ICP-MS法測定海帶中鉛含量的不確定度評定

◎ 謝亞興

（江西嘉信檢測有限公司，江西 南昌 330000）

海帶富含褐藻膠和碘質，具有重要的經濟價值，但其生長的環境若受到污染，海帶會通過物理或生物吸附有害金屬元素[1]。鉛是一種蓄積性很強的金屬元素，極易影響人體的神經、消化、血液和免疫等系統，并造成嚴重影響，是食品污染物監測的必檢項目[2]。電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）是一種靈敏度高、檢測速度快、受干擾小的測試方法，廣泛用于食品中多元素的分析[3]。在海帶鉛的檢測過程中，標準物質、儀器設備及人員操作對檢測結果的準確度均有一定影響，因此為了準確地衡量檢測結果，對海帶中鉛含量進行測量不確定度的評定是很有必要的。

本文依據《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》（GB 5009.12—2017）[4]第二法，運用ICP-MS對海帶中鉛的含量進行檢測，參照《測量不確定度評定與表示》（JJF 1059.1—2012）[5]和《化學分析中不確定度的評估指南》（CNAS—GL 006：2019）[6]的要求和規定，對測量結果的不確定度進行分析評定，探究影響不確定度的主要來源，以期為海帶中鉛含量的準確測量提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

ICPMS-2030電感耦合等離子體質譜儀，日本島津公司；HZY-A220電子天平，福州華志公司；MASTER 40微波消解儀、ECH-20微機控溫加熱板，上海新儀微波化學科技有限公司。

鉛元素標準溶液 GSB 04-1742-2004，1 000 μg·mL-1，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；多元素內標液 GNM-M061667-2013，100 μg·mL-1，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；硝酸，優級純，德國默克公司；30%過氧化氫，優級純，國藥集團；實驗用水為超純水。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理

參照《食品安全國家標準 食品中鉛的測定》（GB 5009.12—2017）第二法，準確稱取0.25 g烘干海帶樣品于微波消解內罐中，加5 mL硝酸、1 mL 30%過氧化氫，加蓋、過夜；次日裝上外罐并旋緊罐蓋，按表1消解程序于微波消解儀消解。冷卻后取出，開蓋、排氣，用少量水沖洗內蓋，將消解罐于加熱板中130 ℃加熱趕酸，用超純水定容至50 mL，搖勻備測，并做空白。

1.2.2 標準溶液的配制

吸取適量鉛標準溶液（1 000 μg·mL-1），用1%HNO3溶液稀釋成1 μg·mL-1鉛標準中間液。吸取適量鉛標準中間液，用 1%HNO3溶液配制成濃度分別為 0.5 μg·L-1、1.0 μg·L-1、2.0 μg·L-1、5.0 μg·L-1、10.0 μg·L-1、20.0 μg·L-1和 50.0 μg·L-1的鉛標準工作液。

1.2.3 樣品測定

點燃等離子體后，儀器預熱30 min至穩定，引入多元素混合調諧溶液調諧至滿足測定要求。通過三通在線加入內標溶液，依次測定標準工作液、空白樣液和樣品溶液，采用標準曲線法定量分析。

1.3 數學模型

海帶樣品中鉛的含量計算公式：

式中：X為試樣中鉛含量，mg·kg-1；c為樣液中鉛質量濃度-空白液中鉛質量濃度，μg·L-1；V為定容體積，mL；m為試樣質量，g；1 000為單位換算系數。

2 結果與分析

2.1 鉛含量測定不確定度來源的識別

根據海帶樣品中鉛含量的數學計算模型，影響海帶中鉛測定的不確定度潛在來源有樣品質量、消解液體積、樣液質量濃度和測量重復性。其中樣品稱量過程的不確定度由天平校準、重復性等引起；樣品消解液定容主要引入容量瓶校準、溫度系數、重復性等不確定度分量；樣液質量濃度測定過程主要引入了標準溶液配制、校準曲線擬合等不確定度分量；將樣品測定過程中的稱量、定容等操作的重復性分量合并為總試驗的一個分量，即測量重復性。

2.2 鉛含量測定不確定度分量的量化

2.2.1 樣品質量的不確定度ur(m)

本實驗用的電子天平（精度0.001），范圍0.02～220.00 g，從校準證書上得擴展不確定度U=0.003 g（k=2），則標準不確定度為本實驗海帶稱量為0.252 g，則相對標準不確定度為

2.2.2 樣品消解液體積的不確定度ur(V)

（1）容量瓶校準所產生的不確定度。海帶樣品消解后用50 mL容量瓶定容，按校準證書容量偏差為0.01 mL，假設為三角分布，取包含因子則由容量偏差所產生的標準不確定度為

（2）溫度系數產生的不確定度。所用容量瓶體積校準時溫度為21 ℃，實際定容時溫度為24 ℃，液體的體積膨脹系數為2.1×10-4·℃-1，則體積變化區間為 ±（50×3×2.1×10-4）=±0.031 5 mL，假設為矩形分布，取包含因子則由溫度引起的體積測量的標準不確定度為

2.2.3 樣品溶液質量濃度的不確定度ur(c)

（1）標準溶液配制產生的不確定度。依據鉛標準貯備液證書，質量濃度值1 000 μg·mL-1，相對擴展不確定度為0.7%（k=2），則其相對標準不確定度為鉛標準溶液的配制過程如表2所示。對鉛標準溶液配制過程所用移液槍和容量瓶進行不確定度分析，具體如下。

表2 鉛標準溶液配制過程表

各工作溶液配制中稀釋過程均用100 mL容量瓶定容，其定容引入的不確定度分量包括2個部分。①校準引起的不確定度。從100 mL容量瓶校準證書上得其容量偏差為0.06 mL，按三角分布轉換成標準不確定度為②溫度系數引起的不確定度。實驗用的100 mL容量瓶也是在21 ℃條件下校準合格的，實際定容時的室溫為24 ℃，液體的體積膨脹系數為2.1×10-4·℃-1，產 生 的 體 積 變 化 區 間 為 ±(100×3×2.1×10-4)=±0.063 mL，按矩形分布轉換成標準不確定度為以上分量合成得其標準不確定度為其相對標準不確定度為

從校準證書上得，100 μL移液槍在移取50 μL、100 μL時的容量允差分別為±3.0%、±2.0%。1 mL移液槍移取0.1 mL、0.5 mL、1.0 mL時的容量允差分別為±2.0%、±1.0%、±1.0%，因未給出移取0.2 mL的容量允差，移取0.2 mL的容量允差取最大值±2.0%。5 mL移液槍在移取0.5 mL、2.5 mL、5.0 mL時的容量允差分別為±1.0%、±0.5%、±0.6%，因未給出移取2.0 mL的容量允差，故移取2.0 mL的容量允差取最大值±1.0%。按矩形分布，取包含因子為則各移液體積對應的相對標準不確定度如下：ur(50)=0.017 4；ur(100)=ur(0.2)=0.011 6；ur(0.5)=ur(1.0)=ur(2.0)=0.005 8；ur(5.0)=0.003 5。

鉛標液配制過程中用了100 mL容量瓶8次，100 μL移液槍分別移取50 μL1次、100 μL 2次，1 mL移液槍分別移取0.2 mL、0.5 mL、1.0 mL各1次，5 mL移液槍分別移取2.0 mL、5.0 mL各1次，因此標準溶液配制過程中帶來的相對標準不確定度為：

（2）校準工作曲線擬合所產生的不確定度。用ICP-MS法測定海帶中鉛，為校準ICP-MS儀，對配制的7個標液和內標元素進行信號響應值測定，每個濃度測定3次，被測溶液與內標溶液信號響應值的比值結果如表3所示。

根據表3的測量數據，通過被測溶液與內標溶液信號響應值的比值與標準溶液濃度來擬合標準曲線，得直線方程為Y=2.366 8X+0.425 5（R2=1.000 0），記B1=2.366 8，B0=0.425 5。其中，X為標準溶液濃度，μg·L-1；Y為被測溶液與內標溶液信號響應值的比值。對樣品溶液進行2次測量，由信號響應值的比值通過直線方程求得質量濃度為c0=1.377 μg·L-1，則質量濃度c0的標準不確定度為：

表3 各濃度下被測溶液與內標溶液信號響應值的比值表

式中：P為測量c0的次數，P=2；n為測量校準溶液的次數，n=24；Xi為工作曲線第i個校準溶液的濃度，μg·L-1；為工作曲線各校準點濃度的平均值（n次），SR為曲線的標準偏差，（Yj為第i個校準溶液的第j次信號響應值的比值）。

將上述各值帶入u(c0)的計算中，得由校準工作曲線擬合帶來的標準不確定度u(曲 )=u(c0)=0.071 8 μg·L-1，其相對標準不確定度為：

測量重復性所產生的不確定度按A類評定方法進行，用估計的標準偏差定量表征。實驗過程中，在相同條件下，對同一海帶進行6次獨立的重復測定，結果如表4所示。

由表4的實驗結果，計算最佳估計值為

表4 海帶樣品6次平行測定結果表

由貝塞爾公式計算得到單次測量的實驗標準偏差為：

2.3 合成標準不確定度計算

根據海帶中鉛含量測定的數學模型，將各不確定度分量的量值和不確定度匯總于表5中。將表5中各量值代入數學模型中可得海帶中鉛的含量為

表5 量值及不確定度表

海帶樣品中鉛含量測定的相對合成標準不確定度為：

得出合成標準不確定度為uc(X)=ucr(X)×X=0.060 1×0.273=0.016 5 mg·kg-1。

由不確定度分析和評定看出，海帶中鉛含量測定的最主要不確定度來源在于樣品溶液質量濃度的測定過程，其次是樣品稱量、樣品重復性測量過程，而樣品消解液定容過程所產生的不確定度最小。進一步分析發現，校準工作曲線擬合引入的不確定度貢獻最大。

2.4 擴展不確定度計算

依據《化學分析中不確定度的評估指南》[6]推薦，取95%的置信水平，包含因子k=2，則本實驗中鉛元素含量測定的擴展不確定度為U=k×uc(X)=2×0.016 5=0.033 mg·kg-1。

2.5 結果報告

采用ICP-MS法對海帶鉛元素測定，其測量結果表示為X=(0.273±0.3) mg·kg-1，k=2。

3 結論與討論

本研究采用ICP-MS法測定了海帶中的鉛含量，從稱量、消解液定容、樣液質量濃度測定和樣品重復性測量等各因素評定了海帶鉛含量測定的不確定度。結果表明，當取樣量為0.252 g，海帶樣品鉛含量測量結果為 0.273 mg·kg-1時，其擴展不確定度為 0.033 mg·kg-1，k=2。通過對各不確定度分量量化，從相對標準不確定度數值看出，樣液質量濃度測定過程的不確定度分量是最大的，稱量、消解液定容、樣品重復性測量等過程的不確定度實際上對總的不確定度影響很小。李趙平[7]、范稚莉等[8]在食品中鉛測量不確定度評定中也得到了相似的結果。因此，樣品消解液中鉛的質量濃度測定過程是測量結果準確性的關鍵控制點。

樣液質量濃度測定過程的不確定度由2個部分構成。①由標準貯備液配制成標準系列工作溶液時所產生對質量濃度測量帶來的不確定度。②由校準工作曲線擬合求得質量濃度時所產生的不確定度。本研究發現校準工作曲線擬合引入的不確定度貢獻最大，而標準溶液配制所產生的不確定度，對于用擬合曲線求得質量濃度時的不確定度而言可忽略不計。相關研究也表明標準曲線擬合引入的不確定度是主要貢獻因子[9-10]。康靜艷等[11]通過對比不同范圍校準曲線引入的相對標準不確定度，發現校準曲線范圍越大，其擬合引入的不確定度也越大，選擇合適的校準曲線能使測量結果更加準確，建立合理的校準曲線濃度范圍，盡可能使待測元素質量濃度位于曲線的中間位置，從而有效減少測量結果的不確定度，提高測量的準確性。