原子熒光法測(cè)定蘋果中總汞和總砷含量不確定度評(píng)定

(北京市昌平區(qū)農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)測(cè)檢測(cè)中心,北京 102200)

測(cè)量不確定度是表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)[1]。開(kāi)展測(cè)量不確定度評(píng)定有利于對(duì)檢測(cè)結(jié)果邊緣值進(jìn)行合格與否的判定,確認(rèn)檢測(cè)結(jié)果的可信度。同時(shí)還可以用于方法確認(rèn),試驗(yàn)間的比對(duì),能力驗(yàn)證以及建立結(jié)果的可溯源性[2]。有研究表明原子熒光法測(cè)定食品中汞含量不確定度,不確定度評(píng)定中校準(zhǔn)曲線的線性回歸和測(cè)量的重復(fù)性是影響該方法的不確定度的主要因素[3],原子熒光法測(cè)水中砷時(shí)工作曲線擬合產(chǎn)生的不確定度較大[4];而吳鳳齊[5]研究表明原子熒光法測(cè)水中砷時(shí)影響其測(cè)量不確定度的主要因素是標(biāo)準(zhǔn)溶液;原子熒光光譜法測(cè)定廢水中汞的不確定度分析影響測(cè)量不確定度的主要因素是原子熒光強(qiáng)度值帶來(lái)的不確定度[6]。由此可見(jiàn)原子熒光法測(cè)定不確定評(píng)定的結(jié)果因樣品和檢測(cè)元素不同而不同。蘋果作為國(guó)民最常食用的水果之一,其生長(zhǎng)過(guò)程易受到亂用藥和亂施肥的影響而降低其食用價(jià)值,總汞和總砷因?qū)θ梭w危害大難降解,食品質(zhì)量安全要求對(duì)這些重金屬進(jìn)行精確檢測(cè),而所有的化學(xué)分析都不可避免存在誤差,因此不確定度的分析在國(guó)際認(rèn)可的檢測(cè)方法中是不可或缺的?，F(xiàn)有研究鮮見(jiàn)關(guān)于原子熒光法測(cè)定蘋果中總汞和總砷含量不確定度評(píng)定的,為保證檢測(cè)結(jié)果的可信度,本研究結(jié)合原子熒光法測(cè)定蘋果的前處理過(guò)程和上機(jī)檢測(cè)過(guò)程,對(duì)影響不確定度的來(lái)源進(jìn)行全面分析并量化,為提高檢測(cè)技術(shù)水平提供可靠的數(shù)據(jù)支持,并可根據(jù)影響不確定度的主要因素采取相應(yīng)的措施,減小測(cè)量不確定度,提高檢測(cè)的可信度和準(zhǔn)確性。

表2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制Table 2 Prepare of standard solution

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硝酸 優(yōu)級(jí)純;硫脲 分析純;抗壞血酸 分析純;硼氫化鉀 分析純;硝酸(20%)浸泡24 h以上;實(shí)驗(yàn)室水為超純水。

微波消解儀(CEM,Mars6 Xpress);AFS-9530原子熒光光度計(jì) 海光儀器;MS204S電子天平 梅特勒;超純水儀(MILLI-Q,明澈-D24UV)；移液槍(Finnipipette,100～1000 μL,5～50 μL,20～200 μL);容量瓶為A級(jí)(10 mL,25 mL,50 mL);器具均按照國(guó)家的檢定規(guī)程要求進(jìn)行檢定[7-9],檢定結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 器具的檢定結(jié)果Table 1 The calibrating results of apparatus

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文主要參考GB 5009.11-2014[10](第二法)總砷的測(cè)定和GB 5009.17-2014[11](第一法)總汞的測(cè)定進(jìn)行樣品前處理和利用原子熒光法進(jìn)行檢測(cè)。樣品前處理稱量2.000 g樣品,消解,排酸,用5%硝酸2%的硫脲抗壞血酸定容50.00 mL,混勻,制成上機(jī)待測(cè)液。然后采用原子熒光儀進(jìn)行上機(jī)檢測(cè),其熒光強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)與汞濃度和砷濃度呈線性,上機(jī)時(shí)采用自動(dòng)配標(biāo)。檢測(cè)熒光值計(jì)算樣品溶液中汞濃度和砷濃度。

汞和砷的標(biāo)準(zhǔn)溶液是以5%的硝酸,2%的硫脲抗壞血酸為溶劑,將儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液逐步稀釋配制工作標(biāo)準(zhǔn)溶液,稀釋過(guò)程見(jiàn)表2,其中定容以容量瓶定容,取液用相應(yīng)量程的移液槍;汞和砷的上機(jī)濃度分別為2、20 ng/mL,儀器自動(dòng)配標(biāo)。

1.3 計(jì)算公式

1.3.1 測(cè)量數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式(1)。

式(1)

式中:C儀器檢測(cè)直讀濃度,ng/mL;V樣品前處理定容體積,mL;M稱取樣品的質(zhì)量,g;X樣品中待測(cè)元素含量,μg/kg;

1.3.2 測(cè)量不確定度A類評(píng)定的通用計(jì)算公式見(jiàn)公式(2)和(3)[1,12]。

式(2)

式(3)

1.3.3 測(cè)量不確定度B類評(píng)定的通用計(jì)算公式見(jiàn)公式(4)[1]。

式(4)

式中:uB：B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度,a：被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度;κ：根據(jù)概率論獲得的κ稱為置信因子,當(dāng)κ為擴(kuò)展不確定度的倍乘因子時(shí)稱包含因子,κ正態(tài)分布和非正態(tài)分布時(shí)取值不同,詳情參考JJF1059.1-2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[1]。

1.3.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線校正測(cè)量待測(cè)溶液引入的不確定度 C的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為公式(5)[13]。

式(5)

則C的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為公式(6)。

式(6)

1.3.5 由環(huán)境溫度變化導(dǎo)致水體積變化引入不確定度

1.3.5.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度為公式(7)。

urel(V)=V×a×ΔT/κ

式(7)

1.3.5.2 相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為公式(8)。

式(8)

式(7)～(8)中a為水的體積膨脹系數(shù),2.1×10-4mL/℃,V為量具的體積;ΔT為環(huán)境溫度變化范圍,κ為置信因子。

1.3.6 合成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel為各個(gè)分量的平方和,假設(shè)不確定度來(lái)源共有n分量,且不相關(guān)時(shí),則n個(gè)分量合成不確度的計(jì)算公式見(jiàn)公式(9)[1]。

式(9)

1.3.7 擴(kuò)展不確定度評(píng)定 一般情況下,以正態(tài)分布考慮,95%的置信度下包含因子k=2[1,14-15],擴(kuò)展不確定度的計(jì)算公式見(jiàn)公式(10)。

U=kU合

式(10)

2 結(jié)果與分析

2.1 測(cè)量不確定度的來(lái)源分析

檢測(cè)的前處理,包括樣品稱量和消化后的定容引入的不確定度;標(biāo)準(zhǔn)溶液,包括儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液和工作標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度;校正標(biāo)準(zhǔn)曲線檢測(cè)引入的不確定度;樣品重復(fù)測(cè)量的引入不確定度。

測(cè)量不確定度一般由若干分量組成,其中可根據(jù)一系列測(cè)量值的統(tǒng)計(jì)分布,按不確定度的A類評(píng)定進(jìn)行,并可用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征。而另一些分量則基于經(jīng)驗(yàn)或其他信息概率密度函數(shù),按測(cè)量不確定度B類評(píng)定進(jìn)行評(píng)定,也用標(biāo)準(zhǔn)偏差表征[1]。因此,測(cè)量不確定度評(píng)定分別對(duì)A類或B類不確定度來(lái)源進(jìn)行評(píng)定[12],具體情況具體分析。

2.2 不確定度分量的量化

2.2.1 樣品前處理過(guò)程中引入的不確定度urel(A)

2.2.1.1 樣品稱量引入的不確定度 樣品稱量稱重為2.000 g,由表1可知,天平允差誤差為±0.0005 g;按均勻分布處理[16],代入公式(4),其不確定度為

樣品前處理引入的不確定度為0.0007450,該分量引入的不確定度較小。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度urel(B)

2.2.2.1 儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)上的信息可以查出總汞和總砷原始標(biāo)準(zhǔn)溶液的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.8%(K為2),則標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度如下[16,18]。

由上可知由儲(chǔ)備標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度較小。

2.2.2.2 工作標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度 由表2可知,汞和砷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)過(guò)程配制,容量瓶和移液槍的允差誤差見(jiàn)表1。

容量瓶允差誤差引入的不確定度

根據(jù)公式(11)可計(jì)算合成不確定度。

urel(V容)

環(huán)境溫度引起容量瓶里溶液體積膨脹變化引入的不確定度

根據(jù)公式(9)可計(jì)算合成不確定度。

urel(T容)

移液槍允差誤差引入的不確定度

表3 汞標(biāo)準(zhǔn)系列濃度與響應(yīng)熒光強(qiáng)度Table 3 Concentration of standard mercury series standard and response fluorescence intensity

因此在配制標(biāo)準(zhǔn)溶液使用移液槍引入的不確定度分量互不相關(guān),根據(jù)公式(9)合成不確定度為:

urel(V移Hg)

urel(V移As)

urel(BHg)

urel(BAs)

汞和砷標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度分別為0.01478和0.01298,其中主要是由配置標(biāo)準(zhǔn)溶液使用移液槍導(dǎo)致。若想減小此來(lái)源引入的不確定度,可采取使用精密度更好的移液器代替。

2.2.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線校正檢測(cè)引入的不確定度urel(C) 汞標(biāo)液采用7點(diǎn)法儀器自動(dòng)配標(biāo),單位為ng/mL,每個(gè)濃度點(diǎn)重復(fù)三次,采用最小二乘法進(jìn)行擬合。汞標(biāo)準(zhǔn)曲線為 y=ax+b=2186.921x-6.896;p=3×7=21,平均濃度為0.729 ng/mL,汞標(biāo)準(zhǔn)曲線的結(jié)果見(jiàn)表3;砷標(biāo)準(zhǔn)曲線y=ax+b=162.536x+14.211;p=3×7=21,平均濃度為7.2857 ng/mL;對(duì)待測(cè)溶液進(jìn)行重復(fù)檢測(cè)4次,n=4;汞和砷檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5,汞的平均濃度為0.2102 ng/mL,砷的平均濃度為7.590 ng/mL。

其中由上可得汞標(biāo)準(zhǔn)溶液熒光強(qiáng)度殘差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為:代入公式(5)～(6)可得待測(cè)溶液汞的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

待測(cè)溶液汞的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

待測(cè)溶液砷的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

待測(cè)溶液砷的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

此來(lái)源引入的總汞相對(duì)不確定度和總砷相對(duì)不確定度分別為0.06602和0.01672?？偣淮_定度最主要來(lái)源是此項(xiàng),可以結(jié)合原子熒光儀的靈敏度和待測(cè)樣品溶液中汞的濃度,選擇接近的待測(cè)溶液中汞的濃度的平均標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度來(lái)達(dá)到減小此項(xiàng)引入的不確定度;總砷的不確定度過(guò)程除采用以上方法外,還可以提高儀器靈敏度,即提高斜率來(lái)減小此來(lái)源引入的不確定度。

表4 砷標(biāo)準(zhǔn)系列濃度與響應(yīng)熒光強(qiáng)度Table 4 Concentration of standard arsenic series and response fluorescence intensity

2.2.4 重復(fù)測(cè)量引入的不確定度urel(D) 由表5可知,樣品重復(fù)檢測(cè)4次,汞的平均值為5.256 μg/kg,砷的平均值為189.750 μg/kg。重復(fù)測(cè)量產(chǎn)生的不確定度屬于A類相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度,代入公式(2)和(3),可計(jì)算結(jié)果。

汞的重復(fù)檢測(cè)產(chǎn)生的不確定度

砷重復(fù)檢測(cè)產(chǎn)生的不確定度

由此來(lái)源引入的總汞和總砷的相對(duì)不確定度分別為0.02612和0.02863。儀器測(cè)試重復(fù)性與儀器穩(wěn)定性相關(guān);可定期維護(hù)保養(yǎng)儀器,優(yōu)化儀器各項(xiàng)參數(shù),增加重復(fù)檢測(cè)的次數(shù),以達(dá)到減小此項(xiàng)引入的不確定度。

2.3 不確定度分量的合成

原子熒光法測(cè)定蘋果總汞和總砷的不確定度,由前處理引入不確定度,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度,標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度和重復(fù)測(cè)定引入的不確定度的合成,根據(jù)公式(9)可計(jì)算。

urel(XHg)

urel(XAs)

表5 樣品重復(fù)檢測(cè)結(jié)果Table 5 Data sheet for repeated determination of samples

2.4 相對(duì)擴(kuò)展不確定度

汞的擴(kuò)展不確定度和砷的擴(kuò)展不確定度代入公式(10),可計(jì)算結(jié)果。

U(Hg)=2×urel(Hg)=2×0.07347×100%=14.694%;

U(As)=2×urel(Hg)=2×0.03363×100%=6.748%

2.5 測(cè)定結(jié)果

在原子熒光法測(cè)定蘋果中總汞含量測(cè)定結(jié)果為(5.256±0.772) μg/kg。總砷含量測(cè)定結(jié)果為(189.750±12.804) μg/kg。

3 討論

3.1 原子熒光法測(cè)定蘋果總汞和總砷含量的不確定度之間比較

總砷的相對(duì)擴(kuò)展不確定度比總汞的相對(duì)擴(kuò)展不確定度要小,測(cè)量值與真值更為接近。

3.2 原子熒光法測(cè)定蘋果中總汞和總砷含量的不確定度最主要因素

校正標(biāo)準(zhǔn)曲線檢測(cè)引入的不確定度和重復(fù)檢測(cè)引入的不確定度分別是總汞和總砷不確定度最主要的來(lái)源,前者可通對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)后選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)溶液的上機(jī)濃度點(diǎn),使得標(biāo)準(zhǔn)溶液的平均濃度與待測(cè)樣品濃度更為接近,增加標(biāo)準(zhǔn)溶液的重復(fù)測(cè)量次數(shù)等來(lái)減小由此引入的不確定度;后者可以通過(guò)提高儀器穩(wěn)定性等,增加重復(fù)檢測(cè)樣品的次數(shù)等來(lái)減小由此引入的不確定度;配制工作標(biāo)準(zhǔn)溶液使用移液槍引入的不確定不可忽略,可通過(guò)使用精密度更好的移液器來(lái)減小由此引入的不確定度;配制標(biāo)準(zhǔn)溶液定容體積,樣品稱樣量引入的不確定度非常小,可以忽略不計(jì)。

4 結(jié)論

4.1 原子熒光法測(cè)定蘋果總汞和總砷含量的不確定度

原子熒光法測(cè)定蘋果中總汞和總砷含量分別為5.256和189.750 μg/kg;相對(duì)擴(kuò)展不確定度分別為14.694%和6.748%;結(jié)果表達(dá)分別為(5.256±0.772)和(189.750±12.804) μg/kg,總砷的測(cè)量值比總汞的測(cè)量值更接近真值,可信度更高。

4.2 原子熒光法測(cè)定蘋果總汞和總砷含量的不確定度的評(píng)定

進(jìn)行樣品預(yù)測(cè),不同濃度的待測(cè)樣品要合理選擇標(biāo)準(zhǔn)曲線的對(duì)應(yīng)的濃度點(diǎn);提高儀器穩(wěn)定性,增加重復(fù)檢測(cè)樣品的次數(shù);正確選擇標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制方法和移液器非常重要。