电感耦合等离子体发射光谱法测定面制品中铝含量的不确定度评定及方法改进

徐 冲 赵立琴 李玉丹 孙 鹏 刘远洋

(黑龙江八一农垦大学测试中心；农业农村部农产品及加工品质量监督检验测试中心(大庆)1，大庆 163319) (黑龙江八一农垦大学生物技术中心2，大庆 163319) (黑龙江八一农垦大学食品学院3，大庆 163319)

铝本身是一种慢性毒性元素，不属于人体的微量元素，过量摄入对人体健康有一定的影响[1]。世界卫生组织和联合国粮农组织 (WHO/FAO)认为铝属于低毒级金属，提出人体铝的暂定摄入量标准为7 mg/kg，我国也提出了面制食品中铝的限量卫生标准(≤100 mg/kg)[2]。

食品中铝的来源主要有以下几种途径：第一，天然存在。由于铝是地壳中含量最高的金属，饮用水含有铝，含量一般少于0.2 mg/L。大部分食物亦含有铝，一般含量少于5 mg/kg。第二，使用铝制烹饪用具和锡纸所致。除食品本身含铝外，用铝制品包装或盛放食品的器具也可导致食品铝含量超标。第三，含铝食品添加剂。由于无铝膨松剂的成本要比普通的化学膨松剂高3～4倍，因此面制食品加工中使用钾明矾、铵明矾等含铝膨松剂，使铝含量明显增大，这是造成面制食品铝含量超标的根源[3]。因此对面制品中铝含量的检测非常重要。

目前，食品中铝含量的检测常用分光光度计法[4，5]、石墨炉原子吸收光谱法[6，7]、电感耦合等离子体发射光谱法及电感耦合等离子体质谱法等方法[8-10]，且已出台GB 5009.182—2017[11]。其中，分光光度计法操作烦琐，灵敏度较低，且受酸度、基质等因素影响较大，难以适应低水平铝含量的测定。石墨炉原子吸收法则需要较高的原子化温度，石墨管易受损伤，并且线性范围较窄[12]。电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)及电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)操作简便，分析速度快，精密度、灵敏度高、准确度高，检出限低，受样品基体干扰少，且能同时测定多个元素，尤其适合检测痕量样品和含量特别低的成分。但ICP-MS需要质谱仪，价格较为高昂，难以普及。而ICP-OES相对要求较低，同时具备线性范围宽等特点，现在被广泛应用于元素的分析[13]。综合考虑，本研究采用ICP-OES作为检测手段。

测量不确定度简称不确定度，是根据所用到的信息表征赋予被测量值分散性的非负参数，其与测量结果相联系[14]。根据CNAS-CL01《检测和校准实验室能力认可准则》[15]，可以看出，评定测量不确定度已经成为检测实验室的必备的工作内容之一。国内外对测量不确定度的研究已有很多[16-18]。

将科学的测量不确定度引入检测过程中，可以极大地统一理解和说明测量结果，对于客观评价检测结果，尤其是对检测结果临界值的判断具有重要意义[19]。因此，对于面制品中铝的测量方法的不确定度进行评定也有其重要的意义。以往对应用电感耦合等离子体发射光谱法测定面制品中铝含量方法的不确定度的研究很少[20]，且采用JJF1059—1999的评定方法，最后也仅给出不确定度的数据，未对不确定度的主要贡献者提出改进方法及可能降低或消除这些影响因素的程度。本实验采用JJF1059.1—2012《测量不确定度的评定与表示》的评定方法，分析评定用电感耦合等离子体发射光谱法测定面制品中铝含量的不确定度，为有效地控制用该方法来测定面制品中铝含量的质量分析提供依据，并通过对测量不确定度的评定，找到引起测量不确定度的主要贡献者，进而通过改变测量方法的方式，减小测量的不确定度，同时测量出能够降低影响因素的程度，为检测工作和分析工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

65%硝酸(优级纯)；30%过氧化氢(分析纯)；铝标准溶液(GSB 04-1713-2004，1 000 μg/mL)；四种市售面制品：普通馒头、大枣馒头、花卷、发面饼。

1.2 仪器与设备

PekinElmer Optima8000型电感耦合等离子体发射光谱仪、MARS 6微波消解仪、eppendorf移液器(100～1 000 μL)。

1.3 方法

1.3.1 样品前处理

取具有代表性的四份样品置85 ℃恒温干燥箱中干燥4 h。将样品粉碎混合均匀并过1 mm筛，称取0.2 g左右(精确至0.000 1g)于聚四氟乙烯消解罐中，加入10 mL65%硝酸后将其放入微波消解仪中。样品消解：5 min加热到120 ℃并保持10 min，再用5min加热到160 ℃并保持10 min，最后用5 min加热到180 ℃并保持15 min。冷却至室温，将消解罐置于150 ℃赶酸仪上挥去多余硝酸，待样品剩余1～2 mL时，冷却，将样品转移至25 mL容量瓶中，定容至刻度，待测。同时做试剂空白实验。

1.3.2 ICP-OES工作参数

电感耦合等离子体发射光谱仪工作参数见表1。

表1 电感耦合等离子体发射光谱仪工作参数

1.3.3 标准曲线制作

配制标准储备液：用吸量管吸取10 mL铝标准溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得浓度为100 μg/mL的铝标准溶液。

配制标准系列溶液：用移液器分别吸取0.00、0.10、0.20、0.40、0.80、1.00 mL铝标准储备液于6个100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容，即得浓度为0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的铝标准溶液。

将标准系列工作溶液注入电感耦合等离子体发射光谱仪中，以标准溶液中铝的浓度为横坐标，其分析谱线强度响应值为纵坐标，绘制标准曲线。

1.3.4 试样的测定

将空白溶液和试样溶液分别注入电感耦合等离子体发射光谱仪中，根据标准曲线得到消解液中铝的浓度。

1.3.5 数学模型的建立

面制品中铝含量的数学模型为：

式中：X为面制品中铝含量/mg/kg；Ci和C0为从工作曲线上查得的样品消解液和空白溶液中铝的质量浓度/μg/mL；V和m为样品定容体积/mL和样品质量/g。

2 结果与分析

2.1 不确定度来源分析

根据检测方法和数学模型，不确定度分量主要来源为：样品称量过程中引入的不确定度、样品消解过程中引入的不确定度、样品定容过程中引入的不确定度、标准物质引入的不确定度(铝标准溶液的不确定度、标准系列溶液配制的不确定度)、标准曲线拟合引入的不确定度和样品测定重复性引入的不确定度。

2.1.1 样品称量过程中引入的不确定度

电子分析天平依据检定证书提供的结果值，确定其不确定度。

所以，由电子分析天平产生的标准不确定度：

此次称样的平均质量为M=0.207 9 g，则样品称量过程中引入的相对标准不确定度为：

2.1.2 样品消解过程中引入的不确定度

准确称取6个0.200 0 g样品，分别向其中加入100 μg/mL的标准溶液0.1 mL，对样品进行加标回收测定，所得结果见表2。

表2 样品加标回收率测量结果/%

式中：b+和b-分别为最大和最小回收率。

样品消解过程中引入的相对标准不确定度：

2.1.3 样品定容过程中引入的不确定度

所以，由25 mL容量瓶产生的标准不确定度：

因此，由样品定容过程中引入的相对标准不确定度为：

2.1.4 标准溶液引入的不确定度

2.1.4.1 铝标准溶液的不确定度

2.1.4.2 标准系列溶液配制过程中引入的不确定度

比如，教师在对旅游专业学生进行教学的时候，应该重视提高学生的语言表达能力。教师在对苏教版的《再别康桥》这一课进行教学时，可以让学生将“康桥”作为一个旅游景点，结合文章，用自己的语言来向大家介绍“康桥”，也就是即兴说一段关于“康桥”的导游词。教师在教学过程中能够有效将教材内容与学生的职业进行融合，从而能够在潜移默化中提高学生的语言表达能力，促使学生取长补短，为此专业学生以后的就业奠定基础。

所以，由10 mL吸量管引入的标准不确定度为：

因此，由10 mL吸量管引入的相对标准不确定度为：

所以，由100 mL容量瓶引入的标准不确定度为：

因此，由100 mL容量瓶引入的相对标准不确定度为：

所以，由1 000 μL移液器引入的标准不确定度为：

因此，由1 000 μL移液器引入的相对标准不确定度为：

综上所述，由配制标准溶液引入的相对标准不确定度为：

2.1.5 标准曲线拟合引入的不确定度

测定标准系列溶液的6个点(每个点测3平行)，检测结果及各计算结果列于表3，根据各浓度下测得值所得平均响应值数据进行拟合，得Y=409 817C-2423，r=0.999 8。

根据表3，拟合曲线的残余标准差为：

式中：Yi为标准溶液任意浓度下的响应值；Y为与Yi相对应浓度下的曲线模拟响应值;P为标准溶液的总测定次数(此次P=3×6=18)。

标准曲线拟合引起的标准不确定度为：

因此，标准曲线拟合引起的相对标准不确定度为：

2.1.6 样品重复测定引入的不确定度

样品重复测定11次，所得的消解液根据拟合后的标准曲线得到消解液中铝的浓度，再根据数学模型进行计算，得到样品中铝的含量。结果列于表4。

根据表4中所列数据，计算样品中铝含量的标准偏差为：

平行测定的标准不确定度为：

表3 标准系列溶液测定结果

表4 样品中铝含量测定结果

样品重复性测定引入的相对标准不确定度：

2.2 相对合成标准不确定度与扩展不确定度

因此，采用微波消解-电感耦合等离子体发射光谱法测定面制品中铝含量的结果表示为：X=(47.9±3.0) mg/kg(k=2)。

2.3 讨论

通过应用ICP-OES测定面制品中铝含量结果的不确定度，可以看出，影响不确定度的顺序依次为标准溶液引入的不确定度>样品消解过程中引入的不确定度>样品重复测定引入的不确定度>标准曲线拟合引入的不确定度>样品称量过程中引入的不确定度>样品定容过程中引入的不确定度。

针对不确定度的产生原因，采取以下几条途径来降低不确定度分量。

2.3.1 改变标准溶液配制过程

配制标准储备液：用单标吸量管吸取1.0 mL铝标准溶液于100 mL容量瓶中，并用1%硝酸定容，即得浓度为10 μg/mL的铝标准溶液。

配制标准系列溶液：用吸量管分别吸取0.0、1.00、2.00、4.0、8.0、10.0 mL铝标准储备液于6个100 mL容量瓶中，用1%硝酸定容(其中1.00、2.00、10.00 mL用单标吸量管，4.00 mL和8.00 mL用分度吸量管)，即得浓度为0.0、0.1、0.2、0.4、0.8、1.0 μg/mL的铝标准溶液。

在标准溶液配制过程中，移液器在吸取不同体积的标准溶液时引入的不确定度随着移取体积的改变其变化较大，引起此结果的主要原因在于同一移液器容量允许误差会根据移取体积的变化而有所不同。而移取体积数越大，其产生的相对标准不确定度越小。因此，在此过程中为减小引入的不确定度，尽量移取较大体积的溶液。此外，通过对比JJG 646—2006和JJG 196—2006可以看出，在移取相同体积液体时，单标吸量管的容量允差均低于移液器的容量允差。因此，为降低不确定度，尽量改用单标吸量管进行标准溶液的配制。

依据2.1.4计算方式，按改变后的配制过程再次计算标准溶液配制过程中产生的相对标准不确定度。urel(标)由之前的0.022 027下降为0.010 230，差别显著。

同时也做了将其中的移取体积为4.00和8.00 mL的部分用2.00 mL单标吸量管进行2次和4次的重复吸取，结果得到urel(标)为0.015 826，其结果较用分度吸量管一次吸取的效果差。其原因在于多次吸取溶液过程中，对吸量管的不确定度起主要作用的温度效应也同样需要进行多次计算导致。因此，尽量做到一次完成溶液的移取工作。

2.3.2 减少转移次数

消解过程中，由于被测样品的挥发、污染及吸附的发生，都会产生待测元素的损失。因此，需要尽量减少被测物质的转移次数，且少量多次清洗消解罐以减少被测成分的损失。

2.3.3 增加样品测量次数

根据样品重复性测定引入的相对标准不确定度的计算公式可以看出，同一样品增加测量次数可以显著降低相对标准不确定度。以本实验为例，在所测数据分散性(即标准偏差)和平均值不变的情况下，将测量次数增加到20次，得到的相对标准不确定度urel(X)为0.006 239，较原始0.008 412有显著降低。因此，可通过增加样品测量次数的方式降低测量不确定度。

2.3.4 标准溶液平均浓度接近样品溶液浓度

由标准曲线拟合引起的相对标准不确定度公式可以看出，当样品溶液平均浓度与标准溶液平均浓度越接近，标准溶液与样品溶液测定次数越多，则相对标准不确定度越小。因此，当配制标准溶液时，使其平均浓度尽量接近样品溶液浓度且多次重复测定。

2.3.5 适当增加样品称量质量

样品称量过程中引入的不确定度，其中仅有称量质量为唯一变量，由计算公式可知，适当增加称样质量可显著降低其相对标准不确定度。实验中若将样品称量质量提高到0.500 0 g，则其相对标准不确定度会由原来的0.004 18变为0.001 74，差别显著。但由于试样量的不断增加，最终会导致消解的不完全而影响检测结果。因此，需要在不影响消解效果的前提下，尽量增加样品量。

3 结论

通过采用ICP-OES测定面制品中铝含量，对测定方法的不确定度进行评定，分析不确定度的主要来源，并将各分量合成。当铝含量为47.9 mg/kg时，扩展不确定度为3.0 mg/kg(k=2)。并找出了引起测量不确定度的主要贡献者，其顺序依次为：标准溶液引入的不确定度>样品消解过程中引入的不确定度>样品重复测定引入的不确定度>标准曲线拟合引入的不确定度>样品称量过程中引入的不确定度>样品定容过程中引入的不确定度。针对其产生原因进行分析，可以通过改变标准溶液配制过程、减少被测物质转移次数、增加样品测量次数、标准溶液平均浓度接近样品溶液浓度、适当增加样品称量质量的途径，使不确定度降低。其中3个主要分量分别从(0.022 0、0.008 4、0.004 2)下降为(0.010 2、0.006 2、0.001 7)，效果显著，达到了降低影响结果准确性因素的目的，使得检测结果可以更大程度上的接近真值。