中国近海沉积物氮和有机碳标准物质的研制

白亚之，朱爱美，崔菁菁，施美娟，高晶晶，张 俊

(国家海洋局第一海洋研究所，海洋沉积与环境地质国家海洋局重点实验室，山东 青岛 266061)

海洋沉积物标准物质不仅仅是测试沉积物中元素含量的对比标准，也是地球化学测试中量值同一的重要依据，可用于日常分析中质量控制，是分析仪器的校正标准[1-4]。我国的海洋沉积物标准物质的研制虽然起步较晚，但现在也研制出一部分海洋沉积物、水系沉积物等标准物质，目前的海洋类标准物质中定值的元素也都在逐步地增加，以满足我国海洋科研及海洋开发等的需求[5]。由于受到分析方法精度的限制，氮、有机碳的含量定值有一定的难度。到目前为止，我国的海洋沉积物标准物质除了近海的GBW 07314、深海的GBW 07316、黄海的GBW 07333和一部分水系沉积物的有机碳给出定值外，其他的标准物质给出的都是参考值，而非定值[6-7]，而且并未对不同海区不同沉积物类型进行研制。

大陆架和经济专属区是我国领土的主要组成部分，由于各个海域沉积物的来源、气候环境、水动力条件及沉积环境等因素的影响不同，沉积物成分变化较大，沉积物机体对分析结果的干扰也就不同；并且在一些国家已经可以做到在不同的海洋功能区域内使用不同种类的海洋标准物质[8-10]，我国近海极度缺乏沉积物氮和有机碳的二级标准物质。

本文针对当前我国海洋标准物质的需求，开展了不同海域不同沉积物类型的标准物质研制工作。本课题组在中国渤海、黄海、东海和南海四大海区采集沉积物标准物质的候选物，通过多实验室合作，采用多种分析技术(元素分析、氧化热解-气相色谱、氧化热解-电位法等)，对四大海区不同沉积物类型的近百个样品进行总氮(TN)、总碳(TC)、总有机碳(TOC)含量和常量微量元素分析，科学、准确地对分析方法和分析结果进行评价，制备我国近海沉积物全氮、有机碳国家二级标准物质，满足近年来海洋地质调查对海洋全氮、有机碳标准物质的需要，以利于各个海域的科研和经济活动。

1 样品的采集和制备

1.1 样品的采集制备与特征

所需样品均来源于“我国近海海洋综合调查和评价(908专项)”中各个航次得到的各海区表层沉积物，样品的采集以抓斗和箱式取样器为主的采样方式，采集后置于塑料袋，袋口扎紧于-20℃储库保存。图1为四大海区取样站位。其中，渤海选取5个沉积物类型的样品：砂、黏土质粉砂、粉砂质砂、粉砂、砂质粉砂，记为GSBS-1～GSBS-5；黄海选取6种类型：砂、黏土质粉砂、粉砂质黏土、粉砂、黏土、砂质粉砂，记为GSYS-1～GSYS-6)；东海选取2种类型：粉砂、黏土质粉砂，记为GSES-1～GSES-2；南海选取3种类型：砂、砂质粉砂、粉砂，记为GSSS-1～GSSS-3。每种样品取相邻站位的4个或者5个样品，去除了贝壳等杂质,备用。

图1 中国四大海区沉积物取样站位

1.2 样品的制备

置于冷库中保存的样品需要进行冷冻干燥72 h，水分大致会去除90%以上。然后将同一海区相邻的4个或者5个样品称取125 g或100 g进行混合，使用球磨机对以上混合的样品研磨至74 μm(200目)，过筛后筛上样品继续研磨直到完全过筛，过筛后样品再利用球磨机混匀。每50 g样品装一个小瓶，每个标准物质有10瓶，避光保存。样品加工流程如图2所示。

图2 样品的加工流程

2 样品均匀性检验

2.1 抽样方法

样品分装为10个小瓶，对每个标准物质都各取10个样品进行瓶间均匀性检验，并随机选择一个小瓶选取不同部位的5个样品进行瓶内均匀性检验。抽出的15个样品每个都做两次平行测试，取其平均值。

2.2 分析方法及测试

2.2.1 元素分析仪分析总氮总碳总有机碳含量

样品的总氮、总碳、总有机碳含量用Vario EL Ⅲ型元素分析仪(德国Elementar公司)进行测定[11]。样品在冷冻干燥后研磨至74 μm，1 g粉末原样先用2 mL的1 mol/L盐酸超声波3 h除去无机碳，其中2 mL盐酸分两次添加。干燥后取40～80 mg，用锡舟包裹置入元素分析仪中，采用CN模式分析表层沉积物中的总有机碳含量，原样在<60℃的温度下烘干2 h，取40～80 mg，直接用元素分析仪进行总碳、总氮含量的测定。同时处理水系沉积物标准物质GBW 07309 (GSD-9)作为监控样，仪器测量的含量单位为%。

2.2.2 氧化热解-气相色谱法分析总氮总碳含量

样品的总氮、总碳含量参考文献[12]方法进行测定。方法具体步骤为：准确称取0.1～0.2 g试样于25 mL烧杯中，用蒸馏水湿润，加入2 mL 1.2 mol/L盐酸，置于电热板上煮沸，除去无机碳取下，用333定量慢速滤纸过滤，用水冲洗3次，滤纸连同沉积物放入80℃烘箱中烘干，取出后转入热解管中，加入50 mg高锰酸钾,抽取真空30 s后用止血钳夹紧乳胶管，使热解管处于真空状态，将热解管放入热解炉中热解。取出后冷却至室温，冲入氩气至管内压力与大气压平衡，放置10 min，用进样器抽取一定体积进入气相色谱仪，用热导检测器检测，用峰面积(或峰高)计算结果。

2.2.3 氧化热解-电位法分析总有机碳含量

样品的总有机碳含量参考文献[13]的方法进行测定。方法大致过程为：在富氧条件下，样品在1000℃下分解燃烧，碳酸盐中的碳和有机质都生成CO2，将CO2导入NaOH溶液洗手池中吸收，同时测定吸收池溶液的电位变化，用标准曲线法计算样品中的总碳含量。用稀盐酸预先分解样品中的碳酸盐，除去无机碳后再测定样品中的碳含量，从而测定样品中的有机碳。

2.3 均匀性检验统计量及结果

良好的均匀性是标准物质必须具备的基本条件，它是保证标准物质全部分析结果一致性的前提。按照规范的要求，对均匀性检验的测定结果应该按照方差分析法进行统计检验，即计算F值。根据自由度及给定的显著性水平，可由F值表查得F的临界值。若F的测定值小于临界值Fα，即认为样品是均匀的。基本计算公式如下。

v1=m-1，v2=N-m

表1 均匀性检验方差分析结果

在此系列的标准物质中，总氮和总有机碳含量的分布是均匀的，虽然样品GSSS-2的总有机碳含量的F测定值较大，但从RSD值来看，精密度较好，与仪器精度处于相同量级，相对极差也不大，反映在浓度上的变化并不显著。有几个样品总碳含量的F测定值在瓶间有一定的差异，但是在瓶内是均匀的，从另一个方面来看，各个样品的RSD值均较小，均小于日常的分析误差，因此可以认为此系列的标准物质是均匀的。

3 样品稳定性检验

标准物质的稳定性是被测特性量随件事变化的描述，按照时间顺序进行的测量结果在测量方法的随机不确定度范围内波动，则该特性量值在试验的时间间隔内是稳定的，该试验间隔可作标准物质的有效期。国内外对一级标准物质的贮存稳定期要求在一年以上，国家二级标准物质有效期应在半年以上，或能满足实际测量的需要。本试验按照先密后疏的时间原则，将总氮、总碳、总有机碳的含量作稳定性曲线。

自此批标准物质研制后一年多时间内，根据先密后疏的原则对标准物质中的总氮、总碳、总有机碳含量分别进行多次测定，每次做4次重复测定，时间分别30天、60天、90天、120天、210天、300天、390天。由图3可知，不同时间4次分析结果的平均值均在正常的分析误差和标准值的不确定度范围内，无明显偏向性变化，无明显的上升或下降趋势，表明样品稳定性良好。

我国行业标准DZ 0130.6—94《地质矿产实验测试管理规范—1∶5万和1∶20万化探样品分析质量要求和检查办法》中第6.4.1.3规定，对分析方法的准确度、精密度进行检验时，应分析国家标准物质，被选用的方法应对GBW系列中12个标准样品中每个样品进行10次分析，准确度与精密度应满足表2的要求[14]。由表3的数据可见，在均匀性和稳定性检验中所有的RSD值都<8%，说明在以上的检验均满足地矿部的质量要求，所制得的标准物质样品均匀、稳定，均可以进行总氮、总碳、总有机碳含量的定值。

表2 精密度监控限

表3 分析标准物质的总氮、总碳、总有机碳含量的精密度

4 数理统计及定值

用数理统计方法处理汇总分析数据，从而确定标样各组分的最佳值，是标准物质研制工作的重要组成部分。本课题按照工作细则，要求各单位对每个测试项目每种分析方法，提供3个或3个以上重现性良好的分析数据，数据处理的步骤如下。

4.1 离群值的检验

数据汇总后以组均值为基础整理各协作实验室报出的数据，采用Dixon或Grubbs方法检验数据集的离群值，离群值的剔除准则是两种方法均判为离群值时就剔除。对剔除离群值后的数据用夏皮罗-威尔克法(Shapiro-Wilk)进行等精度检验，并对组数据进行正态分布检验。将统计处理后的数据先计算其算术平均值、标准偏差(SD)和相对标准偏差及不确定度，然后以算术平均值作为标准值,以标准偏差作为不确定度的估计值。

按照Grubbs检验法进行检验，统计量定义为：

从表4可以看出，当实验数据组m=30，显著性水平α=0.05，临界值tα=2.74，表中各个样品总氮、总碳、总有机碳的t1、t2值应该小于tα，表明所有数据无离群值，可全部参加定值。

表4 各标准物质定值数据的离群数据检验结果

4.2 定值数据的正态性检验

采用夏皮罗-威尔克法(Shapiro-Wilk)对数据分布特性进行正态性检验，将定值数据按由小到大的顺序排列，检验的统计量(W)可表达为：

式中的下标K值，对于测量次数n是偶数时，则K为1-n/2；对于测量次数n是奇数时，则K为1-(n-1)/2。式中系数αK是与n和K有关的特定值，在相应的表中可查到。

统计量的判别依据是：当置信概率P取95%时，如计算统计量W>W(n,P)时，数据为正态分布。当W值介于置信概率95%和99%的列表值之间时，视为近似正态分布；W值小于置信概率99%的列表值时，视为非正态分布。W(n,P)与测量次数n和置信概率P有关，其值可在专用表中查到。由表4中的数据计算的统计量列于表5。

表5 正态性检验结果

通过计算求出总氮、总碳、总有机碳的W值均大于W(30,0.95)=0.927，表明它们都服从正态分布,可采用算术平均值法定值。

4.3 计算总平均值及其总标准偏差s总和总不确定度U

在ISO导则35和国家一级标准物质研制规范的基础上，采用鄢明才[15]提出的地球化学标准物质不确定度估算方法，A类不确定度以各个实验室定值数据平均值的标准偏差、测量次数及95%的置信水平得到uα作为第一部分不确定度的估算值(包含了样品分解、分离富集、测量全过程的误差)。用定值分析方法平均值间的误差估计B类不确定度。总扩展不确定度(U)估算：

式中，s为实验室平均值数据间的标准偏差；N为实验室平均值数据数；R为分析方法平均值数据间的极差；m为参与统计的分析方法数。

标准物质的定值结果一般表示为：标准值±总不确定度[16]。本课题组所制备的这一系列的中国近海沉积物标准物质的研制过程符合国家标准[17]的要求，给出了氮、有机碳的定值结果。最终的定值结果见表6。该系列标准物质的均匀性、稳定性良好，定值数据客观、准确、可靠，可作为相关设备校准、分析方法评价及监控分析各种沉积物类型的海洋沉积物总氮、总碳、总有机碳含量的质量测量标准，并且完全可以满足本单位在日常测试过程中对监控样品的需要。

表6 各标准物质的标准值和不确定度

5 结语

在本系列标准物质的制备过程中，采用多实验室、多方法进行联合定值测试，15个标准物质定值的3个组分(总氮、总碳、总有机碳)均给出了标准值。本研究为了保证定值的准确性，选择了国内权威的3家实验室参与定值。定值测试的实验室数量符合国家标准物质研制规范的要求。在方法选择上，应用了准确度高的方法，不确定度估算依据ISO导则和国家标准物质的要求进行，给出的不确定度合理，采用元素分析仪对所有定值成分进行均匀性检验，所有元素均匀性达到国家标准物质的要求。

现有的海洋沉积物标准物质有黄海海洋沉积物标准物质GBW 07333和GBW 07334，其中GBW 07333给出了有机碳的含量标准值；南海海洋沉积物标准物质GBW 07335和GBW 07336，只给出了有机碳的参考值；还有一些近海的沉积物标准物质，给出的有机碳定值比较少。本文针对不同海区的标准物质进行了研制，增添了渤海和东海的沉积物标准物质，并且对不同沉积物类型的标准物质的研制进行初步探讨。在今后的工作中仍然需要逐步开展不同海区不同沉积物类型的沉积物标准物质研制工作，推动着我国近海沉积物总氮、有机碳的标准物质形成一个体系，以满足近年来我国海洋地质调查工作对总氮、有机碳标准物质的需求。

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