分光光度法測定空氣中氨的不確定度評估

楊華肖

萬子健檢測技術(shù)（上海）有限公司 （上海 201815）

氨是環(huán)境空氣和廢氣質(zhì)量的一個重要監(jiān)測指標(biāo)。作為大氣中唯一的堿性氣體，氨氣極易與大氣中的二氧化硫和氮氧化物反應(yīng)生成二次無機(jī)氣溶膠，是霧霾的主要元兇之一。目前實驗室常用的檢測方法有納氏試劑分光光度法和次氯酸鈉-水楊酸分光光度法，納氏試劑分光光度法的優(yōu)點(diǎn)是反應(yīng)迅速、操作簡單，但是其檢測結(jié)果受諸多因素的影響。

不確定度是指由測量誤差引起的測量值的不確定度，用以描述合理分配給被測量值的離散度真值所在范圍。它是測量結(jié)果質(zhì)量的指標(biāo)，是得到準(zhǔn)確、可靠、高質(zhì)量檢測結(jié)果的重要保證。根據(jù)CNAS-CL01:2018《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》，在測量不確定度與檢測結(jié)果的有效性或應(yīng)用有關(guān)時，檢測報告應(yīng)帶有相同單位或相對形式的測量不確定度[1]。不確定度評估可以直觀展示測量氨不確定度的主要來源，為進(jìn)一步提高實驗精確度和精密度提供依據(jù)[2]。本研究根據(jù)HJ 533—2009《環(huán)境空氣和廢氣氨的測定納氏試劑分光光度法》，采用納氏試劑分光光度法測定空氣中氨的含量，并根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》及第1 號修改單，對檢測結(jié)果進(jìn)行不確定度評估。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

T6 新世紀(jì)紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器有限責(zé)任公司；ME 204/02 電子天平，梅特勒-托利多國際有限公司；SYNSVHF00 純水器，默克生命科學(xué)技術(shù)有限公司。

氨標(biāo)準(zhǔn)溶液：產(chǎn)品編號為BW2025-1000-100，批號為B23020306，質(zhì)量濃度為1 000 mg/L，擴(kuò)展不確定度k＝2，1%，基體為水，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司。

主要試劑：納氏試劑，天津基準(zhǔn)化學(xué)試劑有限公司；酒石酸鉀鈉，上海滬試化學(xué)試劑有限公司；硫酸（ρ＝1.84 g/mL），國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。以上試劑均為分析純。

1.2 分析步驟

標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制：先用純水配制質(zhì)量濃度為20 μg/mL 的氨標(biāo)準(zhǔn)使用液，再準(zhǔn)備7 支潔凈的10 mL具塞比色管，按表1 配制標(biāo)準(zhǔn)系列溶液。

表1 氨標(biāo)準(zhǔn)系列溶液

在各管中分別加入0.50 mL500 g/L 的酒石酸鉀鈉溶液，搖勻后加入0.50 mL 納氏試劑，搖勻并放置10 min 后，以純水作參比，用10 mm 比色皿，在420 nm 波長下測定吸光度[3]。以氨含量為橫坐標(biāo)，扣除吸收液空白的吸光度為縱坐標(biāo)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線[3]。

樣品測定：取一定量樣品溶液置于10 mL 比色管中，少于10 mL 時用吸收液稀釋至10 mL，其余操作同標(biāo)線。

2 不確定度分析

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

式中：ρ 為樣品中氨的質(zhì)量濃度，mg/m3；A 為樣品的吸光度；A0為與樣品吸收液同批配制的空白吸收液的吸光度；a 為校準(zhǔn)曲線截距；b 為校準(zhǔn)曲線斜率；vs為吸收液的總體積，mL；v0為分析時的取樣體積，mL；vnd為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（101.302 kPa，273 K）下氣體樣品的體積L。

2.2 不確定度來源分析

對實驗全過程進(jìn)行分析，可知不確定度的來源主要有：（1）標(biāo)準(zhǔn)溶液，即標(biāo)準(zhǔn)溶液純度引入的不確定度；（2）量器，包括樣品稀釋過程中所用量器的不確定度及溫度引起的量器不確定度；（3）標(biāo)準(zhǔn)曲線，使用最小二乘法曲線擬合所產(chǎn)生的不確定度；（4）采樣過程，主要指由采樣體積引入的誤差，包括流量顯示器、溫度、氣壓；（5）重復(fù)性，樣品處理過程中隨機(jī)效應(yīng)引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液純度引入的不確定度

測定所用氨標(biāo)準(zhǔn)溶液，質(zhì)量濃度為1 000 mg/L。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)溶液證書，擴(kuò)展不確定度為1%（k＝2）。均勻分布轉(zhuǎn)化為相對不確定度的過程如下：

2.2.2 量器引入的不確定度

2.2.2.1 量器的不確定度

在制備標(biāo)準(zhǔn)系列溶液時，先使用5 mL 經(jīng)檢定的單標(biāo)線吸量管移取5.00 mL 氨標(biāo)準(zhǔn)儲備液，置于經(jīng)檢定的250 mL 單標(biāo)線容量瓶中，配制成標(biāo)準(zhǔn)使用液。再使用2 mL 經(jīng)檢定的分度吸量管分別吸取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)使用液配制成各個質(zhì)量濃度溶液。根據(jù)檢定證書，按矩形分布計算稀釋過程中的不確定度，如表2 所示。

表2 氨標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋過程中量器的不確定度

配制氨標(biāo)準(zhǔn)溶液時，稀釋過程使用量器所產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度：

在標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋過程中，玻璃器皿使用溫度引起的不確定度是指其與標(biāo)定溫度不同而引起的不確定度。已知水的膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃，玻璃器皿標(biāo)定溫度為20 ℃，溫度變化范圍為±5 ℃，按正態(tài)分布計算，在95%置信概率時，k＝1.96。由實驗室溫度引起的不確定度見表3。

表3 氨標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋過程中溫度引起的不確定度

配制標(biāo)準(zhǔn)溶液稀釋過程中實驗室溫度產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)合成不確定度：

綜上，量器引入的不確定度為：

2.2.3 曲線擬合時產(chǎn)生的不確定度

按標(biāo)準(zhǔn)要求繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，得到7 個梯度質(zhì)量濃度的氨含量和吸光度，如表4 所示。

表4 氨樣品溶液重復(fù)測定值

表4 標(biāo)準(zhǔn)溶液吸光度測定值

由表3 進(jìn)行線性擬合得到的校準(zhǔn)曲線為y＝0.016 64x-0.001 54，相關(guān)系數(shù)為0.999 6。按照實驗方法對樣品溶液重復(fù)測定6 次，根據(jù)線性方程計算得到各次測量的含量，平均值為m＝9.90 μg。根據(jù)CNAS-GL006：2019《化學(xué)分析中不確定度的評估指南》，曲線擬合時引起的不確定度按公式[4]計算：

式中：SR為從擬合直線求得的A 與Aj測試值之差按貝塞爾公式求出的標(biāo)準(zhǔn)偏差；B1為擬合的標(biāo)準(zhǔn)線性方程的斜率，、值為0.016 64；Aj為各標(biāo)準(zhǔn)溶液測定的吸光度值；為回歸方程計算值，即理論吸光度值。

產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)域的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)程度較弱會導(dǎo)致模仿盛行，進(jìn)而形成“劣幣驅(qū)逐良幣”，創(chuàng)新型企業(yè)就會逐步失去競爭的機(jī)會。利用中國各地區(qū)面板數(shù)據(jù)對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)水平與產(chǎn)業(yè)集聚之間的關(guān)系進(jìn)行實證檢驗，計量結(jié)果顯示，對知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)水平與產(chǎn)業(yè)集聚之間呈現(xiàn)顯著的正向關(guān)系，提高知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)水平有助于促進(jìn)經(jīng)濟(jì)活動的集聚。

將表3 中的數(shù)據(jù)帶入公式（2）、（3）：

式中：P為樣品測試的次數(shù)（P＝6）；n 為標(biāo)準(zhǔn)溶液試驗總次數(shù)（n＝21）；m 為樣品中氨的含量，μg；m 為校準(zhǔn)液的平均含量，其值為15.4 μg；mj為各標(biāo)準(zhǔn)溶液中氨的含量，μg。

由標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.2.4 采樣過程引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積換算公式為：

式中：v 為采樣體積，L；p 為采樣時大氣壓，kPa；t 為采樣溫度，℃[3]。

由上式可知，采樣過程中由采樣體積引入的誤差來自于采樣器、溫度計、氣壓表。

2.2.4.1 采樣器引入的不確定度

采樣器引起的不確定度包括流量計和計時器，通過查閱校準(zhǔn)證書（2022I20-10-4065440004），采樣器流量計擴(kuò)展不確定度為1.2%，k＝2，則流量計的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

計時器擴(kuò)展不確定度為0.01%，k＝2，則計時器的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

綜上，采樣器引入的不確定度為：

2.2.4.2 溫度計引入的不確定度

根據(jù)溫度計的檢定證書（2022E13-10-4065512001），溫度計的擴(kuò)展不確定度為0.3，k＝2。以實測溫度為20 ℃計，按均勻分布計算，其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.2.4.3 氣壓表引入的不確定度

氣壓表的示值誤差，根據(jù)檢定證書，其產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計。

采樣過程引入的不確定度匯總：

2.2.5 重復(fù)性引起的不確定度

進(jìn)行6 次重復(fù)實驗，樣品得到6 次測定結(jié)果，如表4 所示。

計算標(biāo)準(zhǔn)差公式：

標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式：

則相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3 合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度

3.1 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

基于實驗室數(shù)據(jù)驗證，得到納氏試劑分光光度法測定環(huán)境空氣和廢氣中氨的不確定度各分量，如表5 所示。

表5 納氏試劑分光光度法測定環(huán)境空氣和廢氣中氨的不確定度

利用相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算得到合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

因此，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

3.2 擴(kuò)展不確定度

根據(jù)CNAS-GL006:2019，將合成的標(biāo)準(zhǔn)不確定度與所選的包含因子相乘得到擴(kuò)展不確定度，擴(kuò)展不確定度需要給出一個期望區(qū)間，合理賦予被測量數(shù)值分布的大部分會落在此區(qū)間內(nèi)[4]。大多數(shù)情況下，推薦k 為2[4]。在置信概率為95%時，取包含因子k＝2，則納氏試劑分光光度法測定環(huán)境空氣和廢氣中氨的擴(kuò)展不確定度為：

綜上可得，本實驗室測得環(huán)境空氣和廢氣中氨的含量為（9.90±0.31）μg/10 mL，k＝2。為驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性，使用中國安全生產(chǎn)科學(xué)研究院生產(chǎn)的水中氨質(zhì)控溶液［批號為20220401，標(biāo)準(zhǔn)值及擴(kuò)展不確定度為（20.1±1.12）μg/10 mL，k＝2］，按照樣品的測定步驟進(jìn)行了6 次測定，平均值為20.2 μg/10 mL，符合標(biāo)準(zhǔn)值的要求，說明檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

4 結(jié)語

使用納氏試劑分光光度法測定環(huán)境空氣和廢氣中氨的含量，測定結(jié)果為9.90 μg/10 mL；根據(jù)國家計量技術(shù)規(guī)范對結(jié)果的不確定度進(jìn)行評估，得到納氏試劑分光光度法測定環(huán)境空氣和廢氣中氨含量擴(kuò)展不確定度為0.31 μg/10 mL（k＝2）。通過實驗室對氨含量測定結(jié)果的不確定度分析，發(fā)現(xiàn)采樣過程產(chǎn)生的不確定度和曲線擬合時產(chǎn)生的不確定度是影響結(jié)果的主要因素。因此，實驗人員在日常檢測活動中應(yīng)特別注意這兩個方面，以便提高結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。