不同檢測方法測定蠶豆中鋅、錳、鐵、銅元素結果的一致性研究

Comparative Study on the Consistency of Zinc， Manganese， Iron， and Copper Determination in Broad Beans Using Different Analytical Methods

WEI Bin， LIU Yueyue

（Zibo Center forDisease Controland Prevention，Zibo KeyLaboratory for Monitoring and AnalysisofEnvironmentalOrganic Polution and Population Health， Zibo Enginering Technology Research and Development Center forFood Risk Monitoring， Zibo ， China）

Abstract： Objective： To investigate the consistency of the results for the determination of zinc， manganese， iron，and copper inbroad beans by inductivelycoupled plasma optical emisson spectrometry （ICP-OES），inductively coupled plasma mass spectrometry （ICP-MS）， and flame atomic absorption spectrometry （FAAS）. Method： 0.2～ 0.3g broad bean powder was added to 8mL ofnitric acid for microwave digestion.After removing the acid， the solution was quantitatively transferred to a 10mL volumetric flask with pure water to make up the volume. The sampleswere then determined by ICP-OES， ICP-MS，and FAAS，respectively. Pairwise t -testswere performed to analyze the consistency of the results. Result： After uncertainty assessment， the t -values for the determination of zinc and copper were less than t_95%，10 （2.23）; the t. -values for the determination of iron and manganese were partially greater than t_95%，10 （2.23）. Conclusion： After uncertainty assessment， the determination results of zinc and copper by difrent methods were consistent; the determination results of iron and manganese by some methods were inconsistent after statistical analysis.

Keywords： metal elements; t -test; uncertainty evaluation; consistency

分析檢測

食品安全國家標準中鋅、錳、鐵、銅元素的測定方法主要包括火焰原子吸收法（FlameAtomicAbsorptionSpectrometry，FAAS）、電感耦合等離子體發射光譜法（Inductively Coupled Plasma Optical EmissionSpectrometry，ICP-OES）、電感耦合等離子體質譜法（Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry，ICP-MS）等。由于測量誤差的存在，采用不同方法測定同一樣品時，其結果之間存在差異[1]。本研究以蠶豆粉為測試樣品，依據食品安全國家標準分別采用上述3種分析方法測定其中的鋅、錳、鐵、銅元素，并對各方法測定結果之間的一致性進行了系統分析與比較。

1材料與方法

1.1材料與試劑

蠶豆粉，市售；質量分數為 70.0% 的硝酸（MOS級），天津科密歐化學試劑有限公司；多元素標準貯備液：質量濃度為 1 00mg?L^-1 ，批號為 GSB04- 1767-200423C005-2，國家有色金屬及電子材料分析測試中心定值；實驗所用純水為一級實驗室用水（電阻率 18.2MΩ?cm ）

5% 硝酸溶液（體積分數），即量取 50mL MOS級硝酸用純水稀釋至1L；質量濃度為 10.0mg^-L-1 的多元素標準應用液：臨用前移取 10.00mL 多元素標準貯備液置于 100mL 容量瓶中，用 5% 硝酸溶液定容即得。

1.2儀器與設備

PinAAcle900T原子吸收分光光度計、Avio500電感耦合等離子體發射光譜儀，美國珀金埃爾默公司；iCAPQ電感耦合等離子體質譜儀，美國賽默飛世爾公司；Milli-Q超純水機，英國密理博公司；MARS6微波消解儀，美國CEM公司；PB203-N電子分析天平，瑞士梅特勒公司。

1.3 方法

1.3.1 樣品處理

取蠶豆粉樣品，混勻后，稱取 0.2～0.3g （精確至 0.001g ）于消解罐中，加入MOS級硝酸 8.0mL ，放入微波消解儀后運行消解程序。微波消解程序：第1步，斜坡升溫，在 5min 內從室溫升溫至 120°C 保持 5min ；第2步，斜坡升溫，以 6^°C?min^-1 的速度升溫至 150^cC ，保持 10min ；第3步，斜坡升溫，以 6C?min^-1 的速度升溫至 180°C ，保持 20min 。消解程序運行結束后，將消解罐取出，室溫冷卻，打開消解罐蓋排氣后，置于電熱趕酸儀中， 140°C 趕酸至剩余 0.5mL 溶液左右，用超純水定量轉移至10mL 容量瓶中定容，混勻備用。

1.3.2 標準系列溶液的配制

按照《食品安全國家標準食品中多元素的測定》（GB5009.268—2016）、《食品安全國家標準食品中鋅的測定》（GB5009.14—2017）、《食品安全國家標準食品中錳的測定》（GB5009.242—2017）、《食品安全國家標準食品中鐵的測定》（GB5009.90—2016）、《食品安全國家標準食品中銅的測定》（GB5009.13—2017）方法要求，制備所需的標準系列。

（1）ICP-OES法標準系列溶液的配制。取 100mL 的容量瓶8個，分別加入 0.0.30AA，0.50AA，1.00AA，2.50AA，5.00AA 8.00mL 和 10.00mL 質量濃度為 10.0mg?L^-1 的金屬元素標準工作液，另取 100mL 容量瓶2個分別加入2.50、 4.00mL 質量濃度為 100mg?L^-1 的金屬元素標準溶液，用 5% 硝酸溶液稀釋至刻度，配成質量濃度為 0～4mg^-L^-1 的混合標準系列溶液。

（2）ICP-MS法標準系列溶液的配制。取 100mL 容量瓶10個，分別加入0、0.03、0.05、0.10、0.30、0.50、1.00、3.00、 5.00mL 和 10.00mL 質量濃度為10.0mg^.L^-1 的金屬元素標準工作液，用 5% 硝酸溶液稀釋至刻度，配成質量濃度為 0～1mg^-1-1 的混合標準系列溶液。

（3）FAAS法標準系列溶液的配制同1.3.2（1）。

1.3.3 樣品測定

分別用ICP-OES、ICP-MS、FAAS對上述標準系列溶液進行測定，以待測元素的質量濃度（ mg?L^-1 或 μg?L^-1 ）為橫坐標，以不同儀器信號響應值為縱坐標，繪制校準曲線。同時，對樣品溶液進行測定，當待測元素含量超出標準曲線濃度范圍時，將樣品溶液稀釋一定倍數后重新測定。根據所繪校準曲線，計算出試樣溶液中金屬元素的濃度，并代人計算公式計算出試樣中金屬元素的含量。

（1）ICP-OES法儀器測定條件。等離子體發射功率 1300W ，等離子體氣體流量設定為 12Lmin^-1 ，輔助氣氣體流量設定為 0.4L?min^-1 ，霧化器氣體流量設定為 0.6Lmin^-1 ，使用軸向觀測，觀測距離 15mm 蠕動泵流速 1.50mL?min^-1 ，重復測定兩次。鋅測定波長 206.2nm ，錳測定波長 257.610nm ，鐵測定波長 239.562nm ，銅測定波長 324.752nm 。

（2）ICP-MS法儀器測定條件。反應模式為碰撞模式（KED模式），射頻功率設定為 1500W ，載氣流量設定為 1.0L?min^-1 ，輔助氣氣體流量設定為0.5L?min^-1 ，采樣深度為 5mm ，霧化室溫度保持在2°C ，采用同心霧化器，采樣錐/截取錐為鎳錐，使用跳峰模式采集數據，每個峰測定3個點，每個標準液/溶液樣品重復測定3次。鍺內標溶液濃度0.5μg?mL^-1 。鋅測定質量數66，錳測定質量數55，鐵測定質量數56，銅測定質量數63。

（3）FAAS法儀器測定條件。各元素測定參數（波長、氣體流量等）根據原子化特性設置，具體條件見表1。

1.4計算公式

樣品中各元素含量的計算公式為

式中： ω 為樣品中各待測元素的含量， mg?kg^-1 ：ρ₁ 為由校準曲線計算得到的樣品消解液中各元素的質量濃度， μg?mL^-1 ： ρ_?0 為由校準曲線計算得到的空白消解液中各元素的質量濃度， μg?mL^-1 . V 為樣品消解液的體積， mL ； h 為樣品消解液的稀釋倍數； m 為稱取的樣品質量，g。

1.5測定結果不確定度評定的計算模型

參考《化學實驗室測量不確定度》[2，并結合測定方法和實驗步驟提出測定結果不確定度評定的數學模型為

式中： f 為測定有證標準物質回收率校正因子， 為測定有證標準物質回收率）。其余參數定

義與1.4中公式（1）相同。

1.6不同測定方法測定結果之間的 t 檢驗方法

為評價不同測定方法之間測定結果的一致性，采用 t 檢驗進行統計分析。具體方法為，對各種方法測定結果進行兩兩配對 t 檢驗，以確認兩種方法測定結果是否具有一致性[3]。

設兩組測定數據的平均值、標準偏差和測定次數分別為 、 s₁ 、 n₁ 和 、 ，則其 t 值計算公式為

本次實驗所有樣品均進行了6次平行測定，進行 t 檢驗時的自由度 $＼scriptstyle ＼nu = n _ { 1 } + n _ { 2 } - 2 = 6 + 6 - 2 = 1 0 。$ 查 t 臨界值表（置信水平取 95% ）得 t_95%，10=2.23 。根據公式計算出各方法之間的 t 值，如果 t?t_95%，10 ，則兩種方法測定結果具有一致性；反之，兩種方法測定結果不具有一致性。

2 結果與分析

2.1樣品的測定結果

稱取6份蠶豆粉進行平行測定，各元素不同方法測定結果的平均值及標準偏差見表2。除鋅元素采用FAAS法測定時的標準偏差較大外，其余元素在各方法下的測定結果均具有較好的精密度。

2.2 各測定方法測定結果之間的 t 檢驗

對各元素不同測定方法的測定結果進行兩兩比較，所得t值如表3所示。對于鋅元素，ICP-OES法和FAAS法的測定結果之間具有一致性，ICP-MS法和ICP-OES法、FAAS法的測定結果之間不具有一致性；對于錳元素，ICP-OES法和FAAS法的測定結果之間具有一致性，ICP-MS法和ICP-OES法、FAAS法的測定結果之間不具有一致性；對于鐵元素，3種方法的測定結果之間均不具有一致性；對于銅元素，除了ICP-MS法和ICP-OES法的測定結果之間具有一致性外，其余方法相互之間都不具有一致性。詹勝群等[4在研究ICP-MS法和FAAS法測定奶粉中銅、鋅的結果等效性時發現，ICP-MS法和FAAS法的結果具有顯著性差異，與本研究結論一致。

表1FAAS法各元素測定條件

2.3不確定度評定所得各方法的測定結果

依據《化學分析中不確定度的評估指南》（CNAS-GL006：2019）采用單個分量量化法對表2中的結果進行不確定度評定[5]，評定后的結果見表4和表5。不確定度評定后各數據相互之間的“一致程度”明顯優于不確定度評定前的情況，后續進行t檢驗確認它們之間的一致性程度。

2.4不確定度評定后不同方法測定結果的t檢驗

對不確定度評定后各方法的測定結果分別進行兩兩配對t檢驗，所得t值見表6。對于鋅、銅元素，經不確定度評定后，各測定方法結果之間均具有一致性；對于鐵元素，ICP-MS和FAAS法的測定結果之間具有一致性，ICP-OES法和ICP-MS、FAAS法的測定結果之間均不具有一致性。對于錳元素，各測定方法的測定結果之間均不具有一致性。

值得注意的是，對于錳元素，3種方法經不確定度評定后的測定結果分別為 11.2， 12.2， 13.1mgkg^-1 ，表面上差異不大，似乎在可接受范圍內，進行 t 檢驗卻不具有一致性。從3種方法錳的測定結果及其不確定度來看，ICP-MS法以 11.2mg^.kg^-1 為最佳估計值，結果區間為 10.0～12.4mg?kg^-1 ；ICP-OES法以 12.2mg^.kg^-1 為最佳估計值，結果區間 11.1～ 13.3mg^.kg^-1 ；FAAS法以 13.1mg^.kg^-1 為最佳估計值，結果區間為 11.8～14.4mg?kg^-1 。比較3個結果區間的重合情況也可以得出與 t 檢驗一致的結論，即3個測定結果之間存在顯著性差異。

根據表3、表6的 t 值，不確定度評定后各方法的測定結果之間的一致性顯著改善，優于沒有進行不確定度評定的結果。

《食品安全國家標準食品中錳的測定》（GB5009.242—2017）[中，第一法關于精密度的規定為“在重復性條件下，兩次獨立測定結果的絕對差值不得超過算術平均值的 10% ”。第二法和第三法亦有相同要求。一般而言，不同方法間的可接受偏差范圍應大于 10% 。盡管ICP-MS法與ICP-OES法、ICP-OES法與FAAS法測定結果的偏差均在 10% 以內，直觀上可視為一致，但 t 檢驗卻顯示它們存在顯著差異，因而不具備一致性。這種矛盾源于 t 檢驗依賴于標準偏差進行統計計算：當方法精密度較高時，微小的系統差異會被“放大”而顯現為統計學意義上的顯著差異。同樣，鐵元素測定中，ICP-MS法、ICP-OES法和FAAS法的結果分別為133、146、134mg?kg^-1 ，亦出現上述現象。張百慧等[、寧遠英等[、李雯潔等[在研究土壤中重金屬測定方法間一致性時也發現類似問題，并建議結合專業知識及各方法的精密度要求來綜合判斷方法間的一致性，以化解此類矛盾。

表3各元素不同方法測定結果兩兩 t 檢驗的 t 值

表4不確定度評定后各元素測定結果及擴展不確定度 （k=2） ）

表5不確定度評定后的各元素測定結果平均值及標準偏差

表6不確定度評定后各方法測定結果兩兩t檢驗的 t 值

版社，2016.

3結論

由于部分元素不同檢測方法測定結果之間不具有一致性，當待測元素含量在衛生安全標準限值附近時，會出現部分檢測方法測定結果符合標準限值要求、部分檢測方法測定結果不符合標準限值要求的極端情況，給數據解釋與應用帶來困惑。食品安全國家標準涉及食品安全與公眾健康，如何解釋與說明不同測定方法結果之間的一致性應得到重視。

在不確定度評定框架中，測定結果可視為對被測量的最佳估計。若進行平行試驗，則最佳估計值就是平均值；若進行修正，則為修正后或經回收率校正的值[10]。通過不確定度評定，可為測量結果提供一個合理置信區間，而非單一數值，同時反映不同分析方法結果間的一致性程度[1-12]。不確定度評定后的實驗數據能更準確地表達實驗的結果，因此食品安全檢測中應逐步推廣不確定度評定。

此外，針對食品安全國家標準中經統計分析雖不具一致性卻被默認一致的檢測方法，建議參照實驗室內變異系數表[13]，為不同方法結果之間設定可接受的變異系數值；當方法間變異系數低于該值時，即可確認其結果具有一致性。

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