濕法消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定大米中鎘的不確定度評定

戴禮洪，姜紅新，李軍幸，穆莉，徐亞平，劉瀟威

[農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心（天津），天津 300191]

大米中重金屬鎘污染和超標是社會關(guān)注的熱點問題，與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人民身體健康息息相關(guān)。我國食品安全國家標準GB 2762—2017 對大米重金屬鎘限量為0.2 mg/kg。

電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS）法檢測大米重金屬鎘是國家標準方法，但目前有關(guān)該方法的檢測結(jié)果評定少有報道。在檢測數(shù)據(jù)位于0.2 mg/kg限量值附近時，是否超標則顯得尤為重要?，F(xiàn)有報道主要集中在樣品稱量、校準溶液配置、儀器檢測等環(huán)節(jié)［1-6］，而尚無關(guān)于樣品前處理環(huán)節(jié)帶入不確定度的報道，而前處理往往是樣品最容易受干擾的環(huán)節(jié)之一。筆者以GB 5009.268—2016 食品安全國家標準食品中多元素的測定為例，探尋影響大米中鎘測量結(jié)果不確定度的來源，采用測量不確定度評定的逐步分析方法，在國內(nèi)已有研究基礎(chǔ)上［7-12］，結(jié)合我國RB/T 214—2017 《檢驗檢測機構(gòu)資質(zhì)認定能力評價檢驗檢測機構(gòu)通用要求》及CNAS-CL01: 2018《檢測和校準實驗室能力認可準則》對測量不確定度評定的要求，系統(tǒng)分析了檢測過程中測量不確定度的主要來源，建立了農(nóng)產(chǎn)品重金屬鎘檢測不確定度的評定程序和數(shù)學模型［13-17］，按照測量不確定度評定與表示程序要求對檢測結(jié)果進行了量化評估，有助于檢測實驗室測量不確定度評定工作向更加科學、合理的方向發(fā)展。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：7700x 型，美國安捷倫科技有限公司。

電熱消解儀：ED54 型，北京萊伯泰科公司。

電子天平：BSA124S 型，感量為0.1 mg，德國賽多利斯集團。

硝酸：BV-Ⅲ級（微電子級），北京化學試劑研究所。

鎘單元素溶液標準物質(zhì)：1 000 mg/L，標準物質(zhì)編號為GBW 08612，中國計量科學研究院。

大米粉：市售。

實驗用水為純水。

1.2 實驗方法

稱取大米粉樣品0.5 g（精確至0.000 1 g），置于聚四氟乙烯消解管中，加入8 mL 硝酸，蓋上蓋子進行梯度升溫消解，于100 ℃加熱0.5 h，于150 ℃加熱2 h 至樣品完全消解，取下蓋子，趕酸至近干，冷卻后用水轉(zhuǎn)移并定容至25 mL 容量瓶中，混勻、備用，同時做空白試驗。

1.3 不確定度來源

樣品分析過程中的樣品稱取、實驗器皿、實驗環(huán)境、測量儀器、測量人員等各環(huán)節(jié)均可能存在的不確定性，不確定度分量來源見圖1。

圖1 不確定度分量來源

2 不確定度評定

2.1 樣品稱量引入的不確定度

樣品質(zhì)量（m）使用感量為0.1 mg 的電子分析天平，稱取0.500 0 g（按500 mg 計）樣品，不確定度由天平的精度和稱量重復性兩部分構(gòu)成。

（1）天平的精度引入的誤差。在0～50 g 稱量范圍內(nèi)，按照天平檢定證書中規(guī)定的最大允許誤差S1=±0.5 mg。按照矩形分布換算成天平精度引入的相對標準不確定度：

（2）天平重復稱量引入的誤差。對0.500 0 g（按500 mg 計）大米樣品稱量10 次，稱量結(jié)果見表1。

表1 大米樣品稱量結(jié)果

由表1 可知，測定結(jié)果的標準偏差S2=0.06 mg，用該測定結(jié)果代表樣品的稱量偏差，按照矩形分布換算成天平重復稱量引入的相對標準不確定度：

2.2 樣品消解引入的不確定度

樣品消解過程中受消解條件、試劑背景、樣品性狀、元素性質(zhì)、環(huán)境條件等因素影響，可能導致樣品消解不充分、實驗過程損失或玷污，均是影響元素檢測不確定性的因素。

對加標樣品進行5 次重復測定，結(jié)果見表2。

表2 樣品加標回收率結(jié)果

根據(jù)NY/T 398—2000 《農(nóng)、畜、水產(chǎn)品污染監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對鎘添加回收率的要求，按照JJF 1059.1—2012 《測量不確定度評定與表示》中關(guān)于不確度區(qū)間半寬度的表述，試驗采取多次測量的回收率，得出樣品檢測回收率的實際變動范圍，最高測定值和最低測定值分別以α+、α-表示，根據(jù)表2 數(shù)據(jù)計算鎘樣品消解的不確定度區(qū)間：

2.3 樣品定容引入的不確定度

樣品定容體積（V=25 mL）的不確定度受容量器具的誤差、讀數(shù)誤差、溫度變化等因素影響。

2.3.1 容量器具的誤差

25 mL 容量瓶的最大允許誤差按照計量器具規(guī)范（JJG 196-2006）A 級稱量范圍的最大允許誤差為ΔV1=±0.03 mL，按照三角分布換算成容量器具誤差引入的相對不確定度：

配制標準溶液時溶液溫度與容量瓶校準時溫度（20 ℃）不一致引入的不確定度，假設(shè)溫度相差4℃，由于水的膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1，產(chǎn)生的體積變化ΔV3=25×4×（2.1×10-4）=0.021 mL。按照矩形分布，轉(zhuǎn)化為溫度變化引入的相對標準不確定度：

若樣品有分取稀釋和定容，則按照上述方法，分別計算分取器皿和稀釋器皿的不確定度，合成到總體積的合成相對不確定度中。

2.4 標準溶液配制引入的不確定度

標準溶液配制引入的不確定有以下幾個方面：

（1）標準溶液證書給出的不確定度。GBW 08612 鎘單元素溶液標注物質(zhì)證書給出認定值ρ1=1 000 μg/mL，不確定度為2 μg/mL（包含因子k=2）。標準溶液引入的相對不確定度：

（2）在配制校準溶液進行逐級稀釋過程中，吸量管和定容容器產(chǎn)生的不確定度。每個步驟的不確定度包含吸量管誤差、容量瓶誤差、讀數(shù)誤差以及溫度變化導致的溶液膨脹系數(shù)誤差。用5 mL 吸量管吸取5 mL 質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL 的鎘標準溶液，置于100 mL 容量瓶中，配制成鎘質(zhì)量濃度為50 μg/mL，5 mL 吸量管A 級稱量范圍的最大允許誤差為±0.025 mL，按照三角形分布換算成吸量管誤差引入的相對不確定度：

100 mL 容量瓶的最大允許誤差為±0.10 mL，按照三角形分布換算成容量瓶誤差引入的相對不確定度：

溫度變化導致溶液膨脹系數(shù)誤差，假設(shè)溫度變動范圍為±4 ℃，水的膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1，產(chǎn)生體積變化ΔV4=100×4×（2.1×10-4）=0.084 mL，按照矩形分布換算成溫度變化引入的相對標準不確定度：

2.5 儀器測定引入的不確定度

2.5.1 儀器的穩(wěn)定性引入的不確定度

按照質(zhì)譜儀器檢定規(guī)程，短期穩(wěn)定性最大偏差S=3%。按照矩形分布換算成儀器的穩(wěn)定性（VA）引入的相對不確定度：

需要說明的是，按照國家標準要求，長期穩(wěn)定性是測試10 次計算標準偏差，與10 次數(shù)據(jù)的平均值之比不超過3%，而在實際工作中，儀器穩(wěn)定性遠小于該項指標，如果以實際測試值計算該項不確定度，計算結(jié)果會比引用規(guī)程計算不確定度更小，在實際工作中進行儀器評估時需要進行綜合考慮。

2.5.2 校準曲線擬合引入的不確定度

對系列標準工作溶液進行3 次重復測定，鎘標準溶液測試結(jié)果如表3 所示。以溶液質(zhì)量濃度為橫坐標（x），以儀器響應(yīng)為縱坐標（y），采用最小二乘法進行線性擬合，得線性方程：y=ax+b=1 565.10x+112.78，R2=0.999 8。對樣品溶液進行測量，由標準工作曲線求得鎘的質(zhì)量濃度X1=5.10 μg/L，按照公式(1)計算得出樣品含量為0.260 mg/kg。

表3 鎘標準溶液測試結(jié)果

根據(jù)表3 數(shù)據(jù)，按照貝塞爾公式計算實驗標準差SR=97.69。

標準曲線擬合引入的標準不確定度按照公式(2)進行計算：

2.6 測量均勻性引入的不確定度

測量均勻性引入的不確定度主要受樣品本身制備情況的影響，按照檢測方法和農(nóng)產(chǎn)品制樣規(guī)范，農(nóng)產(chǎn)品一般達到0.25～0.4 mm（40～60 目），樣品基體均勻，此項誤差可以忽略不計。

2.7 相對不確定度的合成

各不確定度分量中樣品消解的相對標準不確定度Urel(T) 是最大的，其次是儀器測定的相對標準不確定度Urel(A)，而樣品稱量、定容、標準溶液配制等引入的不確定度幾乎可以忽略，ICP-MS 法測定大米重金屬鎘的相對不確定度分量如圖2 所示。

圖2 ICP-MS 法測定大米重金屬鎘的相對不確定度分量

樣品檢測結(jié)果X=0.260 mg/kg，樣品檢測不確定u(X)=0.260×0.041=0.010 7，取包含因子k=2（95%置信區(qū)間），按照不確定度只入不舍，則擴展不確定度U(X1)=0.010 7×2=0.022。樣品檢測結(jié)果的表達為（0.260±0.022） mg/kg。

3 結(jié)果與分析

通過對實驗過程各環(huán)節(jié)不確定度的分析，結(jié)果表明，不確定度主要來自樣品前處理和儀器自身測試穩(wěn)定性以及標準曲線的質(zhì)量，樣品稱量、樣品定容、系列標準工作溶液的配制、環(huán)境溫度等引入的不確度相對較小，因此在實際工作中，應(yīng)更加注意檢測儀器本身的穩(wěn)定性和校準儀器時標準曲線的質(zhì)量。通過儀器檢定對儀器性能進行確認，對儀器的實際性能進行跟蹤和核查，確保滿足檢測方法和檢測項目分析的要求。

3.1 儀器檢定

在引入儀器檢定不確定度時，可按照儀器類別國家有相應(yīng)的規(guī)范要求作為儀器不確定度計算的參考依據(jù)。此外，大型儀器、小型輔助設(shè)備和實驗器皿均會通過每年的檢定獲知儀器設(shè)備的實際誤差和不確定度，此方式也可作為儀器不確定計算的參考依據(jù)。在實際工作中，往往儀器設(shè)備檢定的不確定度要小于儀器設(shè)備有關(guān)規(guī)范規(guī)定的最大誤差和不確定度，因此，使用規(guī)程最大誤差和不確定度進行評估可能會放大實際檢測的不確定度。

3.2 樣品稱量

對于樣品的稱量，可以直接引用天平檢定誤差參與計算，也可以使用實驗室一段時期內(nèi)通過測定獲取的經(jīng)驗值。天平重復稱量引入的誤差在稱樣環(huán)節(jié)中所占比例是較低的，實際工作中也可以不用每次都對稱樣誤差進行單獨統(tǒng)計和計算。

3.3 不確定性的風險因素

樣品消解環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不確定度較大，這個環(huán)節(jié)涉及因素較多，因為農(nóng)產(chǎn)品重金屬含量普遍較低，實驗過程中需要嚴格控制各環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的影響，比如采用試劑本身的背景含量是否過高，特別是酸的背景與樣品含量應(yīng)有數(shù)量級差異，否則對結(jié)果造成較大影響。此外，樣品是否消解完全，所用消解器皿是否清潔，樣品趕酸和轉(zhuǎn)移過程中是有否有玷污或損失，實驗室排風設(shè)施是否良好，通風設(shè)施有無酸液回滴造成污染等均是不確定性的風險因素。

3.4 誤差確認

參照國家JJG 196—2006 《常用玻璃量器檢定規(guī)程》，實驗過程中使用的各類玻璃器皿，如容量瓶、移液管等均有相應(yīng)的允許最大誤差。在實際工作中，可通過有資質(zhì)的計量單位檢定來確認實際誤差，參與不確定度計算。對于大批量樣品實驗分析，使用實驗器皿數(shù)量眾多，全部通過計量檢定存在一定難度，實驗室也可通過自校來確認誤差。

4 結(jié)語

建立ICP-MS 法測定大米中鎘的不確定度評定程序和數(shù)學模型，按照測量不確定度評定與表示程序?qū)z測結(jié)果進行量化評估。結(jié)果表明，檢測過程中測量不確定度的主要來源為樣品消解和儀器分析環(huán)節(jié)。該方法為農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢驗檢測機構(gòu)識別和分析檢測環(huán)節(jié)主要的不確定性因素提供借鑒，遇到檢測數(shù)據(jù)異常、測試數(shù)據(jù)有疑問情況時，便于梳理和查找檢測工作中的潛在風險點，特別是檢測結(jié)果位于國家限量值附近時，可為科學、合理的評價和判定檢測結(jié)果提供技術(shù)支撐。