原子熒光法測定蘋果中總汞和總砷含量不確定度評定

(北京市昌平區農產品監測檢測中心,北京 102200)

測量不確定度是表征賦予被測量值分散性的非負參數[1]。開展測量不確定度評定有利于對檢測結果邊緣值進行合格與否的判定,確認檢測結果的可信度。同時還可以用于方法確認,試驗間的比對,能力驗證以及建立結果的可溯源性[2]。有研究表明原子熒光法測定食品中汞含量不確定度,不確定度評定中校準曲線的線性回歸和測量的重復性是影響該方法的不確定度的主要因素[3],原子熒光法測水中砷時工作曲線擬合產生的不確定度較大[4];而吳鳳齊[5]研究表明原子熒光法測水中砷時影響其測量不確定度的主要因素是標準溶液;原子熒光光譜法測定廢水中汞的不確定度分析影響測量不確定度的主要因素是原子熒光強度值帶來的不確定度[6]。由此可見原子熒光法測定不確定評定的結果因樣品和檢測元素不同而不同。蘋果作為國民最常食用的水果之一,其生長過程易受到亂用藥和亂施肥的影響而降低其食用價值,總汞和總砷因對人體危害大難降解,食品質量安全要求對這些重金屬進行精確檢測,而所有的化學分析都不可避免存在誤差,因此不確定度的分析在國際認可的檢測方法中是不可或缺的。現有研究鮮見關于原子熒光法測定蘋果中總汞和總砷含量不確定度評定的,為保證檢測結果的可信度,本研究結合原子熒光法測定蘋果的前處理過程和上機檢測過程,對影響不確定度的來源進行全面分析并量化,為提高檢測技術水平提供可靠的數據支持,并可根據影響不確定度的主要因素采取相應的措施,減小測量不確定度,提高檢測的可信度和準確性。

表2 標準溶液的配制Table 2 Prepare of standard solution

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

硝酸 優級純;硫脲 分析純;抗壞血酸 分析純;硼氫化鉀 分析純;硝酸(20%)浸泡24 h以上;實驗室水為超純水。

微波消解儀(CEM,Mars6 Xpress);AFS-9530原子熒光光度計 海光儀器;MS204S電子天平 梅特勒;超純水儀(MILLI-Q,明澈-D24UV)；移液槍(Finnipipette,100～1000 μL,5～50 μL,20～200 μL);容量瓶為A級(10 mL,25 mL,50 mL);器具均按照國家的檢定規程要求進行檢定[7-9],檢定結果見表1。

表1 器具的檢定結果Table 1 The calibrating results of apparatus

1.2 實驗方法

本文主要參考GB 5009.11-2014[10](第二法)總砷的測定和GB 5009.17-2014[11](第一法)總汞的測定進行樣品前處理和利用原子熒光法進行檢測。樣品前處理稱量2.000 g樣品,消解,排酸,用5%硝酸2%的硫脲抗壞血酸定容50.00 mL,混勻,制成上機待測液。然后采用原子熒光儀進行上機檢測,其熒光強度在一定范圍內與汞濃度和砷濃度呈線性,上機時采用自動配標。檢測熒光值計算樣品溶液中汞濃度和砷濃度。

汞和砷的標準溶液是以5%的硝酸,2%的硫脲抗壞血酸為溶劑,將儲備標準溶液逐步稀釋配制工作標準溶液,稀釋過程見表2,其中定容以容量瓶定容,取液用相應量程的移液槍;汞和砷的上機濃度分別為2、20 ng/mL,儀器自動配標。

1.3 計算公式

1.3.1 測量數學模型見公式(1)。

式(1)

式中:C儀器檢測直讀濃度,ng/mL;V樣品前處理定容體積,mL;M稱取樣品的質量,g;X樣品中待測元素含量,μg/kg;

1.3.2 測量不確定度A類評定的通用計算公式見公式(2)和(3)[1,12]。

式(2)

式(3)

1.3.3 測量不確定度B類評定的通用計算公式見公式(4)[1]。

式(4)

式中:uB：B類標準不確定度,a：被測量可能值區間的半寬度;κ：根據概率論獲得的κ稱為置信因子,當κ為擴展不確定度的倍乘因子時稱包含因子,κ正態分布和非正態分布時取值不同,詳情參考JJF1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》[1]。

1.3.4 標準曲線校正測量待測溶液引入的不確定度 C的標準不確定度為公式(5)[13]。

式(5)

則C的相對標準不確定度為公式(6)。

式(6)

1.3.5 由環境溫度變化導致水體積變化引入不確定度

1.3.5.1 標準不確定度為公式(7)。

urel(V)=V×a×ΔT/κ

式(7)

1.3.5.2 相對標準不確定度為公式(8)。

式(8)

式(7)～(8)中a為水的體積膨脹系數,2.1×10-4mL/℃,V為量具的體積;ΔT為環境溫度變化范圍,κ為置信因子。

1.3.6 合成標準測量不確定度 合成標準不確定度urel為各個分量的平方和,假設不確定度來源共有n分量,且不相關時,則n個分量合成不確度的計算公式見公式(9)[1]。

式(9)

1.3.7 擴展不確定度評定 一般情況下,以正態分布考慮,95%的置信度下包含因子k=2[1,14-15],擴展不確定度的計算公式見公式(10)。

U=kU合

式(10)

2 結果與分析

2.1 測量不確定度的來源分析

檢測的前處理,包括樣品稱量和消化后的定容引入的不確定度;標準溶液,包括儲備標準溶液和工作標準溶液配制引入的不確定度;校正標準曲線檢測引入的不確定度;樣品重復測量的引入不確定度。

測量不確定度一般由若干分量組成,其中可根據一系列測量值的統計分布,按不確定度的A類評定進行,并可用標準偏差表征。而另一些分量則基于經驗或其他信息概率密度函數,按測量不確定度B類評定進行評定,也用標準偏差表征[1]。因此,測量不確定度評定分別對A類或B類不確定度來源進行評定[12],具體情況具體分析。

2.2 不確定度分量的量化

2.2.1 樣品前處理過程中引入的不確定度urel(A)

2.2.1.1 樣品稱量引入的不確定度 樣品稱量稱重為2.000 g,由表1可知,天平允差誤差為±0.0005 g;按均勻分布處理[16],代入公式(4),其不確定度為

樣品前處理引入的不確定度為0.0007450,該分量引入的不確定度較小。

2.2.2 標準溶液引入的不確定度urel(B)

2.2.2.1 儲備標準溶液引入的不確定度 根據標準物質證書上的信息可以查出總汞和總砷原始標準溶液的相對擴展不確定度為0.8%(K為2),則標準物質不確定度如下[16,18]。

由上可知由儲備標準溶液引入的不確定度較小。

2.2.2.2 工作標準溶液配制引入的不確定度 由表2可知,汞和砷標準物質過程配制,容量瓶和移液槍的允差誤差見表1。

容量瓶允差誤差引入的不確定度

根據公式(11)可計算合成不確定度。

urel(V容)

環境溫度引起容量瓶里溶液體積膨脹變化引入的不確定度

根據公式(9)可計算合成不確定度。

urel(T容)

移液槍允差誤差引入的不確定度

表3 汞標準系列濃度與響應熒光強度Table 3 Concentration of standard mercury series standard and response fluorescence intensity

因此在配制標準溶液使用移液槍引入的不確定度分量互不相關,根據公式(9)合成不確定度為:

urel(V移Hg)

urel(V移As)

urel(BHg)

urel(BAs)

汞和砷標準溶液引入的不確定度分別為0.01478和0.01298,其中主要是由配置標準溶液使用移液槍導致。若想減小此來源引入的不確定度,可采取使用精密度更好的移液器代替。

2.2.3 標準曲線校正檢測引入的不確定度urel(C) 汞標液采用7點法儀器自動配標,單位為ng/mL,每個濃度點重復三次,采用最小二乘法進行擬合。汞標準曲線為 y=ax+b=2186.921x-6.896;p=3×7=21,平均濃度為0.729 ng/mL,汞標準曲線的結果見表3;砷標準曲線y=ax+b=162.536x+14.211;p=3×7=21,平均濃度為7.2857 ng/mL;對待測溶液進行重復檢測4次,n=4;汞和砷檢測結果見表5,汞的平均濃度為0.2102 ng/mL,砷的平均濃度為7.590 ng/mL。

其中由上可得汞標準溶液熒光強度殘差的標準偏差為:代入公式(5)～(6)可得待測溶液汞的標準不確定度為:

待測溶液汞的相對標準不確定度為:

待測溶液砷的標準不確定度為:

待測溶液砷的相對標準不確定度為:

此來源引入的總汞相對不確定度和總砷相對不確定度分別為0.06602和0.01672。總汞不確定度最主要來源是此項,可以結合原子熒光儀的靈敏度和待測樣品溶液中汞的濃度,選擇接近的待測溶液中汞的濃度的平均標準溶液濃度來達到減小此項引入的不確定度;總砷的不確定度過程除采用以上方法外,還可以提高儀器靈敏度,即提高斜率來減小此來源引入的不確定度。

表4 砷標準系列濃度與響應熒光強度Table 4 Concentration of standard arsenic series and response fluorescence intensity

2.2.4 重復測量引入的不確定度urel(D) 由表5可知,樣品重復檢測4次,汞的平均值為5.256 μg/kg,砷的平均值為189.750 μg/kg。重復測量產生的不確定度屬于A類相對標準不確定度,代入公式(2)和(3),可計算結果。

汞的重復檢測產生的不確定度

砷重復檢測產生的不確定度

由此來源引入的總汞和總砷的相對不確定度分別為0.02612和0.02863。儀器測試重復性與儀器穩定性相關;可定期維護保養儀器,優化儀器各項參數,增加重復檢測的次數,以達到減小此項引入的不確定度。

2.3 不確定度分量的合成

原子熒光法測定蘋果總汞和總砷的不確定度,由前處理引入不確定度,標準物質引入的不確定度,標準曲線擬合引入的不確定度和重復測定引入的不確定度的合成,根據公式(9)可計算。

urel(XHg)

urel(XAs)

表5 樣品重復檢測結果Table 5 Data sheet for repeated determination of samples

2.4 相對擴展不確定度

汞的擴展不確定度和砷的擴展不確定度代入公式(10),可計算結果。

U(Hg)=2×urel(Hg)=2×0.07347×100%=14.694%;

U(As)=2×urel(Hg)=2×0.03363×100%=6.748%

2.5 測定結果

在原子熒光法測定蘋果中總汞含量測定結果為(5.256±0.772) μg/kg。總砷含量測定結果為(189.750±12.804) μg/kg。

3 討論

3.1 原子熒光法測定蘋果總汞和總砷含量的不確定度之間比較

總砷的相對擴展不確定度比總汞的相對擴展不確定度要小,測量值與真值更為接近。

3.2 原子熒光法測定蘋果中總汞和總砷含量的不確定度最主要因素

校正標準曲線檢測引入的不確定度和重復檢測引入的不確定度分別是總汞和總砷不確定度最主要的來源,前者可通對待測樣品進行預測后選擇合適的標準溶液的上機濃度點,使得標準溶液的平均濃度與待測樣品濃度更為接近,增加標準溶液的重復測量次數等來減小由此引入的不確定度;后者可以通過提高儀器穩定性等,增加重復檢測樣品的次數等來減小由此引入的不確定度;配制工作標準溶液使用移液槍引入的不確定不可忽略,可通過使用精密度更好的移液器來減小由此引入的不確定度;配制標準溶液定容體積,樣品稱樣量引入的不確定度非常小,可以忽略不計。

4 結論

4.1 原子熒光法測定蘋果總汞和總砷含量的不確定度

原子熒光法測定蘋果中總汞和總砷含量分別為5.256和189.750 μg/kg;相對擴展不確定度分別為14.694%和6.748%;結果表達分別為(5.256±0.772)和(189.750±12.804) μg/kg,總砷的測量值比總汞的測量值更接近真值,可信度更高。

4.2 原子熒光法測定蘋果總汞和總砷含量的不確定度的評定

進行樣品預測,不同濃度的待測樣品要合理選擇標準曲線的對應的濃度點;提高儀器穩定性,增加重復檢測樣品的次數;正確選擇標準溶液的配制方法和移液器非常重要。