比色法测定生活饮用水中铁含量不确定的评定

石 冲

（陕西省桃曲坡水库灌溉中心,陕西 铜川 727031）

1 引言

伴随实验室质量管理提升,不确定度的评定越发突显其重要性。测量不确定度能够有效体现分析结果的可靠程度,与原有的误差相比,更便于分析结果的溯源性,在实验室检测工作中具有广泛性和适用性。能够用于衡量实验室内分析结果的满意程度及实验室的检验能力水平[1],体现了分析结果分散程度[2]。

生活饮用水的铁含量其主要来源于工业废水和自然环境的污染。铁含量高低对管道、设备及人体造成一定的影响。因此铁含量作为生活饮用水的重要金属检测指标,生活饮用水卫生标准GB 5749-2006 将其列入常规检测的分析项目。目前常见测定铁分析方法有电感耦合等离子体质谱法[3～4]、电感耦合等离子体发射光谱法[5]、原子吸收分光光度法[6]、分光光度法等。分光光度法投资少、操作简单、易掌握等特点目前仍被广泛使用。本文选用二氮杂菲分光光度法测定生活饮用水中铁含量,依据《JJF 1059-2012 测量不确定评定与表示》[7]《CNAS-GL006: 化学分析中不确定的评估指南》[8]《水和废水监测分析方法第四版》[9],对通过测量过程建立模型分析不确定的来源,提高检测质量控制,保证分析结果的准确度。

2 仪器与试剂

2.1 仪器

容量瓶（A级）；锥形瓶150 mL；移液管瓶（A级）；UV-4802 型分光光度计（尤尼柯（上海）仪器有限公司）。

2.2 试剂

盐酸（1+1）；乙酸-乙酸铵缓冲溶液（pH4.2）；盐酸羟胺溶液（100 g/L）；二氮杂菲溶液（1.0 g/L）；铁标准溶液（GBW08616,1000 mg/L）。

3 方法

3.1 标准曲线

3.1.1 标准储备溶液的制备

标准储备溶液A（100 mg/L）：准确移取铁标准溶液（GBW08616）10.0 mL于100 mL容量瓶中,用去离子水定容摇匀,备用。

3.1.2 标准使用液的制备

标准使用溶液B（10.0 mg/L） ：准确移取标准中间液A 10.0 mL于100 mL容量瓶中,用去离子水定容摇匀,备用。

3.1.3 标准曲线绘制

标准使用溶液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 个150 mL锥形瓶,加去离子水至50 mL,加4 mL盐酸（1+1）和1 mL盐酸羟胺溶液（100 g/L）,在加热板上低温处浓缩至30 mL左右,冷却至温室转移到50 mL比色管中。再加入2 mL二氮杂菲溶液（1.0 g/L）,混匀后加10.0 mL乙酸-乙酸铵缓冲溶液,摇匀定容。

最终得到含铁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的标准溶液系列,在室温静置10 min～15 min,于510 nm波长,2 cm比色皿,以纯水为参比,读取吸光度。依据浓度和吸光度绘制标准曲线,得出线性方程。

3.2 样品测定

根据铁含量取样品体积于150 mL锥形瓶中,补加去离子水至50mL,按照标准溶液步骤显色测量其吸光度。

3.3 测量数学模型

水中铁质量浓度的计算公式：

式中：C为水中铁质量浓度,mg/L；A为测得样品的吸光度；a为标准曲线的截距；b为标准曲线的斜率；V为待测样品取样体积,mL。

3.4 不确定度的来源和分析

按照分析方法进行待测样品中铁含量测量不确定度的主要包括：铁单元素标准溶液引入的不确定、标准曲线拟合过程引入的不确定度、测量重复性引入的不确定度、待测样品前处理引入的不确定度。

3.4.1 铁单元素标准溶液引入的不确定

标准溶液本身的不确定度、配制标准曲线工作时稀释定容过程引入的不确定度。

3.4.2 标准曲线拟合过程引入的不确定度

采用最小二乘法进行曲线拟合,实际很难所有的标准点未必落在拟合后标准曲线上,导致拟合曲线本身具有相应的不确定性,该不确定度可通过公式求得。

3.4.3 测量重复性引入的不确定度

重复性主要为样品移取重复性、定容体积重复性、分析仪器重复性、回收率重复性等,其不确定度分量最终均在分析结果的重复性中体现。

3.4.4 待测样品前处理引入的不确定度

样品消解过程引入的不确定度主要为待测样品移取、加酸溶解、定容摇匀等。

4 不确定度的评定

4.1 标准溶液引入不确定度

4.1.1 标准溶液本身不确度（A类）

铁标准溶液（GBW08616,1000 mg/L）由中国计量科学院生产,对应证书扩展不确定度2 mg/L（K=2）,则标准溶液引入的相对不确定度为：

4.1.2 标准溶液稀释配制引入不确定度 （B类）

（1）配制铁标准储备溶液引入不确定度

用单标线移液管移取铁标准溶液至容量瓶,用去离子水定容。在本次稀释过程中主要不确定度有：

1）确定量器所标识体积时的不确定度：单标线移液管、容量瓶制造商会标明在20℃时最大容量允差,按均匀分布考虑,

2）量器刻度量取溶液体积的变化或重复性：单标线移液管、容量瓶充满液体到刻度的体积变动性可通过重复性实验来评估。对单标线移液管、容量瓶充满10 次并称量的实验,得出标准偏差,可直接用作标准不确定度。

3）量器和溶液温度与量器体积校准时的温度差异：根据制造商提供的信息,该容量瓶已在20℃校准,而实验室的温度在±4℃之间变动。该影响引起的不确定度可通过该温度范围和体积膨胀系数来进行计算。液体的体积膨胀明显大于容量瓶的体积膨胀,因此只需要考虑前者即可。水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1,按矩形分布考虑,

表1 量器允差、重复性、温度分散导致的不确定

配制铁标准储备溶液过程由于体积因素引起的相对不确定度分量为：

（2）配制铁标准使用液引入不确定度（B类）

用单标线移液管移取铁标准中间液至容量瓶,用去离子水定容。本稀释过程不确定的来源及计算方法相同,均使用为10 ml单标线移液管、100 ml容量瓶。因此配制铁标准使用溶液过程由于体积因素引起的相对不确定度分量=0.25%。

4.1.3 合成标准溶液引入的相对不确度

4.2 标准曲线拟合过程引入的不确定度（A类）

待测样品在分光光度计测得其吸光度,依据校准曲线计算出样品中铁的含量。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的标准溶液系列,进行显色后,每个溶液吸光度分别测量2 次。标准溶液浓度值与对应吸光度（已扣除空白值）见表2。

表2 标准溶液浓度值与对应吸光度

得到的数据依据最小二乘法进行拟合,得到标准曲线拟方程为：y=0.4428x-0.0092, r= 0.9994。则得到拟合曲线的剩余标准偏差为：

待测样品测量10 次重复性浓度为0.31 mg/L,则待测样品质量浓度C形成的不确定度（c）为：

4.3 测量重复性引入的不确定度（A类）

重复性主要为样品移取重复性、定容体积重复性、分析仪器重复性、回收率重复性等,其不确定度分量最终均在分析结果的重复性中体现。

对待测样测量重复10次,其结果见表3。

表3 待测样品重复性结果 单位：mg/L

待测样品重复性引入的标准不确定度3= S（）=0.0028 mg /L

4.4 待测样品前处理引入的不确定度

4.4.1 待测样品取样量引入的不确定度（B类）

待测样品取样过程引入的不确定度主要为：移液管本身的不确定度、温度变化导致液体体积变化的不确定度。

（1）移液管本身的不确定度

取样采用A级单标线吸量管50.00 mL,按照厂家标明在20℃时最大容量允差为±0.05 mL,按均匀分布考虑则引入相对不确定度为：

（2）温度变化导致液体体积变化的不确定度

根据制造商提供的信息,该A级单标线移液管已在20℃校准,而实验室的温度在±4℃之间变动。该影响引起的不确定度可通过该温度范围和体积膨胀系数来进行计算。液体的体积膨胀明显大于移液管的体积膨胀,因此只需要考虑前者即可。水的体积膨胀系数为2.1×10-4℃-1,按矩形分布考虑则引入相对不确定度为：

（3）待测样品取样量引入的相对不确定度为：

4.4.2 定容过程引入的不确定度（B类）

待测样品进行加热消解后定容到50 mL具塞比色管。具塞比色管本身引入的不确定度为主要因素,操作温度变化不确定较少并在测量重复性中体现因不在单独考虑。按照《JJG 10-2005 专用玻璃量器检定规程》[11]规定在20℃时最大容量允差为±0.40 mL,按均匀分布考虑,。则引入相对不确定度为：

4.4.3 消解（A类）

待测样品加酸在加热消解过程中被玻璃器皿污染、酸中杂质代入、飞溅、转移过程及溶解不完全等,使得样品溶解具有随机性,导致待测样品中的铁离子最终不能完全进入待测溶液中。此过程引入的不确定度可通过加标回收率试验评定,依据《水和废水监测分析方法》第四版第三篇综合指标和无机污染物第四章金属及其化合物中邻菲啰啉分光光度法中铁的加标回收率为102.6%～97.4%。按照下列公式计算其回收率相对不确定度：

4.4.4 待测样品前处理引入的相对不确定度

5 不确定度分量汇总表

不确定度分量汇总见表4。

表4 不确定度分量汇总表

6 合成不确度、扩展不确度

由上述相对不确定度分量,得到铁含量测定结果的合成相对不确定度为：

取扩展因子为K=2,则相对扩展不确度度为：

7 结果与讨论

1）通过分析过程评定测量结果的不确定度,影响测量结果不确度的因素为铁标准物质、标准溶液配制过程、曲线拟合、待测样品重复性、取样量。

2）通过对不确定度分量的评定,主要因素为曲线拟合求样品浓度和重复性引起的。在实际分析中加强操作规范、用标准溶液进行仪器校准和对应的质量控制,提高检测分析的准确度。