分步消解法ICP-MS测量大米中砷及不确定度评价

卢鑫，刘聪 ，陈燕敏，刘冰，侯金妹

1.郑州师范学院化学化工学院（郑州 450044）；2.安徽泽众安全科技有限公司（合肥 232000）；3.清华大学合肥公共安全研究院（合肥 230601）

民以食为天，粮食作为生活必需品，是国家安全稳定的基础。在众多粮食种类中，大米在我国的种植面积最大、产量最多，并且在全国有近2/3的人口把大米当作主食[1]。但是随着化学工业的不断发展，化肥和农药的过度使用、工业废水的大量排放等造成大米中重金属含量的急剧上升，最终通过食物链进入人体，危害人体健康。根据近年的调查发现，大米中的重金属超标情况严重，华北、华南、西南等6个地区县中，大米中的砷超标10%以上[2]。人体摄入砷含量一旦超过0.05 mg/（kg·d），就会造成神经系统、消化系统、呼吸系统等疾病，因此对大米中砷含量的测定意义重大[3-4]。

食品类检验工作涉及的测量程序十分复杂，检测结果往往因为众多不确定因素的影响而出现一定偏差。国家市场监督管理总局曾在JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》中指出，不确定度是运用可以获得的信息，合理地赋予被检物质测量值分散性和相关性的一种参数，可以客观评价检测结果的准确性及可靠性。因此，不确定度评价影响测量结果质量，与检验结果合格判定密切相关[5]。检测影响检测结果的不确定度来源包括被测量定义不完整、抽样、基体效应和干扰、环境条件、质量和容量仪器的不确定度、参考值、测量方法和程序中的估计和假定及随机变异等[6]。因此，依据CNAS-GL006—2019《化学分析中不确定度的评估指南》、CNAS-GL05—2011《测量不确定度要求的实施指南》和GB/T 27418—2017《测量不确定度评定和表示》，可对不同来源的不确定度因素进行分析，实现不确定度的评价。采用不同仪器测试和方法对大米中重金属元素含量的不确定度评估已有报道，实现针对检测过程中影响因素对不确定度的评价分析，但各种前处理过程对不确定度的评估结果都各不相同[7-9]。前处理过程主要是样品消解过程，石墨消解作为湿法消解的一种，具有大批量处理、控温范围广、经济性高等优点，但也存在能耗高、消解时间长、操作要求高和辅助试剂用量大等缺点。微波消解法升温速度快、消解时间短，但容易导致消解不彻底[10-11]。因此，利用石墨消解法和微波消解法结合的方法（石墨-微波分步消解法）对大米进行前处理，有助于实现大米的更高效消解，从而更好进行砷含量的不确定度评价。ICP-MS作为一种痕量分析检测技术，具备灵敏度高、分析速度快、操作简便、低检出限、基体效应较小、宽广的线性检测范围等优点，被广泛应用于食品、土壤、冶金等领域的离子痕量检测[12-14]。

试验在市场销售随机抽取10份大米，采用石墨-微波消解仪分步对样品进行消解前处理，采用ICPMS对大米中的砷进行测定，并对样品称量、样品消解、标准溶液配制、标准曲线拟合和测量重复性等不确定度分量进行计算，得到不确定度参数，并通过分析不确定度的主要影响因素，为检测方法和过程控制提供理论基础，以提高检测准确性和可信度。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

大米（市售）；硝酸（含量65%，分析纯，德国Merck公司）；砷（As）单元素标准溶液（浓度均为1000 μg/mL，国家有色金属及电子材料分析检测中心）；超纯水（电阻率18.2 MΩ·cm）。

1.2 仪器与设备

电感耦合等离子体质谱仪（ICAP-RQ，美国Thermo fisher公司）；超纯水仪（IQ 7000，美国Millipore公司）；石墨消解仪（EHD-36）；微波消解仪（MARS6，美国CEM公司）；移液枪（Research plus，德国Eppendorf公司）；分析天平（ME204/02，梅特勒-托利多仪器上海有限公司）。

1.3 试验过程

1.3.1 标准曲线的绘制

量取50 mL的65%硝酸于1000 mL的试剂瓶中，配制5+95（V/V）的硝酸；用移液枪准确量取0.05 mL的砷于50 mL的离心管中，用5+95（V/V）的硝酸配制质量浓度为1000 ng/mL的标准中间液；利用标准中间液配制质量浓度为1，2，3，4和5 ng/mL的标准溶液，绘制成砷标准曲线。

1.3.2 样品前处理

用分析天平称取10份0.3 g的大米样品于消解管中（每份样品称1份平行样），加入5 mL 65%硝酸溶液置于石墨消解仪中，设置石墨消解仪120 ℃，预消解30 min。将含有消解罐（加内盖和外盖）的转子置于微波消解仪中消解，消解完成后将转子取出并冷却至室温，将外盖和内盖取下置于石墨消解仪中，设置石墨消解仪140 ℃进行赶酸1 h，赶酸工作完成后将其取下置于通风橱中并冷却至室温，用超纯水定容到50 mL，待测；对于加标样品的制备则需向样品中多加入150 μL的1000 ng/mL标准中间液。

1.3.3 样品检测

ICP-MS仪器工作参数：高频发射率1550 W，采样深度5 mm，冷却器流量14.000 L/min，辅助气流量0.800 L/min，雾化器流量0.97 L/min，数据采集方式为跳峰，测定模式为动能歧视模式KED。在对样品进行检测之前，对仪器进行调谐。加入内标元素为115In和72Ge的内标溶液消除基质效应对检测结果的影响，从而增加待测物质在检测仪器的响应值，提高检测结果的准确度和灵敏度。对样品中的砷进行测定。其中每个样品重复测定3次，取其平均值，如果其标准偏差大于0.05时，需重复测定。

2 结果与分析

2.1 检测数学模型

检测数学模型如式（1）所示

式中：X为样品中各元素含量，mg/kg；V为样品消解液定容体积，mL；m为称量样品质量，g；C为检测得样品中砷的浓度，ng/mL。

2.2 不确定度的来源分析及评定

为保证检测结果的准确性及可靠性，对试验过程进行不确定度进行评估，结合检测过程，可知该样品检测不确定度的来源主要有样品称量、样品消解、标准溶液的配制、标准曲线拟合、测量重复性。

2.2.1 样品称量引入不确定度

样品称量所引入的不确定度的主要来源是分析天平的最大允许误差及分析天平的分辨力。根据《化学分析中不确定度的评估指南》，计算方法如式（2）所示。

式中：Urel(m1)为分析天平的最大允许误差引入的标准不确定度，g；Urel(m2)为分析天平的分辨力引入的标准不确定度，g；m为样品的平均质量，g。

试验所用的分析天平为梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司的ME204/02，根据其提供证书中校准结果可知该天平的最大允许误差为±0.0005 g，分辨力为0.0001 g。Urel(m1)和Urel(m2)分别根据式（3）和（4）计算。

称取的样品平均质量为0.3012 g，根据式（2）可求得样品称量所引入的相对不确定度为0.00097。

2.2.2 样品消解引入的不确定度的计算

试验选择样品1～3作为加标样品。故样品消解过程采用加标回收率计算如样品的消解不完全、样品溶液转移和赶酸过程中的损耗等原因造成的该样品消解过程中的不确定度。根据GB/T 27418—2017《测量不确定度的评定和表示》和CNAS-GL05—2011《测量不确定度要求的实施指南》，US(R)和Urel(R)按式（5）和（6）计算。

式中：n为加标样的数量；SR为加标样的标准偏差；RA为加标回收率的平均值。

根据式（5）和（6），计算结果如表1所示。

表1 样品消解过程砷的相对不确定度

根据《化学分析中不确定度评估指南》对一般检测实验室要求，取置信区间95%、自由度3，查GB/T 27418—2017《测量不确定度的评定和表示》的附录得双边临界值T0.05=3.18，T(As)=1.11＜T0.05，T(Cd)=2.84＜T0.05，则加标回收率与1之间无显著性差异，即试验结果计算不需要再引入校正因子。故样品消解过程中所得砷的相对不确定度为0.0188。

2.2.3 标准溶液引入不确定度的计算

2.2.3.1 标准溶液中不确定度的计算

试验所用的单元素标准溶液来自国家有色金属及电子材料分析检测中心，根据该中心提供的证书显示，其相对扩展不确定度为0.7%，k=2，则相对标准不确定度按式（7）计算。

2.2.3.2 标准溶液配制过程中不确定度的计算

标准溶液配制引入不确定度的主要原因有分析天平的最大允许误差和移液枪的误差。试验用移液枪移取所需的单元素标准溶液，主要采用称量法进行定容，样品溶液定容到50 mL离心管中，用分析天平进行称量、精准定容。故试验定容过程考虑的是分析天平的误差和移液枪的误差，忽略由容量瓶的体积误差和温度造成的误差引入的不确定度。

分析天平不确定度的计算。试验过程所使用的分析天平为梅特勒-托利多仪器（上海）有限公司的ME204/02，根据生产厂家提供的证书可知该天平的最大允许误差±0.0005 g，分辨力0.0001 g；则相对标准不确定度按式（8）计算。

移液枪不确定度的计算。试验所用移液枪为Eppendorf的Research plus型号，根据生产厂家提供的校准证书给出扩展不确定度为0.6，k=2，则相对标准不确定度按式（9）计算。

则标准溶液配制的相对不确定度按式（10）计算。

2.2.4 标准曲线拟合引入的不确定度的计算

根据测试前所得标准曲线可知，砷的标准曲线方程与相关系数为Y=965.272X+28.889，R2=0.999，其中X为浓度，Y为信号强度。根据《化学分析中不确定度的评估指南》，计算方法如式（11）和（12）所示。

式中：b为标准曲线的斜率；a为标准曲线的截距；n为标准曲线的点数（n=5）；p为待测样品进行重复测定次数（p=3）；为标准溶液平均质量浓度，ng/mL；C0为样品溶液平均质量浓度，ng/mL；C为标准溶液质量浓度，ng/mL；Yi为被测元素的信号强度的实测值；Xi为标准溶液的质量浓度，ng/mL；SR为标准曲线标准差。

根据式（11）和（12），计算结果如表2所示，标准曲线拟合的过程中砷的相对不确定度为0.0049。

表2 砷标准曲线的相对不确定度

2.2.5 测量重复性不确定度评估

测量重复性是指在整个测量过程中，在相同的测量工作条件下，短时间内同一测量指标经过多次连续测量所得结果的一致性程度[9]。在相同检测条件下，对大米样品中的砷进行10次重复测定试验，检测结果如表3所示。测量重复性不确定度的评估计算方法为根据贝塞尔公式计算得到测量重复性的标准不确定度，得到相对标准不确定度，如式（13）和（14）。

表3 样品中砷的浓度数据

标准偏差S(x)=0.016 mg/kg，则可得标准不确定度分别为U(rep)=0.00512 g；可得相对标准不确定度分别为Urel(rep)=U(rep)/Δx=0.00512/0.110=0.0465。

2.3 扩展不确定度评价

根据分析和各相对标准不确定度结果，各分量对总的合成不确定度贡献率结果如表4所示，并且由各结果可得该合成标准不确定度，按式（15）计算。

表4 各分量的相对标准不确定度评定结果

则大米中砷测定过程各分量引入的合成不确定度为UAS=Urel×Δx=0.0505×0.110=0.0056 mg/kg。

根据《化学分析中不确定度的评估指南》对一般检测实验室的要求，假设置信区间0.95、k=2，则扩展不确定度为U=UAS×2=0.011 mg/kg。

综上所述，砷含量结果表示为0.110±0.011 mg/kg。

2.4 扩展不确定度对比分析

试验通过模型计算分析得到该方法测试大米中总砷含量过程的扩展不确定度，可以综合评价该方法所测得结果的可靠性。为评价分析各测试方法的结果稳定性及所得数据的可靠性，对近几年已报道的多种不同方法测试大米中砷含量的扩展不确定度进行对比分析结果如表5所示。

表5 不同方法所得扩展不确定度对比

结果表明，不同方法由于分析检测过程不同，所得最终扩展不确定度也不相同，通过对比分析发现微波消解原子荧光法扩展不确定度最低，其原因可能是该测试过程样品直接采用大米粉，减少样品前处理粉碎及消解过程的复杂程度，故而其扩展不确定度最低。而试验方法为保证消解完全，石墨微波分步消解过程虽增加不确定度贡献因素，仍具有较好的扩展不确定度。

3 结论

通过分别使用石墨消解仪和微波消解仪对市售大米进行分步消解以提高样品消解效果，采用ICP-MS对砷离子进行测定，并针对于该检测过程不确定度的来源，分别从样品称量、样品消解、标准溶液配制、标准曲线拟合和测量重复性等5个方面对试验过程的不确定度进行分析。为建立高效、便捷、准确的测定大米中砷的检测方法，通过对各个不确定度分量的计算以及对合成不确定度和扩展不确定度的计算发现，测量重复性和样品消解对检测结果有较大影响，样品称量和标准溶液配制和标准曲线拟合引入的不确定度相对较小。因此，为提高检测的准确性和高效性，在以后的检测过程中，应加强在检测工作中可通过选择合适的消解程序，控制好消解升温程序和赶酸温度等过程，以保证样品消解完全，且尽量减少待测物质损失。准确配制标准溶液，合理使用标准物质，不断提高检测人员的理论和实际操作水平等途径降低方法的不确定度，确保试验结果的准确性。