電感耦合等離子體質譜法測定人參中鉛、鎘含量的不確定度評定

金 杰，崔海峰，朱傳翔，郭 影，宋鑒達

（延邊朝鮮族自治州檢驗檢測中心·吉林延吉·133000）

引言

東北三寶之一的人參具有補中益氣等功效。人參是在中醫臨床上常用的一味中藥材，其中吉林長白山人參已列入國家地理標志產品名錄。吉林省作為人參道地藥材的主產區，在健康中國戰略背景下，正在攜手多方力量推動人參產業步入高質量發展快車道[1]。功能農業技術將在栽培、加工等人參產品標準化方面發揮優勢。所謂人參指的是五加科植物人參的根及根莖[2]。不管是野生人參還是人工栽培的人參，其生長環境都離不開土壤。 隨著現代中醫藥的發展，市場對中藥材的品質要求正在不斷地提高。 土壤是鉛、鎘等重金屬元素的載體[3，4]。重金屬元素的生物毒性在人體內蓄積時間長、排泄慢，對神經、血液、腎臟等均具有毒性[5，6]，因此，人參的重金屬元素含量須在安全范圍以內。 按照國家相關標準，人參中的重金屬元素含量要求如下：《地理標志產品—吉林長白山人參GB/T 19506-2009》中規定，鉛含量不得超過0.50mg/kg,鎘含量不得超過0.50mg/kg；《中國藥典》（2020 版） 中規定，鉛含量不得超過5mg/kg,鎘含量不得超過1mg/kg。電感耦合等離子體質譜儀(ICP-MS)具有快速、靈敏以及多元素同時分析的特點，特別適合鉛、鎘等重金屬元素的測定。不確定度反映了測定結果可信程度的高低[7]。 評估不確定度不僅可以用于比較不同檢驗方法之間的結果，而且也有助于發現對結果影響較大的不確定度分量來優化檢驗方法。

1 材料與儀器

1.1 材料

硝酸 （優級純, 北京化工廠）； 鉛元素標準溶液（GSB G 62071-90 8201， 1000μg/ml）；鎘元素標準溶液（GSB G 62040-90 4801，1000μg/ml）；含銦、鉍內標元素標準溶液（GNM-M060097-2013，100μg/ml）。

1.2 儀器

電子天平(CPJ1003 奧豪斯儀器有限公司)；電感耦合等離子體質譜儀(Nexion 350X ,PerkinElmer)；微波消解儀(MARS,CEM)；趕酸儀(BHW-09C)。

2 實驗方法及檢測

2.1 樣品溶液制備

以野山參粉為實驗供試品， 取約0.5g 至微波消解罐中，加入10ml 硝酸后靜置過夜。按照微波消解儀的程序（表1）進行消解。 為匹配標準溶液的酸度，消解結束后，將供試品消解液在趕酸儀上揮酸至2ml 以下,冷卻后再用去離子水定容至25ml。

表1 微波消解儀條件

2.2 標準系列溶液制備

2.2.1 含鉛、鎘元素標準儲備液

取標準溶液100μl，用5%硝酸溶液（v/v）稀釋至100ml，濃度為1000μg/L。

2.2.2 標準系列使用液

分別取適量的標準儲備液，用5%硝酸溶液（v/v）稀釋至每升含0、1、4、10、20、40μg 的標準系列使用液。

2.2.3 內標使用液

取內標元素標準溶液100μl， 用5%硝酸溶液（v/v）稀釋至100ml,濃度為100μg/L。

2.3 ICP-MS 分析條件

2.3.1 儀器參數

射頻功率：1600W；載氣流量：1.2L/min；元素質量數：鉛元素以質量數為208 的同位素，鎘元素以質量數為111 的同位素；內標元素：鉛元素以鉍元素，鎘元素以銦元素；檢測模式：標準模式。

2.3.2 標準曲線繪制

標準系列使用液和內標使用液同時進樣，以待測元素濃度為橫坐標，以待測元素與內標元素的響應值比為縱坐標，建立標準曲線。

2.3.3 測定

樣品溶液和內標使用液同時進樣，從標準曲線中讀取樣品溶液的濃度。

3 不確定度評估

3.1 數學模型

式中，X 為樣品中待測元素的含量，mg/kg；c 為樣品溶液中待測元素的質量濃度，μg/L；c0為空白溶液中待測元素的質量濃度，μg/L；V 為樣品、空白溶液的定容體積，ml；m 為樣品取樣量，g；1000 為單位轉換系數。

3.2 不確定度來源分析

根據數學模型，我們可以發現影響ICP-MS 法測定人參中鉛、鎘元素含量的主要因素如下：a.樣品稱量；b.樣品定容體積；c.標準溶液的制備；d.標準曲線的擬合；e.樣品測量重復性。

3.2.1 樣品稱量引入的不確定度

樣品稱量引入的合成不確定度μ(m)與電子天平相關，主要涉及兩個方面，分別是天平重復性μ(m1)和天平示值誤差μ(m2)。 依據《化學分析中不確定度的評估指南》， 電子天平的重復性約為有效數字最后一位的0.5 倍[8]。 但是在本次不確定度評估中，則依據電子天平的檢定結果計算重復性引入的不確定度(A類不確定度)。 天平示值誤差引入的不確定度同樣以天平檢定結果計算。 假設服從矩形分布，電子天平檢定證書給出的天平重復性的標準偏差為0.2mg，最大示值誤差為0.1mg。 由于稱樣時采用去皮法，相當于讀取數值兩次，因此，電子天平重復性和示值誤差的不確定度分量各引入兩次。最終樣品稱量引入的合成不確定度μ(m)和其相對合成不確定度μrel(m)的計算結果，詳見表2。

表2 樣品稱量引入的不確定度各分量

3.2.2 樣品定容體積引入的不確定度

樣品定容體積引入的合成不確定度μ(V)的主要來源是容量誤差，實驗室環境溫度的變化。 樣品消解后，使用25ml 的比色管定容。 根據《JJG 10—2005 專用玻璃量器檢定規程》，25ml 比色管的最大允許誤差為0.25ml[9]。按照矩形分布計算，其容量誤差引入的不確定度分量為μ (V-25v)。 比色管出廠檢定條件是在20℃，而實驗室環境溫度在20±5℃。 水的體積會因環境溫度的變化而發生微小的變化，這也會使結果引入不確定。 水的體積膨脹系數為2.1×10-4/℃，按照矩形分布，溫度變化引入的不確定度分量為μ(V-25t)。 最終樣品定容體積引入的合成不確定度μ(V)和其相對合成不確定度μrel(V)的計算結果，詳見表3。

表3 樣品定容體積引入的不確定度各分量

3.2.3 標準溶液引入的不確定度

標準溶液引入的不確定度主要來源是標準物質的定值和標準系列溶液的配制。標準物質的定值引入的不確定度μ(S1)以及其相對不確定度μrel(S1)，可以根據標準物質證書計算。 鉛、 鎘元素的標準值均為1000μg/ml， 其相對擴展不確定度為0.4%（k=2）。 因此，μrel(S1)=0.4%/2=0.002。 標準系列溶液的配制過程中引入的不確定度μ(S2)的主要來源是移液器和容量瓶的容量誤差，實驗室環境溫度的變化。 在整個標準系列溶液的配制過程中需使用1000 微升量程的移液器6 次，200 微升量程的移液器1 次，100 毫升的容量瓶1 次，50 毫升的容量瓶3 次，10 毫升的容量瓶2次。 移液器引入的不確定度按照出廠說明書計算，出廠說明書給出的容量允許誤差范圍為如下，1000 微升移液器的容量允許誤差為±0.50%（最大量程）；200微升移液器的容量允許誤差為±0.60%（最大量程）。移液器出廠校準是在20～25℃條件下進行的，因此不再考慮溫度變化對移液器容量的影響。容量瓶引入的不確定度涉及容量誤差，實驗室環境溫度的變化。 假設服從矩形分布，分別計算出各型號的容量瓶和移液器引入的不確定度分量，詳見表4。 綜上，按照公式(2)，標準系列溶液的配制過程中引入的相對不確定度μrel(S2)=0.0082。 結合μ(S1)和μ(S2)可以得出標準溶液引入的合成不確定度μ (S) 及其相對合成不確定度μrel(S)。 按照公式(3)計算。 標準溶液引入的相對合成不確定度μrel(S)=0.0084。

表4 容量瓶及移液器引入的不確定度各分量

式中μrel(f-100)為100 毫升容量瓶的相對合成不確定度；μrel(f-50)為50 毫升容量瓶的相對合成不確定度; μrel(f-10)為10 毫升容量瓶的相對合成不確定度;μrel(p-1000)為1000 微升移液器的相對合成不確定度；μrel(p-200)為200 微升移液器的相對合成不確定度。

3.2.4 標準曲線擬合引入的不確定度

在儀器分析中，結果的讀取依靠的是標準系列溶液濃度與其響應值之間所建立的標準曲線。標準曲線的建立一般采用最小乘二法擬合，其引入的不確定度為μ(c)。本方法中鉛元素和鎘元素的擬合標準曲線線性關系良好。 分別為：鉛的擬合標準曲線：y=0.0118x+0.0039 (R2=0.9999)； 鎘的擬合標準曲線：y=0.0015x+0.0004 (R2=0.9999)。 樣品溶液平行測定2 次，按照公式(4)和公式(5)，可以得出不確定度μ(c)和其相對不確定度μrel(c)。 鉛元素的SA:0.00016，c:7.728，μ(c)：0.104μg/L，μrel(c)：0.013；鎘元素的SA:0.00089，c:2.109，μ(c)：0.47μg/L，μrel(c)：0.22。

式中p=2, 樣品溶液測定次數；n=12, 標準系列溶液總測定次數；ca=12.5, 標準系列溶液中待測元素的平均濃度；c, 樣品溶液中待測元素的平均濃度；cj,由標準系列溶液響應值根據標準曲線獲得的各標準系列溶液的濃度；SA,標準曲線殘差；Ai, 標準系列溶液的響應值；a,標準曲線的截距；b,標準曲線斜率；ci,標準系列溶液中待測元素的濃度。

3.2.5 測量重復性引入的不確定度

硝酸中不含待測元素，所以不考慮空白溶液引入的不確定度。 通過樣品平行7 次測定的方式，評估測量重復性引入的不確定度μ(r)及其相對不確定度μrel(r)。 野山參粉中鉛元素的平均含量為0.438mg/kg，標準偏差0.020mg/kg ； 鎘元素的平均含量為0.113mg/kg，標準偏差0.0048mg/kg。 根據公式(6)和公式(7)，鉛元素的μ(r)：0.0079mg/kg，μrel(r)：0.018；鎘元素的μ(r)：0.0018 mg/kg，μrel(r)：0.016。

式中λ 為待測元素含量的標準偏差，n=7 為平行次數。

式中S 為待測元素的含量。

3.2.6 合成不確定度

綜合以上各不確定度分量，按照公式（8）分別計算鉛和鎘的相對合成不確定度μrel(X)。 結果：μrel(pb)為0.0247，μrel(cd)為0.225。

4 結果與討論

當置信概率為95%、置信因子為2 時，鉛和鎘的擴展不確定度分別為0.0216mg/kg、0.0508mg/kg。 最終， 本次研究中野山參粉的報告濃度為鉛元素：0.438±0.022mg/kg（k=2），鎘元素：0.113±0.051 mg/kg（k=2）。電感耦合等離子體質譜儀的線性范圍寬，而且線性關系良好（R2>0.9999）。 通過不確定度評估發現，樣品定容體積引入的不確定度對合成標準不確定度貢獻只有5%左右。 這說明樣品定容時可以選用比色管代替容量瓶以便于操作。對于鉛元素的測定，影響其結果的主要不確定度分量分別是樣品重復性測量、標準曲線擬合；對于鎘元素的測定，標準曲線擬合是其主要的不確定度來源，此結論與韓偉立[7]和劉長姣[10，11]等報道的結論相似。 因此，為了提高測量結果的準確度，要做好以下幾點，一是保證供試品的均勻度；二是保證標準曲線的質量；三是定期維護ICP-MS 核心部件。