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标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用

大多数化学测量采用相对法,测量前需对仪器进行校准,通常还需要对样品进行前处理,使待测特性量与基体分离,并转入另一种适合测量的状态,因此,保证化学测量量值的有效溯源并据此对测量结果不确定度进行评定尤为复杂,标准物质其中发挥了重要和关键的作用。
    

一、标准物质在化学测量结果不确定度评定中的作用

    在对化学测量结果进行不确定度评定前,首先应明确其量值溯源过程。图1为典型的化学测量量值溯源过程,通过应用适当的校准用标准物质并对所使用的天平和容量器具等进行校准,可以使待测特性量值向规定的参考标准溯源。然而,溯源链的每一步都会受到不当操作的影响,导致溯源失效。样品前处理和测量过程中的不完全转化、沾污、损失及基体效应都会导致溯源链的中断(见图1中的虚线部分)。通过基体标准物质可对溯源链的连续性进行评估,并通过回收率和测量重复性指标量化其影响,最后代入样品测量结果不确定度的计算中去。
    

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 图1  典型化学测量量值溯源过程

    

二、应用举例

    1.测量过程
    以对小麦粉中的Zn含量(用质量分数w表示)进行火焰原子吸收法单次测量为例,测量过程简单概括如下:
    (1)样品的烘干和称量;
    (2)湿法消解及样品溶液的转移和定容;
    (3)系列校准用标准溶液的配制;
    (4)火焰原子吸收法测量;
    (5)结果计算。
    2.所使用的标准物质
    测量过程中选用两种标准物质:
    (1)GBW(E)080130 Zn单元素溶液标准物质,用于配制校准用标准溶液,以保证测量结果通过该标准物质建立溯源性;
    (2)NIST SRM 1567a小麦粉标准物质,对其按相同测量程序进行测量,通过回收率和测量重复性两项指标,衡量样品中待测元素在前处理中可能产生的沾污、损失及测量过程中的基体效应对溯源有效性的影响。
    3.测量结果不确定度的评定
    (1)测量结果重复性引入的不确定度分量
    称取6份NIST SRM 1567a小麦粉标准物质进行重复性测量。测量结果及标准偏差见表1。
    

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表1  NIST SRM 1567a小麦粉标准物质中Zn测量结果
 

    实际小麦粉样品的测量为单次测量,在测量条件较稳定的情况下,测量结果重复性引入的不确定度用单次测量标准偏差sr(wi)表示,即0.176mg/kg,而不应是6次测量平均值的标准偏差。
    (2)方法回收率引入的不确定度分量
    同样采用NIST SRM 1567a小麦粉标准物质进行评定。由于标准物质与实际样品的基体相似,不考虑由基体不同引起的回收率测量不确定度的差异。对该标准物质中Zn元素6次测量结果的平均值和标准偏差见表1。方法的平均回收率由式(1)计算:
    标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用
    其不确定度由式(2)计算:
    标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用
    由式(2)可以看出,所选用标准物质的不确定度是回收率不确定度的主要贡献因素,因此,在追求高准确度测量时,尤其应注意优先选用特性量值不确定度较小的标准物质。
    设k为在计算测量结果扩展不确定度时所使用的扩展因子,在95%置信概率下取2。若标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用,则实际回收率与1之间无显著性差异,若标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用,则实际回收率与1之间有显著性差异。通过计算得到t=1.42<2,因此,实际回收率与1之间无显著性差异,本次小麦粉样品中Zn测量结果可以不作回收率修正,否则需在测量结果中引入回收率修正因子。
    (3)校准引入的不确定度分量
    校准引入的不确定度分量的计算应考虑通过线性回归法校准,并计算样品溶液中Zn的质量浓度所引入的不确定度u(ρ0),及校准用标准溶液ρ标的不确定度。
    u(ρ0)可按照EURACHEM/CITAC导则中介绍的方法进行评定。校准用标准溶液的浓度范围跨度不大,配制条件相近,各溶液浓度的不确定度大小基本一致。可以位于曲线中间并与样品溶液中Zn浓度最接近的浓度点进行该项不确定度评估。
    校准用标准溶液浓度的不确定度由以下两部分组成:
    ①标准物质浓度的不确定度u(ρ标准物质):标准物质中Zn浓度的相对扩展不确定度为1%(k=2),相对标准不确定度为0.5%。
    ②由逐级稀释引入的稀释不确定度u稀释:由稀释过程中所涉及的各体积分量的不确定度合成得到。各体积分量的不确定度分别由容量器具的校准不确定度、操作者移取或定容时由体积重复性引入的不确定度和温度效应引入的不确定度分量合成,描述该不确定度评定过程的例子近年来多有报道,本篇不再冗述,仅给出最终评定结果,其相对标准不确定度为0.0051。
    校准用标准溶液浓度的相对标准不确定度为:
    标准物质在化学测量结果不确定度评定中的应用
    urel(ρ标)>urel(ρ0)/3,因此,相对于urel(ρ0)不能忽略。
    (4)合成标准不确定度及扩展不确定度
    除以上通过使用标准物质评定出的不确定度分量外,还需考虑其他不确定度来源,见不确定度分量汇总表2的最后3项。
    

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表2  不确定度分量汇总表

    将各不确定度分量合成,得到测量结果的合成相对标准不确定度为3.1%,合成标准不确定度为0.50mg/kg。取包含因子k=2,测量结果的扩展不确定度为1.0mg/kg。
    

三、结论

    标准物质在化学测量结果不确定度评定中的作用有两点,即以校准的方式实现基本量值溯源并进行校准引入的不确定度的评定;以溯源有效性评估(方法确认)的方式对溯源链的连续性进行评估,并开展回收率和测量结果重复性引入的不确定度评定。然而,在目前的化学测量不确定度评定工作中,对校准引入的不确定度分量的评定给予了充分的重视,却往往忽略了对方法回收率引入的不确定度的评定,导致基体标准物质在化学测量量值溯源中的作用得不到应用和明确,所采用基体标准物质的不确定度常常合成不到样品测量结果的不确定度中去,这是一个值得引起重视和改进的问题。本例中,由于回收率与1无显著差异,因此不需要作回收率修正,在必要的情况下,还须通过引入适当的结果修正参数(如回收率修正因子)对测量结果进行修正,以保证量值的不间断溯源。

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