電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的不確定度評定及方法改進(jìn)

徐 沖 趙立琴 李玉丹 孫 鵬 劉遠(yuǎn)洋

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)測試中心；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品及加工品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(大慶)1，大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)生物技術(shù)中心2，大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)食品學(xué)院3，大慶 163319)

鋁本身是一種慢性毒性元素，不屬于人體的微量元素，過量攝入對人體健康有一定的影響[1]。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織 (WHO/FAO)認(rèn)為鋁屬于低毒級金屬，提出人體鋁的暫定攝入量標(biāo)準(zhǔn)為7 mg/kg，我國也提出了面制食品中鋁的限量衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)(≤100 mg/kg)[2]。

食品中鋁的來源主要有以下幾種途徑：第一，天然存在。由于鋁是地殼中含量最高的金屬，飲用水含有鋁，含量一般少于0.2 mg/L。大部分食物亦含有鋁，一般含量少于5 mg/kg。第二，使用鋁制烹飪用具和錫紙所致。除食品本身含鋁外，用鋁制品包裝或盛放食品的器具也可導(dǎo)致食品鋁含量超標(biāo)。第三，含鋁食品添加劑。由于無鋁膨松劑的成本要比普通的化學(xué)膨松劑高3～4倍，因此面制食品加工中使用鉀明礬、銨明礬等含鋁膨松劑，使鋁含量明顯增大，這是造成面制食品鋁含量超標(biāo)的根源[3]。因此對面制品中鋁含量的檢測非常重要。

目前，食品中鋁含量的檢測常用分光光度計法[4，5]、石墨爐原子吸收光譜法[6，7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法及電感耦合等離子體質(zhì)譜法等方法[8-10]，且已出臺GB 5009.182—2017[11]。其中，分光光度計法操作煩瑣，靈敏度較低，且受酸度、基質(zhì)等因素影響較大，難以適應(yīng)低水平鋁含量的測定。石墨爐原子吸收法則需要較高的原子化溫度，石墨管易受損傷，并且線性范圍較窄[12]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)操作簡便，分析速度快，精密度、靈敏度高、準(zhǔn)確度高，檢出限低，受樣品基體干擾少，且能同時測定多個元素，尤其適合檢測痕量樣品和含量特別低的成分。但I(xiàn)CP-MS需要質(zhì)譜儀，價格較為高昂，難以普及。而ICP-OES相對要求較低，同時具備線性范圍寬等特點，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于元素的分析[13]。綜合考慮，本研究采用ICP-OES作為檢測手段。

測量不確定度簡稱不確定度，是根據(jù)所用到的信息表征賦予被測量值分散性的非負(fù)參數(shù)，其與測量結(jié)果相聯(lián)系[14]。根據(jù)CNAS-CL01《檢測和校準(zhǔn)實驗室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》[15]，可以看出，評定測量不確定度已經(jīng)成為檢測實驗室的必備的工作內(nèi)容之一。國內(nèi)外對測量不確定度的研究已有很多[16-18]。

將科學(xué)的測量不確定度引入檢測過程中，可以極大地統(tǒng)一理解和說明測量結(jié)果，對于客觀評價檢測結(jié)果，尤其是對檢測結(jié)果臨界值的判斷具有重要意義[19]。因此，對于面制品中鋁的測量方法的不確定度進(jìn)行評定也有其重要的意義。以往對應(yīng)用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量方法的不確定度的研究很少[20]，且采用JJF1059—1999的評定方法，最后也僅給出不確定度的數(shù)據(jù)，未對不確定度的主要貢獻(xiàn)者提出改進(jìn)方法及可能降低或消除這些影響因素的程度。本實驗采用JJF1059.1—2012《測量不確定度的評定與表示》的評定方法，分析評定用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的不確定度，為有效地控制用該方法來測定面制品中鋁含量的質(zhì)量分析提供依據(jù)，并通過對測量不確定度的評定，找到引起測量不確定度的主要貢獻(xiàn)者，進(jìn)而通過改變測量方法的方式，減小測量的不確定度，同時測量出能夠降低影響因素的程度，為檢測工作和分析工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

65%硝酸(優(yōu)級純)；30%過氧化氫(分析純)；鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液(GSB 04-1713-2004，1 000 μg/mL)；四種市售面制品：普通饅頭、大棗饅頭、花卷、發(fā)面餅。

1.2 儀器與設(shè)備

PekinElmer Optima8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、MARS 6微波消解儀、eppendorf移液器(100～1 000 μL)。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

取具有代表性的四份樣品置85 ℃恒溫干燥箱中干燥4 h。將樣品粉碎混合均勻并過1 mm篩，稱取0.2 g左右(精確至0.000 1g)于聚四氟乙烯消解罐中，加入10 mL65%硝酸后將其放入微波消解儀中。樣品消解：5 min加熱到120 ℃并保持10 min，再用5min加熱到160 ℃并保持10 min，最后用5 min加熱到180 ℃并保持15 min。冷卻至室溫，將消解罐置于150 ℃趕酸儀上揮去多余硝酸，待樣品剩余1～2 mL時，冷卻，將樣品轉(zhuǎn)移至25 mL容量瓶中，定容至刻度，待測。同時做試劑空白實驗。

1.3.2 ICP-OES工作參數(shù)

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)見表1。

表1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)

1.3.3 標(biāo)準(zhǔn)曲線制作

配制標(biāo)準(zhǔn)儲備液：用吸量管吸取10 mL鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得濃度為100 μg/mL的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液。

配制標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：用移液器分別吸取0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00 mL鋁標(biāo)準(zhǔn)儲備液于6個100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容，即得濃度為0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液。

將標(biāo)準(zhǔn)系列工作溶液注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中，以標(biāo)準(zhǔn)溶液中鋁的濃度為橫坐標(biāo)，其分析譜線強度響應(yīng)值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.3.4 試樣的測定

將空白溶液和試樣溶液分別注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線得到消解液中鋁的濃度。

1.3.5 數(shù)學(xué)模型的建立

面制品中鋁含量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：X為面制品中鋁含量/mg/kg；Ci和C0為從工作曲線上查得的樣品消解液和空白溶液中鋁的質(zhì)量濃度/μg/mL；V和m為樣品定容體積/mL和樣品質(zhì)量/g。

2 結(jié)果與分析

2.1 不確定度來源分析

根據(jù)檢測方法和數(shù)學(xué)模型，不確定度分量主要來源為：樣品稱量過程中引入的不確定度、樣品消解過程中引入的不確定度、樣品定容過程中引入的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度(鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度、標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制的不確定度)、標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度和樣品測定重復(fù)性引入的不確定度。

2.1.1 樣品稱量過程中引入的不確定度

電子分析天平依據(jù)檢定證書提供的結(jié)果值，確定其不確定度。

所以，由電子分析天平產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

此次稱樣的平均質(zhì)量為M=0.207 9 g，則樣品稱量過程中引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.1.2 樣品消解過程中引入的不確定度

準(zhǔn)確稱取6個0.200 0 g樣品，分別向其中加入100 μg/mL的標(biāo)準(zhǔn)溶液0.1 mL，對樣品進(jìn)行加標(biāo)回收測定，所得結(jié)果見表2。

表2 樣品加標(biāo)回收率測量結(jié)果/%

式中：b+和b-分別為最大和最小回收率。

樣品消解過程中引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.1.3 樣品定容過程中引入的不確定度

所以，由25 mL容量瓶產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

因此，由樣品定容過程中引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.1.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度

2.1.4.1 鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液的不確定度

2.1.4.2 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制過程中引入的不確定度

比如，教師在對旅游專業(yè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的時候，應(yīng)該重視提高學(xué)生的語言表達(dá)能力。教師在對蘇教版的《再別康橋》這一課進(jìn)行教學(xué)時，可以讓學(xué)生將“康橋”作為一個旅游景點，結(jié)合文章，用自己的語言來向大家介紹“康橋”，也就是即興說一段關(guān)于“康橋”的導(dǎo)游詞。教師在教學(xué)過程中能夠有效將教材內(nèi)容與學(xué)生的職業(yè)進(jìn)行融合，從而能夠在潛移默化中提高學(xué)生的語言表達(dá)能力，促使學(xué)生取長補短，為此專業(yè)學(xué)生以后的就業(yè)奠定基礎(chǔ)。

所以，由10 mL吸量管引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

因此，由10 mL吸量管引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

所以，由100 mL容量瓶引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

因此，由100 mL容量瓶引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

所以，由1 000 μL移液器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

因此，由1 000 μL移液器引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

綜上所述，由配制標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.1.5 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度

測定標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的6個點(每個點測3平行)，檢測結(jié)果及各計算結(jié)果列于表3，根據(jù)各濃度下測得值所得平均響應(yīng)值數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得Y=409 817C-2423，r=0.999 8。

根據(jù)表3，擬合曲線的殘余標(biāo)準(zhǔn)差為：

式中：Yi為標(biāo)準(zhǔn)溶液任意濃度下的響應(yīng)值；Y為與Yi相對應(yīng)濃度下的曲線模擬響應(yīng)值;P為標(biāo)準(zhǔn)溶液的總測定次數(shù)(此次P=3×6=18)。

標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

因此，標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.1.6 樣品重復(fù)測定引入的不確定度

樣品重復(fù)測定11次，所得的消解液根據(jù)擬合后的標(biāo)準(zhǔn)曲線得到消解液中鋁的濃度，再根據(jù)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計算，得到樣品中鋁的含量。結(jié)果列于表4。

根據(jù)表4中所列數(shù)據(jù)，計算樣品中鋁含量的標(biāo)準(zhǔn)偏差為：

平行測定的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

表3 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液測定結(jié)果

表4 樣品中鋁含量測定結(jié)果

樣品重復(fù)性測定引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

2.2 相對合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴(kuò)展不確定度

因此，采用微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的結(jié)果表示為：X=(47.9±3.0) mg/kg(k=2)。

2.3 討論

通過應(yīng)用ICP-OES測定面制品中鋁含量結(jié)果的不確定度，可以看出，影響不確定度的順序依次為標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度>樣品消解過程中引入的不確定度>樣品重復(fù)測定引入的不確定度>標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度>樣品稱量過程中引入的不確定度>樣品定容過程中引入的不確定度。

針對不確定度的產(chǎn)生原因，采取以下幾條途徑來降低不確定度分量。

2.3.1 改變標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程

配制標(biāo)準(zhǔn)儲備液：用單標(biāo)吸量管吸取1.0 mL鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得濃度為10 μg/mL的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液。

配制標(biāo)準(zhǔn)系列溶液：用吸量管分別吸取0.0、1.00、2.00、4.0、8.0、10.0 mL鋁標(biāo)準(zhǔn)儲備液于6個100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容(其中1.00、2.00、10.00 mL用單標(biāo)吸量管，4.00 mL和8.00 mL用分度吸量管)，即得濃度為0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的鋁標(biāo)準(zhǔn)溶液。

在標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中，移液器在吸取不同體積的標(biāo)準(zhǔn)溶液時引入的不確定度隨著移取體積的改變其變化較大，引起此結(jié)果的主要原因在于同一移液器容量允許誤差會根據(jù)移取體積的變化而有所不同。而移取體積數(shù)越大，其產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度越小。因此，在此過程中為減小引入的不確定度，盡量移取較大體積的溶液。此外，通過對比JJG 646—2006和JJG 196—2006可以看出，在移取相同體積液體時，單標(biāo)吸量管的容量允差均低于移液器的容量允差。因此，為降低不確定度，盡量改用單標(biāo)吸量管進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制。

依據(jù)2.1.4計算方式，按改變后的配制過程再次計算標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程中產(chǎn)生的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。urel(標(biāo))由之前的0.022 027下降為0.010 230，差別顯著。

同時也做了將其中的移取體積為4.00和8.00 mL的部分用2.00 mL單標(biāo)吸量管進(jìn)行2次和4次的重復(fù)吸取，結(jié)果得到urel(標(biāo))為0.015 826，其結(jié)果較用分度吸量管一次吸取的效果差。其原因在于多次吸取溶液過程中，對吸量管的不確定度起主要作用的溫度效應(yīng)也同樣需要進(jìn)行多次計算導(dǎo)致。因此，盡量做到一次完成溶液的移取工作。

2.3.2 減少轉(zhuǎn)移次數(shù)

消解過程中，由于被測樣品的揮發(fā)、污染及吸附的發(fā)生，都會產(chǎn)生待測元素的損失。因此，需要盡量減少被測物質(zhì)的轉(zhuǎn)移次數(shù)，且少量多次清洗消解罐以減少被測成分的損失。

2.3.3 增加樣品測量次數(shù)

根據(jù)樣品重復(fù)性測定引入的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計算公式可以看出，同一樣品增加測量次數(shù)可以顯著降低相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。以本實驗為例，在所測數(shù)據(jù)分散性(即標(biāo)準(zhǔn)偏差)和平均值不變的情況下，將測量次數(shù)增加到20次，得到的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(X)為0.006 239，較原始0.008 412有顯著降低。因此，可通過增加樣品測量次數(shù)的方式降低測量不確定度。

2.3.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液平均濃度接近樣品溶液濃度

由標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引起的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度公式可以看出，當(dāng)樣品溶液平均濃度與標(biāo)準(zhǔn)溶液平均濃度越接近，標(biāo)準(zhǔn)溶液與樣品溶液測定次數(shù)越多，則相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度越小。因此，當(dāng)配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時，使其平均濃度盡量接近樣品溶液濃度且多次重復(fù)測定。

2.3.5 適當(dāng)增加樣品稱量質(zhì)量

樣品稱量過程中引入的不確定度，其中僅有稱量質(zhì)量為唯一變量，由計算公式可知，適當(dāng)增加稱樣質(zhì)量可顯著降低其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度。實驗中若將樣品稱量質(zhì)量提高到0.500 0 g，則其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度會由原來的0.004 18變?yōu)?.001 74，差別顯著。但由于試樣量的不斷增加，最終會導(dǎo)致消解的不完全而影響檢測結(jié)果。因此，需要在不影響消解效果的前提下，盡量增加樣品量。

3 結(jié)論

通過采用ICP-OES測定面制品中鋁含量，對測定方法的不確定度進(jìn)行評定，分析不確定度的主要來源，并將各分量合成。當(dāng)鋁含量為47.9 mg/kg時，擴(kuò)展不確定度為3.0 mg/kg(k=2)。并找出了引起測量不確定度的主要貢獻(xiàn)者，其順序依次為：標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的不確定度>樣品消解過程中引入的不確定度>樣品重復(fù)測定引入的不確定度>標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度>樣品稱量過程中引入的不確定度>樣品定容過程中引入的不確定度。針對其產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，可以通過改變標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過程、減少被測物質(zhì)轉(zhuǎn)移次數(shù)、增加樣品測量次數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)溶液平均濃度接近樣品溶液濃度、適當(dāng)增加樣品稱量質(zhì)量的途徑，使不確定度降低。其中3個主要分量分別從(0.022 0、0.008 4、0.004 2)下降為(0.010 2、0.006 2、0.001 7)，效果顯著，達(dá)到了降低影響結(jié)果準(zhǔn)確性因素的目的，使得檢測結(jié)果可以更大程度上的接近真值。