微波消解電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定大米中鎘的不確定度評(píng)定

胡文輝，錢非，朱洪亮，鮑曉瑾

（嘉興市食品藥品與產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)院，浙江嘉興 314000）

鎘是一種重金屬元素，毒性較強(qiáng)，可通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體并富集，累積到一定程度后，會(huì)造成人體慢性中毒，嚴(yán)重影響身體健康[1]。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部與國(guó)土資源部2014年發(fā)布的《全國(guó)土壤污染狀況調(diào)查公報(bào)》，鎘的土壤污染點(diǎn)位超標(biāo)率為7.0%，居首位[2]。農(nóng)作物通過(guò)根系對(duì)鎘進(jìn)行吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)，相比于其它農(nóng)作物，水稻吸收鎘的能力較強(qiáng)，所以鎘在大米中具有較高富集能力[3]。GB 2762—2017 《食品安全標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物的限量》明確要求稻米、糙米、大米中鎘限量為0.2 mg/kg[4]。電感耦合等離子體質(zhì)譜（ICP-MS)法具有靈敏度高、檢出限低、干擾因素少、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，特別適合無(wú)機(jī)痕量元素的分析檢測(cè)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，樣品處理、儀器穩(wěn)定性、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、加標(biāo)回收、實(shí)驗(yàn)環(huán)境的影響會(huì)引入測(cè)量誤差，影響測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性，尤其是當(dāng)測(cè)量值接近臨界值時(shí)，直接影響樣品結(jié)果的判定。

測(cè)量不確定度簡(jiǎn)稱不確定度，是表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)[5]，是與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，是科學(xué)評(píng)價(jià)測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的重要保證，為了保證檢測(cè)結(jié)果更加準(zhǔn)確，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定是十分必要的[6]。通過(guò)考察引入測(cè)量中不確定度各個(gè)分量，確定影響不確定度的主要因素，進(jìn)而提高檢測(cè)結(jié)果的可靠程度[7]。筆者依照食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.268—2016 《食品中多元素的測(cè)定》第一法[8]，采用微波消解ICP-MS 法測(cè)定大米中鎘的含量，依據(jù)CNAS-GL006:2019 《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》和JJF 1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[9]，考察測(cè)定過(guò)程中的不確定度主要來(lái)源，針對(duì)不同測(cè)量方法產(chǎn)生的不確定度分量，分別按不確定度A 類和不確定度B 類評(píng)定的方法，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定，確定不確定度的主要影響因素，有針對(duì)性提出提高實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性的方法，為檢測(cè)方法優(yōu)化和評(píng)價(jià)樣品測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確度提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

電感耦合等離子體質(zhì)譜儀：NexION 350X 型，美國(guó)鉑金埃爾默儀器有限公司。

高通量微波消解儀：Mars 6型，美國(guó)CEM公司。

電子分析天平：ME204E 型，感量為0.001 g，瑞士梅特勒-托利多公司。

硝酸：UP級(jí)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為68%，蘇州晶瑞化學(xué)股份有限公司。

混合內(nèi)標(biāo)溶液：含有鉍、鍺、銦、鋰、鈧、鋱、釔元素，其中銦質(zhì)量濃度為10 μg/mL，美國(guó)Perkin Elmer儀器有限公司。

25 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液：含有鈣、鉀、鎂、鈉、鋁、鐵、鍶、硼、鋇、銅、錳、鈦、鋅、砷、鎘、鈷、鉻、鎳、鉛、硒、鉈、釩、鉬、銻、錫元素，其中鎘質(zhì)量濃度為5 μg/mL，美國(guó)Inorganic Ventures公司。

1.2 鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制

采用體積法配制。量取1.0 mL 25 種元素混合標(biāo)準(zhǔn)儲(chǔ)備溶液于100 mL塑料容量瓶中，用硝酸溶液(5∶95，體積比，下同)定容至標(biāo)線，搖勻，得50.0 μg/L的鎘標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。各取0、1.0、5.0、10.0 鎘標(biāo)準(zhǔn)工作溶液于4 只50 mL 塑料容量瓶中，另取6.0 mL 于一只10 mL 塑料容量瓶中，分別用硝酸溶液(5∶95)稀釋至標(biāo)線，共得到鎘質(zhì)量濃度分別為0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L的系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.3 樣品處理

依據(jù)食品國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.268—2016《食品中多元素的測(cè)定》第一法，電感耦合等離子體質(zhì)譜法，稱取0.5 g 大米粉狀樣品于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，預(yù)消解12 h，旋緊蓋子，按照消解標(biāo)準(zhǔn)操作步驟消解。冷卻后取出，緩慢打開(kāi)消解罐的蓋子釋放壓力，以適量水淋洗內(nèi)蓋，然后將罐置于溫控趕酸器內(nèi)，于100 ℃恒溫40 min，用超純水轉(zhuǎn)移定容至50 ml，混勻備用，同時(shí)制備空白樣品。

1.4 儀器工作條件

1.4.1 微波消解儀

微波功率：1200 W；升溫程序：5 min 升溫至120 ℃，保持5 min，然后在25 min內(nèi)升溫至200 ℃，保持40 min。

1.4.2 ICP-MS儀

RF 功率：1 600 W；等離子體氣流量：18 L/min；霧化器氣流量：0.98 L/min；輔助氣流量：1.20 L/min；采樣深度：6 mm；霧化室溫度：2 ℃；檢測(cè)器：雙模式(Pulse/Analog)檢測(cè)器；反應(yīng)池工作模式：KED；測(cè)定同位素：111Cd；內(nèi)標(biāo)元素：115In，在線加入。

1.5 數(shù)學(xué)模型

大米樣中鎘的含量按公式(1)計(jì)算

式中：w——大米樣品中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，mg/kg；

ρ——樣品溶液中鎘的質(zhì)量濃度，μg/L；

ρ0——樣品空白液中鎘的質(zhì)量濃度，μg/L；

V——樣品溶液定容體積，mL；

f——稀釋倍數(shù)；

m——樣品稱取質(zhì)量，g。

1.6 測(cè)量不確定度來(lái)源

基于測(cè)量不確定度(GUM)評(píng)定方法，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和測(cè)定過(guò)程分析，影響被測(cè)量w的不確定度分量主要有：(1)隨機(jī)因素以不可知方式變化的測(cè)量誤差對(duì)測(cè)量結(jié)果w影響產(chǎn)生的不確定度分量uA(w)，用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法進(jìn)行測(cè)量不確定度分量評(píng)定(采用不確定度A類評(píng)定的方法)，主要是重復(fù)性測(cè)量產(chǎn)生的不確定度分量u(wˉ)。(2)系統(tǒng)因素以保持不變或按可預(yù)測(cè)方式變化的誤差分量對(duì)測(cè)量結(jié)果w影響產(chǎn)生的不確定度分量uB(w)，用不同于不確定度A 類評(píng)定的方法對(duì)測(cè)量不確定度分量進(jìn)行評(píng)定(采用不確定度B 類評(píng)定的方法)。①樣品稱量質(zhì)量m產(chǎn)生的不確定度分量u(m)，由天平容許誤差引入。②樣品消解溶液定容體積V產(chǎn)生的不確定度分量，分別由量器容量誤差和實(shí)驗(yàn)室溫度變化引入。③樣品溶液中鎘質(zhì)量濃度ρ產(chǎn)生的不確定度分量u(ρ)，分別由鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制和曲線擬合引入。

2 結(jié)果與討論

2.1 系統(tǒng)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果w 影響產(chǎn)生的不確定度分量uB(w)

系統(tǒng)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果w影響產(chǎn)生的不確定度分量uB(w)采用不確定度B 類評(píng)定的方法。主要包括樣品稱量質(zhì)量m產(chǎn)生的不確定度分量u(m)、樣品消解溶液定容體積V產(chǎn)生的不確定度分量u(V)、樣品消解溶液質(zhì)量濃度ρ產(chǎn)生的不確定度分量u(ρ)。

2.1.1 樣品稱量質(zhì)量m產(chǎn)生的不確定度分量u(m)

樣品稱量產(chǎn)生的質(zhì)量m的不確定度分量u(m)。樣品稱量質(zhì)量m=0.5 g，根據(jù)天平校準(zhǔn)證書(shū)和JJG 1036—2008《 電子天平》檢定規(guī)程[10]，所用的電子分析天平的最大允差為±0.001 g，考慮矩形分布，包含因子k=，稱量步驟分去皮和稱量?jī)纱尾僮?，故分量?jì)算兩次，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.1.2 樣品消解溶液定容體積V產(chǎn)生的不確定度分量u(V)

(1)定容誤差引入的體積不確定度分量u(V50)。消解液定容用50 mL 容量瓶，級(jí)別為A 級(jí)，對(duì)照J(rèn)JG 196—2006《 常用玻儀器檢定規(guī)程》[11]，最大允許誤差為±0.05 mL，按三角分布，k=，標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(2) 溫度變化引入的體積不確定度分量u(T)。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為(20±5) ℃，查閱20 ℃水的體積膨脹系數(shù)為α=2.1×10-4/℃，ΔT=5 ℃，只考慮溫度對(duì)溶液體積的變化，按均勻分布，k=，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

合并上述兩項(xiàng)分量，合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.1.3 樣品溶液中鎘質(zhì)量濃度ρ產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u(ρ)

樣品溶液中鎘質(zhì)量濃度ρ產(chǎn)生的不確定度分量u(ρ)采用B 類評(píng)定的方法，包括標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)量值引入的不確定度分量u(S)、鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制過(guò)程中玻璃量具校準(zhǔn)引入的不確定度分量u(Vs)、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度分量u(L)。

(1)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度分量u(S)。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)，鎘的標(biāo)準(zhǔn)值為(5.003±0.021) μg/mL?？紤]正態(tài)分布，k=2，標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算為：

相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(2)鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制過(guò)程中玻璃量具校準(zhǔn)引入的不確定度分量u(Vs)。鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制使用的移液器認(rèn)為其不確定度服從矩形分布，k=，容量瓶認(rèn)為其不確定度服從三角分布，k=，對(duì)照J(rèn)JG 196—2006《 常用玻璃量器檢定規(guī)程》和JJG 646—2006 《移液器檢定規(guī)程》[12]，得出量器的容許誤差。鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制用到的量器和移液器的不確定度見(jiàn)表1。

表1 玻璃量器和移液器的不確定度

由表1數(shù)據(jù)合成相對(duì)不確定度為：

(3)標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度分量u(L)，用ICP-MS法測(cè)量系列鎘標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，得鎘(111Cd)質(zhì)譜強(qiáng)度，與內(nèi)標(biāo)銦(115In)的質(zhì)譜強(qiáng)度，計(jì)算二者比率Y。以Y為縱坐標(biāo)，鎘標(biāo)準(zhǔn)工作溶液質(zhì)量濃度作為橫坐標(biāo)，采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得線性方程為Y=0.006 6X+0.000 7，相關(guān)系數(shù)為0.999 9，見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合數(shù)據(jù)及結(jié)果

利用擬合曲線按式(2)計(jì)算樣品質(zhì)量濃度ρ的不確定度：

式中：s(y)——標(biāo)準(zhǔn)曲線的剩余標(biāo)準(zhǔn)差（殘差的標(biāo)準(zhǔn)差），用貝塞爾公式計(jì)算[13]；

a——擬合曲線的斜率，a=0.006 6；

p——樣品的測(cè)量次數(shù)，p=10；

n——測(cè)量次數(shù)，n=6；

ρ——樣品溶液中鎘的質(zhì)量濃度均值，ρ=1.779 μg/L；

ρi—鎘系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的質(zhì)量濃度，μg/L。其中：

將表2數(shù)據(jù)代入式（2）、式（3），得曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(L)=0.108 1 μg/L，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

以上各不確定度分量互不相關(guān)，則樣品溶液中鎘質(zhì)量濃度ρ的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

2.1.4 合成系統(tǒng)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果w影響產(chǎn)生的不確定度分量uB(w)

假定各不確定度分量互不相關(guān)，系統(tǒng)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果w產(chǎn)生的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量uB,rel(w)按照下式合成：

大米樣品中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定結(jié)果w=0.174 mg/kg，則測(cè)定值的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.2 隨機(jī)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果w 影響產(chǎn)生的不確定度分量uA(w)

隨機(jī)因素對(duì)測(cè)量結(jié)果X產(chǎn)生的不確定度分量uA(w)用不確定度A 類評(píng)定的方法。主要是樣品重復(fù)性測(cè)量產(chǎn)生的不確定度分量u()。

為獲得重復(fù)性測(cè)量的不確定度分量u()，在規(guī)定測(cè)量條件下，對(duì)樣品進(jìn)行10 次重復(fù)性測(cè)試，用測(cè)試結(jié)果計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)差，平均值作為估值，進(jìn)行不確定度計(jì)算。樣品中鎘的含量數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 樣品重復(fù)性測(cè)量結(jié)果(n=10)

重復(fù)性測(cè)量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(w)

綜合以上不確定度評(píng)定過(guò)程，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(w)：

各不確定度分量結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 不確定度分量量化統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2.4 擴(kuò)展不確定度

取置信水平p=95%，包含因子k=2，擴(kuò)展不確定度：

2.5 不確定度報(bào)告

微波消解ICP-MS法測(cè)得大米中鎘的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w=0.174 mg/kg，擴(kuò)展不確定度為0.021 mg/kg，k=2。

3 結(jié)論

基于表4不確定度分量數(shù)據(jù)，可以得知，樣品中被測(cè)元素含量較低時(shí)，測(cè)量過(guò)程中不確定度的主要來(lái)源是B 類方法評(píng)定中標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合、系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液配制和A 類方法評(píng)定中的測(cè)量重復(fù)性，貢獻(xiàn)度分別為70.9%、11.2%和11.8%。而樣品的稱量和定容過(guò)程中量器以及實(shí)驗(yàn)室溫度變化引入的不確定度較小，可忽略不計(jì)。

分析評(píng)估曲線擬合過(guò)程中不確定度的計(jì)算過(guò)程，主要是標(biāo)準(zhǔn)曲線各質(zhì)量濃度點(diǎn)剩余標(biāo)準(zhǔn)差的影響較大。其次是方法規(guī)定曲線測(cè)量質(zhì)量濃度范圍較大，而樣品測(cè)量質(zhì)量濃度較小，方法規(guī)定系列質(zhì)量濃度分別是0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L，系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的濃度范圍設(shè)置過(guò)寬，而根據(jù)GB 2762—2017 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中污染物限量》，大米中鎘質(zhì)量分?jǐn)?shù)限量為0.2 mg/kg，換算成樣品溶液的質(zhì)量濃度為2.0 μg/L，處于標(biāo)準(zhǔn)曲線低濃度點(diǎn)范圍，故樣品中待測(cè)元素含量較低時(shí)利用擬合曲線計(jì)算測(cè)量溶液誤差較大。對(duì)于電感耦合等離子體質(zhì)譜法分析檢測(cè)中標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合為不確定度的主要來(lái)源，相關(guān)文獻(xiàn)均有報(bào)道[14-17]。

為最大程度減少測(cè)量過(guò)程中的不確定度，試驗(yàn)過(guò)程中要規(guī)范操作儀器，定期計(jì)量和校準(zhǔn)，確保儀器工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，增加儀器對(duì)元素的掃描次數(shù)，規(guī)范準(zhǔn)確配制系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液，減少標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的誤差。在檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定范圍內(nèi)，選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)曲線范圍，通過(guò)降低系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的濃度，使測(cè)量溶液濃度處于標(biāo)準(zhǔn)曲線濃度的中間范圍，以增加測(cè)量的準(zhǔn)確性。樣品體積定容時(shí)采用級(jí)別較高的量器，同時(shí)要避免器皿本身帶來(lái)的污染，提高測(cè)量準(zhǔn)確性的同時(shí)，增加測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性，并嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，有效減少影響測(cè)量不確定度的因素，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠程度。