石墨炉原子吸收光谱法测定海带中镉含量的不确定度评定

刘兰英 吕 新 李 莹 罗土炎

(1. 福建省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所，福建 福州 350003；2. 福建省农产品质量安全重点实验室，福建 福州 350003)

镉是一种剧毒物质，也是水产品中主要的重金属污染物，长期摄入含镉食品会导致镉中毒，对人体的骨骼、肾脏、肝脏等组织器官产生不良影响[1-2]。海带是中国养殖规模和产量最大的经济藻类[3]，具有丰富的营养价值和多种微量元素[4]。2020年中国海带产量约占海藻类养殖产量的63.16%，其中福建省海带养殖面积约为2.10 万hm2，产量为82.79万t，约占全国海带总产量的50.13%[5]，在水产养殖业中具有极其重要的地位。由于海带能够从周围海水中吸收富集镉，其体内镉含量直接关系到海带的质量安全，因此对海带中镉含量的检测非常重要。

目前国内外测定食品中镉含量的常见方法有石墨炉原子吸收光谱法(graphite furnace atomic absorption spectrometry,GF-AAS)和电感耦合等离子体质谱法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)。这2种方法具有灵敏度高、检出限低、受干扰程度小等优点，能够满足食品中痕量镉元素的分析要求。其中，关于GF-AAS法测定食品中镉含量的不确定度评定主要集中在粮谷[6-7]、水产[8-9]、蔬菜[10-11]等方面。如谭秀慧等[9]对不同测定方法的水产品中镉含量进行了不确定度评定比较，发现GF-AAS法测定镉含量的测量不确定度要稍高于ICP-MS法。影响镉测量不确定度的主要来源并不都是一致的，拟合标准工作曲线、方法回收率试验、测量重复性等过程都有可能是关键因素。目前在海藻养殖品种中，仅见于螺旋藻中镉含量的不确定度分析[12]，尚未见关于海带中镉含量测定不确定度的研究报道。

研究拟以GB 5009.15—2014《食品安全国家标准 食品中镉的测定》为检测依据，采用GF-AAS法对海带中镉含量进行测定，参照JJF1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》和CNAS GL006：2019《化学分析中不确定度的评估指南》的要求和规定，综合考虑各个因素，对其不确定度进行相应评定，同时分析影响测量结果准确性的关键因素，为实验室质量控制和提高海带中镉含量检测结果的可靠性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试剂与仪器

海带：取自福州市连江县奇达村某海带养殖区；

镉标准储备液：1 000 μg/mL，相对扩展不确定度为0.7%(k=2)，国家有色金属及电子材料分析测试中心；

硝酸：优级纯，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

石墨炉原子吸收光谱仪：PinAAcle 900Z型，美国PerkinElmer公司；

微波消解仪：TOPEX型，上海屹尧仪器科技发展有限公司；

智能控温电加热器：G-400型，上海屹尧仪器科技发展有限公司；

电子天平：AL204型，梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司。

1.2 样品前处理

参照GB 5009.15—2014中的微波消解进行。

1.3 标准工作溶液配制

吸取适量镉标准储备液(1 000 μg/mL)，用1%硝酸溶液逐级稀释为4 μg/L的镉标准使用液，由仪器自动进样装置稀释为0.0，1.0，2.0，3.0，4.0 μg/L的标准系列工作液。

1.4 样品测定

仪器预热30 min至稳定后，将标准工作液、空白样液和样品溶液分别注入石墨炉原子化器中，测其吸光度值，根据校准曲线得到消解液中镉的浓度。

1.5 数学模型

海带样品中镉含量的数学模型为：

(1)

式中：

X——试样中镉的含量，mg/kg；

ρ——试样消化液中镉的质量浓度减去试样空白液中镉的质量浓度，μg/L；

V——试样消化液定容体积，mL；

m——试样质量，g；

1 000——单位换算系数。

2 结果与分析

2.1 测量结果

对海带样品进行12次测定，测定结果如表1所示。

表1 海带样品中镉的测定结果Table 1 Results of Cd content in kelp sample

2.2 测量不确定度来源识别

根据海带中镉含量的测定过程和数学计算模型，考虑各主要影响因素，绘制测量不确定度的基本因果图，如图1所示。从图1可以看出，海带中镉的测量不确定度可能来源包括：样品称量过程引入的不确定度、样品消解液定容过程引入的不确定度、样品溶液质量浓度测定过程引入的不确定度；另外，还有样品前处理过程和样品重复测定过程引入的不确定度。其中样品称量引入的不确定度主要来自天平校准和重复性2个方面；样品消解液定容的不确定度主要由容量瓶校准、温度效应和体积重复性引入；样品溶液质量浓度测定所产生的不确定度主要由标准工作溶液配制、校准工作曲线拟合、仪器校准等步骤引入；样品前处理过程中可能存在消解不完全或元素损失或样品污染等问题，也会引入一定的不确定度，此不确定度主要通过加标回收率(Rec)来评估。由于样品测定过程都至少包含了称量、定容等操作的重复性，因此将各重复性引入的不确定度分量合并为总试验的一个分量，即测量重复性(Rep)。

图1 海带中镉测量不确定评定因果关系图Figure 1 Causality map of measurement uncertainty assessment of Cd in kelp

2.3 测量不确定度分量的量化

2.3.2 样品消解液定容过程引入的不确定度分量ur(V)

2.3.3 样品溶液质量浓度测定过程引入的不确定度分量ur(ρ)

得出由标准贮备液配制成标准工作溶液所产生的相对标准不确定度为：

综上，由标准工作溶液配制引入的相对合成标准不确定度为：

(2) 校准工作曲线拟合引入的不确定度ur(ρ2)：采用GF-AAS法测定海带中的镉，分别对仪器自动稀释配制的标准系列工作溶液进行3次测定，得到相应的吸光度，结果如表2所示。

表2 镉标准系列工作溶液测定结果Table 2 Results of Cd series standard working solutions

对样品溶液进行12次测量后，由吸光度求得样品中镉的平均质量浓度为ρ=2.458 μg/L(表1)，则此过程引入的标准不确定度为：

(2)

(3)

式中：

SR——曲线的标准偏差；

Yj——第i个校准溶液的第j次吸光度；

Xi——工作曲线第i个校准溶液的浓度，μg/L；

B1——曲线斜率；

B0——曲线截距；

n——测量校准溶液的次数，n=15；

P——测量样品溶液的次数，P=12；

合并以上3个分量，则样品溶液质量浓度测定过程引入的相对标准不确定度为：

2.4 合成标准不确定度

海带样品中镉含量测定的相对合成标准不确定度为：

海带样品经重复测定12次后，样品中镉的平均含量X=0.202 mg/kg(表1)，得出合成标准不确定度uc(X)=ucr(X)·X=0.019 43×0.202=0.003 92 mg/kg。

2.5 扩展不确定度

依据CNAS GL006：2019《化学分析中不确定度的评估指南》推荐，取95%的置信水平，包含因子k=2，则试验中镉元素含量测定的扩展不确定度U=kuc(X)=2×0.003 92=0.007 84 mg/kg。

2.6 各不确定度分量的相对贡献

将各不确定度分量的量值和不确定度进行汇总，如表3所示。由表3可知，海带镉测量过程中不确定度的主要来源是样品溶液质量浓度，其次是加标回收率。李强等[8]对鲜虾中镉的不确定度评定结果也表明，影响镉测量不确定度的主要因素是样品消解液中镉的质量浓度。龚爱军等[6]对稻谷中镉的不确定度评定结果表明，测量不确定度主要来源于方法的回收率。与张小红[13]的研究结果相似，试验评估样品溶液质量浓度测定过程中又以标准工作溶液配制带来的不确定度最大。因此，在GF-AAS法测定海带样品中镉含量时，应重点关注标准工作溶液配制和加标回收率引入的不确定度。

表3 分量及其不确定度Table 3 Components and their uncertainty

在标准工作溶液配制过程中，使用移液器引入的不确定度最大，由于单标或分度吸量管在移取相同体积液体时的容量允差低于移液器，在此过程中为降低引入的不确定度，尽量改用吸量管进行标准中间液、标准工作液的配制；同时标准溶液配制的整个过程尽可能由同一操作人员完成，以减少人员读数引入的误差；此外，相较于体积法，采用重量法配制标准溶液可在一定程度上降低不确定度的引入[14]。加标回收率是衡量样品前处理效果的重要指标，为降低回收率引入的不确定度，首先要根据样品基体组成和性质选择合适的前处理方法，尽可能使样品完全消解；其次要控制好消解温度，以减少前处理过程中待测元素的损失。

也有研究[7,15]指出，在镉浓度的测定过程中以校准工作曲线拟合引入的不确定度对结果的影响最大，与试验结果不同。分析认为，试验评估待测元素的质量浓度靠近曲线的中间位置，有效降低了测量结果的不确定度。因此，加强校准工作曲线的质量控制，通过建立合理的校准曲线浓度范围能使测量结果更加准确。

2.7 不确定度报告

采用GF-AAS法对海带样品中的镉元素进行测定，其测量结果表示为X=(0.202±0.008) mg/kg，k=2。

3 结论

采用GF-AAS法测定了海带中镉元素的含量，对样品称量、样品消解液定容、样品溶液质量浓度测定、加标回收率测定、样品重复性测定等潜在来源进行综合评定，量化每个潜在来源所产生的不确定度，然后将所有不确定度分量进行合成。结果表明，当取样量为0.304 5 g，海带样品镉含量为0.202 mg/kg时，其扩展不确定度为0.008 mg/kg，k=2。在各不确定度分量中，由样品称量、样品消解液定容和样品重复性测定过程引入的不确定度都较小，而样品溶液质量浓度和加标回收率测定过程引入的不确定度对测量结果的影响较大；其中样品溶液质量浓度的不确定度又主要是由标准溶液配制引入。因此在海带镉含量检测过程中，应当注意标准溶液的配制和样品前处理过程的质量控制。