ICP-MS法测量乳中重金属铅含量的不确定度评定

(广东燕塘乳业股份有限公司，广州 510700)

牛奶富含多种营养物质，是为数不多的全价食品之一，深受民众的喜爱。随着现代工业的发展，环境污染的问题日益严重，其中重金属污染尤甚，如铅、镉等。重金属可通过饲料、水、空气等途径长期蓄积在奶牛体内，进而带入到分泌的乳液。这些重金属一旦超标，毒性很大，进入人体消化系统后不能被排出，在某些器官中积蓄起来，造成急性、亚急性、慢性中毒，严重危害人的健康。因此，牛奶中铅等重金属含量的准确检测十分重要。

质控样品检测是实验室监控结果有效性的方法之一。本实验通过GB 5009.268-2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》[1]的方法对乳中铅含量进行测定，并按照CNAS-GL006《化学分析中不确定度的评估指南》[2]的要求对测定过程的不确定度进行分析，得出该检测过程的测量不确定度，为实验室日常检测中测量不确定度的评定提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要仪器设备及试剂

PE ICP-MS NexION 350X；MWPRO 微波消解仪；电子分析天平(感量0.1mg)；Minipole超纯水系统；移液器；容量瓶；硝酸(HNO3)。

除非另有说明，本实验中使用的均为优级纯试剂和GB/T 6682-2008中规定的一级水。

1.2 方法

1.2.1检测原理

试样经消解后,由ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪测定,以元素特定质量数(质荷比,m/z)定性,采用外标法，以待测元素质谱信号与内标元素质谱信号的强度比与待测元素的浓度成正比进行定量分析[1]。

1.2.2检测过程

具体ICP-MS法测量乳中重金属Pb含量所需步骤见图1。

图1 ICP-MS法测量乳中重金属Pb含量检测步骤

1)标准液的配制

a．镉、铬、砷、汞、铅混合标准储备液(1μg/mL):吸取5mL镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准物质(10.0mg/kg)于50mL容量瓶中，用硝酸溶液(5+95)定容至刻度，配成1μg/mL的镉、铬、砷、汞、铅混合标准储备液，于4℃避光保存。

b．镉、铬、砷、汞、铅混合标准中间液(10μg/L)：吸取0.5mL的镉、铬、砷、汞、铅混合标准储备液(1μg/mL)于50mL的容量瓶中，用一级水定容至刻度，配成10μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合标准中间液。

c．镉、铬、砷、汞、铅混合标准工作溶液：吸取镉、铬、砷、汞、铅混合标准中间液(10μg/L)0.5、2.5、5.0、7.5、10 mL，用汞标准稳定剂定容至50mL，配成浓度为0.1、0.5、1.0、1.5、2.0μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合标准工作溶液。

d．内标(铋、锗、铟、铑、钪、铽、钇)标准使用液(50μg/L)：吸取 2.5mL内标元素(铋、锗、铟、铑、钪、铽、钇)标准溶液(10μg/mL)于500mL容量瓶中，用硝酸溶液(5+95)定容至500mL，配成50μg/L的内标(铋、锗、铟、铑、钪、铽、钇)标准使用液。

2)样品的制备

称取试样0.5g于微波消解内管中，加入 5mL硝酸，缓慢旋紧螺盖，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解。冷却后取出，将排气扳手插入放气螺杆中，缓慢旋转放气螺杆排气，再缓慢打开密封盖，用一级水冲洗内盖，然后用一级水将密封盖和内管中的待测反应液转移到50mL容量瓶中，最后用一级水定容到50mL，混匀备用，同时做空白试验。

3)仪器工作条件参数：仪器工作条件参数见表1。

表1 电感耦合等离子体质谱仪仪器工作条件参数

1.2.3检测结果计算

根据GB 5009.268-2016《食品安全国家标准 食品中多元素的测定》，该方法的计算数学模型为：

式中：

X：试样中待测元素含量,mg/kg；

ρ：试样溶液中被测元素质量浓度,μg/L；

ρ0：试样空白液中被测元素质量浓度,μg/L；

V：试样消化液定容体积,mL；

F：试样稀释倍数；

m：试样称取质量,g；

1000：换算系数。

计算结果保留3位有效数字。

1.3 样品检测结果

称取同一批次的试样6份(质控样品特性值：0.247mg/kg,特性值区间：0.171～0.323mg/kg)，按照微波消解仪标准操作步骤进行消解后，将待测反应液转移到50mL容量瓶中，最后用一级水定容到50mL，混匀。在相同的ICP-MS的条件下平行测定定容后样液中重金属铅的含量，试验数据和分析结果见表2。

表2 样品测量数据和计算结果

2 不确定度来源的识别和分析

2.1 不确定度的来源识别

ICP-MS法测量乳中重金属Pb含量的测量不确定度来源主要有6个方面，分别为：

(1)ICP-MS仪器的不确定度：主要由ICP-MS的灵敏度、稳定性的等引入的不确定度；

(2)试样质量的不确定度：主要由称重的随机变异和天平校准带来的不确定度；

(3)微波消解仪的不确定度：主要由微波消解仪消解试样的不均匀性引入的不确定度；

(4)试样消化液定容体积的不确定度：主要有定容用容量瓶内部体积的不确定度，容量瓶和消化液温度与容量瓶体积校准时的温度不同引起体积变动带来的不确定度；

(5)标准工作溶液的不确定度：主要包括标准物质溶液的不确定度和标准溶液稀释过程中产生的不确定度；

(6)重复测定试样的不确定度：主要由试样重复测定引入的不确定度。

测量不确定度来源及分类见表3和不确定度因果关系见图2。

表3 测量不确定度的来源及其分类

图2 测量不确定度因果关系图

2.1 不确定度分量的量化2.1.1 ICP-MS影响因子的不确定度

试样经微波消解仪消解定容后，进入ICP-MS测量时，所使用ICP-MS的灵敏度、稳定性等可能会对测量不确定度产生影响，根据ICP-MS校准证书(校准证书编号NG201907378)标明制造商提供的ICP-MS的相对扩展不确定度(k=2)为10%，将ICP-MS影响因子分量转化为相对标准不确定度。

即，ICP-MS影响因子的相对标准不确定度为：

2.1.2 试样消解不均匀的不确定度

试样加入硝酸后，放入微波消解仪中消解，所使用的微波消解仪功率、温度、传感器等可能会对试样消解不均匀的测量不确定度产生影响，根据微波消解仪校准证书(校准证书编号NG201907428)标明制造商提供的微波消解仪的扩展不确定度(k=2)为5.0%，将试样消解不均匀分量转化为相对标准不确定度。

即，试样消解不均匀分量的相对标准不确定度为：

2.1.3试样质量(m)的不确定度

实验过程中约取0.5g待检试样，每一次称重都会有随机变异和天平校准带来的不确定度。天平本身校准的不确定度来源分别是灵敏度和校准函数的线性，由于称量是用同一台天平且称量范围较小，所以忽略灵敏度带来的不确定度。

线性：代表的是托盘上被称量的实际重量与从天平上读取的数值的最大差值，万分之一天平校准证书(校准证书编号LE202000842)标明其线性的测量结果扩展不确定度为0.5mg(k=2)。天平制造商自身的不确定度建议采用矩形分布将线性分量转化为标准不确定度。因此，天平不确定度的线性分量为：

即，试样质量(m)的标准不确定度u(m)为：u(m)=0.29mg

试样质量(m)的相对标准不确定度为：

2.1.4试样消化液定容体积(V)的不确定度

该体积有两个主要的影响因素：校准和温度影响。

2.1.4.1校准

100mL(A级)容量瓶校准证书(校准证书编号BSH-CL-2020070020-3)标明制造商提供的容量瓶在20℃时的扩展不确定度(k=2)为0.02mL，采用矩形分布将容量瓶体积分量转化为标准不确定度。

因此，100mL (A级)容量瓶不确定度的体积分量为：

即，100mL(A级)容量瓶体积分量的标准不确定度u1(V100)为：u1(V100)=0.012mL

2.1.4.2温度

a.质轻安全：重量非常轻，大约1kg/m2，相当于真石漆的1/6，干挂石材的1/40，面砖的1/20，没有任何的安全隐患；

根据制造商提供的信息，该容量瓶已在20℃校准，而实验室的温度在±4℃之间变动。该影响引起的不确定度可通过估算该温度范围和体积膨胀系数来进行计算。液体的体积膨胀明显大于容量瓶的体积膨胀，因此只需考虑前者即可。JJG196-2006规定，水的体积膨胀系数为2.1×10-4/℃[3]，因此产生的体积变化为±(50×4×2.1×10-4)=±0.042mL，采用矩形分布将温度变化分量转化为标准不确定度。

因此，温度变化不确定度的分量为：

即，温度变化分量的标准不确定度u2(V100)为：u2(V100)=0.024mL

2.1.4.3两种分量合成得到试样消化液定容体积(V)的标准不确定度u(V)

试样消化液定容体积(V)的相对标准不确定度为：

2.1.5标准工作溶液的不确定度2.1.5.1标准物质溶液引入的不确定度

实验中所用镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准物质浓度为10.0mg/kg，是中国计量科学研究院提供，GBW(E)083363国家标准物质证书(批次号：19061)上注明其相对扩展不确定度(k=2)为2%，假定为矩形分布，其不确定度的分量为：

即，铅标准物质溶液的标准不确定度为：

u(C铅)= 0.1mg/kg

2.1.5.2稀释配制过程中引入的不确定度

标准溶液配制的不确定度由玻璃容器和可调移液器、配制标准储备液和标准中间液、配制标准工作溶液引入的，具体分析过程如下：

2.1.5.2.1 玻璃容器和可调移液器引入的不确定度

(1)50mL容量瓶(A级)引入的不确定度

该分量有2个主要的影响因素：校准和温度影响。

①校准：50mL容量瓶(A级)校准证书(校准证书编号BSH-CL-2020070020-3)标明制造商提供的容量瓶在20℃时的扩展不确定度(k=2)为0.02mL，采用矩形分布将容量瓶体积分量转化为标准不确定度。

因此，50mLA级容量瓶不确定度的体积分量为：

即，50mL容量瓶(A级)体积分量的标准不确定度u1(V50)为：u1(V50)=0.012mL

②温度：根据制造商提供的信息，该容量瓶已在20℃校准，而实验室的温度在±4℃之间变动。该影响引起的不确定度可通过估算该温度范围和体积膨胀系数来进行计算。液体的体积膨胀明显大于容量瓶的体积膨胀，因此只需考虑前者即可。JJG196-2006规定，水的体积膨胀系数为2.1×10-4/℃[3]，因此产生的体积变化为±(50×4×2.1×10-4)=±0.042mL，采用矩形分布将温度变化分量转化为标准不确定度。

因此，温度变化不确定度的分量为：

即，温度变化分量的标准不确定度u2(V50)为：u2(V50)=0.024mL

两种分量合成得到试样消化液定容体积(V)的标准不确定度u(V50)为：

试样消化液定容体积(V)的相对标准不确定度urel(V50)为：

(2) 5mL可调移液器引入的不确定度

5mL可调移液器校准证书(校准证书编号BSH-CL-2020080029-4)标明制造商提供的可调移液器的容量相对误差测量结果扩展不确定度为4.3 μL(k=2)，将可调移液器分量转化为标准不确定度，即5mL可调移液器不确定度的分量为：

即, 5mL可调移液器的标准不确定度为：u(V移5mL)为：u(V移5mL)=2.15μL

5mL可调移液器的相对标准不确定度为：

(3)1000μL可调移液器引入的不确定度

1000μL可调移液器校准证书(校准证书编号BSH-CL-2020080029-3)标明制造商提供的可调移液器的容量相对误差测量结果扩展不确定度为1.3μL(k=2)，将可调移液器分量转化为标准不确定度，即1000μL可调移液器不确定度的分量为：

即，1000μL可调移液器的标准不确定度u(V移1mL)为：u(V移1mL)=0.65μL

1000μL可调移液器的相对标准不确定度urel(V移1mL)为：

(4)10mL可调移液器引入的不确定度

10mL可调移液器校准证书(校准证书编号BSH-CL-2020080029-5)标明制造商提供的可调移液器的容量相对误差测量结果扩展不确定度为5.0μL(k=2)，将可调移液器分量转化为标准不确定度，即用10mL移液器取2.5、5.0、7.5、10mL的镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准中间液产生不确定度的分量如表4。

表4 10mL移液器移取混合标准溶液产生的不确定度分量

2.1.5.2.2配制标准储备液和标准中间液引入的不确定度

(1)用5mL可调移液器移取5mL镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准物质于50mL容量瓶(A级)中，用硝酸溶液(5+95)定容至刻度，得到浓度为1 μg/mL镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准储备液。则1 μg/mL镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准储备液的相对标准不确定度为：

(2)用1000μL可调移液器移取500μL镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准储备液于50mL容量瓶(A级)中，得到浓度为10μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准中间液，并用一级水定容至刻度。则10μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准中间液的相对标准不确定度urel(C中)为：

2.1.5.2.3 配制标准工作溶液引入的不确定度

用1000μL和10mL可调移液器分别移取0.5、2.5、5.0、7.5、10 mL的镉、铬、砷、汞、铅混合溶液标准中间液于50mL容量瓶(A级)中，得到0.1、0.5、1.0、1.5,2.0μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合标准工作溶液。则0.1、0.5、1.0、1.5、2.0μg/L的镉、铬、砷、汞、铅混合标准工作溶液系列点的相对标准不确定度分别是：

综上所述，标准工作溶液引入的不确定度由标准工作溶液各个系列点的相对标准不确定度均方根求得，即

2.1.6重复测定试样的不确定度

根据表3中测量不确定度的来源及其分类，可知重复测定试样引入的不确定度为A类测量不确定度。依据表2中的样品测量数据，计算测定结果的标准偏差s(X)：

即重复测量试样的标准不确定度ux(Rep)=0.00071

重复测定试样的A类相对不确定度为：

2.2 合成相对标准不确定度

将以上各分量合成相对标准不确定度，即

2.3 扩展不确定度

ICP-MS法测量乳中重金属Pb含量的扩展不确定度，取包含因子k=2(95%)[4]，则扩展不确定度为：

U=2×u=2×0.015mg/kg=0.03mg/kg

3 结论

ICP-MS法测量乳中重金属Pb含量的测量不确定度报告，取95%置信概率，包含因子k=2[4]，其结果报告为：

通过不确定度的评定分析，微波消解仪消解试样不均匀性、试样消化液定容体积、重复测定试样所引入的不确定度影响较小，仪器影响因子、试样质量、标准工作溶液引入的不确定度影响较大。因此，在实际操作过程中，检验员要对设备的进行养护并保持其稳定性、称量的准确和配制标准曲等都要严格按照操作流程，避免放大不确定度，提高检测的准确性。