湿法消解-电感耦合等离子体质谱法测定大米中镉的不确定度评定

戴礼洪，姜红新，李军幸，穆莉，徐亚平，刘潇威

[农业农村部环境保护科研监测所，农业农村部环境质量监督检验测试中心（天津），天津 300191]

大米中重金属镉污染和超标是社会关注的热点问题，与农产品质量安全和人民身体健康息息相关。我国食品安全国家标准GB 2762—2017 对大米重金属镉限量为0.2 mg/kg。

电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）法检测大米重金属镉是国家标准方法，但目前有关该方法的检测结果评定少有报道。在检测数据位于0.2 mg/kg限量值附近时，是否超标则显得尤为重要。现有报道主要集中在样品称量、校准溶液配置、仪器检测等环节［1-6］，而尚无关于样品前处理环节带入不确定度的报道，而前处理往往是样品最容易受干扰的环节之一。笔者以GB 5009.268—2016 食品安全国家标准食品中多元素的测定为例，探寻影响大米中镉测量结果不确定度的来源，采用测量不确定度评定的逐步分析方法，在国内已有研究基础上［7-12］，结合我国RB/T 214—2017 《检验检测机构资质认定能力评价检验检测机构通用要求》及CNAS-CL01: 2018《检测和校准实验室能力认可准则》对测量不确定度评定的要求，系统分析了检测过程中测量不确定度的主要来源，建立了农产品重金属镉检测不确定度的评定程序和数学模型［13-17］，按照测量不确定度评定与表示程序要求对检测结果进行了量化评估，有助于检测实验室测量不确定度评定工作向更加科学、合理的方向发展。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

电感耦合等离子体质谱仪：7700x 型，美国安捷伦科技有限公司。

电热消解仪：ED54 型，北京莱伯泰科公司。

电子天平：BSA124S 型，感量为0.1 mg，德国赛多利斯集团。

硝酸：BV-Ⅲ级（微电子级），北京化学试剂研究所。

镉单元素溶液标准物质：1 000 mg/L，标准物质编号为GBW 08612，中国计量科学研究院。

大米粉：市售。

实验用水为纯水。

1.2 实验方法

称取大米粉样品0.5 g（精确至0.000 1 g），置于聚四氟乙烯消解管中，加入8 mL 硝酸，盖上盖子进行梯度升温消解，于100 ℃加热0.5 h，于150 ℃加热2 h 至样品完全消解，取下盖子，赶酸至近干，冷却后用水转移并定容至25 mL 容量瓶中，混匀、备用，同时做空白试验。

1.3 不确定度来源

样品分析过程中的样品称取、实验器皿、实验环境、测量仪器、测量人员等各环节均可能存在的不确定性，不确定度分量来源见图1。

图1 不确定度分量来源

2 不确定度评定

2.1 样品称量引入的不确定度

样品质量（m）使用感量为0.1 mg 的电子分析天平，称取0.500 0 g（按500 mg 计）样品，不确定度由天平的精度和称量重复性两部分构成。

（1）天平的精度引入的误差。在0～50 g 称量范围内，按照天平检定证书中规定的最大允许误差S1=±0.5 mg。按照矩形分布换算成天平精度引入的相对标准不确定度：

（2）天平重复称量引入的误差。对0.500 0 g（按500 mg 计）大米样品称量10 次，称量结果见表1。

表1 大米样品称量结果

由表1 可知，测定结果的标准偏差S2=0.06 mg，用该测定结果代表样品的称量偏差，按照矩形分布换算成天平重复称量引入的相对标准不确定度：

2.2 样品消解引入的不确定度

样品消解过程中受消解条件、试剂背景、样品性状、元素性质、环境条件等因素影响，可能导致样品消解不充分、实验过程损失或玷污，均是影响元素检测不确定性的因素。

对加标样品进行5 次重复测定，结果见表2。

表2 样品加标回收率结果

根据NY/T 398—2000 《农、畜、水产品污染监测技术规范》中对镉添加回收率的要求，按照JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》中关于不确度区间半宽度的表述，试验采取多次测量的回收率，得出样品检测回收率的实际变动范围，最高测定值和最低测定值分别以α+、α-表示，根据表2 数据计算镉样品消解的不确定度区间：

2.3 样品定容引入的不确定度

样品定容体积（V=25 mL）的不确定度受容量器具的误差、读数误差、温度变化等因素影响。

2.3.1 容量器具的误差

25 mL 容量瓶的最大允许误差按照计量器具规范（JJG 196-2006）A 级称量范围的最大允许误差为ΔV1=±0.03 mL，按照三角分布换算成容量器具误差引入的相对不确定度：

配制标准溶液时溶液温度与容量瓶校准时温度（20 ℃）不一致引入的不确定度，假设温度相差4℃，由于水的膨胀系数为2.1×10-4℃-1，产生的体积变化ΔV3=25×4×（2.1×10-4）=0.021 mL。按照矩形分布，转化为温度变化引入的相对标准不确定度：

若样品有分取稀释和定容，则按照上述方法，分别计算分取器皿和稀释器皿的不确定度，合成到总体积的合成相对不确定度中。

2.4 标准溶液配制引入的不确定度

标准溶液配制引入的不确定有以下几个方面：

（1）标准溶液证书给出的不确定度。GBW 08612 镉单元素溶液标注物质证书给出认定值ρ1=1 000 μg/mL，不确定度为2 μg/mL（包含因子k=2）。标准溶液引入的相对不确定度：

（2）在配制校准溶液进行逐级稀释过程中，吸量管和定容容器产生的不确定度。每个步骤的不确定度包含吸量管误差、容量瓶误差、读数误差以及温度变化导致的溶液膨胀系数误差。用5 mL 吸量管吸取5 mL 质量浓度为1 000 μg/mL 的镉标准溶液，置于100 mL 容量瓶中，配制成镉质量浓度为50 μg/mL，5 mL 吸量管A 级称量范围的最大允许误差为±0.025 mL，按照三角形分布换算成吸量管误差引入的相对不确定度：

100 mL 容量瓶的最大允许误差为±0.10 mL，按照三角形分布换算成容量瓶误差引入的相对不确定度：

温度变化导致溶液膨胀系数误差，假设温度变动范围为±4 ℃，水的膨胀系数为2.1×10-4℃-1，产生体积变化ΔV4=100×4×（2.1×10-4）=0.084 mL，按照矩形分布换算成温度变化引入的相对标准不确定度：

2.5 仪器测定引入的不确定度

2.5.1 仪器的稳定性引入的不确定度

按照质谱仪器检定规程，短期稳定性最大偏差S=3%。按照矩形分布换算成仪器的稳定性（VA）引入的相对不确定度：

需要说明的是，按照国家标准要求，长期稳定性是测试10 次计算标准偏差，与10 次数据的平均值之比不超过3%，而在实际工作中，仪器稳定性远小于该项指标，如果以实际测试值计算该项不确定度，计算结果会比引用规程计算不确定度更小，在实际工作中进行仪器评估时需要进行综合考虑。

2.5.2 校准曲线拟合引入的不确定度

对系列标准工作溶液进行3 次重复测定，镉标准溶液测试结果如表3 所示。以溶液质量浓度为横坐标（x），以仪器响应为纵坐标（y），采用最小二乘法进行线性拟合，得线性方程：y=ax+b=1 565.10x+112.78，R²=0.999 8。对样品溶液进行测量，由标准工作曲线求得镉的质量浓度X1=5.10 μg/L，按照公式(1)计算得出样品含量为0.260 mg/kg。

表3 镉标准溶液测试结果

根据表3 数据，按照贝塞尔公式计算实验标准差SR=97.69。

标准曲线拟合引入的标准不确定度按照公式(2)进行计算：

2.6 测量均匀性引入的不确定度

测量均匀性引入的不确定度主要受样品本身制备情况的影响，按照检测方法和农产品制样规范，农产品一般达到0.25～0.4 mm（40～60 目），样品基体均匀，此项误差可以忽略不计。

2.7 相对不确定度的合成

各不确定度分量中样品消解的相对标准不确定度Urel(T) 是最大的，其次是仪器测定的相对标准不确定度Urel(A)，而样品称量、定容、标准溶液配制等引入的不确定度几乎可以忽略，ICP-MS 法测定大米重金属镉的相对不确定度分量如图2 所示。

图2 ICP-MS 法测定大米重金属镉的相对不确定度分量

样品检测结果X=0.260 mg/kg，样品检测不确定u(X)=0.260×0.041=0.010 7，取包含因子k=2（95%置信区间），按照不确定度只入不舍，则扩展不确定度U(X1)=0.010 7×2=0.022。样品检测结果的表达为（0.260±0.022） mg/kg。

3 结果与分析

通过对实验过程各环节不确定度的分析，结果表明，不确定度主要来自样品前处理和仪器自身测试稳定性以及标准曲线的质量，样品称量、样品定容、系列标准工作溶液的配制、环境温度等引入的不确度相对较小，因此在实际工作中，应更加注意检测仪器本身的稳定性和校准仪器时标准曲线的质量。通过仪器检定对仪器性能进行确认，对仪器的实际性能进行跟踪和核查，确保满足检测方法和检测项目分析的要求。

3.1 仪器检定

在引入仪器检定不确定度时，可按照仪器类别国家有相应的规范要求作为仪器不确定度计算的参考依据。此外，大型仪器、小型辅助设备和实验器皿均会通过每年的检定获知仪器设备的实际误差和不确定度，此方式也可作为仪器不确定计算的参考依据。在实际工作中，往往仪器设备检定的不确定度要小于仪器设备有关规范规定的最大误差和不确定度，因此，使用规程最大误差和不确定度进行评估可能会放大实际检测的不确定度。

3.2 样品称量

对于样品的称量，可以直接引用天平检定误差参与计算，也可以使用实验室一段时期内通过测定获取的经验值。天平重复称量引入的误差在称样环节中所占比例是较低的，实际工作中也可以不用每次都对称样误差进行单独统计和计算。

3.3 不确定性的风险因素

样品消解环节产生的不确定度较大，这个环节涉及因素较多，因为农产品重金属含量普遍较低，实验过程中需要严格控制各环节可能产生的影响，比如采用试剂本身的背景含量是否过高，特别是酸的背景与样品含量应有数量级差异，否则对结果造成较大影响。此外，样品是否消解完全，所用消解器皿是否清洁，样品赶酸和转移过程中是有否有玷污或损失，实验室排风设施是否良好，通风设施有无酸液回滴造成污染等均是不确定性的风险因素。

3.4 误差确认

参照国家JJG 196—2006 《常用玻璃量器检定规程》，实验过程中使用的各类玻璃器皿，如容量瓶、移液管等均有相应的允许最大误差。在实际工作中，可通过有资质的计量单位检定来确认实际误差，参与不确定度计算。对于大批量样品实验分析，使用实验器皿数量众多，全部通过计量检定存在一定难度，实验室也可通过自校来确认误差。

4 结语

建立ICP-MS 法测定大米中镉的不确定度评定程序和数学模型，按照测量不确定度评定与表示程序对检测结果进行量化评估。结果表明，检测过程中测量不确定度的主要来源为样品消解和仪器分析环节。该方法为农产品重金属检验检测机构识别和分析检测环节主要的不确定性因素提供借鉴，遇到检测数据异常、测试数据有疑问情况时，便于梳理和查找检测工作中的潜在风险点，特别是检测结果位于国家限量值附近时，可为科学、合理的评价和判定检测结果提供技术支撑。