ICP-MS法和石墨爐原子吸收法測定大米中鎘含量不確定度評估的比較

張建輝，張繼紅，張　麗，戴　璇，袁鳳君

（湖南省食品質量監督檢驗研究院，湖南 長沙 410111）

ICP-MS法和石墨爐原子吸收法測定大米中鎘含量不確定度評估的比較

張建輝，張繼紅，張麗，戴璇，袁鳳君

（湖南省食品質量監督檢驗研究院，湖南 長沙 410111）

采用電感耦合等離子體質譜法和石墨爐原子吸收法分別測定大米中的鎘含量。比較全面地考慮了整個測定過程的不確定度來源，對影響結果不確定度的各個因素作了系統分析，建立了結果不確定度評估數學模型，探討了其測定結果不確定度，并對評估結果進行比較。當鎘的測定結果為限量值附近（0.20 mg/kg）時，2 種方法的擴展不確定度分別為0.020、0.034 mg/kg，k=2。

鎘；電感耦合等離子體質譜法；石墨爐原子吸收法；不確定度

隨著工業化和城市化進程的不斷發展，廢水、廢氣和廢渣的不規范排放，以及重金屬農藥、化肥的不合理使用等，造成了我國南方部分地區大米等初級農產品受到了不同程度的重金屬鎘污染，對居民的健康造成了潛在的危害，受到普通市民、國內外專家學者、行政部門的廣泛關注和高度重視［1-2］。大米中鎘含量測定結果的準確性，在評價某地區大米是否受到鎘污染方面顯得尤為重要。目前，鎘的測定方法主要有石墨爐原子吸收（graphite furnace atomic absorption spectrometry，GFAAS）法［3-6］、分光光度法［7］、氫化物-原子吸收法［8-10］、氫化物-原子熒光光譜法［11-12］，以及電感耦合等離子體質譜（inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS）［13］法和ICP-原子發射光譜法［14］等，其原理和靈敏度各不相同，定量限和一定濃度范圍內的準確度也存在較大差異。

近年來，隨著測量不確定度理論的發展，測量不確定度的應用越來越廣泛和深入，國內外先后發布了《測量不確定度表示指南》GUM93［15］、《化學測量領域不確定度評定指南》［16］、JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》［17］等一系列標準，使得測量不確定度評估成為檢測實驗室一項必要和重要的工作。本實驗嘗試在方法學中引入不確定度，對ICP-MS法和GFAAS法測定大米中鎘含量為限量值［18］附近的不確定度進行分析，從而比較直觀的分析比較2 種檢測方法在該情況下所出具檢測報告的準確度和風險系數，以期為檢驗人員根據實驗室條件合理的選擇具體的檢測方法。

1　材料與方法

1.1材料與試劑

生物成分分析標準物質湖南大米GBW10045（GSB-23）、鎘單元素溶液標準物質GBW08612（1 mg/mL） 國家標準物質中心；硝酸（優級純） 美國Fisher公司；磷酸二氫銨（優級純） 國藥集團化學試劑有限公司；其余試劑均為國產分析純。

1.2儀器與設備

iCAPQ ICP-MS儀 美國Thermo Fish Scientific公司；Zeenit700原子吸收光譜儀 德國耶拿分析儀器股份公司；AB-204s電子分析天平 瑞士梅特勒-托利多集團；Mars6微波消解儀 美國CEM公司；實驗室常用玻璃量器均為A級且經檢定合格。

1.3方法

1.3.1標準溶液的配制

標準中間液：準確移取鎘單元素溶液標準物質1.00 mL，用體積分數0.5%硝酸（以濃硝酸為基準）稀釋并定容至100.0 mL容量瓶，質量濃度為10.0 μg/mL。

標準工作液：先用體積分數0.5%硝酸將標準中間液稀釋成1.00 μg/mL，再稀釋成質量濃度分別為0.00、2.00、5.00、10.00、20.00、50.00 ng/mL的標準工作液，供ICP-MS法分析；質量濃度為2.00 ng/mL的標準工作溶液同時作為GFAAS法自動進樣的母液。

1.3.2大米中鎘含量測定樣品前處理

稱取0.5 g左右（精確到0.000 1 g）的大米樣品于聚四氟乙烯罐中，加入5 mL優級純硝酸，旋緊罐蓋，放置過夜，再加1 mL H2O2，按照微波消解儀操作說明書中的步驟進行消解，消解條件參見表1。消解完全后，冷卻取出，緩慢打開罐蓋排氣，將消解罐置于控溫電熱板上，150 ℃趕酸近干。冷卻后，將消化液轉移至10.0 mL容量瓶中，用少量水分3 次洗滌消解罐，洗滌液合并于容量瓶中并定容至刻度，混勻，備用，同時做空白實驗和平行實驗。

表1　微波消解參考條件Table1　Reference conditions of microwave digestion

1.3.3ICP-MS法測定大米中的鎘含量

按照ICP-MS儀器操作手冊，調整儀器至最佳工作狀態，以銠（103Rh）、銦（115In）、錸（Re）為內標元素，待儀器穩定后，按照表2操作條件，分別測定1.3.1節配制的標準溶液和1.3.2節處理的空白溶液、樣品溶液中鎘的含量。

表2　ICP-MS儀操作條件Table2　Operating conditions of ICP-MS

1.3.4GFAAS法測定大米中的鎘含量

按照GFAAS法操作手冊，預熱，調整儀器至最佳工作狀態，待儀器穩定后，以1%磷酸二氫銨為基體改進劑，按照表3升溫程序，分別測定1.3.1節配制的標準溶液（以質量濃度2.00 ng/mL為母液，自動稀釋為0.00、0.40、0.80、1.20、1.60、2.00 ng/mL標準系列）和1.3.2節處理的空白溶液、樣品溶液中鎘的含量，如有需要可用體積分數0.5%硝酸稀釋樣品溶液。

表3　GFAAS光譜儀升溫程序Table3　Temperature-rising?program of graphite fumace atomicabsorption spectrometry （GFAAS）

2　結果與分析

2.1數學模型

鎘含量測定按公式（1）計算：

式中：x為試樣中鎘含量/（mg/kg）；c1為樣品消化液中（扣除空白后）鎘的含量/（ng/mL）；V為消化液定容總體積/mL；m為樣品質量/g；f為系數倍數；1 000為換算系數。

2.2不確定度的來源分析

根據測定的具體操作過程和數學模型分析，大米中鎘測定的不確定度分量主要來源于以下幾個方面：測試過程的隨機效應（測量重復性，A類評定）、標準曲線擬合（A類評定）、標準溶液（B類評定）、定容體積（B類評定）、稱樣質量（B類評定）、樣品前處理過程引入的不確定度（A類評定）、測量儀器（B類評定）、試樣的均勻性（由于試樣是非常細的固體粉末，其均勻性很好，所以試樣均勻性引起的不確定度可以忽略，B類評定）。

2.3不確定度分量的計算

2.3.1測試過程隨機效應導致的不確定度u1

樣品測試過程中，隨機效應所導致的不確定度可以通過樣品的重復測定進行評定，屬于A類評定。

ICP-MS法測定平行測定結果分別為0.200、0.206 mg/kg，平均值I=0.203 mg/kg，極差RI=0.006 mg/kg，單個測得值s（xk）的實驗標準偏差可近似評定為s（xk）= RI/C（C為極差系數，當測量次數n=2時，C=1.13）［17］，不確定度，相對標準不確定度

GFAAS法測定平行結果分別為0.212、0.194 mg/kg，平均值A=0.203 mg/kg，極差RA=0.018 mg/kg，同ICP-MS法計算得相對標準不確定度

2.3.2標準曲線擬合所引入的擬合不確定度u2

表4　5 個不同質量濃度的鎘標準溶液測量結果Table4　Measurement results of five cadmium standard solutions of different concentrations

ICP-MS法和GFAAS法標準溶液的響應值以及采用最小二乘法擬合得到標準曲線的線性回歸方程f（x）=a+ bx、方程的線性相關系數R2和殘余標準誤差s如表4所示。

標準曲線擬合引入的不確定度按公式（2）、（3）計算［19-20］，標準不確定度計算結果見表4。

式中：n為標準溶液測定總次數，本實驗ICP-MS法中n=15，GFAAS法中n=5；p為測試樣品的測量次數，本實驗中p=2；s為殘余標準差/（ng/mL）；b為擬合曲線截距；c為被測樣品溶液的質量濃度估計值，用被測樣品溶液質量濃度的平均值表示/（ng/mL）；i為繪制標準曲線的全部ci值的平均值/（ng/mL）；Scc為標準溶液質量濃度殘差和/（ng/mL）。

2.3.3標準溶液引入的不確定度u3

標準溶液引入的不確定度主要由標準溶液稀釋所引入，包括所購買標準物質的不確定度、移液管和容量瓶的不確定度。

2.3.3.1鎘標準物質的相對標準不確定度

根據鎘標準物質證書可知其標準不確定度為1 μg/mL、k=2，則up=1/2=0.5 μg/mL，相對標準不確定度uprel=0.5/1 000=0.000 5。

2.3.3.2移液管和容量瓶的不確定度

移液管和容量瓶本身引入的不確定度：根據1.3.1節配制過程，所用到的玻璃量器有：1 mL移液管、5 mL移液管、10 mL移液管各1 支，100 mL容量瓶3 個，其允差分別為±0.008、±0.025、±0.05、±0.10 mL［21］，按矩形分布k=31/2計算，其標準不確定度分別為0.004 6、0.015、0.029、0.058。相對標準不確定度分別為0.004 6、0.003 0、0.002 9、0.000 58。

移液管和容量瓶充滿液體至刻度讀數引入的不確定度：1、5、10 mL移液管的最小分辨率分別為0.01、0.05 mL和0.1 mL，最大估讀最大誤差分別為0.005、0.025 mL和0.05 mL，按三角分布，k=61/2，計算標準不確定度分別為0.002 0、0.010 mL和0.020 mL，相對標準不確定度均為0.002 0；1 滴蒸餾水的體積一般為0.05 mL（普通滴管），設液體液面與容量瓶標線相切的視覺誤差為1/2 滴［22］，則估讀引入的不確定度為0.025 mL，按矩形分布，100 mL容量瓶的標準不確定度為0.014 mL，相對標準不確定度為0.000 14。

移液管和容量瓶使用時與校正時溫度不一致產生的不確定度：由于玻璃量器的檢定溫度為20 ℃，而本實驗室每天的溫度不能恒定，但控制在（20±5）℃，因此實驗溫度亦會對量器的體積V產生不確定度。查相關手冊得知水的體積膨脹系數α=2.1×10-4/℃，同樣按矩形分布，則因溫度變化引起溶劑體積改變的標準不確定度為uvt=ΔV/31/2，ΔV=V×ΔT×α，相對標準不確定度uvtper=ΔV/（V×31/2）=ΔT×α/31/2，故本實驗所用到玻璃量器的相對標準不確定度均為0.000 61。

由上述分析過程可知，1 mL移液管引入的相對標準不確定度u1mL=（0.004 62+0.002 02+0.000 612）1/2= 0.005 1；同理，u5mL=0.003 7，u10mL=0.003 6，u100mL=0.000 86。

由于2 種方法所用的標準溶液，其稀釋過程一致，因此2 種方法中，標準溶液引入的不確定度也一樣。

2.3.4定容體積引入的不確定度u4

ICP-MS法中，樣品溶液直接測定，10.0 mL容量瓶允差為±0.02 mL，同2.3.3.2節計算，可知定容體積引入的不確定度u3rel（I）=0.002 4。GFAAS法中，樣品溶液需稀釋5 倍后測定，即用2 mL單標線吸量管移取2.00mL溶液稀釋至10.0 mL容量瓶，同2.3.3.2節計算，可知定容體積引入的不確定度u4rel（A）= 0.003 7。

2.3.5稱樣質量引入的不確定度u5

所使用的天平經檢定為Ⅰ級合格，依據檢定證書和JJG 1036—2008《電子天平檢定規程》［23］，該天平在稱量范圍為0～50g范圍內，最大示值誤差為±0.000 5 g，按矩形分布，k=31/2，2 次稱量后獲得樣品質量（天平清零也帶來稱量的不確定度），u5=0.000 5×21/2/31/2= 0.000 41 g，實驗稱取約0.5 g樣品，則u5rel=0.000 82。

2.3.6樣品前處理過程引入的不確定度u6

樣品前處理過程引入的不確定度常用回收率來評估，即用回收率平均值的標準偏差評估樣品前處理過程引入的標準不確定度，同時根據t檢驗判斷平均回收率是否與1.0有顯著性差異，若t＜t（95，n-1）=t（95，1）= 12.71［17］，則與1沒有顯著性差異，此時直接用回收率平均值的標準偏差表示回收率的標準不確定度，否則，乘以回收率校正因子修正計算結果［20］。本實驗回收率數據及不確定度評估結果見表5。

表5　回收率引入的不確定度評估結果Table5　Uncertainty aroused from recovery rate

2.3.7測量儀器引入的不確定度u7

根據儀器檢定證書，鎘質量濃度為50 ng/mL時，ICPMS儀器的不確定度為0.6 ng/mL（k=2），即ICP-MS儀器的相對標準不確定度u7rel（I）=0.006；鎘質量濃度在0～5ng/mL范圍內時，GFAAS儀器的不確定度為2%（k=2），即GFAAS儀器的相對標準不確定度u7rel（A）=0.01。

2.4合成標準不確定度uc及擴展不確定度U的計算

表6　影響大米中鎘測定結果的不確定度分量一覽表Table6　List of uncertainty components that affect the results of determination of cadmium in rice

由表6可以看出，2 種測定方法不確定度分量貢獻較大的都是測定過程的隨機效應、標準曲線擬合、樣品前處理和測量儀器等，而定容體積與樣品稱量引入的相對標準不確定度較小。且各不確定度來源的不確定度數值都是GFAAS法大于ICP-MS法。

3　結 論

在測定大米中的鎘含量時，影響測量結果的主要不確定度來源為：隨機效應、標準溶液、樣品前處理和測量儀器，而定容體積與樣品稱量引入的相對標準不確定度較小。因此，在今后的檢測過程中，應加強對這幾個方面的質量控制，以保障檢測結果的準確性。同時，從2 種方法的不確定度評估過程和結果來看，GFAAS法的不確定度數值都大于ICP-MS法，因此，在條件允許的情況下，應根據精度要求，選用合適的儀器進行檢測，如出現不符合標準的樣品，建議采用ICP-MS法進行復核。

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Comparative Study of Uncertainty Evaluation for the Determination of Cadmium Content in Rice by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry （ICP-MS） and Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry

ZHANG Jianhui， ZHANG Jihong， ZHANG Li， DAI Xuan， YUAN Fengjun
（Hunan Institute of Food Quality Supervision Inspection and Research， Changsha 410111， China）

The content of cadmium in rice was determined by inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） and graphite furnace atomic absorption spectrometry， respectively. The sources of uncertainty in the measurement process were comprehensively considered. The various factors that affect the uncertainty were systematically analyzed. A mathematical model for uncertainty evaluation was established and used to comparatively evaluate the uncertainties of the two analytical methods. The expanded uncertainties of these two methods were 0.020 and 0.034 mg/kg （k = 2）， respectively， when the determination results of cadmium were close to the maximum allowable limit （0.20 mg/kg）.

cadmium； inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS）； graphite furnace atomic absorption spectrometry； measurement uncertainty

10.7506/spkx1002-6630-201618030

207.5

A

1002-6630（2016）18-0185-05

張建輝， 張繼紅， 張麗， 等. ICP-MS法和石墨爐原子吸收法測定大米中鎘含量不確定度評估的比較［J］. 食品科學， 2016，37（18）: 185-189. DOI:10.7506/spkx1002-6630-201618030. http://www.spkx.net.cn

ZHANG Jianhui， ZHANG Jihong， ZHANG Li， et al. Comparative study of uncertainty evaluation for the determination of cadmium content in rice by inductively coupled plasma-mass spectrometry （ICP-MS） and graphite furnace atomic absorption spectrometry［J］. Food Science， 2016， 37（18）: 185-189. （in Chinese with English abstract） DOI:10.7506/spkx1002-6630-201618030. http://www.spkx.net.cn

2016-02-29

湖南省科技廳資助項目（2014SK3210）

張建輝（1982—），男，工程師，碩士，研究方向為食品質量管理與檢測。E-mail：spy920@qq.com