水質氨氮的分光光度法測定及不確定度評定

陳一虎 周偉

（1.蘇州市職業大學，江蘇 蘇州 215000；2.蘇州市百信環境檢測工程技術有限公司，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

1927 年，德國物理學家海森伯格（W.Heisenberg）在分析理想試驗的基礎上首先提出了不確定原理，認為人類觀測事物的精準程度是有限的，不確定原理是量子力學的基本原理之一。根據《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）的定義，測量不確定度是根據所用到的信息，表征賦于被測量值分散性的非負參數［1］。不確定度是對測量結果進行質量評價的重要指標，測量不確定度越小，測量結果的可信度越高。

1980年，國際計量局在討論了各國及國際專業組織的意見的基礎上提出了試驗不確定度建議書，將不確定度分量確定為在規定測量條件下測得的量值用統計分析的方法進行評定的分量A 類和用不同于測量不確定度A 類評定的方法進行評定的分量B 類，兩類分量合成得到合成不確定度，并以標準差表示。對于特殊用途，可將合成不確定度乘以一個因子，得到總不確定度。1993 年，國際標準化組織、國際電工委員會、國際法制計量組織組成了國際不確定度工作組，制定了《測量不確定度表示指南》（簡稱GUM），由ISO出版［2］。

1999年，我國制定并頒布了國家計量技術規范《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059—1999），我國的測量不確定度的研究得到了推廣，測量不確定度已成為檢測校準實驗室認可中重要的環節，檢驗報告、校準證書和產品標準等都應該包括測量不確定度的說明，使用測量設備應保證測量不確定度為已知。

水中的含氮化合物是水生植物的必需養分，但當氨氮含量過高時會產生水體富營養化現象，對魚類產生毒害，對人體也有不同程度的危害。氨氮主要測試方法包括納氏試劑分光光度法、流動注射分析-分光光度法、水楊酸-次氯酸鹽分光光度法、氣相分子吸收光譜法和電極法等。本試驗采用納氏試劑分光光度法測定水中氨氮并進行不確定度評定，保證水中氨氮檢測結果的準確性。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：L5 型紫外可見分光光度計（上海儀電分析儀器有限公司）。

試劑：本次試驗使用的氨氮標準溶液為生態環境部標準樣品研究所的標準物質，其他試劑均為符合國家標準的分析純試劑，水為無氨水。

試驗環境條件：27.0 ℃。

1.2 試驗方法

本試驗參照中華人民共和國國家環境保護標準《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》（HJ 535—2009）進行測定。

1.3 試驗原理

以游離態的氨或銨離子等形式存在的氨氮與納氏試劑反應生成淡紅棕色絡合物，該絡合物的吸光度與氨氮含量成正比，于波長420 nm 處測量吸光度［3］。

2 試驗結果

2.1 標準溶液配制

氨氮標準溶液：本次試驗使用的氨氮標準溶液為生態環境部標準樣品研究所的標準物質；標準編號：GSB05-1145-2000；批號：102233；標準值：500 mg/L；擴展不確定度：1%（k=2）。

氨氮標準工作溶液：使用2 mL移液管（A級）吸取氨氮標準溶液2.00 mL 于100 mL（A 級）容量瓶中，加純水至標線，得到質量濃度為10.0 μg/mL 的氨氮溶液。

2.2 標準曲線及標準回歸方程

標準曲線：在8 個50 mL 比色管中分別加入0.00mL、0.50 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL 和10.00 mL 氨氮標準工作溶液，其所對應的氨氮含量分別為0.0 μg、5.00 μg、10.0 μg、20.0 μg、40.0 μg、60.0 μg、80.0 μg 和100 μg，加水至標線。加入1.0 mL 酒石酸鉀鈉溶液和1.0 mL 納氏試劑溶液，搖勻。放置10 min 后，在波長420 nm 下，用20 mm比色皿，以水作參比，測量吸光度［3］。以空白校正后的吸光度為縱坐標，其對應的氨氮含量（μg）為橫坐標，繪制校準曲線。結果見表1、圖1。

圖1 標準曲線及回歸方程

表1 氨氮標準曲線系列及吸光度

2.3 樣品測定

樣品編號為GSB07-3164-2014，批號為2005143。用10 mL移液管移取10.0 mL樣品至250 mL 容量瓶中，用純水定容至標線。按與標準曲線相同的方法測定吸光度，代入曲線回歸方程計算結果，樣品做平行樣測定。平行樣偏差在有效范圍內，取均值報告結果，結果見表2。

表2 樣品平行樣測定結果

計算樣品中氨氮質量濃度，計算公式如式（1）。

式中：C為水樣中氨氮的質量濃度，mg/L，以氮計；A為樣品溶液的吸光度；a為校準曲線截距；b為校準曲線斜率；V為測定取用體積，mL；f為稀釋倍數。

3 不確定度分量計算

3.1 樣品重復測定結果不確定度（u1）、A 類不確定度計算

平行樣測定結果的標準偏差：S=極差/極差系數=R/C=0.114 6/2.53=0.045 3

標準不確定度：uA==0.018 5

相對標準不確定度：u1=0.018 5/13.2=0.001 4

3.2 標準溶液配制引起的不確定度（u2）

3.2.1 標準溶液相對標準不確定度按證書上給出的擴展不確定度還原成標準不確定度直接參與計算。

3.2.2 2 mL 移液管（A）標準不確定度（u2.2）計算。玻璃量器不確定度主要有三個部分：一是校準不確定度，即玻璃量器體積的允許誤差；二是充滿液體至某刻度的估讀誤差，可利用其重復性偏差來求得；三是量器、溶液的溫度與校準時溫度不同引起的不確定度，一般情況下，由于液體的體積膨脹明顯大于玻璃的體積膨脹，所以只需要考慮液體溫差引起的不確定度［4］。

①校準誤差。2 mL 移液管容量允許誤差為±0.010 mL，B 類不確定度，按三角分布轉換成標準偏差。

②估讀變動性。充滿液體至移液管刻度變動性，重復10次計算出的標準差為0.01 mL（服從均勻分布，k取）。

③溫度變化引起的不確定度。實驗室溫度為27 ℃，20 ℃時水的膨脹系數為2.1×10-4，則其體積變化區間為：

轉換成標準偏差（置信水平為95%）：

0.002 94/1.96=0.001 50

④2 mL 移液管相對標準不確定度。以上3 項合成得不確定度：

相對不確定度：u2.2=0.007 23/2=0.003 61

3.2.3 100 mL 容量瓶（A）體積的標準不確定度（u2.3）計算。容量瓶的不確定度包括容量瓶標準容量允許差、容量瓶標線不確定性和容量瓶使用環境溫度的影響。

①校準。100 mL 容量瓶允許誤差為±0.10 mL，B類不確定度，轉換成標準偏差。

②估讀變動性。充滿液體至移液管刻度變動性，重復2次極差為0.03 mL。

0.03/1.13=0.026 5（1.13為n=2時極差系數）

③溫度。100 mL 容量瓶和液體與校正溫度不同引起的體積不確定度。

±100×7.0×2.1×10-4/℃=0.147 0 mL

轉換成標準偏差（置信水平為95%）：

0.1470/1.96=0.075 0 mL

以上3項合成得：

相對標準不確定度：u2.3=0.089 4/100=8.94×10-4

3.2.4 標準溶液配制相對標準不確定度計算。

3.3 標準曲線擬合不確定度（u3）計算

分析結果時，試樣中被測物質的濃度通過標準曲線來計算，標準曲線的不確定度受測量方法和操作偶然誤差等的影響。

3.3.1 回歸曲線標準偏差S的計算。

3.3.2 標準曲線濃度（x項）差方和。

3.3.3 由標準曲線計算求得樣品值引入的相對標準不確定度計算。

3.4 吸光度值量化誤差所引起的不確定度（u4）計算

本例進行了6 次平行樣測定，平行測定的重復性已包含了儀器測量等重復性，所以儀器本身的重復性不再參與評定。

3.5 合成不確定度

合成不確定度相關如表3所示。

表3 合成不確定度

3.6 擴展不確定度

取包含因子k=2，擴展不確定度為U=k×uc=2×0.01=2%。

4 結語

本次水樣中氨氮含量不確定度報告：水樣中氨氮含量的擴展不確定度為13.2×2%≈0.26 mg/L，因此，水樣中氨氮質量濃度為（13.2±0.26）mg/L。在影響不確定度的因素中，標準曲線擬合引起的不確定度為主要因素。

測量結果都具有不確定性，不同實驗室進行試樣檢測，對測量結果可靠性進行定量和數據分析時，測量不確定度比誤差更加科學合理，一個完整的測量結果應包含測量的最佳估值和測量結果的不確定度。進行不確定度的評定可以反映出測量結果的包含范圍，并且可以知道測量中哪些因素對不確定度的影響較大，從而可以進行對應的測量方法修正，提高試驗設計方案的可行性，為分析方法和分析過程的質量控制提供重要依據。