汞可通过皮肤吸收, 蓄积在体内, 因此长期使用含汞化妆品会导致肝脏功能、肾功能、神经系统的损害。《化妆品卫生规范》(2007年版)^[1]禁止在护肤类产品中使用汞及其化合物, 作为杂质允许残留的汞限量为1 mg/kg。化妆品中汞含量的准确测定, 对于判断产品中是否违法添加汞及其化合物具有非常重要的意义。特别是在临界值的判断上, 更要考虑测定结果的不确定度。根据《测量不确定度评定与表示》(JJF 1059-2012)^[2], 本文对直接汞分析仪测定化妆品中汞含量的测量不确定度进行了分析和评定。

1 实验方法 1.1 测定原理

在氧气流的作用下, 装在石英管内的样品在分解炉中经干燥和高温热分解, 产生的气体在催化炉中经催化剂进一步催化分解和吸附剂净化除杂后, 样品中的汞全部转变为氧化汞蒸汽, 随氧气流进入金质汞齐化器, 氧化汞被还原为元素汞并以金汞齐形式被选择性捕集, 加热汞齐化器, 解吸出汞, 被氧气流带入光学吸收池内, 于253.7 nm波长处用原子吸收分光光度法进行测定, 并采用工作曲线法依据比耳定律进行定量。

1.2 仪器和试剂

1.2.1 仪器

意大利梅尔斯通公司DMA-80型直接汞分析仪。

1.2.2 试剂

1 000 μg/mL汞单元素溶液标准物质(GBW 08617), 扩展不确定度为1 μg/mL, 购于中国计量科学研究院; 硝酸(GR); 一级实验用水。

1.2.3 标准溶液配制

取1 000 μg/mL汞单元素溶液标准物质1.00 mL, 用硝酸溶液[C(HNO₃)=3%]定容至100 mL容量瓶中, 此中间溶液汞质量浓度为10.0 μg/mL。重复上述操作, 将此中间溶液再次稀释成0.100 μg/mL的标准储备溶液, 备用。

分别取标准储备溶液0.00、10.0、20.0、50.0、100.0和200.0 μL, 加入样品舟中, 此标准系列汞溶液中汞的绝对量为0.00、1.025、2.050、5.125、10.25和20.50 ng。

1.3 测定条件

干燥温度200℃, 干燥时间60 s; 分解温度650℃, 分解时间90 s; 等待时间60 s; 齐化加热温度650℃, 时间90 s; 记录时间30 s; 载气流量:200 mL/min; 实验室温度:20℃±5℃。

1.4 样品测定

称取0.02 g样品(精确至0.0001 g)放入样品舟中, 用直接汞分析仪进行测定。同时进行空白试验。

1.5 计算公式

式中:w_Hg—样品中汞的质量分数, μg/g;

   m₁—待测溶液中汞的质量, μg;

   m₀—空白溶液中汞的质量, μg;

   m—样品取样量, g。

2 不确定度评定 2.1 数学模型

计算公式(1) 是根据测定原理给出的。在评定不确定度时, 不能体现各种随机因素对不确定度的影响。考虑到实际评定中, 很难分别定量地研究每个影响因素引入的不确定度分量, 在计算公式中引入反映各种随机影响的重复性系数f_rep^[3], 作为不确定度评定的数学模型。

式中:f_rep—重复性系数, 其数值为1。

2.2 不确定度的来源

不确定度来源主要有以下几个方面:① 测量重复性引入的不确定度; ② 样品称量引入的不确定度; ③ 汞测定引入的不确定度, 包括标准物质的不确定度、标准储备溶液配制过程引入的不确定度和标准工作曲线拟合引入的不确定度。

2.3 测量不确定度的评定

2.3.1 测量重复性引入的不确定度

影响测定结果的随机因素包括样品的均匀性和代表性、称量和定容过程中读数的随机性、实验操作差异、环境条件的变动等。在重复性测量条件下, 测量同一批次的10份样品, 通过计算标准偏差, 作为各种随机影响的合成重复性不确定度分量。

同一批次10份样品汞含量测定结果为0.772、0.764、0.771、0.769、0.768、0.772、0.765、0.765、0.759、0.763 μg/g, 平均值为0.767 μg/g, 标准偏差为0.00432 μg/g。

本次测定是在相同条件下, 平行测量两份样品, 平均值为0.764 μg/g。利用上述由较大样本量(n=10) 获得的标准偏差预评估值, 计算本次测量结果平均值的标准偏差为$\frac{0.00432}{\sqrt{2}}=0.00305$ μg/g。

测量重复性影响引入的相对标准不确定度为$\frac{0.00305}{0.764}=0.0040$。

2.3.2 样品称量引入的不确定度

称量过程的各种随机影响已在2.3.1中合并考虑。因此, 样品称量引入的不确定度主要考虑天平校准的影响。

用万分之一分析天平称取样品0.02 g, 按天平的校准证书, 其最大允许误差为0.2 mg, 属均匀分布($k=\sqrt{3}$)。因此, 天平称量的标准不确定度为$\frac{0.0002}{\sqrt{3}}=0.00012$g。样品取样量为0.02 g时, 相对标准不确定度为$\frac{0.00012}{0.02}=0.0060$。

2.3.3 汞测定引入的不确定度

主要包括汞标准物质的不确定度、标准储备溶液配制过程引入的不确定度和标准工作曲线拟合引入的不确定度。

2.3.3.1 标准物质的不确定度

1 000 μg/mL汞单元素溶液标准物质的扩展不确定度为1 μg/mL, 属B类, k=3, 故标准物质引入的标准不确定度为$\frac{1}{3}=0.33$μg/mL; 相对标准不确定度为$\frac{0.33}{1000}=0.00033$。

2.3.3.2 标准溶液配制过程引入的不确定度

标准储备溶液配制过程中主要使用的是1 mL单标线吸管和100 mL容量瓶。标准储备溶液配制过程产生的不确定度主要来源于量器校准、实验过程与量器校准时的温度差异。

根据《常用玻璃量器中华人民共和国国家计量检定规程》(JJ G196-1990)^[4]的规定, A级100 mL容量瓶的容量允差为±0.10 mL, 假定为三角形分布($k=\sqrt{6}$), 则容量瓶校准引入的标准不确定度为$\frac{0.1}{\sqrt{6}}=0.041$mL。

该容量瓶已在20℃校准, 实验室温度控制在20℃± 5℃, 温度变化引起的不确定度可通过估算温度范围(5℃)和体积膨胀系数(0.00021/℃)来进行计算。取均匀分布($k=\sqrt{3}$), 则温度变化引入的标准不确定度为

容量瓶定容体积引入的相对合成不确定度为

同理, A级1mL单标线吸管的容量允差为±0.007 mL, 假定为三角形分布($k=\sqrt{6}$), 则单标线吸管校准引入的标准不确定度为0.002 9 mL, 温度变化引入的不确定度为0.00061 mL, 因此, 1 mL单标线吸管产生的不确定度为0.003 0 mL, 相对合成不确定度为0.0030。

汞标准储备溶液的吸取过程使用的是标称容量为20、100和200 μL 3种规格移液器, 分别吸取0.00、10.0、20.0、50.0、100.0和200.0 μL, 加入样品舟中, 作为标准系列。

根据《移液器中华人民共和国国家计量检定规程》(JJG 646-2006)^[5]的规定, 标称容量为20 μL的移液器在10 μL鉴定点的容量允许误差为±8%, 20 μL点为±4%;标称容量为100 μL的移液器在50 μL鉴定点的容量允许误差为±3%, 100 μL点为±2%;标称容量为200 μL的移液器在200 μL鉴定点的容量允许误差为±1.5%。假定为三角形分布($k=\sqrt{6}$), 则移液器在各容量点引入的标准不确定度分别为0.33、0.33、0.61、0.82和1.22 μL。经计算, 相对于量器校准, 移液器中温度变化引入的不确定度可以忽略不计。因此, 移液器在各容量点引入的相对不确定度分别为0.033、0.017、0.012、0.0082和0.0061。

由于标准溶液配制过程中使用了2次容量瓶、2次单标线吸管和5次移液器, 故引入的相对合成标准不确定度为$\sqrt{2\times {{0.00073}^{2}}+2\times {{0.0030}^{2}}+{{0.033}^{2}}+}\sqrt{{{0.017}^{2}}+{{0.012}^{2}}+{{0.0082}^{2}}+{{0.0061}^{2}}}=0.0406$

2.3.3.3 标准工作曲线拟合引入的不确定度

为校准直接汞分析仪, 采用6个质量点绘制标准工作曲线, 每个点测定3次, 得到相应的吸光强度, 并用最小二乘法拟合, 得到的回归方程及相关系数见表 1。

标准工作曲线拟合过程引入的不确定度评定公式为

式中其他各参数的含义及取值见表 2。

待测溶液中汞的质量引入的相对合成不确定度为$\sqrt{{{0.00033}^{2}}+{{0.00406}^{2}}+{{0.0296}^{2}}}=0.0502$

2.4 合成标准不确定度的评定

测量重复性引入的相对标准不确定度为0.0040, 样品称量引入的相对标准不确定度为0.0060, 待测溶液中汞的质量引入的相对标准不确定度为0.0502, 总的相对合成标准不确定度为$\sqrt{{{0.0040}^{2}}+{{0.0060}^{2}}+{{0.0502}^{2}}+}=5.07\;\%$, 合成不确定度为0.764×0.0507=0.039 μg/g。

2.5 扩展不确定度

取包含因子k=2, 对应的置信水平大约是95%, 则扩展不确定度为:0.039×2=0.078 μg/g。

3 讨论

由不确定度评定过程可知, 直接汞分析仪测定化妆品中汞的不确定度主要来源于待测溶液测定中标准溶液配制和标准工作曲线的拟合过程。测量重复性、样品称量、标准物质的使用等因素引入的不确定度可以忽略不计。该方法需要注意的是标准溶液配制过程中, 标准系列是直接用移液器吸取微量汞标准储备溶液并由软件自动换算成质量的, 因此实验对移液器的精度要求非常高, 移液器的精度也直接影响了测量的不确定度。另外相比于传统方法省去了样品定容、样品前处理等因素带来的不确定度。