电感耦合等离子体发射光谱法测量土壤中有效锌含量的不确定度评估

刘 蜜，范洪黎，柴 晓，李桂花，汪 洪

(中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业部植物营养与肥料重点实验室/耕地培育技术国家工程实验室，北京 100081)

一切测量(检测、校准)结果，都不可避免的具有不确定度。测量不确定度是与测量结果关联的一个参数，用于表征合理赋予被测量的值的分散性[1-2]。实际检测工作中，测量结果的不确定度可能有很多来源，如定义不完整、取样、基体效应和干扰、环境条件、质量和容量仪器的不确定度、参考值、测量方法和程序中的估计和假定以及随机变化等，反映出实验室的测量条件、人员差异、认识水平以及置信水平等对测量结果的影响[1-2]。测量不确定度的评定是对检测检验数据客观真实性进行评价，是测量者和利益相关方所关心测量是否有效、测量结果是否可靠的重要评价参数[3-4]。

1993年国际标准化组织(ISO)、国际计量局(BIPM)、国际电工委员会(IEC)、国际临床化学家联合会(IFCC)、国际理论与应用化学联合会(IUPAC)、国际纯粹与应用物理学联合会(IUPAP)和国际法制计量组织(OIML)7个国际组织联合出版了《测量不确定度表述指南》，确定了适用于广泛测量领域的评估和表达测量不确定度的通用原则[5]。1999年我国颁布了《测量不确定度评定与表示》(JJF-1059)，以规范形式对测量不确定度评定和表示的通用规则作了具体规定，此规范在2012年进行了修订[2]。国家标准GB/T 27025-2008《检测和校准实验室能力的通用要求》在技术要求方面强化了评定测量不确定度，指出在必要时，要对测量结果不确定度进行评定[6]。中国合格评定国家认可委员会2011年颁布的《测量不确定度的要求》(CNAS-CL07：2011)中明确要求：检测实验室应制定与检测工作特点相适应的测量不确定度评估程序，并将其用于不同类型的检测工作。当不确定度与检测结果的有效性或应用有关、或在用户有要求时、或当不确定度影响到对规范限度的复合性时、当测试方法中有规定时和CNAS有要求时，检测报告必须提供测量结果的不确定度[3]。中国国家认证认可监督管理委员会颁布的《检验检测机构资质认定评审准则》(2016年版)明确规定：适用时，当需对检验检测结果进行说明时，检验检测报告或证书中包括评定测量不确定度的声明。当不确定度与检测结果的有效性或应用有关，或客户的指令中有要求，或当对测量结果依据规范的限制进行符合性判定时，需要提供有关不确定度的信息[7]。

测量不确定度包括很多分量，其中一些分量可由测量序列结果的统计学分布得出，可表示为标准偏差；另一些分量根据经验和其他信息确定概率分布得出，也可用标准偏差表示，这两种不同种类的分量称为A类评定和B类评定[2,8]。测量不确定度评定过程大致包括测量过程、建立数学模型，测量不确定度分量的识别、测量不确定度分量的量化、合成不确定度、扩展不确定度以及测量不确定度报告这样几个步骤[2,8]。

锌是植物必需的微量营养元素，作物对土壤中锌的吸收与土壤中有效锌含量和供应强度关系密切。利用DTPA浸提剂(pH值7.30，0.005 mol/L二乙三胺五乙酸DTPA-0.01 mol/L CaCl2-0.1 mol/L三乙醇胺TEA)浸提土壤，原子吸收分光光度法或电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)测定浸提液中锌含量，已成为广泛应用于土壤有效锌的测定方法[9-11]。在土壤化学分析领域中，测量不确定度已经有了一些应用，但尚不普及。邢雁等[12]对火焰原子吸收光谱法测定土壤中的有效铜和锌含量不确定度进行评定，分析了整个检测过程产生不确定度的原因，给出扩展不确定度，土壤有效锌最终结果表示为(1.14±0.02)mg/kg。火焰原子吸收分光光度法[13-14]和ICP-OES法[15]测定土壤样品中全锌的结果不确定度已有一些报道。本文利用DTPA浸提土壤有效锌，ICP-OES法测定浸提液中锌浓度，以《测量不确定度评定与表示》(JJF 1059-2012)[2]和《化学分析中不确定度的评估指南》(CNAS-GL06:2006)[8]为依据，评估测量参数相对标准不确定度、合成标准不确定度和扩展不确定度，确定ICP-OES法测定土壤有效锌结果的分散性与置信范围，以期为控制ICP-OES法测定土壤有效锌的可靠性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

电感耦合等离子体发射光谱仪(型号：Varian 715-ES，美国)。电子天平(型号：PB303-S，瑞士)。

二乙三胺五乙酸(DTPA)、三乙醇胺(TEA)、氯化钙(CaCl2·2H2O)、盐酸、氨水均为分析纯，购自公司。

DTPA浸提剂[ρ(DTPA)=0.005 mol/L，ρ(CaCl2)=0.01 mol/L，ρ(TEA)=0.1 mol/L，pH值7.30]：称取1.967 g二乙三胺五乙酸(DTPA)，溶于14.92 g(约13.3 mL)三乙醇胺(TEA)和少量水中；再将1.47 g氯化钙(CaCl2·2H2O)溶于水后，一并转入1 L容量瓶中，加水至约950 mL；在酸度计上用1∶1盐酸溶液或1∶1氨水调节pH值至7.3，用水定容，贮于塑料瓶中。

锌标准贮备液[ρ(Zn)=1 000 μg/mL]购自钢铁研究总院。

1.2 土壤中有效Zn浸提

称取通过2 mm孔径尼龙筛的风干土壤试样10.00 g于250 mL三角瓶中，加入DTPA浸提剂20.00 mL，盖好瓶盖，摇匀，在(25±2)℃的条件下，以(180±20)r/min的频率振荡2 h，过滤。6次重复。

1.3 标准曲线制备

使用10 mL单标线吸量管两根和一根10 mL分度吸量管吸取标准溶液，加入100 mL容量瓶中，由1 000 μg/mL的Zn标准溶液稀释3次，得到浓度分别为0、0.25、0.5、1.0、2.0 μg/mL 的系列Zn标准溶液。

1.4 测定

滤液Zn浓度直接利用ICP-OES测定，选定测定波长213.856 nm。

2 结果与分析

2.1 被测量数学模型

土壤有效Zn含量w(Zn)的计算公式如下：

式中：ρ—浸提液中Zn的质量浓度，mg/L，

V—浸提液体积，mL，

m—样品质量，g。

2.2 测定结果

标准曲线如图1所示，横坐标为标准Zn溶液浓度，纵坐标为ICP-OES仪器测定的发射强度。相关系数为R=0.999 8。土壤样品的测定结果见表1，6次重复待测液中Zn浓度测定平均值为0.556 5 mg/L，土壤有效锌的含量平均为1.12 mg/kg。

2.3 测量不确定度分量来源分析

图2为ICP-OES法测定土壤有效锌含量的不确定度来源分析鱼骨图。该法测量不确定度分量包括土壤称样即样品质量m、浸提液体积V、Zn标准系列溶液配制、线性标准曲线拟合、测量重复性rep产生的不确定度等。

图1 ICP-OES测定Zn标准曲线

2.4 不确定度分量评定

2.4.1 Zn标准溶液浓度ρ测定的相对合成标准不确定度ucrel(ρ)

将测量时仪器的变动性等归并至重复性测量中考虑，该不确定度由两个不确定度分量合成而得，一个是由测得的发射强度根据标准曲线计算出浸提液中Zn的质量浓度时标准曲线引入的不确定度，另一个是标准系列溶液的不确定度。

表1 土壤样品测定结果

图2 ICP-OES法测定土壤有效Zn含量的不确定度分量来源

由此式计算浸提液中Zn的质量浓度时由标准曲线引入的不确定度由y、a、b的不确定度合成而得，此类不确定度评定为A类评定：

(1)u(y)为回归直线的标准偏差，即y残差的标准偏差s

=0.030 817

其中，yi为xi对应的测定值，y为xi代入标准曲线算出的值，n为标准系列溶液个数5。

(2)u(b)为斜率的标准偏差

=1.949 0×10-2

(3)u(a)为截距的标准偏差

=2.009 0×10-2

=2.250 8×10-2(μg/mL)

2.4.1.2 标准系列溶液稀释的相对合成标准不确定度ucrel(ρ0) 标准系列溶液由1 000 μg/mL的Zn标准溶液经100 mL容量瓶稀释3次而得，使用了两根10 mL单标线吸量管和一根10 mL分度吸量管，其不确定度评定属于B类评定，由这些不确定度分量合成而得到标准系列溶液的相对合成标准不确定度ucrel(ρ0)。

查阅证书，1 000 μg/mL Zn标准溶液的相对不确定度为0.3%，若概率分布按正态分布，置信水平区间99.7%时，置信因子k取值3，按照B类不确定度评定，相对标准不确定度计算结果为urel0=0.3%÷3=1×10-3。

表2 Zn标准系列溶液稀释过程中用到玻璃量器产生的相对标准不确定度

标准系列溶液稀释的相对合成标准不确定度：

将2.4.1.1节和2.4.1.2节的两个分量合成：

=4.115 4×10-2

2.4.2 浸提液体积V的相对标准不确定度urel(V)

2.4.3 样品质量m的相对标准不确定度urel(m)

2.4.4 测量重复性rep的相对标准不确定度urel(rep)

2.4.5 合成标准不确定度uc(w)

当测量不确定度的标准不确定度由若干个标准不确定度分量构成时，按平方和开方根合成得到标准不确定度。

=0.048 2 mg/kg

由图2可见，ICP -OES 法测定土壤有效锌所得结果的不确定度主要来源于标准曲线配制引入的不确定度，其次为重复性不确定度，浸提及样品称量过程的不确定度对测量结果的不确定度贡献较小。

图2 ICP-OES测量土壤有效锌的不确定度分量大小分布直方图

2.5 扩展不确定度U

扩展不确定度是确定测量结果区间的量，以一定概率水平下被测量值的分散区间来表示，合理赋予被测量之值的大部分可望包含在此数值区间。假设测量土壤有效锌的值分布为正态分布，95%置信水平下，包含因子k取值2，扩展不确定度：U=2uc(w)=2×0.048 2 mg/kg=0.096 mg/kg。

2.6 测量不确定度报告

ICP-OES法测定土壤样品有效锌报告形式，即测量结果表述为：w(Zn)=(1.12±0.10)mg/kg，k=2。

3 结论

本文评定了ICP-OES法测定土壤中有效锌含量的测量不确定度，讨论测量不确定度来源，对土壤称样即样品质量m、浸提液体积V、Zn标准系列溶液配制、线性标准曲线拟合、测量重复性rep产生的不确定度等分量进行计算量化。该土壤样品有效锌含量为：w(Zn)=(1.12±0.10)mg/kg(包含因子k=2，置信概率为95%)。Zn标准曲线制作与标准溶液稀释配制引入的不确定度最大，其次是重复测定产生的不确定度。因此，在ICP-OES法测定土壤样品有效锌时，标准溶液配置、标准溶液测定与曲线拟合应给予足够重视，以减小土壤有效锌测量的不确定度。

参考文献：

[1] ISO/IEC Guide 98-3-2008,Uncertainty of measurement-Part 3：Guide to the expression of uncertainty in measurement (GUM:1995)[S].

[2] 国家质量技术监督总局.JJF 1059.1测量不确定度评定与表示[M].北京：中国计量出版社，2012.

[3] 中国合格评定国家认可委员会.CNAS-CL07测量不确定度的要求[M].北京：中国计量出版社，2011.

[4] 中国合格评定国家认可委员会.CNAS-GL05测量不确定度要求的实施指南[M].北京：中国计量出版社，2011.

[5] ISO/IEC Guide 98-1993,Guide to the expression of uncertainty in measurement[S].

[6] GB/T 27025-2008，检测和校准实验室能力的通用要求 [S].

[7] 中国国家认证认可监督管理委员会.检验检测机构资质认定评审准则 [Z].2016.

[8] 中国合格评定国家认可委员会.CNAS-GL06 化学分析中不确定度的评估指南[M].北京：中国计量出版社，2006.

[9] LY/T 1261-1999，森林土壤有效锌的测定[S].

[10] NY/T 890-2004，土壤有效态锌、锰、铁、铜含量的测定二乙三胺五乙酸(DTPA)浸提法[S].

[11] Carter M R，Gregorich E G.Soil sampling and methods of analysis(2ndedn)[M].Florida：CRC Press，2007.

[12] 邢雁，李勇泽，赵玮.原子吸收光谱法测定土壤中有效铜和锌的不确定度评估[J].光谱实验室，2012，29(2):526-529.

[13] 丁文.火焰原子吸收光谱法测定土壤中锌含量的测量不确定度评定[J].化学分析计量，2005，14(3):7-9.

[14] 徐丽莉，周树杰.火焰原子吸收法测定土壤中锌的不确定度评定[J].仪器仪表与分析监测，2010，(3):40-42.

[15] 陈凌云.ICP-AES法测定土壤中重金属的不确定度评定[J].化学分析计量，2004，13(3):6-8.