電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定稻米中鉻含量的不確定度評(píng)定

段曉婷， 吳琦， 郭利攀， 潘璐， 鞏佳第

(綠城農(nóng)科檢測(cè)技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310052)

水稻是我國(guó)的主要糧食作物之一，由于農(nóng)田土壤環(huán)境受到重金屬污染，稻米中的鉻含量一直備受關(guān)注。通過(guò)監(jiān)測(cè)稻米中鉻含量的不確定度，對(duì)糧食質(zhì)量與安全的評(píng)價(jià)有重要指導(dǎo)意義[1-3]。在目前有關(guān)分析不確定度的論文中，樣品不同的處理方式、不同的檢測(cè)方法、使用不同的檢測(cè)儀器，最終結(jié)果都會(huì)有所不同。馮信平等[2]采用石墨爐原子吸收分光光度法對(duì)稻米中鉻含量的分析表明，前處理部分和測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)不確定度的貢獻(xiàn)占比較大。本研究采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行鉻含量檢測(cè)，ICP-MS靈敏度高，在食品、環(huán)境(水質(zhì)、大氣、土壤)痕量元素檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，是一種準(zhǔn)確、高效的測(cè)量稻米中鉻含量的方法，評(píng)定ICP-MS法測(cè)定過(guò)程中的不確定度很有必要。本試驗(yàn)根據(jù)國(guó)家多元素檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)定稻米中的鉻含量，在檢測(cè)過(guò)程中尋找其不確定度分量，對(duì)各分量不確定度進(jìn)行合成[4-7]，并分析評(píng)定各分量不確定度對(duì)鉻含量的影響，為今后準(zhǔn)確檢測(cè)稻米鉻含量提供了依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器及試劑

iCAP Q ICP-MS電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(短期精度為2%相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(10 μg·L-1)，n=10，美國(guó)Thermo公司)；BSA2202S電子天平(0.1 mg，德國(guó)賽多利斯)；微波消解儀(上海屹堯儀器科技發(fā)展有限公司)；VB24 Plus智能樣品處理器(北京萊伯泰科儀器股份有限公司)。

硝酸(UP級(jí)，上海傲班科技有限公司)；高純氬氣、高純氦氣(>99.999%)；大米標(biāo)準(zhǔn)品(國(guó)家標(biāo)物中心)；鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心)。

試驗(yàn)中所有用到的器皿均用20%硝酸溶液浸泡24 h以上，一級(jí)水潤(rùn)洗后備用。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，常用的玻璃量器經(jīng)過(guò)專業(yè)檢定均為合格，且均為A級(jí)[8-9]。

1.2 樣品前處理

準(zhǔn)確稱取標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)0.2 g(精確到0.001 g)于消解罐底部，之后在消解罐中加入硝酸溶液5 mL，根據(jù)微波消解程序?qū)υ嚇舆M(jìn)行消解，消解完成后取出置于趕酸儀上趕酸至0.5～1.0 mL，溫度設(shè)為160 ℃左右。冷卻至室溫，用一級(jí)水將消解液分次轉(zhuǎn)移到25 mL容量瓶中，最后定容至刻度搖勻待用。

微波消解升溫程序。先設(shè)定140 ℃進(jìn)行預(yù)消解5 min，升溫時(shí)間8 min；最后190 ℃消解20 min，設(shè)置升溫時(shí)間為6 min。

1.3 ICP-MS法測(cè)定稻米中的鉻

按照ICP-MS法儀器操作手冊(cè)，調(diào)整儀器至最佳工作狀態(tài)，以鍺(73Ge)為內(nèi)標(biāo)元素，儀器操作主要條件為：RF功率1.55 kW，霧化器氣體流量1.10 L·min-1，碰撞氣流量4.86 mL·min-1，等離子體冷卻氣流量14.0 L·min-1，輔助氣流量0.80 L·min-1，采樣深度5.00 mm，蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速40.0 r·min-1，霧化室溫度2.7 ℃，霧化器和霧化室為同心霧化器，采樣錐和截取錐為鎳錐。

1.4 數(shù)學(xué)模型

稻米試樣中鉻含量按GB 5009.268—2016中的公式計(jì)算。

1.5 測(cè)量不確定度的來(lái)源分析

影響稻米中鉻含量的不確定分量分別為試樣中鉻含量的不確定度、進(jìn)行定容時(shí)容量瓶本身引入的不確定度、由稀釋而引入的不確定度及稱取樣品時(shí)引入的不確定度[10]，由于此次試驗(yàn)中鉻含量的質(zhì)量濃度在曲線范圍內(nèi)，不需稀釋測(cè)定溶液，所以本次研究對(duì)稀釋帶來(lái)的不確定不做分析。本研究在檢測(cè)過(guò)程中的不確定度主要從待測(cè)液的稱樣質(zhì)量、定容體積、儀器測(cè)量重復(fù)性、配制標(biāo)準(zhǔn)溶液和標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

1.6 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 稱量引入的不確定度

本文樣品稱樣量為0.2 g，在此范圍內(nèi)，電子天平可精確到0.000 1 g，依據(jù)JJG 1036—2008《電子天平檢定規(guī)程》[11-12]，在此范圍的最大允許誤差為±0.000 5 g，在實(shí)際稱取樣品時(shí)要先去皮，然后再稱取樣品，所以分量應(yīng)根據(jù)2次操作進(jìn)行計(jì)算。因此，稱樣時(shí)不確定度Urel(m)=0.000 204。

2.2 定容時(shí)各環(huán)節(jié)引入的不確定度

樣品消解在密閉的消解罐中進(jìn)行，且定容時(shí)消解液少量多次的用一級(jí)水潤(rùn)洗轉(zhuǎn)移，所以樣液轉(zhuǎn)移引入的不確定度可忽略不計(jì)，僅考慮定容時(shí)容量瓶和環(huán)境溫度帶來(lái)的不確定度。消解液都是定容于25 mL容量瓶中，依據(jù)GB/T 12806《實(shí)驗(yàn)室玻璃儀器單線容量瓶》[13-14]說(shuō)明，在常溫下(20 ℃時(shí))，25 mL A級(jí)容量瓶的容量允差為±0.03 mL。按三角分布處理，定容時(shí)容量瓶體積引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.012 2 mL。

容量瓶出廠溫度為20 ℃，實(shí)驗(yàn)室溫度在(20±5) ℃。水的體積隨水溫的變化而變化。水在常溫下的膨脹系數(shù)為2.1×10-4[15]。

由溫度而引入的不確定度為0.006 18 mL, 消解液在定容時(shí)不確定度為0.013 7 mL,由定容引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為Urel(V)=0.000 548。

2.3 由儀器測(cè)量重復(fù)性引起的不確定度

2.4 配制標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度

標(biāo)準(zhǔn)工作液配制過(guò)程中主要有標(biāo)液本身、逐級(jí)稀釋、定容時(shí)容量瓶引入的不確定度和配制時(shí)環(huán)境溫度引入的不確定度。

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液的不確定度

鉻標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液濃度為1 000 μg·mL-1。由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)得知，鉻標(biāo)準(zhǔn)液的相對(duì)擴(kuò)展不定度為±0.7%，則鉻標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液所引起的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.003 5。

2.4.2 逐級(jí)稀釋引入的不確定度

根據(jù)JJG 196—2006單標(biāo)線吸量管計(jì)量要求[11]得知，單標(biāo)線1.00 mL和10.00 mL吸量管A級(jí)的容量允差分別為±0.007 mL和±0.020 mL，按照三角分布處理，則標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備液逐級(jí)稀釋時(shí)吸量管引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0.000 816、0.002 86和0.000 816 mL；所以逐級(jí)稀釋到試驗(yàn)所需標(biāo)準(zhǔn)工作液吸量管引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為U1=0.000 0816、U2=0.002 86和U3=0.000 0816。

配制標(biāo)準(zhǔn)工作液分別采用5 mL分度吸量管吸取0、0.10、0.50、1.00、2.00、4.00 mL鉻標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.10 μg·L-1)，定容至100 mL容量瓶，得到鉻標(biāo)準(zhǔn)工作液系列濃度為0、0.10、0.50、1.00、2.00、4.00 μg·L-1。按照J(rèn)JG 196—2006，其容量允差分別為0、±0.001、±0.005、±0.008、±0.012、±0.025 mL，按照三角分布處理，則工作液曲線系列吸量管引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為0、0.000 408、0.002 04、0.003 27、0.004 90、0.010 2 mL，則標(biāo)準(zhǔn)工作液曲線系列吸量管引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分別為U4=0、U5=0.004 08、U6=0.004 08、U7=0.003 27、U8=0.002 45、U9=0.002 55。

由于環(huán)境室溫和檢定出具的證書(shū)中溫度相符，則對(duì)溫度帶來(lái)的不確定度不進(jìn)行研究，所以在配制過(guò)程中，僅對(duì)吸量管和容量瓶引入的不確定度進(jìn)行研究。在配制過(guò)程中，100 mL容量瓶定容時(shí)使用了9次，容量瓶的允差為±0.10 mL[16]，則容量瓶引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.000 408。所以，由吸量管和容量瓶?jī)烧叩暮铣刹淮_定度為0.008 56。

綜上，由標(biāo)準(zhǔn)溶液配制所引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(std)=0.009 25。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線擬合的不確定度

本研究對(duì)6個(gè)不同濃度水平的標(biāo)準(zhǔn)系列工作液濃度分別測(cè)定2次信號(hào)值，擬合采用最小二乘法，得到線性方程A=bc+a及相關(guān)系數(shù)r，(其中標(biāo)準(zhǔn)曲線的斜率b為13 401.678 1，標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距a為259.996 5，r為0.999 8)。標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量參數(shù)和數(shù)據(jù)處理詳見(jiàn)表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的測(cè)量值及數(shù)據(jù)處理

最小二乘法標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合過(guò)程引入的不確定度計(jì)算公式[17],則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(C)=0.000 24。

2.6 合成不確定的計(jì)算

2.7 擴(kuò)展不確定度的計(jì)算

稻米的擴(kuò)展不確定度為0.019 mg·kg-1。

3 小結(jié)與討論

微波消解-ICP-MS 法測(cè)定稻米中鉻含量，根據(jù)不確定度評(píng)定結(jié)果，本研究中不確定度貢獻(xiàn)最大的為測(cè)量重復(fù)性，其次為標(biāo)準(zhǔn)溶液配制，稱樣質(zhì)量引入的不確定度最小。張艷燕等[18]采用火焰原子吸收分光光度法測(cè)定土壤中鎳含量，不確定度評(píng)定結(jié)果顯示不確定度貢獻(xiàn)最大的為標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合。張梅超等[19]采用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定扇貝中鉛、砷、鎘含量，不確定度評(píng)定結(jié)果顯示，不確定度貢獻(xiàn)最大的為測(cè)量重復(fù)性，其次為樣品前處理。齊越等[20]采用石墨爐-原子吸收光譜法測(cè)定大米中鎘，標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合和重復(fù)性對(duì)不確定度評(píng)定貢獻(xiàn)較大。

不同實(shí)驗(yàn)室不確定度分量對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響存在一定的差異。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)針對(duì)不同檢測(cè)過(guò)程采取適宜的措施，減小不確定度分量，保障結(jié)果的準(zhǔn)確性。首先，適當(dāng)增加樣品重復(fù)測(cè)定的次數(shù)；其次，控制實(shí)驗(yàn)室溫濕度，使用精密度高的天平和定量容器；最后，在對(duì)檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性不造成影響的前提下，適當(dāng)增加稱樣量、減小定容體積以增大試樣待測(cè)溶液中目標(biāo)元素的含量。此外，根據(jù)檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，使上機(jī)檢測(cè)溶液中目標(biāo)元素濃度落在標(biāo)準(zhǔn)曲線中間點(diǎn)附近可提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，但是標(biāo)準(zhǔn)工作液濃度范圍的大小對(duì)標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度貢獻(xiàn)仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證。

今后在對(duì)稻米中鉻含量進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加樣液和標(biāo)準(zhǔn)液的測(cè)量次數(shù)來(lái)減小不確定度的數(shù)值，且儀器的穩(wěn)定性對(duì)儀器測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度也有一定的影響，在日常檢測(cè)過(guò)程中要注意對(duì)儀器進(jìn)行定期校正，保證儀器處于最佳的檢測(cè)狀態(tài)。同樣在樣品前處理過(guò)程中，微波消解結(jié)束后要進(jìn)行趕酸，趕酸儀不同位置溫度會(huì)有略微不同，可能是導(dǎo)致方法重復(fù)性不確定度數(shù)值較大的原因，在以后的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可以嘗試趕酸過(guò)程中調(diào)整不同位置的消解罐，以減小加熱溫度差異帶來(lái)的影響。在配制標(biāo)準(zhǔn)曲線過(guò)程中，盡量選用相同的器具且經(jīng)計(jì)量檢定、精度高的移液管和容量瓶，以提高檢測(cè)準(zhǔn)確度，確保方法的良好重現(xiàn)性。同時(shí)，要不斷提高檢測(cè)人員的操作水平和熟練程度，降低方法的不確定度，保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。