陈丹,李苓,彭丽娟,张燕,李素华
云南省烟草质量监督检测站,昆明市五华区科医路41号 650106
电感耦合等离子体质谱法测定烟草中6种元素的不确定度
陈丹,李苓,彭丽娟,张燕,李素华
云南省烟草质量监督检测站,昆明市五华区科医路41号 650106
为提高烟草中铬(Cr)、镍(Ni)、砷(As)、硒(Se)、镉(Cd)和铅(Pb)6种元素检测结果的准确性,依据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》,对电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定烟草中6种元素的测量不确定度进行了评定。采用因果关系图系统分析影响不确定度的各因素,在此基础上构建了ICP-MS法测量不确定度的评定方案,并通过数学模型评定了各不确定度分量。结果表明:①Cr、Ni、As、Se、Cd、Pb的测定值分别为1.41、3.26、0.42、0.69、1.97、4.11 μg/g,在95%包含概率下其扩展不确定度分别为0.10、0.21、0.03、0.10、0.13、0.33 μg/g;②影响测量不确定度的因素主要有方法回收率、测量重复性、最小二乘法校准曲线拟合以及标准溶液配制;③采用称量法配制标准溶液、选择合适的标准工作溶液浓度范围以及控制漂移确保仪器稳定性,可进一步提高分析的精准度。
测量不确定度;不确定度分量;因果关系;电感耦合等离子体质谱;重金属;烟草
烟草属于易吸收和富集重金属的植物,在烟株生长过程中,重金属可对烟株的发育产生不利影响;在卷烟抽吸过程中,重金属以气溶胶或金属氧化物的形式通过主流烟气进入人体,对人体造成潜在危害[1-4]。有研究表明,烟草已成为某些重金属(如Cd)的主要来源之一[5]。准确测定烟草中重金属含量对烟草品质评价、低害卷烟开发具有现实意义。不确定度表示误差的存在对检测结果造成的不能肯定的程度或有效性的怀疑程度[6],通过对测量不确定度进行评定分析,可合理赋予被测量值的分散性,便于实验室内或实验室间对同一物理量的检测结果及与技术规范或标准中所给出的参考值作有意义的比较,进而最大程度地提高检测结果的可靠性[7-8]。随着国内烟草行业质检机构实验室认可工作的不断深入,测量不确定度的评定作为实验室评审的重点内容之一越来越得到重视。目前,关于烤烟中总植物碱、烟用接装纸中乙酸丁酯、料液中苯甲酸、主流烟气中苯酚、水基胶中苯及苯系物等测量不确定度的研究已有报道[9-13],但关于ICP-MS法测定烟草中重金属元素的测量不确定度研究鲜见报道。因此,对ICP-MS法测定烟草基质中铬(Cr)、镍(Ni)、砷(As)、硒(Se)、镉(Cd)和铅(Pb)6种元素含量(质量分数,下同)的测量不确定度进行了评定,依据JJF 1059.1—2010《测量不确定度评定与表示》[8]建立相对完整、合理的评定方案,采用因果关系法分析不确定度来源,确定各不确定度分量的数学模型和评价方式,系统分析检测过程中影响检测结果分散性的主要因素,并针对这些因素讨论对提高检测精确度有益的改进措施,旨在为烟草中6种元素的准确测量,以及检测结果的实验室内部质量控制和实验室间能力验证提供参考。
1.1 材料、试剂与仪器
烟草样品(烟草成分分析标准物质GBW08514a)。
硝酸(65%,质量分数)、双氧水(30%,质量分数)、调谐液(1 μg/L)、内标混合储备液(10 mg/L)、多元素混合标准储备液(10 mg/L)。
7700X电感耦合等离子体质谱仪(美国Agilent公司)、MARS Xpress微波消解仪(美国CEM公司)、AE-200电子分析天平(感量0.000 1 g,瑞士Mettler Toledo公司)、Millipore超纯水仪(德国Merck Millipore公司)。
1.2 方法
1.2.1 标准溶液的配制
取0.5 mL多元素混标储备液于50 mL容量瓶中,用5%硝酸定容,摇匀,得质量浓度为100 μg/L的混合标准溶液Ⅰ。分别取0.5、1.0、1.5、2.0、2.5和4.0 mL混合标准溶液Ⅰ于6只50 mL容量瓶中,用5%硝酸定容,配制成质量浓度为1、2、3、4、5和8 μg/L的混合标准溶液。
取2.5 mL多元素混标储备液于50 mL容量瓶中,用5%硝酸溶液定容,摇匀,得到质量浓度为500 μg/L的混合标准溶液Ⅱ。分别取2和5 mL混合标准溶液Ⅱ于两只50 mL容量瓶中,用5%硝酸定容,配制成质量浓度为20和50 μg/L的混合标准溶液。
1.2.2 样品处理与ICP-MS分析
准确称取0.2 g烟草样品,置于微波消解用聚四氟乙烯压力罐中,加入5 mL硝酸和2 mL双氧水,放入微波消解装置中,按照YC/T 380—2010设定消解样品的参数[14];每组消解样品设1个空白;消解结束并冷却至室温,将消解液转移至50 mL塑料容量瓶中,用超纯水定容。使用ICP-MS调谐液,参照YC/T 380—2010[14]并根据调谐工作参数(如背景、质量轴、分辨率、灵敏度、氧化物、双电荷等)优化仪器参数,如表1所示。
表1 ICP-MS仪器参数
1.2.3 元素含量的计算
样品中元素含量(μg/g)按公式(1)计算:
式中:X—样品中某元素含量,μg/g;c1—试样溶液质量浓度,μg/L;c0—试样空白溶液质量浓度,μg/L;V—萃取液体积,mL;ω—样品含水率,%;m—样品质量,g。
1.2.4 测量不确定度的评定
分析检测方法和数学模型(公式1)可知,不确定度来源主要包括样品的称量、消解、稀释定容,标准溶液的配制、线性拟合,仪器重复性、回收率等。使用因果图(鱼骨图)系统地分析和简化各不确定度来源,如图1所示。图1中横向线指向“结果”,即元素含量的报出结果(X,μg/g),主要枝干代表直接控制检测结果大小的参数或其他影响测量的因素,次级枝干表示对主要因素不确定度有贡献的其他次要因素,以此类推,因果图可以向下展开直至末级因素(对结果不确定度的贡献可忽略不计[15])。
图1 ICP-MS法测定元素含量的不确定度来源因果图
由图1可知,影响ICP-MS法检测结果的不确定度包括样品含水率u(1-ω)、称样量u(m)、样品定容u(V)、标准溶液配制u(std)、校准曲线拟合u(c)、测量重复性u(rep)及方法回收率u(rec)。根据不确定度传播率[8],合成不确定度uc(X)是由各分量的相对不确定度urel根据公式(2)计算:
2.1 不确定度来源的简化
ICP-MS法测定烟草中元素含量的主要影响因素有6个:样品含水率、样品质量、样品制备、仪器示值、标准溶液和校准曲线[15-17]。因此,不需要对因果图(图1)列出的所有要素进行不确定度评估,而是对这些要素进行简化,消除要素之间的重复贡献,确定必须包含的要素并确定评价各要素不确定度的方案。比如,样品的消解过程很复杂,不确定度分量难以评定,若将消解过程对最终结果不确定度的影响简化为从样品到待测液中元素的提取效率,则可通过方法回收率间接评估其影响的大小[18]。仪器示值的不确定度主要源于重复性、仪器运行状态和信号漂移。重复性的不确定度受空白校正、内标强度、样品强度、仪器稳定性(如:蠕动泵提升速率、内标回收率、电离效率等)等多方面的影响。由于每批样品都使用新的标准溶液校准,对于同一批标准溶液和待测液来说,仪器运行状态是完全一样的,因此仪器运行状态带来的系统性影响可被消除[18]。此外,检测过程中是通过质控样品控制漂移。对于一个可靠的检测结果,仪器是稳定且没有漂移的。因此不必单独对漂移引入的不确定度进行评定,若发现漂移超过10%,需要重新制作校准曲线再继续检测样品。综上,简化后的不确定度来源应包含样品含水率、样品质量、样品定容、标准溶液配制、校准曲线拟合、测量重复性及方法回收率。
2.2 方法评价结果
用ICP-MS法测定烤烟烟叶中Cr、Ni、As、Se、Cd、Pb元素含量,通过线性相关性、检出限、定量限、回收率等指标对检测方法进行了验证。根据样品中各元素的质量浓度,选取5个适合的浓度点拟合得到各元素的校准曲线,其中纵坐标为标准溶液中元素与内标元素信号响应值之比R,横坐标为标准溶液中元素浓度c。检出限和定量限分别由测量空白消解样品的3倍标准偏差和10倍标准偏差(n=20)获得,平均回收率由3次加标回收实验获得。各指标的评价结果(表2)表明,6种元素校准曲线的相关系数均大于0.999;除Se元素外,其余元素的检出限和定量限与YC/T 380—2010[14]的参数匹配良好;所有元素的平均回收率均在90%~110%范围内。可见,各验证指标均达到分析要求,实验结果可靠、有效。
表2 6种元素的校准曲线、检出限、定量限及回收率
2.3 样品含水率引入的相对不确定度urel(1-ω)
样品含水率的不确定度评定过程较为复杂,通常采取极差法[9]简化,根据YC/T 31—1996[19]中对测定水分的两平行样极差小于0.1%的规定,计算得样品含水率的标准不确定度为:u(1-ω)=u(ω)= 0.1%(/1.13×)=0.062 58%[9]。在本实验中,测得样品含水率(ω)为6.23%,则样品含水率引入的相对不确定度:
ure(l1-ω)=0.062 58(/100-6.23)=0.000 7。
2.4 样品称量引入的相对不确定度urel(m)
对于最小分度为0.1 mg的电子天平,检定证书给出的最大允差为±0.5 mg,按均匀分布(k=3)分别计算天平分辨率和校准引入的标准不确定度,则由样品称量所引入的标准不确定度:
由称样量(m=200 mg)引入的相对不确定度:
2.5 样品定容过程引入的相对不确定度urel(V)
2.5.1 容量瓶体积校准的不确定度uv1
在实验中,所用50 mL塑料容量瓶的最大允差Δ=±0.12 mL,区间半宽度a1=0.12 mL。根据文献[7-8],其服从三角分布,包含因子k=6,则标准不确定度uv1=a1/k=0.05 mL。
2.5.2 温度效应引入的不确定度uv2
实验过程中,实际定容温度与检定时(20℃)不一致,但未进行温度修正,因而引入不确定度uv2。设温度变化范围±5℃,欧洲分析化学中心认为其符合均匀分布[7]。水的膨胀系数为2.1× 10-4℃,PP塑料的膨胀系数为6×10-5℃。由体积膨胀产生的体积变化:±[50×5×(2.1×10-4-6×10-5)]= ±0.037 5 mL,则区间半宽度a2=0.018 8 mL,包含因子k2=,其标准不确定度:uv2=a2/k2=0.010 8 mL。
2.5.3 定容过程引入的合成不确定度
2.6 标准溶液配制过程引入的相对不确定度urel(std)
2.6.1 标准物质储备液浓度的相对不确定度
根据实验所使用的多元素混合标准储备液说明书,其相对不确定度urel.std1=0.5%。
2.6.2 标准溶液稀释过程中容量瓶引入的相对不确定度
在标准溶液配制过程中使用50 mL塑料容量瓶定容,则单次引入的相对不确定度同2.5节,即urel.std2=0.001 0。
2.6.3 标准溶液稀释过程中移液管引入的相对不确定度
配制标准溶液过程中使用5 mL塑料移液管,其最大允差为±0.05 mL,则单次使用移液管引入的不确定度:
为简化计算,设平均移取溶液2 mL,计算单次使用移液管引入的相对不确定度,则urel.std3=0.020 5/2= 0.010 2。
2.6.4 标准溶液稀释过程引入的合成不确定度
各元素标准溶液系列包含5个浓度点,参照1.2.1节的配制方法使用50 mL塑料容量瓶和5 mL塑料移液管各5次,则该过程引入的相对不确定度[20]:
2.6.5 标准溶液配制方法对不确定度的影响
使用体积稀释法配制标准溶液时,不确定度主要来源于移液管的多次使用。由于电子天平引入的不确定度远小于移液管引入的不确定度,采用称量法配制标准溶液可以减小该过程引入的不确定度。首先使用电子天平称取2.5 g 10 mg/L多元素混合标准储备液,置于50 mL容量瓶中,用5%硝酸稀释至500 μg/mL;再分别称取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、2.0和5.0 g稀释后的标准溶液,置于8只50 mL容量瓶中,用5%硝酸定容,配制成质量浓度为1、2、3、4、5、8、20和50 μg/mL的标准工作液。
在溶液配制过程中,多元素混合标准储备液引入的相对不确定度urel.std1=0.5%(同2.6.1节);配制过程中使用50 mL塑料容量瓶定容,则单次使用引入的相对不确定度urel.std2=0.001 0(同2.5节);电子天平引入的标准不确定度u(m)=0.290 1 mg(同2.4节),称取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.8、2.0和5.0 g溶液引入的相对不确定度分别为0.290%、0.145%、0.097%、0.073%、0.058%、0.036%、0.015%和0.006%。为简化计算,设单次使用电子天平引入的平均相对不确定度urel.std3=0.001;各元素校准曲线包含5个浓度点,使用称量法配制标准溶液时分别使用50 mL容量瓶和电子天平各5次,则该过程引入的相对不确定度:
由2.6.4节可知,用体积稀释法配制标准溶液引入的相对不确定度urel(std)=0.023 5。可见,称量法配制标准溶液引入的相对不确定度更小,仅为体积法的1/4左右。
2.7 最小二乘法拟合校准曲线引入的相对不确定度urel(c)
采用内标法定量时,以待测溶液与内标溶液信号响应值之比R对其浓度c进行校准曲线拟合,按公式(3)[7,10-13,15,20]计算不确定度:
式中:S—校准曲线的剩余标准偏差;B—校准曲线斜率;p—待测样品的重复测量次数;n—拟合校准曲线的数据对总数—待测样品浓度平均值,μg/L;—回归曲线各点浓度平均值,μg/L;j—校准曲线浓度水平;c0j—各标准溶液的浓度值,μg/L;Rj—待测溶液与内标溶液响应值之比;R0j—根据校准曲线计算的理论比值。
一般情况下,ICP-MS方法要求校准曲线的相关系数(r)大于0.999,r越大则剩余标准偏差S值越小,由校准曲线拟合引入的不确定度也越小。另一方面,(-)2参数表明,当待测样品浓度平均值等于校准曲线各点浓度平均值时,在其他参数不变的情况下,校准曲线的不确定度最小。因此,对于一个合适的线性范围,在各点浓度平均值与待测样品浓度接近时才能得到更准确的检测结果。增加测量重复次数p也能减小不确定度,但有研究显示,当p值≥3时,p值的增加对检测结果的影响较小[7,17,21]。在本实验中,各元素校准曲线包含5个浓度水平,每个浓度进行两次平行测定,则p=2,n=5,校准曲线拟合引入的相对不确定度计算结果见表3。
2.8 仪器稳定性引入的相对不确定度
2.8.1 重复性引入的相对不确定度urel(rep)
样品经前处理后,进行12次重复检测,用贝塞尔公式计算标准偏差s(c) 。YC/T 380—2010方法规定以两次平行测定的平均值为测定结果[14],测量重复性引入的标准不确定度u(rep)=s()/[8],则各元素由重复性引入的相对不确定度见表4。
表3 6种元素校准曲线引入的相对不确定度
表4 6种元素重复性引入的相对不确定度
2.8.2 回收率引入的相对不确定度urel(rec)
样品消解不完全,消解过程中元素损失或被污染,以及其他影响因素会导致样品中的元素不能完全转移至待测液中,这些因素引入的不确定度可通过方法回收率数据获得。进行了3次重复率实验(n=3),各元素回收率的相对不确定度按公式(4)计算[15-16]:
式中:S加标—加标浓度的测量值的标准偏差,μg/L;S初始—初始浓度测量值的标准偏差,μg/L;c加标—加标浓度测量值,μg/L;c初始—初始浓度测量值,μg/L;c加标—加标量,μg/L。
以100 μg/L的混合标准溶液Ⅰ为加标液,溶液密度设为1 g/mL,用电子天平计量高中低3个加标量,则加标量的不确定度由混合标准溶液Ⅰ和电子天平两个因素引入。相对于混合标准溶液Ⅰ的不确定度而言,电子天平的不确定度较小,合成不确定度时可忽略不计。混合标准溶液Ⅰ相对标准不确定度的计算方法与2.6节类似,即urel6种元素由回收率引入的相对不确定度评定结果见表5。
表5 6种元素回收率引入的相对不确定度
2.8.3 仪器漂移对不确定度的影响
仪器稳定性最直接的表现为回收率和重复性,与方法的系统误差以及实验人员的技术水平密切相关。因果图(图1)中提到的仪器漂移是仪器不稳定时最常发生的情况之一,它会对回收率和重复性产生重要影响。一般情况下,在实验中允许1个测量批次存在10%以下的漂移。如果发现质控样品有明显漂移,接近但小于10%,表明重复测定的检测结果已不再是正态分布,而是呈现某种趋势,则由最大允许漂移量引入的不确定度必须代替重复性引入的不确定度参与总不确定度的合成。以往的研究表明,最大允许漂移符合均匀分布[7,18],其引入的相对不确定度urel(漂移)= 10%/=0.057 7。与表6中数据比较可以看出,仪器漂移引入的相对不确定度远大于其他因素引入的不确定度。因此,仪器正常工作情况下可忽略漂移的影响,若仪器在可接受范围内存在较明显漂移,特别是当检测结果呈现某种变化趋势时,则需要引入漂移产生的不确定度分量,使整个检测过程的不确定度大大增加,检测质量显著下降。
2.9 合成标准不确定度u(X)
ICP-MS法测定烤烟样品中Cr、Ni、As、Se、Cd、Pb元素含量的合成不确定度按公式(2)计算[8],取包含因子k=2,求得置信度为95%水平上的扩展不确定度,见表6。由表6可知,在元素含量测定过程中,各不确定度分量对合成不确定度的贡献各不相同。综合来看,方法回收率、仪器重复性、最小二乘法拟合校准曲线以及标准溶液制备4个因素影响显著,而样品稀释定容、样品质量、样品水分对检测结果的不确定度影响较小。
表6 6种元素的合成不确定度
采用ICP-MS法测定烟草样品中Cr、Ni、As、Se、Cd、Pb 6种元素,所有元素的回收率均在90%~110%之间,校准曲线的相关系数均大于0.999。采用因果关系法分析了影响检测结果的不确定度来源,建立了相对完整、合理的评定方案。烤烟样品中Cr、Ni、As、Se、Cd、Pb的含量在95%包含概率下的检测结果分别为(1.41±0.10)、(3.26±0.21)、(0.42±0.03)、(0.69±0.10)、(1.97±0.13)、(4.11± 0.33)μg/g。通过分析各影响因素对不确定度的贡献发现,方法回收率、仪器重复性、最小二乘法拟合校准曲线以及标准溶液配制这4个因素对检测结果的准确性影响较大。为降低检测结果的合成不确定度、提高检测质量,可从降低4个显著影响因素的不确定度着手。此外,当仪器不稳定,在可接受范围内出现较明显漂移(≤10%)时,测量不确定度评定需考虑漂移的影响。本研究可为烟草中6种元素检测结果的实验室内部质量控制和实验室间能力验证提供参考。
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责任编辑 洪广峰
Uncertainties in Measurement of Six Elements in Tobacco by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry
CHEN Dan,LI Ling,PENG Lijuan,ZHANG Yan,and LI Suhua
Yunnan Tobacco Quality Supervision and Test Station,Kunming 650106,China
In order to promote the accuracy of test results,the uncertainties in measurement of chromium(Cr),nickel(Ni),arsenic(As),selenium(Se),cadmium(Cd),and lead(Pb)in tobacco samples by inductively coupled plasma mass spectrometry(ICP-MS)were evaluated according to JJF 1059.1-2012 Evaluation and expression of uncertainty in measurement.The factors affecting the uncertainty were analyzed systematically with a cause-and-effect diagram,a procedure for assessing the uncertainty in the measurement was then developed,and the uncertainty of individual component was estimated with mathematic models.The results showed that:1)The determined values for Cr,Ni,As,Se,Cd,and Pb were 1.41,3.26,0.42,0.69,1.97 and 4.11 μg/g,respectively;their expanded uncertainties at a confidence level of 95%were 0.10,0.21,0.03,0.10,0.13,and 0.33 μg/g,respectively.2)The major factors influencingmeasurementuncertaintyincludedrecovery,repeatability,calibrationcurvefitting,and standard solution preparation.3)The precision and accuracy of test results could be improved by preparing standard solution with gravimetric method,choosing a proper concentration range for standard working solution,and ensuring the stability of instrument by minimizing drift.
Uncertainty in measurement;Uncertainty component;Cause-and-effect;ICP-MS;Heavy metal;Tobacco
TS411.1
A
1002-0861(2015)11-0040-07
10.16135/j.issn1002-0861.20151108
2014-11-12
2015-06-15
陈丹(1987—),女,硕士,工程师,主要从事烟草化学检测工作。E-mail:chen.dana@outlook.com
陈丹,李苓,彭丽娟,等.电感耦合等离子体质谱法测定烟草中6种元素的不确定度[J].烟草科技,2015,48(11):40-46.
CHEN Dan,LI Ling,PENG Lijuan,et al.Uncertainties in measurement of six elements in tobacco by inductively coupled plasma mass spectrometry[J].Tobacco Science&Technology,2015,48(11):40-46.