電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定配合飼料中錳含量的不確定度評定

■鐘宇強 鐘加成 舒永紅 霍柱健 李 強 葉錫恩 王李平 黃嘉穎

（廣東省科學(xué)院測試分析研究所，中國廣州分析測試中心，廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點實驗室，廣東廣州510070）

錳是為了滿足動物生長需要而被添加進(jìn)飼料中的常見礦物質(zhì)元素，是雞等家禽必需的微量元素之一。畜禽缺錳時會影響其生長，飼料中錳添加過量又會污染環(huán)境。飼料中錳的測定國標(biāo)采用的是原子吸收光譜法，干灰化法處理樣品。電感耦合等離子體發(fā)射光譜法（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）是一種多元素同時測定的分析方法，靈敏度高、化學(xué)干擾小、線性范圍寬，既可測定低濃度成分（＜1.0 mg/L），又可同時測定高濃度成分（＞0.1%），是飼料中礦物質(zhì)元素檢測最理想、最有效的方法。

測量不確定度是表征測量值離散性的參數(shù)，與測量結(jié)果有關(guān)。測量不確定度是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量評估。由于測量的不完善和人們認(rèn)識的缺乏，導(dǎo)致測量值分散，即每次測量的結(jié)果都不相同。只有包含賦予被測量的值及與該值相關(guān)的不確定度的測量結(jié)果才是完整的、有意義的。目前，飼料中錳含量的不確定度評定只有原子吸收光譜法，有報道ICP-OES測定茶葉中錳含量的不確定度評定，但I(xiàn)CP-OES測定飼料中錳含量的不確定度評定尚未見報道。本研究采用微波消解法處理樣品，ICP-OES測定配合飼料中錳含量，根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度的評定和表示》和CNAS-GL 006: 2019《化學(xué)分析中不確定度評定導(dǎo)則》對錳含量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評定，對測試過程中產(chǎn)生不確定度的來源進(jìn)行分析，找出影響測量不確定度的主要因素，為實驗室質(zhì)量控制提供科學(xué)、準(zhǔn)確、可靠的依據(jù)，保證測試結(jié)果的質(zhì)量。

1 材料與方法

1.1 材料

取混合均勻的配合飼料樣品，粉碎，過0.45 mm分子篩，混勻后裝入密閉塑料容器中，備用。

1.2 試劑

錳元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 mg/L, 國家鋼鐵材料分析測試中心）、硝酸（優(yōu)級純，廣州化學(xué)試劑廠）、實驗室用水（GB/T 6682—2008規(guī)定的一級水）。

1.3 儀器

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（Agilent 725-ES ICP-OES，美國安捷倫公司）、微波消解儀（WX-8000，上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司）、電子天平（BSA 224S，德國賽多利斯公司）。

1.4 方法

1.4.1 樣品預(yù)處理

準(zhǔn)確稱取試樣0.25 g（精確至0.000 1 g），置于微波消解罐中，加5 mL 硝酸，按表1 消解條件設(shè)定程序并加熱消解。消解完畢，待消解罐冷卻后打開，消化液呈無色或淡黃色，加熱趕酸至近干，用少量硝酸溶液（5%）沖洗消解罐3次，將溶液轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，并用硝酸溶液（5%）定容至刻度，混勻備用；同時做試劑空白試驗。

1.4.2 樣品測定

用硝酸溶液（5%）將錳標(biāo)準(zhǔn)儲備溶液逐級稀釋，配 成 質(zhì) 量 分 數(shù) 分 別 為0.100、0.400、1.000、2.000、10.000 mg/L 的系列標(biāo)準(zhǔn)溶液。在最佳工作條件下，依次對標(biāo)準(zhǔn)溶液和樣品溶液進(jìn)行測定，在一定濃度范圍內(nèi)，發(fā)射強度與錳含量成正比，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法定量分析。儀器工作條件見表2。

表1 全自動微波消解程序

表2 ICP-OES儀器工作條件

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)測試方法和試驗原理，配合飼料中錳的含量可用式（1）表示。

式中：ω(Mn)——樣品中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，508 mg/kg；

C0——測試溶液中扣除空白后錳的濃度，5.092 mg/L；

V25——樣品消化液的總體積，25.0 mL；

m——樣品量，0.250 4 g。

考慮重復(fù)性因子Frep 和回收率Rec，式（1）可寫用式（2）表示。

式中：Frep——重復(fù)性因子，1；

Rec——回收率影響因子，1。

這就是ICP-OES 測定飼料中錳不確定度的數(shù)學(xué)模型。

2.2 測量不確定度來源分析

尋找測量不確定度的來源，是進(jìn)行不確定度評估的關(guān)鍵步驟，原則上應(yīng)從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面考慮，既不能遺漏、也不要憑空增加影響因素。實踐中，可從建立的不確定度數(shù)學(xué)模型入手，逐個查找不確定度來源。從式（2）可以看出，錳含量的不確定度主要來源有：樣品稱量、定容體積、消解液中錳濃度的測定、重復(fù)性試驗和加標(biāo)回收試驗。其中測定濃度C0的不確定度分量包括標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的配制和標(biāo)準(zhǔn)曲線線性擬合帶來的不確定度以及ICP-OES 儀器校準(zhǔn)的不確定度。儀器分析過程帶來的不確定度體現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)系列濃度的測量和樣品重復(fù)性試驗，加標(biāo)回收試驗反映了消化過程和環(huán)境因素的影響。各不確定度來源如圖1所示。

圖1 不確定度來源分析

由于各含量相互獨立，由式(2)得出不確定度計算公式(3)。

2.3 不確定度分量及計算

2.3.1 樣品稱量m帶來的不確定度[u(m)]

2.3.1.1 天平校正產(chǎn)生的不確定度

由檢定證書可知，天平稱量的擴(kuò)展不確定度為0.000 2 g，按均勻分布，可換算成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.3.1.2 天平重復(fù)稱量變動性產(chǎn)生的不確定度

用標(biāo)準(zhǔn)砝碼(100 g)在該天平上進(jìn)行9 次稱量，結(jié)果表3所示。

表3 100 g標(biāo)準(zhǔn)砝碼重復(fù)稱量結(jié)果

觀測列呈正態(tài)分布，查表得極差系數(shù)C=2.97，則可計算變動性標(biāo)準(zhǔn)偏差。

R/C=0.002/2.97=0.000 67 g

由以上兩項合成計算得出u(m)。

則可計算稱樣量m的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.3.2 樣品消化回收率(Rec)帶來的不確定度[u(Rec)]

由于樣品消化不完全或消化過程導(dǎo)致錳的損失或污染等，將使樣品中錳不能100%進(jìn)入到測定液中。本試驗選用某一配合飼料進(jìn)行6次加標(biāo)試驗，錳的回收率分別為96.2%、94.6%、92.9%、101.3%、96.3%、103.2%，其平均值為：97.4%，計算回收率的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Rec)。

則計算回收率Rec的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.3.3 使用25 mL 容量瓶定容樣品溶液產(chǎn)生的不確定度[u(V25)]

2.3.3.1 容量瓶校準(zhǔn)的不確定度

25 mL 容量瓶校準(zhǔn)的不確定度為±0.030 mL，可按三角分布換算成標(biāo)準(zhǔn)偏差。

2.3.3.2 重復(fù)充滿液體至容量瓶刻度的變動性

重復(fù)充滿液體至容量瓶刻度的變動性通過10次重復(fù)測量，計算其變動性標(biāo)準(zhǔn)偏差。

SD25mL=0.008 4 mL

2.3.3.3 溫度變化帶來的不確定度

計算容量瓶和溶液溫度與校正時溫度不同引起的體積不確定度(水體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4/℃，假定實驗室溫度為25 ℃)。

25×2.1×10-4×5=0.027 mL

在95%置信概率下，換算成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

u2=0.027/1.96=0.014 mL

由以上三項合成計算得出u(V25)。

則可計算樣品定容體積的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

2.3.4 測試溶液中錳濃度C0的不確定度u(C0)

測試液中錳濃度的不確定度u(C0)主要有三個來源：①由標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋成工作溶液產(chǎn)生的不確定度u(C01)；②標(biāo)準(zhǔn)系列線性擬合帶來的不確定度u(C02)；③儀器校準(zhǔn)錳時產(chǎn)生的不確定度u(C03)。

2.3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)儲備液及由標(biāo)準(zhǔn)儲備液稀釋至系列工作標(biāo)準(zhǔn)溶液產(chǎn)生的不確定度u(C01)

式中：C01——10 mg/L錳標(biāo)液濃度；

Cstock——標(biāo)準(zhǔn)儲備液濃度；

f10——稀釋因子。

由校正證書查得10 mL 移液管和100 mL 容量瓶的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.001 6和0.000 52。

(C01)=0.003 3×10=0.033 mg/L

2.3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)系列線性擬合帶來的不確定度u(C02)

在譜線257.610 nm 處，用空白溶液調(diào)零，分別對5種錳標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行了3次重復(fù)測定，結(jié)果如表4所示。

表4 錳標(biāo)準(zhǔn)系列濃度（Cj）與發(fā)射強度（Ij，cps）

將表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得直線方程（相關(guān)系數(shù)r=0.999 8）。

式中：B1——18 266.9；

B0——728.7；

I——溶液的發(fā)射強度；

C——溶液中錳的濃度。

以某一配合飼料樣品為例，對其中錳的含量進(jìn)行2 次測定，由發(fā)射強度通過直線方程求得C02=5.092 mg/L，則可計算C02的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

式中：B1——18 266.9；

P——2(對C02進(jìn)行兩次測量)；

n——15(每個標(biāo)準(zhǔn)系列濃度進(jìn)行3 次測量，共3×5=15次)；

2.3.4.3 儀器校準(zhǔn)錳時產(chǎn)生的不確定度u(C03)

由校準(zhǔn)證書查得儀器校準(zhǔn)錳時，其擴(kuò)展不確定度U=0.000 1 mg/L，k=2，換算成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

u(C03)=0.000 1/2=0.000 05 mg/L

合并以上3項，則試液中錳濃度的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(C0)。

換算成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

u(C0)/C0=0.068/5.092=0.013

2.3.5 樣品重復(fù)性試驗帶來的不確定度u(Frep)

在重復(fù)性條件下，對該樣品進(jìn)行了6次獨立測量，錳的含量分別為501、503、510、513、507、517 mg/kg，其算術(shù)平均值為508 mg/kg。

單次測量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

實際樣品檢測時通常做平行雙樣，則算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度（n=2）。

因此錳含量平行雙樣的相對不確定度。

2.4 不確定度分量的合成

將各相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行匯總，如表5所示；對各相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量進(jìn)行作圖，如圖2所示。

表5 錳的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由表5 和圖2 可以看出，樣品消化加標(biāo)回收試驗過程引入的不確定度最大，加權(quán)平方和占比87.1%；其次是樣品消化液中錳濃度的測定和重復(fù)試驗引入的不確定度，加權(quán)平方和占比分別為8.8%和3.6%；稱樣量和消化液定容體積帶來的不確定度加權(quán)平方和占比分別為0.38%和0.037%，可以忽略不計。將各分量值代入式（3）計算。

圖2 各不確定度分量

u(ω)=0.044×508=23 mg/kg

2.5 擴(kuò)展不確定度及結(jié)果表示

根據(jù)JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》[17]，在95% 置信水平下，取包含因子k=2，則配合飼料中錳含量的擴(kuò)展不確定度。

U=2×23=46 mg/kg

計算配合飼料樣品中錳含量表示為：（508±46）mg/kg，k=2。

3 結(jié)論

本研究采用微波處理樣品，ICP-OES測定配合飼料中錳的含量，對樣品稱量、玻璃儀器、標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制、樣品重復(fù)性測定、加標(biāo)回收、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合等因素進(jìn)行綜合考察，在各不確定度分量評定過程中，發(fā)現(xiàn)樣品加標(biāo)回收試驗產(chǎn)生的不確定度對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度貢獻(xiàn)最大。因此，建議采用微波消解法處理樣品，嚴(yán)格控制好條件，防止錳的損失或污染，降低消化過程帶來的不確定度。本文首次系統(tǒng)、規(guī)范地闡述了應(yīng)用ICP-OES 法測定配合飼料中錳的不確定度評定方法，給出了帶不確定度的錳含量結(jié)果表示方式。通過不確定度來源分析，對各不確定度分量進(jìn)行評估和量化，找到影響測量結(jié)果不確定度的關(guān)鍵點，并嚴(yán)格加以控制，對提高檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和質(zhì)量具有實際意義。