电感耦合等离子体发射光谱法测定配合饲料中锰含量的不确定度评定

■钟宇强 钟加成 舒永红 霍柱健 李 强 叶锡恩 王李平 黄嘉颖

（广东省科学院测试分析研究所，中国广州分析测试中心，广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东广州510070）

锰是为了满足动物生长需要而被添加进饲料中的常见矿物质元素，是鸡等家禽必需的微量元素之一。畜禽缺锰时会影响其生长，饲料中锰添加过量又会污染环境。饲料中锰的测定国标采用的是原子吸收光谱法，干灰化法处理样品。电感耦合等离子体发射光谱法（inductively coupled plasma optical emission spectrometry，ICP-OES）是一种多元素同时测定的分析方法，灵敏度高、化学干扰小、线性范围宽，既可测定低浓度成分（＜1.0 mg/L），又可同时测定高浓度成分（＞0.1%），是饲料中矿物质元素检测最理想、最有效的方法。

测量不确定度是表征测量值离散性的参数，与测量结果有关。测量不确定度是对测量结果质量的定量评估。由于测量的不完善和人们认识的缺乏，导致测量值分散，即每次测量的结果都不相同。只有包含赋予被测量的值及与该值相关的不确定度的测量结果才是完整的、有意义的。目前，饲料中锰含量的不确定度评定只有原子吸收光谱法，有报道ICP-OES测定茶叶中锰含量的不确定度评定，但ICP-OES测定饲料中锰含量的不确定度评定尚未见报道。本研究采用微波消解法处理样品，ICP-OES测定配合饲料中锰含量，根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度的评定和表示》和CNAS-GL 006: 2019《化学分析中不确定度评定导则》对锰含量结果的不确定度进行评定，对测试过程中产生不确定度的来源进行分析，找出影响测量不确定度的主要因素，为实验室质量控制提供科学、准确、可靠的依据，保证测试结果的质量。

1 材料与方法

1.1 材料

取混合均匀的配合饲料样品，粉碎，过0.45 mm分子筛，混匀后装入密闭塑料容器中，备用。

1.2 试剂

锰元素标准溶液（1 000 mg/L, 国家钢铁材料分析测试中心）、硝酸（优级纯，广州化学试剂厂）、实验室用水（GB/T 6682—2008规定的一级水）。

1.3 仪器

电感耦合等离子体发射光谱仪（Agilent 725-ES ICP-OES，美国安捷伦公司）、微波消解仪（WX-8000，上海屹尧仪器科技发展有限公司）、电子天平（BSA 224S，德国赛多利斯公司）。

1.4 方法

1.4.1 样品预处理

准确称取试样0.25 g（精确至0.000 1 g），置于微波消解罐中，加5 mL 硝酸，按表1 消解条件设定程序并加热消解。消解完毕，待消解罐冷却后打开，消化液呈无色或淡黄色，加热赶酸至近干，用少量硝酸溶液（5%）冲洗消解罐3次，将溶液转移至25 mL容量瓶中，并用硝酸溶液（5%）定容至刻度，混匀备用；同时做试剂空白试验。

1.4.2 样品测定

用硝酸溶液（5%）将锰标准储备溶液逐级稀释，配 成 质 量 分 数 分 别 为0.100、0.400、1.000、2.000、10.000 mg/L 的系列标准溶液。在最佳工作条件下，依次对标准溶液和样品溶液进行测定，在一定浓度范围内，发射强度与锰含量成正比，采用标准曲线法定量分析。仪器工作条件见表2。

表1 全自动微波消解程序

表2 ICP-OES仪器工作条件

2 结果与分析

2.1 数学模型

根据测试方法和试验原理，配合饲料中锰的含量可用式（1）表示。

式中：ω(Mn)——样品中锰的质量分数，508 mg/kg；

C0——测试溶液中扣除空白后锰的浓度，5.092 mg/L；

V25——样品消化液的总体积，25.0 mL；

m——样品量，0.250 4 g。

考虑重复性因子Frep 和回收率Rec，式（1）可写用式（2）表示。

式中：Frep——重复性因子，1；

Rec——回收率影响因子，1。

这就是ICP-OES 测定饲料中锰不确定度的数学模型。

2.2 测量不确定度来源分析

寻找测量不确定度的来源，是进行不确定度评估的关键步骤，原则上应从人、机、料、法、环等方面考虑，既不能遗漏、也不要凭空增加影响因素。实践中，可从建立的不确定度数学模型入手，逐个查找不确定度来源。从式（2）可以看出，锰含量的不确定度主要来源有：样品称量、定容体积、消解液中锰浓度的测定、重复性试验和加标回收试验。其中测定浓度C0的不确定度分量包括标准系列溶液的配制和标准曲线线性拟合带来的不确定度以及ICP-OES 仪器校准的不确定度。仪器分析过程带来的不确定度体现在标准系列浓度的测量和样品重复性试验，加标回收试验反映了消化过程和环境因素的影响。各不确定度来源如图1所示。

图1 不确定度来源分析

由于各含量相互独立，由式(2)得出不确定度计算公式(3)。

2.3 不确定度分量及计算

2.3.1 样品称量m带来的不确定度[u(m)]

2.3.1.1 天平校正产生的不确定度

由检定证书可知，天平称量的扩展不确定度为0.000 2 g，按均匀分布，可换算成标准不确定度。

2.3.1.2 天平重复称量变动性产生的不确定度

用标准砝码(100 g)在该天平上进行9 次称量，结果表3所示。

表3 100 g标准砝码重复称量结果

观测列呈正态分布，查表得极差系数C=2.97，则可计算变动性标准偏差。

R/C=0.002/2.97=0.000 67 g

由以上两项合成计算得出u(m)。

则可计算称样量m的相对标准不确定度。

2.3.2 样品消化回收率(Rec)带来的不确定度[u(Rec)]

由于样品消化不完全或消化过程导致锰的损失或污染等，将使样品中锰不能100%进入到测定液中。本试验选用某一配合饲料进行6次加标试验，锰的回收率分别为96.2%、94.6%、92.9%、101.3%、96.3%、103.2%，其平均值为：97.4%，计算回收率的标准不确定度u(Rec)。

则计算回收率Rec的相对标准不确定度。

2.3.3 使用25 mL 容量瓶定容样品溶液产生的不确定度[u(V25)]

2.3.3.1 容量瓶校准的不确定度

25 mL 容量瓶校准的不确定度为±0.030 mL，可按三角分布换算成标准偏差。

2.3.3.2 重复充满液体至容量瓶刻度的变动性

重复充满液体至容量瓶刻度的变动性通过10次重复测量，计算其变动性标准偏差。

SD25mL=0.008 4 mL

2.3.3.3 温度变化带来的不确定度

计算容量瓶和溶液温度与校正时温度不同引起的体积不确定度(水体积膨胀系数为2.1×10-4/℃，假定实验室温度为25 ℃)。

25×2.1×10-4×5=0.027 mL

在95%置信概率下，换算成标准不确定度。

u2=0.027/1.96=0.014 mL

由以上三项合成计算得出u(V25)。

则可计算样品定容体积的相对标准不确定度。

2.3.4 测试溶液中锰浓度C0的不确定度u(C0)

测试液中锰浓度的不确定度u(C0)主要有三个来源：①由标准储备液稀释成工作溶液产生的不确定度u(C01)；②标准系列线性拟合带来的不确定度u(C02)；③仪器校准锰时产生的不确定度u(C03)。

2.3.4.1 标准储备液及由标准储备液稀释至系列工作标准溶液产生的不确定度u(C01)

式中：C01——10 mg/L锰标液浓度；

Cstock——标准储备液浓度；

f10——稀释因子。

由校正证书查得10 mL 移液管和100 mL 容量瓶的相对标准不确定度分别为0.001 6和0.000 52。

(C01)=0.003 3×10=0.033 mg/L

2.3.4.2 标准系列线性拟合带来的不确定度u(C02)

在谱线257.610 nm 处，用空白溶液调零，分别对5种锰标准溶液进行了3次重复测定，结果如表4所示。

表4 锰标准系列浓度（Cj）与发射强度（Ij，cps）

将表4中数据进行线性拟合得直线方程（相关系数r=0.999 8）。

式中：B1——18 266.9；

B0——728.7；

I——溶液的发射强度；

C——溶液中锰的浓度。

以某一配合饲料样品为例，对其中锰的含量进行2 次测定，由发射强度通过直线方程求得C02=5.092 mg/L，则可计算C02的标准不确定度。

式中：B1——18 266.9；

P——2(对C02进行两次测量)；

n——15(每个标准系列浓度进行3 次测量，共3×5=15次)；

2.3.4.3 仪器校准锰时产生的不确定度u(C03)

由校准证书查得仪器校准锰时，其扩展不确定度U=0.000 1 mg/L，k=2，换算成标准不确定度。

u(C03)=0.000 1/2=0.000 05 mg/L

合并以上3项，则试液中锰浓度的标准不确定度u(C0)。

换算成相对标准不确定度。

u(C0)/C0=0.068/5.092=0.013

2.3.5 样品重复性试验带来的不确定度u(Frep)

在重复性条件下，对该样品进行了6次独立测量，锰的含量分别为501、503、510、513、507、517 mg/kg，其算术平均值为508 mg/kg。

单次测量的标准不确定度。

实际样品检测时通常做平行双样，则算术平均值的标准不确定度（n=2）。

因此锰含量平行双样的相对不确定度。

2.4 不确定度分量的合成

将各相对标准不确定度分量进行汇总，如表5所示；对各相对标准不确定度分量进行作图，如图2所示。

表5 锰的相对标准不确定度

由表5 和图2 可以看出，样品消化加标回收试验过程引入的不确定度最大，加权平方和占比87.1%；其次是样品消化液中锰浓度的测定和重复试验引入的不确定度，加权平方和占比分别为8.8%和3.6%；称样量和消化液定容体积带来的不确定度加权平方和占比分别为0.38%和0.037%，可以忽略不计。将各分量值代入式（3）计算。

图2 各不确定度分量

u(ω)=0.044×508=23 mg/kg

2.5 扩展不确定度及结果表示

根据JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》[17]，在95% 置信水平下，取包含因子k=2，则配合饲料中锰含量的扩展不确定度。

U=2×23=46 mg/kg

计算配合饲料样品中锰含量表示为：（508±46）mg/kg，k=2。

3 结论

本研究采用微波处理样品，ICP-OES测定配合饲料中锰的含量，对样品称量、玻璃仪器、标准溶液的配制、样品重复性测定、加标回收、标准曲线拟合等因素进行综合考察，在各不确定度分量评定过程中，发现样品加标回收试验产生的不确定度对合成标准不确定度贡献最大。因此，建议采用微波消解法处理样品，严格控制好条件，防止锰的损失或污染，降低消化过程带来的不确定度。本文首次系统、规范地阐述了应用ICP-OES 法测定配合饲料中锰的不确定度评定方法，给出了带不确定度的锰含量结果表示方式。通过不确定度来源分析，对各不确定度分量进行评估和量化，找到影响测量结果不确定度的关键点，并严格加以控制，对提高检测结果的准确性和质量具有实际意义。