石墨爐原子吸收光譜法測定海帶中鎘含量的不確定度評定

劉蘭英 呂 新 李 瑩 羅土炎

(1. 福建省農業科學院農業質量標準與檢測技術研究所，福建 福州 350003；2. 福建省農產品質量安全重點實驗室，福建 福州 350003)

鎘是一種劇毒物質，也是水產品中主要的重金屬污染物，長期攝入含鎘食品會導致鎘中毒，對人體的骨骼、腎臟、肝臟等組織器官產生不良影響[1-2]。海帶是中國養殖規模和產量最大的經濟藻類[3]，具有豐富的營養價值和多種微量元素[4]。2020年中國海帶產量約占海藻類養殖產量的63.16%，其中福建省海帶養殖面積約為2.10 萬hm2，產量為82.79萬t，約占全國海帶總產量的50.13%[5]，在水產養殖業中具有極其重要的地位。由于海帶能夠從周圍海水中吸收富集鎘，其體內鎘含量直接關系到海帶的質量安全，因此對海帶中鎘含量的檢測非常重要。

目前國內外測定食品中鎘含量的常見方法有石墨爐原子吸收光譜法(graphite furnace atomic absorption spectrometry,GF-AAS)和電感耦合等離子體質譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)。這2種方法具有靈敏度高、檢出限低、受干擾程度小等優點，能夠滿足食品中痕量鎘元素的分析要求。其中，關于GF-AAS法測定食品中鎘含量的不確定度評定主要集中在糧谷[6-7]、水產[8-9]、蔬菜[10-11]等方面。如譚秀慧等[9]對不同測定方法的水產品中鎘含量進行了不確定度評定比較，發現GF-AAS法測定鎘含量的測量不確定度要稍高于ICP-MS法。影響鎘測量不確定度的主要來源并不都是一致的，擬合標準工作曲線、方法回收率試驗、測量重復性等過程都有可能是關鍵因素。目前在海藻養殖品種中，僅見于螺旋藻中鎘含量的不確定度分析[12]，尚未見關于海帶中鎘含量測定不確定度的研究報道。

研究擬以GB 5009.15—2014《食品安全國家標準 食品中鎘的測定》為檢測依據，采用GF-AAS法對海帶中鎘含量進行測定，參照JJF1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》和CNAS GL006：2019《化學分析中不確定度的評估指南》的要求和規定，綜合考慮各個因素，對其不確定度進行相應評定，同時分析影響測量結果準確性的關鍵因素，為實驗室質量控制和提高海帶中鎘含量檢測結果的可靠性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

海帶：取自福州市連江縣奇達村某海帶養殖區；

鎘標準儲備液：1 000 μg/mL，相對擴展不確定度為0.7%(k=2)，國家有色金屬及電子材料分析測試中心；

硝酸：優級純，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

石墨爐原子吸收光譜儀：PinAAcle 900Z型，美國PerkinElmer公司；

微波消解儀：TOPEX型，上海屹堯儀器科技發展有限公司；

智能控溫電加熱器：G-400型，上海屹堯儀器科技發展有限公司；

電子天平：AL204型，梅特勒—托利多儀器(上海)有限公司。

1.2 樣品前處理

參照GB 5009.15—2014中的微波消解進行。

1.3 標準工作溶液配制

吸取適量鎘標準儲備液(1 000 μg/mL)，用1%硝酸溶液逐級稀釋為4 μg/L的鎘標準使用液，由儀器自動進樣裝置稀釋為0.0，1.0，2.0，3.0，4.0 μg/L的標準系列工作液。

1.4 樣品測定

儀器預熱30 min至穩定后，將標準工作液、空白樣液和樣品溶液分別注入石墨爐原子化器中，測其吸光度值，根據校準曲線得到消解液中鎘的濃度。

1.5 數學模型

海帶樣品中鎘含量的數學模型為：

(1)

式中：

X——試樣中鎘的含量，mg/kg；

ρ——試樣消化液中鎘的質量濃度減去試樣空白液中鎘的質量濃度，μg/L；

V——試樣消化液定容體積，mL；

m——試樣質量，g；

1 000——單位換算系數。

2 結果與分析

2.1 測量結果

對海帶樣品進行12次測定，測定結果如表1所示。

表1 海帶樣品中鎘的測定結果Table 1 Results of Cd content in kelp sample

2.2 測量不確定度來源識別

根據海帶中鎘含量的測定過程和數學計算模型，考慮各主要影響因素，繪制測量不確定度的基本因果圖，如圖1所示。從圖1可以看出，海帶中鎘的測量不確定度可能來源包括：樣品稱量過程引入的不確定度、樣品消解液定容過程引入的不確定度、樣品溶液質量濃度測定過程引入的不確定度；另外，還有樣品前處理過程和樣品重復測定過程引入的不確定度。其中樣品稱量引入的不確定度主要來自天平校準和重復性2個方面；樣品消解液定容的不確定度主要由容量瓶校準、溫度效應和體積重復性引入；樣品溶液質量濃度測定所產生的不確定度主要由標準工作溶液配制、校準工作曲線擬合、儀器校準等步驟引入；樣品前處理過程中可能存在消解不完全或元素損失或樣品污染等問題，也會引入一定的不確定度，此不確定度主要通過加標回收率(Rec)來評估。由于樣品測定過程都至少包含了稱量、定容等操作的重復性，因此將各重復性引入的不確定度分量合并為總試驗的一個分量，即測量重復性(Rep)。

圖1 海帶中鎘測量不確定評定因果關系圖Figure 1 Causality map of measurement uncertainty assessment of Cd in kelp

2.3 測量不確定度分量的量化

2.3.2 樣品消解液定容過程引入的不確定度分量ur(V)

2.3.3 樣品溶液質量濃度測定過程引入的不確定度分量ur(ρ)

得出由標準貯備液配制成標準工作溶液所產生的相對標準不確定度為：

綜上，由標準工作溶液配制引入的相對合成標準不確定度為：

(2) 校準工作曲線擬合引入的不確定度ur(ρ2)：采用GF-AAS法測定海帶中的鎘，分別對儀器自動稀釋配制的標準系列工作溶液進行3次測定，得到相應的吸光度，結果如表2所示。

表2 鎘標準系列工作溶液測定結果Table 2 Results of Cd series standard working solutions

對樣品溶液進行12次測量后，由吸光度求得樣品中鎘的平均質量濃度為ρ=2.458 μg/L(表1)，則此過程引入的標準不確定度為：

(2)

(3)

式中：

SR——曲線的標準偏差；

Yj——第i個校準溶液的第j次吸光度；

Xi——工作曲線第i個校準溶液的濃度，μg/L；

B1——曲線斜率；

B0——曲線截距；

n——測量校準溶液的次數，n=15；

P——測量樣品溶液的次數，P=12；

合并以上3個分量，則樣品溶液質量濃度測定過程引入的相對標準不確定度為：

2.4 合成標準不確定度

海帶樣品中鎘含量測定的相對合成標準不確定度為：

海帶樣品經重復測定12次后，樣品中鎘的平均含量X=0.202 mg/kg(表1)，得出合成標準不確定度uc(X)=ucr(X)·X=0.019 43×0.202=0.003 92 mg/kg。

2.5 擴展不確定度

依據CNAS GL006：2019《化學分析中不確定度的評估指南》推薦，取95%的置信水平，包含因子k=2，則試驗中鎘元素含量測定的擴展不確定度U=kuc(X)=2×0.003 92=0.007 84 mg/kg。

2.6 各不確定度分量的相對貢獻

將各不確定度分量的量值和不確定度進行匯總，如表3所示。由表3可知，海帶鎘測量過程中不確定度的主要來源是樣品溶液質量濃度，其次是加標回收率。李強等[8]對鮮蝦中鎘的不確定度評定結果也表明，影響鎘測量不確定度的主要因素是樣品消解液中鎘的質量濃度。龔愛軍等[6]對稻谷中鎘的不確定度評定結果表明，測量不確定度主要來源于方法的回收率。與張小紅[13]的研究結果相似，試驗評估樣品溶液質量濃度測定過程中又以標準工作溶液配制帶來的不確定度最大。因此，在GF-AAS法測定海帶樣品中鎘含量時，應重點關注標準工作溶液配制和加標回收率引入的不確定度。

表3 分量及其不確定度Table 3 Components and their uncertainty

在標準工作溶液配制過程中，使用移液器引入的不確定度最大，由于單標或分度吸量管在移取相同體積液體時的容量允差低于移液器，在此過程中為降低引入的不確定度，盡量改用吸量管進行標準中間液、標準工作液的配制；同時標準溶液配制的整個過程盡可能由同一操作人員完成，以減少人員讀數引入的誤差；此外，相較于體積法，采用重量法配制標準溶液可在一定程度上降低不確定度的引入[14]。加標回收率是衡量樣品前處理效果的重要指標，為降低回收率引入的不確定度，首先要根據樣品基體組成和性質選擇合適的前處理方法，盡可能使樣品完全消解；其次要控制好消解溫度，以減少前處理過程中待測元素的損失。

也有研究[7,15]指出，在鎘濃度的測定過程中以校準工作曲線擬合引入的不確定度對結果的影響最大，與試驗結果不同。分析認為，試驗評估待測元素的質量濃度靠近曲線的中間位置，有效降低了測量結果的不確定度。因此，加強校準工作曲線的質量控制，通過建立合理的校準曲線濃度范圍能使測量結果更加準確。

2.7 不確定度報告

采用GF-AAS法對海帶樣品中的鎘元素進行測定，其測量結果表示為X=(0.202±0.008) mg/kg，k=2。

3 結論

采用GF-AAS法測定了海帶中鎘元素的含量，對樣品稱量、樣品消解液定容、樣品溶液質量濃度測定、加標回收率測定、樣品重復性測定等潛在來源進行綜合評定，量化每個潛在來源所產生的不確定度，然后將所有不確定度分量進行合成。結果表明，當取樣量為0.304 5 g，海帶樣品鎘含量為0.202 mg/kg時，其擴展不確定度為0.008 mg/kg，k=2。在各不確定度分量中，由樣品稱量、樣品消解液定容和樣品重復性測定過程引入的不確定度都較小，而樣品溶液質量濃度和加標回收率測定過程引入的不確定度對測量結果的影響較大；其中樣品溶液質量濃度的不確定度又主要是由標準溶液配制引入。因此在海帶鎘含量檢測過程中，應當注意標準溶液的配制和樣品前處理過程的質量控制。