電感耦合等離子體-質(zhì)譜法測定乳粉質(zhì)控樣鋁含量的控制圖建立與評估

寧月蓮，劉麗君，黃曉燕，胡文慧，岳 虹，李翠枝，呂志勇

（內(nèi)蒙古伊利實業(yè)集團(tuán)股份有限公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010110）

化學(xué)分析實驗室要建立監(jiān)控結(jié)果有效性的程序，確保檢測或校準(zhǔn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[1]，質(zhì)量控制是一個重要環(huán)節(jié)，使用控制圖可以監(jiān)控檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性和精密度，建立并保持過程處于可接受且穩(wěn)定的水平，確保結(jié)果符合規(guī)定的要求[2-6]。鋁是地殼中含量最多的金屬元素之一，但不是人體必需的微量元素，其雖然不會導(dǎo)致急性中毒，但容易在體內(nèi)蓄積，對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重危害[7-9]，鋁通常被作為膨松劑、穩(wěn)定劑、護(hù)色劑類添加劑應(yīng)用在食品中[10]，鋁的毒性主要表現(xiàn)在對神經(jīng)系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)和發(fā)育的損害。身體中鋁元素過量會導(dǎo)致運動和學(xué)習(xí)過程中的記憶力下降，同時會對人的智力發(fā)育帶來影響，甚至導(dǎo)致癡呆的產(chǎn)生[11]；因此建立有效的檢測方法和質(zhì)量控制方式尤為重要?？刂茍D是內(nèi)部質(zhì)量控制的一種主要工具[12]，是提供評估和監(jiān)察過程是否處于穩(wěn)定狀態(tài)的圖示直觀方法[13]，便于報告審批人員掌握檢測結(jié)果的發(fā)展趨勢[14-15]，可反映系統(tǒng)誤差、異?，F(xiàn)象和緩慢變化趨勢，從而可以直觀地反映檢測的穩(wěn)定性、趨向性。

本研究采用電感耦合等離子體-質(zhì)譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）法測定乳粉質(zhì)控樣中鋁含量，利用折線圖建立乳粉基質(zhì)質(zhì)控樣鋁含量的X-控制圖（單值控制圖），監(jiān)測整個檢測過程，使其處于受控狀態(tài)，避免因單個質(zhì)控值的系統(tǒng)誤差而產(chǎn)生誤判，影響檢測結(jié)果[16]；同時對當(dāng)前運行狀態(tài)和長期運行狀態(tài)進(jìn)行評估。利用等方差檢驗和方差分析對1 年后產(chǎn)生的新數(shù)據(jù)點控制圖的精密度和中位線進(jìn)行長期評估；控制圖的過程監(jiān)控和長期評估可有效識別檢測結(jié)果是否可以接受及實驗室當(dāng)前的檢測質(zhì)量是否發(fā)生了顯著變化。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

乳粉質(zhì)控樣品為伊利公司自主生產(chǎn)的質(zhì)控樣。

硝酸（高純，雜質(zhì)含量ppb級） 加拿大Fisher公司；鋁元素標(biāo)準(zhǔn)儲備液（混合標(biāo)準(zhǔn)溶液160459-01-01）、Sc內(nèi)標(biāo)元素儲備液（163175-01-01） 美國O2Si公司；ICP-MS調(diào)諧溶液（5185-5959） 美國Agilent公司；去離子水（GB/T 6682—2008《分析實驗室用水規(guī)格和試驗方法》[17]規(guī)定的一級水）；氬氣（純度≥99.995%）、氦氣（純度≥99.995%） 紫瑞氣體公司。

1.2 儀器與設(shè)備

8800 ICP-MS儀 美國Agilent公司；MARS6密閉微波消解儀（配有聚四氟乙烯消解罐） 美國CEM公司；AL-204電子天平 瑞士梅特勒-托利多公司；EHD40趕酸儀 東方科創(chuàng)生物技術(shù)有限公司；GenPure Pro UV超純水機(jī) 美國Thermo Fisher公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

微波消解：稱取乳粉樣品0.20～0.30 g于微波消解罐中，加入10 mL硝酸，旋緊罐蓋，放入微波消解儀中，微波消解儀消解程序見表1。消解完畢冷卻后取出，緩慢打開罐蓋排氣，將消解罐放在趕酸儀內(nèi)，于140～160 ℃加熱趕酸至0.5 mL，將消化液冷卻后轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，用少量去離子水分3～4 次洗滌消解罐，合并洗滌液至25 mL容量瓶中，用去離子水定容，混勻備用。同時在不加試樣的情況下按照與樣品處理相同的方法做試劑空白實驗。

表1 微波消解儀消解程序Table 1 Microwave digestion program

1.3.2 校準(zhǔn)溶液的配制

采用質(zhì)量法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制，移取0.10 g 100 ng/mL混標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入5%硝酸溶液至20 g，即可得到0.5 ng/mL工作液，依此類推用5%硝酸溶液將100 ng/mL混標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)溶液逐級稀釋成質(zhì)量濃度為0.0、0.5、1.0、2.0、5.0、10.0、20.0、50.0 ng/mL的系列標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.3.3 儀器條件

按照儀器標(biāo)準(zhǔn)操作步驟進(jìn)行儀器初始化、質(zhì)量校準(zhǔn)、氬氣流量及其他操作條件的調(diào)試。選擇儀器合適的操作條件：射頻功率1 550 W；等離子體流量15.00 L/min；載氣流量0.65 L/min；輔助氣流量0.55 L/min；氦氣流量4.0 mL/min；霧化室溫度2 ℃；樣品提升速率0.3 mL/min；霧化器：高鹽/同心霧化器；采樣錐/截取錐：鎳錐）；采集模式：質(zhì)譜圖；采樣深度10 mm；Q2峰型點數(shù)3；重復(fù)次數(shù)3；分析模式：碰撞反應(yīng)池；內(nèi)標(biāo)溶液選擇在線加入。

1.3.4 結(jié)果計算

試樣中的鋁含量按下式計算。

式中：X為試樣中被測元素含量/（mg/kg）；ρ為試樣溶液中被測元素質(zhì)量濃度/（ng/mL）；ρ0為試樣空白液中被測元素質(zhì)量濃度/（ng/mL）；V為試樣消化液的定容總體積/mL；n為試樣溶液稀釋倍數(shù)；m為試樣稱取質(zhì)量/g；1 000為換算系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，計算25 個數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差和中位值（control limit，CL），采用折線圖繪制控制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 控制樣品的選擇

測定樣品之前要選擇合適的控制樣品，控制樣品的基質(zhì)應(yīng)與待測樣品盡可能相同，而且具備穩(wěn)定性、數(shù)量充足、適合的分析濃度以及方便保存等特點[18]。本實驗研究的是乳粉樣品，以公司自制含鋁乳粉質(zhì)控樣作為控制樣品，乳粉樣品本身具有良好的穩(wěn)定性、均勻性并且便于保存，自制質(zhì)控樣可以依據(jù)日常檢測所需生產(chǎn)合適含量的樣品，并可以保證充足的使用量，便于長期分析使用。

2.2 控制圖選擇及控制限的確定

化學(xué)實驗室內(nèi)部質(zhì)量控制用到的最重要的控制圖有2 類[19]，即X-控制圖（單值控制圖或均值控制圖）和R-控制圖（極差控制圖），X-控制圖是表明控制值落在控制限內(nèi)的情況，而R-控制圖的目的是監(jiān)控重復(fù)性，每次需要有2 個控制值，且只有上控制限，為便于日常檢測操作及觀察更直觀，本研究使用X-控制圖。

基于僅考慮分析方法性能的前提，選擇使用統(tǒng)計控制限的方法來確定各控制限的數(shù)值。收集2 個月內(nèi)測定乳粉控制樣鋁含量的25 個實驗數(shù)據(jù)，計算25 個實驗數(shù)據(jù)的CL，并計算25 個數(shù)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差（s），上下輔助限=CL±s，上下警告限=CL±2s，上下行動限=CL±3s。

2.3 控制圖的繪制

通過初始階段的25 個數(shù)據(jù)確定初始控制限（輔助限、警告限、行動限）和CL，并以此控制限識別后續(xù)的檢測結(jié)果。2 個月內(nèi)收集的25 個實驗數(shù)據(jù)見表2，依據(jù)表2數(shù)據(jù)計算得到：CL=1.308 mg/kg，s=0.186 mg/kg，上輔助限1.494 mg/kg、下輔助限1.122 mg/kg，上警告限1.680 mg/kg、下警告限0.936 mg/kg，上行動限1.866 mg/kg、下行動限0.750 mg/kg，利用以上數(shù)據(jù)繪制X-控制圖（圖1），圖中沒有出現(xiàn)可疑結(jié)果、異常圖形和正態(tài)偏離現(xiàn)象[20]，因此收集到的所有數(shù)據(jù)均可用。

表2 乳粉質(zhì)控樣鋁含量初始階段檢測結(jié)果（n=25）Table 2 Results of aluminum detection in quality control sample of milk powder at the initial phase (n = 25) mg/kg

續(xù)表2 mg/kg

圖1 ICP-MS法測定乳粉中鋁含量的X-控制圖（初始階段25 個數(shù)據(jù)）Fig. 1 X-control chart for 25 data points at the initial stage

2.4 控制圖的評審

控制圖的運行要對當(dāng)下運行狀態(tài)及長期運行狀態(tài)進(jìn)行評審。

2.4.1 控制數(shù)據(jù)運行當(dāng)下評審

如果控制值落在控制限之外，或觀察到在一段時間內(nèi)控制值呈現(xiàn)一種特定的、系統(tǒng)性的變化模式時，應(yīng)特別警惕?？刂茍D在運行過程中對當(dāng)下檢測結(jié)果的趨勢分析根據(jù)GB/T 4091—2001《常規(guī)控制圖》[21]有以下8 項判異準(zhǔn)則：1 個點落在行動限以外；連續(xù)9 個點落在中心線同一側(cè)；連續(xù)6 個點單調(diào)遞增或遞減；連續(xù)14 個點中相鄰點交替上下；連續(xù)3 個點中有2 個點落在中心線同一側(cè)警告限以外；連續(xù)5 個點中有4 個點落在中心線同一側(cè)輔助限以外；連續(xù)15 個點落在上下輔助限內(nèi)；連續(xù)8 個點落在中心線兩側(cè)且無一在輔助限內(nèi)。通過以上判定準(zhǔn)則盡早發(fā)現(xiàn)重要的變化趨勢，識別其失控狀態(tài)，避免發(fā)生更為嚴(yán)重的問題，并對失控作出相應(yīng)的處置，判斷出現(xiàn)的失控屬于粗大誤差還是系統(tǒng)誤差，從而找出產(chǎn)生誤差的主要原因，及時糾正。

2.4.2 控制數(shù)據(jù)長期評估

控制數(shù)據(jù)運行一段時間后，要對這一段時間內(nèi)的長期數(shù)據(jù)進(jìn)行評估。保持控制限和CL在一段長時間內(nèi)的穩(wěn)定，對控制圖的成功使用有非常重要的作用，控制限和CL不應(yīng)該頻繁變化，否則很難識別日常監(jiān)控分析質(zhì)量的變化。一般建議每年或至少產(chǎn)生20 個新的控制值后進(jìn)行長期評估，本次評審為年度評審且新增35 個數(shù)據(jù)，新增后的數(shù)據(jù)見表3。評審的目的是持續(xù)監(jiān)控測量過程和測量結(jié)果，以確定結(jié)果是否足夠可靠，達(dá)到可以發(fā)布的程度。

表3 乳粉質(zhì)控樣鋁含量檢驗結(jié)果（n=60）Table 3 Results of aluminum detection in quality control sample of milk powder over a period of one year (n = 60)

2.4.2.1 控制數(shù)據(jù)分析

初始控制限和CL由最初收集的25 個實驗數(shù)據(jù)的控制值估計得到。運行1 年后新增35 個檢測結(jié)果后的控制圖見圖2。

圖2 ICP-MS法測定乳粉中鋁含量的X-控制圖（60 個數(shù)據(jù)點）Fig. 2 X- control chart for all 60 data points over a period of one year

2.4.2.2 當(dāng)前的分析質(zhì)量評審

計算控制結(jié)果落在警告限之外的點數(shù)，如果落在警告限之外的點數(shù)大于6 個或小于1 個，表明分析的精密度發(fā)生變化。在圖2的X-控制圖中，沒有數(shù)據(jù)點落在上下警告限之外，表明分析的精密度發(fā)生了變化，因此需要對控制圖的控制限進(jìn)行評審。

計算新增35 個數(shù)據(jù)的CL（CL35），與最初25 個數(shù)據(jù)的CL（CL25）比較，如果二者之差大于0.35s（s=0.186 mg/kg），表明平均值發(fā)生了變化。結(jié)果表明：0.35s=0.065 1 mg/kg，CL35-CL25=1.352 mg/kg-1.308 mg/kg=0.044 mg/kg＜0.065 1 mg/kg，表明平均值沒有變化。

2.4.2.3 離群值評估

圖2中最后35 個數(shù)據(jù)沒有離群值，因此沒有要舍棄的數(shù)據(jù)點。

2.4.2.4 標(biāo)準(zhǔn)偏差和CL評審

對標(biāo)準(zhǔn)偏差（精密度）和CL分別進(jìn)行等方差檢驗和方差分析，分析變化顯著性，等方差檢驗和方差分析按慣例取95%置信水平。

標(biāo)準(zhǔn)偏差評審：根據(jù)圖2中最后35 個數(shù)據(jù)重新計算新的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。新平均值為1.352 mg/kg，新標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.126 mg/kg，利用Minitab統(tǒng)計軟件的等方差檢驗分析標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化。由表3可知，初始階段與運行階段的標(biāo)準(zhǔn)偏差P值為0.035＜0.05，說明標(biāo)準(zhǔn)偏差變化顯著。標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化是基于方法和儀器等成熟穩(wěn)定條件下，新的標(biāo)準(zhǔn)偏差較初始標(biāo)準(zhǔn)偏差有所減小，數(shù)據(jù)波動性減小，說明整體精密度變好，因此用所有數(shù)據(jù)點重新計算控制限更為合理。

CL評審：利用Minitab統(tǒng)計軟件中單因子方差分析對初始階段的25 個數(shù)據(jù)和新增運行階段的35 個數(shù)據(jù)進(jìn)行CL分析。由表3可知，初始階段與運行階段的CLP值為0.272＞0.005，說明初始CL和運行后新數(shù)據(jù)點的CL沒有顯著變化，整體運行結(jié)果可靠。

表3 標(biāo)準(zhǔn)偏差和CL分析Table 3 Standard deviation and CL analysis

因此，利用所有數(shù)據(jù)重新計算新的、更為可靠的控制限，新的CL為1.334 mg/kg，新的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.154 mg/kg。

3 結(jié) 論

用2 個月內(nèi)收集的乳粉質(zhì)控樣鋁含量25 個測定數(shù)據(jù)確定中位值和控制限，繪制控制圖，監(jiān)控過程、結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性。在運行1 年后產(chǎn)生35 個新數(shù)據(jù)點，利用等方差檢驗和方差分析對控制圖的當(dāng)前質(zhì)量進(jìn)行評估，標(biāo)準(zhǔn)偏差由0.186 mg/kg變?yōu)?.126 mg/kg，有顯著變化，說明整體精密度變好；CL沒有明顯變化，表明該控制圖運行良好。因此，利用所有數(shù)據(jù)重新計算新的、更為可靠的控制限，新的CL為1.334 mg/kg，新的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.154 mg/kg。此方法可以及時、有效地發(fā)現(xiàn)明顯的系統(tǒng)誤差及方向、異?，F(xiàn)象和緩慢變化趨勢，同時也是決定結(jié)果數(shù)據(jù)取舍的依據(jù)之一，從而可以直觀地反映檢測的穩(wěn)定性和趨向性。