ICP-MS法测定海带中铅含量的不确定度评定

◎ 谢亚兴

（江西嘉信检测有限公司，江西 南昌 330000）

海带富含褐藻胶和碘质，具有重要的经济价值，但其生长的环境若受到污染，海带会通过物理或生物吸附有害金属元素[1]。铅是一种蓄积性很强的金属元素，极易影响人体的神经、消化、血液和免疫等系统，并造成严重影响，是食品污染物监测的必检项目[2]。电感耦合等离子体质谱法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）是一种灵敏度高、检测速度快、受干扰小的测试方法，广泛用于食品中多元素的分析[3]。在海带铅的检测过程中，标准物质、仪器设备及人员操作对检测结果的准确度均有一定影响，因此为了准确地衡量检测结果，对海带中铅含量进行测量不确定度的评定是很有必要的。

本文依据《食品安全国家标准 食品中铅的测定》（GB 5009.12—2017）[4]第二法，运用ICP-MS对海带中铅的含量进行检测，参照《测量不确定度评定与表示》（JJF 1059.1—2012）[5]和《化学分析中不确定度的评估指南》（CNAS—GL 006：2019）[6]的要求和规定，对测量结果的不确定度进行分析评定，探究影响不确定度的主要来源，以期为海带中铅含量的准确测量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

ICPMS-2030电感耦合等离子体质谱仪，日本岛津公司；HZY-A220电子天平，福州华志公司；MASTER 40微波消解仪、ECH-20微机控温加热板，上海新仪微波化学科技有限公司。

铅元素标准溶液 GSB 04-1742-2004，1 000 μg·mL-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心；多元素内标液 GNM-M061667-2013，100 μg·mL-1，国家有色金属及电子材料分析测试中心；硝酸，优级纯，德国默克公司；30%过氧化氢，优级纯，国药集团；实验用水为超纯水。

1.2 实验方法

1.2.1 样品前处理

参照《食品安全国家标准 食品中铅的测定》（GB 5009.12—2017）第二法，准确称取0.25 g烘干海带样品于微波消解内罐中，加5 mL硝酸、1 mL 30%过氧化氢，加盖、过夜；次日装上外罐并旋紧罐盖，按表1消解程序于微波消解仪消解。冷却后取出，开盖、排气，用少量水冲洗内盖，将消解罐于加热板中130 ℃加热赶酸，用超纯水定容至50 mL，摇匀备测，并做空白。

1.2.2 标准溶液的配制

吸取适量铅标准溶液（1 000 μg·mL-1），用1%HNO3溶液稀释成1 μg·mL-1铅标准中间液。吸取适量铅标准中间液，用 1%HNO3溶液配制成浓度分别为 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的铅标准工作液。

1.2.3 样品测定

点燃等离子体后，仪器预热30 min至稳定，引入多元素混合调谐溶液调谐至满足测定要求。通过三通在线加入内标溶液，依次测定标准工作液、空白样液和样品溶液，采用标准曲线法定量分析。

1.3 数学模型

海带样品中铅的含量计算公式：

式中：X为试样中铅含量，mg·kg-1；c为样液中铅质量浓度-空白液中铅质量浓度，μg·L-1；V为定容体积，mL；m为试样质量，g；1 000为单位换算系数。

2 结果与分析

2.1 铅含量测定不确定度来源的识别

根据海带样品中铅含量的数学计算模型，影响海带中铅测定的不确定度潜在来源有样品质量、消解液体积、样液质量浓度和测量重复性。其中样品称量过程的不确定度由天平校准、重复性等引起；样品消解液定容主要引入容量瓶校准、温度系数、重复性等不确定度分量；样液质量浓度测定过程主要引入了标准溶液配制、校准曲线拟合等不确定度分量；将样品测定过程中的称量、定容等操作的重复性分量合并为总试验的一个分量，即测量重复性。

2.2 铅含量测定不确定度分量的量化

2.2.1 样品质量的不确定度ur(m)

本实验用的电子天平（精度0.001），范围0.02～220.00 g，从校准证书上得扩展不确定度U=0.003 g（k=2），则标准不确定度为本实验海带称量为0.252 g，则相对标准不确定度为

2.2.2 样品消解液体积的不确定度ur(V)

（1）容量瓶校准所产生的不确定度。海带样品消解后用50 mL容量瓶定容，按校准证书容量偏差为0.01 mL，假设为三角分布，取包含因子则由容量偏差所产生的标准不确定度为

（2）温度系数产生的不确定度。所用容量瓶体积校准时温度为21 ℃，实际定容时温度为24 ℃，液体的体积膨胀系数为2.1×10-4·℃-1，则体积变化区间为 ±（50×3×2.1×10-4）=±0.031 5 mL，假设为矩形分布，取包含因子则由温度引起的体积测量的标准不确定度为

2.2.3 样品溶液质量浓度的不确定度ur(c)

（1）标准溶液配制产生的不确定度。依据铅标准贮备液证书，质量浓度值1 000 μg·mL-1，相对扩展不确定度为0.7%（k=2），则其相对标准不确定度为铅标准溶液的配制过程如表2所示。对铅标准溶液配制过程所用移液枪和容量瓶进行不确定度分析，具体如下。

表2 铅标准溶液配制过程表

各工作溶液配制中稀释过程均用100 mL容量瓶定容，其定容引入的不确定度分量包括2个部分。①校准引起的不确定度。从100 mL容量瓶校准证书上得其容量偏差为0.06 mL，按三角分布转换成标准不确定度为②温度系数引起的不确定度。实验用的100 mL容量瓶也是在21 ℃条件下校准合格的，实际定容时的室温为24 ℃，液体的体积膨胀系数为2.1×10-4·℃-1，产 生 的 体 积 变 化 区 间 为 ±(100×3×2.1×10-4)=±0.063 mL，按矩形分布转换成标准不确定度为以上分量合成得其标准不确定度为其相对标准不确定度为

从校准证书上得，100 μL移液枪在移取50 μL、100 μL时的容量允差分别为±3.0%、±2.0%。1 mL移液枪移取0.1 mL、0.5 mL、1.0 mL时的容量允差分别为±2.0%、±1.0%、±1.0%，因未给出移取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移液枪在移取0.5 mL、2.5 mL、5.0 mL时的容量允差分别为±1.0%、±0.5%、±0.6%，因未给出移取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，取包含因子为则各移液体积对应的相对标准不确定度如下：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。

铅标液配制过程中用了100 mL容量瓶8次，100 μL移液枪分别移取50 μL1次、100 μL 2次，1 mL移液枪分别移取0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL各1次，5 mL移液枪分别移取2.0 mL、5.0 mL各1次，因此标准溶液配制过程中带来的相对标准不确定度为：

（2）校准工作曲线拟合所产生的不确定度。用ICP-MS法测定海带中铅，为校准ICP-MS仪，对配制的7个标液和内标元素进行信号响应值测定，每个浓度测定3次，被测溶液与内标溶液信号响应值的比值结果如表3所示。

根据表3的测量数据，通过被测溶液与内标溶液信号响应值的比值与标准溶液浓度来拟合标准曲线，得直线方程为Y=2.366 8X+0.425 5（R²=1.000 0），记B1=2.366 8，B0=0.425 5。其中，X为标准溶液浓度，μg·L-1；Y为被测溶液与内标溶液信号响应值的比值。对样品溶液进行2次测量，由信号响应值的比值通过直线方程求得质量浓度为c0=1.377 μg·L-1，则质量浓度c0的标准不确定度为：

表3 各浓度下被测溶液与内标溶液信号响应值的比值表

式中：P为测量c0的次数，P=2；n为测量校准溶液的次数，n=24；Xi为工作曲线第i个校准溶液的浓度，μg·L-1；为工作曲线各校准点浓度的平均值（n次），SR为曲线的标准偏差，（Yj为第i个校准溶液的第j次信号响应值的比值）。

将上述各值带入u(c0)的计算中，得由校准工作曲线拟合带来的标准不确定度u(曲 )=u(c0)=0.071 8 μg·L-1，其相对标准不确定度为：

测量重复性所产生的不确定度按A类评定方法进行，用估计的标准偏差定量表征。实验过程中，在相同条件下，对同一海带进行6次独立的重复测定，结果如表4所示。

由表4的实验结果，计算最佳估计值为

表4 海带样品6次平行测定结果表

由贝塞尔公式计算得到单次测量的实验标准偏差为：

2.3 合成标准不确定度计算

根据海带中铅含量测定的数学模型，将各不确定度分量的量值和不确定度汇总于表5中。将表5中各量值代入数学模型中可得海带中铅的含量为

表5 量值及不确定度表

海带样品中铅含量测定的相对合成标准不确定度为：

得出合成标准不确定度为uc(X)=ucr(X)×X=0.060 1×0.273=0.016 5 mg·kg-1。

由不确定度分析和评定看出，海带中铅含量测定的最主要不确定度来源在于样品溶液质量浓度的测定过程，其次是样品称量、样品重复性测量过程，而样品消解液定容过程所产生的不确定度最小。进一步分析发现，校准工作曲线拟合引入的不确定度贡献最大。

2.4 扩展不确定度计算

依据《化学分析中不确定度的评估指南》[6]推荐，取95%的置信水平，包含因子k=2，则本实验中铅元素含量测定的扩展不确定度为U=k×uc(X)=2×0.016 5=0.033 mg·kg-1。

2.5 结果报告

采用ICP-MS法对海带铅元素测定，其测量结果表示为X=(0.273±0.3) mg·kg-1，k=2。

3 结论与讨论

本研究采用ICP-MS法测定了海带中的铅含量，从称量、消解液定容、样液质量浓度测定和样品重复性测量等各因素评定了海带铅含量测定的不确定度。结果表明，当取样量为0.252 g，海带样品铅含量测量结果为 0.273 mg·kg-1时，其扩展不确定度为 0.033 mg·kg-1，k=2。通过对各不确定度分量量化，从相对标准不确定度数值看出，样液质量浓度测定过程的不确定度分量是最大的，称量、消解液定容、样品重复性测量等过程的不确定度实际上对总的不确定度影响很小。李赵平[7]、范稚莉等[8]在食品中铅测量不确定度评定中也得到了相似的结果。因此，样品消解液中铅的质量浓度测定过程是测量结果准确性的关键控制点。

样液质量浓度测定过程的不确定度由2个部分构成。①由标准贮备液配制成标准系列工作溶液时所产生对质量浓度测量带来的不确定度。②由校准工作曲线拟合求得质量浓度时所产生的不确定度。本研究发现校准工作曲线拟合引入的不确定度贡献最大，而标准溶液配制所产生的不确定度，对于用拟合曲线求得质量浓度时的不确定度而言可忽略不计。相关研究也表明标准曲线拟合引入的不确定度是主要贡献因子[9-10]。康静艳等[11]通过对比不同范围校准曲线引入的相对标准不确定度，发现校准曲线范围越大，其拟合引入的不确定度也越大，选择合适的校准曲线能使测量结果更加准确，建立合理的校准曲线浓度范围，尽可能使待测元素质量浓度位于曲线的中间位置，从而有效减少测量结果的不确定度，提高测量的准确性。