原子荧光光谱法测定黑糖中总砷的不确定度评定

钟宏星，陆剑华，肖 鑫，欧健铭，王彩云，余 娟*

0 前言

黑糖是一种没有经过高度精炼的带蜜成型的颜色较深的焦香味蔗糖，保留了甘蔗中天然营养成分，并经过较长时间的炼制使其更加利于人体吸收，其含多酚类物质且含铁元素，颜色偏深近似黑色，故被称为黑糖。行业推荐标准QB/T 4567-2013《黑糖》规定了总砷的检测方法及限量≤0.5 mg/kg[1]。

测量不确定度是与测量结果相关联的参数，它合理地赋予被测值的分散性。该分散性主要涉及 A类不确定度、B类不确定度和合成标准不确定度[2]。A类不确定度：由测量列结果统计分布计算，用实验标准偏差表征；B类不确定度：基于经验或其它信息的概率分布估计出来，用标准偏差表征；合成标准不确定度：将A类、B类不确定度的平方和开方的方法叠加起来给出合成标准不确定度[3]。

本文通过氢化物发生原子荧光光谱法进行黑糖中总砷的测定。为了检查分析结果质量、度量分析结果可信性[4]，找出影响测定结果不确定度的因素，可通过不确定度评定，有效地分析检验过程各种影响结果准确性的因素，提出避免引入测量误差或不确定性的方法，指导实验室质量管理[5]。根据国家计量技术规范JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》的要求对测量结果的不确定度进行评定[6-7]，通过建立数学模型对各个不确定度分量进行计算，找出影响氢化物发生原子荧光光谱法进行黑糖总砷测定准确性的主要因素。

1 材料与方法

1.1 材料

主要仪器：AFS-9530原子荧光光度计(北京海光仪器有限公司)；SQP电子天平(赛多利斯科学仪器(北京)有限公司)；容量瓶(25 mL，A级；100 mL，A级)；控温热板(50～200℃)等。

主要试剂：硝酸(HNO3)；高氯酸(HClO4)；硫酸(H2SO4)；盐酸(HCl)；硼氢化钾(KBH4)；氢氧化钾(KOH)；硫脲(CH4N2O2S)；抗坏血酸(C6H8O6)；砷标准溶液(1000 μg/mL)。

1.2 方法

称取均匀黑糖样品1.0～2.5 g，置于100 mL锥形瓶中，加硝酸20 mL，高氯酸4 mL，硫酸1.25 mL，放置过夜。次日置于电热板上加热消解。若消解液处理至1 mL左右时仍有未分解物质或色泽变深，取下放冷，补加硝酸5～10 mL，再消解至2 mL左右，如此反复2～3次，注意避免碳化。继续加热至消解完全后，再持续蒸发至高氯酸的白烟散尽，硫酸的白烟开始冒出。冷却，用水将内容物转入25 mL容量瓶，加硫脲+抗坏血酸溶液2 mL，补加水至刻度，混匀，放置30 min，待测。同时作空白和加标试验。

取25 mL容量瓶6个，依次准确加入1.00 μg/mL砷标准使用液 0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.0 mL，各加硫酸(1+9)12.5 mL，硫脲+抗坏血酸溶液2 mL，补水至刻度，混匀(相当于砷浓度0.00、1.00、2.00、4.00、8.00、10.00 ng/mL)，放置 30 min。

将处理后的样液、空白试剂和各砷标准使用液依次引入预热稳定后的仪器中进行原子荧光强度的测定。仪器条件：负高压：260 V；砷空心阴极灯电流：60 mA；载气：氩气；载气流速：400 mL/min；屏蔽气流速：1000 mL；测量方式：荧光强度；读数方式：峰面积。以原子荧光强调为纵坐标，砷浓度为横坐标绘制标准曲线，得到回归方程。根据回归方程计算出样品中砷元素的浓度[8]。

2 建立数学模型

根据上述实验步骤，计算出黑糖中总砷含量的数学模型为：

X-黑糖中总砷的含量(mg/kg)；ci-第 i份黑糖的消化液中总砷浓度(ng/mL)；mi-第 i份黑糖的质量(g)；V-黑糖消化液定容体积(mL)；n-重复实验次数。

3 测量结果

砷标准溶液荧光强度结果见表 1，其回归方程为 y=150.34x-34.936，相关系数 R2为 0.9995。黑糖样品的总砷含量测量结果及加标结果见表2和表3。

表1 砷标准溶液荧光强度

表2 黑糖样品总砷含量测量值

4 不确定度来源分析

根据数学模型和测量过程，不确定度来源包括(如图1所示)：①称样过程引入的不确定度Urel(m)，来源于电子天平的精度，属于B类不确定度；②定容过程引入的不确定度 Urel(V)，包括定容容器的体积误差、读数误差、环境温度的影响，属于B类不确定度；③消化液中砷含量 c引入的标准不确定度Urel(c)，属于 B类不确定度；④重复测量引入的不确定度Urel(n)，属于A类不确定度。

5 不确定度分量评定

图1 测定黑糖中总砷含量的不确定度来源

5.1 称样的不确定度Urel(m)

样品质量m引入的不确定度主要来自天平自身存在的系统误差，属于B类不确定度。由检定证书得知最大允许误差为±0.0002 g，按均匀分布考虑，则有标准不确定度为0.0002/3，样品质量平均值为1.5002 g，因此其相对标准不确定度为：

5.2 样品定容引入的不确定度Urel(V)

体积V引入的不确定度主要来源于定容使用的100 mL容量瓶。该不确定度分量主要包括3部分：①由国家标物中心提供其允差为±0.10mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.10÷ 3=0.0577 mL；②校准温度与实验室温度不同产生的不确定度：仪器的校准温度为20℃，而实验室的温度为20℃±10℃。按均匀分布计算，体积变化的标准不确定度为2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121 mL；③定容时的估读误差±0.005 mL，按均匀分布计算，引起的不确定度为0.005÷ 3=0.00289 mL。

合成以上3项标准不确定度U(V)为：

即其相对标准不确定度为：

5.3 样品前处理过程引入的不确定度Urel(spike)

由于样品消化不完全或消化过程导致砷损失等，其不确定度通过计算其回收率的方式来评定。本次实验同时做了加标回收实验，对 6次添加 0.1 mL质量浓度为1000 μg/L砷标准使用液，即加标浓度为4.000 μg/L。其回收率分别为96.8%、99.2%、102.4%、95.9%、98.8%、97.1%，则平均回收率为98.4%，其标准偏差为 2.133%，则由样品前处理引入的标准不确定度U(spike)=2.133%，相对标准不确定度为：

5.4 标准溶液引入的不确定度Urel(std)

5.4.1 由砷标准溶液引入的不确定度U(std)

砷标准溶液是由国家有色金属及电子材料分析测试中心提供的砷标准溶液(1000 μg/mL)，标准物质证书给出的标准不确定度为 0.7%，k=2。即砷标准溶液的相对不确定度为：

5.4.2 由砷标准使用液配制过程引入的不确定度

砷标准使用液的配制方法如下：

用 1 mL移液管吸取 1 mL砷标准溶液(1000 μg/mL)于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(2+98)稀释至刻度，得到浓度为 10.00 μg/mL标准使用液，再用10 mL刻度吸管吸取10 mL浓度为10.00 μg/mL标准使用液于100 mL容量瓶中，得到浓度为1.00 μg/mL标准使用液。

(1)1 mL移液管：使用1 mL A级移液管，由国家标物中心提供其允差为±0.001 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为 0.001÷ 3=0.000577；估读±0.005 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为 0.005÷ 3=0.00289；温度引起的不确定度为 2.1×10-4×10×1÷ 3=0.00121，即：

(2)100 mL容量瓶：使用100 mL A级容量瓶，由国家标物中心提供其允差为±0.10 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.10÷ 3=0.0577；估读±0.005 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.005÷ 3=0.00289；温度引起的不确定度为 2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121，即：

(3)10 mL移液管：使用10 mL A级移液管，由国家标物中心提供其允差为±0.020 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.020÷ 3=0.0116；估读±0.005 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.005÷ 3=0.00289；温度引起的不确定度为 2.1×10-4×10×10÷ 3=0.0121，即：

(4)100 mL容量瓶：使用100 mL A级容量瓶，由国家标物中心提供其允差为±0.10 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.10÷ 3=0.0577；估读±0.005 mL，按均匀分布计算，其标准不确定度为0.005÷ 3=0.00289；温度引起的不确定度为 2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121，即：

由砷标准溶液引入的不确定度Urel(std)为：

5.5 标准曲线最小二乘法拟合引入的不确定度Urel(l)

砷标准曲线配置了5个标准浓度，分别平行上机测定 2 次。如表 1、表 2 可得：a=-34.936，b=150.34，样品浓度的平均值c样=4.3455 μg/L，各个标准溶液浓度的平均值c平=5.00 μg/L。

其中残差s、标准差sxx计算公式为：

式中：n-测定标准溶液的次数，n=10；p-测试样品的次数，p=5；i-表示第几个标准溶液；j-获得校准曲线的测量次数。

Urel(l)计算公式如下：

式中：n-测定标准溶液的次数，n=10；p-测试样品的次数，p=5；i-表示第几个标准溶液；j-获得校准曲线的测量次数。

5.6 由重复性测定引入的标准不确定度评定Urel(ci)

由贝塞尔公式求得单次测量标准差s(ci)为：

由测量重复性导致的标准不确定度U(c)为：

因此，重复测定的相对标准不确定度Urel(ci)为：

5.7 计算合成相对标准不确定度Uc,rel

黑糖中总砷含量各个不确定度分量计算值如表4所示。样品前处理的数值最高，为0.217；而样品称量数值最低，为 0.000770。合成相对标准不确定度如式(18)所示：

表4 黑糖中总砷含量测定相对不确定度分量评定结果

6 扩展不确定度U

合成标准不确定度：

在 95%置信水平下，包含因子取 k=2，则扩展不确定度为（标准要求保留2位有效数字）：

即实际黑糖样品的总砷测定结果可表示为：0.072±0.0036 mg/kg。

7 结论

氢化物发生原子荧光光谱法测定黑糖总砷含量的过程中，测定结果的扩展不确定度为 U=0.0036 mg/kg。样品总砷含量真实值可表示为 0.072±0.0036 mg/kg。用传统方法计算其相对误差为5.0%，在标准允许范围(≤20%)以内。