ICP-MS法測(cè)定海帶中鉛含量的不確定度評(píng)定

◎ 謝亞興

（江西嘉信檢測(cè)有限公司，江西 南昌 330000）

海帶富含褐藻膠和碘質(zhì)，具有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，但其生長(zhǎng)的環(huán)境若受到污染，海帶會(huì)通過(guò)物理或生物吸附有害金屬元素[1]。鉛是一種蓄積性很強(qiáng)的金屬元素，極易影響人體的神經(jīng)、消化、血液和免疫等系統(tǒng)，并造成嚴(yán)重影響，是食品污染物監(jiān)測(cè)的必檢項(xiàng)目[2]。電感耦合等離子體質(zhì)譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）是一種靈敏度高、檢測(cè)速度快、受干擾小的測(cè)試方法，廣泛用于食品中多元素的分析[3]。在海帶鉛的檢測(cè)過(guò)程中，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、儀器設(shè)備及人員操作對(duì)檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度均有一定影響，因此為了準(zhǔn)確地衡量檢測(cè)結(jié)果，對(duì)海帶中鉛含量進(jìn)行測(cè)量不確定度的評(píng)定是很有必要的。

本文依據(jù)《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》（GB 5009.12—2017）[4]第二法，運(yùn)用ICP-MS對(duì)海帶中鉛的含量進(jìn)行檢測(cè)，參照《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》（JJF 1059.1—2012）[5]和《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》（CNAS—GL 006：2019）[6]的要求和規(guī)定，對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析評(píng)定，探究影響不確定度的主要來(lái)源，以期為海帶中鉛含量的準(zhǔn)確測(cè)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ICPMS-2030電感耦合等離子體質(zhì)譜儀，日本島津公司；HZY-A220電子天平，福州華志公司；MASTER 40微波消解儀、ECH-20微機(jī)控溫加熱板，上海新儀微波化學(xué)科技有限公司。

鉛元素標(biāo)準(zhǔn)溶液 GSB 04-1742-2004，1 000 μg·mL-1，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；多元素內(nèi)標(biāo)液 GNM-M061667-2013，100 μg·mL-1，國(guó)家有色金屬及電子材料分析測(cè)試中心；硝酸，優(yōu)級(jí)純，德國(guó)默克公司；30%過(guò)氧化氫，優(yōu)級(jí)純，國(guó)藥集團(tuán)；實(shí)驗(yàn)用水為超純水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 樣品前處理

參照《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》（GB 5009.12—2017）第二法，準(zhǔn)確稱(chēng)取0.25 g烘干海帶樣品于微波消解內(nèi)罐中，加5 mL硝酸、1 mL 30%過(guò)氧化氫，加蓋、過(guò)夜；次日裝上外罐并旋緊罐蓋，按表1消解程序于微波消解儀消解。冷卻后取出，開(kāi)蓋、排氣，用少量水沖洗內(nèi)蓋，將消解罐于加熱板中130 ℃加熱趕酸，用超純水定容至50 mL，搖勻備測(cè)，并做空白。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

吸取適量鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg·mL-1），用1%HNO3溶液稀釋成1 μg·mL-1鉛標(biāo)準(zhǔn)中間液。吸取適量鉛標(biāo)準(zhǔn)中間液，用 1%HNO3溶液配制成濃度分別為 0.5 μg·L-1、1.0 μg·L-1、2.0 μg·L-1、5.0 μg·L-1、10.0 μg·L-1、20.0 μg·L-1和 50.0 μg·L-1的鉛標(biāo)準(zhǔn)工作液。

1.2.3 樣品測(cè)定

點(diǎn)燃等離子體后，儀器預(yù)熱30 min至穩(wěn)定，引入多元素混合調(diào)諧溶液調(diào)諧至滿(mǎn)足測(cè)定要求。通過(guò)三通在線(xiàn)加入內(nèi)標(biāo)溶液，依次測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)工作液、空白樣液和樣品溶液，采用標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)法定量分析。

1.3 數(shù)學(xué)模型

海帶樣品中鉛的含量計(jì)算公式：

式中：X為試樣中鉛含量，mg·kg-1；c為樣液中鉛質(zhì)量濃度-空白液中鉛質(zhì)量濃度，μg·L-1；V為定容體積，mL；m為試樣質(zhì)量，g；1 000為單位換算系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉛含量測(cè)定不確定度來(lái)源的識(shí)別

根據(jù)海帶樣品中鉛含量的數(shù)學(xué)計(jì)算模型，影響海帶中鉛測(cè)定的不確定度潛在來(lái)源有樣品質(zhì)量、消解液體積、樣液質(zhì)量濃度和測(cè)量重復(fù)性。其中樣品稱(chēng)量過(guò)程的不確定度由天平校準(zhǔn)、重復(fù)性等引起；樣品消解液定容主要引入容量瓶校準(zhǔn)、溫度系數(shù)、重復(fù)性等不確定度分量；樣液質(zhì)量濃度測(cè)定過(guò)程主要引入了標(biāo)準(zhǔn)溶液配制、校準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合等不確定度分量；將樣品測(cè)定過(guò)程中的稱(chēng)量、定容等操作的重復(fù)性分量合并為總試驗(yàn)的一個(gè)分量，即測(cè)量重復(fù)性。

2.2 鉛含量測(cè)定不確定度分量的量化

2.2.1 樣品質(zhì)量的不確定度ur(m)

本實(shí)驗(yàn)用的電子天平（精度0.001），范圍0.02～220.00 g，從校準(zhǔn)證書(shū)上得擴(kuò)展不確定度U=0.003 g（k=2），則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為本實(shí)驗(yàn)海帶稱(chēng)量為0.252 g，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.2.2 樣品消解液體積的不確定度ur(V)

（1）容量瓶校準(zhǔn)所產(chǎn)生的不確定度。海帶樣品消解后用50 mL容量瓶定容，按校準(zhǔn)證書(shū)容量偏差為0.01 mL，假設(shè)為三角分布，取包含因子則由容量偏差所產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

（2）溫度系數(shù)產(chǎn)生的不確定度。所用容量瓶體積校準(zhǔn)時(shí)溫度為21 ℃，實(shí)際定容時(shí)溫度為24 ℃，液體的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4·℃-1，則體積變化區(qū)間為 ±（50×3×2.1×10-4）=±0.031 5 mL，假設(shè)為矩形分布，取包含因子則由溫度引起的體積測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2.2.3 樣品溶液質(zhì)量濃度的不確定度ur(c)

（1）標(biāo)準(zhǔn)溶液配制產(chǎn)生的不確定度。依據(jù)鉛標(biāo)準(zhǔn)貯備液證書(shū)，質(zhì)量濃度值1 000 μg·mL-1，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為0.7%（k=2），則其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制過(guò)程如表2所示。對(duì)鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程所用移液槍和容量瓶進(jìn)行不確定度分析，具體如下。

表2 鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程表

各工作溶液配制中稀釋過(guò)程均用100 mL容量瓶定容，其定容引入的不確定度分量包括2個(gè)部分。①校準(zhǔn)引起的不確定度。從100 mL容量瓶校準(zhǔn)證書(shū)上得其容量偏差為0.06 mL，按三角分布轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為②溫度系數(shù)引起的不確定度。實(shí)驗(yàn)用的100 mL容量瓶也是在21 ℃條件下校準(zhǔn)合格的，實(shí)際定容時(shí)的室溫為24 ℃，液體的體積膨脹系數(shù)為2.1×10-4·℃-1，產(chǎn) 生 的 體 積 變 化 區(qū) 間 為 ±(100×3×2.1×10-4)=±0.063 mL，按矩形分布轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為以上分量合成得其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

從校準(zhǔn)證書(shū)上得，100 μL移液槍在移取50 μL、100 μL時(shí)的容量允差分別為±3.0%、±2.0%。1 mL移液槍移取0.1 mL、0.5 mL、1.0 mL時(shí)的容量允差分別為±2.0%、±1.0%、±1.0%，因未給出移取0.2 mL的容量允差，移取0.2 mL的容量允差取最大值±2.0%。5 mL移液槍在移取0.5 mL、2.5 mL、5.0 mL時(shí)的容量允差分別為±1.0%、±0.5%、±0.6%，因未給出移取2.0 mL的容量允差，故移取2.0 mL的容量允差取最大值±1.0%。按矩形分布，取包含因子為則各移液體積對(duì)應(yīng)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度如下：ur(50)=0.017 4；ur(100)=ur(0.2)=0.011 6；ur(0.5)=ur(1.0)=ur(2.0)=0.005 8；ur(5.0)=0.003 5。

鉛標(biāo)液配制過(guò)程中用了100 mL容量瓶8次，100 μL移液槍分別移取50 μL1次、100 μL 2次，1 mL移液槍分別移取0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL各1次，5 mL移液槍分別移取2.0 mL、5.0 mL各1次，因此標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程中帶來(lái)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

（2）校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合所產(chǎn)生的不確定度。用ICP-MS法測(cè)定海帶中鉛，為校準(zhǔn)ICP-MS儀，對(duì)配制的7個(gè)標(biāo)液和內(nèi)標(biāo)元素進(jìn)行信號(hào)響應(yīng)值測(cè)定，每個(gè)濃度測(cè)定3次，被測(cè)溶液與內(nèi)標(biāo)溶液信號(hào)響應(yīng)值的比值結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)被測(cè)溶液與內(nèi)標(biāo)溶液信號(hào)響應(yīng)值的比值與標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度來(lái)擬合標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，得直線(xiàn)方程為Y=2.366 8X+0.425 5（R2=1.000 0），記B1=2.366 8，B0=0.425 5。其中，X為標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度，μg·L-1；Y為被測(cè)溶液與內(nèi)標(biāo)溶液信號(hào)響應(yīng)值的比值。對(duì)樣品溶液進(jìn)行2次測(cè)量，由信號(hào)響應(yīng)值的比值通過(guò)直線(xiàn)方程求得質(zhì)量濃度為c0=1.377 μg·L-1，則質(zhì)量濃度c0的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

表3 各濃度下被測(cè)溶液與內(nèi)標(biāo)溶液信號(hào)響應(yīng)值的比值表

式中：P為測(cè)量c0的次數(shù)，P=2；n為測(cè)量校準(zhǔn)溶液的次數(shù)，n=24；Xi為工作曲線(xiàn)第i個(gè)校準(zhǔn)溶液的濃度，μg·L-1；為工作曲線(xiàn)各校準(zhǔn)點(diǎn)濃度的平均值（n次），SR為曲線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，（Yj為第i個(gè)校準(zhǔn)溶液的第j次信號(hào)響應(yīng)值的比值）。

將上述各值帶入u(c0)的計(jì)算中，得由校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合帶來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(曲 )=u(c0)=0.071 8 μg·L-1，其相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

測(cè)量重復(fù)性所產(chǎn)生的不確定度按A類(lèi)評(píng)定方法進(jìn)行，用估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)偏差定量表征。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在相同條件下，對(duì)同一海帶進(jìn)行6次獨(dú)立的重復(fù)測(cè)定，結(jié)果如表4所示。

由表4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算最佳估計(jì)值為

表4 海帶樣品6次平行測(cè)定結(jié)果表

由貝塞爾公式計(jì)算得到單次測(cè)量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算

根據(jù)海帶中鉛含量測(cè)定的數(shù)學(xué)模型，將各不確定度分量的量值和不確定度匯總于表5中。將表5中各量值代入數(shù)學(xué)模型中可得海帶中鉛的含量為

表5 量值及不確定度表

海帶樣品中鉛含量測(cè)定的相對(duì)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

得出合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為uc(X)=ucr(X)×X=0.060 1×0.273=0.016 5 mg·kg-1。

由不確定度分析和評(píng)定看出，海帶中鉛含量測(cè)定的最主要不確定度來(lái)源在于樣品溶液質(zhì)量濃度的測(cè)定過(guò)程，其次是樣品稱(chēng)量、樣品重復(fù)性測(cè)量過(guò)程，而樣品消解液定容過(guò)程所產(chǎn)生的不確定度最小。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合引入的不確定度貢獻(xiàn)最大。

2.4 擴(kuò)展不確定度計(jì)算

依據(jù)《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》[6]推薦，取95%的置信水平，包含因子k=2，則本實(shí)驗(yàn)中鉛元素含量測(cè)定的擴(kuò)展不確定度為U=k×uc(X)=2×0.016 5=0.033 mg·kg-1。

2.5 結(jié)果報(bào)告

采用ICP-MS法對(duì)海帶鉛元素測(cè)定，其測(cè)量結(jié)果表示為X=(0.273±0.3) mg·kg-1，k=2。

3 結(jié)論與討論

本研究采用ICP-MS法測(cè)定了海帶中的鉛含量，從稱(chēng)量、消解液定容、樣液質(zhì)量濃度測(cè)定和樣品重復(fù)性測(cè)量等各因素評(píng)定了海帶鉛含量測(cè)定的不確定度。結(jié)果表明，當(dāng)取樣量為0.252 g，海帶樣品鉛含量測(cè)量結(jié)果為 0.273 mg·kg-1時(shí)，其擴(kuò)展不確定度為 0.033 mg·kg-1，k=2。通過(guò)對(duì)各不確定度分量量化，從相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度數(shù)值看出，樣液質(zhì)量濃度測(cè)定過(guò)程的不確定度分量是最大的，稱(chēng)量、消解液定容、樣品重復(fù)性測(cè)量等過(guò)程的不確定度實(shí)際上對(duì)總的不確定度影響很小。李趙平[7]、范稚莉等[8]在食品中鉛測(cè)量不確定度評(píng)定中也得到了相似的結(jié)果。因此，樣品消解液中鉛的質(zhì)量濃度測(cè)定過(guò)程是測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

樣液質(zhì)量濃度測(cè)定過(guò)程的不確定度由2個(gè)部分構(gòu)成。①由標(biāo)準(zhǔn)貯備液配制成標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液時(shí)所產(chǎn)生對(duì)質(zhì)量濃度測(cè)量帶來(lái)的不確定度。②由校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合求得質(zhì)量濃度時(shí)所產(chǎn)生的不確定度。本研究發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)工作曲線(xiàn)擬合引入的不確定度貢獻(xiàn)最大，而標(biāo)準(zhǔn)溶液配制所產(chǎn)生的不確定度，對(duì)于用擬合曲線(xiàn)求得質(zhì)量濃度時(shí)的不確定度而言可忽略不計(jì)。相關(guān)研究也表明標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)擬合引入的不確定度是主要貢獻(xiàn)因子[9-10]?？奠o艷等[11]通過(guò)對(duì)比不同范圍校準(zhǔn)曲線(xiàn)引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，發(fā)現(xiàn)校準(zhǔn)曲線(xiàn)范圍越大，其擬合引入的不確定度也越大，選擇合適的校準(zhǔn)曲線(xiàn)能使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確，建立合理的校準(zhǔn)曲線(xiàn)濃度范圍，盡可能使待測(cè)元素質(zhì)量濃度位于曲線(xiàn)的中間位置，從而有效減少測(cè)量結(jié)果的不確定度，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。