污染土壤重金屬檢測標準樣品在能力驗證工作中的應用研究

邢小茹，劉 濤，李 帥，田 文，田 衎

環境保護部標準樣品研究所，國家環境保護污染物計量和標準樣品重點實驗室， 北京 100029

土壤作為環境的重要組成部分，是人類賴以生存的自然環境和農業生產的重要資源。然而，由于工業化和城市化進程的加快，產生了大量的污染場地，嚴重影響了環境及人體健康[1]。重金屬污染是場地土壤污染最主要的污染之一，不但影響農產品的產量與品質，并可通過食物鏈危害動物和人類的健康甚至生命。重金屬污染具有較強的遷移轉化、富集性、難降解以及隱匿性的特點，導致其污染后果嚴重[2-3]。近年來，我國重金屬污染事故頻發，對人群健康造成了嚴重威脅，污染場地的重金屬污染治理成為重金屬污染綜合防治的主要內容之一。

為了實現《土壤污染防治行動計劃》(簡稱“土十條”)的目標，掌握全國土壤污染狀況，開展土壤污染狀況詳查是防治工作的基礎。土壤中重金屬的監測是土壤詳查的主要任務之一，這就要求相關實驗室具備檢測土壤中重金屬的能力。能力驗證是利用實驗室間比對，按照預先制訂的準則評價參加者的能力。能力驗證是實驗室外部質量保證最常用的手段之一，可幫助實驗室發現問題并持續改進，最終實現檢測結果的有效性和一致性。目前，標準樣品由于已有的均勻性和穩定性研究基礎而廣泛應用于能力驗證工作中，但是對于土壤重金屬檢測來說，根據近年來(2010—2017年)已公布的能力驗證結果報告，目前開展的能力驗證計劃主要采用的是普通土壤或背景土壤樣品，不能準確評價實驗室檢測高污染土壤的能力。本文討論了一種新研制的污染土壤重金屬檢測標準樣品在能力驗證工作中的應用，并將標準樣品的標準值與能力驗證的指定值進行了符合性比較，對參加實驗室檢測污染土壤的能力狀況進行了分析。

1 實驗部分

1.1 能力驗證檢測樣品

能力驗證使用的檢測樣品為新研制的1種環境基體土壤標準樣品(GSB 07-3272—2015，環保部標樣所)，該標準樣品的原料樣品來源于湖南郴州某有色金屬采選作業場所周邊的農田，土壤類型為紅壤。

1.2 樣品的均勻性與穩定性

1.2.1 均勻性和穩定性的抽樣

按照《標準樣品工作導則(3)標準樣品 定值的一般原則和統計方法》(GB/T 15000.3—2008)[5]，采用分層隨機抽樣的方法隨機抽取23瓶樣品，其中20瓶用于均勻性檢驗，3瓶用于穩定性檢驗。

1.2.2 均勻性與穩定性分析方法

均勻性檢驗的樣品前處理及測試方法：根據ISO 標準《土壤質量 元素總量測定消解》(ISO 14869-1)和美國環保署(USEPA)標準《電感耦合等離子體質譜法》(USEPA method 6020 A)完成鉛、鎘、鎳的均勻性檢測；根據國家環境保護標準《土壤和沉積物 無機元素的測定 波長色散x射線熒光光譜法》(HJ 780—2015)完成銅、鉻的均勻性檢測。

穩定性檢驗的元素包括鉛、鎳、銅3種元素，對土壤樣品壓片后用x射線熒光光譜法分析。

1.2.3 均勻性與穩定性分析結果

1)均勻性檢驗結果分析

抽樣方法：根據樣品預計制備的數量和順序，隨機抽取15—20瓶樣品作均勻性檢驗，每個樣品平行測定2次，采用單因子方差分析的F檢驗對均勻性分析結果進行統計分析評價。

樣品均勻性檢驗分析結果如表1所示。表1中：SS為單因子方差分析的平方和，MS為單因子方差分析的均方，F計算值為瓶間MS與瓶內MS之商。5種元素的F計算值均小于95%置信水平下的F臨界值(鉛、鉻的F臨界值為2.42，鎘、鎳、銅的F臨界值為2.14)，說明樣品是均勻的。

表1 樣品均勻性檢驗結果Table 1 The results of homogeneity test in samples

2)穩定性檢驗結果分析

在理想情況下，應該對檢測樣品的每個特性量進行穩定性檢驗，但是當特性量較多時，可以選擇具有代表性的特性量進行穩定性檢驗，本研究選擇的穩定性檢驗特性量為銅、鎳和鉛三種元素。采用穩定性檢測結果隨儲存時間的一元回歸模型判定樣品的穩定性。若檢測結果與儲存時間無顯著相關關系(b1

能力驗證檢測樣品穩定性檢驗結果如表2所示。表2中：b0為一元回歸模型的截距；b1為斜率；Sb1為斜率的標準誤差；t(0.99,n-2)為t檢驗的臨界值，查t檢驗表可得。銅、鎳、鉛的回歸模型顯示，b1與時間在99%的置信概率下無顯著相關性，說明樣品是穩定的，能夠滿足能力驗證計劃對樣品穩定性的要求。

表2 樣品穩定性檢驗結果Table 2 The results of stability test in samples

1.3 分析方法要求

本次能力驗證計劃為土壤中重金屬元素的檢測，要求實驗室采用全消解的方法進行前處理，按照日常檢測所用的分析方法測定樣品的鉛、鎘、鎳、銅、鉻5種重金屬元素的總量，報告檢測結果為測定均值(單位為mg/kg)，保留3位有效數字。

1.4 檢測結果統計方法及評價方法

1.4.1 檢測結果統計方法

根據ISO 13528(實驗室間比對能力驗證中的統計方法)，采用四分位穩健統計分析方法對實驗室檢測結果進行統計分析[6]。四分位數穩健統計方法的統計參數包括：實驗室數量(N)、中位值(M)、標準化四分位間距(NIQR)、穩健變異系數(CV)、最小值(MIN)、最大值(MAX)以及變動范圍(R)。四分位距(IQR)為上四分位數Q3(75%分位值)與下四分位數Q1(25%分位值)的差，而NIQR=0.741 3×(Q3-Q1)，相當于一個標準差；CV=NIQR/M×100%，它表示測試結果之間的變異性;變動范圍為最大值與最小值之差，即R=MAX-MIN。

1.4.2 實驗室能力評價方法

本次能力驗證計劃以z比分數評價實驗室的結果，z比分數的計算公式如下：

(1)

式中：A為某個實驗室的檢測結果，M為實驗室檢測結果的中位值，NIOR為所有實驗室檢測結果的標準化四分位間距。

z比分數評價實驗室能力的評價原則：|z|≤2為滿意結果；2<|z|<3為有問題結果；|z|≥3為不滿意結果。

2 結果及分析

2.1 實驗室檢測結果分析

本次能力驗證共有105個實驗室報名，其中103個實驗室在規定時間內提交了檢測結果。本研究在分析能力驗證結果時，先對實驗室提交的原始數據進行初步統計處理，將檢測結果在(M±10×NIQR)范圍以外的值作為明顯異常值，在統計分析時予以剔除，再次計算最終的M和NIQR。表3列出了能力驗證檢測結果的統計匯總及與以往能力驗證統計結果的比較，圖1為能力驗證檢測結果的數據分布圖。

表3 實驗室檢測結果統計分析匯總Table 3 Statistical analysis of laboratory test results

注：“a，b，c”分別為剔除3、1、1個明顯異常值之后的統計結果；“*” 指CNAS T0499土壤重金屬檢測能力驗證計劃，按照本研究統計分析時去掉粗大誤差。

圖1 5種重金屬元素檢測結果的數據分布Fig.1 Data distribution of test results of five heavy metals

可以看出，剔除明顯異常值之后，本次能力驗證計劃參加實驗室各元素檢測結果的分布基本為對稱單峰分布，用四分位穩健統計方法是可靠的。各元素中銅、鎳、鉻的中位值與土壤元素的背景濃度相當，而鉛、鎘的中位值遠高于一般土壤的鉛、鎘含量，說明采樣地區的土壤鉛、鎘污染嚴重。污染土壤中鎘、鎳、鉻檢測結果的CV均明顯大于背景土壤的該值，在2組實驗室的分析方法分布沒有明顯差異的情況下，引起這種情況的原因可能是在土壤中鎘、鎳、鉻檢測時前處理過程比較復雜，而且分析干擾因素及基體的影響較大的緣故。

2.2 實驗室檢測結果的z比分數

采用z比分數評價實驗室的能力，z比分數的計算方法及評價標準如前所述。各元素參加實驗室滿意率如表4所示。可見，本研究能力驗證計劃參加實驗室檢測結果的滿意率除鉛以外均大于80%，與以往類似能力驗證計劃結果的滿意率相當，說明大多數實驗室檢測土壤中鉛、鎘、鎳、銅、鉻時能夠取得滿意結果，整體檢測水平穩定。

表4 實驗室檢測結果評價統計表Table 4 The statistical table for evaluation of laboratory test results

注：“*”指NAS T0499土壤重金屬檢測能力驗證計劃，按照本研究統計分析時去掉粗大誤差。

2.3 能力驗證指定值與標準樣品標準值的比較

表5列出了能力驗證參加實驗室檢測結果的統計值和標準樣品的定值結果。其中，能力驗證指定值(中位值)的不確定度為[4]

(2)

式中：upt為不確定度，σ為能力評定標準差，本次能力驗證計劃的能力評定標準差為NIOR，N為實驗室數量。

本次能力驗證指定值與標準樣品標準值差值的確定度應符合：

(3)

表5 能力驗證統計結果與標準樣品定值結果的比較Table 5 Comparison of PT statistical results and CRM certified value

表6為能力驗證指定值與標準樣品標準值的差與其不確定度的比較。由表5、表6可知，土壤重金屬檢測能力驗證的指定值與標準樣品的標準值一致，說明以參加實驗室檢測結果的統計值作為能力驗證指定值是可靠的。

表6 能力驗證指定值與標準樣品標準值的差及其不確定度的比較Table 6 Comparison of the difference and its uncertainty of PT assigned value and CRM certifed value mg/kg

3 討論

3.1 樣品均勻性不確定度

標準樣品的研究為能力驗證工作的順利開展提供了有力的技術保障，但是由于土壤標準樣品屬于自然基體樣品，其均勻性檢驗的結果來自于抽樣結果，且采用單因子方差分析進行檢驗，若分析方法的精密度不夠，則會導致雖然通過了單因子方差分析的F檢驗，但卻不能滿足能力驗證計劃的要求，更極端的例子是如果研究過程的抽樣方式不能代表整個樣品的整體，則得出的結果可能有偏離。因此能力驗證的相關標準，要求樣品均勻性引起的差異不能影響對能力驗證參加實驗室能力的判定[5]，即：

SS≤0.3σ

(4)

式中：SS為均勻性檢驗的標準偏差，σ為能力評定標準差(此處為NIQR)。SS計算方法如下：

(5)

式中：MSamong、MSwithin分別為單因子方差分析的組間均方(瓶間MS)和組內均方(瓶內MS)，n為均勻性檢驗的測定次數。若分析方法的精密度很好，有時候會導致(MSamong-MSwithin)<0，而無法計算SS，此時認為樣品是均勻的，能夠滿足能力驗證計劃的要求。

使用標準樣品均勻性檢驗的標準偏差與能力評定標準差的比較，如表7所示。可見，該標準樣品的均勻性檢驗結果滿足SS≤0.3σ要求，不會影響參加實驗室檢測能力的判定，可用于能力驗證計劃的組織實施。

表7 標準樣品均勻性標準偏差與能力評定標準差的比較Table 7 Comparison of standard deviations of CRM homogeneity and proficiency assessment

注：“—”表示(MSamong-MSwithin)<0,無法計算SS。

3.2 樣品穩定性不確定度

由于本標準樣品均勻性評價和穩定性評價所使用的方法不同，因此不能直接使用《能力驗證樣品均勻性和穩定性評價指南》(CNAS GL-03)中的方法來驗證其是否滿足能力驗證的要求。可根據穩定性評價的不確定度與能力驗證的能力評定標準差的比較進行判定，標準樣品穩定性引起的不確定度計算公式為

ults=Sb1×t

(6)

式中：ults為穩定性不確定度，Sb1為一元回歸分析中斜率b1的不確定度，t為穩定性檢驗的時間(月)。

表8列出了土壤重金屬檢測標準樣品的穩定性不確定度與能力驗證能力評定標準差的比較結果。可見，參與穩定性檢驗的銅、鎳、鉛3種元素的穩定性不確定度均小于0.3σ，說明樣品不穩定引起的不確定度不會對能力驗證參加實驗室的能力評價結果產生影響，樣品能夠滿足能力驗證計劃的要求。

表8 標準樣品穩定性不確定度與能力評定標準差的比較Table 8 Comparison of the CRM stability uncertainty and standard deviation of proficiency assessment

4 結論

1)參加實驗室分析污染土壤和背景土壤中鉛、鎘、鎳、銅、鉻的能力水平相當，大多數元素的滿意率達到80%以上；

2)能力驗證指定值與土壤標準樣品的標準值一致，均勻性和穩定性引入的不確定度不會對參加實驗室的能力評定產生影響，可用于能力驗證和實驗室比對工作。