電感耦合等離子體質譜法測定紅茶中鎘含量的不確定度評定

□ 歐嘉杰 巫廣華 李循媛 廣東省食品工業研究所有限公司 廣東省質量監督食品檢驗站 廣東省食品工業公共實驗室

鎘不是人體必需元素，作為一種重金屬污染物，它主要廣泛應用于冶金業、電鍍工業和化工等領域，大多以廢水形式進入自然環境，再通過灌溉、作物吸收等形式在食物鏈富集。鎘單質及其化合物可通過消化道或呼吸道進入人體，在人體內的生物半衰期可長達15～30年，主要積累在腎臟、肝臟及消化系統等部位，久而久之會引起慢性中毒，長期食用遭到鎘污染的食物可導致自發性骨折和軟骨癥成。茶樹種植業在我國農業經濟中占據著重要的位置，在2013年“大米鎘污染事件”后，土壤中鎘污染現象對于農業發展的影響已成為備受社會關注的熱點之一。

茶葉出口經濟已成為我國出口產業中重要的一個組成部分，目前我國茶葉已出口到世界上約120個國家或地區，據《2016～2022年中國茶葉行業市場評估及投資前景評估報告》[1]顯示，每年茶葉及相關消費品的消費量逾400萬噸，且在未來仍有巨大的發展空間，而隨著茶葉相關消費產業的發展，消費者對于加強對茶葉衛生質量控制的要求更為嚴格，茶葉重金屬污染的風險監測也越來越受到社會的關注。

本實驗采用電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS）作為檢測儀器，本方法具有高準確度、線性范圍寬及進樣快速的特點，而且相較于原子吸收法，具有更低的檢出限。采用微波消解作為本實驗樣品消解的方法，特點是能在稱取樣品量較少的情況下使待測試樣得到徹底消解，消除基體對測定結果的干擾，同時能最大程度地避免試樣在消解過程中的損失。查閱相關文章發現目前已有不少關于茶葉中重金屬含量檢測的報道，但對于茶葉中鎘含量不確定度的研究較少，本文依據JJF 1059-2012《測量不確定度評定與表示》[2]及GB/T 27411-2012《檢測實驗室中常用不確定度評定方法與表示》[3]，采用ICP-MS法對紅茶中鎘含量進行檢測，并通過對其不確定度來源和分量組成進行分析評定，找出影響不確定度的主要因素，為檢測方法及其結果控制提供理論依據。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器

Agilent7700電感耦合等離子體質譜儀（ICP-MS），美國安捷倫；Milli-Q A10超純水機，美國Millipore公司；ETHOS UP微波消解儀，意大利 Milestone；ML204/OL型 電 子 天平，梅特勒公司；100～1 000 μL可調式移液槍，上海沃元科技有限公司；500～5 000 μL可調式移液槍，上海沃元科技有限公司。

1.1.2 試劑

鎘單元素溶液標準物質，購于中國計量科學研究院，濃度1 000 μg/mL,相對擴展不確定度為0.2%（k=2）；硝酸（電子級），蘇州晶瑞化學有限公司；實驗用水由Milli-Q A10超純水機提供。

1.2 測定方法

1.2.1 試樣前處理

稱取約0.25 g的紅茶樣品于聚四氟乙烯消解罐中，加入5 mL硝酸，靜置15～20 min進行冷消化。密封消解罐后置于微波消解儀內，依照表1參數對樣品進行消解，消解結束后待溫度冷卻至室溫，將消解罐放置于電熱板上，以130 ℃趕酸。待罐中消化液剩1～3 mL時取下，冷卻至室溫后，用少量超純水沖洗罐壁數次，并轉移至25mL容量瓶，定容至刻度線并搖勻。以同樣方法制備試樣空白樣品。

表1 微波消解參數程序表

1.2.2 標準使用液的配制

準確移取鎘單元素標準溶液（1 000 μg/mL）1 mL至100 mL容量瓶，用2%硝酸定容至刻度，搖勻備用。得到濃度為10 μg/mL的鎘標準儲備液。

準確移取鎘標準儲備液0.5 mL至100 mL容量瓶，用2%硝酸定容至刻度，搖勻后得到濃度50 μg/L的鎘標準使用液。

1.2.3 標準取現的配制

分別準確移取鎘標準使用液（50 μg/L）0、1.0、2.0、4.0、6.0 mL及8.0 mL至10 mL容量瓶中，并用2%硝酸定容至刻度，混勻靜置。此標準系列中，各容量瓶每升溶液分別含鎘0、5.0、10.0、20.0、30.0 μg 和 40.0 μg。

1.2.4 銦內標液配制

準確移取0.5 mL的100 μg/mL的銦標準溶液于100 mL容量瓶中，用2%硝酸定容至刻度并搖勻，得到濃度為0.5 μg/mL的內標。

1.2.5 儀器測定參數條件

吸入質譜調諧液在進行測定前對儀器參數條件進行優化，使測定時的靈敏度、雙電荷數氧化物、背景及分辨率等均符合測定要求，確保儀器在測定狀態的參數設定處于最優化狀態。儀器主要參數，等離子體氣流量：15 L/min；載氣流量：1 L/min；輔助氣流量：1 L/min；RF功率：1 550 w；采樣模式為全定量分析；重復次數3次；霧化室溫度：2 ℃；采樣深度：10 mm。

2 測定結果與分析

根據測定原理，根據標準曲線計算得樣品消化液中鎘濃度，結果單位為mg/kg，建立數學關系式如式（1）：

式（1）中：X-試樣中鎘含量，mg/kg；V-消化液定容體積，mL；C-從標準曲線上測得樣品中鎘的濃度，μg/L；C0-樣品空白中鎘的濃度，μg/L；m-樣品的取樣量，g。

3 不確定度的評定

3.1 不確定度來源分析

參考JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[4]，通過對測定原理、實驗過程及數學模型的分析，得知ICP-MS法測定紅茶中鎘含量不確定度的來源有以下幾個方面：①樣品稱量時引入的不確定度Urel（m）；②樣品消化液定容時引入的不確定度Urel（V）；③標準溶液配制引入的不確定度Urel（d）；④標準工作曲線擬合時引入的相對標準不確定度Urel(C)；⑤試樣測定重復性引入的不確定度Urel(R)。

3.2 不確定度各分量的評定

3.2.1 樣品稱量過程引入的不確定度 Urel（m）

由稱量過程引入的不確定度主要來源于天平自身的校準，本實驗使用ML204/OL型電子天平稱量樣品，茶葉試樣的取樣量為0.25 g，準確至0.000 1 g。電子天平檢定證書上最大允差為±0.000 1 g，包含因子采用B類方法評定，由此產生的標準不確定度為：U1（m）=0.0001g/=0.000058g，因此由樣品稱量引入的相對標準不確定度為：Urel（m）=0.000058g/0.25g=0.000232。

3.2.2 樣品消化液定容時引入的不確定度Urel（V）

樣品定容時的影響不確定度的因素主要包括了溫度因素和容量允差，由此得出樣品定容引入的標準不確定度 U允差（V1）和 U溫度（V2）。

25 mL容量瓶引入的不確定度U允差（V1）。樣品消化液定容于25 mL容量瓶，據JJG 196—2006《常用玻璃量器檢定規程》[5]，25 mL容量瓶最大允差為±0.03 mL，采用B類方法評定，則可得U允差（V1）=0.03/=0.017mL。

25 mL容量瓶標定溫度為20 ℃時，液體體積膨脹系數高于容量瓶的膨脹系數，因此只考慮試樣消化液的膨脹系數，可認為試樣消化液的膨脹系數與水相近，水的膨脹系數為0.000 21 ℃，由此可得其體積增量為25 mL×0.00021=0.0052mL，體積增量為變化范圍的半寬，則U溫度（V2）=25×2.1×10-4/=0.0030mL。

將影響定容時引入的標準不確定度的兩個因素U允差（V1）和U溫度（V2）合并，可得：

由樣品消化液定容引入的相對標準不確定度為：Urel（V）=0.017/25=0.000680。

3.2.3 標準溶液配制引入的不確定度 Urel（d）

鎘標準溶液配置過程引入的不確定度包括標準物質本身的不確定度Urel(da)和標準工作曲線配制過程引入的不確定度Urel(db)。

標準物質引入的不確定度Urel(da)。批號GBW08612的鎘標準物質（1 000 μg/mL），其證書上的相對擴展不確定度為0.002（包含因子k=2），因此由標準物質引入的不確定度Urel（da）=0.002/2=0.001。

標準曲線系列配制過程引入的不確定度分量Urel（db）。在標準曲線系列的配制過程中，需分3次把濃度為1 000 μg/mL的鎘標準溶液進行逐級稀釋，此過程需用到1 mL和5 mL的可調式移液槍，5個10 mL和2個50 mL容量瓶，可調式移液槍和容量瓶是標準溶液配制過程中引入不確定度的主要因素。

用1 mL移液槍吸取0.5 mL 1000 μg/mL鎘標準溶液至50 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，得到濃度為10 μg/mL的鎘標準儲備液，此為第一次稀釋過程。根據JJG196-2006《常用玻璃量器檢定規程》[6]檢定要求和可調式移液槍的檢定證書，1 mL移液槍的擴展不確定度是0.005，包含因子k=2，可得1 mL移液槍的相對標準不確定度Urel（d1mL）=0.005×0.5/（2×0.5）=0.0025；50 mL容量瓶的擴展不確定度是0.03 mL，包含因子k=2，則50mL容量瓶的相對標準不確定度Urel（d50mL）=0.03/(2×50)=0.0003。故此可得第一次稀釋過程引入的不確定度：

用1 mL移液槍吸取0.5 mL 10 μg/mL的鎘標準儲備液至50 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，得到濃度100 μg/L的鎘標準使用溶液，故第二次稀釋過程引入的相對標準不確定度與第一次稀釋過程引入的相同，Urel（d2）=0.0025。

使用5 mL移液槍分別吸取100 μg/L的鎘標準使用液0.5、1.0、2.0、3.0 mL及4.0 mL至10 mL容量瓶，用2%硝酸溶液定容至刻度，此過程需用到5 mL移液槍和5個10mL容量瓶[7]。5 mL移液槍的擴展不確定度為0.002，包含因子k=2，則5 mL移液槍的相對標準不確定度 Urel（d5mL）=0.002/(2×5)=0.0002；10 mL容量瓶的擴展不確定度0.015 mL，包含因子k=2，可得10 mL容量瓶的相對標準不確定度Urel（d10mL）=0.015/(2×10)=0.00075。可得第三次稀釋過程引入的不確定度：

綜上所述，通過合成各分量可得標準工作曲線配制過程引入的不確定度：

則標準溶液配制引入的不確定度：

3.2.4 標準曲線擬合引入的不確定度 Urel（C）

優化儀器最佳條件后，使用ICPMS測定鎘標準工作曲線系列，每個點濃度分別為5.0、10.0、20.0、30.0 μg/L和40.0 μg/L，每個濃度重復測定次數為3次，采用內標法進行定量[8]。以鎘元素和內標元素的響應值（CPS）之比為縱坐標，標準溶液濃度為橫坐標，用最小二乘法擬合后可得線性方程Y=0.005124X+0.0000，相關系數r=0.9994。曲線擬合的標準差：

可得標準曲線擬合的標準不確定度：

式（8）中：U（c）是標準曲線擬合產生的標準不確定度，μg/L；Sr是標準曲線的標準差；Yi是鎘標準溶液系列的濃度，μg/L；a是標準曲線斜率，b是標準曲線的截距，n是標準溶液測定的總次數（n=15）；p是待測試樣重復測定的次數（p=3）；c是待測樣品測得濃度的平均值，μg/L；c-是標準曲線各濃度的平均值，μg/L；ci是標準系列鎘溶液濃度測定值，μg/L。

綜上數據可得，標準曲線擬合引入的相對標準不確定度：Ure（lC）=U（c）/-c=0.7006/17.5=0.0400。

3.2.5 試樣測定重復性引入的不確定度 Urel（R）

在同一測定條件下，用ICP-MS對同一個樣品進行3次重復測定，得到樣品測定的標準偏差Cr=0.0131μg/L，重復測定n=3，樣品測定的平均濃度c=6.50μg/L，則樣品測定重復性引入的標準不確定度U（R）=0.0131×10-9/=0.00756μg/L。

所以，樣品測定重復性引入的相對標準不確定度Urel（R）=U（R）/c=0.00756/6.50=0.00116。

3.3 合成相對不確定度Urel及擴展不確定度

3.3.1 相對不確定度Urel

當置信概率為95%時，包含因子k=2，則擴展不確定度為：U=U（u）×k=0.0263×2=0.0526mg/kg。

3.3.2 結果表示

根據上述不確定度評定結果，當紅茶樣品稱樣量為0.25 g時，使用電感耦合等離子體質譜法測定鎘含量可表示為X=（0.65±0.0526）mg/kg，包含因子k=2。

4 結論

通過對不確定度的來源及各不確定度分量的分析，可知標準曲線擬合引入、標準配溶液配制過程及樣品測定重復性是該方法不確定度的主要來源，因此在實驗過程中需要做好對標準曲線系列的控制工作，規范標準溶液的配制操作，以保證標準曲線良好的線性和相關系數。同時要建立規范化的儀器維護保養工作規程，做好檢驗人員的定期培訓及考核，確保儀器運行的穩定性，減小因不規范操作引起的誤差[9-11]。

本次不確定度評定實驗在檢測工作中，為測定結果提供可信區間和不確定度來源考量因素，保證了測定結果的準確度，同時也為ICP-MS法測定其他品種茶葉中鎘元素含量的不確定度提供了理論依據[12-13]。