周明慧，伍燕湘，陳 曦，王松雪

(國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037)

1 引 言

鎘是一種有毒重金屬元素，廣泛分布在環(huán)境中，土壤、灌溉用水的污染，導致鎘污染“從土壤向餐桌”轉(zhuǎn)移，而水稻由于其生長特性，鎘污染現(xiàn)象較為嚴重[1,2]。稻米中的鎘通過膳食暴露，會蓄積在人體內(nèi)誘發(fā)癌癥、腎臟病、血管疾病等多種疾病，直接危害人體健康[3,4]。為防止受污染的稻米流向百姓餐桌，對于大米中鎘進行精準檢測是最有效直接的手段，而有證標準物質(zhì)則是保障大米中鎘實現(xiàn)精準檢測的重要質(zhì)控方式。

有證標準物質(zhì)的定義為“附有由權(quán)威機構(gòu)發(fā)布的文件，提供使用有效程序獲得的具有不確定度和溯源性的一個或多個特性值的標準物質(zhì)”[5]。而標準物質(zhì)特性值一般代表當前對其“真值”的最佳估計[6]，因此，標準物質(zhì)研制的重要環(huán)節(jié)之一就是選用準確可靠的方式和方法對候選標準物質(zhì)進行定值研究。目前進行稻米中鎘分析標準物質(zhì)定值常采用石墨爐原子吸收光譜法(graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS)[7,8]，電感耦合等離子體質(zhì)譜法(inductively coupled plasma mass spectrometry,ICP-MS)[9～11]，同位素稀釋電感耦合等離子體質(zhì)譜法(isotope dilution-inductively coupled plasma mass spectrometry,ID-ICP-MS)[12～14]3種不同原理方法，這3種方法優(yōu)缺點各異，由于GFAAS法和ICP-MS法靈敏度高，測試速度快，且普及率高，在標準物質(zhì)定值中被廣泛應(yīng)用。而ID-ICP-MS法雖是國際計量委員會物質(zhì)量咨詢委員會認定的基準方法[15]，但是由于測試所必須的同位素稀釋劑的價格較為高昂，對于研究人員的技術(shù)和操作能力要求較高，在糧油基體標準物質(zhì)定值研究中較少被使用和評估。

不確定度是表征測量結(jié)果的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的重要參數(shù)[16]，是反映測量方法可信賴程度的一個非常重要的指標，同時，也是標準物質(zhì)特性量值的重要和必要組成部分。對于標準物質(zhì)而言，不確定度越小，所述結(jié)果與被測量的真值愈接近，質(zhì)量越高，水平越高，其使用價值越高；不確定度越大，測量結(jié)果的質(zhì)量越低，水平越低，其使用價值也越低[17]。

本文將以稻米中鎘標準物質(zhì)為研究對象，建立并系統(tǒng)考察GFAAS、ICP-MS、ID-ICP-MS這3種不同原理定值方法測定稻米中鎘的結(jié)果的差異，并通過系統(tǒng)對3種測量方法的不確定度分量來源、類型、貢獻進行評價和比較，為稻米中鎘分析標準物質(zhì)的高精度定值選擇最佳方法以及在標準物質(zhì)定值過程中進行不確定度控制提供指導，同時為選取合適的方法進行稻米中鎘分析的相關(guān)科研、監(jiān)測和能力比對工作提供借鑒和參考。

2 材料和方法

2.1 材料、儀器與試劑

大米粉成分分析標準物質(zhì)(GBW(E)080684a，國家糧食和物資儲備局科學研究院提供的標準物質(zhì))；硝酸(優(yōu)級純，國藥集團化學試劑有限公司)；鎘單元素標準溶液(1 000 μg/mL，中國計量科學研究院)；穩(wěn)定同位素稀釋劑(GBW04441，中國計量科學研究院);萬分之一電子天平(梅特勒公司)；十萬分之一天平(梅特勒公司)；GFAAS原子吸收光譜儀(Analytik Jena AG，ZEEnit 700p)，ICP-MS 7500cx(Analytik Jena AG，Plasma Quant MS)，微波消解儀(屹堯公司，TOPEX+)。

2.2 樣品處理

用于GFAAS測試：精密稱取約0.200 0 g樣品于清洗好的消解罐內(nèi)，加5 mL硝酸，按照推薦程序進行微波消解，趕酸至近干后超純水定容至50 mL，用石墨爐原子吸收光譜儀進行測定，同時以相同的處理步驟做空白。

用于ICP-MS測試：精密稱取約0.200 0 g樣品于清洗好的消解罐內(nèi)，加5 mL硝酸，按照推薦程序進行微波消解，120 ℃趕棕煙后，用超純水定容至 50 mL，用ICP-MS進行測定，同時以相同的處理步驟做空白。

用于ID-ICP-MS測試：精密稱取0.200 00 g樣品于微波消解罐中，增量法準確加入0.020 00 g同位素稀釋劑，加入5 mL硝酸，經(jīng)微波消解儀消解，120 ℃趕盡棕煙，待消化后的溶液冷卻后定容至 50 mL，測試112Cd/111Cd的比值，同時以相同的處理步驟做流程空白。

2.3 標準曲線繪制

用于各方法測量標準曲線繪制的標準溶液濃度信息如表1所示。

表1 各個方法標準曲線信息Tab.1 Standard curves information of different methods

3 不確定度評定過程

不確定度的評定過程主要按照以下步驟：(1)規(guī)定被測量量;(2)識別不確定度的來源;(3)量化每一個不確定度分量;(4)計算合成不確定度。

評定不確定度時，識別不確定度來源是非常關(guān)鍵的一步，要求分析人員密切注意產(chǎn)生不確定度的所有可能來源并分別處理，以確定其對總不確定度的貢獻，每一個貢獻量即為一個不確定度分量。測量不確定度一般包括很多分量，但是通常分為兩類：A類不確定度和B類不確定度，其中A類指可以根據(jù)一系列測量值的統(tǒng)計分布進行評定的分量；B類指可以根據(jù)經(jīng)驗或其他信息獲得的概率密度函數(shù)進行評定的分量[18]。

3.1 GFAAS和ICP-MS測量不確定度分量確定

GFAAS法和ICP-MS法測定大米中鎘的流程見圖1，由圖可知兩個方法的操作流程是相同的，因此結(jié)果計算模型均可用式(1)表述。

圖1 GFAAS法和ICP-MS法測定大米粉中鎘流程圖Fig.1 Flow chart of GFAAS and ICP-MS method for determination of cadmium in rice flour

(1)

式中：Cx為樣品中鎘的濃度,mg/kg；C0為儀器測得的消解液的濃度，μg/mL；V為定容體積，mL；d為稀釋倍數(shù)；m為稱樣質(zhì)量，g。

為了考慮附加的影響量，對兩個方法進一步繪制魚骨圖(圖2)。而由圖2可知，GFAAS法和ICP-MS法的不確定度分量是一致的，它們測定大米粉中鎘的不確定度主要可以分為4個部分：定容體積，測得濃度、稀釋倍數(shù)、樣品質(zhì)量，根據(jù)魚骨圖信息可進一步將不確定度計算模型中加入修正因子，即：

圖2 GFAAS和ICP-MS測定大米粉中鎘的各個不確定度分量評定魚骨圖Fig.2 The fishbone diagramof uncertainty evaluation for determination of cadmium in rice flour by GFAAS and ICP-MS

(2)

式中：f1為操作人員差異修正因子；f2為儀器重復性修正因子。

3.1.1 定容體積(V)

此部分標準不確定度由圖2中所示的讀數(shù)、溫度、校準3部分引入的標準不確定度組成。實驗使用50 mL的玻璃容量瓶定容，它的標準不確定度包括：

(1) 校準：制造商給出體積的容量允差為±0.10 mL，按三角分布分布計算該部分引入的標準不確定度。

(2) 讀數(shù)：重復10次稱量，容積重復性標準偏差經(jīng)計算為0.01 mL。

則50 mL的定容體積的標準不確定度為

3.1.2 樣品質(zhì)量(m)

此部分標準不確定度由圖2中所示的可讀性、重復性和校準3部分引入的標準不確定度組成。試驗的稱樣量為0.20 g，選用萬分之一天平稱量，它的標準不確定度包括：

(1) 校準：天平校準產(chǎn)生的標準不確定度，按檢定證書給出的95%置信概率時為±0.5 mg(0≤m≤50 g)，換算成標準偏差為0.5/1.96 mg=0.255 mg;

(2) 重復性：即稱量變動性，可以通過反復稱量給出變動性標準偏差為0.40 mg；

(3) 可讀性誤差，顯示器或者刻度的有限分辨率導致，為0.5×0.1 mg。

則0.20 g的稱量重量的標準不確定度為

3.1.3 測定濃度(C0)

由檢測儀器最終測得消解液中的濃度C0的標準不確定度包含了標準曲線線性擬合、中間液配制過程、標準溶液母液、工作曲線擬合、人員差異和儀器重復性5個部分引入的標準不確定度。

(1) 標準溶液(Std.)

購得的中國計量科學研究院鎘標準溶液編號為GBW08612，濃度均為1 000 μg/mL，擴展標準不確定度為2 μg/mL(k=2)。此部分引入標準不確定度為2/2=1 μg/mL。

(2) 中間液配制(Pre.)

中間液濃度為100 ng/mL，使用2次1 mL單標線吸量管和2次100 mL單標線容量瓶配制得到，所用器皿不確定情況見表2。

表2 配制過程使用器皿不確定度情況Tab.2 Vessel uncertainty in the preparation process mL

故此部分標準不確定度為

(3) 儀器重復性和人員差異(Rep.)

此部分標準不確定度主要體現(xiàn)在儀器的精密度、穩(wěn)定性兩方面，由不同操作人員重復測試6次計算精密度穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果見表3，計算此部分標準不確定度。

表3 儀器重復性及人員差異引入相對標準不確定度Tab.3 Uncertainty of instrument repeatability and personnel μg·L-1

GFAAS法相對標準不確定度為

ICP-MS法相對標準不確定度為

(4) 標準曲線擬合(Cal.)

標準曲線擬合部分的標準不確定度計算按照最小二乘法計算得到，檢測標準曲線中各個標準點的信號值，每個濃度進行兩次測量，如表4所示。

表4 標準曲線各濃度的信號值Tab.4 Signal value of each concentration of standard curves

標準曲線擬合直線方程式為

A=B1×C+B0，

式中：A為標準曲線的信號值；C為濃度，μg/L；B1為標準曲線的斜率；B0為標準曲線的截距。

擬合直線的標準偏差為

(3)

式中：S為擬合直線的標準偏差；n為標準曲線點的個數(shù)；Aj為標準曲線各點的信號值。

標準曲線擬合部分引入的標準不確定度：

(4)

則標準曲線擬合引入的標準不確定度，由計算得到：GFAAS法為0.021 5 μg/L；ICP-MS法為0.029 3 μg/L。

(5) 標準曲線擬合

此部分不確定度在標準曲線擬合中已經(jīng)包含，不再計入。

3.1.4 稀釋倍數(shù)(d)

GFAAS法樣品稀釋1倍后上機，稀釋采用1 mL單標線吸量管吸取樣品和稀釋液各1 mL與離心管中混勻得到。ICP-MS法不經(jīng)過稀釋直接以消解液進樣，不引入不確定度。

3.2 ID-ICP-MS法測定大米粉中鎘的各不確定度分量確定

ID-ICP-MS法的操作流程見圖3，可見ID-ICP-MS法所有的不確定度貢獻主要是稱量以及基準樣品配制以及同位素比R的測定3個方面，而不受前處理過程影響。為了進一步明確該方法的標準不確定度分量，圖4給出了ID-ICP-MS法不確定度分量評定魚骨圖，式(5)給出了不確定度模型。

圖3 ID-ICP-MS法測定大米粉中鎘流程圖(虛線為同位素稀釋劑標定過程)Fig.3 Flow chat of the determination of cadmium in rice flour byID-ICP-MS (dashed line is the calibration process of isotope diluent)

圖4 ID-ICP-MS法測定大米粉中鎘的各個不確定度分量評定魚骨圖Fig.4 The fishbone diagram of uncertainty evaluation for determination of cadmium in rice flour by ID-ICP-MS

(5)

其中各參數(shù)含義詳見表5。

ID-ICP-MS法中各個不確定度分量見表5，其中同位素比R和稱量質(zhì)量的標準不確定度評定同GFAAS法中重復性和質(zhì)量的評定過程，而同位素原子質(zhì)量Mi、Rix和Riz的不確定度一般在10-8數(shù)量級，故∑iRixMi和∑iRizMi這兩項均可忽略不計。

表5 ID-ICP-MS法的各個不確定度分量Tab.5 Uncertainty components of ID-ICP-MS

根據(jù)不確定合成的規(guī)則，對參與標準不確定度分量計算的各項參數(shù)進行偏微分求導，用于計算各項參數(shù)對應(yīng)的靈敏系數(shù)，將各項參數(shù)的靈敏系數(shù)與標準不確定度相乘獲得該項參數(shù)的乘積平方后，對各項參數(shù)乘積平方之和進行開方，所得值即為合成標準不確定度。

4 不確定度評價

4.1 GFAAS測定稻米中鎘含量的不確定度評價

GFAAS法測定稻米中鎘的最終結(jié)果及各個標準不確定度分量評定結(jié)果見表6，標準不確定度貢獻見圖5。可知，GFAAS法測稻米中鎘的合成標準不確定度受過程因子定容、稀釋倍數(shù)等的影響，且標準曲線擬合是貢獻度最大的關(guān)鍵因子，人員差異和重復性項的貢獻次之，貢獻最大的兩項均屬于不確定度A類分量，最小的貢獻項為標準溶液，且較小的貢獻分量均屬于B類標準不確定度。由此可以看出該方法可以通過提高標準曲線的擬合精度進一步控制該方法的合成標準不確定度。

圖5 GFAAS法測鎘的各標準不確定度分量貢獻圖Fig.5 The contribution of each standarduncertainty component for measuring of cadmium by GFAAS

表6 GFAAS法測大米中鎘的標準不確定度評定結(jié)果Tab.6 Evaluation of standard uncertainty for the determination of cadmium in rice by GFAAS

4.2 ICP-MS測稻米中鎘含量的不確定度評價

ICP-MS法測定大米中鎘的最終結(jié)果及各標準不確定度的分量評定結(jié)果見表7，標準不確定度貢獻見圖6，可知，ICP-MS法的標準不確定度分量來源與貢獻率與GFAAS法較為一致，該方法同樣可以通過關(guān)鍵控制因子標準曲線的擬合進一步降低其方法合成標準不確定度。

表7 ICP-MS法測大米中鎘的標準不確定度評定結(jié)果Tab.7 Evaluation of standard uncertainty for the determination of cadmium in rice by ICP-MS

圖6 ICP-MS法測鎘的各標準不確定度分量貢獻圖Fig.6 The contribution of each standard uncertainty component for measuring of cadmium by ICP-MS

4.3 ID-ICP-MS測稻米中鎘含量的不確定度評價

ID-ICP-MS法測定大米中鎘的最終結(jié)果及各個標準不確定度分量評定結(jié)果見表8，其擴展相對標準不確定度為2.9%,k=2。

表8 ID-ICP-MS法測大米中鎘的標準不確定度評定結(jié)果Tab.8 Evaluation of standard uncertainty for the determination of cadmium in rice by ID-ICP-MS

標準不確定度貢獻見圖7，可知，ID-ICP-MS法的合成標準不確定度不受過程因子定容體積、稀釋倍數(shù)等的影響，主要取決于A類——測定的同位素比值的標準不確定度和靈敏度系數(shù)的大小，B類不確定度貢獻較小，同時可得出靈敏度系數(shù)大的同位素比值為此方法的關(guān)鍵標準不確定度控制因子，并可以通過該因子進一步控制該方法的合成標準不確定度。

圖7 ID-ICP-MS法測鎘的各標準不確定度分量貢獻圖Fig.7 The contribution of each standard uncertainty component for measuring of cadmium by ID-ICP-MS

4.4 不同原理定值方法的測定結(jié)果比對

GFAAS法、ICP-MS法和ID-ICP-MS法的測得大米粉標準物質(zhì)的結(jié)果分別為0.478±0.028、0.488±0.022、0.485±0.014 mg/kg(k=2)，如圖8所示，3種方法的測定結(jié)果均在標準物質(zhì)的定值范圍內(nèi)，擴展不確定范圍也在大米粉標準物質(zhì)的擴展不確定度范圍內(nèi)，其中ID-ICP-MS的不確定度最小，為GFAAS法不確定度的一半。同時3種方法的A類標準不確定度貢獻均在60%以上，遠大于B類標準不確定度貢獻，說明可以通過控制A類標準不確定度以降低使用方法的合成標準不確定度，提高標準物質(zhì)的研制水平(圖9)。

圖8 3種方法測大米中鎘的結(jié)果比較Fig.8 Comparison of three methods for measuring cadmium in rice.

圖9 3種方法測大米中鎘的A類和B類標準不確定度貢獻Fig.9 The contribution of the uncertainty components of Class A and Class B for three methods to measure cadmium in rice

5 結(jié) 論

GFAAS、ICP-MS、ID-ICP-MS這3種方法測定大米中鎘的含量結(jié)果均準確可靠，但結(jié)果的分散性有一定的差異，由于ID-ICP-MS方法樣品前處理過程不參與最終結(jié)果的計算，因此受到的過程干擾更少，其結(jié)果主要取決于儀器的檢測以及分析天平的精確度，所以該法的數(shù)據(jù)精密性更強，也更為精準。同時，由于ID-ICP-MS法可通過天平稱重和同位素豐度比的測量溯源至SI單位，在實驗室條件及人員能力足夠的情況下，是高精度標準物質(zhì)定值的理想方法。而對于GFAAS和ICP-MS方法，前處理過程對其結(jié)果合成不確定度有貢獻，但是過程因子引入的均為B類標準不確定度，對于結(jié)果的分散性貢獻較小；雖然標準不確定度較ID-ICP-MS大，但是在測量的過程中可以通過控制關(guān)鍵因素減少標準不確定度的引入，符合標準物質(zhì)定值需求，滿足于多家實驗室采用不同原理方法的定值研究。