微波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

胡文辉，钱非，朱洪亮，鲍晓瑾

（嘉兴市食品药品与产品质量检验检测院，浙江嘉兴 314000）

镉是一种重金属元素，毒性较强，可通过食物链进入人体并富集，累积到一定程度后，会造成人体慢性中毒，严重影响身体健康[1]。根据环境保护部与国土资源部2014年发布的《全国土壤污染状况调查公报》，镉的土壤污染点位超标率为7.0%，居首位[2]。农作物通过根系对镉进行吸收和转运，相比于其它农作物，水稻吸收镉的能力较强，所以镉在大米中具有较高富集能力[3]。GB 2762—2017 《食品安全标准食品中污染物的限量》明确要求稻米、糙米、大米中镉限量为0.2 mg/kg[4]。电感耦合等离子体质谱（ICP-MS)法具有灵敏度高、检出限低、干扰因素少、检测速度快等特点，特别适合无机痕量元素的分析检测。在实际检测过程中，样品处理、仪器稳定性、标准物质、加标回收、实验环境的影响会引入测量误差，影响测量结果准确性，尤其是当测量值接近临界值时，直接影响样品结果的判定。

测量不确定度简称不确定度，是表征赋予被测量值分散性的非负参数[5]，是与测量结果相联系的参数，是科学评价测定结果准确性和可靠性的重要保证，为了保证检测结果更加准确，对检测结果进行不确定度评定是十分必要的[6]。通过考察引入测量中不确定度各个分量，确定影响不确定度的主要因素，进而提高检测结果的可靠程度[7]。笔者依照食品安全国家标准GB 5009.268—2016 《食品中多元素的测定》第一法[8]，采用微波消解ICP-MS 法测定大米中镉的含量，依据CNAS-GL006:2019 《化学分析中不确定度的评估指南》和JJF 1059.1—2012 《测量不确定度评定与表示》[9]，考察测定过程中的不确定度主要来源，针对不同测量方法产生的不确定度分量，分别按不确定度A 类和不确定度B 类评定的方法，对测量结果进行不确定度评定，确定不确定度的主要影响因素，有针对性提出提高实验室检测结果准确性的方法，为检测方法优化和评价样品测定结果准确度提供理论依据。

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：NexION 350X 型，美国铂金埃尔默仪器有限公司。

高通量微波消解仪：Mars 6型，美国CEM公司。

电子分析天平：ME204E 型，感量为0.001 g，瑞士梅特勒-托利多公司。

硝酸：UP级，质量分数为68%，苏州晶瑞化学股份有限公司。

混合内标溶液：含有铋、锗、铟、锂、钪、铽、钇元素，其中铟质量浓度为10 μg/mL，美国Perkin Elmer仪器有限公司。

25 种元素混合标准储备溶液：含有钙、钾、镁、钠、铝、铁、锶、硼、钡、铜、锰、钛、锌、砷、镉、钴、铬、镍、铅、硒、铊、钒、钼、锑、锡元素，其中镉质量浓度为5 μg/mL，美国Inorganic Ventures公司。

1.2 镉系列标准工作溶液配制

采用体积法配制。量取1.0 mL 25 种元素混合标准储备溶液于100 mL塑料容量瓶中，用硝酸溶液(5∶95，体积比，下同)定容至标线，摇匀，得50.0 μg/L的镉标准工作溶液。各取0、1.0、5.0、10.0 镉标准工作溶液于4 只50 mL 塑料容量瓶中，另取6.0 mL 于一只10 mL 塑料容量瓶中，分别用硝酸溶液(5∶95)稀释至标线，共得到镉质量浓度分别为0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L的系列标准工作溶液。

1.3 样品处理

依据食品国家安全标准GB 5009.268—2016《食品中多元素的测定》第一法，电感耦合等离子体质谱法，称取0.5 g 大米粉状样品于微波消解罐中，加入5 mL硝酸，预消解12 h，旋紧盖子，按照消解标准操作步骤消解。冷却后取出，缓慢打开消解罐的盖子释放压力，以适量水淋洗内盖，然后将罐置于温控赶酸器内，于100 ℃恒温40 min，用超纯水转移定容至50 ml，混匀备用，同时制备空白样品。

1.4 仪器工作条件

1.4.1 微波消解仪

微波功率：1200 W；升温程序：5 min 升温至120 ℃，保持5 min，然后在25 min内升温至200 ℃，保持40 min。

1.4.2 ICP-MS仪

RF 功率：1 600 W；等离子体气流量：18 L/min；雾化器气流量：0.98 L/min；辅助气流量：1.20 L/min；采样深度：6 mm；雾化室温度：2 ℃；检测器：双模式(Pulse/Analog)检测器；反应池工作模式：KED；测定同位素：111Cd；内标元素：115In，在线加入。

1.5 数学模型

大米样中镉的含量按公式(1)计算

式中：w——大米样品中镉的质量分数，mg/kg；

ρ——样品溶液中镉的质量浓度，μg/L；

ρ0——样品空白液中镉的质量浓度，μg/L；

V——样品溶液定容体积，mL；

f——稀释倍数；

m——样品称取质量，g。

1.6 测量不确定度来源

基于测量不确定度(GUM)评定方法，根据数学模型和测定过程分析，影响被测量w的不确定度分量主要有：(1)随机因素以不可知方式变化的测量误差对测量结果w影响产生的不确定度分量uA(w)，用统计学的方法进行测量不确定度分量评定(采用不确定度A类评定的方法)，主要是重复性测量产生的不确定度分量u(wˉ)。(2)系统因素以保持不变或按可预测方式变化的误差分量对测量结果w影响产生的不确定度分量uB(w)，用不同于不确定度A 类评定的方法对测量不确定度分量进行评定(采用不确定度B 类评定的方法)。①样品称量质量m产生的不确定度分量u(m)，由天平容许误差引入。②样品消解溶液定容体积V产生的不确定度分量，分别由量器容量误差和实验室温度变化引入。③样品溶液中镉质量浓度ρ产生的不确定度分量u(ρ)，分别由镉系列标准工作溶液配制和曲线拟合引入。

2 结果与讨论

2.1 系统因素对测量结果w 影响产生的不确定度分量uB(w)

系统因素对测量结果w影响产生的不确定度分量uB(w)采用不确定度B 类评定的方法。主要包括样品称量质量m产生的不确定度分量u(m)、样品消解溶液定容体积V产生的不确定度分量u(V)、样品消解溶液质量浓度ρ产生的不确定度分量u(ρ)。

2.1.1 样品称量质量m产生的不确定度分量u(m)

样品称量产生的质量m的不确定度分量u(m)。样品称量质量m=0.5 g，根据天平校准证书和JJG 1036—2008《 电子天平》检定规程[10]，所用的电子分析天平的最大允差为±0.001 g，考虑矩形分布，包含因子k=，称量步骤分去皮和称量两次操作，故分量计算两次，其标准不确定度：

相对标准不确定度：

2.1.2 样品消解溶液定容体积V产生的不确定度分量u(V)

(1)定容误差引入的体积不确定度分量u(V50)。消解液定容用50 mL 容量瓶，级别为A 级，对照JJG 196—2006《 常用玻仪器检定规程》[11]，最大允许误差为±0.05 mL，按三角分布，k=，标准不确定度：

相对标准不确定度：

(2) 温度变化引入的体积不确定度分量u(T)。实验室环境温度为(20±5) ℃，查阅20 ℃水的体积膨胀系数为α=2.1×10-4/℃，ΔT=5 ℃，只考虑温度对溶液体积的变化，按均匀分布，k=，其标准不确定度：

相对标准不确定度：

合并上述两项分量，合成相对标准不确定度为：

2.1.3 样品溶液中镉质量浓度ρ产生的标准不确定度分量u(ρ)

样品溶液中镉质量浓度ρ产生的不确定度分量u(ρ)采用B 类评定的方法，包括标准参考物质量值引入的不确定度分量u(S)、镉系列标准工作溶液配制过程中玻璃量具校准引入的不确定度分量u(Vs)、标准曲线拟合引入的不确定度分量u(L)。

(1)标准物质引入的不确定度分量u(S)。依据标准物质证书，镉的标准值为(5.003±0.021) μg/mL。考虑正态分布，k=2，标准不确定度计算为：

相对标准不确定度：

(2)镉系列标准工作溶液配制过程中玻璃量具校准引入的不确定度分量u(Vs)。镉系列标准工作溶液配制使用的移液器认为其不确定度服从矩形分布，k=，容量瓶认为其不确定度服从三角分布，k=，对照JJG 196—2006《 常用玻璃量器检定规程》和JJG 646—2006 《移液器检定规程》[12]，得出量器的容许误差。镉系列标准工作溶液配制用到的量器和移液器的不确定度见表1。

表1 玻璃量器和移液器的不确定度

由表1数据合成相对不确定度为：

(3)标准曲线拟合引入的不确定度分量u(L)，用ICP-MS法测量系列镉标准工作溶液，得镉(111Cd)质谱强度，与内标铟(115In)的质谱强度，计算二者比率Y。以Y为纵坐标，镉标准工作溶液质量浓度作为横坐标，采用最小二乘法进行线性拟合，得线性方程为Y=0.006 6X+0.000 7，相关系数为0.999 9，见表2。

表2 标准曲线拟合数据及结果

利用拟合曲线按式(2)计算样品质量浓度ρ的不确定度：

式中：s(y)——标准曲线的剩余标准差（残差的标准差），用贝塞尔公式计算[13]；

a——拟合曲线的斜率，a=0.006 6；

p——样品的测量次数，p=10；

n——测量次数，n=6；

ρ——样品溶液中镉的质量浓度均值，ρ=1.779 μg/L；

ρi—镉系列标准工作溶液的质量浓度，μg/L。其中：

将表2数据代入式（2）、式（3），得曲线拟合引入的标准不确定度u(L)=0.108 1 μg/L，相对标准不确定度：

以上各不确定度分量互不相关，则样品溶液中镉质量浓度ρ的相对标准不确定度分量：

2.1.4 合成系统因素对测量结果w影响产生的不确定度分量uB(w)

假定各不确定度分量互不相关，系统因素对测量结果w产生的相对标准不确定度分量uB,rel(w)按照下式合成：

大米样品中镉的质量分数测定结果w=0.174 mg/kg，则测定值的标准不确定度：

2.2 随机因素对测量结果w 影响产生的不确定度分量uA(w)

随机因素对测量结果X产生的不确定度分量uA(w)用不确定度A 类评定的方法。主要是样品重复性测量产生的不确定度分量u()。

为获得重复性测量的不确定度分量u()，在规定测量条件下，对样品进行10 次重复性测试，用测试结果计算出标准差，平均值作为估值，进行不确定度计算。样品中镉的含量数据见表3。

表3 样品重复性测量结果(n=10)

重复性测量引入的标准不确定度：

2.3 合成标准不确定度u(w)

综合以上不确定度评定过程，合成标准不确定度u(w)：

各不确定度分量结果见表4。

表4 不确定度分量量化统计结果

2.4 扩展不确定度

取置信水平p=95%，包含因子k=2，扩展不确定度：

2.5 不确定度报告

微波消解ICP-MS法测得大米中镉的质量分数w=0.174 mg/kg，扩展不确定度为0.021 mg/kg，k=2。

3 结论

基于表4不确定度分量数据，可以得知，样品中被测元素含量较低时，测量过程中不确定度的主要来源是B 类方法评定中标准曲线拟合、系列标准工作溶液配制和A 类方法评定中的测量重复性，贡献度分别为70.9%、11.2%和11.8%。而样品的称量和定容过程中量器以及实验室温度变化引入的不确定度较小，可忽略不计。

分析评估曲线拟合过程中不确定度的计算过程，主要是标准曲线各质量浓度点剩余标准差的影响较大。其次是方法规定曲线测量质量浓度范围较大，而样品测量质量浓度较小，方法规定系列质量浓度分别是0、1.0、5.0、10.0、30.0、50.0 μg/L，系列标准工作溶液的浓度范围设置过宽，而根据GB 2762—2017 《食品安全国家标准食品中污染物限量》，大米中镉质量分数限量为0.2 mg/kg，换算成样品溶液的质量浓度为2.0 μg/L，处于标准曲线低浓度点范围，故样品中待测元素含量较低时利用拟合曲线计算测量溶液误差较大。对于电感耦合等离子体质谱法分析检测中标准曲线拟合为不确定度的主要来源，相关文献均有报道[14-17]。

为最大程度减少测量过程中的不确定度，试验过程中要规范操作仪器，定期计量和校准，确保仪器工作状态的稳定性，增加仪器对元素的扫描次数，规范准确配制系列标准工作溶液，减少标准曲线拟合的误差。在检测标准规定范围内，选择合适的标准曲线范围，通过降低系列标准工作溶液的浓度，使测量溶液浓度处于标准曲线浓度的中间范围，以增加测量的准确性。样品体积定容时采用级别较高的量器，同时要避免器皿本身带来的污染，提高测量准确性的同时，增加测量结果的稳定性，并严格控制实验条件，有效减少影响测量不确定度的因素，确保测量结果的准确性和可靠程度。