(k=2)，即样品中的总磷质量浓度为(1.03±0.10)mg/L，k=2。

(2)通过上述对钼酸铵分光光度法测定水中总磷的不确定度分量的分析计算过程，比较各不确定度分量的权重，可知在本方法影响不确定度的因素中，方法回收率产生的不确定度、曲线拟合引入的不确定度、重复测量样品产生的不确定度及总磷标准物质引入的不确定度属于主要不确定度分量，以上这四项不确定度分量，占不确定度总量的97%以上，所以这是评定测量不确定度中，必须考虑的不确定度分量。

工作中采取相应措施，可通过采取提高操作人员的业务技术水平，适当增加样品重复测量次数，多次绘制曲线等方法来降低测量不确定度，提高检测结果的准确性。

参考文献

[1]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].第四版.北京.中国环境科学出版社，2002：243-248.