ICP-MS法測量乳中重金屬鉛含量的不確定度評定

(廣東燕塘乳業股份有限公司，廣州 510700)

牛奶富含多種營養物質，是為數不多的全價食品之一，深受民眾的喜愛。隨著現代工業的發展，環境污染的問題日益嚴重，其中重金屬污染尤甚，如鉛、鎘等。重金屬可通過飼料、水、空氣等途徑長期蓄積在奶牛體內，進而帶入到分泌的乳液。這些重金屬一旦超標，毒性很大，進入人體消化系統后不能被排出，在某些器官中積蓄起來，造成急性、亞急性、慢性中毒，嚴重危害人的健康。因此，牛奶中鉛等重金屬含量的準確檢測十分重要。

質控樣品檢測是實驗室監控結果有效性的方法之一。本實驗通過GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》[1]的方法對乳中鉛含量進行測定，并按照CNAS-GL006《化學分析中不確定度的評估指南》[2]的要求對測定過程的不確定度進行分析，得出該檢測過程的測量不確定度，為實驗室日常檢測中測量不確定度的評定提供參考。

1 材料與方法

1.1 主要儀器設備及試劑

PE ICP-MS NexION 350X；MWPRO 微波消解儀；電子分析天平(感量0.1mg)；Minipole超純水系統；移液器；容量瓶；硝酸(HNO3)。

除非另有說明，本實驗中使用的均為優級純試劑和GB/T 6682-2008中規定的一級水。

1.2 方法

1.2.1檢測原理

試樣經消解后,由ICP-MS電感耦合等離子體質譜儀測定,以元素特定質量數(質荷比,m/z)定性,采用外標法，以待測元素質譜信號與內標元素質譜信號的強度比與待測元素的濃度成正比進行定量分析[1]。

1.2.2檢測過程

具體ICP-MS法測量乳中重金屬Pb含量所需步驟見圖1。

圖1 ICP-MS法測量乳中重金屬Pb含量檢測步驟

1)標準液的配制

a．鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準儲備液(1μg/mL):吸取5mL鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準物質(10.0mg/kg)于50mL容量瓶中，用硝酸溶液(5+95)定容至刻度，配成1μg/mL的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準儲備液，于4℃避光保存。

b．鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準中間液(10μg/L)：吸取0.5mL的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準儲備液(1μg/mL)于50mL的容量瓶中，用一級水定容至刻度，配成10μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準中間液。

c．鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準工作溶液：吸取鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準中間液(10μg/L)0.5、2.5、5.0、7.5、10 mL，用汞標準穩定劑定容至50mL，配成濃度為0.1、0.5、1.0、1.5、2.0μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準工作溶液。

d．內標(鉍、鍺、銦、銠、鈧、鋱、釔)標準使用液(50μg/L)：吸取 2.5mL內標元素(鉍、鍺、銦、銠、鈧、鋱、釔)標準溶液(10μg/mL)于500mL容量瓶中，用硝酸溶液(5+95)定容至500mL，配成50μg/L的內標(鉍、鍺、銦、銠、鈧、鋱、釔)標準使用液。

2)樣品的制備

稱取試樣0.5g于微波消解內管中，加入 5mL硝酸，緩慢旋緊螺蓋，按照微波消解儀標準操作步驟進行消解。冷卻后取出，將排氣扳手插入放氣螺桿中，緩慢旋轉放氣螺桿排氣，再緩慢打開密封蓋，用一級水沖洗內蓋，然后用一級水將密封蓋和內管中的待測反應液轉移到50mL容量瓶中，最后用一級水定容到50mL，混勻備用，同時做空白試驗。

3)儀器工作條件參數：儀器工作條件參數見表1。

表1 電感耦合等離子體質譜儀儀器工作條件參數

1.2.3檢測結果計算

根據GB 5009.268-2016《食品安全國家標準 食品中多元素的測定》，該方法的計算數學模型為：

式中：

X：試樣中待測元素含量,mg/kg；

ρ：試樣溶液中被測元素質量濃度,μg/L；

ρ0：試樣空白液中被測元素質量濃度,μg/L；

V：試樣消化液定容體積,mL；

F：試樣稀釋倍數；

m：試樣稱取質量,g；

1000：換算系數。

計算結果保留3位有效數字。

1.3 樣品檢測結果

稱取同一批次的試樣6份(質控樣品特性值：0.247mg/kg,特性值區間：0.171～0.323mg/kg)，按照微波消解儀標準操作步驟進行消解后，將待測反應液轉移到50mL容量瓶中，最后用一級水定容到50mL，混勻。在相同的ICP-MS的條件下平行測定定容后樣液中重金屬鉛的含量，試驗數據和分析結果見表2。

表2 樣品測量數據和計算結果

2 不確定度來源的識別和分析

2.1 不確定度的來源識別

ICP-MS法測量乳中重金屬Pb含量的測量不確定度來源主要有6個方面，分別為：

(1)ICP-MS儀器的不確定度：主要由ICP-MS的靈敏度、穩定性的等引入的不確定度；

(2)試樣質量的不確定度：主要由稱重的隨機變異和天平校準帶來的不確定度；

(3)微波消解儀的不確定度：主要由微波消解儀消解試樣的不均勻性引入的不確定度；

(4)試樣消化液定容體積的不確定度：主要有定容用容量瓶內部體積的不確定度，容量瓶和消化液溫度與容量瓶體積校準時的溫度不同引起體積變動帶來的不確定度；

(5)標準工作溶液的不確定度：主要包括標準物質溶液的不確定度和標準溶液稀釋過程中產生的不確定度；

(6)重復測定試樣的不確定度：主要由試樣重復測定引入的不確定度。

測量不確定度來源及分類見表3和不確定度因果關系見圖2。

表3 測量不確定度的來源及其分類

圖2 測量不確定度因果關系圖

2.1 不確定度分量的量化2.1.1 ICP-MS影響因子的不確定度

試樣經微波消解儀消解定容后，進入ICP-MS測量時，所使用ICP-MS的靈敏度、穩定性等可能會對測量不確定度產生影響，根據ICP-MS校準證書(校準證書編號NG201907378)標明制造商提供的ICP-MS的相對擴展不確定度(k=2)為10%，將ICP-MS影響因子分量轉化為相對標準不確定度。

即，ICP-MS影響因子的相對標準不確定度為：

2.1.2 試樣消解不均勻的不確定度

試樣加入硝酸后，放入微波消解儀中消解，所使用的微波消解儀功率、溫度、傳感器等可能會對試樣消解不均勻的測量不確定度產生影響，根據微波消解儀校準證書(校準證書編號NG201907428)標明制造商提供的微波消解儀的擴展不確定度(k=2)為5.0%，將試樣消解不均勻分量轉化為相對標準不確定度。

即，試樣消解不均勻分量的相對標準不確定度為：

2.1.3試樣質量(m)的不確定度

實驗過程中約取0.5g待檢試樣，每一次稱重都會有隨機變異和天平校準帶來的不確定度。天平本身校準的不確定度來源分別是靈敏度和校準函數的線性，由于稱量是用同一臺天平且稱量范圍較小，所以忽略靈敏度帶來的不確定度。

線性：代表的是托盤上被稱量的實際重量與從天平上讀取的數值的最大差值，萬分之一天平校準證書(校準證書編號LE202000842)標明其線性的測量結果擴展不確定度為0.5mg(k=2)。天平制造商自身的不確定度建議采用矩形分布將線性分量轉化為標準不確定度。因此，天平不確定度的線性分量為：

即，試樣質量(m)的標準不確定度u(m)為：u(m)=0.29mg

試樣質量(m)的相對標準不確定度為：

2.1.4試樣消化液定容體積(V)的不確定度

該體積有兩個主要的影響因素：校準和溫度影響。

2.1.4.1校準

100mL(A級)容量瓶校準證書(校準證書編號BSH-CL-2020070020-3)標明制造商提供的容量瓶在20℃時的擴展不確定度(k=2)為0.02mL，采用矩形分布將容量瓶體積分量轉化為標準不確定度。

因此，100mL (A級)容量瓶不確定度的體積分量為：

即，100mL(A級)容量瓶體積分量的標準不確定度u1(V100)為：u1(V100)=0.012mL

2.1.4.2溫度

a.質輕安全：重量非常輕，大約1kg/m2，相當于真石漆的1/6，干掛石材的1/40，面磚的1/20，沒有任何的安全隱患；

根據制造商提供的信息，該容量瓶已在20℃校準，而實驗室的溫度在±4℃之間變動。該影響引起的不確定度可通過估算該溫度范圍和體積膨脹系數來進行計算。液體的體積膨脹明顯大于容量瓶的體積膨脹，因此只需考慮前者即可。JJG196-2006規定，水的體積膨脹系數為2.1×10-4/℃[3]，因此產生的體積變化為±(50×4×2.1×10-4)=±0.042mL，采用矩形分布將溫度變化分量轉化為標準不確定度。

因此，溫度變化不確定度的分量為：

即，溫度變化分量的標準不確定度u2(V100)為：u2(V100)=0.024mL

2.1.4.3兩種分量合成得到試樣消化液定容體積(V)的標準不確定度u(V)

試樣消化液定容體積(V)的相對標準不確定度為：

2.1.5標準工作溶液的不確定度2.1.5.1標準物質溶液引入的不確定度

實驗中所用鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準物質濃度為10.0mg/kg，是中國計量科學研究院提供，GBW(E)083363國家標準物質證書(批次號：19061)上注明其相對擴展不確定度(k=2)為2%，假定為矩形分布，其不確定度的分量為：

即，鉛標準物質溶液的標準不確定度為：

u(C鉛)= 0.1mg/kg

2.1.5.2稀釋配制過程中引入的不確定度

標準溶液配制的不確定度由玻璃容器和可調移液器、配制標準儲備液和標準中間液、配制標準工作溶液引入的，具體分析過程如下：

2.1.5.2.1 玻璃容器和可調移液器引入的不確定度

(1)50mL容量瓶(A級)引入的不確定度

該分量有2個主要的影響因素：校準和溫度影響。

①校準：50mL容量瓶(A級)校準證書(校準證書編號BSH-CL-2020070020-3)標明制造商提供的容量瓶在20℃時的擴展不確定度(k=2)為0.02mL，采用矩形分布將容量瓶體積分量轉化為標準不確定度。

因此，50mLA級容量瓶不確定度的體積分量為：

即，50mL容量瓶(A級)體積分量的標準不確定度u1(V50)為：u1(V50)=0.012mL

②溫度：根據制造商提供的信息，該容量瓶已在20℃校準，而實驗室的溫度在±4℃之間變動。該影響引起的不確定度可通過估算該溫度范圍和體積膨脹系數來進行計算。液體的體積膨脹明顯大于容量瓶的體積膨脹，因此只需考慮前者即可。JJG196-2006規定，水的體積膨脹系數為2.1×10-4/℃[3]，因此產生的體積變化為±(50×4×2.1×10-4)=±0.042mL，采用矩形分布將溫度變化分量轉化為標準不確定度。

因此，溫度變化不確定度的分量為：

即，溫度變化分量的標準不確定度u2(V50)為：u2(V50)=0.024mL

兩種分量合成得到試樣消化液定容體積(V)的標準不確定度u(V50)為：

試樣消化液定容體積(V)的相對標準不確定度urel(V50)為：

(2) 5mL可調移液器引入的不確定度

5mL可調移液器校準證書(校準證書編號BSH-CL-2020080029-4)標明制造商提供的可調移液器的容量相對誤差測量結果擴展不確定度為4.3 μL(k=2)，將可調移液器分量轉化為標準不確定度，即5mL可調移液器不確定度的分量為：

即, 5mL可調移液器的標準不確定度為：u(V移5mL)為：u(V移5mL)=2.15μL

5mL可調移液器的相對標準不確定度為：

(3)1000μL可調移液器引入的不確定度

1000μL可調移液器校準證書(校準證書編號BSH-CL-2020080029-3)標明制造商提供的可調移液器的容量相對誤差測量結果擴展不確定度為1.3μL(k=2)，將可調移液器分量轉化為標準不確定度，即1000μL可調移液器不確定度的分量為：

即，1000μL可調移液器的標準不確定度u(V移1mL)為：u(V移1mL)=0.65μL

1000μL可調移液器的相對標準不確定度urel(V移1mL)為：

(4)10mL可調移液器引入的不確定度

10mL可調移液器校準證書(校準證書編號BSH-CL-2020080029-5)標明制造商提供的可調移液器的容量相對誤差測量結果擴展不確定度為5.0μL(k=2)，將可調移液器分量轉化為標準不確定度，即用10mL移液器取2.5、5.0、7.5、10mL的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準中間液產生不確定度的分量如表4。

表4 10mL移液器移取混合標準溶液產生的不確定度分量

2.1.5.2.2配制標準儲備液和標準中間液引入的不確定度

(1)用5mL可調移液器移取5mL鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準物質于50mL容量瓶(A級)中，用硝酸溶液(5+95)定容至刻度，得到濃度為1 μg/mL鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準儲備液。則1 μg/mL鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準儲備液的相對標準不確定度為：

(2)用1000μL可調移液器移取500μL鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準儲備液于50mL容量瓶(A級)中，得到濃度為10μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準中間液，并用一級水定容至刻度。則10μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準中間液的相對標準不確定度urel(C中)為：

2.1.5.2.3 配制標準工作溶液引入的不確定度

用1000μL和10mL可調移液器分別移取0.5、2.5、5.0、7.5、10 mL的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合溶液標準中間液于50mL容量瓶(A級)中，得到0.1、0.5、1.0、1.5,2.0μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準工作溶液。則0.1、0.5、1.0、1.5、2.0μg/L的鎘、鉻、砷、汞、鉛混合標準工作溶液系列點的相對標準不確定度分別是：

綜上所述，標準工作溶液引入的不確定度由標準工作溶液各個系列點的相對標準不確定度均方根求得，即

2.1.6重復測定試樣的不確定度

根據表3中測量不確定度的來源及其分類，可知重復測定試樣引入的不確定度為A類測量不確定度。依據表2中的樣品測量數據，計算測定結果的標準偏差s(X)：

即重復測量試樣的標準不確定度ux(Rep)=0.00071

重復測定試樣的A類相對不確定度為：

2.2 合成相對標準不確定度

將以上各分量合成相對標準不確定度，即

2.3 擴展不確定度

ICP-MS法測量乳中重金屬Pb含量的擴展不確定度，取包含因子k=2(95%)[4]，則擴展不確定度為：

U=2×u=2×0.015mg/kg=0.03mg/kg

3 結論

ICP-MS法測量乳中重金屬Pb含量的測量不確定度報告，取95%置信概率，包含因子k=2[4]，其結果報告為：

通過不確定度的評定分析，微波消解儀消解試樣不均勻性、試樣消化液定容體積、重復測定試樣所引入的不確定度影響較小，儀器影響因子、試樣質量、標準工作溶液引入的不確定度影響較大。因此，在實際操作過程中，檢驗員要對設備的進行養護并保持其穩定性、稱量的準確和配制標準曲等都要嚴格按照操作流程，避免放大不確定度，提高檢測的準確性。