ICP－MS法测定中药中铜、砷、镉、汞、铅含量的不确定度评定

2012-02-02王欣美

药学研究 2012年3期

王欣美，王柯，季申

(上海市食品药品检验所，上海201210)

在化学测试过程中，由于测量用仪器和工具的限制，测量方法的不完善、分析操作和测量环境的变化、测量人员本身的技术水平或经验的影响，测量往往带有误差，不能得到真值。为评价测定结果的质量，需要进行不确定度的评定。不确定度越小，结果与真值接近，其测定的质量越高，使用价值越大［1，2］。测量不确定度是对评定测量水平的指标，判定测量结果质量的依据。一个完整的测定结果，除了应给出被测量的最佳估计值外，还应同时给出测量结果的不确定度。以测量不确定度取代经典的误差理论是符合国际要求的必然趋势。

电感耦合等离子体质谱法是目前国际公认的最先进的元素测定技术，具有灵敏度高，线性范围宽，干扰少，精度高，分析速度快，可同时测定多种元素等优点。该法已被《中国药典》所收录，越来越多的应用到中药分析领域。但在中药领域中，目前还没有对ICP－MS作不确定度研究的研究报道。为了能更合理、科学的表示ICP－MS技术的测量结果，笔者以《中国药典》2010年版附录ⅨB铜、砷、镉、汞、铅的测定第二法(电感耦合等离子体质谱法)［3］测定金银花中铜、砷、镉、汞、铅为例，根据《测量不确定度评定与表示》(JJF1059－1999)中有关规定分析了测量结果的不确定度来源，建立了一套合理、完整的评定方案，分析了ICP－MS法测定中药中重金属方法的不确定度的影响因素，对中药中重金属及有害元素的检测具有一定的参考价值，还可为评定AAS，AFS，ICP－OES等一起的测定结果的不确定度评定提供参考。

1 实验部分

1.1 仪器与试药 Agilent 7500ce电感耦合等离子体质谱仪，CEM微波消解仪。样品:金银花，由上海华宇药业有限公司提供。铜标准溶液［GBW(E)080127，1 000 μg·mL－1］，镉标准溶液［GBW(E)080127，1 000 μg·mL－1］，铅标准溶液［GBW(E)080127，1 000 μg·mL－1］，购自上海计量测试技术研究院。砷标准溶液(GBW08611，1 000 μg·mL－1)，汞标准溶液(GBW08617，1 000 μg·mL－1)，购自国家标准物质中心。

1.2 测定方法

1.2.1 标准溶液的制备精密量取铜、砷、镉、汞、铅标准溶液(1 000 μg·mL－1)各50 μL，置50 mL量瓶中，加5%硝酸溶液(体积分数)稀释至刻度，摇匀，得1 μg·mL－1的混合标准贮备液。再逐级稀释成含铜、砷、镉、铅1，5，10，20，50 μg ·L－1，含汞0.1、0.5、1、2、5 μg·L－1的标准系列使用液。

1.2.2 供试品溶液的制备取供试品0.5 g，精密称定，置耐高温压力微波消解罐中，加优级纯硝酸5 mL，将消解罐密封后置于高温压力微波消解仪中，设定消解程序，进行样品消解。消解程序完成后，待消解罐完全冷却后开启消解罐，将消解液全部转移至50 mL的量瓶中，用去离子水洗涤罐盖及罐壁数次，洗液合并入量瓶中，用去离子水稀释至刻度，摇匀，即得。

1.2.3 测定方法取上述对照品溶液和供试品溶液，采用电感耦合等离子体质谱法测定，按标准曲线法计算结果。

2 数学模型及不确定度来源分析

其中:CS为供试品中各元素的浓度(mg·kg－1);X0为由标准曲线查得的供试品溶液中各元素的浓度(μg·L－1); V为供试品溶液的体积(mL);W为供试品称重(g)。1 000为从μg·kg－1换算到mg·kg－1的系数。

2.2 不确定度来源分析从测定方法和数学模型可以看出，主要步骤包括样品称重、样品消化、稀释定容、仪器分析等(见图1)。其中样品消化的不确定度最为复杂，可以通过回收率试验来评估。因此本实验的不确定度主要来源于以下几个方面:①供试品称量产生的不确定度;②回收率的不确定度;③样品消解液定容体积的不确定度;④供试品溶液中的元素浓度的不确定度［4，5］。

图1 不确定度来源分析图

3 不确定各分量的分析与计算

3.1 由供试品称量引入的相对标准不确定度由称量引入的不确定度主要来自称量的重复性变化和天平校准。由天平校准证书查得允许误差为0.1 mg，假设为矩形分布则由天平校准产生的不确定度为取0.5 g砝码，重复称重10次，标准偏差为0.6 mg。供试品称样为0.5 g，则由供试品称量引入的相对标准不确定度为uW，rel=

3.2 回收率的不确定度由于供试品消解不完全或消解过程中元素损失、污染等，将使供试品中的元素不能完全进入到待测溶液中。铜、砷、镉、汞、铅回收率实验结果分别为94.9%～108.3%，94.3%～106.4%，92.9%～104.6%，92.3～104.6%，94.6%～105.5%(平行试验6次)。按《JJF1056－1999》，

表1 回收率的不确定度(%)

3.3 由定容引入的不确定度样品消解液定容至50 mL容量瓶中，其不确定度包括三个部分:校准不确定度、温度效应引入的不确定度、定容至刻度时由体积重复性产生的不确定度。

3.3.1 校准不确定度 50 mL A级容量瓶的允许误差为± 0.05 mL，假设为矩形分布则50 mL容量瓶引入的校准不确定度为

3.3.2 温度效应引入的不确定度实验过程中环境温度变化±3℃，假设为矩形分布，水的膨胀系数α=2.1× 10－4·℃－1，玻璃的膨胀系数为9.75×10－6·℃－1(可忽略)，则50 mL容量瓶由温度效应引入的不确定度为u50(2)=

3.3.3 定容至刻度时由体积重复性产生的不确定度对50 mL容量瓶加水进行10次定容称量，得到其标准偏差为0.030 mL，即u50(3)=0.030 mL。

3.3.4 合成由定容引入的不确定度

3.4 供试品溶液中的元素浓度的不确定度供试品溶液中的元素浓度的不确定度uX0，rel由3部分构成:①标准溶液配制引入的不确定度uB，rel;②标准曲线拟合引入的不确定度uC，rel;③重复测量产生的不确定度uP，rel。

3.4.1 标准溶液配制引入的不确定度uB，rel

3.4.1.1 标准物质的相对标准不确定度ub由标准物质证书中查得铜、砷、镉、汞、铅标准溶液扩展不确定度U分别为0.3%、0.1%、0.3%、0.1%、0.3%，扩展因子k=2，则由标准物质引入的相对标准不确定度分别为

3.4.1.2 标准溶液稀释过程引入的不确定度该项不确定度包括容量瓶、移液枪引入的不确定度。其来源主要有3类:①校准引入的不确定度;②温度效应引入的不确定度;③重复性引入的不确定度。本实验标准溶液稀释过程中使用到100、50、20、10 mL容量瓶，1 mL移液枪(移取1 mL)和100 μL移液枪(移取100 μL)，其不确定度评定如下。

容量瓶引入的不确定度:校准不确定度:100、50、20、10 A级容量瓶的允许误差分别为±0.10 mL，±0.05 mL，± 0.03 mL，±0.02 mL;假设为矩形分布，则100、50、20、10 mL容量瓶引入的校准不确定度分别为

温度效应引入的不确定度:同3.3.2，100、50、20、10 mL容量瓶由温度效应引入的不确定度分别为:

定容溶液时由体积重复性产生的相对标准不确定度:分别对100、50、20、10 mL容量瓶加水进行10次定容称量，得到其标准偏差分别为0.013 mL、0.030 mL、0.054 mL、0.061 mL，即u100(3)=0.013 mL;u50(3)=0.030 mL;u20(3)=0.054 mL;u10(3)=0.061 mL。

100、50、20、10 mL容量瓶引入的相对标准不确定度分别为

移液器引入的不确定度:1 mL移液器引入的相对不确定度:1 mL移液器允许误差为 ±1 μL，故0.000 58 mL，实验过程中环境温度变化 ±3℃，故 u1(2)=用1 mL移液器吸取水1 mL，重复称重10次，得到其标准偏差为0.002 8，即u1(3)= 0.002 8 mL，所以1 mL移液器移取1.0 mL引入的相对不确定度为

100 μL移液器引入的相对标准不确定度:100 μL移液器允许误差为±0.1 μL，故实验过程中环境温度变化 ±3 ℃，故用100 μL移液器吸取水100 μL，重复称重10次，得到其标准偏差为5.8×10－5，即u0.1(3)=5.8×10－5mL，所以100 μL移液器移取100 μL引入的相对标准不确定度为:

稀释因子引入的不确定:铜、砷、镉、铅标准系列使用液制备过程中使用了100 mL容量瓶、50 mL容量瓶各2次，20 mL容量瓶、10 mL容量瓶、100 μL移液枪各1次，1 mL移液枪5次;汞标准系列使用液制备过程中使用了100 mL容量瓶、50 mL容量瓶、10 mL容量瓶各2次，20 mL容量瓶、100 μL移液枪各1次，1 mL移液枪6次。所以铜、砷、镉、铅标样稀释过程引入的相对标准不确定度为:汞标样稀释过程引入的相对标准不确定度为:uD，rel(Hg)

合成标准溶液配制引入的相对标准不确定度uB，rel则

3.4.2 标准曲线拟合引入的不确定度uC，rel由于使用内标法定量，故采用被测溶液强度值与内标溶液强度值的比值Ratio(Ra)与标准浓度来拟合标准曲线，铜、砷、镉、铅、汞的校准曲线方程和相关系数分别为:RaCu=0.134 3C+ 0.08017，r=0.999 4;RaAs=0.009 748C+0.001 529，r= 0.999 8;RaCd=0.002 748C－0.000 497 9，r=0.999 9;RaHg=0.001 411C+0.000 447 8，r=0.999 8;RaPb=0.025 49C+ 0.002 977，r=0.999 9。

由标准曲线拟合引入的标准偏差可由下式表示:

urel，C，其中

SR结果见表2－1和表2－2。

式中，B——斜率;SR——标准曲线的残差标准差;n——标准曲线的点数，n=5;p——待测样品的重复测定次数，p=——待测样品浓度的平均值——回归曲线各点浓度的平均值——各标准液浓度值——各标准溶液的实际响应值;Aj——根据回归曲线计算的理论值。

表2 －1 铜、砷、镉、铅标准曲线拟合引入的不确定度

表2 －2 汞标准曲线拟合引入的不确定度

3.4.3 重复测定引入的不确定度对同一份供试品溶液平行测定10份，计算其平均值及标准偏差s。按照A类不确定度评定，各元素由重复性引入的相对标准不确定度uP，rel结果见表3。

表3 重复性引入的不确定度

3.4.4 供试品溶液中的元素浓度X0的合成不确定度将以上三项合成得出供试品溶液中的元素浓度X0的合成标准不确定度uX0，rel，按计算，结果见表4。

表4 供试品溶液中的元素浓度X0的合成不确定度计算

3.5 供试品中各元素含量的合成不确定度根据以上分析，各标准不确定度分量的计算，见表5。

表5 各相对标准不确定度分量汇总

urel(Cs)×Cs;置信概率为0.95时，取包含因子k=2，则扩展不确定度按式U=k×u(Cs)计算，汇总情况，见表6。

表6 扩展不确定度的计算

3.6 结果报告电感耦合等离子质谱法测定金银花中重金属及有害元素(铜、砷、镉、汞、铅)的含量，称样量为0.5 g时，测量结果分别为铜:(9.32±0.08)mg·kg－1;砷:(0.35± 0.06)mg·kg－1;镉:(0.08±0.01)mg·kg－1;汞:(0.09± 0.02)mg·kg－1;铅:(1.97±0.14)mg·kg－1，置信概率为0.95，包含因子为2。

4 讨论

4.1 影响因素分析图1给出了各不确定度分量对合成相对标准不确定度的贡献。由图可见，对金银花中铜、砷、镉、汞、铅的ICP－MS法测量不确定度贡献最大的是供试品溶液浓度和回收率引入的不确定度;样品的称重和定容过程带来的不确定度的贡献很小。

供试品溶液的浓度带来的不确定度来自于标准溶液的配制、标准曲线拟合和重复性测量。由于重金属与有害元素在中药中的含量极低，属于痕量范畴，对照品溶液需进行多级稀释步骤，误差则在每一步稀释过程逐级传递。因此在实际工作中，应尽量减少稀释步骤，选择精度高的量器，在标准溶液配制过程中获得准确度高的对照品溶液。对于标准曲线的拟合产生不确定度，从计算过程分析，溶液中元素浓度越大，则由标准曲线拟合引入的不确定度越小。本实验供试品溶液中汞(＜1 μg·L－1)、镉(＜1 μg·L－1)、砷(3.6 μg·L－1)的含量很低，而铜(93.5 μg·L－1)和铅(19.8 μg·L－1)元素则相对高得多，故汞、砷、镉元素由标准曲线拟合产生的不确定度远大于铅和铜元素，而标准曲线的相关系数在达到要求的情况下对不确定度的影响并不大。因此，低浓度元素比高浓度元素更不易得到准确结果，这正是痕量元素分析难度大的原因之一。由于重复测量不确定度来自于测量仪器的性能和精度。在实际工作中，需进行必要的手段，如仪器核查等对仪器进行维护，是保证实验结果准确可靠的基础。

图2 ICP－MS法测定重金属元素含量的相对标准不确定度分量

回收率引入的不确定度来源于消解过程。因此选择合适的消解方法对结果的准确性具有重要意义。消解方法应能够使样品消解完全、不损失元素、加入的试剂少(减少引入污染机会)等。常用的消解方法有干法消解、湿法消解和微波消解。干法或湿法消解由于挥发性元素易损失，造成污染的机会较大，回收率低;而微波消解法，由于其全密闭的消解环境，可以消除环境对样品的污染，挥发性元素也不会损失，因此回收率高。

在实际工作中，应对标准溶液的配制、标准曲线拟合、重复性测量、样品消解这几个关键步骤加以严格控制，以获得更接近于真值的测量结果。

4.2 不确定度的应用测量不确定度是现代误差理论的重要内容，用不确定度来表示测量结果的质量势在必行。不确定度分析的结果可以为定量分析误差来源进行分析，为减小误差，提高测定准确性提供依据。另外，测量方法的不确定度在方法学研究等方面能提供有益的指导，如提供分析测定过程中误差来源的信息，为改善分析结果提供解决方案等。因此，以测量不确定度取代我国药品检验系统中使用的经典误差理论是中药质量评价的必然趋势，符合国际要求，将有利于提高中药分析的水平，促进中药的标准化、国际化发展。