分光光度法测定空气中氨的不确定度评估

杨华肖

万子健检测技术（上海）有限公司 （上海 201815）

氨是环境空气和废气质量的一个重要监测指标。作为大气中唯一的碱性气体，氨气极易与大气中的二氧化硫和氮氧化物反应生成二次无机气溶胶，是雾霾的主要元凶之一。目前实验室常用的检测方法有纳氏试剂分光光度法和次氯酸钠-水杨酸分光光度法，纳氏试剂分光光度法的优点是反应迅速、操作简单，但是其检测结果受诸多因素的影响。

不确定度是指由测量误差引起的测量值的不确定度，用以描述合理分配给被测量值的离散度真值所在范围。它是测量结果质量的指标，是得到准确、可靠、高质量检测结果的重要保证。根据CNAS-CL01:2018《检测和校准实验室能力认可准则》，在测量不确定度与检测结果的有效性或应用有关时，检测报告应带有相同单位或相对形式的测量不确定度[1]。不确定度评估可以直观展示测量氨不确定度的主要来源，为进一步提高实验精确度和精密度提供依据[2]。本研究根据HJ 533—2009《环境空气和废气氨的测定纳氏试剂分光光度法》，采用纳氏试剂分光光度法测定空气中氨的含量，并根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》及第1 号修改单，对检测结果进行不确定度评估。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

T6 新世纪紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器有限责任公司；ME 204/02 电子天平，梅特勒-托利多国际有限公司；SYNSVHF00 纯水器，默克生命科学技术有限公司。

氨标准溶液：产品编号为BW2025-1000-100，批号为B23020306，质量浓度为1 000 mg/L，扩展不确定度k＝2，1%，基体为水，坛墨质检科技股份有限公司。

主要试剂：纳氏试剂，天津基准化学试剂有限公司；酒石酸钾钠，上海沪试化学试剂有限公司；硫酸（ρ＝1.84 g/mL），国药集团化学试剂有限公司。以上试剂均为分析纯。

1.2 分析步骤

标准曲线绘制：先用纯水配制质量浓度为20 μg/mL 的氨标准使用液，再准备7 支洁净的10 mL具塞比色管，按表1 配制标准系列溶液。

表1 氨标准系列溶液

在各管中分别加入0.50 mL500 g/L 的酒石酸钾钠溶液，摇匀后加入0.50 mL 纳氏试剂，摇匀并放置10 min 后，以纯水作参比，用10 mm 比色皿，在420 nm 波长下测定吸光度[3]。以氨含量为横坐标，扣除吸收液空白的吸光度为纵坐标绘制标准曲线[3]。

样品测定：取一定量样品溶液置于10 mL 比色管中，少于10 mL 时用吸收液稀释至10 mL，其余操作同标线。

2 不确定度分析

2.1 建立数学模型

式中：ρ 为样品中氨的质量浓度，mg/m3；A 为样品的吸光度；A0为与样品吸收液同批配制的空白吸收液的吸光度；a 为校准曲线截距；b 为校准曲线斜率；vs为吸收液的总体积，mL；v0为分析时的取样体积，mL；vnd为标准状态（101.302 kPa，273 K）下气体样品的体积L。

2.2 不确定度来源分析

对实验全过程进行分析，可知不确定度的来源主要有：（1）标准溶液，即标准溶液纯度引入的不确定度；（2）量器，包括样品稀释过程中所用量器的不确定度及温度引起的量器不确定度；（3）标准曲线，使用最小二乘法曲线拟合所产生的不确定度；（4）采样过程，主要指由采样体积引入的误差，包括流量显示器、温度、气压；（5）重复性，样品处理过程中随机效应引入的相对标准不确定度。

2.2.1 标准溶液纯度引入的不确定度

测定所用氨标准溶液，质量浓度为1 000 mg/L。根据标准溶液证书，扩展不确定度为1%（k＝2）。均匀分布转化为相对不确定度的过程如下：

2.2.2 量器引入的不确定度

2.2.2.1 量器的不确定度

在制备标准系列溶液时，先使用5 mL 经检定的单标线吸量管移取5.00 mL 氨标准储备液，置于经检定的250 mL 单标线容量瓶中，配制成标准使用液。再使用2 mL 经检定的分度吸量管分别吸取不同体积的标准使用液配制成各个质量浓度溶液。根据检定证书，按矩形分布计算稀释过程中的不确定度，如表2 所示。

表2 氨标准溶液稀释过程中量器的不确定度

配制氨标准溶液时，稀释过程使用量器所产生的相对标准合成不确定度：

在标准溶液稀释过程中，玻璃器皿使用温度引起的不确定度是指其与标定温度不同而引起的不确定度。已知水的膨胀系数为2.1×10-4/℃，玻璃器皿标定温度为20 ℃，温度变化范围为±5 ℃，按正态分布计算，在95%置信概率时，k＝1.96。由实验室温度引起的不确定度见表3。

表3 氨标准溶液稀释过程中温度引起的不确定度

配制标准溶液稀释过程中实验室温度产生的相对标准合成不确定度：

综上，量器引入的不确定度为：

2.2.3 曲线拟合时产生的不确定度

按标准要求绘制标准曲线，得到7 个梯度质量浓度的氨含量和吸光度，如表4 所示。

表4 氨样品溶液重复测定值

表4 标准溶液吸光度测定值

由表3 进行线性拟合得到的校准曲线为y＝0.016 64x-0.001 54，相关系数为0.999 6。按照实验方法对样品溶液重复测定6 次，根据线性方程计算得到各次测量的含量，平均值为m＝9.90 μg。根据CNAS-GL006：2019《化学分析中不确定度的评估指南》，曲线拟合时引起的不确定度按公式[4]计算：

式中：SR为从拟合直线求得的A 与Aj测试值之差按贝塞尔公式求出的标准偏差；B1为拟合的标准线性方程的斜率，、值为0.016 64；Aj为各标准溶液测定的吸光度值；为回归方程计算值，即理论吸光度值。

产业集聚区域的知识产权保护程度较弱会导致模仿盛行，进而形成“劣币驱逐良币”，创新型企业就会逐步失去竞争的机会。利用中国各地区面板数据对知识产权保护水平与产业集聚之间的关系进行实证检验，计量结果显示，对知识产权保护水平与产业集聚之间呈现显著的正向关系，提高知识产权保护水平有助于促进经济活动的集聚。

将表3 中的数据带入公式（2）、（3）：

式中：P为样品测试的次数（P＝6）；n 为标准溶液试验总次数（n＝21）；m 为样品中氨的含量，μg；m 为校准液的平均含量，其值为15.4 μg；mj为各标准溶液中氨的含量，μg。

由标准曲线拟合引入的相对标准不确定度为：

2.2.4 采样过程引入的不确定度

标准状态下的体积换算公式为：

式中：v 为采样体积，L；p 为采样时大气压，kPa；t 为采样温度，℃[3]。

由上式可知，采样过程中由采样体积引入的误差来自于采样器、温度计、气压表。

2.2.4.1 采样器引入的不确定度

采样器引起的不确定度包括流量计和计时器，通过查阅校准证书（2022I20-10-4065440004），采样器流量计扩展不确定度为1.2%，k＝2，则流量计的相对标准不确定度为：

计时器扩展不确定度为0.01%，k＝2，则计时器的相对标准不确定度为：

综上，采样器引入的不确定度为：

2.2.4.2 温度计引入的不确定度

根据温度计的检定证书（2022E13-10-4065512001），温度计的扩展不确定度为0.3，k＝2。以实测温度为20 ℃计，按均匀分布计算，其相对标准不确定度为：

2.2.4.3 气压表引入的不确定度

气压表的示值误差，根据检定证书，其产生的相对标准不确定度可忽略不计。

采样过程引入的不确定度汇总：

2.2.5 重复性引起的不确定度

进行6 次重复实验，样品得到6 次测定结果，如表4 所示。

计算标准差公式：

标准不确定度公式：

则相对标准不确定度：

3 合成相对标准不确定度及扩展不确定度

3.1 合成标准不确定度

基于实验室数据验证，得到纳氏试剂分光光度法测定环境空气和废气中氨的不确定度各分量，如表5 所示。

表5 纳氏试剂分光光度法测定环境空气和废气中氨的不确定度

利用相对标准不确定度的计算得到合成相对标准不确定度：

因此，合成标准不确定度为：

3.2 扩展不确定度

根据CNAS-GL006:2019，将合成的标准不确定度与所选的包含因子相乘得到扩展不确定度，扩展不确定度需要给出一个期望区间，合理赋予被测量数值分布的大部分会落在此区间内[4]。大多数情况下，推荐k 为2[4]。在置信概率为95%时，取包含因子k＝2，则纳氏试剂分光光度法测定环境空气和废气中氨的扩展不确定度为：

综上可得，本实验室测得环境空气和废气中氨的含量为（9.90±0.31）μg/10 mL，k＝2。为验证结果的准确性，使用中国安全生产科学研究院生产的水中氨质控溶液［批号为20220401，标准值及扩展不确定度为（20.1±1.12）μg/10 mL，k＝2］，按照样品的测定步骤进行了6 次测定，平均值为20.2 μg/10 mL，符合标准值的要求，说明检测结果准确可靠。

4 结语

使用纳氏试剂分光光度法测定环境空气和废气中氨的含量，测定结果为9.90 μg/10 mL；根据国家计量技术规范对结果的不确定度进行评估，得到纳氏试剂分光光度法测定环境空气和废气中氨含量扩展不确定度为0.31 μg/10 mL（k＝2）。通过实验室对氨含量测定结果的不确定度分析，发现采样过程产生的不确定度和曲线拟合时产生的不确定度是影响结果的主要因素。因此，实验人员在日常检测活动中应特别注意这两个方面，以便提高结果的准确性和可靠性。