超级微波消解－ICP－MS 法测定全谷物糙米标准样品中铬的不确定度

姜佳佳，胡 斌，王新文，毛永荣，季一顺

（安徽省粮油产品质量监督检测站，合肥 230031）

稻米是全世界一半以上人口的主食， 满足了全世界近20% 的膳食需求。稻米也是我国最重要的作物之一， 在主食领域占有重要地位。 据数据显示，2013年至2023年， 我国年均稻谷播种面积达30 000 千hm2，年均产量超20 000 万t，占每年粮食总量的30%以上。

全谷物糙米是稻谷脱壳后的大米， 相对于精白米，减少了碾米等步骤，是助力适度加工、节粮减损的有效举措。 由于糙米保留了胚芽、糊粉层、米糠层等结构，淀粉质胚乳、麸皮和胚中富含膳食纤维、维生素、生物素和矿物质，其中多酚、γ－氨基丁酸、γ－谷维素等功能活性物质是研究的热点[1－3]。 研究发现全谷物糙米粉可通过提高短链脂肪酸含量和调节肠道菌群维持肠道健康[4]。 富铬发芽糙米能降低糖尿病小鼠血[5]，降低大鼠的血脂水平[3]，全谷物糙米具有抗氧化、降血糖、降血脂等健康功效[7]，对肥胖、高血压、 心血管疾病及2 型糖尿病等疾病具有预防作用[7－11]。 因糙米丰富的营养价值和特殊膳食功效，糙米酵素、糙米面包、全谷物糙米营养面条、富铬发芽糙米粉馒头、富铬发芽糙米饼干、富铬发芽糙米山楂陈皮戚风蛋糕等系列糙米主食开发有广泛的研究和推广前景[10－14]，全谷物糙米主食化是日本等国家研究和推广热点， 而我国糙米的研究相对其他国家起步较晚。

糙米相对于精白米降低了加工精度， 导致重金属含量有不同程度的升高[15－16]。 重金属中铬是人类和动物的必需元素， 但铬也是20 种剧毒污染物之一、18 种空气污染物之一、一级致癌物，可通过食物链进入人体并富集， 累积到一定程度对人体有害，GB 2762—2022 《食品安全国家标准食品中污染物限量》规定谷物中铬的含量不超过1.0 mg/kg。 随着全球工业革命和城市化迅速升级， 人类活动及“三废”排放导致地下水、土壤和空气中铬含量增加。 所以糙米的铬含量检验可为全谷物膳食科学合理制定奠定基础，为开发全谷物健康食品提供理论依据。

本研究依据CNAS－GL006:2019《化学分析中不确定度的评估指南》和JJF 1059.1—2012《测量不确定度评定与表示》，参考即将实施的GB 5009.123—2023《食品中铬的测定》第二法电感耦合等离子体质谱法（ICP－MS），采用超级微波消解前处理方法处理糙米粉中铬成分分析标准物质（下文简称全谷物糙米标准样品），并用ICP－MS 测定样品中铬的不确定度， 为检测方法优化和评价样品测定结果准确度提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

糙米粉中铬成分分析标准物质（编号：GBW(E)100618），国家粮食和物资储备局科学研究院。

1.2 仪器

FD115 E3.1 恒温干燥箱，BINDER； 电子天平，Toledo Model XP 204 精确度0.0001 g，Mettler；Ultra Wave 超级微波消解仪，Milestone；高纯氮，纯度：≥99.999%， 合肥众益化工产品有限公司；NeX ION 300X 电感耦合等离子体质谱仪 （ICP－MS），Perkin Elmer；Milli－Q Integral 5 超纯水系统（电阻18.2MΩ·cm，25 ℃），Millipore SAS；液氮，广东华南特种气体研究所有限公司。

1.3 试剂

硝酸，痕量金属分析级，CNW，铬单元素标准溶液（编号GSB04－1723－2004），国家有色金属及电子材料分析测试中心；4 种元素ICP－MS 内标混标（编号BWT30119－100－100），钪（Sc）、锗（Ge）、铟（In）、铼（Re）(100 mg/L)，坛墨质检科技股份有限公司；水，GB/T 6682 规定的一级水。

1.4 器具

100 mL 容量瓶A 级， 允差误差为±0.10 mL，25 mL 容量瓶A 级，允差误差为±0.030 mL，10 mL 移液器（eppendorf），扩展不确定度U=5.0 μL (k=2)，5 mL移液器（eppendorf），扩展不确定度U=5.0 μL (k=2)，1 mL 移液器（eppendorf），扩展不确定度U=0.5 uL (k=2)，100 μL 移液器（eppendorf），扩展不确定度U=0.5μL (k=2)。

注：所有玻璃器皿、聚四氟乙烯内罐及聚四氟乙烯盖均置于硝酸溶液（1+5）中浸泡24 h 以上，经一级水冲洗晾干后备用。

2 样品处理

混匀全谷物糙米标准样品， 于烘箱中85 ℃烘干4 h，转移至干燥器中冷却达室温后，称样（最小取样量为0.2 g，精确至0.000 1 g）于一次性玻璃瓶中，加入2 mL HNO3和1 mL H2O，盖上聚四氟乙烯盖，基体加入150 mL H2O 和5mL HNO3，放入超级微波消解仪腔体中， 按照超级微波消解程序进行消解（见表1），冷却后，打开腔体，将消解液转移至容量瓶中，用少量一级水冲洗内盖，并用一级水定容至25 mL，混匀备用，同时做空白试验。

表1 微波消解条件

3 样品测定

调整ICP－MS 仪器至最佳工作状态, 设置ICPMS 条件：射频功率：1 500 W，等离子体气流量：15 L/min，载气流量：0.80 L/min，氦气流量：4.5 mL/min，雾化器：同心雾化器，采样锥/截取锥：镍锥，采集模式：跳峰，分析模式：KED，以钪(45 Sc) 为内标元素，由ICP－MS 测定。

标准曲线为Y=0.209 8X+0， 相关系数为0.99998，在质量浓度0～50 μg/L 范围内线性关系良好， 测量结果RSD 为0.2% ～3.8%， 加标回收率为91.6% ～94.4%。 计算全谷物糙米的标准样品中铬的含量。

4 数学模型的建立

全谷物糙米标准样品中铬含量计算公式如下：

式中：X 为全谷物糙米标准样品中铬含量，mg/kg；籽为全谷物糙米标准样品消解定容液中铬质量浓度，mg/L；ρ0为空白液中铬质量浓度，mg/L；V为全谷物糙米标准样品消解液定容体积，mL；M 为全谷物糙米标准样品称取质量，g；f 为样品稀释倍数（注：本研究中未稀释f =1）。

5 不确定度的来源

图1 不确定度的来源

6 各分量的不确定度评定

6.1 称量时引入的相对标准不确定度

样品称量引入的不确定性主要由电子天平偏载不确定度、 天平重复性不确定和天平示值不确定评估。 查阅电子天平 （XP 204） 检定证书， 依据JJG1036—2008《电子天平鉴定规程》，评定方法为B类。

天平偏载最大允许误差为±1.0e （±0.001 0 g），不确定度按照矩形分布，k=， 样品称量由去皮和称量二次独立完成， 则u (M1)=8.16×10－4；

天平重复性最大允许误差为±1.0e（±0.0010 g），不确定度按照矩形分布，k=， 样品称量由去皮和称量二次独立完成， 则u (M2)=8.16×10－4。

天平示值误差在称量值小于5 000 e 的最大允许误差为±0.5e（±0.000 5 g），不确定度按照矩形分布，k=，样品称量由去皮和称量二次独立完成，则u(M3)== 4.08×10－4，全谷物糙米粉标准样品称重0.2 g 左右， 则相对标准不确定度

6.2 消解液定容时引入的相对标准不确定度

称量的全谷物糙米标准样品置于超级微波消解仪消解，消解液用一级水定容到25 mL。

25 mL 容量瓶定容引入的相对不确定度， 对照JJG 196—2006《常用玻仪器检定规程》 ，A 级，允差误差为±0.030 mL，按三角分布，k=，不确定度，相对不确定度urel(V25,1。

定容在20 ℃± 4 ℃的温度环境下进行， 水的膨胀系数2.08×10－4/ ℃， 温度变化引入的不确定度为u(V25,2) =，相对不确定度urel(V25,2) =。

则消解液定容体积引入的相对标准不确定度

6.3 铬标准溶液稀释引入的相对标准不确定度

6.3.1 铬标准储备溶液引入的相对标准不确定度

铬标准溶液标准证书显示： 铬质量浓度为1000μg/mL， 相对扩展不确定度Ur 为0.7%（k=2），取矩形分布， 则铬标准储备溶液相对标准不确定度为。

6.3.2 铬标准使用液引入的相对标准不确定度

吸取铬标准储备液 （1 000 μg/mL）10.0 mL 于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混匀，稀释成100 μg/mL 的铬标准工作溶液。查阅校准证书，10 mL 移液器的扩展不确定度为U=5.0 μL，k=2。 查阅检定证书，100 mL 容量瓶，A 级，允差误差为±0.10 mL。容量瓶定容引入的相对不确定度，对照JJG 196—2006《常用玻仪器检定规程》 ，按三角分布，k=。定容在20 ℃± 4 ℃的温度环境下进行，水的膨胀系数2.08×10－4/℃。

10 mL 移液器体积标准不确定度为：u (Y1,1) == 2.5×10－3，

100 mL 容量瓶温度标准不确定度为：u (Y1,2) =

所以，10 mL 移液器相对标准不确定度为：

100 mL 容量瓶体积标准不确定度为：

100 mL 容量瓶温度标准不确定度为：

所以，100 mL 容量瓶相对标准不确定度为：

第一次铬标准使用液稀释引入的相对标准不确定度为：

第二次铬标准使用液稀释过程， 吸取铬标准使用液 （100 μg/mL）10.0 mL 于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混匀，稀释成10 μg/mL 的铬标准工作溶液。 第二次铬标准使用液稀释引入的相对标准不确定度为：

第三次铬标准使用液稀释过程， 吸取铬标准使用液（10 μg/mL）10.0 mL 于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混匀，稀释成1.0 μg/mL 的铬标准工作溶液。第三次铬标准使用液稀释引入的相对标准不确定度为：

铬标准工作溶液由1.0 μg/mL 铬标准使用液稀释，铬标准使用液引入的相对标准不确定度为：u(N2) = u(N2,3) = 4.28×10－3。

6.3.3 铬标准工作溶液引入的相对标准不确定度

使用不同规格的移液器移取不同体积的铬标准使用液（1.0 μg/mL)于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混匀，稀释成铬标准曲线的铬标准工作液（见表2）。 在稀释过程中铬标准使用液（1.0 μg/mL)、移液器和100 mL 容量瓶是不确定度的来源。 100 mL 容量瓶相对标准不确定度为：u(V100) = 6.30×10－4。 查阅移液器校准证书，k=2，定容在20 ℃± 4 ℃温度环境下进行，水膨胀系数2.08×10－4/ ℃。 移液器引入相对标准不确定度见表2。

表2 移液器引入的相对标准不确定度

由此导出不同浓度铬标准工作液的相对不确定度公式：

铬标准工作液的相对标准不确定度由不同质量浓度的铬标准工作液的相对不确定度合成，具体为：

6.4 测量重复性引入的相对标准不确定度

利用ICP－MS 对全谷物糙米标准样品进行10次平行测定，n=10，不确定度属A 类评定，铬含量的测量结果见表3。

表3 糙米粉中铬含量重复测试结果

单次测量的标准差为：

相对不确定度urel(C) = u(C)/Cr = 6.86×10－3，

仪器误差合计于重复试验中，不另行计算。

6.5 回收率引入的相对标准不确定度

该方法通过10 次平行测定（n=10），不确定度属A 类评定，加标回收率见表3，标准偏差为：

样品加标回收率的相对标准不确定度为：urel(R) = u(R) / 92.97% = 4.39×10－3。

7 合成标准不确定度

全谷物糙米标准样品过程中各不确定度分量列于表4。

表4 样品中铬含量不确定度分量表

过程中各不确定度分量合成测量方法相对不确定度为：

合成标准不确定度u=urel×Cr =0.735×1.50×10－2=0.011 mg/kg

8 扩展不确定度

置信概率取95%，扩展因子为k=2，则测量结果的扩展不确定度U= u×k = 2×0.011=0.022 mg/kg。

9 结论

本研究采用超级微波消解－ICP－MS 测得全谷物糙米标准样品中铬的扩展不确定度为 （0.735 ±0.022）mg/kg，k=2，在全谷物糙米标准样品（GBW(E)100618） 标准物质证书铬的扩展不确定度 （0.72 ±0.06） mg/kg 范围内，表明方法准确度较高。

10 讨论

粮油食品中重金属元素检测方法有石墨炉原子吸收光谱法、 原子荧光法、ICP－OES、ICP－MS 等。ICP－MS 因检出限低、准确度和灵敏度高、线性范围广、多种痕量重元素同时检测等优势，而广泛应用于粮油食品多元素的检验[17]。 样品前处理消解方法主要有湿式消解法、微波消解法、压力罐消解法、干式消解法等，超级微波消解有快捷、简便、高效的特点，用酸种类少体积小，空白值更低，更加绿色安全。

贾欣[18]利用原子吸收分光光度计石墨炉法测得小米中铬的不确定度为（0.063±0.0023） mg/kg，不确定度来源主要是仪器和标准曲线引入的。 张强等[19]利用石墨炉原子吸收光谱法连续测得稻谷等谷物中铬的含量为( 0.2078 ± 0.0084) mg/kg，不确定度主要是定容和标准曲线引入的。 段晓婷等[20]利用ICPMS 测定稻米中铬的不确定度， 不确定度主要是仪器和标准溶液配置引入的。 弓浩然等[21]用ICP 法测定小麦铬的不确定度， 不确定来源引入主要是重复性和标准溶液配置。

本研究对超级微波消解－ICP－MS 测定全谷物糙米标准样品中铬的不确定度进行评定， 结果表明不确定度贡献最大是铬标准溶液稀释和测量重复性，与之前的研究结果相符。 因此，选择正规厂家生产的低不确定度标准溶液， 配制标准工作液选用计量检定的高精度移液器和容量瓶, 定期对仪器进行维护和保养， 保持仪器检测状态， 增加平行测定次数， 提高检验人员的操作水平等是降低检测不确定度的有效途径。