GBW10010a大米标准物质复(研)制及数据特征

杨榕，顾铁新，潘含江，刘妹，周国华

(中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000)

我国是世界人口和农业大国，粮食供应及其质量安全是关系到社会稳定和人体健康的根本因素[1]，是我国的主要粮食作物和居民主食，2019年我国稻谷产量为20961万吨，播种面积为2969万公顷[2]。近年来，大米的食用安全日益受到社会各界的关注，特别是大米中重金属等有毒有害元素超标问题，如镉污染大米等[3-4]，造成了一定的负面影响。农业生态环境调查与评价、农产品品质与食品安全评价都依靠准确可靠的样品分析测试数据进行支撑，需要生物成分测试的量值溯源和比对标准[5-7]。

标准物质作为“化学砝码”，是化学分析过程中量值传递的载体，对于确保测量结果的一致性和溯源性具有重要意义，也是监控分析质量、评定分析方法的重要物质基础[8]。前人在大米成分分析标准物质研制方面已开展了不少工作，生物样的国际标准物质研制较少，国外可查询到的相关标准物质共有12个，定值组分2～18种不等。其中日本研制较多(6个)，研制时间2008—2012年，定值组分最高可达18项；其次是韩国(3个)，定值成分最多为13项，欧盟研制2个，定值成分别为1项(As)和6项，美国NIST研制1个，定值成分27项，这与亚洲国家以大米为主食的情况相符。相比国外，我国大米成分分析标准物质研制工作起步早、种类丰富、定值组分也更全面，从1986年至今已研制了30种相关标准物质，大米成分分析标准物质数量达30种，定值组分也更全面，其中国家一级标准物质9种，定值组分多达35种，二级标准物质21种，定值组分高达13种[9]。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所(简称“物化探所”)曾于2005年研制了大米成分分析标准物质GBW10010(GSB-1)，经我国科研单位、产业部门、环保、农业等多个领域的广泛应用，普遍认为该标准物质量值准确、适用性强[10-11]。随着近年来生态环境调查评价、食品安全检测工作的大规模推进，生物成分标准物质的需求量急剧增长，大米成分分析标准物质的使用量增长尤为明显[12]，GBW10010已处于供不应求状态。针对这种情况，物化探所在2017年立项开展生物成分分析标准物质的复(研)制工作，于2019年获得大米国家一级标准物质证书(GBW10010a)。

本项目组按照国家一级标准物质研制的相关标准和规范要求，开展GBW10010a生物成分标准物质复(研)制工作，为了使本次复(研)制标准物质尽量与原批次特性量保持一致，侯选物样品采集和加工制备工作严格参照GBW10010的研制方案，选择具有代表性的32项元素进行均匀性检验，采用单因素方差分析法计算及评估样品的均匀性；稳定性检验选择了性质和含量级次具有代表性的32项成分指标，先密后疏设置5个时间点观察样品特性量值的变化；定值方式采用多家实验室对主次量、微量及痕量的无机成分和元素进行联合定值。进一步通过比对GBW10010与GBW10010a定值数据，初步探讨了我国地质实验测试现存问题及未来发展方向。

1 GBW10010a复(研)制流程

1.1 候选物采集与制备

本次复(研)制工作严格参照原有国家一级标准物质GBW10010(GSB-1)选择并采集标准物质候选物。样品采集地点位于江苏省无锡市，该地区地处长江中下游地区，是我国稻米传统产区，采集样品区域代表性强。共采集大米样品200kg。

为尽量减少加工过程中环境条件对生物样品的影响，GBW10010a大米标准物质候选物选择在湿度小、气温低的冬春季节进行加工制备[13]。制备过程中进出样和样品分装的环境空气湿度控制在<40%，以减轻吸潮对样品稳定性的影响。加工流程是将采集的合格新鲜大米样品，去除米皮、沙粒等杂质，用洁净水清洗，沥水，真空冷冻干燥脱水，于60℃烘24h，置入高铝瓷球磨机中粉碎8～10h，期间用-30目筛混4～6遍，筛混后返回球磨机研磨，直至-80目占90%以上后出样。研磨后样品分装于高密度聚乙烯塑料瓶(25g/瓶包装)和5L玻璃瓶中(白蜡封口，长期储存)，用60Co辐照灭活，再以内层用黑色复合薄膜防光照、外层用铝箔薄膜防空气渗透的双层塑料薄膜作外包装，置于4～8℃温度下长期储存。具体制备流程如图1所示。

图1 候选物样品加工制备流程示意图Fig.1 Schematic diagram of candidate material sample processing and preparation

用户储存要求为样品保存于阴凉干燥处。取用后立即紧盖密封，用黑色或带铝箔的复合塑料薄袋封好，置于干燥器内保存避光保存。

1.2 候选物粒度检验

粒度是粉体材料的一项重要特性指标，是决定样品均匀性的基本条件，也是确定取样量、样品消解方法、取样误差和总不确定度评定的重要依据。对已完成研磨加工的样品，采用BT-9000S型号激光粒度仪测定粒级组成，粒度分布特征见表1、图2。数据表明GBW10010a样品粒径为63～75μm时累计含量已达98.0%，在75～100μm时累计含量已达99.8%，说明样品粒度均小于100μm，符合《地质分析标准物质的研制》(JJF 1646—2017)规范中“侯选物的制备粒度一般要求98%以上过0.074mm筛(-200目)”的要求。

表1 GBW10010a候选物粒度分布统计Table 1 Statistics of particle size distribution for GBW10010a candidate material

图2 GBW10010a粒径分布曲线Fig.2 Grain size distribution curve for GBW10010a

1.3 候选物均匀性检验

样品均匀性是标准物质必需具备的基本特性，指物质的组分或状态相同。检验方法为从最小包装单元中随机抽取一定数量的子样，每样进行重复测试。由于GBW10010a属于复制样品，因此候选物采集、加工制备与原批次标准物质保持一致。几十年来包括GBW10010在内的生物基体标准物质研制与使用经验表明，该类基体中各特性量的分散性较好，样品容易均匀，故本次均匀性检验从分装完成的最小包装单元中随机抽取了15瓶子样，采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)测定含量级次和性质具有显著差异的代表性组分，双份测试。具体测试指标包括Al、As、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ge、K、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Si、Sr、Ti、Y、Yb、Zn等30～34种代表性主量、次量、微量元素，依据分析测试数据，遵照《一级标准物质技术规范》(JJG 1006—94)及《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF 1343—2012)，采用单因素方差分析法计算及评估样品的均匀性，结果列于表2。由检验结果可见，绝大部分元素，如Al、As、Ba、Ca、Cu、Fe等的相对标准偏差(RSD)<10%，部分元素的RSD大于20%，如Bi、Pb、Sb，主要是由于生物基体影响与元素含量低等因素引起[14]，方差检验的F实测值均小于F临界值[F临界值F0.05(14,15)=3.56，F0.05(14,15)=2.42]，表明样品的均匀性良好。

表2 GBW10010a候选物均匀性检验结果Table 2 Homogeneity test results for GBW10010a candidate material

1.4 候选物稳定性检验

1.4.1长期稳定性

标准物质的稳定性是指在规定时间内和环境条件下，标准物质特性(组分的含量)保持在规定范围内的性质。按照相关规范JJG 1006—94和JJF 1342—2012，本次样品的长期稳定性检验从2017年4月至2018年5月，先密后疏设置5个时间点，即在2017年4月、2017年5月、2017年7月、2017年11月、2018年5月，进行稳定性测试工作。

稳定性检验选择了性质和含量级次具有代表性的Al、B、Ba、Be、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ge、K、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、P、Pb、Rb、S、Sb、Sr、Y、Yb、Zn、Zr等32个成分指标，主要采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)进行测试，每个候选物随机抽取两份子样，每一时间点对每个子样进行1次测定，监测各特性量值的变化情况。依据分析测试指标数值，遵照国家计量技术规范，根据JJG 1006—94及JJF 1343—2012中的趋势分析法进行检验，判断样品稳定性，计算引入稳定性的不确定度。统计计算结果(表3)显示，拟合直线斜率b1均不显著，|b1|

表3 GBW10010a候选物长期稳定性检验结果Table 3 Long-term stability test results for GBW10010a candidate material

1.4.2短期稳定性

短期稳定性主要是评价样品在运输过程或者是极端条件下短期储存时，各特性量值的变化情况。本系列生物标准物质在高温高湿度(烘箱加热加湿，模拟60℃高温、相对湿度大于70%高湿度环境)条件下，进行0天、1天、5天、10天的短期储存稳定性试验。选择性质和含量级次具有代表性的28个成分Al、B、Ba、Bi、Ca、Cd、Ce、Co、Cr、Cs、Cu、Fe、Ge、K、La、Li、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、P、Pb、S、Sr、Y、Yb、Zn，采用ICP-OES、ICP-MS等方法进行测试，每个候选物随机抽取两份子样，每一时间点对每个子样进行2次测试，监测各特性量值的变化情况。测试值线性回归等统计结果列于表4，可见拟合直线斜率b1均不显著，表明在高温高湿度条件下短期运输储存过程中各特性量值没有发生方向性变化，并且产生的不确定度很小，因此在后续进行不确定度评定时不再考虑由短期稳定性引入的不确定度分量。

表4 GBW10010a候选物短期稳定性检验结果Table 4 Short-term stability test results for GBW10010a candidate material

1.5 定值与不确定度

1.5.1定值元素及测试方法

按照国家计量技术规范JJG 1006—94，本项生物成分分析标准物质采用多家实验室协作分析的方式定值，共选择了我国通过计量认证、仪器设备先进、技术实力较强，且有相关标准物质定值测试经验的11家实验室，定值元素包括生态环境地球化学评价要求测试的植物必需的营养元素、重金属污染元素、生物组织构成元素及食品卫生要求检验的微量元素，由此拟定的主要定值元素为：Ag、Al、As、B、Ba、Be、Bi、Br、Ca、Cd、Ce、Cl、Co、Cr、Cs、Cu、Dy、Er、Eu、F、Fe、Gd、Ge、Hg、Ho、I、K、La、Li、Lu、Mg、Mn、Mo、N、Na、Nb、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Se、Si、Sm、Sn、Sr、Tb、Th、Ti、Tl、Tm、U、V、Y、Yb、Zn共计60种成分(表5)。标准物质定值采用的测试方法(表5)包括ICP-MS、ICP-OES、原子荧光光谱法(AFS)、分光光度法(COL)、容量法(VOL)、X射线荧光光谱法(XRF)、离子色谱法(IC)等多种测量方法，绝大部分成分采用了两种或两种以上不同原理的测量方法和不同的前处理方法相互核验，保证了定值的可靠性。

从表5中可知，生物成分分析标准物质前处理以微波消解和封闭酸溶为主，多数主次量元素和含量较高的微量元素以精度较高的ICP-OES法为主体测试方法。ICP-MS法和ICP-OES法两种方法的测试数据数在本系列标准物质的定值分析中占比在80%以上。ICP-MS法测试的元素数和取得的数据数均占绝对优势，主要得益于该方法具有很低的测定下限和良好的准确度，特别适用于大多数元素含量很低(多为μg/g和ng/g级)的生物样品的测试。因为生物样品通过氧化性混合酸或灼烧处理后大部分基体挥发除去，盐分相对较低，ICP-MS测试取样量稍高(0.2～1.0g)，具有较一般地质样品更低的检测下限，成为大多数微量和痕量元素的主体测试方法[15]。ICP-OES法对多数元素的检测灵敏度低于ICP-MS，一些低丰度元素和样品显现ICP-OES法灵敏度不够，因而提供的数据相比ICP-MS较少。XRF法可测试含量较高的元素，但由于缺乏基体成分类似的标准物质，仅在个别实验室进行了测试；原子荧光光谱法是测试As、Hg、Se的主体测试方法；容量法测定N也是其他方法尚不能取代的；采用扩散-比色法测定Cl、I、F；虽然离子色谱法是测试Cl、F的灵敏准确方法，但受设备条件的限制本次定值数据不多。

表5 GBW10010a元素定值方法Table 5 Sample decomposition methods and analytical methods for GBW10010a

(续表5)

1.5.2数据统计与定值

(1)数据剔除

本项标准物质共计测试了60个特性量，每家实验室对每一成分提交了至少6个重复测试的原始数据，共获得3214个测定数据。

对全部数据按如下步骤和方法进行审核和分析:①审核测试方法是否符合要求，剔除方法原理存在明显缺陷的数据组，或提请测试单位选用可靠方法重新测试；②对每一组独立测量数据，进行格拉布斯法(Grubbs)检验和狄克逊法(Dixon)检验，再结合技术上的判断，如所选用的分析方法是否合理，方法的灵敏度、样品分解方法、干扰元素的分离和干扰校正等，对方法有缺陷的数据应予以剔除。通常可疑值需两种检验方法都判定为可疑时，才考虑剔除[16]。

(2)正态检验

本标准物质测试数据均属小子样，选用夏皮罗-威尔克法(Shapiro-Wilk)进行检验。经检验，本标准物质共计60个特性量，其中59个特性量为正态分布，Ti元素为非正态分布。根据JJG 1006—94的要求，对服从正态分布或者近似正态分布的数据集，以算术平均值作为认定值得到最佳估计，对不服从正态分布的元素，采用定值数据的中位值作为认定值和参考值的最佳估计。

(3)认定值与不确定度

经计算，GBW10010a的60个特性量认定值及扩展不确定度见表6，其中39个特性量给出认定值与不确定度，包括Ag、Al、As、B、Ba、Ca、Cd、Ce、Co、Cs、Cu、Dy、Er、Fe、Hg、K、Li、Mg、Mn、Mo、N、Na、Nd、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Sb、Sc、Si、Sr、Tb、Tl、Tm、Y、Yb、Zn；15个特性量给出参考值，包括Be、Bi、Cr、Eu、Gd、Ge、Ho、La、Lu、Nb、Se、Th、Sm、U、V；6个特性量未能定值，包括Br、Cl、F、Hf、I、Sn、Ti。定值元素涵盖了生态环境和食品卫生需要测试的大部分无机元素[17]。

表6 GBW10010a 认定值与不确定度Table 6 Certified values and expanded uncertainty for GBW10010a

2 GBW10010a与原标准物质GBW10010定值结果对比

2.1 不确定度评定方式

本次复(研)制主要的创新点在于不确定度的评定方式不同，GBW10010的总不确定度包括A类标准不确定度和B类不确定度，前者由实验室平均值数据间的标准偏差和数据数计算而得，后者是通过对测量影响因素的分析求得的估计值，由于测量过程复杂，测量值难以连续溯源，只能通过对误差源的分析和数据的比对作估计，最终不确定度由这两部分不确定度合成并乘以包含因子而得到。GBW10010a是根据国家计量技术规范JJF 1343—2012的要求，计算出标准物质的各不确定度分量，包括均匀性引入的不确定度、稳定性引入的不确定度、定值过程带来的不确定度，将这三部分不确定度进行合成乘以包含因子即得研制标准物质特性量值的扩展不确定度。地质标准物质大多采用多个实验室协作定值的方法研制，检测结果的不确定度分量较多，很难包括所有的不确定度分量，容易造成标准物质的最佳估计值不能包容真值的风险，而最新的不确定度合成方法可以使地质标准物质的特征值得以更准确的表达。

2.2 定值元素的种类

由于生物基体复杂特殊，分析测试难度较大，基体属性易受季节、温度、湿度等物理因素影响，因此复(研)制的大米标准物质无法在组分数值上与原批次保持完全一致。将GBW10010a定值结果与GBW10010进行比较。通过对比(表7)可以发现二者的相同点是均给出29项元素的认定值，包括Al、As、B、Ba、Ca、Cd、Ce、Cs、Cu、Fe、Hg、K、Li、Mg、Mn、Mo、N、Na、Ni、P、Pb、Pr、Rb、S、Se、Si、Sr、Y、Zn；共12项元素都给出参考值，分别是Bi、Cr、Eu、Gd、Ge、Ho、Lu、Sc、Th、Tm、U、V；F、Sn两项元素均无定值。不同点是，GBW10010a测定指标新增了Ag、Nb两项。除此之外，GBW10010有33项元素给出认定值，25项元素给出参考值；GBW10010a中，认定值元素39项，比原标准物质增加了6项，给出参考值元素15项；原有标准物质GBW10010中Co、Dy、Er、Nd、Sb、Sm、Tb、Tl、Yb共9项元素仅给出参考值，而这些元素在GBW10010a中均有定值及不确定度，且GBW10010a中Al、Ba、Cd、Cs、Cu、Fe、K、Li、Mg、Mn、Mo、Na、P、Pb、Pr、Rb、S、Se、Sr、Y、Zn共21项元素的不确定度均小于GBW10010。这些结果反映了分析测试技术的显著进步。近年来伴随着地质勘查工作的发展，地质实验测试仪器和分析测试能力获得跨越式发展，区域地球化学调查测试指标实现了从39个元素到54个元素再到76个元素的突破[18-20]，实现了从手工经典方法向现代化仪器分析的突破，以前有很多元素需要萃取分离或者吸附富集后才能测定，现在可以采用质谱技术直接测试[21]。从总体上来看，地质实验测试人员能力及技术装备都较之以往有了很大提高，检测能力上了一个新台阶。

表7 GBW10010与GBW10010a定值数据对比Table 7 Comparison of certified values between GBW10010 and GBW10010a

与GBW10010相比，本次GBW10010a复(研)制中As、B、Hg、N、Si元素的不确定度略有提高；GBW10010给出了Be、La定值，但GBW10010a只给出参考值；Br、Cl、I、Ti此次没有定值。Ca、Ce、Ni在认定值降低的基础上，不确定度维持原状。这些变化主要是与生物基体复杂、元素含量普遍较低有关，多数元素含量级次在ng/g级，定值测试难度大，导致部分元素测定数据不能满足定值要求，或仅能给出参考值[22]。除此之外，长期以来卤族元素测试方法未能得到根本解决，多数实验室采用XRF测量Br、Cl，虽然精度高，但是灵敏度较差，不适用于低含量样品的测试，再加上Cl自身稳定性差，极易沾污，前处理过程容易引进技术误差，也给分析测试带来一定的影响[23]。

2.3 定值元素(重金属)的含量水平

从定值数据结果可以看出，GBW10010a除Pb、Sb、Sc、Si以外，其余微量元素认定值普遍低于GBW10010。值得一提的是，重金属元素As、Cd、Co、Cr、Cu、Hg、Mn、Mo、Ni、Zn等含量显著下降，其中Cd、Cu、Zn降幅较大，分别下降约39%、43%、38.7%(图3)。众所周知，食品重金属污染是当前面临的严峻问题之一，尤其是大米中的Cd因为易于生物富集、毒性高等因素备受人们关注。由于国家加大了对农业土壤生态环境的治理，土壤环境已有明显改善，采样点土壤中Cd含量明显下降[24-26]，稻米中Cd含量也随之显著降低。

注：Cd的质量分数为10-9。图3 GBW10010与GBW10010a重金属含量对比Fig.3 Comparison of heavy metal content between GBW10010 and GBW10010a

3 结论

虽然很多地质测试实验室目前处在体制环境和市场挑战的双重压力下，面临着运行机制不灵活、基础设施建设滞后等问题[27-29]，但同时也在积极探索，不断提高自身技术能力建设，提升分析测试工作的整体水平。从此次大米标准物质的复(研)制可以看出，我国地质实验测试技术与方法研究有很大的进步和提升。GBW10010a生物成分分析标准物质复(研)制严格按照《标准物质定值的通用原则及统计学原理》(JJF 1343—2012)和《地质分析标准物质的研制》(JJF 1646—2017)等相关规范要求，符合国家一级标准物质的要求。本次复(研)制的GBW10010a共参与定值54项主微量元素，其中39个特性量给出认定值与不确定度，15项元素提供参考值，认定值元素比GBW10010增加6项，且成分含量认定值的不确定度水平呈现明显缩减趋势。由于复制侯选物采集的是天然基体样品，并且距离上次GBW10010采样时间已有15年，其成分含量很难与原样完全一致，但是从定值数据可以看出，重金属元素含量普遍降低，这归因于国家合理有效的土壤污染治理措施。总体来说，基于15年来分析测试技术的巨大发展，GBW10010a的定值水平有了显著提高。

GBW10010a标准物质候选物代表性好，加工制备过程符合规范；均匀性与稳定性检验、定值分析方法选择合理，技术指标符合要求；不确定度评定分析合理，溯源性描述明确，证据链清晰。定值组分涵盖了植物营养元素、生命健康元素、有毒有害重金属污染等多种元素，具有广泛的适用性，能够更好地满足自然资源调查与评价、生物样品测试、农产品与食品安全检测等检验分析的需要。

本次标准物质的成功复(研)制可以缓解当前大米成分分析标准物质紧缺的状态，保证我国大米生物标准物质的持续供应能力，能够为我国农业生态环境地球化学调查与评价、生物(大米)样品测试、农产品卫生质量及食品安全评价样品的分析测试提供不可或缺的技术保障；对生物样品分析方法技术也起重要推动作用，将为我国自然资源综合调查、生态环境整治修复、现代农业发展区划、绿色农业发展等提供有力技术依据[30]。