電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定紅茶中鎘含量的不確定度評定

□ 歐嘉杰 巫廣華 李循媛 廣東省食品工業(yè)研究所有限公司 廣東省質(zhì)量監(jiān)督食品檢驗站 廣東省食品工業(yè)公共實驗室

鎘不是人體必需元素，作為一種重金屬污染物，它主要廣泛應(yīng)用于冶金業(yè)、電鍍工業(yè)和化工等領(lǐng)域，大多以廢水形式進入自然環(huán)境，再通過灌溉、作物吸收等形式在食物鏈富集。鎘單質(zhì)及其化合物可通過消化道或呼吸道進入人體，在人體內(nèi)的生物半衰期可長達(dá)15～30年，主要積累在腎臟、肝臟及消化系統(tǒng)等部位，久而久之會引起慢性中毒，長期食用遭到鎘污染的食物可導(dǎo)致自發(fā)性骨折和軟骨癥成。茶樹種植業(yè)在我國農(nóng)業(yè)經(jīng)濟中占據(jù)著重要的位置，在2013年“大米鎘污染事件”后，土壤中鎘污染現(xiàn)象對于農(nóng)業(yè)發(fā)展的影響已成為備受社會關(guān)注的熱點之一。

茶葉出口經(jīng)濟已成為我國出口產(chǎn)業(yè)中重要的一個組成部分，目前我國茶葉已出口到世界上約120個國家或地區(qū)，據(jù)《2016～2022年中國茶葉行業(yè)市場評估及投資前景評估報告》[1]顯示，每年茶葉及相關(guān)消費品的消費量逾400萬噸，且在未來仍有巨大的發(fā)展空間，而隨著茶葉相關(guān)消費產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，消費者對于加強對茶葉衛(wèi)生質(zhì)量控制的要求更為嚴(yán)格，茶葉重金屬污染的風(fēng)險監(jiān)測也越來越受到社會的關(guān)注。

本實驗采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS）作為檢測儀器，本方法具有高準(zhǔn)確度、線性范圍寬及進樣快速的特點，而且相較于原子吸收法，具有更低的檢出限。采用微波消解作為本實驗樣品消解的方法，特點是能在稱取樣品量較少的情況下使待測試樣得到徹底消解，消除基體對測定結(jié)果的干擾，同時能最大程度地避免試樣在消解過程中的損失。查閱相關(guān)文章發(fā)現(xiàn)目前已有不少關(guān)于茶葉中重金屬含量檢測的報道，但對于茶葉中鎘含量不確定度的研究較少，本文依據(jù)JJF 1059-2012《測量不確定度評定與表示》[2]及GB/T 27411-2012《檢測實驗室中常用不確定度評定方法與表示》[3]，采用ICP-MS法對紅茶中鎘含量進行檢測，并通過對其不確定度來源和分量組成進行分析評定，找出影響不確定度的主要因素，為檢測方法及其結(jié)果控制提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

Agilent7700電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS），美國安捷倫；Milli-Q A10超純水機，美國Millipore公司；ETHOS UP微波消解儀，意大利 Milestone；ML204/OL型 電 子 天平，梅特勒公司；100～1 000 μL可調(diào)式移液槍，上海沃元科技有限公司；500～5 000 μL可調(diào)式移液槍，上海沃元科技有限公司。

1.1.2 試劑

鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，購于中國計量科學(xué)研究院，濃度1 000 μg/mL,相對擴展不確定度為0.2%（k=2）；硝酸（電子級），蘇州晶瑞化學(xué)有限公司；實驗用水由Milli-Q A10超純水機提供。

1.2 測定方法

1.2.1 試樣前處理

稱取約0.25 g的紅茶樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，靜置15～20 min進行冷消化。密封消解罐后置于微波消解儀內(nèi)，依照表1參數(shù)對樣品進行消解，消解結(jié)束后待溫度冷卻至室溫，將消解罐放置于電熱板上，以130 ℃趕酸。待罐中消化液剩1～3 mL時取下，冷卻至室溫后，用少量超純水沖洗罐壁數(shù)次，并轉(zhuǎn)移至25mL容量瓶，定容至刻度線并搖勻。以同樣方法制備試樣空白樣品。

表1 微波消解參數(shù)程序表

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)使用液的配制

準(zhǔn)確移取鎘單元素標(biāo)準(zhǔn)溶液（1 000 μg/mL）1 mL至100 mL容量瓶，用2%硝酸定容至刻度，搖勻備用。得到濃度為10 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)儲備液。

準(zhǔn)確移取鎘標(biāo)準(zhǔn)儲備液0.5 mL至100 mL容量瓶，用2%硝酸定容至刻度，搖勻后得到濃度50 μg/L的鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液。

1.2.3 標(biāo)準(zhǔn)取現(xiàn)的配制

分別準(zhǔn)確移取鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液（50 μg/L）0、1.0、2.0、4.0、6.0 mL及8.0 mL至10 mL容量瓶中，并用2%硝酸定容至刻度，混勻靜置。此標(biāo)準(zhǔn)系列中，各容量瓶每升溶液分別含鎘0、5.0、10.0、20.0、30.0 μg 和 40.0 μg。

1.2.4 銦內(nèi)標(biāo)液配制

準(zhǔn)確移取0.5 mL的100 μg/mL的銦標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，用2%硝酸定容至刻度并搖勻，得到濃度為0.5 μg/mL的內(nèi)標(biāo)。

1.2.5 儀器測定參數(shù)條件

吸入質(zhì)譜調(diào)諧液在進行測定前對儀器參數(shù)條件進行優(yōu)化，使測定時的靈敏度、雙電荷數(shù)氧化物、背景及分辨率等均符合測定要求，確保儀器在測定狀態(tài)的參數(shù)設(shè)定處于最優(yōu)化狀態(tài)。儀器主要參數(shù)，等離子體氣流量：15 L/min；載氣流量：1 L/min；輔助氣流量：1 L/min；RF功率：1 550 w；采樣模式為全定量分析；重復(fù)次數(shù)3次；霧化室溫度：2 ℃；采樣深度：10 mm。

2 測定結(jié)果與分析

根據(jù)測定原理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計算得樣品消化液中鎘濃度，結(jié)果單位為mg/kg，建立數(shù)學(xué)關(guān)系式如式（1）：

式（1）中：X-試樣中鎘含量，mg/kg；V-消化液定容體積，mL；C-從標(biāo)準(zhǔn)曲線上測得樣品中鎘的濃度，μg/L；C0-樣品空白中鎘的濃度，μg/L；m-樣品的取樣量，g。

3 不確定度的評定

3.1 不確定度來源分析

參考JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[4]，通過對測定原理、實驗過程及數(shù)學(xué)模型的分析，得知ICP-MS法測定紅茶中鎘含量不確定度的來源有以下幾個方面：①樣品稱量時引入的不確定度Urel（m）；②樣品消化液定容時引入的不確定度Urel（V）；③標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度Urel（d）；④標(biāo)準(zhǔn)工作曲線擬合時引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(C)；⑤試樣測定重復(fù)性引入的不確定度Urel(R)。

3.2 不確定度各分量的評定

3.2.1 樣品稱量過程引入的不確定度 Urel（m）

由稱量過程引入的不確定度主要來源于天平自身的校準(zhǔn)，本實驗使用ML204/OL型電子天平稱量樣品，茶葉試樣的取樣量為0.25 g，準(zhǔn)確至0.000 1 g。電子天平檢定證書上最大允差為±0.000 1 g，包含因子采用B類方法評定，由此產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：U1（m）=0.0001g/=0.000058g，因此由樣品稱量引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：Urel（m）=0.000058g/0.25g=0.000232。

3.2.2 樣品消化液定容時引入的不確定度Urel（V）

樣品定容時的影響不確定度的因素主要包括了溫度因素和容量允差，由此得出樣品定容引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 U允差（V1）和 U溫度（V2）。

25 mL容量瓶引入的不確定度U允差（V1）。樣品消化液定容于25 mL容量瓶，據(jù)JJG 196—2006《常用玻璃量器檢定規(guī)程》[5]，25 mL容量瓶最大允差為±0.03 mL，采用B類方法評定，則可得U允差（V1）=0.03/=0.017mL。

25 mL容量瓶標(biāo)定溫度為20 ℃時，液體體積膨脹系數(shù)高于容量瓶的膨脹系數(shù)，因此只考慮試樣消化液的膨脹系數(shù)，可認(rèn)為試樣消化液的膨脹系數(shù)與水相近，水的膨脹系數(shù)為0.000 21 ℃，由此可得其體積增量為25 mL×0.00021=0.0052mL，體積增量為變化范圍的半寬，則U溫度（V2）=25×2.1×10-4/=0.0030mL。

將影響定容時引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度的兩個因素U允差（V1）和U溫度（V2）合并，可得：

由樣品消化液定容引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：Urel（V）=0.017/25=0.000680。

3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度 Urel（d）

鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液配置過程引入的不確定度包括標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)本身的不確定度Urel(da)和標(biāo)準(zhǔn)工作曲線配制過程引入的不確定度Urel(db)。

標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度Urel(da)。批號GBW08612的鎘標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（1 000 μg/mL），其證書上的相對擴展不確定度為0.002（包含因子k=2），因此由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度Urel（da）=0.002/2=0.001。

標(biāo)準(zhǔn)曲線系列配制過程引入的不確定度分量Urel（db）。在標(biāo)準(zhǔn)曲線系列的配制過程中，需分3次把濃度為1 000 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液進行逐級稀釋，此過程需用到1 mL和5 mL的可調(diào)式移液槍，5個10 mL和2個50 mL容量瓶，可調(diào)式移液槍和容量瓶是標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中引入不確定度的主要因素。

用1 mL移液槍吸取0.5 mL 1000 μg/mL鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液至50 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，得到濃度為10 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)儲備液，此為第一次稀釋過程。根據(jù)JJG196-2006《常用玻璃量器檢定規(guī)程》[6]檢定要求和可調(diào)式移液槍的檢定證書，1 mL移液槍的擴展不確定度是0.005，包含因子k=2，可得1 mL移液槍的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（d1mL）=0.005×0.5/（2×0.5）=0.0025；50 mL容量瓶的擴展不確定度是0.03 mL，包含因子k=2，則50mL容量瓶的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（d50mL）=0.03/(2×50)=0.0003。故此可得第一次稀釋過程引入的不確定度：

用1 mL移液槍吸取0.5 mL 10 μg/mL的鎘標(biāo)準(zhǔn)儲備液至50 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，得到濃度100 μg/L的鎘標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，故第二次稀釋過程引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度與第一次稀釋過程引入的相同，Urel（d2）=0.0025。

使用5 mL移液槍分別吸取100 μg/L的鎘標(biāo)準(zhǔn)使用液0.5、1.0、2.0、3.0 mL及4.0 mL至10 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，此過程需用到5 mL移液槍和5個10mL容量瓶[7]。5 mL移液槍的擴展不確定度為0.002，包含因子k=2，則5 mL移液槍的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度 Urel（d5mL）=0.002/(2×5)=0.0002；10 mL容量瓶的擴展不確定度0.015 mL，包含因子k=2，可得10 mL容量瓶的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（d10mL）=0.015/(2×10)=0.00075。可得第三次稀釋過程引入的不確定度：

綜上所述，通過合成各分量可得標(biāo)準(zhǔn)工作曲線配制過程引入的不確定度：

則標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度：

3.2.4 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度 Urel（C）

優(yōu)化儀器最佳條件后，使用ICPMS測定鎘標(biāo)準(zhǔn)工作曲線系列，每個點濃度分別為5.0、10.0、20.0、30.0 μg/L和40.0 μg/L，每個濃度重復(fù)測定次數(shù)為3次，采用內(nèi)標(biāo)法進行定量[8]。以鎘元素和內(nèi)標(biāo)元素的響應(yīng)值（CPS）之比為縱坐標(biāo)，標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo)，用最小二乘法擬合后可得線性方程Y=0.005124X+0.0000，相關(guān)系數(shù)r=0.9994。曲線擬合的標(biāo)準(zhǔn)差：

可得標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

式（8）中：U（c）是標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，μg/L；Sr是標(biāo)準(zhǔn)曲線的標(biāo)準(zhǔn)差；Yi是鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液系列的濃度，μg/L；a是標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率，b是標(biāo)準(zhǔn)曲線的截距，n是標(biāo)準(zhǔn)溶液測定的總次數(shù)（n=15）；p是待測試樣重復(fù)測定的次數(shù)（p=3）；c是待測樣品測得濃度的平均值，μg/L；c-是標(biāo)準(zhǔn)曲線各濃度的平均值，μg/L；ci是標(biāo)準(zhǔn)系列鎘溶液濃度測定值，μg/L。

綜上數(shù)據(jù)可得，標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：Ure（lC）=U（c）/-c=0.7006/17.5=0.0400。

3.2.5 試樣測定重復(fù)性引入的不確定度 Urel（R）

在同一測定條件下，用ICP-MS對同一個樣品進行3次重復(fù)測定，得到樣品測定的標(biāo)準(zhǔn)偏差Cr=0.0131μg/L，重復(fù)測定n=3，樣品測定的平均濃度c=6.50μg/L，則樣品測定重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度U（R）=0.0131×10-9/=0.00756μg/L。

所以，樣品測定重復(fù)性引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel（R）=U（R）/c=0.00756/6.50=0.00116。

3.3 合成相對不確定度Urel及擴展不確定度

3.3.1 相對不確定度Urel

當(dāng)置信概率為95%時，包含因子k=2，則擴展不確定度為：U=U（u）×k=0.0263×2=0.0526mg/kg。

3.3.2 結(jié)果表示

根據(jù)上述不確定度評定結(jié)果，當(dāng)紅茶樣品稱樣量為0.25 g時，使用電感耦合等離子體質(zhì)譜法測定鎘含量可表示為X=（0.65±0.0526）mg/kg，包含因子k=2。

4 結(jié)論

通過對不確定度的來源及各不確定度分量的分析，可知標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入、標(biāo)準(zhǔn)配溶液配制過程及樣品測定重復(fù)性是該方法不確定度的主要來源，因此在實驗過程中需要做好對標(biāo)準(zhǔn)曲線系列的控制工作，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制操作，以保證標(biāo)準(zhǔn)曲線良好的線性和相關(guān)系數(shù)。同時要建立規(guī)范化的儀器維護保養(yǎng)工作規(guī)程，做好檢驗人員的定期培訓(xùn)及考核，確保儀器運行的穩(wěn)定性，減小因不規(guī)范操作引起的誤差[9-11]。

本次不確定度評定實驗在檢測工作中，為測定結(jié)果提供可信區(qū)間和不確定度來源考量因素，保證了測定結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時也為ICP-MS法測定其他品種茶葉中鎘元素含量的不確定度提供了理論依據(jù)[12-13]。