電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的不確定度評定及方法改進

徐 沖 趙立琴 李玉丹 孫 鵬 劉遠洋

(黑龍江八一農(nóng)墾大學測試中心；農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)產(chǎn)品及加工品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(大慶)1，大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學生物技術中心2，大慶 163319) (黑龍江八一農(nóng)墾大學食品學院3，大慶 163319)

鋁本身是一種慢性毒性元素，不屬于人體的微量元素，過量攝入對人體健康有一定的影響[1]。世界衛(wèi)生組織和聯(lián)合國糧農(nóng)組織 (WHO/FAO)認為鋁屬于低毒級金屬，提出人體鋁的暫定攝入量標準為7 mg/kg，我國也提出了面制食品中鋁的限量衛(wèi)生標準(≤100 mg/kg)[2]。

食品中鋁的來源主要有以下幾種途徑：第一，天然存在。由于鋁是地殼中含量最高的金屬，飲用水含有鋁，含量一般少于0.2 mg/L。大部分食物亦含有鋁，一般含量少于5 mg/kg。第二，使用鋁制烹飪用具和錫紙所致。除食品本身含鋁外，用鋁制品包裝或盛放食品的器具也可導致食品鋁含量超標。第三，含鋁食品添加劑。由于無鋁膨松劑的成本要比普通的化學膨松劑高3～4倍，因此面制食品加工中使用鉀明礬、銨明礬等含鋁膨松劑，使鋁含量明顯增大，這是造成面制食品鋁含量超標的根源[3]。因此對面制品中鋁含量的檢測非常重要。

目前，食品中鋁含量的檢測常用分光光度計法[4，5]、石墨爐原子吸收光譜法[6，7]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜法及電感耦合等離子體質(zhì)譜法等方法[8-10]，且已出臺GB 5009.182—2017[11]。其中，分光光度計法操作煩瑣，靈敏度較低，且受酸度、基質(zhì)等因素影響較大，難以適應低水平鋁含量的測定。石墨爐原子吸收法則需要較高的原子化溫度，石墨管易受損傷，并且線性范圍較窄[12]。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法(ICP-OES)及電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)操作簡便，分析速度快，精密度、靈敏度高、準確度高，檢出限低，受樣品基體干擾少，且能同時測定多個元素，尤其適合檢測痕量樣品和含量特別低的成分。但ICP-MS需要質(zhì)譜儀，價格較為高昂，難以普及。而ICP-OES相對要求較低，同時具備線性范圍寬等特點，現(xiàn)在被廣泛應用于元素的分析[13]。綜合考慮，本研究采用ICP-OES作為檢測手段。

測量不確定度簡稱不確定度，是根據(jù)所用到的信息表征賦予被測量值分散性的非負參數(shù)，其與測量結果相聯(lián)系[14]。根據(jù)CNAS-CL01《檢測和校準實驗室能力認可準則》[15]，可以看出，評定測量不確定度已經(jīng)成為檢測實驗室的必備的工作內(nèi)容之一。國內(nèi)外對測量不確定度的研究已有很多[16-18]。

將科學的測量不確定度引入檢測過程中，可以極大地統(tǒng)一理解和說明測量結果，對于客觀評價檢測結果，尤其是對檢測結果臨界值的判斷具有重要意義[19]。因此，對于面制品中鋁的測量方法的不確定度進行評定也有其重要的意義。以往對應用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量方法的不確定度的研究很少[20]，且采用JJF1059—1999的評定方法，最后也僅給出不確定度的數(shù)據(jù)，未對不確定度的主要貢獻者提出改進方法及可能降低或消除這些影響因素的程度。本實驗采用JJF1059.1—2012《測量不確定度的評定與表示》的評定方法，分析評定用電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的不確定度，為有效地控制用該方法來測定面制品中鋁含量的質(zhì)量分析提供依據(jù)，并通過對測量不確定度的評定，找到引起測量不確定度的主要貢獻者，進而通過改變測量方法的方式，減小測量的不確定度，同時測量出能夠降低影響因素的程度，為檢測工作和分析工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

65%硝酸(優(yōu)級純)；30%過氧化氫(分析純)；鋁標準溶液(GSB 04-1713-2004，1 000 μg/mL)；四種市售面制品：普通饅頭、大棗饅頭、花卷、發(fā)面餅。

1.2 儀器與設備

PekinElmer Optima8000型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀、MARS 6微波消解儀、eppendorf移液器(100～1 000 μL)。

1.3 方法

1.3.1 樣品前處理

取具有代表性的四份樣品置85 ℃恒溫干燥箱中干燥4 h。將樣品粉碎混合均勻并過1 mm篩，稱取0.2 g左右(精確至0.000 1g)于聚四氟乙烯消解罐中，加入10 mL65%硝酸后將其放入微波消解儀中。樣品消解：5 min加熱到120 ℃并保持10 min，再用5min加熱到160 ℃并保持10 min，最后用5 min加熱到180 ℃并保持15 min。冷卻至室溫，將消解罐置于150 ℃趕酸儀上揮去多余硝酸，待樣品剩余1～2 mL時，冷卻，將樣品轉移至25 mL容量瓶中，定容至刻度，待測。同時做試劑空白實驗。

1.3.2 ICP-OES工作參數(shù)

電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)見表1。

表1 電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀工作參數(shù)

1.3.3 標準曲線制作

配制標準儲備液：用吸量管吸取10 mL鋁標準溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得濃度為100 μg/mL的鋁標準溶液。

配制標準系列溶液：用移液器分別吸取0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00 mL鋁標準儲備液于6個100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容，即得濃度為0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的鋁標準溶液。

將標準系列工作溶液注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中，以標準溶液中鋁的濃度為橫坐標，其分析譜線強度響應值為縱坐標，繪制標準曲線。

1.3.4 試樣的測定

將空白溶液和試樣溶液分別注入電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀中，根據(jù)標準曲線得到消解液中鋁的濃度。

1.3.5 數(shù)學模型的建立

面制品中鋁含量的數(shù)學模型為：

式中：X為面制品中鋁含量/mg/kg；Ci和C0為從工作曲線上查得的樣品消解液和空白溶液中鋁的質(zhì)量濃度/μg/mL；V和m為樣品定容體積/mL和樣品質(zhì)量/g。

2 結果與分析

2.1 不確定度來源分析

根據(jù)檢測方法和數(shù)學模型，不確定度分量主要來源為：樣品稱量過程中引入的不確定度、樣品消解過程中引入的不確定度、樣品定容過程中引入的不確定度、標準物質(zhì)引入的不確定度(鋁標準溶液的不確定度、標準系列溶液配制的不確定度)、標準曲線擬合引入的不確定度和樣品測定重復性引入的不確定度。

2.1.1 樣品稱量過程中引入的不確定度

電子分析天平依據(jù)檢定證書提供的結果值，確定其不確定度。

所以，由電子分析天平產(chǎn)生的標準不確定度：

此次稱樣的平均質(zhì)量為M=0.207 9 g，則樣品稱量過程中引入的相對標準不確定度為：

2.1.2 樣品消解過程中引入的不確定度

準確稱取6個0.200 0 g樣品，分別向其中加入100 μg/mL的標準溶液0.1 mL，對樣品進行加標回收測定，所得結果見表2。

表2 樣品加標回收率測量結果/%

式中：b+和b-分別為最大和最小回收率。

樣品消解過程中引入的相對標準不確定度：

2.1.3 樣品定容過程中引入的不確定度

所以，由25 mL容量瓶產(chǎn)生的標準不確定度：

因此，由樣品定容過程中引入的相對標準不確定度為：

2.1.4 標準溶液引入的不確定度

2.1.4.1 鋁標準溶液的不確定度

2.1.4.2 標準系列溶液配制過程中引入的不確定度

比如，教師在對旅游專業(yè)學生進行教學的時候，應該重視提高學生的語言表達能力。教師在對蘇教版的《再別康橋》這一課進行教學時，可以讓學生將“康橋”作為一個旅游景點，結合文章，用自己的語言來向大家介紹“康橋”，也就是即興說一段關于“康橋”的導游詞。教師在教學過程中能夠有效將教材內(nèi)容與學生的職業(yè)進行融合，從而能夠在潛移默化中提高學生的語言表達能力，促使學生取長補短，為此專業(yè)學生以后的就業(yè)奠定基礎。

所以，由10 mL吸量管引入的標準不確定度為：

因此，由10 mL吸量管引入的相對標準不確定度為：

所以，由100 mL容量瓶引入的標準不確定度為：

因此，由100 mL容量瓶引入的相對標準不確定度為：

所以，由1 000 μL移液器引入的標準不確定度為：

因此，由1 000 μL移液器引入的相對標準不確定度為：

綜上所述，由配制標準溶液引入的相對標準不確定度為：

2.1.5 標準曲線擬合引入的不確定度

測定標準系列溶液的6個點(每個點測3平行)，檢測結果及各計算結果列于表3，根據(jù)各濃度下測得值所得平均響應值數(shù)據(jù)進行擬合，得Y=409 817C-2423，r=0.999 8。

根據(jù)表3，擬合曲線的殘余標準差為：

式中：Yi為標準溶液任意濃度下的響應值；Y為與Yi相對應濃度下的曲線模擬響應值;P為標準溶液的總測定次數(shù)(此次P=3×6=18)。

標準曲線擬合引起的標準不確定度為：

因此，標準曲線擬合引起的相對標準不確定度為：

2.1.6 樣品重復測定引入的不確定度

樣品重復測定11次，所得的消解液根據(jù)擬合后的標準曲線得到消解液中鋁的濃度，再根據(jù)數(shù)學模型進行計算，得到樣品中鋁的含量。結果列于表4。

根據(jù)表4中所列數(shù)據(jù)，計算樣品中鋁含量的標準偏差為：

平行測定的標準不確定度為：

表3 標準系列溶液測定結果

表4 樣品中鋁含量測定結果

樣品重復性測定引入的相對標準不確定度：

2.2 相對合成標準不確定度與擴展不確定度

因此，采用微波消解-電感耦合等離子體發(fā)射光譜法測定面制品中鋁含量的結果表示為：X=(47.9±3.0) mg/kg(k=2)。

2.3 討論

通過應用ICP-OES測定面制品中鋁含量結果的不確定度，可以看出，影響不確定度的順序依次為標準溶液引入的不確定度>樣品消解過程中引入的不確定度>樣品重復測定引入的不確定度>標準曲線擬合引入的不確定度>樣品稱量過程中引入的不確定度>樣品定容過程中引入的不確定度。

針對不確定度的產(chǎn)生原因，采取以下幾條途徑來降低不確定度分量。

2.3.1 改變標準溶液配制過程

配制標準儲備液：用單標吸量管吸取1.0 mL鋁標準溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得濃度為10 μg/mL的鋁標準溶液。

配制標準系列溶液：用吸量管分別吸取0.0、1.00、2.00、4.0、8.0、10.0 mL鋁標準儲備液于6個100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容(其中1.00、2.00、10.00 mL用單標吸量管，4.00 mL和8.00 mL用分度吸量管)，即得濃度為0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的鋁標準溶液。

在標準溶液配制過程中，移液器在吸取不同體積的標準溶液時引入的不確定度隨著移取體積的改變其變化較大，引起此結果的主要原因在于同一移液器容量允許誤差會根據(jù)移取體積的變化而有所不同。而移取體積數(shù)越大，其產(chǎn)生的相對標準不確定度越小。因此，在此過程中為減小引入的不確定度，盡量移取較大體積的溶液。此外，通過對比JJG 646—2006和JJG 196—2006可以看出，在移取相同體積液體時，單標吸量管的容量允差均低于移液器的容量允差。因此，為降低不確定度，盡量改用單標吸量管進行標準溶液的配制。

依據(jù)2.1.4計算方式，按改變后的配制過程再次計算標準溶液配制過程中產(chǎn)生的相對標準不確定度。urel(標)由之前的0.022 027下降為0.010 230，差別顯著。

同時也做了將其中的移取體積為4.00和8.00 mL的部分用2.00 mL單標吸量管進行2次和4次的重復吸取，結果得到urel(標)為0.015 826，其結果較用分度吸量管一次吸取的效果差。其原因在于多次吸取溶液過程中，對吸量管的不確定度起主要作用的溫度效應也同樣需要進行多次計算導致。因此，盡量做到一次完成溶液的移取工作。

2.3.2 減少轉移次數(shù)

消解過程中，由于被測樣品的揮發(fā)、污染及吸附的發(fā)生，都會產(chǎn)生待測元素的損失。因此，需要盡量減少被測物質(zhì)的轉移次數(shù)，且少量多次清洗消解罐以減少被測成分的損失。

2.3.3 增加樣品測量次數(shù)

根據(jù)樣品重復性測定引入的相對標準不確定度的計算公式可以看出，同一樣品增加測量次數(shù)可以顯著降低相對標準不確定度。以本實驗為例，在所測數(shù)據(jù)分散性(即標準偏差)和平均值不變的情況下，將測量次數(shù)增加到20次，得到的相對標準不確定度urel(X)為0.006 239，較原始0.008 412有顯著降低。因此，可通過增加樣品測量次數(shù)的方式降低測量不確定度。

2.3.4 標準溶液平均濃度接近樣品溶液濃度

由標準曲線擬合引起的相對標準不確定度公式可以看出，當樣品溶液平均濃度與標準溶液平均濃度越接近，標準溶液與樣品溶液測定次數(shù)越多，則相對標準不確定度越小。因此，當配制標準溶液時，使其平均濃度盡量接近樣品溶液濃度且多次重復測定。

2.3.5 適當增加樣品稱量質(zhì)量

樣品稱量過程中引入的不確定度，其中僅有稱量質(zhì)量為唯一變量，由計算公式可知，適當增加稱樣質(zhì)量可顯著降低其相對標準不確定度。實驗中若將樣品稱量質(zhì)量提高到0.500 0 g，則其相對標準不確定度會由原來的0.004 18變?yōu)?.001 74，差別顯著。但由于試樣量的不斷增加，最終會導致消解的不完全而影響檢測結果。因此，需要在不影響消解效果的前提下，盡量增加樣品量。

3 結論

通過采用ICP-OES測定面制品中鋁含量，對測定方法的不確定度進行評定，分析不確定度的主要來源，并將各分量合成。當鋁含量為47.9 mg/kg時，擴展不確定度為3.0 mg/kg(k=2)。并找出了引起測量不確定度的主要貢獻者，其順序依次為：標準溶液引入的不確定度>樣品消解過程中引入的不確定度>樣品重復測定引入的不確定度>標準曲線擬合引入的不確定度>樣品稱量過程中引入的不確定度>樣品定容過程中引入的不確定度。針對其產(chǎn)生原因進行分析，可以通過改變標準溶液配制過程、減少被測物質(zhì)轉移次數(shù)、增加樣品測量次數(shù)、標準溶液平均濃度接近樣品溶液濃度、適當增加樣品稱量質(zhì)量的途徑，使不確定度降低。其中3個主要分量分別從(0.022 0、0.008 4、0.004 2)下降為(0.010 2、0.006 2、0.001 7)，效果顯著，達到了降低影響結果準確性因素的目的，使得檢測結果可以更大程度上的接近真值。