電感耦合等離子體質譜法測定中華絨螯蟹中稀土元素的不確定度分析

◎ 梁鳳玲，鄭 揚，黃 芳

（蘇州市農產品質量安全監測中心，江蘇 蘇州 215104）

中華絨螯蟹又稱河蟹、大閘蟹，滋味鮮美，具有較高的營養價值和經濟價值，是我國淡水產養殖的品種之一。稀土元素是17 種特殊元素的統稱，包括15 種鑭系元素和鈧、釔。我國是第一個把稀土作為商品用于農、林、牧、漁等農業生產的國家。稀土元素在魚、蝦、河蟹等淡水養殖方面應用廣泛[1]，在農業中主要作為生長促進劑，能提高淡水養殖的效率，提高漁業產量[2]。微量稀土元素對淡水生物具有促進生長、改善品質的作用[3]。研究表明，水、土壤環境中的稀土元素可能通過食物鏈進入人體，進而產生不良影響，如損害免疫功能等[4]。因此，準確測定中華絨螯蟹中稀土元素的含量至關重要。

電感耦合等離子體質譜技術具有多元素同時檢測、線性范圍寬、靈敏度高等優勢，被廣泛用于水產品中各元素含量的分析[5-7]。不確定度是評價數據準確、有效的科學描述。本文以中華絨螯蟹為研究對象，參考標準GB 5009.94—2012 和GB 5009.268—2016，使用電感耦合等離子體質譜儀對中華絨螯蟹中的稀土元素含量進行了檢測[8-9]，并根據JJF 1059.1—2012 和GB/T 27411—2012 對檢測過程中引起的不確定度進行詳細分析[10-11]，客觀地體現中華絨螯蟹中稀土元素的含量，為其他產品中稀土元素含量的不確定度分析、評定提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

中華絨螯蟹，2021年10月中旬采集于陽澄湖；硝酸，電子級，北京化學試劑研究所；稀土元素標準溶液，國家有色金屬及電子材料分析測試中心。

iCAP Q電感耦合等離子體質譜儀，Thermo Scientific公司；MARS6 自動微波消解儀，CEM 公司；BP121S精密電子天平，Sartorius 公司。

1.2 實驗方法

1.2.1 樣品前處理

中華絨螯蟹全蟹樣品經冷凍干燥，粉碎、研磨后過100 目篩，稱取0.5 g（精確到0.001 g）于微波消解內罐中，加入5 mL 硝酸，120 ℃預消解30 min，冷卻旋緊罐蓋，參照微波消解儀的標準操作步驟進行消解（消解條件見表1）。冷卻后取出，緩慢打開罐蓋排氣，用少量超純水沖洗內蓋，將消解罐置于140 ℃條件下趕酸，放冷后，將消化液轉移至10 mL 容量瓶，用純水分次洗滌罐，洗液合并于容量瓶并定容至刻度，混勻備用；同時做雙平行空白試驗。

表1 消解條件表

1.2.2 標準工作曲線的繪制

將稀土元素標準溶液，用0.5%硝酸溶液逐級稀釋成10 μg·L-1稀土元素標準使用液。分別準確吸取一定量稀土元素標準使用溶液（10 μg·L-1），用0.5%硝酸溶液配制濃度分別為0.1 μg·L-1、0.2 μg·L-1、0.4 μg·L-1、0.6 μg·L-1、0.8 μg·L-1和1.0 μg·L-1的稀 土元素標準工作曲線溶液，具體的配制過程見表2。

表2 稀土元素標準曲線的配制表

1.2.3 儀器工作條件

采用動能歧視消除的分析模式，射頻功率1 550 W，冷卻氣（氬氣）流速14 L·min-1，輔助氣流速0.8 L·min-1，霧化氣流速1.0 L·min-1，碰撞氣（氦氣）4.5 mL·min-1，駐留時間0.03 s，掃描次數100 次，進樣時間35 s，蠕動泵轉速45 r·min-1。等離子體點燃后，預熱20 min以上，引入多元素調諧溶液（含Li、Co、In、U 和Ce 等），對儀器靈敏度進行調諧至滿足測定要求。通過三通在線引入內標，依次測定標準工作溶液、試劑空白和樣品溶液。采用標準曲線外標法定量。分析的元素有13種，分別為鏑、銩、鐿、鉺、鑭、镥、釹、鐠、釤、鈰、釔、銪和釓。

2 結果與分析

2.1 建立測量數學模型

中華絨螯蟹中稀土元素含量表示為

式中：w是中華絨螯蟹中稀土元素的含量，mg·kg-1；m是中華絨螯蟹的稱樣質量，g；v是中華絨螯蟹消解液的定容體積，mL；c是從標準曲線中得到的中華絨螯蟹樣品消解溶液中稀土元素的濃度，μg·L-1；1 000為“μg”換算為“mg”的系數。考慮到稀土元素較多，接下來以元素鏑為例進行不確定度評定。

2.2 不確定度來源分析

依據測量模型，中華絨螯蟹中稀土元素含量測定的不確定度主要來源有稱量樣品、消解樣品、消化液定容、配制標準工作溶液、擬合標準曲線及儀器的性能狀態等。

2.3 不確定度的評定

2.3.1 稱量產生的不確定度

稱量過程產生的不確定度主要是所用天平產生的不確定度和樣品重復稱量過程中產生的不確定度。稱量使用的BP121S萬分之一電子天平檢定證書上的測量不確定度（k=2）是0.000 2 mg。對中華絨螯蟹樣品做6 平行實驗，稱樣量分別是0.500 5 g、0.500 4 g、0.500 1 g、0.500 3 g、0.500 9 g 和0.500 2 g，平均值為0.500 4 g，標準偏差為0.000 283 g。以標準偏差表示單次稱重結果的標準不確定度，所以稱量樣品產生的相對標準不確定度為

2.3.2 樣品消解過程產生的不確定度

中華絨螯蟹樣品前處理消解過程比較復雜，極易消解不完全。由質控樣（扇貝生物成分分析標準物質）的回收率來衡量檢測結果準確度。將質控樣進行全流程、6 平行試驗。查質控樣的標準物質證書，鏑的認定值為0.005 3 mg·kg-1，不確定度為0.001 2 mg·kg-1，在重復性條件下測定6 次質控樣結果的平均值為0.004 98 mg·kg-1，標準偏差是0.000 232 mg·kg-1。測定值的相對標準不確定度為，質控樣認定值的相對標準不確定度為，因此質控樣的相對標準不確定度為

2.3.3 消化液定容過程產生的不確定度

考慮到樣品中稀土元素含量低，將消化液定容至10 mL。消化液定容過程引入的不確定度主要是定容時實驗室溫度誤差和10 mL 容量瓶產生的。容量瓶的容積是在20 ℃下檢定，實驗室環境溫度一般在（20±5）℃變化，以膨脹系數（水的溫度膨脹系數是2.1×10-4℃-1）衡量溫度對容積的影響。按均勻分布計算，溫度變化對定容產生的不確定度為u(V1)=10×5×2.1×104/2=0.005 25 mL。

查10 mL 容量瓶檢定證書，不確定度是0.02 mL（k=2），則u(V2)=0.01 mL。消化液定容產生的相對合成標準不確定度為

2.3.4 配制標準曲線產生的不確定度

配標準曲線產生的不確定度主要是稀土元素溶液標準物質帶入的不確定度和標準曲線配制過程中使用容量瓶和移液器帶入的不確定度。經查標準物質證書，100 μg·mL-1稀土元素標準溶液的相對擴展不確定度urel=1.4%（k=2），urel(c)=0.001 4。所用50 mL 容量瓶的檢定證書上標示的不確定度為0.018 mL（k=2），則

標準曲線配制時，50 mL 容量瓶用了8 次，且相互獨立，因此使用50 mL 容量瓶產生的相對標準不確定度為所用1 mL 移液器的檢定證書上標示的不確定度為0.000 3 μL（k=2），則u(V1mL)=0.000 15 mL。溫差產生的不確定度為，則1 mL 移液槍用了2 次，移液量均是0.5 mL，相互獨立，因此1 mL 移液槍產生的相對標準不確定度為

查5 mL 移液器檢定證書，不確定度為0.004 mL（k=2），則u(V5mL)=0.002 mL。溫差帶入的不確定度為

配制標準工作曲線產生的合成相對標準不確定度為

2.3.5 標準曲線擬合產生的不確定度

通過外標法定量，在標準曲線上確定樣品鏑的質量濃度。將標準曲線工作溶液上機測定，每個濃度測定3 次，以標準工作溶液的濃度x為橫坐標，以信號強度值y為縱坐標，采用最小二乘法擬合，得到元素鏑的線性回歸方程為y=46 784.556 3x+22.520 6，R2=0.999 4。根據化學不確定度評估指南[12]，標準溶液曲線擬合產生的相對標準不確定度計算為

式中：b為斜率；SR為標準溶液的殘差標準偏差；n為標準曲線的系列點數，p是標準溶液重復測定次數；C為樣品溶液中稀土元素鏑的平均濃度，μg·L-1；為標準曲線中各個濃度的平均值；Ci為標準曲線各點的濃度，μg·L-1。將儀器所測數據代入公式，得到標準工作曲線擬合產生的不確定度為

2.3.6 儀器測定產生的不確定度

利用電感耦合等離子體質譜儀測定中華絨螯蟹中13 種稀土元素的含量，查儀器檢定證書，測量不確定度為0.7 ng·L-1（k=2），故電感耦合等離子體質譜儀帶入的相對標準不確定度為

2.4 不確定度分量的合成

將稱量、樣品消解、消化液定容、配制標準工作曲線、標準曲線擬合及儀器測定產生的不確定度進行合成，得到中華絨螯蟹中鏑含量的總合成相對標準不確定度為

合成標準不確定度為0.006 23×0.118=0.000 735 mg·kg-1。在置信水平為95%，k=2 的情況下，擴展不確定度u=k×0.000 735=0.001 47 mg·kg-1。因此，中華絨螯蟹樣品中稀土元素鏑含量測定結果表示為w=0.006 23±0.001 47（k=2）。

3 結論

本文采用數學測量模型對中華絨螯蟹中稀土元素含量的檢測進行不確定度評定，從評定結果來看，樣品的消解過程和標準曲線的擬合是不確定度的關鍵影響因子，其他方面的影響較小。由于樣品中稀土元素含量較低，可通過增大樣品稱樣量、減少定容體積或者濃縮處理等方式提高上機溶液的表征濃度。因此，在采用該方法檢測中華絨螯蟹中稀土元素含量時，要關注樣品前處理過程，配制合適的標準曲線濃度范圍，使樣品在儀器上的表征濃度盡量落在標準曲線中間段等方式來提高檢測結果的準確性。