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第 26 卷第 3 期 2007 年 6 月 岩矿测试 ROCK AND MINERAL ANALYSIS Vol. 26,No. 3 June, 2007 文章编号 02545357 2007 03022505 榴辉岩中金红石物相二氧化钛含量测定的不确定度评定 蔡玉曼,曹磊 江苏省地质调查研究院,江苏 南京210018 摘要 通过对榴辉岩中金红石物相二氧化钛含量重复测定, 建立数学模型, 分析了测量过程的 不确定度主要来源于样品制备的不确定度、 标准物质引入的不确定度、 曲线拟合中产生的不确定 度, 以及重复试验的不确定度。当二氧化钛平均含量为3.75时, 评定其扩展不确定度为0.16。 关键词 不确定度评定; 二氧化钛; 金红石; 榴辉岩 中图分类号 O213. 1; O614. 41; P578. 47文献标识码 A 收稿日期 2006- 09- 08; 修订日期 2006- 12- 04 作者简介 蔡玉曼 1964 , 女, 江苏无锡人, 高级工程师, 主要从事化学分析工作。E- mail yuman sina. com。 Measurement Uncertainty uation for the Determination of Titanium Dioxide of Rutile Phase in Eclogite CAI Yu- man,CAO Lei Geological Survey of Jiangsu Province,Nanjing210018,China Abstract The content of rutile phase TiO2 in eclogite was determined repeatedly and the uncertainty in meas- urements was uated. Mathematic expression for the measurement uncertainty uation was established. The sources of measurement uncertainty are mainly from the partial uncertainties produced in sample preparation, standard reference materials,curve fitting and repetitive experiments. When the average content of TiO2is 3. 75, the expanded uncertainty is 0. 16. Key words measurement uncertainty uation; titanium dioxide; rutile; eclogite 随着中国实验室国家认可委员会 CNAL 的 认证, 建立测量不确定度评定程序, 对测量方法、 测 量结果进行不确定度评定是测试实验室不可回避 的课题。测量不确定度是评价检测结果可信性、 可 比性和可接受性的主要指标。不确定度评定在商 品检测 [1 ]、 地质分析[2 ]等日益受到重视。为表征 测量所带来的误差, 如实反映测量的置信度和准确 度, 给出准确的结果, 本文对榴辉岩中金红石物相 TiO2含量测定的结果进行了不确定度评定。本评 定采用综合评价不确定度。 1测量原理 榴辉岩中金红石的物相分析 [3 ]是通过测定金 红石中 TiO2的含量计算金红石的矿物含量。测定 中必须使金红石与石榴子石、 绿辉石、 钛铁矿、 榍石 等共存钛矿物分离, 然后才可准确测定金红石中的 TiO2, 再通过金红石矿物中 TiO2的含量换算成金红 石的矿物含量。 在 HCl - HF 选择性溶剂中, 金红石溶解度极 小, 而石榴子石、 绿辉石、 钛铁矿、 榍石等共存钛矿 物却能基本溶解, 这样就可使金红石与石榴子石、 绿辉石、 钛铁矿、 榍石等共存钛矿物分离, 然后进行 金红石中 TiO2含量的测定。 2测量方法 2. 1仪器及主要试剂 AE 240 分析天平 瑞士 Mettler 公司 ; UV - 2550 分光光度计 日本 Shimadzu 公司 。 H2SO4 φ 为 2 ~ 5 体积分数, 下同 、 φ 50。 522 ChaoXing HCl - HF 混合酸溶液 一份 8 mol/L HCl 与一 份浓 HF 混合, 搅匀。 硫 - 磷混合酸溶液 84 mL φ 50 的 H2SO4 与 10 mL 浓 H3PO4混合, 水稀释至 100 mL。 NH4 2SO4、 K2S2O7、 H2O2等试剂均为分析纯。 2. 2二氧化钛标准储备液的配制 TiO2标准储备液采用 TiO2配制 [ 4 ], 称取2.0000 g 光谱纯 TiO2于 400 mL 烧杯中, 加 H2SO4 优级纯 200 mL, 置于电热板 或电炉 上加热, 在冒 SO3浓烟 的情况下, 逐次加入适量 NH4 2SO4, 用玻棒搅动至 TiO2完全溶解, 取下冷却。在 1000 mL 烧杯稀释约 3 倍, 冷却, 移入2000 mL 容量瓶, 稀释至近刻度, 冷却 至室温后再稀释至刻度, 摇匀。此储备液 TiO2浓度为 1 g/L。用50 mL 单刻线移液管移取50 mL TiO2标准 储备液, 置于 500 mL 容量瓶中, 用 φ 为 2 ~5的 H2SO4定容, 制成100 mg/L TiO2标准工作液。 2. 3测量步骤 称取0.2000 g 试样置于50 mL 塑料烧杯中, 加入 20 mL HCl - HF 混合酸溶液, 在水浴上加热浸取 30 min 浸取过程中经常用塑料棒搅拌 。取出冷却, 加水稀释, 用慢速定量滤纸过滤, 用 φ 为2 ~5的 H2SO4酸化的热水冲洗烧杯, 用擦棒擦净沉淀, 冲洗净 烧杯, 再洗涤滤纸和不溶物6 ~8 次, 滤液弃去。 将不溶物连同滤纸放入10 mL 瓷坩埚中, 低温 灰化完全。取出, 加入 2 g K2S2O7和几滴浓H2SO4, 放入马弗炉中从低温升至 700 ℃ 熔融 15 min。待 不溶物完全分解后取出冷却。将坩埚放入 100 mL 烧杯中, 加入 20 mL φ 50的H2SO4, 微热使熔块 溶解直至溶液澄清。稍冷, 用水冲洗出坩埚, 溶液 转入 100 mL 容量瓶中, 水稀释至刻度, 摇匀。 吸取 5 mL 清液置于 50 mL 容量瓶中, 加入 6 mL硫 - 磷混合酸, 水稀释至刻度, 摇匀。以部分 原溶液为参比, 剩余的溶液中加 4 滴 H2O2, 摇匀, 在分光光度计上, 420 nm 处用 3 cm 比色皿测定吸 光度。在工作曲线上查出 TiO2量, 计算金红石中 的 TiO2含量。 2. 4工作曲线绘制 分取 TiO2标准工作液 0、 0. 25、 0. 50、 1. 00、 2.00、 4.00、 6.00 mg/L 置于50 mL 容量瓶中, 加入 6 mL 硫 -磷混合酸、 4 滴 H2O2, 水稀释至刻度, 摇匀。以零点 为参比, 同测量步骤选定的仪器条件测定吸光度。以 浓度为横坐标, 吸光度为纵坐标, 绘制工作曲线。 榴辉岩中金红石物相 TiO2的含量 w 测量 流程见图 1。 图 1榴辉岩中金红石物相 TiO 2的含量测量流程 Fig. 1Flow chart for the measurement of TiO2 of rutile phase in eclogites 3数学模型 榴辉岩中金红石物相 TiO2含量 w 的计算 公式为w ρ V 10 -4 m样品 100 式中, ρ 为测定液中扣除试剂空白后 TiO2的质量浓 度 mg/L ; V 为样品测定时的定容体积 mL ; m样品为样品质量 g 。 4不确定度的主要来源及评定 根据测量过程可以确定榴辉岩中金红石物相 TiO2含量的不确定度来源如图 2 所示, 可以从以下 方面进行评定。 图 2榴辉岩中金红石物相 TiO 2含量 不确定度分量的因果关系图 Fig. 2Uncertainty fractions for the measurement of TiO2of rutile phase in eclogites 4. 1样品制备过程的不确定度 4. 1. 1取样的不确定度 本实验采用的样品按DZ/T 0130.1 ~0130.13 94[ 5 ]规范规定, 经球磨, 过 0. 074 mm 200 目 筛后 混合均匀随机取样, 可认为样品是均匀的, 代表性充 分, 由此所致的不确定度忽略不计。 4. 1. 2称重的不确定度 按要求样品称重准确至0. 2000 g, 实际操作中 622 第 3 期 岩矿测试 http ∥ykcs. i3t. com. cn/ 2007 年 ChaoXing 本室使用精度为 0. 0001g 的 AE 240 电子天平称 量, 其最大允许误差 MPE≤ 0. 0001 g。样品质量 是由两次称量 空瓶 mtare和样品 msamp 所得, 天平 线性最大允许误差 MPE 为矩形分布, k 槡 3, 两次 称量天平的最大允许误差导致的不确定度为 u m样品 槡 0. 0001 2 槡 3 0. 000082 g 相对标准不确定度为 urel m样品 u m样品 m样品 0. 000082 0. 2000 0. 00041 4. 1. 3定容体积的不确定度 JJG 1961990[6 ]规定, 20℃时 100 mL A 级容 量瓶的容量允差为 0. 10 mL, 取三角分布, k 槡 6, 则 100 mL 容量瓶体积带来的不确定度为 u V100 0. 10 槡 6 0. 041 mL 相对标准不确定度为 urel V100 u V100 V100 0. 041 100 0. 00041 4. 1. 4溶液分取产生的不确定度和定容不确定度 按流程分取5 mL 溶液至50 mL 容量瓶中测定。 5 mL 单刻度移液管 A 级 的容量允差为 0. 015 mL, 50 mL 容量瓶的容量允差为 0. 05 mL, 取三角 分布, k 槡 6, 两者带来的标准不确定度分别为 u V5 0. 015 槡 6 0. 0062 mL u V50 0. 05 槡 6 0. 021 mL 相对标准不确定度为 urel V5 u V5 V5 0. 0062 5 0. 0013 urel V50 u V50 V50 0. 021 50 0. 00042 由于本实验是在 20 ℃的条件下进行的, 故温 度对体积的影响可忽略。 4. 1. 5溶矿分解回收率引起的不确定度 由于榴辉岩中金红石物相 TiO2溶矿分解过程 中 HCl - HF 对 TiO2分解损失或其他钛矿物分解分 离不完全等因素, 使榴辉岩中金红石物相 TiO2质 量分数不能以 100 进入到测定中, 根据文献[ 7] 金红石物相 TiO2分析采用 HCl - HF 选择性溶剂溶 解法对金红石的溶解率为 4. 83, 而对其他钛矿 物的溶解率有 98 以上, 因此样品的回收率在 95. 17 ~102。样品回收率的不确定度按 JJF 10591999[8 ]5. 8 节计算 u2 Rec b b- 2 12 b102 -100 2. 0 b-100 -95. 17 4. 83 u Rec 1. 97urel Rec 0. 0197 从上述评定可知, urel m样品 、 urel V5 和urel V50 相对于 urel Rec 来说非常小, 可忽略, 即样品制备过 程中引入的标准不确定度主要来源于溶矿分解回收 率的不确定度, 即 urel pre urel Rec 0. 0197 4. 2二氧化钛标准溶液配制的不确定度 4.2.1二氧化钛标准储备液制备不确定度 1 TiO2纯度 P 的不确定度 在供应商的证书中给出光谱纯 TiO2的纯度为 99. 99 0. 01, 因此 P 0. 9999 0. 0001。假 定是矩形分布, k 槡 3, 则标准不确定度为 u P 0. 0001 槡 3 0. 000058 相对标准不确定度为 urel P u P P 0. 000058 0. 9999 0. 000058 2 质量 mTiO2的不确定度 称量采用 AE 240 电子天平, 配制 2000 mL 浓 度为1 g/L 的 TiO2溶液, 相应要称取 TiO2的质量为 2. 0000 g。制造商的文献识别了称量的三种不确 定度 重复性、 天平标度的可读性 数字分辨率 和 标度的校准函数产生的不确定度的贡献。此校准 函数存在两种潜在的不确定度源, 即天平的灵敏度 及其线性, 对于使用同一天平在一个很窄的范围内 进行称量, 确保了质量差值灵敏度可忽略不计。样 品要求称量精确至0. 0001 g, 实际操作中采用精度 为 0. 0001 g 的 AE 240 型电子天平称量, 天平最大 允许误差≤ 0. 0001 g, 称量两次, 一次是空盘置 零 mtare , 另一次是毛重 msamp , 则称量导致的标 准不确定度按两次矩形分布 k 槡 3 计算为 u mTiO2 槡 0. 0001 2 槡 3 0. 000082 g 相对标准不确定度为 urel mTiO2 u mTiO2 mTiO2 0. 000082 2. 0000 0. 000041 3 定容体积 V2000的不确定度 在容量瓶中的溶液体积有确定容量瓶内体积 和容量瓶、 溶液的温度与校正容量瓶体积时的温度 不同引起的两个不确定度源。 根据 JJG 1961990[6 ]规定, 2 000 mL A 级容 722 第 3 期蔡玉曼等 榴辉岩中金红石物相二氧化钛含量测定的不确定度评定第 26 卷 ChaoXing 量瓶允差为 0. 60 mL, 按三角形分布, k 槡 6, 则由 容量瓶体积带来的标准不确定度为 u1 V2000 槡 0. 6/ 6 0. 25 mL 根据制造商的规定, 容量瓶的校准温度是20℃, 而配制温度是25℃, 通过温度范围和体积膨胀系数估 算可以计算温度效应产生的不确定度。一般认为, 液 体体积膨胀比容量瓶体积膨胀大, 因此只考虑液体体 积膨胀, 水的体积膨胀系数是2.1 10 -4 /℃[ 9 ]。由温 度效应导致的体积变化为 2000 5 2. 1 10 -4 2.10 mL, 取矩形分布, k 槡 3, 因此温度引起的体 积标准不确定度为 u2 V2000 槡 2. 10/ 3 1. 21 mL 合成以上两个不确定度分量, 得到体积 V2000 的标准不确定度为 u V2000 [ u1 V2000 ] 2 [ u2 V2000 ] 槡 2 0. 2521. 21 槡 2 1. 24 mL 相对标准不确定度为 urel V2000 u V2000 V2000 1. 24 2000 0. 00062 则 TiO2标准储备液制备时的合成相对标准 不确定度为 urel [ ρ 1 TiO2 ] u[ ρ 1 TiO2 ] ρ1 TiO2 u P [] P 2 u mTiO2 mTiO [] 2 2 u V2000 V [] 2000 槡 2 0.00005820.00004120.00062 槡 2 0.00063 标准不确定度为 u[ ρ1 TiO2 ] ρ1 TiO2 0. 00063 0. 9999 0. 00063 0. 00063 g/L 4. 2. 2TiO2标准工作液配制过程不确定度 稀释过程用 50 mL 单刻线移液管移取 50 mL TiO2标准储备液, 置于500 mL 容量瓶 A 级 中, 用 φ 为 2 ~ 5 的 H2SO4定容至刻度, 制成 100 mg/L TiO2标准工作液。 1 单刻线移液管导致的不确定度 根据 JJG 1961990[6 ]的规定, 50 mL 单刻线 移液管的容量允差为 0. 05 mL, 玻璃器具的计量是 采用称量差值换算的纯水体积所得, 属于三角 分布, k 槡 6, 则刻度移液管的标准不确定度为 u V50 槡 0. 05/ 6 0. 021 mL 相对标准不确定度为 urel V50 u V50 V50 0. 021 50 0. 00042 2 容量瓶体积的不确定度 JJG 1961990[6 ]规定, 20℃时 500 mL 容量瓶 A 级 的容量允差为 0. 25 mL, 取三角分布, k 槡 6, 则容量瓶体积带来的标准不确定度为 u V500 槡 0. 25/ 6 0. 11 相对标准不确定度为 urel V500 u V500 V500 0. 11 500 0. 00022 温度对容量瓶和体积的影响 本实验是在 20℃ 的条件下进行的, 因此容量瓶和溶液温度与校准时 温度不同引起的不确定度为零, 当温度不为 20℃时 必须考虑温度对体积的影响。则 TiO2标准工作液配 制稀释过程的合成相对不确定度为 u rel [ ρ 2 TiO2 ] [ urel V50 ] 2 [ urel V500 ] 槡 2 0.0004220.00022 槡 2 0.00048 由此, TiO2标准溶液配制及稀释过程的合成 相对标准不确定度为 urel sta urel [ ρ 1 TiO2 ] 2 urel [ ρ 2 TiO2 ] 槡 2 0.0006320.00048 槡 2 0.00079 标准不确定度为 u sta 100 urel sta 100 0. 00079 0. 079 mg/L 已知使用线性最小二乘法拟合工作曲线的前 提是假定横坐标的量的不确定度小于纵坐标的量 的不确定度, 因此通常 ρ0不确定度的计算仅与吸 光度不确定度有关, 而与校准溶液不确定度无关。 由标准储备液配制成标准工作液所产生的不确定 度相对于 u ρ0 来通常很小, 该量常可以被忽略。 4. 3最小二乘法拟合工作曲线产生的不确定度 采用6 个浓度水平的 TiO2标准溶液, 按测量步骤 分别测定3 次, 得到相应的吸光度值 A, 结果见表1。 用最小二乘法进行拟合, 得到直线方程A 0.0514ρ 截距为0, 斜率为0.0514 , 相关系数为1.0000。 表 1TiO2标准溶液测量结果 Table 1Measurement results of TiO2in standard solutions ρ/ mgL -1 吸光度 A1A2A3 平均值 0.250.0120.0120.0130. 012 0.500.0250.0250.0260. 025 1.000.0500.0510.0520. 051 2.000.1010.1020.1040. 102 4.000.2040.2040.2070. 205 6.000.3070.3070.3100. 308 822 第 3 期 岩矿测试 http ∥ykcs. i3t. com. cn/ 2007 年 ChaoXing 对样品溶液进行了 6 次测定, 吸光度分别为 0. 195、 0. 194、 0. 194、 0. 189、 0. 190、 0. 189, 平均值 0. 192。由直线方程求得平均质量浓度 ρ0 3. 75 mg/L, 则 ρ0的标准不确定度为 u ρ0 s b 1 p 1 n ρ 0- ρ 2 s 槡 cc 其中s ∑ n j 1[ Aj - a bρj ] 2 n 槡 -2 scc ∑ n j 1 ρ j ρ 2 ρ ∑ n j 1ρj n 式中, s 为标准溶液吸光度的残差的标准偏差; a 为 回归直线的截距; b 为回归直线的斜率; p 为样品试 验次数; n 为 TiO2标准溶液测定的总次数; ρ0为由直 线方程求得的平均浓度; ρ 为标准溶液平均浓度; scc 为标准溶液质量浓度的残差的平方和; j 为 TiO2标准 溶液测定的次数; ρj为 TiO2标准溶液浓度。 本例中, a 0; b 0. 0514; p 6; 共测定 6 种不 同 TiO2浓度溶液, 每种溶液测定 3 次, n 3 6 18。则 u ρ0 0. 013 mg/L urel ρ 0 u ρ0 ρ0 0. 013 3. 75 0. 0035 4. 4试剂空白 本实验所用试剂均为分析纯, 符合本法要求, 因而扣除空白所致的 TiO2的微小变化产生的影响 很小, 可忽略不计。 4. 5重复性试验的不确定度 在重复性条件下, 对榴辉岩样品进行了 6 次独 立测试, 金红石中 TiO2的含量 w 分别为 3. 81、 3.79、 3.79、 3.69、 3.71、 3.69, 则金红石中 TiO2含量的算术平均值为 珔w ∑ n i 1w n 3. 75 单次测量的标准不确定度为 u w s wi ∑ n i 1 wi - 珔w 2 n 槡 -2 0. 056 算术平均值的标准不确定度为 u 珔w s wi 槡 n 0. 056 槡 6 0. 023 相对标准不确定度为 urel 珔w u 珔w 珔w 0. 023 3. 75 0. 0062 根据以上分析评定, 已凭经验将一些不确定度 去除, 主要的不确定度分量列于表 2。 表 2榴辉岩中金红石物相 TiO 2含量不确定度分量 Table 2The uncertainty fractions of the TiO2contents in rutile phase of eclogites 不确定度 分量 不确定度 来源 评定方法/分布类型量值 urel u per样品制备过程B 类/正态分布1.970.0197 u sta 标准储备液标准 配制和稀释过程 B 类/正态分布0.079 mg/L 0.00079 u ρ 0 曲线拟合A 类0.013 mg/L0.0035 u 珔w重复性 A 类 0.0230.0062 5相对合成标准不确定度 将各不确定度分量进行合成 urel w urel pre 2 urel sta 2 urel ρ 0 2 urel 珔 w 槡 2 0.019720.0007920.003520.0062 槡 2 0.021 6扩展不确定度 测试结果的不确定度一般只用于合格判定或 作技术参考, 不用于传播, 所以, 计算测试结果扩展 不确定度时, 按国际惯例 95 置信概率下扩展包 含因子 k 取 2, 则相对扩展不确定度为 Urel k urel w 2 0. 021 0. 042 珔w 3. 75, 则扩展不确定度为 U Urel 珔w 0. 042 3. 75 0. 16 7测量结果及不确定度表述 按本测量过程重复 6 次测定榴辉岩中金红石 物相 TiO2的含量平均值表示为 珔w 3. 75 0. 16 k 2 8结语 本例通过榴辉岩中金红石物相 TiO2含量的重 复性测量结果计算实验标准偏差, 同时对测量过程 系统效应产生的不确定度分量进行评估, 最后计算 相对合成不确定度, 求出榴辉岩中金红石物相 TiO2含量的扩展不确定度。不确定度的主要贡献 是样品制备过程中溶矿分解回收率的多少, 选择对 金红石溶解度小而对其他钛矿物溶解完全的选择 性溶剂是降低不确定度的关键。 参考文献下转至第 232 页 922 第 3 期蔡玉曼等 榴辉岩中金红石物相二氧化钛含量测定的不确定度评定第 26 卷 ChaoXing 表 4标准物质样品的分析和方法精密度① Table 4Analytical results of elements in Standard Reference Materials and the precision test of the 组分 GBW 07105 标准值测定值 GBW 07106 标准值测定值 GBW 07107 标准值测定值 GBW 07108 标准值测定值 RSD/ K2O*2. 322. 240. 650. 674. 164. 240. 78 0. 040. 781. 2 Na2O*3. 383. 430. 0610. 080. 350. 34 0. 080. 0721. 7 CaO*8. 818. 90. 300. 350. 600. 5935. 67 0. 2535. 671. 2 MgO*7. 777. 880. 0820. 0982. 012. 075. 19 0. 125. 200. 6 Fe2O3*13. 4013. 173. 223. 117. 607. 692. 52 0. 072. 520. 9 Mn13101297155145173160434 274010. 9 Ni14013216. 615. 7373318 2155. 2 V16715133328786. 536 6332. 2 Ga24. 825. 15. 35. 326277. 1 0. 87. 52. 6 Cu49461918424123 2214. 5 Zn1501512022555652 4532. 5 Sr1100105358539087913 548762. 1 Ba527497143137450428120 121070. 9 Cr1341212021999632 6252. 4 B3. 54. 73439154155. 216 4193. 0 ① 带* 号的组分质量分数 w 单位为 10-2,其他为 10-6。RSD 数据为标准物质 GBW 07108 测定 10 次的分析结果。 3结语 在石油勘探的无机地球化学领域, 常用的元素一般有 K、 Na、 Ca、 Mg、 Fe、 Mn、 Ni、 V、 Ga、 Cu、 Zn、 Sr、 Ba、 Cd、 Cr、 B 等, 常用的元素含量比值有 B/Ga、 Sr/Ba、 Sr/Ca、 Mn/Fe、 Ca/ Fe Ca 、 V/Ni 等。在使用微量元素法确定沉积环境和古盐 度时, 相当硼含量是十分有效的, 但是通常结合其他微量元 素的含量及其比值 如 V/Ni、 Sr/Ca、 Mn/Ga , 依据采样环 境、 采样组分的不同,有针对性地进行微量元素测量和盐度 恢复方法的选择。利用不同元素在原油和地层中的富集规 律, 有效地结合生物标志化合物的分布、 迁移和变化的一系 列过程, 可以追索油气运移方向、 恢复古油藏, 以及进行油 源对比等 [1 ]。本文利用电感耦合等离子体原子发射光谱法 可以同时测定多个元素的性能, 将硼元素与其他元素的测 试合并为一次实验过程。结果表明, 方法准确、 可靠, 大大 提高了工作效率。 4参考文献 [ 1]同济大学地质系. 海陆相地层辨认标志[M]. 北京 科学出版 社, 1980 171 -175. 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