電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測(cè)定土壤中總Fe 不確定度評(píng)定

劉鑫業(yè)，李雪力，段倩

（1.青島飛如科技有限公司，山東青島 266000；2.山東工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，山東濟(jì)南 250200）

鐵元素主要集中在葉綠體中，直接或間接參與葉綠體蛋白質(zhì)的形成，是葉綠素形成和光合作用不可缺少的元素之一。由于酸性土壤有效鐵含量高，植物一般不會(huì)有缺鐵的現(xiàn)象；而石灰性土壤及磷含量高的土壤，植物常出現(xiàn)缺鐵癥狀。造成土壤缺鐵的主要原因有土壤金屬離子如銅或錳過(guò)多，土壤中有過(guò)多的磷，土壤pH 值高、CaCO3含量高，以及土壤濕度大、溫度低等。石灰性土壤用鐵作為指標(biāo)，能有效判斷土壤鐵的供應(yīng)情況，區(qū)分出缺鐵和不缺鐵的土壤，有助于后期有針對(duì)性地對(duì)土壤成分進(jìn)行改良。ICP-AES 常用于測(cè)定土壤中常量及微量元素，具有檢測(cè)效率高、靈敏度高、精密度好、干擾少、操作方便等優(yōu)點(diǎn)。所以土壤中總鐵含量的測(cè)定首選ICP-AES[4]。檢測(cè)方法的準(zhǔn)確可靠性至關(guān)重要，測(cè)量結(jié)果的不確定度是評(píng)價(jià)一種檢測(cè)方法能力優(yōu)劣的指征，能對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)，為質(zhì)量分析提供可靠的理論依據(jù)；不確定度的評(píng)估也是國(guó)際檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室之間互認(rèn)和通用準(zhǔn)則接軌的基礎(chǔ)。同時(shí)該方法也是通過(guò)ISO/IEC 17025 認(rèn)可的必要條件之一[1]。鑒于此，本試驗(yàn)以改良土壤成分、預(yù)防植物缺鐵為目的，使用ICP-AES 法測(cè)定土壤中總鐵為例，對(duì)ICP-AES 法測(cè)定土壤中總鐵檢測(cè)方法的不確定度進(jìn)行評(píng)定[2,5]，確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，并為檢測(cè)質(zhì)量控制提供依據(jù)[3]。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

氫氟酸49%、硝酸70%、高氯酸70%，均為優(yōu)級(jí)純，天津科密歐化學(xué)試劑公司生產(chǎn)；高純氬氣，純度99.999%。

鐵元素標(biāo)準(zhǔn)溶液，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心（GSB 04-1767-2004），質(zhì)量濃度為100 μg/mL，擴(kuò)展不確定度為2.0 μg/mL（k=2）。

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，Thermo iCAP 6300；電子天平，賽多利斯BSA224S；超純水機(jī)，賽多利斯arium comfort Ⅱ。

1.2 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取經(jīng)研磨篩選后的試樣（土樣）0.2 g（精確至0.0001 g）于100 mL 聚四氟乙烯燒杯中[6-7]，分別加入49%氫氨酸、35%硝酸至溶解，再加入1 mL 高氯酸并冒盡高氯酸白煙后冷卻。然后加入2%硝酸5 mL 使殘?jiān)耆芙?，?%硝酸定容至100 mL。以1.0 mL 超純水為樣品空白，并按上述前處理方式進(jìn)行處理。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

配制質(zhì)量濃度為1、5、20 μg/mL 鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液，以2%硝酸作為標(biāo)準(zhǔn)空白。進(jìn)樣，根據(jù)結(jié)果繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 儀器條件

功率：1150 W；載氣流速：0.5 L/min；泵速：50 r/min；積分時(shí)間：長(zhǎng)波5 s、短波10 s；霧化器壓力：70 kPa[8]。采用基體匹配，在ICP-AES 上，分別以259.940 nm 為分析線波長(zhǎng)，測(cè)量Fe 的發(fā)射光譜強(qiáng)度，用標(biāo)準(zhǔn)曲線法分別計(jì)算Fe 元素的含量[9]。

2 模型建立與來(lái)源

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

土壤中的鐵元素可分為兩大類，一類為土壤礦物質(zhì)晶界外的鐵元素，一類為土壤礦物質(zhì)晶界內(nèi)的鐵元素，本文以測(cè)定總鐵為模型即兩種類型的總和。土壤中的鐵含量計(jì)算公式見(jiàn)式（1）。

式中：Ws-試樣中被測(cè)Fe 元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；Xs-扣減空白后試樣溶液被測(cè)Fe 元素質(zhì)量濃度，%；Vs-試樣溶液體積，mL；ms-試樣質(zhì)量，g。

2.2 不確定度分量來(lái)源

A.多次重復(fù)測(cè)量引入的重復(fù)性不確定度u1。B.試料稱量引入的不確定度分量um；試料溶液體積不確定度uv；試料溶液被測(cè)元素質(zhì)量濃度不確定度ux；有證標(biāo)液已知的不確定度。具體見(jiàn)圖1。

3 不確定度分量的評(píng)定

3.1 A 類不確定度的評(píng)定（u1）

由于測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度分量u1，采用A 類評(píng)定。在相同條件下重復(fù)測(cè)量樣品鐵元素11 次，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 Fe 元素重復(fù)測(cè)定結(jié)果Table 1 Repeated determination of Fe

由表1 中的數(shù)據(jù)得到鐵元素標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=400 900X-1525.6，R2=0.999 988，斜率為400 900，截距為-1525.6，相關(guān)系數(shù)0.999 988。試液測(cè)量結(jié)果的質(zhì)量濃度算術(shù)平均值：

測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差見(jiàn)公式（2）。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u1，計(jì)算公式見(jiàn)公式（3）（4）。

3.2 B 類不確定的評(píng)定（um）

3.2.1 試料稱量不確定度（um）

電子天平檢定證書(shū)最大允許誤差為±0.1 mg，可視為矩形分布，因稱量采用的是直接稱量法，所以稱量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度見(jiàn)公式（5）（6）。

3.2.2 試料溶液體積不確定度uv

量具校準(zhǔn)引入的校準(zhǔn)不確定度u1（V）：本試驗(yàn)使用的100 mL 容量瓶，其檢定證書(shū)顯示符合A 級(jí)，查JJG 196—2006，得到其在20 ℃時(shí)的最大容許差為±0.10 mL，認(rèn)為其服從均勻分布，則：

溫度影響產(chǎn)生的不確定度u2（V）：查JJG 196—2006得，檢定容量瓶的溫度為20 ℃，而實(shí)驗(yàn)室的溫度為（20±5）℃。水的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃。因此產(chǎn)生的體積變化為100×5×2.1×10-4=0.105 mL，認(rèn)為其符合矩形分布，則：

體積不確定度分量為：

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液被測(cè)元素質(zhì)量濃度不確定度u(xi)

標(biāo)準(zhǔn)溶液各被測(cè)元素的質(zhì)量濃度為見(jiàn)公式（7）。

式中，xi-標(biāo)準(zhǔn)溶液各被測(cè)元素的質(zhì)量濃度，ρ-標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液各被測(cè)元素的質(zhì)量濃度，V移取-用移液管移取各被測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液的體積，V定容-定容后各被測(cè)元素標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積。

標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液的質(zhì)量濃度不確定度uρ(xi)：由國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心（GSB 04-1767-2004），其標(biāo)物證書(shū)表明，質(zhì)量濃度為100 μg/mL，擴(kuò)展不確定度為2.0 μg/mL（k=2），則：

其相對(duì)不確定度為：

3.2.3.1 移液過(guò)程中引入的不確定度uV移取(xi)

鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液稀釋制備成鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液，由移液過(guò)程引入的不確定度有兩部分組成：

（1）校準(zhǔn)不確定度u1(V移取)

稀釋時(shí)使用5 mL 移液管，由檢定證書(shū)得，允許差為0.015 mL，認(rèn)為其為正態(tài)分布，則：

（2）溫度影響產(chǎn)生的不確定度u2(V移取)

實(shí)驗(yàn)室溫度在±5 ℃變化，水體積變化為：5×5×2.1×10-4=0.005 25 mL，自由度為∞，按矩形分布處理。

合并以上兩項(xiàng)，得到移液過(guò)程中引入的不確定度為：

移液過(guò)程中引入的相對(duì)不確定度為：

3.2.3.2 定容過(guò)程中引入的不確定度uV定容(xi)

將鐵標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液稀釋制備成鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液，定容于100 mL 容量瓶，可按3.2.2 介紹進(jìn)行計(jì)算為定容過(guò)程中引入的相對(duì)不確定度為：

那么標(biāo)準(zhǔn)溶液被測(cè)元素質(zhì)量濃度的相對(duì)不確定度為：

3.2.4 回歸方程擬合引起的不確定度u(xs)

實(shí)驗(yàn)中分別配制質(zhì)量濃度為1、5、20 μg/mL 鐵標(biāo)準(zhǔn)溶液，在ICP-AES 上進(jìn)行測(cè)量11 次，回歸方程得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。表2 顯示了各標(biāo)準(zhǔn)溶液及試樣溶液的測(cè)定結(jié)果。

本次鐵標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率為400 900，截距為-1525.6，相關(guān)系數(shù)0.999 988。

根據(jù)化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南[10],回歸直線的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差按公式（8）計(jì)算：

式中，yi-各濃度點(diǎn)測(cè)得的響應(yīng)值，xi-各質(zhì)量濃度點(diǎn)的濃度值，N-回歸直線濃度點(diǎn)總數(shù)。

被測(cè)樣品濃度xs的不確定度為：

將有關(guān)量值代入得到試料溶液的鐵質(zhì)量濃度的合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的測(cè)定結(jié)果Table 2 Repeated determination of Fe standard solution

3.3 樣品中鐵被測(cè)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算

將上面所得的試料稱量不確定度umrel、試料溶液體積不確定度urel和試料溶液被測(cè)元素質(zhì)量濃度不確定度urel(xs) 的相對(duì)不確定度的結(jié)果代入JJF1059 中第20 個(gè)公式中[3]，得出試樣中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.5 擴(kuò)展不確定度

擴(kuò)展不確定度等于包含因子乘以合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取k=2，則：

3.6 評(píng)定結(jié)果

被測(cè)樣品中鐵元素為13.09 μg/mL 的測(cè)量不確定度為0.09 μg/mL，是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.045 μg/mL 乘以2 得到的。用ICP-AES 測(cè)定土壤中總鐵的結(jié)果報(bào)告形式為CFe=(13.09±0.09) mg/L，k=2。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ICP-AES 測(cè)定土壤中總Fe 含量的不確定度評(píng)定可以發(fā)現(xiàn)，該方法的不確定度主要來(lái)源有樣品稱量引入的不確定度、測(cè)量重復(fù)性導(dǎo)致的不確定度、樣品定容誤差引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制、線性曲線擬合帶來(lái)的不確定度等諸多方面[11]。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中應(yīng)對(duì)影響外標(biāo)法定量和復(fù)測(cè)過(guò)程中的各種影響因素嚴(yán)格把控，盡量降低結(jié)果的不確定度。同時(shí)還論證得出，使用ICP-AES 測(cè)定土壤中總Fe 具有檢測(cè)效率高、靈敏度高、精密度好、干擾少、操作方便等優(yōu)點(diǎn)[12]，可以首選ICPAES 對(duì)土壤中的總鐵含量進(jìn)行準(zhǔn)確定量，快速有效地判斷土壤鐵的供應(yīng)情況，以可靠的數(shù)據(jù)支撐后期有針對(duì)性的土壤改良方案，提前預(yù)防并避免種植的農(nóng)作物因缺少鐵元素導(dǎo)致的諸多問(wèn)題。本文在測(cè)試條件和設(shè)備情況未作變化時(shí)，結(jié)果可直接應(yīng)用到實(shí)際方法評(píng)價(jià)中，也可對(duì)類似檢測(cè)方法的不確定度評(píng)定起到借鑒的作用。