電感耦合等離子體質(zhì)譜測(cè)定白酒中鉛及其不確定度評(píng)定

韓夢(mèng)莎，田佳鑫，杜英偉，吳建霞，林琳，王莉

(貴州茅臺(tái)酒股份有限公司 質(zhì)量部，貴州 仁懷，564501)

測(cè)量不確定度簡(jiǎn)稱不確定度，根據(jù)所用到的信息，表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)[1-2]。測(cè)量不確定度評(píng)定，能給出測(cè)量結(jié)果的置信度和置信區(qū)間，不僅對(duì)測(cè)量結(jié)果的評(píng)價(jià)具有重要作用，還可以通過(guò)對(duì)每個(gè)不確定因素的分析判定，確定影響不確定度的主次，進(jìn)而提高檢測(cè)結(jié)果的可靠程度。根據(jù)CNAS—CL01—G003：2018《測(cè)量不確定度的要求》[3]：實(shí)驗(yàn)室應(yīng)評(píng)定和應(yīng)用測(cè)量不確定度，并建立維護(hù)測(cè)量不確定度有效性的機(jī)制；實(shí)驗(yàn)室應(yīng)有具備能力的人員正確的評(píng)定、報(bào)告和應(yīng)用測(cè)量不確定度[4]。新版ISO/IEC 17025:2017—CNAS—CL01：2018《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》，規(guī)定開(kāi)展檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)評(píng)定測(cè)量不確定度，并采用適當(dāng)?shù)姆治龇椒紤]測(cè)量不確定度的所有顯著貢獻(xiàn)[5]。因此，測(cè)量不確定度，既是實(shí)驗(yàn)室質(zhì)量控制的需要，同時(shí)也是實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可和新檢測(cè)方法開(kāi)發(fā)的需要，對(duì)于企業(yè)的質(zhì)量管理具有重要的意義。

GB 5009.12—2017 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中鉛的測(cè)定》規(guī)定石墨爐原子吸收光譜法作為食品中鉛測(cè)定的第一法，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS)為第二法[6-7]。ICP-MS因靈敏度高、檢測(cè)速度快、干擾程度小等優(yōu)點(diǎn)[8]，被廣泛應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)外極具優(yōu)勢(shì)的檢測(cè)分析手段。目前，白酒中鉛的測(cè)量不確定度評(píng)定主要集中在原子吸收光譜測(cè)定法[9-15]，ICP-MS法測(cè)定白酒中鉛的不確定度評(píng)定研究較少，杜德賢等[16]利用 GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》[17]規(guī)定的ICP-MS法檢測(cè)白酒中的鉛，并評(píng)定不確定度。本研究采用烘干法結(jié)合ICP-MS法測(cè)定白酒中的鉛，與GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》規(guī)定的微波消解-ICP-MS法相比，該法有效地縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。根據(jù)JJF 1059.1—2012《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》[1]、CNAS—CL07：2011《測(cè)量不確定度》和CNAS—GL05：2011《測(cè)量不確定度要求的實(shí)施指南》[18-19]等評(píng)定了ICP-MS測(cè)定白酒中鉛的不確定度，評(píng)估各項(xiàng)不確定度分量大小，有針對(duì)性地控制各影響因素，旨在更加準(zhǔn)確、科學(xué)地表示檢測(cè)結(jié)果。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

白酒樣品為53%vol貴州茅臺(tái)酒；Agilent內(nèi)標(biāo)液(10 μg/mL)；環(huán)境分析混合標(biāo)準(zhǔn)品(51834688，鉛質(zhì)量濃度為10 μg/mL)，安捷倫公司；硝酸(色譜純)，國(guó)藥集團(tuán)；超純水(電阻率18.23 MΩ)，艾科普acj-1002-pt純水儀制備。

7900型ICP-MS、塑料樣品瓶，安捷倫科技有限公司；ML204型電子天平，梅特勒-托利多公司；1 mL移液器，德國(guó)eppendorf。

1.2 樣品前處理

稱取2.0 g樣品于洗干凈的塑料樣品瓶中，于80 ℃烘箱中烘至近干，體積分?jǐn)?shù)為2%的HNO3溶液定容至20 g左右，搖勻，以2%HNO3作為空白，利用ICP-MS測(cè)定。測(cè)定的環(huán)境條件為溫度20～23 ℃，相對(duì)濕度約50%。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

本研究采用質(zhì)量法配制標(biāo)準(zhǔn)溶液。使用1 mL移液器移取0.5 mL混合標(biāo)準(zhǔn)品于洗干凈的塑料瓶中，以體積分?jǐn)?shù)為2%HNO3溶液準(zhǔn)確定容至50 g，搖勻，獲得100 μg/kg的一級(jí)稀釋液。分別稱取一級(jí)稀釋液0、2.5、5、10、25 g，用2%HNO3定容至50 g，配成0、5、10、20、50 μg/kg的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。

1.4 儀器工作參數(shù)

ICP-MS儀器工作參數(shù)：射頻功率1 550 W；等離子體氣流15 L/min，載氣流量1 L/min，輔助氣流量1 L/min；采樣深度6 mm；蠕動(dòng)泵0.2 r/min；霧化室溫度2 ℃；測(cè)定同位素為208Pb，在線內(nèi)標(biāo)為209Bi。

1.5 樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果

在優(yōu)化的儀器工作參數(shù)下，樣品測(cè)定3次，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)及測(cè)定結(jié)果Table 1 Sample measurement data and measurement results

2 數(shù)學(xué)模型的建立和不確定度分析、評(píng)定

2.1 不確定度測(cè)定數(shù)學(xué)模型

測(cè)定白酒中鉛的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)公式(1)：

(1)

式中：X，酒樣中鉛的含量，μg/kg；C，樣品溶液中已扣除空白的鉛元素含量，μg/kg；M，樣品溶液的定容量，g；m，白酒的取樣量，g；d，稀釋倍數(shù)。

2.2 不確定度來(lái)源分析

本檢測(cè)方法由樣品前處理、儀器檢測(cè)及數(shù)據(jù)處理3部分組成，根據(jù)測(cè)量方法分析不確定度來(lái)源，如圖1所示。樣品稱量和定容過(guò)程的不確定度均由天平引入，分別用u(m)和u(M)表示；前處理過(guò)程的不確定度由損耗引入，用u(R)表示；標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程的不確定度由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)、天平和移液器共同引入，用u(S)表示；標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度用u(I)表示；測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度用u(r)表示。

圖1 ICP-MS測(cè)定白酒中鉛的方法及不確定度來(lái)源Fig.1 Lead determination method in Baijiu by ICP-MS and the source of uncertainty

2.3 不確定度評(píng)定

2.3.1 樣品稱量時(shí)引入的相對(duì)不確定度urel(m)

2.3.2 樣品前處理引入的不確定度urel(R)

樣品前處理過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)金屬元素的損失或污染等情況，使樣品中目標(biāo)元素不能100%進(jìn)入測(cè)定液中，使用加標(biāo)回收率可以判斷樣品前處理的方法是否可行[20]。平行稱取樣品3份，加入標(biāo)準(zhǔn)品，按1.2進(jìn)行前處理，ICP-MS測(cè)定。按照重復(fù)性公式(2)和公式(3)計(jì)算不確定度。該過(guò)程引入的不確定度結(jié)果見(jiàn)表2。

(2)

(3)

表2 加標(biāo)回收率結(jié)果及不確定度Table 2 Results of recovery rate and relative standard uncertainty

2.3.3 定容引入的不確定度urel(M)

本方法定容過(guò)程所用天平與2.3.1中所用天平一致，天平稱量以20 g時(shí)計(jì)算得出天平稱量相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度urel(S)

標(biāo)準(zhǔn)溶液液配制是通過(guò)逐級(jí)稀釋的方法將鉛標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稀釋至工作濃度，該過(guò)程中引入的不確定度包含標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和逐級(jí)稀釋2部分。

2.3.4.1 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)引入的不確定度urel(S)1

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)證書(shū)，鉛標(biāo)準(zhǔn)溶液的擴(kuò)展不確定度為±0.5%，取置信區(qū)間為95%，包含因子k=2，屬B類(lèi)評(píng)定，則相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.4.2 逐級(jí)稀釋過(guò)程引入的不確定度urel(S)2

表3 標(biāo)準(zhǔn)系列溶液配制過(guò)程引入的不確定度Table 3 Relative standard uncertainty from standard solution preparation

逐級(jí)稀釋過(guò)程引入的不確定度為：

2.3.4.3 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(S)

由標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)和逐級(jí)稀釋等分量合成的標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.5 ICP-MS標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度urel(F)

配制5份(0、5、10、20、50 μg/kg)標(biāo)準(zhǔn)工作液，儀器檢測(cè)并讀數(shù)，得到相應(yīng)的質(zhì)譜強(qiáng)度(counts per second，CPS)，與內(nèi)標(biāo)質(zhì)譜強(qiáng)度CPS共同計(jì)算，得到比率Y(CPSPb/CPSBi)。以標(biāo)準(zhǔn)工作液濃度為橫坐標(biāo)，以比率Y為縱坐標(biāo)，最小二乘法擬合得到線性回歸方程Y=aX+b(a為斜率，b為截距)和方程線性系數(shù)，見(jiàn)表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合Table 4 Results of standard curves fitting

根據(jù)CNAS—CL06：2006《化學(xué)分析中不確定度的評(píng)估指南》[22]，標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(F)利用公式(4)～公式(6)進(jìn)行計(jì)算:

(4)

(5)

=0.118 58

(6)

結(jié)合以上計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.6 測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度urel(r)

按照1.2前處理方法，平行制備9份待測(cè)樣品溶液，屬于A類(lèi)評(píng)定，故測(cè)量重復(fù)性的不確定度，等于測(cè)量結(jié)果平均值的標(biāo)準(zhǔn)偏差[23-24]。測(cè)量數(shù)據(jù)及計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 樣品溶液重復(fù)性測(cè)量結(jié)果Table 5 Results for the determination repeatability of samples

將數(shù)據(jù)代入公式(1)和公式(2)計(jì)算，測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3.7 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度評(píng)定urel(W)

各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量量值和貢獻(xiàn)度見(jiàn)表6。

合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度為:

表6 ICP-MS測(cè)定白酒中鉛的不確定度量值和貢獻(xiàn)度Table 6 Component values and contribution of uncertainty of lead in Baijiu by ICP-MS

2.3.8 擴(kuò)展不確定度評(píng)定

取置信水平95%，則k=2(按正態(tài)分布評(píng)定)，酒樣中鉛含量測(cè)定的相對(duì)擴(kuò)展不確定度為：

U95(W)=k×urel(W) =2×0.94%=1.88%

3 不確定度報(bào)告

通過(guò)對(duì)ICP-MS測(cè)定白酒中鉛的不確定度評(píng)定，當(dāng)白酒中鉛檢測(cè)結(jié)果為14.949 μg/kg時(shí)，不確定度表示為：

X=(14.949±0.28) μg/kg，k=2，P=95%

4 結(jié)論與討論

通過(guò)評(píng)定，ICP-MS測(cè)定白酒中鉛含量方法的測(cè)量不確定度主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)系列溶液測(cè)定以及曲線擬合過(guò)程，其次為標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程中移液器的使用。

本研究采用烘干法結(jié)合ICP-MS法測(cè)定白酒中的鉛，并評(píng)定該方法的不確定度，與GB 5009.268—2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品中多元素的測(cè)定》規(guī)定的微波消解-ICP-MS法相比，在保證檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確的前提下，該法步驟簡(jiǎn)單，有效縮短了檢測(cè)時(shí)間，提高了檢測(cè)效率。杜德賢等[16]采用微波消解-ICP-MS法檢測(cè)白酒中的鉛并評(píng)定不確定度，明確了標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合和標(biāo)準(zhǔn)溶液配制是不確定度貢獻(xiàn)度的主要分量，這與本次不確定度評(píng)定結(jié)果一致，如圖2及圖3所示。同時(shí)，本次評(píng)定各個(gè)不確定度量值均低于文獻(xiàn)報(bào)道，尤其是樣品前處理的貢獻(xiàn)度顯著低于文獻(xiàn)報(bào)道，這表明前處理過(guò)程采用烘干法、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制過(guò)程采用重量法，可明顯減少不確定度的引入。

圖2 本研究與文獻(xiàn)報(bào)道的不確定度量值對(duì)比Fig.2 Comparison of component values in this study and literature

a-本研究；b-文獻(xiàn)報(bào)道圖3 本研究與文獻(xiàn)報(bào)道的不確定度分量貢獻(xiàn)度Fig.3 Comparison of contribution of uncertainty in this study and literature

為最大程度地減少檢測(cè)過(guò)程引入的不確定度，儀器管理人員和使用人員應(yīng)按照儀器操作規(guī)程定期維護(hù)儀器，確保儀器工作穩(wěn)定性。同時(shí)，通過(guò)增加標(biāo)準(zhǔn)系列溶液的測(cè)定次數(shù)、增加儀器的掃描次數(shù)、堅(jiān)持就近原則選擇合適的同位素和內(nèi)部元素建立儀器檢測(cè)方法等，能在較大程度上減少標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度。配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，操作人員應(yīng)確認(rèn)移液槍、天平等量器是否定期維護(hù)和檢定，具體操作應(yīng)嚴(yán)格按照操作指導(dǎo)書(shū)進(jìn)行，減少標(biāo)準(zhǔn)工作液的誤差。本實(shí)驗(yàn)中，標(biāo)準(zhǔn)溶液配制的不確定度主要由1 mL 移液器移取標(biāo)準(zhǔn)母液時(shí)引入，為減少該部分不確定度，可選擇更加準(zhǔn)確的量器和方法。本方法采用了重量法配制標(biāo)準(zhǔn)溶液，相比體積法，準(zhǔn)確度有所提高，且在一定程度上可減少污染。也可選擇全自動(dòng)標(biāo)液配制設(shè)備，這也將成為未來(lái)本實(shí)驗(yàn)室嘗試的一個(gè)方向。與此同時(shí)，定期有效地執(zhí)行質(zhì)控活動(dòng)可有效地確保整個(gè)檢測(cè)過(guò)程準(zhǔn)確、穩(wěn)定。