田 衎, 周裕敏, 邢書才, 封躍鵬, 楊 珺, 王 堯, 邱赫男

(環(huán)境保護部標準樣品研究所 國家環(huán)境保護污染物計量和標準樣品研究重點實驗室, 北京 100029)

土壤類標準樣品的穩(wěn)定性研究方法探討

田 衎, 周裕敏, 邢書才, 封躍鵬, 楊 珺, 王 堯, 邱赫男

(環(huán)境保護部標準樣品研究所 國家環(huán)境保護污染物計量和標準樣品研究重點實驗室, 北京 100029)

土壤、沉積物等標準樣品在地質、環(huán)保、農(nóng)業(yè)和水利等監(jiān)測系統(tǒng)和領域得到了廣泛應用[1-4]。穩(wěn)定性是標準樣品的三大基本特性之一,是確保標準樣品在有效期限內(nèi)量值穩(wěn)定可靠的前提條件,它指的是在規(guī)定的保存和使用條件下,定值組分量值在規(guī)定時間間隔內(nèi)保持在規(guī)定范圍內(nèi)的能力。隨著土壤類標準樣品研制工作由無機元素總量向元素價態(tài)和形態(tài)分析[5-8]、持久性有機污染物[9-10]等指標的拓展,有關這類標準樣品穩(wěn)定性的研究起步較晚,且分析檢測過程復雜,如何考察其穩(wěn)定性已越來越引起人們的關注。GB/T 15000.3-2008《標準樣品工作導則(3) 標準樣品定值的一般原則和統(tǒng)計方法》和JJF 1343-2012《標準物質定值的通用原則及統(tǒng)計學原理》中規(guī)定了標準樣品穩(wěn)定性評價的普遍原則,本文對土壤類標準樣品采取的穩(wěn)定化措施及穩(wěn)定性評價等進行了探討。

1 土壤類標準樣品穩(wěn)定性的影響因素及穩(wěn)定化措施

為確保土壤類標準樣品具有良好的穩(wěn)定性,應對標準樣品的制備方法、保存運輸條件及使用注意事項等方面進行探究。標準樣品中易揮發(fā)和易氧化等不穩(wěn)定成分的量值容易發(fā)生變化,外部環(huán)境要素如光照、溫度和濕度,樣品中的水分、微生物,以及標準樣品的使用方法等,是影響其穩(wěn)定性的主要因素[7]。應根據(jù)土壤類標準樣品的定值特性確定穩(wěn)定化措施和方法,提高其穩(wěn)定性、消除或延緩組分量值的變化。

首先是控制樣品中的水分含量和進行滅活處理。采用105 ℃烘干去水,進行滅活處理等可抑制微生物對特性量值的影響。歐盟標準物質與測量研究所(IRMM)的研究表明,活性水分的質量分數(shù)在15%～30%之間可最大程度地防止有機質等微生物的降解,提高標準樣品的穩(wěn)定性[11]。形態(tài)分析標準樣品在保存環(huán)境條件下放置一段時間可以使樣品形態(tài)成分逐漸達到平衡,從而使其量值達到穩(wěn)定[7]。

其次是優(yōu)化樣品包裝保存和運輸條件。樣品包裝可采用配聚四氟乙烯內(nèi)襯的棕色玻璃瓶,瓶口用白蠟封口,保存在陰涼避光處,避免樣品受陽光直射,或與空氣中的水氣、氧氣、細菌等接觸而使量值發(fā)生變化[7]。必要時,可采取措施保證樣品在郵寄運輸過程中的環(huán)境條件與短期穩(wěn)定性研究時的環(huán)境條件一致;對某些特殊指標標準樣品,可采用冰袋、干冰或特殊的保溫材料包裝,保證低溫運輸條件。

再者,土壤、沉積物等土壤類標準樣品在有效期內(nèi)會被反復使用,可采用小單元包裝,避免樣品在使用過程中因反復打開包裝接觸空氣而影響穩(wěn)定性。此外,樣品啟封后,用戶應嚴格按照證書要求進行保存,放置在陰涼處或干燥不易受潮的地方,以保證樣品在有效期內(nèi)穩(wěn)定。

2 穩(wěn)定性的考察

以往的土壤類標準樣品的特性量值以無機成分為主,此類標準樣品的穩(wěn)定性較好。文獻[12]依據(jù)多年的土壤類標準物質穩(wěn)定性檢驗結果,表明土壤類標準樣品(除“相態(tài)”標準樣品外)具有良好的穩(wěn)定性,絕大多數(shù)成分在有效期內(nèi)量值變化所引起的不確定度可以忽略不計。對中國環(huán)境監(jiān)測總站20世紀80年代研制的ESS系列土壤標準樣品中的易變組分汞和砷的測定結果表明:在室溫保存條件下,汞和砷的量值沒有發(fā)生顯著性變化。

近年來,隨標準樣品研制工作的逐步發(fā)展,標準樣品的定值組分越來越多,持久性有機污染物和形態(tài)分析等樣品的研制逐漸展開。文獻[13]研制了水系沉積物標準樣品,并對其中16種多環(huán)芳烴進行了定值;中國計量科學研究院研制了土壤中7種多氯聯(lián)苯標準物質等,此類標準樣品穩(wěn)定性分析的步驟較長,穩(wěn)定性檢測數(shù)據(jù)質量較差。穩(wěn)定性評價對標準樣品的不確定度評價和有效期的確定非常關鍵,因此考察其穩(wěn)定性顯得越來越重要。

2．1 穩(wěn)定性評價模型

對土壤類標準樣品不穩(wěn)定的機理還不太明確,穩(wěn)定性評價模型主要有趨勢分析法[14]和方差分析法[15]。

2．1．1 趨勢分析法

趨勢分析法即一元線性回歸模型,在穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示標準樣品特性沒有顯著變化趨勢時,

tcal=|b1|

式中:tcal為t檢驗統(tǒng)計量;b1為直線的斜率;sb1為斜率的標準偏差。

在95%置信水平下,通過比較tcal與t分布(t0.95,n-2,n為檢驗次數(shù))的大小評估抽檢組分的穩(wěn)定性,即當tcal≤t0.95,n-2時,可認為被檢組分在檢驗期間是穩(wěn)定的;當tcal>t0.95,n-2時,則認為被檢組分在檢驗期間存在不穩(wěn)定的趨勢,需要采取必要的措施改善其穩(wěn)定性。

在實際應用中,除計算tcal外,同時將穩(wěn)定性引入的不確定度分量合成到標準樣品總不確定中,以是否滿足標準樣品的預期用途來判斷樣品的穩(wěn)定性[15]。

一元線性回歸模型對分析方法的精密度和再現(xiàn)性有很高的要求,而一般的土壤類樣品分析由于前處理過程復雜,在待測成分含量較低時,分析方法的再現(xiàn)性往往較差,會導致穩(wěn)定性檢測數(shù)據(jù)失真,評價的穩(wěn)定性結果可能并不完全是標準樣品的真實反映,而是分析方法的再現(xiàn)性偏差等,造成穩(wěn)定性的評價結果偏高,甚至遠高于定值的不確定度。松花江沉積物中部分多環(huán)芳烴的16個月穩(wěn)定性測定結果見表1[13]。

表1 松花江沉積物樣品中10個多環(huán)芳烴的穩(wěn)定性檢驗結果Tab. 1 Results of stability tests of 10 PAHs in sediment of Songhua river

由表1可知:大多數(shù)組分的5次穩(wěn)定性檢測結果的相對標準偏差(RSD)大于10%,二苯并[a,h]蒽的RSD為24%,數(shù)據(jù)采用一元線性回歸模型檢驗沒有趨勢性,因此分析方法等因素對穩(wěn)定性數(shù)據(jù)影響很大,給穩(wěn)定性的正確評價帶來困難。在對土壤中鉻的3年期穩(wěn)定性考察中,采用一元線性回歸模型評估的穩(wěn)定性不確定度分量為3.78 mg·kg-1,這顯然不可能完全是由土壤中鉻的不穩(wěn)定性引起的[16]。

2．1．2 方差分析法

為了克服分析方法的精密度等對穩(wěn)定性結果的影響,提出了計算穩(wěn)定性引入的不確定度的方差分析法[15],見公式(2):

采用此種評價方法,扣除了分析方法精密度對穩(wěn)定性結果的影響,但在土壤類樣品分析方法精密度欠佳的條件下,可能使評價的穩(wěn)定性不確定度偏小,甚至由于結果小于零而無法進行穩(wěn)定性評價。同時,該法不能反映出標準樣品量值隨時間的變化趨勢。

在穩(wěn)定性趨勢不顯著的情況下,這兩種評價方法宜選用趨勢分析法;在無變化趨勢的情況下可選用方差分析法或趨勢分析法。以上說明,在測量誤差中,除標準樣品可能發(fā)生的變化帶來誤差,還有測量方法和儀器等帶來的測量誤差,這些因素都使穩(wěn)定性檢驗難以給出嚴格的定量評價結果。當要使測量結果之間的差異著重反映出由標準樣品變化所引起的那一部分誤差時,就必須有高精密度和再現(xiàn)性的分析方法。目前,土壤形態(tài)分析和有機物成分分析等由于前處理過程復雜,分析數(shù)據(jù)的精密度不高,給標準樣品的穩(wěn)定性評價帶來困難。

為正確評價樣品的穩(wěn)定性,穩(wěn)定性檢驗時間點的數(shù)量應該達到模型的有效性對數(shù)據(jù)的需求,測定的時間間隔根據(jù)定值特性而定。國內(nèi)對一級標準物質的保存穩(wěn)定期要求在一年以上,國家二級標準物質有效期應在半年以上[17]。一些研制單位為了取得足夠的數(shù)據(jù),在1～2年內(nèi)完成5～10次以上的穩(wěn)定性試驗[9,18],如此短的時間間隔是完全沒有必要的,只有在觀察到不穩(wěn)定趨勢的情況下,才有必要加密進行穩(wěn)定性檢驗。如果土壤類標準樣品穩(wěn)定性只有幾個月或者1年,除去研制期和銷售期,用戶實際可使用的時間很短,研制者需要多次復制標準樣品才能滿足用戶需求,因此,穩(wěn)定性極差的標準樣品對研制者和用戶都極為不利。在此情況下,研制者需要研究提高標準樣品穩(wěn)定化的措施,而不僅僅是通過穩(wěn)定性檢驗結果給出短暫的有效期。

2．3 穩(wěn)定性檢驗元素選擇及不確定度評價

在土壤類標準樣品的研制過程中,由于定值成分多,且受工作量和分析方法精密度等的限制,通常只選擇易變的和有代表性的特性指標進行穩(wěn)定性試驗[15],但對于如何選擇有代表性的組分,各單位在實際工作中即使對同類樣品,其穩(wěn)定性考察組分也有較大差異。土壤類樣品中各組分降解緩慢,但某些組分的特性可能會在某個時間突然發(fā)生變化,從而造成標準樣品失效,由于這些機理非常難以預測,因此如何選擇有代表性的組分非常關鍵。穩(wěn)定性存疑的易變組分都應該在有效期內(nèi)進行穩(wěn)定性檢驗,應謹慎采用選擇有代表性組分的方法進行穩(wěn)定性考察,但是土壤類樣品中一些易變微量組分分析檢測困難,這無疑增加了穩(wěn)定性檢驗的難度。

土壤類標準樣品穩(wěn)定性一般采用趨勢分析法和方差分析法進行評價,并通過計算引入穩(wěn)定性不確定度。對未檢驗成分的穩(wěn)定性不確定度不能忽略,但如何評價穩(wěn)定性不確定度目前標準和規(guī)范都沒有明確說明。同一類的標準物質特性相同,其穩(wěn)定性也是相似的。對新研制樣品,應當根據(jù)成分類比特性,采用已進行穩(wěn)定性檢驗同類成分的最大不確定度進行評估[19]。對于復制樣品,可利用已積累的土壤類標準樣品長期穩(wěn)定性的試驗數(shù)據(jù)評估相應的不確定度分量。

2．4 有效期的確定

穩(wěn)定性試驗只表明樣品在過去的檢驗時間內(nèi)是穩(wěn)定的,對于新研制的土壤類標準樣品,在沒有明確的穩(wěn)定性模型條件下,組分量值在未來的時間將會怎樣變化無法準確預測。只有在經(jīng)過足夠長時間的穩(wěn)定性檢測中,穩(wěn)定性引起的不確定度評估才可能接近實際情況,這是評價穩(wěn)定性最合理的方式。但在實際研制中,研制單位只能通過分析已有的穩(wěn)定性監(jiān)測結果,對新研制標準樣品給出預期有效期。沒有穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù),憑經(jīng)驗規(guī)定標準樣品的有效期嚴格來說是不科學的,但目前只能采取持續(xù)監(jiān)測樣品穩(wěn)定性,如在有效期內(nèi)量值發(fā)生變化時及時通知使用者的辦法來彌補。后續(xù)穩(wěn)定性監(jiān)測如果量值穩(wěn)定,則延長樣品使用有效期,否則說明特性量值在不確定度范圍之外,召回已售樣品或重新進行量值評定。對于復制樣品來說,可行的辦法是根據(jù)已積累的穩(wěn)定性研究試驗數(shù)據(jù)來確定標準樣品的使用有效期。

3 結語

土壤類標準樣品穩(wěn)定性研究是標準樣品研制的重要組成部分,隨著各類土壤類標準樣品研制工作的廣泛開展,土壤類標準樣品的穩(wěn)定性研究工作應該引起足夠重視。標準樣品的穩(wěn)定性是有條件的,需要對樣品制備方法、保存條件及使用等影響標準樣品穩(wěn)定性的因素進行探究,同時合理評價穩(wěn)定性不確定度,使考察及評價的穩(wěn)定性能真正反映出該標準樣品穩(wěn)定性能,發(fā)揮其量值傳遞和溯源的作用。目前,穩(wěn)定性評價方法有一定的局限性,需要開展大量的研究工作。

[1] 李紅梅,盧曉華.化學計量與標準物質國際互認及成果共享[J].中國科技資源導刊, 2012,44(3):5-10．

證明分析 若記=k,要證(2)式成立，即證f′(ξ)=k?f′(ξ)-k=0?[f′(x)-k]x=ξ=0?也就是在(a,b)內(nèi)是否存在一點ξ，使得φ(x)=f(x)-kx在ξ點的導數(shù)等于零，即φ′(ξ)=0.

[2] 鄢國強.標準樣品的開發(fā)與應用[J].理化檢驗-化學分冊, 2003,39(3):189-193．

[3] 馬沖先,胡曉春.標準樣品在光譜儀器分析中應用[J].理化檢驗-化學分冊, 2006,42(9):771-775．

[4] 宋國強,謝夏青.標準樣品在環(huán)境監(jiān)測應用中幾點問題的探討[J].中國環(huán)境監(jiān)測, 2011,27(4):1-3．

[5] 劉妹,顧鐵新,程志中,等.10個土壤有效態(tài)成分分析標準物質研制[J].巖礦測試, 2011,30(5):536-544．

[6] 嵇鵬,許春雪,王亞平,等.土壤及沉積物中重金屬順序提取標準物質研制[J].云南地質, 2007,25(4):449-449．

[7] 劉妹,顧鐵新,史長義,等.我國主要土壤類型元素地球化學形態(tài)成分標準物質研制[J].物探與化探, 2008,32(5):492-496．

[8] 袁建,王亞平,許春雪.湖泊沉積物中磷形態(tài)標準物質研制[J].巖礦測試, 2014,33(6):857-862．

[9] 田芹,吳淑琪,佟玲,等.中國典型類型土壤中有機氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯成分分析標準物質的研制[J].巖礦測試, 2015,34(2):238-244．

[10] 曹丹丹,田文,封躍鵬,等.土壤中有機氯農(nóng)藥殘留分析用標準樣品的制備[J].色譜, 2010,28(5):483-486．

[11]LINSINGERTP,PAUWELSJ,VANDERVEENAM,etal.Homogeneityandstabilityofreferencematerials[J].AccreditQualAssur, 2001,6(1):20-25．

[12] 鄢明才.地球化學標準物質標準不確定度估算探討[J].巖礦測試, 2001,20(4):287-293．

[13] 房麗萍,吳忠祥,王偉,等.河流沉積物多環(huán)芳烴標準樣品的制備與定值[J].巖礦測試, 2013,32(5):767-774．

[14]GB/T15000.3-2008 標準樣品工作導則(3) 標準樣品定值的一般原則和統(tǒng)計方法[S]．

[15]JJF1343-2012 標準物質定值的通用原則及統(tǒng)計學原理[S]．

[16] 孟凡敏,闞瑩.標準物質穩(wěn)定性不確定度的評估[J].計量學報, 2010,31(1):112-114．

[17] 梅連平,云天化.銅礦石二級標準物質的研制[J].武漢工程大學學報, 2011,33(2):100-102．

[18] 劉瑱,馬玲,時曉露,等.石英巖化學成分分析標準物質研制[J].巖礦測試, 2014,33(6):849-856．

[19] 胡曉燕.標準物質穩(wěn)定性考察及評價[J].冶金分析, 2000,20(6):31-34．

10.11973/lhjy-hx201702016

2016-02-03

國家環(huán)境標準制修訂項目(2012-60)

O65

B

1001-4020(2017)02-0201-04