原子熒光光譜法測定黑糖中總砷的不確定度評定

鐘宏星，陸劍華，肖 鑫，歐健銘，王彩云，余 娟*

0 前言

黑糖是一種沒有經過高度精煉的帶蜜成型的顏色較深的焦香味蔗糖，保留了甘蔗中天然營養成分，并經過較長時間的煉制使其更加利于人體吸收，其含多酚類物質且含鐵元素，顏色偏深近似黑色，故被稱為黑糖。行業推薦標準QB/T 4567-2013《黑糖》規定了總砷的檢測方法及限量≤0.5 mg/kg[1]。

測量不確定度是與測量結果相關聯的參數，它合理地賦予被測值的分散性。該分散性主要涉及 A類不確定度、B類不確定度和合成標準不確定度[2]。A類不確定度：由測量列結果統計分布計算，用實驗標準偏差表征；B類不確定度：基于經驗或其它信息的概率分布估計出來，用標準偏差表征；合成標準不確定度：將A類、B類不確定度的平方和開方的方法疊加起來給出合成標準不確定度[3]。

本文通過氫化物發生原子熒光光譜法進行黑糖中總砷的測定。為了檢查分析結果質量、度量分析結果可信性[4]，找出影響測定結果不確定度的因素，可通過不確定度評定，有效地分析檢驗過程各種影響結果準確性的因素，提出避免引入測量誤差或不確定性的方法，指導實驗室質量管理[5]。根據國家計量技術規范JJF 1059.1-2012《測量不確定度評定與表示》的要求對測量結果的不確定度進行評定[6-7]，通過建立數學模型對各個不確定度分量進行計算，找出影響氫化物發生原子熒光光譜法進行黑糖總砷測定準確性的主要因素。

1 材料與方法

1.1 材料

主要儀器：AFS-9530原子熒光光度計(北京海光儀器有限公司)；SQP電子天平(賽多利斯科學儀器(北京)有限公司)；容量瓶(25 mL，A級；100 mL，A級)；控溫熱板(50～200℃)等。

主要試劑：硝酸(HNO3)；高氯酸(HClO4)；硫酸(H2SO4)；鹽酸(HCl)；硼氫化鉀(KBH4)；氫氧化鉀(KOH)；硫脲(CH4N2O2S)；抗壞血酸(C6H8O6)；砷標準溶液(1000 μg/mL)。

1.2 方法

稱取均勻黑糖樣品1.0～2.5 g，置于100 mL錐形瓶中，加硝酸20 mL，高氯酸4 mL，硫酸1.25 mL，放置過夜。次日置于電熱板上加熱消解。若消解液處理至1 mL左右時仍有未分解物質或色澤變深，取下放冷，補加硝酸5～10 mL，再消解至2 mL左右，如此反復2～3次，注意避免碳化。繼續加熱至消解完全后，再持續蒸發至高氯酸的白煙散盡，硫酸的白煙開始冒出。冷卻，用水將內容物轉入25 mL容量瓶，加硫脲+抗壞血酸溶液2 mL，補加水至刻度，混勻，放置30 min，待測。同時作空白和加標試驗。

取25 mL容量瓶6個，依次準確加入1.00 μg/mL砷標準使用液 0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.0 mL，各加硫酸(1+9)12.5 mL，硫脲+抗壞血酸溶液2 mL，補水至刻度，混勻(相當于砷濃度0.00、1.00、2.00、4.00、8.00、10.00 ng/mL)，放置 30 min。

將處理后的樣液、空白試劑和各砷標準使用液依次引入預熱穩定后的儀器中進行原子熒光強度的測定。儀器條件：負高壓：260 V；砷空心陰極燈電流：60 mA；載氣：氬氣；載氣流速：400 mL/min；屏蔽氣流速：1000 mL；測量方式：熒光強度；讀數方式：峰面積。以原子熒光強調為縱坐標，砷濃度為橫坐標繪制標準曲線，得到回歸方程。根據回歸方程計算出樣品中砷元素的濃度[8]。

2 建立數學模型

根據上述實驗步驟，計算出黑糖中總砷含量的數學模型為：

X-黑糖中總砷的含量(mg/kg)；ci-第 i份黑糖的消化液中總砷濃度(ng/mL)；mi-第 i份黑糖的質量(g)；V-黑糖消化液定容體積(mL)；n-重復實驗次數。

3 測量結果

砷標準溶液熒光強度結果見表 1，其回歸方程為 y=150.34x-34.936，相關系數 R2為 0.9995。黑糖樣品的總砷含量測量結果及加標結果見表2和表3。

表1 砷標準溶液熒光強度

表2 黑糖樣品總砷含量測量值

4 不確定度來源分析

根據數學模型和測量過程，不確定度來源包括(如圖1所示)：①稱樣過程引入的不確定度Urel(m)，來源于電子天平的精度，屬于B類不確定度；②定容過程引入的不確定度 Urel(V)，包括定容容器的體積誤差、讀數誤差、環境溫度的影響，屬于B類不確定度；③消化液中砷含量 c引入的標準不確定度Urel(c)，屬于 B類不確定度；④重復測量引入的不確定度Urel(n)，屬于A類不確定度。

5 不確定度分量評定

圖1 測定黑糖中總砷含量的不確定度來源

5.1 稱樣的不確定度Urel(m)

樣品質量m引入的不確定度主要來自天平自身存在的系統誤差，屬于B類不確定度。由檢定證書得知最大允許誤差為±0.0002 g，按均勻分布考慮，則有標準不確定度為0.0002/3，樣品質量平均值為1.5002 g，因此其相對標準不確定度為：

5.2 樣品定容引入的不確定度Urel(V)

體積V引入的不確定度主要來源于定容使用的100 mL容量瓶。該不確定度分量主要包括3部分：①由國家標物中心提供其允差為±0.10mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.10÷ 3=0.0577 mL；②校準溫度與實驗室溫度不同產生的不確定度：儀器的校準溫度為20℃，而實驗室的溫度為20℃±10℃。按均勻分布計算，體積變化的標準不確定度為2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121 mL；③定容時的估讀誤差±0.005 mL，按均勻分布計算，引起的不確定度為0.005÷ 3=0.00289 mL。

合成以上3項標準不確定度U(V)為：

即其相對標準不確定度為：

5.3 樣品前處理過程引入的不確定度Urel(spike)

由于樣品消化不完全或消化過程導致砷損失等，其不確定度通過計算其回收率的方式來評定。本次實驗同時做了加標回收實驗，對 6次添加 0.1 mL質量濃度為1000 μg/L砷標準使用液，即加標濃度為4.000 μg/L。其回收率分別為96.8%、99.2%、102.4%、95.9%、98.8%、97.1%，則平均回收率為98.4%，其標準偏差為 2.133%，則由樣品前處理引入的標準不確定度U(spike)=2.133%，相對標準不確定度為：

5.4 標準溶液引入的不確定度Urel(std)

5.4.1 由砷標準溶液引入的不確定度U(std)

砷標準溶液是由國家有色金屬及電子材料分析測試中心提供的砷標準溶液(1000 μg/mL)，標準物質證書給出的標準不確定度為 0.7%，k=2。即砷標準溶液的相對不確定度為：

5.4.2 由砷標準使用液配制過程引入的不確定度

砷標準使用液的配制方法如下：

用 1 mL移液管吸取 1 mL砷標準溶液(1000 μg/mL)于100 mL容量瓶中，用硝酸溶液(2+98)稀釋至刻度，得到濃度為 10.00 μg/mL標準使用液，再用10 mL刻度吸管吸取10 mL濃度為10.00 μg/mL標準使用液于100 mL容量瓶中，得到濃度為1.00 μg/mL標準使用液。

(1)1 mL移液管：使用1 mL A級移液管，由國家標物中心提供其允差為±0.001 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為 0.001÷ 3=0.000577；估讀±0.005 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為 0.005÷ 3=0.00289；溫度引起的不確定度為 2.1×10-4×10×1÷ 3=0.00121，即：

(2)100 mL容量瓶：使用100 mL A級容量瓶，由國家標物中心提供其允差為±0.10 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.10÷ 3=0.0577；估讀±0.005 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.005÷ 3=0.00289；溫度引起的不確定度為 2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121，即：

(3)10 mL移液管：使用10 mL A級移液管，由國家標物中心提供其允差為±0.020 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.020÷ 3=0.0116；估讀±0.005 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.005÷ 3=0.00289；溫度引起的不確定度為 2.1×10-4×10×10÷ 3=0.0121，即：

(4)100 mL容量瓶：使用100 mL A級容量瓶，由國家標物中心提供其允差為±0.10 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.10÷ 3=0.0577；估讀±0.005 mL，按均勻分布計算，其標準不確定度為0.005÷ 3=0.00289；溫度引起的不確定度為 2.1×10-4×10×100÷ 3=0.121，即：

由砷標準溶液引入的不確定度Urel(std)為：

5.5 標準曲線最小二乘法擬合引入的不確定度Urel(l)

砷標準曲線配置了5個標準濃度，分別平行上機測定 2 次。如表 1、表 2 可得：a=-34.936，b=150.34，樣品濃度的平均值c樣=4.3455 μg/L，各個標準溶液濃度的平均值c平=5.00 μg/L。

其中殘差s、標準差sxx計算公式為：

式中：n-測定標準溶液的次數，n=10；p-測試樣品的次數，p=5；i-表示第幾個標準溶液；j-獲得校準曲線的測量次數。

Urel(l)計算公式如下：

式中：n-測定標準溶液的次數，n=10；p-測試樣品的次數，p=5；i-表示第幾個標準溶液；j-獲得校準曲線的測量次數。

5.6 由重復性測定引入的標準不確定度評定Urel(ci)

由貝塞爾公式求得單次測量標準差s(ci)為：

由測量重復性導致的標準不確定度U(c)為：

因此，重復測定的相對標準不確定度Urel(ci)為：

5.7 計算合成相對標準不確定度Uc,rel

黑糖中總砷含量各個不確定度分量計算值如表4所示。樣品前處理的數值最高，為0.217；而樣品稱量數值最低，為 0.000770。合成相對標準不確定度如式(18)所示：

表4 黑糖中總砷含量測定相對不確定度分量評定結果

6 擴展不確定度U

合成標準不確定度：

在 95%置信水平下，包含因子取 k=2，則擴展不確定度為（標準要求保留2位有效數字）：

即實際黑糖樣品的總砷測定結果可表示為：0.072±0.0036 mg/kg。

7 結論

氫化物發生原子熒光光譜法測定黑糖總砷含量的過程中，測定結果的擴展不確定度為 U=0.0036 mg/kg。樣品總砷含量真實值可表示為 0.072±0.0036 mg/kg。用傳統方法計算其相對誤差為5.0%，在標準允許范圍(≤20%)以內。