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        濕法消解-電感耦合等離子體質(zhì)譜法測(cè)定大米中鎘的不確定度評(píng)定

        2022-02-26 09:48:14戴禮洪姜紅新李軍幸穆莉徐亞平劉瀟威
        化學(xué)分析計(jì)量 2022年2期
        關(guān)鍵詞:測(cè)量檢測(cè)

        戴禮洪,姜紅新,李軍幸,穆莉,徐亞平,劉瀟威

        [農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護(hù)科研監(jiān)測(cè)所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(天津),天津 300191]

        大米中重金屬鎘污染和超標(biāo)是社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問題,與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全和人民身體健康息息相關(guān)。我國(guó)食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2762—2017 對(duì)大米重金屬鎘限量為0.2 mg/kg。

        電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)法檢測(cè)大米重金屬鎘是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法,但目前有關(guān)該方法的檢測(cè)結(jié)果評(píng)定少有報(bào)道。在檢測(cè)數(shù)據(jù)位于0.2 mg/kg限量值附近時(shí),是否超標(biāo)則顯得尤為重要?,F(xiàn)有報(bào)道主要集中在樣品稱量、校準(zhǔn)溶液配置、儀器檢測(cè)等環(huán)節(jié)[1-6],而尚無關(guān)于樣品前處理環(huán)節(jié)帶入不確定度的報(bào)道,而前處理往往是樣品最容易受干擾的環(huán)節(jié)之一。筆者以GB 5009.268—2016 食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中多元素的測(cè)定為例,探尋影響大米中鎘測(cè)量結(jié)果不確定度的來源,采用測(cè)量不確定度評(píng)定的逐步分析方法,在國(guó)內(nèi)已有研究基礎(chǔ)上[7-12],結(jié)合我國(guó)RB/T 214—2017 《檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)資質(zhì)認(rèn)定能力評(píng)價(jià)檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)通用要求》及CNAS-CL01: 2018《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》對(duì)測(cè)量不確定度評(píng)定的要求,系統(tǒng)分析了檢測(cè)過程中測(cè)量不確定度的主要來源,建立了農(nóng)產(chǎn)品重金屬鎘檢測(cè)不確定度的評(píng)定程序和數(shù)學(xué)模型[13-17],按照測(cè)量不確定度評(píng)定與表示程序要求對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了量化評(píng)估,有助于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)量不確定度評(píng)定工作向更加科學(xué)、合理的方向發(fā)展。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要儀器與試劑

        電感耦合等離子體質(zhì)譜儀:7700x 型,美國(guó)安捷倫科技有限公司。

        電熱消解儀:ED54 型,北京萊伯泰科公司。

        電子天平:BSA124S 型,感量為0.1 mg,德國(guó)賽多利斯集團(tuán)。

        硝酸:BV-Ⅲ級(jí)(微電子級(jí)),北京化學(xué)試劑研究所。

        鎘單元素溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì):1 000 mg/L,標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)為GBW 08612,中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

        大米粉:市售。

        實(shí)驗(yàn)用水為純水。

        1.2 實(shí)驗(yàn)方法

        稱取大米粉樣品0.5 g(精確至0.000 1 g),置于聚四氟乙烯消解管中,加入8 mL 硝酸,蓋上蓋子進(jìn)行梯度升溫消解,于100 ℃加熱0.5 h,于150 ℃加熱2 h 至樣品完全消解,取下蓋子,趕酸至近干,冷卻后用水轉(zhuǎn)移并定容至25 mL 容量瓶中,混勻、備用,同時(shí)做空白試驗(yàn)。

        1.3 不確定度來源

        樣品分析過程中的樣品稱取、實(shí)驗(yàn)器皿、實(shí)驗(yàn)環(huán)境、測(cè)量?jī)x器、測(cè)量人員等各環(huán)節(jié)均可能存在的不確定性,不確定度分量來源見圖1。

        圖1 不確定度分量來源

        2 不確定度評(píng)定

        2.1 樣品稱量引入的不確定度

        樣品質(zhì)量(m)使用感量為0.1 mg 的電子分析天平,稱取0.500 0 g(按500 mg 計(jì))樣品,不確定度由天平的精度和稱量重復(fù)性兩部分構(gòu)成。

        (1)天平的精度引入的誤差。在0~50 g 稱量范圍內(nèi),按照天平檢定證書中規(guī)定的最大允許誤差S1=±0.5 mg。按照矩形分布換算成天平精度引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        (2)天平重復(fù)稱量引入的誤差。對(duì)0.500 0 g(按500 mg 計(jì))大米樣品稱量10 次,稱量結(jié)果見表1。

        表1 大米樣品稱量結(jié)果

        由表1 可知,測(cè)定結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差S2=0.06 mg,用該測(cè)定結(jié)果代表樣品的稱量偏差,按照矩形分布換算成天平重復(fù)稱量引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        2.2 樣品消解引入的不確定度

        樣品消解過程中受消解條件、試劑背景、樣品性狀、元素性質(zhì)、環(huán)境條件等因素影響,可能導(dǎo)致樣品消解不充分、實(shí)驗(yàn)過程損失或玷污,均是影響元素檢測(cè)不確定性的因素。

        對(duì)加標(biāo)樣品進(jìn)行5 次重復(fù)測(cè)定,結(jié)果見表2。

        表2 樣品加標(biāo)回收率結(jié)果

        根據(jù)NY/T 398—2000 《農(nóng)、畜、水產(chǎn)品污染監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)鎘添加回收率的要求,按照J(rèn)JF 1059.1—2012 《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》中關(guān)于不確度區(qū)間半寬度的表述,試驗(yàn)采取多次測(cè)量的回收率,得出樣品檢測(cè)回收率的實(shí)際變動(dòng)范圍,最高測(cè)定值和最低測(cè)定值分別以α+、α-表示,根據(jù)表2 數(shù)據(jù)計(jì)算鎘樣品消解的不確定度區(qū)間:

        2.3 樣品定容引入的不確定度

        樣品定容體積(V=25 mL)的不確定度受容量器具的誤差、讀數(shù)誤差、溫度變化等因素影響。

        2.3.1 容量器具的誤差

        25 mL 容量瓶的最大允許誤差按照計(jì)量器具規(guī)范(JJG 196-2006)A 級(jí)稱量范圍的最大允許誤差為ΔV1=±0.03 mL,按照三角分布換算成容量器具誤差引入的相對(duì)不確定度:

        配制標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)溶液溫度與容量瓶校準(zhǔn)時(shí)溫度(20 ℃)不一致引入的不確定度,假設(shè)溫度相差4℃,由于水的膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1,產(chǎn)生的體積變化ΔV3=25×4×(2.1×10-4)=0.021 mL。按照矩形分布,轉(zhuǎn)化為溫度變化引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        若樣品有分取稀釋和定容,則按照上述方法,分別計(jì)算分取器皿和稀釋器皿的不確定度,合成到總體積的合成相對(duì)不確定度中。

        2.4 標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定度

        標(biāo)準(zhǔn)溶液配制引入的不確定有以下幾個(gè)方面:

        (1)標(biāo)準(zhǔn)溶液證書給出的不確定度。GBW 08612 鎘單元素溶液標(biāo)注物質(zhì)證書給出認(rèn)定值ρ1=1 000 μg/mL,不確定度為2 μg/mL(包含因子k=2)。標(biāo)準(zhǔn)溶液引入的相對(duì)不確定度:

        (2)在配制校準(zhǔn)溶液進(jìn)行逐級(jí)稀釋過程中,吸量管和定容容器產(chǎn)生的不確定度。每個(gè)步驟的不確定度包含吸量管誤差、容量瓶誤差、讀數(shù)誤差以及溫度變化導(dǎo)致的溶液膨脹系數(shù)誤差。用5 mL 吸量管吸取5 mL 質(zhì)量濃度為1 000 μg/mL 的鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液,置于100 mL 容量瓶中,配制成鎘質(zhì)量濃度為50 μg/mL,5 mL 吸量管A 級(jí)稱量范圍的最大允許誤差為±0.025 mL,按照三角形分布換算成吸量管誤差引入的相對(duì)不確定度:

        100 mL 容量瓶的最大允許誤差為±0.10 mL,按照三角形分布換算成容量瓶誤差引入的相對(duì)不確定度:

        溫度變化導(dǎo)致溶液膨脹系數(shù)誤差,假設(shè)溫度變動(dòng)范圍為±4 ℃,水的膨脹系數(shù)為2.1×10-4℃-1,產(chǎn)生體積變化ΔV4=100×4×(2.1×10-4)=0.084 mL,按照矩形分布換算成溫度變化引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度:

        2.5 儀器測(cè)定引入的不確定度

        2.5.1 儀器的穩(wěn)定性引入的不確定度

        按照質(zhì)譜儀器檢定規(guī)程,短期穩(wěn)定性最大偏差S=3%。按照矩形分布換算成儀器的穩(wěn)定性(VA)引入的相對(duì)不確定度:

        需要說明的是,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,長(zhǎng)期穩(wěn)定性是測(cè)試10 次計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差,與10 次數(shù)據(jù)的平均值之比不超過3%,而在實(shí)際工作中,儀器穩(wěn)定性遠(yuǎn)小于該項(xiàng)指標(biāo),如果以實(shí)際測(cè)試值計(jì)算該項(xiàng)不確定度,計(jì)算結(jié)果會(huì)比引用規(guī)程計(jì)算不確定度更小,在實(shí)際工作中進(jìn)行儀器評(píng)估時(shí)需要進(jìn)行綜合考慮。

        2.5.2 校準(zhǔn)曲線擬合引入的不確定度

        對(duì)系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液進(jìn)行3 次重復(fù)測(cè)定,鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試結(jié)果如表3 所示。以溶液質(zhì)量濃度為橫坐標(biāo)(x),以儀器響應(yīng)為縱坐標(biāo)(y),采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合,得線性方程:y=ax+b=1 565.10x+112.78,R2=0.999 8。對(duì)樣品溶液進(jìn)行測(cè)量,由標(biāo)準(zhǔn)工作曲線求得鎘的質(zhì)量濃度X1=5.10 μg/L,按照公式(1)計(jì)算得出樣品含量為0.260 mg/kg。

        表3 鎘標(biāo)準(zhǔn)溶液測(cè)試結(jié)果

        根據(jù)表3 數(shù)據(jù),按照貝塞爾公式計(jì)算實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差SR=97.69。

        標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度按照公式(2)進(jìn)行計(jì)算:

        2.6 測(cè)量均勻性引入的不確定度

        測(cè)量均勻性引入的不確定度主要受樣品本身制備情況的影響,按照檢測(cè)方法和農(nóng)產(chǎn)品制樣規(guī)范,農(nóng)產(chǎn)品一般達(dá)到0.25~0.4 mm(40~60 目),樣品基體均勻,此項(xiàng)誤差可以忽略不計(jì)。

        2.7 相對(duì)不確定度的合成

        各不確定度分量中樣品消解的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(T) 是最大的,其次是儀器測(cè)定的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urel(A),而樣品稱量、定容、標(biāo)準(zhǔn)溶液配制等引入的不確定度幾乎可以忽略,ICP-MS 法測(cè)定大米重金屬鎘的相對(duì)不確定度分量如圖2 所示。

        圖2 ICP-MS 法測(cè)定大米重金屬鎘的相對(duì)不確定度分量

        樣品檢測(cè)結(jié)果X=0.260 mg/kg,樣品檢測(cè)不確定u(X)=0.260×0.041=0.010 7,取包含因子k=2(95%置信區(qū)間),按照不確定度只入不舍,則擴(kuò)展不確定度U(X1)=0.010 7×2=0.022。樣品檢測(cè)結(jié)果的表達(dá)為(0.260±0.022) mg/kg。

        3 結(jié)果與分析

        通過對(duì)實(shí)驗(yàn)過程各環(huán)節(jié)不確定度的分析,結(jié)果表明,不確定度主要來自樣品前處理和儀器自身測(cè)試穩(wěn)定性以及標(biāo)準(zhǔn)曲線的質(zhì)量,樣品稱量、樣品定容、系列標(biāo)準(zhǔn)工作溶液的配制、環(huán)境溫度等引入的不確度相對(duì)較小,因此在實(shí)際工作中,應(yīng)更加注意檢測(cè)儀器本身的穩(wěn)定性和校準(zhǔn)儀器時(shí)標(biāo)準(zhǔn)曲線的質(zhì)量。通過儀器檢定對(duì)儀器性能進(jìn)行確認(rèn),對(duì)儀器的實(shí)際性能進(jìn)行跟蹤和核查,確保滿足檢測(cè)方法和檢測(cè)項(xiàng)目分析的要求。

        3.1 儀器檢定

        在引入儀器檢定不確定度時(shí),可按照儀器類別國(guó)家有相應(yīng)的規(guī)范要求作為儀器不確定度計(jì)算的參考依據(jù)。此外,大型儀器、小型輔助設(shè)備和實(shí)驗(yàn)器皿均會(huì)通過每年的檢定獲知儀器設(shè)備的實(shí)際誤差和不確定度,此方式也可作為儀器不確定計(jì)算的參考依據(jù)。在實(shí)際工作中,往往儀器設(shè)備檢定的不確定度要小于儀器設(shè)備有關(guān)規(guī)范規(guī)定的最大誤差和不確定度,因此,使用規(guī)程最大誤差和不確定度進(jìn)行評(píng)估可能會(huì)放大實(shí)際檢測(cè)的不確定度。

        3.2 樣品稱量

        對(duì)于樣品的稱量,可以直接引用天平檢定誤差參與計(jì)算,也可以使用實(shí)驗(yàn)室一段時(shí)期內(nèi)通過測(cè)定獲取的經(jīng)驗(yàn)值。天平重復(fù)稱量引入的誤差在稱樣環(huán)節(jié)中所占比例是較低的,實(shí)際工作中也可以不用每次都對(duì)稱樣誤差進(jìn)行單獨(dú)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算。

        3.3 不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素

        樣品消解環(huán)節(jié)產(chǎn)生的不確定度較大,這個(gè)環(huán)節(jié)涉及因素較多,因?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品重金屬含量普遍較低,實(shí)驗(yàn)過程中需要嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)可能產(chǎn)生的影響,比如采用試劑本身的背景含量是否過高,特別是酸的背景與樣品含量應(yīng)有數(shù)量級(jí)差異,否則對(duì)結(jié)果造成較大影響。此外,樣品是否消解完全,所用消解器皿是否清潔,樣品趕酸和轉(zhuǎn)移過程中是有否有玷污或損失,實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)設(shè)施是否良好,通風(fēng)設(shè)施有無酸液回滴造成污染等均是不確定性的風(fēng)險(xiǎn)因素。

        3.4 誤差確認(rèn)

        參照國(guó)家JJG 196—2006 《常用玻璃量器檢定規(guī)程》,實(shí)驗(yàn)過程中使用的各類玻璃器皿,如容量瓶、移液管等均有相應(yīng)的允許最大誤差。在實(shí)際工作中,可通過有資質(zhì)的計(jì)量單位檢定來確認(rèn)實(shí)際誤差,參與不確定度計(jì)算。對(duì)于大批量樣品實(shí)驗(yàn)分析,使用實(shí)驗(yàn)器皿數(shù)量眾多,全部通過計(jì)量檢定存在一定難度,實(shí)驗(yàn)室也可通過自校來確認(rèn)誤差。

        4 結(jié)語

        建立ICP-MS 法測(cè)定大米中鎘的不確定度評(píng)定程序和數(shù)學(xué)模型,按照測(cè)量不確定度評(píng)定與表示程序?qū)z測(cè)結(jié)果進(jìn)行量化評(píng)估。結(jié)果表明,檢測(cè)過程中測(cè)量不確定度的主要來源為樣品消解和儀器分析環(huán)節(jié)。該方法為農(nóng)產(chǎn)品重金屬檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)識(shí)別和分析檢測(cè)環(huán)節(jié)主要的不確定性因素提供借鑒,遇到檢測(cè)數(shù)據(jù)異常、測(cè)試數(shù)據(jù)有疑問情況時(shí),便于梳理和查找檢測(cè)工作中的潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn),特別是檢測(cè)結(jié)果位于國(guó)家限量值附近時(shí),可為科學(xué)、合理的評(píng)價(jià)和判定檢測(cè)結(jié)果提供技術(shù)支撐。

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