電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定水中元素全量的不確定度評定

杜茂韜

(云南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局中心實驗室，云南昆明650218)

采集的水樣在經(jīng)過硝酸消解后，進行電感耦合等離子體制譜的檢測，可得出相關(guān)元素的質(zhì)譜圖，以此來對水樣進行定性、定量的分析。具體操作原理是將水樣在進入到霧化系統(tǒng)后，會以氣溶膠的形式向軸向通道傳輸，在遇到高溫、惰性氣體的作用下，不斷進行蒸發(fā)、解離、電離，轉(zhuǎn)化成帶電荷的正離子，之后再通過離子采集系統(tǒng)進入到質(zhì)譜儀中，進行離子元素的定性和定量分析。

1 檢測儀器和試劑

本次檢測試驗中采用的儀器設(shè)備為XSERIESⅡ型號的電感耦合等離子體質(zhì)譜儀設(shè)備；

所需的試劑有元素標(biāo)準儲備液及內(nèi)標(biāo)元素混合標(biāo)準溶液：鈧、鍺、銦、銠、錸、鉍和硝酸。其中標(biāo)準儲備液是按照國家材料分析檢測中心的標(biāo)準要求設(shè)定的，ρ=100MG/L。硝酸選擇ρ=1.42g/ml的優(yōu)級純液。

2 分析步驟

2.1 試液制備

首先，取100毫升左右的樣品放置在250毫升的聚四氟乙烯燒杯中，在加入樣品的燒杯中添加2毫升的硝酸溶液以及1毫升的鹽酸溶液，對混合液進行加熱，溫度要控制在85攝氏度以內(nèi)，加熱時間約30分鐘左右。在加熱過程中要蓋上表面皿，以免周邊環(huán)境對溶液造成污染。待加熱30分鐘，溶液蒸發(fā)20毫升時，關(guān)火冷卻。用一級試驗用水進行燒杯沖洗，并將其與樣品溶液進行有效混合，混合后的溶液要導(dǎo)入進50毫升左右的聚乙烯容量瓶內(nèi)，搖勻保存。溶液在消解或者靜止?fàn)顟B(tài)下會逐漸發(fā)生變化，形成澄清液。

2.2 校準曲線

校準曲線的調(diào)整需要結(jié)合元素標(biāo)準溶液情況進行合理確定，所以首要工作就是按照規(guī)定要求進行元素標(biāo)準溶液的配置工作，之后通過硝酸溶液的消解來確定標(biāo)準曲線內(nèi)容。結(jié)合元素濃度值確定內(nèi)標(biāo)元素主要以鈧、鍺這兩種為主，且濃度高于水。配置好的標(biāo)準系列溶液利用電感耦合等離子體制譜儀進行測定，確定元素質(zhì)量數(shù)的信號強度，確定內(nèi)標(biāo)元素的比值和濃度，以此為基礎(chǔ)進行校準曲線的繪制。

2.3 樣品測定

樣品測定前先要利用硝酸溶液對樣品進行沖洗，以降低樣品信號，待穩(wěn)定后，方可開展測定工作。樣品中元素濃度的確定需要利用元素檢測質(zhì)量數(shù)的信號強度、內(nèi)標(biāo)元素的測量比果的值以及線性回歸計算等方式，以確保測量結(jié)準確性。

3 不確定度分量量化

3.1 標(biāo)準工作溶液的標(biāo)準不確定度

標(biāo)準工作溶液是通過標(biāo)準儲備液逐步稀釋后制作而成的。在進行標(biāo)準中間液配制時，通過10毫升的標(biāo)準儲備液與1%硝酸的融合制成每升10毫克的標(biāo)準使用液；標(biāo)準工作液的配置則是利用1毫升的元素標(biāo)準中間液加入1%的硝酸配置成的，每升為0.1毫克。

在標(biāo)準工作溶液濃度計算上，采用的公式為：

3.2 標(biāo)準儲備液的不確定度

標(biāo)準儲備液濃度是固定的，每毫升在100微克，而各元素的相對擴展不確定度的數(shù)值則為1.4%，結(jié)合相關(guān)數(shù)值確定儲備液濃度的標(biāo)準不確定度為0.007，標(biāo)準不確定度為每毫升0.7微克。

3.3 標(biāo)準儲備液稀釋中各體積的不確定度

在校準過程中，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準要求分析可知，不同容量瓶的容量允差分別控制在0.007毫升、0.02毫升以及0.1毫升這三個檔位，在采用三角分布下，結(jié)合這些數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)有公式分別計算出標(biāo)準不確定度在0.0028、0.00082和0.00041。

在溫度變化環(huán)節(jié)內(nèi)，假定溫度變化范圍在4攝氏度左右，水體膨脹系數(shù)為2.1×10-4攝氏度，那么1毫升移液管的體積變化區(qū)間為±1mL×2.1×10-4×4=±8.4×10-4mL，同理其他容量移液管的區(qū)間變化分為±8.4×10-3毫升、±0.084毫升，最終的標(biāo)準不確定度為4.8×10-4。

在重復(fù)操作上，分別對不同移液管進行6次左右的重復(fù)測量，標(biāo)準偏差為0.003毫升，0.010毫升和0.020毫升，并以此得出標(biāo)準不確定分量分別為0.003、0.001、0.0002。

3.4 標(biāo)準工作液的合成相對標(biāo)準不確定度

計算公式為：

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，最終的計算結(jié)果為0.0084。

3.5 元素校準曲線擬合引入的相對標(biāo)準不確定度

利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀對水中含有的鈷、鎳、銅、鉬元素進行測定。測定過程中使用的數(shù)學(xué)模型為c=f×(A-a)/b，檢測中標(biāo)準差的計算公式為：

其中m的取值為3，n為標(biāo)準溶液數(shù)量，取值為10.計算得出的最終結(jié)果為0.18、0.068、0.13、0.040。標(biāo)準曲線擬合引入的相對標(biāo)準不確定度計算公式為：

公式中p、m、n的取值分別為6，3，10，而c的取值為每升188.8微克。組中計算得出的數(shù)值為0.040、0.066、0.014、0.030。

3.6 稀釋倍數(shù)的不確定度

稀釋倍數(shù)的不確定度其計算公式為：

檢測中樣品不需要稀釋，在評定對象全量時，f則值為0.5。在計算100毫升聚乙烯量筒的體積時，誤差值控制在0.8毫升左右，利用公式最終計算結(jié)果為0.33毫升，膨脹系數(shù)2.2×10-4/℃，由于其較為接近水的膨脹系數(shù)，所以可忽略不計。通過公式計算，最終的標(biāo)準不確定度為0.0033.同理，50毫升容量瓶的標(biāo)準不確定度數(shù)值為0.00082。綜合兩個數(shù)據(jù)最終確定標(biāo)準不確定度的數(shù)值為0.0034.

3.7 重復(fù)性

校準曲線擬合引入的相對標(biāo)準不確定度的計算工作為：

在檢測試驗過程中，對于平行樣平均值的檢測結(jié)果是不予以計算的，所以在重復(fù)性相對標(biāo)準不確定度的計算上，主要依據(jù)元素檢測的重復(fù)結(jié)果以及相對標(biāo)準不確定度進行計算，得出的結(jié)果分別為0.0329、0.0127、0.0435、0.0207。

4 檢測結(jié)果的報出

根據(jù)檢測報告的結(jié)果(表1)顯示，鈷的濃度檢測結(jié)果在每升29.8±3.2微克左右；鎳的濃度檢測結(jié)果為每升30.6±4.2微克；銅的濃度檢測結(jié)果為每升29.2±2.7毫克；鉬的濃度檢測結(jié)果為每升27.0±2.1微克。

表1 各元素報出的檢測結(jié)果(μg/L)

5 討論

(1)從各元素監(jiān)測結(jié)果不確定的分量情況(圖1)可以看出，在利用電感耦合等離子體質(zhì)譜法對水中各元素不確定性進行評定時，不確定度的變化主要受到元素校準曲線擬合及重復(fù)性的影響。

圖1 各元素相對不確定度分量及合成相對不確定度大小

(2)在應(yīng)用HJ700-2014方法對水中元素的可溶態(tài)進行檢測時，由于不需要實施稀釋處理，所以相應(yīng)的不確定度會有所改變。

(3)在利用待測元素信號值和內(nèi)標(biāo)元素信號比值進行水中元素不確定度的檢測時，內(nèi)標(biāo)元素溶液濃度的不確定度不會存在疊加情況，只是增大了待測元素檢測結(jié)果的重復(fù)性，影響較小，所以可不作為單獨內(nèi)容予以考量。

(4)在檢測過程中，對于空白不確定度不需要予以考量，只需對重復(fù)的不確定度數(shù)據(jù)實行細致分析即可?？瞻撞糠挚芍苯雍雎圆挥?。這主要是因為在檢測過程中，空白部位各元素的標(biāo)準差分別在每升0.0012毫克、每升0.0091毫克、每升0.012毫克及每升0.0023毫克左右，這對UC的影響較小，可忽略不計。

(5)針對曲線擬合中存在不確定度差值較大的情況，在實際檢測作業(yè)中可適當(dāng)縮小曲線濃度范圍，以實現(xiàn)差值的有效控制。

6 結(jié)語

通過本次檢測可知，不確定度的來源主要為元素校準曲線擬合及重復(fù)性，通過檢測結(jié)果分析可知，內(nèi)標(biāo)元素標(biāo)準溶液濃度的不確定度與待測元素檢測結(jié)果之間不存在任何疊加情況，所以在對重復(fù)性不確定度進行分析時，不需要將其進行單獨考量；針對曲線擬合中存在的不確定度大的問題，在實際操作中可適當(dāng)?shù)目s小標(biāo)準曲線濃度范圍來保證測量結(jié)果的準確性。