微波消解火焰原子吸收法测定火龙果中铁的不确定度评定

胡新华

(闽西职业技术学院 环境工程系，福建 龙岩 364021)

铁元素是合成人体血红蛋白的主要成分，也是人体必不可少的重要微量元素之一.缺铁会影响到人体的健康和发育，最大的影响是缺铁性贫血.世界卫生组织调查表明，大约有50%女童、20%成年女性及40%孕妇会发生缺铁性贫血.缺铁引起贫血是世界上最常见的营养缺乏症.因此补充铁元素对人体健康十分重要.而通过日常膳食摄入铁元素是补铁的主要途径.

火龙果，仙人掌科，量天尺属植物，又称红龙果、龙珠果、仙蜜果、王龙果.现代科学研究表明，火龙果不仅味美香甜，而且含有诸多有益健康及美容的元素.火龙果中铁含量丰富，每100 g红肉火龙果含铁量大约为1.4 mg，白肉火龙果大约为0.6 mg/100 g，高于一般水果含量.因此食用火龙果，特别是红肉火龙果可以作为人体铁元素的重要补充来源.火龙果中铁元素含量的检测数据具有重要的营养学意义.

本文根据JJF1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》，对火龙果中铁元素含量测定结果的不确定度做出分析，找出影响不确定度的因素，给出不确定度结果，如实反映测量结果的置信度和准确性.常见的分析方法均采用电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-OES)连续测定多种食品中的金属元素，如钾、镁、钙、铁、锌、铜等.本文使用火焰原子吸收法单独测试铁元素，为其他分析人员使用此方法测试提供参考，避免或减少测试过程中的一些不必要的不确定度，使测试结果更加准确.

1 试验部分

1.1 仪器与试剂

TAS-990 AFG型原子吸收分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司，分析参数：波长248.3 nm，光谱带宽0.2 nm，灯电流4.0 mA，滤波系数0.6，积分时间3 s，燃烧器高度8 mm.)；TrumpA密闭式智能微波消解仪(上海元析仪器有限公司)；FA2004N电子天平(上海精科天美仪器有限公司).

HNO3(GR)，30% H2O2(GR)，Fe粉(GBW01402，高纯试剂，福晨化学试剂有限公司).

1.2 样品前处理

样品为市售某品种红心火龙果.将火龙果清洗干净，然后晾干、去皮，用破壁机研磨成浆状.准确称取1.000 g浆液样品加入消解罐中，再加入15.00 mL 浓HNO3和25.00 mL(30%)H2O2进行消解，条件如表1所列.消解结束后，将消解液样品转移至锥形瓶中，进行加热除酸，直至样品液呈现粘稠状.移入50 mL容量瓶中，使用1% HNO3定容，当天检测或冰箱低温保鲜备测.

1.3 测定

采用原子吸收分光光度计测定火龙果样品溶液中Fe元素的吸光度(重复测定9次)，利用标准曲线求出火龙果样品的含量.同时准确称取1.000 g去离子水按样品同样操作过程进行处理，消解、定容后平行测定空白6次.

表1 火龙果样品微波消解条件Table 1 Microwave digestion conditions of pitaya samples

1.4 标准曲线绘制

使用高纯铁粉配制成1 000 mg/L的铁标准储备液，再逐级稀释成10 mg/L的铁标准使用液.使用2 mL刻度吸管各取0、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL铁标准使用液制成标准系列.采用原子吸收分光光度计测其吸光度.用测得的吸光度对Fe元素的浓度绘制标准曲线.

2 数学模型及不确定度来源

2.1 数学模型

数学模型如式(1)：

(1)

式中:X-火龙果中铁的含量，mg/100 g;C-火龙果浆液中Fe的质量浓度，mg/L;C0-空白溶液中Fe的质量浓度，mg/L;V-火龙果浆液定容体积，50 mL;m-火龙果样品取样质量，g;R-消解液中Fe的回收率.

2.2 不确定度分量的来源

通过数学模型及分析步骤，列出对测试结果有影响的不确定度分量来源如下：(1)测量重复性引入的不确定度.(2)样品溶液测量的不确定度.(3)样品空白引入的不确定度.(4)样品溶液定容产生的不确定度.(5)样品质量称量过程产生的不确定度.(6)消解回收率引入的不确定度.(7)仪器稳定性引入的不确定度.不确定度分量鱼刺图如图1所示.

3 不确定度分量的评定

3.1 测量重复性引入的相对标准不确定度Urel(1)

称取1.000 g火龙果浆液，消解后，移入50 mL容量瓶，使用1% HNO3定容，重复测定其中的铁元素含量9次，结果如表2所列.

图1 不确定度分量鱼刺图Fig.1 Fishbone diagram of uncertainty components

表2 重复测定铁含量结果Table 2 Results of repeated determination of iron content

按A类评定，测量重复性的标准不确定度用9次测量结果的算术平均值的标准偏差来定义.

(2)

测量重复性的相对标准不确定度为：

(3)

3.2 样品空白引入的相对标准不确定度Urel(2)

取1.000 g去离子水按样品同样操作过程进行处理，消解、定容后平行测定6次,计算结果如表3所列.

表3 空白溶液测定结果Table 3 Determination results of blank solution

将样品空白溶液检测出的铁质量浓度标准偏差作为样品空白引入的标准不确定度:u2=0.009 8 mg/L.

平行测定9份样品溶液中Fe含量的平均值为0.274 mg/L.因此样品空白引入的相对标准不确定度为：

(4)

3.3 样品称量引入的相对标准不确定度Urel(3)

选用FA2004N电子天平进行称量，分辨率0.1 mg，合格证书给定扩展不确定度为0.2 mg，按均匀分布，即:

(5)

样品称量由2次称量完成，即空罐与空罐+样品，因此电子天平称量引入的不确定度为：

(6)

则称量1.000 g样品质量引入的相对标准不确定度为：

(7)

3.4 样品溶液定容引入的相对标准不确定度Urel(4)

样品消解液使用50 mL容量瓶定容，容量瓶为A级.

(8)

3.5 样品溶液测量引入的相对标准不确定度Urel(5)

3.5.1 铁贮备液配制引入的相对标准不确定度Urel(5A)

高纯铁粉(GBW01402g),纯度(99.99±0.01)%.称取1.000 g高纯铁粉，加HNO3溶解并定容到1 000 mL.

(9)

(10)

(11)

(12)

=4.498×10-4

(13)

3.5.2 铁标准溶液配制引入的相对标准不度确定Urel(5B)

使用10 mL单标移液管准确吸取贮备液10.00 mL于100 mL容量瓶(A级)中，用0.1 mol/L稀硝酸定容，得到100 mg/L铁标准中间液.再用10 mL单标移液管准确移取10.00 mL铁中间液于100 mL容量瓶(A级)中，用0.1 mol/L稀硝酸定容，得到10 mg/L的铁标准使用液.

(14)

因此，2次使用10 mL单标移液管引入的相对标准不确定度为:

(15)

(16)

因此使用2次100 mL容量瓶引入的相对标准不确定度为:

(17)

因此铁标准溶液配制引入的相对标准不确定度为:

=1.963×10-3

(18)

铁标准溶液配制的不确定度分析过程如表4所列.

表4 铁标准溶液配制的不确定度Table 4 Uncertainty of preparation of iron standard solution

3.5.3 标准曲线制作过程引入的相对标准不确定度Urel(5C)

(1)分取标准溶液体积引入的不确定度Urel(5C1).使用2 mL刻度吸管(A级)分别移取0、0.25、0.50、1.00、1.50、2.00 mL铁标准使用液于50 mL容量瓶.

移取0.25 mL的不确定度为：

(19)

移取0.25 mL的相对不确定度为：

(20)

相对标准不确定度分别为0、0.027 7、0.013 9、0.006 93、0.004 62、0.003 46.因此，分取标准溶液体积误差引起的相对标准不确定度为：

(21)

标准曲线移取引入的不确定度分析过程如表5所列.

因此，7个容量瓶定容引入的相对不确定度为：

(22)

表5 标准曲线移取引入的不确定度Table 5 Uncertainty introduced by moving of standard curve

所以标准曲线制作引入的相对标准不确定度为：

(23)

3.5.4 工作曲线拟合的相对标准不确定度Urel(5D)

标准曲线的贝塞尔公式如下：

(24)

(25)

数据的计算过程如下：

(26)

(27)

表6 标准曲线测定结果Table 6 Determination results of standard curve

所以:

=1.051×10-3

(28)

=3.824×10-3

(29)

因此，标准曲线拟合引入的相对标准不确定度为：

(30)

样品溶液测量引入的相对标准不确定度：

=0.097

(31)

3.6 消解回收率引入的相对标准不确定度Urel(6)

由于试样消解不完全，以及消解过程中Fe元素的损失或污染，使火龙果试样中Fe元素不能100%进入到测试溶液中.

移取Fe标准溶液(10 mg/L)1.00 mL进行消解，其余操作同火龙果试样.共测定3份，回收率分别为96.8%、98.2%、99.1%，平均率98.0%.

(32)

3.7 仪器稳定性引入的相对标准不确定度Urel(7)

3.8 火龙果中铁含量的总合成标准不确定度

火龙果中铁含量的总合成标准不确定度：

=0.107 6

(33)

3.9 火龙果铁含量扩展不确定度

置信概率P为95%时，包含因子k为2，则扩展不确定度U=U(X)×X×2=0.107 6×1.308×2=0.281 mg/100 g.

3.10 火龙果中铁含量测定结果

火龙果中铁含量测定结果：X=(1.308±0.281) mg/100 g(k=2).

4 结论

各分量相对标准不确定度相对大小如图2所示.

图2 相对标准不确定度分量图Fig.2 Diagram of component of relative standard uncertainty

从图2可直观看出，影响火龙果铁含量的不确定度大小依次是：样品溶液测量>样品空白>样品溶液定容>仪器稳定性>消解回收率>测量重复性>样品称量.因此影响火龙果铁含量测定的不确定度主要来源是样品溶液测量、样品空白及样品溶液定容3个方面:(1) 在样品测量中主要影响的是标准曲线制作和工作曲线拟合引起的不确定度最大.这一方面应通过加强试验人员的基本操作来减小.另一方面增加拟合曲线试验点数量也可减小不确定度.(2) 针对样品空白应做到减小杂质污染给试验带来的影响，控制试验用水，洗涤试验器皿，清洁试验仪器.(3) 对样品定容，最好使用经检定合格的容量瓶，控制试验环境温度.其他4个方面影响较小，其中样品称量引起的不确定度影响最小，可以忽略不计.

通过以上分析，可以了解火龙果中铁元素含量测量过程中，影响不确定度的主要来源，减小这些影响，从而得到更加准确、可靠的试验数据.