电感耦合等离子体质谱法测定人参中铅、镉含量的不确定度评定

金 杰，崔海峰，朱传翔，郭 影，宋鉴达

（延边朝鲜族自治州检验检测中心·吉林延吉·133000）

引言

东北三宝之一的人参具有补中益气等功效。人参是在中医临床上常用的一味中药材，其中吉林长白山人参已列入国家地理标志产品名录。吉林省作为人参道地药材的主产区，在健康中国战略背景下，正在携手多方力量推动人参产业步入高质量发展快车道[1]。功能农业技术将在栽培、加工等人参产品标准化方面发挥优势。所谓人参指的是五加科植物人参的根及根茎[2]。不管是野生人参还是人工栽培的人参，其生长环境都离不开土壤。 随着现代中医药的发展，市场对中药材的品质要求正在不断地提高。 土壤是铅、镉等重金属元素的载体[3，4]。重金属元素的生物毒性在人体内蓄积时间长、排泄慢，对神经、血液、肾脏等均具有毒性[5，6]，因此，人参的重金属元素含量须在安全范围以内。 按照国家相关标准，人参中的重金属元素含量要求如下：《地理标志产品—吉林长白山人参GB/T 19506-2009》中规定，铅含量不得超过0.50mg/kg,镉含量不得超过0.50mg/kg；《中国药典》（2020 版） 中规定，铅含量不得超过5mg/kg,镉含量不得超过1mg/kg。电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)具有快速、灵敏以及多元素同时分析的特点，特别适合铅、镉等重金属元素的测定。不确定度反映了测定结果可信程度的高低[7]。 评估不确定度不仅可以用于比较不同检验方法之间的结果，而且也有助于发现对结果影响较大的不确定度分量来优化检验方法。

1 材料与仪器

1.1 材料

硝酸 （优级纯, 北京化工厂）； 铅元素标准溶液（GSB G 62071-90 8201， 1000μg/ml）；镉元素标准溶液（GSB G 62040-90 4801，1000μg/ml）；含铟、铋内标元素标准溶液（GNM-M060097-2013，100μg/ml）。

1.2 仪器

电子天平(CPJ1003 奥豪斯仪器有限公司)；电感耦合等离子体质谱仪(Nexion 350X ,PerkinElmer)；微波消解仪(MARS,CEM)；赶酸仪(BHW-09C)。

2 实验方法及检测

2.1 样品溶液制备

以野山参粉为实验供试品， 取约0.5g 至微波消解罐中，加入10ml 硝酸后静置过夜。按照微波消解仪的程序（表1）进行消解。 为匹配标准溶液的酸度，消解结束后，将供试品消解液在赶酸仪上挥酸至2ml 以下,冷却后再用去离子水定容至25ml。

表1 微波消解仪条件

2.2 标准系列溶液制备

2.2.1 含铅、镉元素标准储备液

取标准溶液100μl，用5%硝酸溶液（v/v）稀释至100ml，浓度为1000μg/L。

2.2.2 标准系列使用液

分别取适量的标准储备液，用5%硝酸溶液（v/v）稀释至每升含0、1、4、10、20、40μg 的标准系列使用液。

2.2.3 内标使用液

取内标元素标准溶液100μl， 用5%硝酸溶液（v/v）稀释至100ml,浓度为100μg/L。

2.3 ICP-MS 分析条件

2.3.1 仪器参数

射频功率：1600W；载气流量：1.2L/min；元素质量数：铅元素以质量数为208 的同位素，镉元素以质量数为111 的同位素；内标元素：铅元素以铋元素，镉元素以铟元素；检测模式：标准模式。

2.3.2 标准曲线绘制

标准系列使用液和内标使用液同时进样，以待测元素浓度为横坐标，以待测元素与内标元素的响应值比为纵坐标，建立标准曲线。

2.3.3 测定

样品溶液和内标使用液同时进样，从标准曲线中读取样品溶液的浓度。

3 不确定度评估

3.1 数学模型

式中，X 为样品中待测元素的含量，mg/kg；c 为样品溶液中待测元素的质量浓度，μg/L；c0为空白溶液中待测元素的质量浓度，μg/L；V 为样品、空白溶液的定容体积，ml；m 为样品取样量，g；1000 为单位转换系数。

3.2 不确定度来源分析

根据数学模型，我们可以发现影响ICP-MS 法测定人参中铅、镉元素含量的主要因素如下：a.样品称量；b.样品定容体积；c.标准溶液的制备；d.标准曲线的拟合；e.样品测量重复性。

3.2.1 样品称量引入的不确定度

样品称量引入的合成不确定度μ(m)与电子天平相关，主要涉及两个方面，分别是天平重复性μ(m1)和天平示值误差μ(m2)。 依据《化学分析中不确定度的评估指南》， 电子天平的重复性约为有效数字最后一位的0.5 倍[8]。 但是在本次不确定度评估中，则依据电子天平的检定结果计算重复性引入的不确定度(A类不确定度)。 天平示值误差引入的不确定度同样以天平检定结果计算。 假设服从矩形分布，电子天平检定证书给出的天平重复性的标准偏差为0.2mg，最大示值误差为0.1mg。 由于称样时采用去皮法，相当于读取数值两次，因此，电子天平重复性和示值误差的不确定度分量各引入两次。最终样品称量引入的合成不确定度μ(m)和其相对合成不确定度μrel(m)的计算结果，详见表2。

表2 样品称量引入的不确定度各分量

3.2.2 样品定容体积引入的不确定度

样品定容体积引入的合成不确定度μ(V)的主要来源是容量误差，实验室环境温度的变化。 样品消解后，使用25ml 的比色管定容。 根据《JJG 10—2005 专用玻璃量器检定规程》，25ml 比色管的最大允许误差为0.25ml[9]。按照矩形分布计算，其容量误差引入的不确定度分量为μ (V-25v)。 比色管出厂检定条件是在20℃，而实验室环境温度在20±5℃。 水的体积会因环境温度的变化而发生微小的变化，这也会使结果引入不确定。 水的体积膨胀系数为2.1×10-4/℃，按照矩形分布，温度变化引入的不确定度分量为μ(V-25t)。 最终样品定容体积引入的合成不确定度μ(V)和其相对合成不确定度μrel(V)的计算结果，详见表3。

表3 样品定容体积引入的不确定度各分量

3.2.3 标准溶液引入的不确定度

标准溶液引入的不确定度主要来源是标准物质的定值和标准系列溶液的配制。标准物质的定值引入的不确定度μ(S1)以及其相对不确定度μrel(S1)，可以根据标准物质证书计算。 铅、 镉元素的标准值均为1000μg/ml， 其相对扩展不确定度为0.4%（k=2）。 因此，μrel(S1)=0.4%/2=0.002。 标准系列溶液的配制过程中引入的不确定度μ(S2)的主要来源是移液器和容量瓶的容量误差，实验室环境温度的变化。 在整个标准系列溶液的配制过程中需使用1000 微升量程的移液器6 次，200 微升量程的移液器1 次，100 毫升的容量瓶1 次，50 毫升的容量瓶3 次，10 毫升的容量瓶2次。 移液器引入的不确定度按照出厂说明书计算，出厂说明书给出的容量允许误差范围为如下，1000 微升移液器的容量允许误差为±0.50%（最大量程）；200微升移液器的容量允许误差为±0.60%（最大量程）。移液器出厂校准是在20～25℃条件下进行的，因此不再考虑温度变化对移液器容量的影响。容量瓶引入的不确定度涉及容量误差，实验室环境温度的变化。 假设服从矩形分布，分别计算出各型号的容量瓶和移液器引入的不确定度分量，详见表4。 综上，按照公式(2)，标准系列溶液的配制过程中引入的相对不确定度μrel(S2)=0.0082。 结合μ(S1)和μ(S2)可以得出标准溶液引入的合成不确定度μ (S) 及其相对合成不确定度μrel(S)。 按照公式(3)计算。 标准溶液引入的相对合成不确定度μrel(S)=0.0084。

表4 容量瓶及移液器引入的不确定度各分量

式中μrel(f-100)为100 毫升容量瓶的相对合成不确定度；μrel(f-50)为50 毫升容量瓶的相对合成不确定度; μrel(f-10)为10 毫升容量瓶的相对合成不确定度;μrel(p-1000)为1000 微升移液器的相对合成不确定度；μrel(p-200)为200 微升移液器的相对合成不确定度。

3.2.4 标准曲线拟合引入的不确定度

在仪器分析中，结果的读取依靠的是标准系列溶液浓度与其响应值之间所建立的标准曲线。标准曲线的建立一般采用最小乘二法拟合，其引入的不确定度为μ(c)。本方法中铅元素和镉元素的拟合标准曲线线性关系良好。 分别为：铅的拟合标准曲线：y=0.0118x+0.0039 (R2=0.9999)； 镉的拟合标准曲线：y=0.0015x+0.0004 (R2=0.9999)。 样品溶液平行测定2 次，按照公式(4)和公式(5)，可以得出不确定度μ(c)和其相对不确定度μrel(c)。 铅元素的SA:0.00016，c:7.728，μ(c)：0.104μg/L，μrel(c)：0.013；镉元素的SA:0.00089，c:2.109，μ(c)：0.47μg/L，μrel(c)：0.22。

式中p=2, 样品溶液测定次数；n=12, 标准系列溶液总测定次数；ca=12.5, 标准系列溶液中待测元素的平均浓度；c, 样品溶液中待测元素的平均浓度；cj,由标准系列溶液响应值根据标准曲线获得的各标准系列溶液的浓度；SA,标准曲线残差；Ai, 标准系列溶液的响应值；a,标准曲线的截距；b,标准曲线斜率；ci,标准系列溶液中待测元素的浓度。

3.2.5 测量重复性引入的不确定度

硝酸中不含待测元素，所以不考虑空白溶液引入的不确定度。 通过样品平行7 次测定的方式，评估测量重复性引入的不确定度μ(r)及其相对不确定度μrel(r)。 野山参粉中铅元素的平均含量为0.438mg/kg，标准偏差0.020mg/kg ； 镉元素的平均含量为0.113mg/kg，标准偏差0.0048mg/kg。 根据公式(6)和公式(7)，铅元素的μ(r)：0.0079mg/kg，μrel(r)：0.018；镉元素的μ(r)：0.0018 mg/kg，μrel(r)：0.016。

式中λ 为待测元素含量的标准偏差，n=7 为平行次数。

式中S 为待测元素的含量。

3.2.6 合成不确定度

综合以上各不确定度分量，按照公式（8）分别计算铅和镉的相对合成不确定度μrel(X)。 结果：μrel(pb)为0.0247，μrel(cd)为0.225。

4 结果与讨论

当置信概率为95%、置信因子为2 时，铅和镉的扩展不确定度分别为0.0216mg/kg、0.0508mg/kg。 最终， 本次研究中野山参粉的报告浓度为铅元素：0.438±0.022mg/kg（k=2），镉元素：0.113±0.051 mg/kg（k=2）。电感耦合等离子体质谱仪的线性范围宽，而且线性关系良好（R2>0.9999）。 通过不确定度评估发现，样品定容体积引入的不确定度对合成标准不确定度贡献只有5%左右。 这说明样品定容时可以选用比色管代替容量瓶以便于操作。对于铅元素的测定，影响其结果的主要不确定度分量分别是样品重复性测量、标准曲线拟合；对于镉元素的测定，标准曲线拟合是其主要的不确定度来源，此结论与韩伟立[7]和刘长姣[10，11]等报道的结论相似。 因此，为了提高测量结果的准确度，要做好以下几点，一是保证供试品的均匀度；二是保证标准曲线的质量；三是定期维护ICP-MS 核心部件。