超級微波消解－ICP－MS 法測定全谷物糙米標準樣品中鉻的不確定度

姜佳佳，胡 斌，王新文，毛永榮，季一順

（安徽省糧油產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測站，合肥 230031）

稻米是全世界一半以上人口的主食， 滿足了全世界近20% 的膳食需求。稻米也是我國最重要的作物之一， 在主食領(lǐng)域占有重要地位。 據(jù)數(shù)據(jù)顯示，2013年至2023年， 我國年均稻谷播種面積達30 000 千hm2，年均產(chǎn)量超20 000 萬t，占每年糧食總量的30%以上。

全谷物糙米是稻谷脫殼后的大米， 相對于精白米，減少了碾米等步驟，是助力適度加工、節(jié)糧減損的有效舉措。 由于糙米保留了胚芽、糊粉層、米糠層等結(jié)構(gòu)，淀粉質(zhì)胚乳、麩皮和胚中富含膳食纖維、維生素、生物素和礦物質(zhì)，其中多酚、γ－氨基丁酸、γ－谷維素等功能活性物質(zhì)是研究的熱點[1－3]。 研究發(fā)現(xiàn)全谷物糙米粉可通過提高短鏈脂肪酸含量和調(diào)節(jié)腸道菌群維持腸道健康[4]。 富鉻發(fā)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]，對肥胖、高血壓、 心血管疾病及2 型糖尿病等疾病具有預(yù)防作用[7－11]。 因糙米豐富的營養(yǎng)價值和特殊膳食功效，糙米酵素、糙米面包、全谷物糙米營養(yǎng)面條、富鉻發(fā)芽糙米粉饅頭、富鉻發(fā)芽糙米餅干、富鉻發(fā)芽糙米山楂陳皮戚風蛋糕等系列糙米主食開發(fā)有廣泛的研究和推廣前景[10－14]，全谷物糙米主食化是日本等國家研究和推廣熱點， 而我國糙米的研究相對其他國家起步較晚。

糙米相對于精白米降低了加工精度， 導致重金屬含量有不同程度的升高[15－16]。 重金屬中鉻是人類和動物的必需元素， 但鉻也是20 種劇毒污染物之一、18 種空氣污染物之一、一級致癌物，可通過食物鏈進入人體并富集， 累積到一定程度對人體有害，GB 2762—2022 《食品安全國家標準食品中污染物限量》規(guī)定谷物中鉻的含量不超過1.0 mg/kg。 隨著全球工業(yè)革命和城市化迅速升級， 人類活動及“三廢”排放導致地下水、土壤和空氣中鉻含量增加。 所以糙米的鉻含量檢驗可為全谷物膳食科學合理制定奠定基礎(chǔ)，為開發(fā)全谷物健康食品提供理論依據(jù)。

本研究依據(jù)CNAS－GL006:2019《化學分析中不確定度的評估指南》和JJF 1059.1—2012《測量不確定度評定與表示》，參考即將實施的GB 5009.123—2023《食品中鉻的測定》第二法電感耦合等離子體質(zhì)譜法（ICP－MS），采用超級微波消解前處理方法處理糙米粉中鉻成分分析標準物質(zhì)（下文簡稱全谷物糙米標準樣品），并用ICP－MS 測定樣品中鉻的不確定度， 為檢測方法優(yōu)化和評價樣品測定結(jié)果準確度提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

糙米粉中鉻成分分析標準物質(zhì)（編號：GBW(E)100618），國家糧食和物資儲備局科學研究院。

1.2 儀器

FD115 E3.1 恒溫干燥箱，BINDER； 電子天平，Toledo Model XP 204 精確度0.0001 g，Mettler；Ultra Wave 超級微波消解儀，Milestone；高純氮，純度：≥99.999%， 合肥眾益化工產(chǎn)品有限公司；NeX ION 300X 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀 （ICP－MS），Perkin Elmer；Milli－Q Integral 5 超純水系統(tǒng)（電阻18.2MΩ·cm，25 ℃），Millipore SAS；液氮，廣東華南特種氣體研究所有限公司。

1.3 試劑

硝酸，痕量金屬分析級，CNW，鉻單元素標準溶液（編號GSB04－1723－2004），國家有色金屬及電子材料分析測試中心；4 種元素ICP－MS 內(nèi)標混標（編號BWT30119－100－100），鈧（Sc）、鍺（Ge）、銦（In）、錸（Re）(100 mg/L)，壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司；水，GB/T 6682 規(guī)定的一級水。

1.4 器具

100 mL 容量瓶A 級， 允差誤差為±0.10 mL，25 mL 容量瓶A 級，允差誤差為±0.030 mL，10 mL 移液器（eppendorf），擴展不確定度U=5.0 μL (k=2)，5 mL移液器（eppendorf），擴展不確定度U=5.0 μL (k=2)，1 mL 移液器（eppendorf），擴展不確定度U=0.5 uL (k=2)，100 μL 移液器（eppendorf），擴展不確定度U=0.5μL (k=2)。

注：所有玻璃器皿、聚四氟乙烯內(nèi)罐及聚四氟乙烯蓋均置于硝酸溶液（1+5）中浸泡24 h 以上，經(jīng)一級水沖洗晾干后備用。

2 樣品處理

混勻全谷物糙米標準樣品， 于烘箱中85 ℃烘干4 h，轉(zhuǎn)移至干燥器中冷卻達室溫后，稱樣（最小取樣量為0.2 g，精確至0.000 1 g）于一次性玻璃瓶中，加入2 mL HNO3和1 mL H2O，蓋上聚四氟乙烯蓋，基體加入150 mL H2O 和5mL HNO3，放入超級微波消解儀腔體中， 按照超級微波消解程序進行消解（見表1），冷卻后，打開腔體，將消解液轉(zhuǎn)移至容量瓶中，用少量一級水沖洗內(nèi)蓋，并用一級水定容至25 mL，混勻備用，同時做空白試驗。

表1 微波消解條件

3 樣品測定

調(diào)整ICP－MS 儀器至最佳工作狀態(tài), 設(shè)置ICPMS 條件：射頻功率：1 500 W，等離子體氣流量：15 L/min，載氣流量：0.80 L/min，氦氣流量：4.5 mL/min，霧化器：同心霧化器，采樣錐/截取錐：鎳錐，采集模式：跳峰，分析模式：KED，以鈧(45 Sc) 為內(nèi)標元素，由ICP－MS 測定。

標準曲線為Y=0.209 8X+0， 相關(guān)系數(shù)為0.99998，在質(zhì)量濃度0～50 μg/L 范圍內(nèi)線性關(guān)系良好， 測量結(jié)果RSD 為0.2% ～3.8%， 加標回收率為91.6% ～94.4%。 計算全谷物糙米的標準樣品中鉻的含量。

4 數(shù)學模型的建立

全谷物糙米標準樣品中鉻含量計算公式如下：

式中：X 為全谷物糙米標準樣品中鉻含量，mg/kg；籽為全谷物糙米標準樣品消解定容液中鉻質(zhì)量濃度，mg/L；ρ0為空白液中鉻質(zhì)量濃度，mg/L；V為全谷物糙米標準樣品消解液定容體積，mL；M 為全谷物糙米標準樣品稱取質(zhì)量，g；f 為樣品稀釋倍數(shù)（注：本研究中未稀釋f =1）。

5 不確定度的來源

圖1 不確定度的來源

6 各分量的不確定度評定

6.1 稱量時引入的相對標準不確定度

樣品稱量引入的不確定性主要由電子天平偏載不確定度、 天平重復(fù)性不確定和天平示值不確定評估。 查閱電子天平 （XP 204） 檢定證書， 依據(jù)JJG1036—2008《電子天平鑒定規(guī)程》，評定方法為B類。

天平偏載最大允許誤差為±1.0e （±0.001 0 g），不確定度按照矩形分布，k=， 樣品稱量由去皮和稱量二次獨立完成， 則u (M1)=8.16×10－4；

天平重復(fù)性最大允許誤差為±1.0e（±0.0010 g），不確定度按照矩形分布，k=， 樣品稱量由去皮和稱量二次獨立完成， 則u (M2)=8.16×10－4。

天平示值誤差在稱量值小于5 000 e 的最大允許誤差為±0.5e（±0.000 5 g），不確定度按照矩形分布，k=，樣品稱量由去皮和稱量二次獨立完成，則u(M3)== 4.08×10－4，全谷物糙米粉標準樣品稱重0.2 g 左右， 則相對標準不確定度

6.2 消解液定容時引入的相對標準不確定度

稱量的全谷物糙米標準樣品置于超級微波消解儀消解，消解液用一級水定容到25 mL。

25 mL 容量瓶定容引入的相對不確定度， 對照JJG 196—2006《常用玻儀器檢定規(guī)程》 ，A 級，允差誤差為±0.030 mL，按三角分布，k=，不確定度，相對不確定度urel(V25,1。

定容在20 ℃± 4 ℃的溫度環(huán)境下進行， 水的膨脹系數(shù)2.08×10－4/ ℃， 溫度變化引入的不確定度為u(V25,2) =，相對不確定度urel(V25,2) =。

則消解液定容體積引入的相對標準不確定度

6.3 鉻標準溶液稀釋引入的相對標準不確定度

6.3.1 鉻標準儲備溶液引入的相對標準不確定度

鉻標準溶液標準證書顯示： 鉻質(zhì)量濃度為1000μg/mL， 相對擴展不確定度Ur 為0.7%（k=2），取矩形分布， 則鉻標準儲備溶液相對標準不確定度為。

6.3.2 鉻標準使用液引入的相對標準不確定度

吸取鉻標準儲備液 （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，充分混勻，稀釋成100 μg/mL 的鉻標準工作溶液。查閱校準證書，10 mL 移液器的擴展不確定度為U=5.0 μL，k=2。 查閱檢定證書，100 mL 容量瓶，A 級，允差誤差為±0.10 mL。容量瓶定容引入的相對不確定度，對照JJG 196—2006《常用玻儀器檢定規(guī)程》 ，按三角分布，k=。定容在20 ℃± 4 ℃的溫度環(huán)境下進行，水的膨脹系數(shù)2.08×10－4/℃。

10 mL 移液器體積標準不確定度為：u (Y1,1) == 2.5×10－3，

100 mL 容量瓶溫度標準不確定度為：u (Y1,2) =

所以，10 mL 移液器相對標準不確定度為：

100 mL 容量瓶體積標準不確定度為：

100 mL 容量瓶溫度標準不確定度為：

所以，100 mL 容量瓶相對標準不確定度為：

第一次鉻標準使用液稀釋引入的相對標準不確定度為：

第二次鉻標準使用液稀釋過程， 吸取鉻標準使用液 （100 μg/mL）10.0 mL 于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混勻，稀釋成10 μg/mL 的鉻標準工作溶液。 第二次鉻標準使用液稀釋引入的相對標準不確定度為：

第三次鉻標準使用液稀釋過程， 吸取鉻標準使用液（10 μg/mL）10.0 mL 于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混勻，稀釋成1.0 μg/mL 的鉻標準工作溶液。第三次鉻標準使用液稀釋引入的相對標準不確定度為：

鉻標準工作溶液由1.0 μg/mL 鉻標準使用液稀釋，鉻標準使用液引入的相對標準不確定度為：u(N2) = u(N2,3) = 4.28×10－3。

6.3.3 鉻標準工作溶液引入的相對標準不確定度

使用不同規(guī)格的移液器移取不同體積的鉻標準使用液（1.0 μg/mL)于100 mL 容量瓶中，用硝酸溶液（5%）定容至刻度，充分混勻，稀釋成鉻標準曲線的鉻標準工作液（見表2）。 在稀釋過程中鉻標準使用液（1.0 μg/mL)、移液器和100 mL 容量瓶是不確定度的來源。 100 mL 容量瓶相對標準不確定度為：u(V100) = 6.30×10－4。 查閱移液器校準證書，k=2，定容在20 ℃± 4 ℃溫度環(huán)境下進行，水膨脹系數(shù)2.08×10－4/ ℃。 移液器引入相對標準不確定度見表2。

表2 移液器引入的相對標準不確定度

由此導出不同濃度鉻標準工作液的相對不確定度公式：

鉻標準工作液的相對標準不確定度由不同質(zhì)量濃度的鉻標準工作液的相對不確定度合成，具體為：

6.4 測量重復(fù)性引入的相對標準不確定度

利用ICP－MS 對全谷物糙米標準樣品進行10次平行測定，n=10，不確定度屬A 類評定，鉻含量的測量結(jié)果見表3。

表3 糙米粉中鉻含量重復(fù)測試結(jié)果

單次測量的標準差為：

相對不確定度urel(C) = u(C)/Cr = 6.86×10－3，

儀器誤差合計于重復(fù)試驗中，不另行計算。

6.5 回收率引入的相對標準不確定度

該方法通過10 次平行測定（n=10），不確定度屬A 類評定，加標回收率見表3，標準偏差為：

樣品加標回收率的相對標準不確定度為：urel(R) = u(R) / 92.97% = 4.39×10－3。

7 合成標準不確定度

全谷物糙米標準樣品過程中各不確定度分量列于表4。

表4 樣品中鉻含量不確定度分量表

過程中各不確定度分量合成測量方法相對不確定度為：

合成標準不確定度u=urel×Cr =0.735×1.50×10－2=0.011 mg/kg

8 擴展不確定度

置信概率取95%，擴展因子為k=2，則測量結(jié)果的擴展不確定度U= u×k = 2×0.011=0.022 mg/kg。

9 結(jié)論

本研究采用超級微波消解－ICP－MS 測得全谷物糙米標準樣品中鉻的擴展不確定度為 （0.735 ±0.022）mg/kg，k=2，在全谷物糙米標準樣品（GBW(E)100618） 標準物質(zhì)證書鉻的擴展不確定度 （0.72 ±0.06） mg/kg 范圍內(nèi)，表明方法準確度較高。

10 討論

糧油食品中重金屬元素檢測方法有石墨爐原子吸收光譜法、 原子熒光法、ICP－OES、ICP－MS 等。ICP－MS 因檢出限低、準確度和靈敏度高、線性范圍廣、多種痕量重元素同時檢測等優(yōu)勢，而廣泛應(yīng)用于糧油食品多元素的檢驗[17]。 樣品前處理消解方法主要有濕式消解法、微波消解法、壓力罐消解法、干式消解法等，超級微波消解有快捷、簡便、高效的特點，用酸種類少體積小，空白值更低，更加綠色安全。

賈欣[18]利用原子吸收分光光度計石墨爐法測得小米中鉻的不確定度為（0.063±0.0023） mg/kg，不確定度來源主要是儀器和標準曲線引入的。 張強等[19]利用石墨爐原子吸收光譜法連續(xù)測得稻谷等谷物中鉻的含量為( 0.2078 ± 0.0084) mg/kg，不確定度主要是定容和標準曲線引入的。 段曉婷等[20]利用ICPMS 測定稻米中鉻的不確定度， 不確定度主要是儀器和標準溶液配置引入的。 弓浩然等[21]用ICP 法測定小麥鉻的不確定度， 不確定來源引入主要是重復(fù)性和標準溶液配置。

本研究對超級微波消解－ICP－MS 測定全谷物糙米標準樣品中鉻的不確定度進行評定， 結(jié)果表明不確定度貢獻最大是鉻標準溶液稀釋和測量重復(fù)性，與之前的研究結(jié)果相符。 因此，選擇正規(guī)廠家生產(chǎn)的低不確定度標準溶液， 配制標準工作液選用計量檢定的高精度移液器和容量瓶, 定期對儀器進行維護和保養(yǎng)， 保持儀器檢測狀態(tài)， 增加平行測定次數(shù)， 提高檢驗人員的操作水平等是降低檢測不確定度的有效途徑。