分步消解法ICP-MS測量大米中砷及不確定度評價

盧鑫，劉聰 ，陳燕敏，劉冰，侯金妹

1.鄭州師范學院化學化工學院（鄭州 450044）；2.安徽澤眾安全科技有限公司（合肥 232000）；3.清華大學合肥公共安全研究院（合肥 230601）

民以食為天，糧食作為生活必需品，是國家安全穩定的基礎。在眾多糧食種類中，大米在我國的種植面積最大、產量最多，并且在全國有近2/3的人口把大米當作主食[1]。但是隨著化學工業的不斷發展，化肥和農藥的過度使用、工業廢水的大量排放等造成大米中重金屬含量的急劇上升，最終通過食物鏈進入人體，危害人體健康。根據近年的調查發現，大米中的重金屬超標情況嚴重，華北、華南、西南等6個地區縣中，大米中的砷超標10%以上[2]。人體攝入砷含量一旦超過0.05 mg/（kg·d），就會造成神經系統、消化系統、呼吸系統等疾病，因此對大米中砷含量的測定意義重大[3-4]。

食品類檢驗工作涉及的測量程序十分復雜，檢測結果往往因為眾多不確定因素的影響而出現一定偏差。國家市場監督管理總局曾在JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》中指出，不確定度是運用可以獲得的信息，合理地賦予被檢物質測量值分散性和相關性的一種參數，可以客觀評價檢測結果的準確性及可靠性。因此，不確定度評價影響測量結果質量，與檢驗結果合格判定密切相關[5]。檢測影響檢測結果的不確定度來源包括被測量定義不完整、抽樣、基體效應和干擾、環境條件、質量和容量儀器的不確定度、參考值、測量方法和程序中的估計和假定及隨機變異等[6]。因此，依據CNAS-GL006—2019《化學分析中不確定度的評估指南》、CNAS-GL05—2011《測量不確定度要求的實施指南》和GB/T 27418—2017《測量不確定度評定和表示》，可對不同來源的不確定度因素進行分析，實現不確定度的評價。采用不同儀器測試和方法對大米中重金屬元素含量的不確定度評估已有報道，實現針對檢測過程中影響因素對不確定度的評價分析，但各種前處理過程對不確定度的評估結果都各不相同[7-9]。前處理過程主要是樣品消解過程，石墨消解作為濕法消解的一種，具有大批量處理、控溫范圍廣、經濟性高等優點，但也存在能耗高、消解時間長、操作要求高和輔助試劑用量大等缺點。微波消解法升溫速度快、消解時間短，但容易導致消解不徹底[10-11]。因此，利用石墨消解法和微波消解法結合的方法（石墨-微波分步消解法）對大米進行前處理，有助于實現大米的更高效消解，從而更好進行砷含量的不確定度評價。ICP-MS作為一種痕量分析檢測技術，具備靈敏度高、分析速度快、操作簡便、低檢出限、基體效應較小、寬廣的線性檢測范圍等優點，被廣泛應用于食品、土壤、冶金等領域的離子痕量檢測[12-14]。

試驗在市場銷售隨機抽取10份大米，采用石墨-微波消解儀分步對樣品進行消解前處理，采用ICPMS對大米中的砷進行測定，并對樣品稱量、樣品消解、標準溶液配制、標準曲線擬合和測量重復性等不確定度分量進行計算，得到不確定度參數，并通過分析不確定度的主要影響因素，為檢測方法和過程控制提供理論基礎，以提高檢測準確性和可信度。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

大米（市售）；硝酸（含量65%，分析純，德國Merck公司）；砷（As）單元素標準溶液（濃度均為1000 μg/mL，國家有色金屬及電子材料分析檢測中心）；超純水（電阻率18.2 MΩ·cm）。

1.2 儀器與設備

電感耦合等離子體質譜儀（ICAP-RQ，美國Thermo fisher公司）；超純水儀（IQ 7000，美國Millipore公司）；石墨消解儀（EHD-36）；微波消解儀（MARS6，美國CEM公司）；移液槍（Research plus，德國Eppendorf公司）；分析天平（ME204/02，梅特勒-托利多儀器上海有限公司）。

1.3 試驗過程

1.3.1 標準曲線的繪制

量取50 mL的65%硝酸于1000 mL的試劑瓶中，配制5+95（V/V）的硝酸；用移液槍準確量取0.05 mL的砷于50 mL的離心管中，用5+95（V/V）的硝酸配制質量濃度為1000 ng/mL的標準中間液；利用標準中間液配制質量濃度為1，2，3，4和5 ng/mL的標準溶液，繪制成砷標準曲線。

1.3.2 樣品前處理

用分析天平稱取10份0.3 g的大米樣品于消解管中（每份樣品稱1份平行樣），加入5 mL 65%硝酸溶液置于石墨消解儀中，設置石墨消解儀120 ℃，預消解30 min。將含有消解罐（加內蓋和外蓋）的轉子置于微波消解儀中消解，消解完成后將轉子取出并冷卻至室溫，將外蓋和內蓋取下置于石墨消解儀中，設置石墨消解儀140 ℃進行趕酸1 h，趕酸工作完成后將其取下置于通風櫥中并冷卻至室溫，用超純水定容到50 mL，待測；對于加標樣品的制備則需向樣品中多加入150 μL的1000 ng/mL標準中間液。

1.3.3 樣品檢測

ICP-MS儀器工作參數：高頻發射率1550 W，采樣深度5 mm，冷卻器流量14.000 L/min，輔助氣流量0.800 L/min，霧化器流量0.97 L/min，數據采集方式為跳峰，測定模式為動能歧視模式KED。在對樣品進行檢測之前，對儀器進行調諧。加入內標元素為115In和72Ge的內標溶液消除基質效應對檢測結果的影響，從而增加待測物質在檢測儀器的響應值，提高檢測結果的準確度和靈敏度。對樣品中的砷進行測定。其中每個樣品重復測定3次，取其平均值，如果其標準偏差大于0.05時，需重復測定。

2 結果與分析

2.1 檢測數學模型

檢測數學模型如式（1）所示

式中：X為樣品中各元素含量，mg/kg；V為樣品消解液定容體積，mL；m為稱量樣品質量，g；C為檢測得樣品中砷的濃度，ng/mL。

2.2 不確定度的來源分析及評定

為保證檢測結果的準確性及可靠性，對試驗過程進行不確定度進行評估，結合檢測過程，可知該樣品檢測不確定度的來源主要有樣品稱量、樣品消解、標準溶液的配制、標準曲線擬合、測量重復性。

2.2.1 樣品稱量引入不確定度

樣品稱量所引入的不確定度的主要來源是分析天平的最大允許誤差及分析天平的分辨力。根據《化學分析中不確定度的評估指南》，計算方法如式（2）所示。

式中：Urel(m1)為分析天平的最大允許誤差引入的標準不確定度，g；Urel(m2)為分析天平的分辨力引入的標準不確定度，g；m為樣品的平均質量，g。

試驗所用的分析天平為梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司的ME204/02，根據其提供證書中校準結果可知該天平的最大允許誤差為±0.0005 g，分辨力為0.0001 g。Urel(m1)和Urel(m2)分別根據式（3）和（4）計算。

稱取的樣品平均質量為0.3012 g，根據式（2）可求得樣品稱量所引入的相對不確定度為0.00097。

2.2.2 樣品消解引入的不確定度的計算

試驗選擇樣品1～3作為加標樣品。故樣品消解過程采用加標回收率計算如樣品的消解不完全、樣品溶液轉移和趕酸過程中的損耗等原因造成的該樣品消解過程中的不確定度。根據GB/T 27418—2017《測量不確定度的評定和表示》和CNAS-GL05—2011《測量不確定度要求的實施指南》，US(R)和Urel(R)按式（5）和（6）計算。

式中：n為加標樣的數量；SR為加標樣的標準偏差；RA為加標回收率的平均值。

根據式（5）和（6），計算結果如表1所示。

表1 樣品消解過程砷的相對不確定度

根據《化學分析中不確定度評估指南》對一般檢測實驗室要求，取置信區間95%、自由度3，查GB/T 27418—2017《測量不確定度的評定和表示》的附錄得雙邊臨界值T0.05=3.18，T(As)=1.11＜T0.05，T(Cd)=2.84＜T0.05，則加標回收率與1之間無顯著性差異，即試驗結果計算不需要再引入校正因子。故樣品消解過程中所得砷的相對不確定度為0.0188。

2.2.3 標準溶液引入不確定度的計算

2.2.3.1 標準溶液中不確定度的計算

試驗所用的單元素標準溶液來自國家有色金屬及電子材料分析檢測中心，根據該中心提供的證書顯示，其相對擴展不確定度為0.7%，k=2，則相對標準不確定度按式（7）計算。

2.2.3.2 標準溶液配制過程中不確定度的計算

標準溶液配制引入不確定度的主要原因有分析天平的最大允許誤差和移液槍的誤差。試驗用移液槍移取所需的單元素標準溶液，主要采用稱量法進行定容，樣品溶液定容到50 mL離心管中，用分析天平進行稱量、精準定容。故試驗定容過程考慮的是分析天平的誤差和移液槍的誤差，忽略由容量瓶的體積誤差和溫度造成的誤差引入的不確定度。

分析天平不確定度的計算。試驗過程所使用的分析天平為梅特勒-托利多儀器（上海）有限公司的ME204/02，根據生產廠家提供的證書可知該天平的最大允許誤差±0.0005 g，分辨力0.0001 g；則相對標準不確定度按式（8）計算。

移液槍不確定度的計算。試驗所用移液槍為Eppendorf的Research plus型號，根據生產廠家提供的校準證書給出擴展不確定度為0.6，k=2，則相對標準不確定度按式（9）計算。

則標準溶液配制的相對不確定度按式（10）計算。

2.2.4 標準曲線擬合引入的不確定度的計算

根據測試前所得標準曲線可知，砷的標準曲線方程與相關系數為Y=965.272X+28.889，R2=0.999，其中X為濃度，Y為信號強度。根據《化學分析中不確定度的評估指南》，計算方法如式（11）和（12）所示。

式中：b為標準曲線的斜率；a為標準曲線的截距；n為標準曲線的點數（n=5）；p為待測樣品進行重復測定次數（p=3）；為標準溶液平均質量濃度，ng/mL；C0為樣品溶液平均質量濃度，ng/mL；C為標準溶液質量濃度，ng/mL；Yi為被測元素的信號強度的實測值；Xi為標準溶液的質量濃度，ng/mL；SR為標準曲線標準差。

根據式（11）和（12），計算結果如表2所示，標準曲線擬合的過程中砷的相對不確定度為0.0049。

表2 砷標準曲線的相對不確定度

2.2.5 測量重復性不確定度評估

測量重復性是指在整個測量過程中，在相同的測量工作條件下，短時間內同一測量指標經過多次連續測量所得結果的一致性程度[9]。在相同檢測條件下，對大米樣品中的砷進行10次重復測定試驗，檢測結果如表3所示。測量重復性不確定度的評估計算方法為根據貝塞爾公式計算得到測量重復性的標準不確定度，得到相對標準不確定度，如式（13）和（14）。

表3 樣品中砷的濃度數據

標準偏差S(x)=0.016 mg/kg，則可得標準不確定度分別為U(rep)=0.00512 g；可得相對標準不確定度分別為Urel(rep)=U(rep)/Δx=0.00512/0.110=0.0465。

2.3 擴展不確定度評價

根據分析和各相對標準不確定度結果，各分量對總的合成不確定度貢獻率結果如表4所示，并且由各結果可得該合成標準不確定度，按式（15）計算。

表4 各分量的相對標準不確定度評定結果

則大米中砷測定過程各分量引入的合成不確定度為UAS=Urel×Δx=0.0505×0.110=0.0056 mg/kg。

根據《化學分析中不確定度的評估指南》對一般檢測實驗室的要求，假設置信區間0.95、k=2，則擴展不確定度為U=UAS×2=0.011 mg/kg。

綜上所述，砷含量結果表示為0.110±0.011 mg/kg。

2.4 擴展不確定度對比分析

試驗通過模型計算分析得到該方法測試大米中總砷含量過程的擴展不確定度，可以綜合評價該方法所測得結果的可靠性。為評價分析各測試方法的結果穩定性及所得數據的可靠性，對近幾年已報道的多種不同方法測試大米中砷含量的擴展不確定度進行對比分析結果如表5所示。

表5 不同方法所得擴展不確定度對比

結果表明，不同方法由于分析檢測過程不同，所得最終擴展不確定度也不相同，通過對比分析發現微波消解原子熒光法擴展不確定度最低，其原因可能是該測試過程樣品直接采用大米粉，減少樣品前處理粉碎及消解過程的復雜程度，故而其擴展不確定度最低。而試驗方法為保證消解完全，石墨微波分步消解過程雖增加不確定度貢獻因素，仍具有較好的擴展不確定度。

3 結論

通過分別使用石墨消解儀和微波消解儀對市售大米進行分步消解以提高樣品消解效果，采用ICP-MS對砷離子進行測定，并針對于該檢測過程不確定度的來源，分別從樣品稱量、樣品消解、標準溶液配制、標準曲線擬合和測量重復性等5個方面對試驗過程的不確定度進行分析。為建立高效、便捷、準確的測定大米中砷的檢測方法，通過對各個不確定度分量的計算以及對合成不確定度和擴展不確定度的計算發現，測量重復性和樣品消解對檢測結果有較大影響，樣品稱量和標準溶液配制和標準曲線擬合引入的不確定度相對較小。因此，為提高檢測的準確性和高效性，在以后的檢測過程中，應加強在檢測工作中可通過選擇合適的消解程序，控制好消解升溫程序和趕酸溫度等過程，以保證樣品消解完全，且盡量減少待測物質損失。準確配制標準溶液，合理使用標準物質，不斷提高檢測人員的理論和實際操作水平等途徑降低方法的不確定度，確保試驗結果的準確性。