在制备土壤实验室参考材料的均匀性研究中，使用了多元素鲁棒Z分数（multi-element robust Z-score）和DD-SIMCA方法

《Microchemical Journal》：Use of multi-element robust Z-score and DD-SIMCA methods in the homogeneity study for preparation of a soil laboratory reference material

污染土壤作为实验室参考材料的均质性研究，通过ICP OES分析As、Ca、Cd等13种元素，验证最小质量0.20g，采用ANOVA、DD-SIMCA及稳健多元素Z分数方法，确认土壤成分均质性。

　　

阿德里亚诺·V·B·查加斯（Adriano V.B. Chagas）|凯奥·S·A·费利克斯（Caio S.A. Felix）|萨乌洛·V·A·丹塔斯（Saulo V.A. Dantas）|阿德里亚娜·S·利马（Adriana S. Lima）|弗朗西斯科·A·S·库尼亚（Francisco A.S. Cunha）|玛西娅·M·C·费雷拉（Marcia M.C. Ferreira）|里卡多·B·达席尔瓦（Ricardo B. da Silva）|莉兹·O·多斯桑托斯（Liz O. dos Santos）|塞尔吉奥·L·C·费雷拉（Sergio L.C. Ferreira）

巴西巴伊亚联邦大学化学研究所，翁迪纳校区（Universidade Federal da Bahia, Instituto de Química, Campus Ondina），邮编40170-270，萨尔瓦多（Salvador），巴伊亚州（Bahia），巴西

摘要

本文报道了一种用于实验室参考材料的土壤样品的均匀性研究。该土壤样品采集自巴西巴伊亚州桑托阿马罗达普里菲卡索纳（Santo Amaro da Purifica??o）附近的一座已停用的铅冶金厂。在实验室中，样品经过干燥、筛分和均质化处理，随后使用15千戈瑞（15 kGy）的伽马射线进行灭菌。共准备了100个30克的样品瓶以用于认证过程。在均匀性测试中，样品通过微波辐射进行消化处理，并使用电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP OES）测定了砷（As）、钙（Ca）、镉（Cd）、铜（Cu）、镁（Mg）、锰（Mn）、钠（Na）、镍（Ni）、铅（Pb）、锑（Sb）、硒（Se）、锶（Sr）和锌（Zn）等化学元素的含量。所有测试均重复三次进行。实验结果表明，用于分析的最小样品质量应为0.20克。通过方差分析（ANOVA）的结果证实了样品的均匀性。此外，还采用了数据驱动的软独立类比建模（DD-SIMCA）化学计量技术，其结果同样支持了样品的均匀性。此外，首次提出使用稳健的Z分数（robust Z-score）作为评估均匀性的替代方法，该分数有效反映了所研究土壤的均匀性。

引言

确保分析测量的准确性是从事分析化学研究的科学家的共同关注点[1]。制备官方报告和进行食品及环境样品的风险评估研究需要使用参考材料进行验证。这些参考材料的化学成分应与待分析样品接近，且其中所含分析物的含量也应与之相似。然而，由于这些参考材料的商业可用性有限且价格较高，常常阻碍了其在分析方法验证中的应用。基于这些原因，许多研究人员致力于开发实验室参考材料[2]。

开发参考材料是一个复杂的多阶段过程，必须遵循严格的标准以确保其在分析应用中的可靠性。首先选择能够代表目标样品物理和化学特性的代表性样品。随后进行干燥、研磨、筛分和均质化等处理，以减少变异性并确保颗粒大小分布均匀。然后对候选材料进行均匀性测试，以验证子样本是否能提供一致的分析结果，具体方法遵循ISO 35:2017指南。稳定性研究也是必不可少的，旨在确定材料在时间和不同储存条件下的化学性质是否保持不变（同样依据ISO 35:2017指南）。完成这些评估后，通过多个实验室的合作及经过验证的分析方法对材料进行表征（如ISO 35:2017所推荐）。确保均匀性是制备参考材料的关键步骤，因为它能确认材料中各组分分布均匀。这种均匀性意味着从批次中取出的任何部分都能可靠地代表整个样品，同时考虑到材料异质性带来的不确定性[[3], [4], [5]]。

软独立类比建模（SIMCA）是一种由Wod于1976年提出的化学计量技术[6]，已被环境、食品、燃料等领域的研究人员广泛采用[7,8]。其数据驱动版本DD-SIMCA（Data-Driven Soft Independent Modeling of Class Analogy）已应用于实验室参考材料的制备过程中。Santos等人利用该技术研究了南瓜籽粉的稳定性和实验室间一致性[11]；Azevedo等人也使用DD-SIMCA评估了海洋沉积物样品的均匀性和稳定性[12]；Gomes等人则将其应用于海洋沉积物基质的研究[13]。DD-SIMCA是一种监督式单类分类方法，通过主成分分析（PCA）计算得分距离（Hi）和类成员的正交距离（Qi），从而确定极端成员和异常值的分类界限[13]。

稳健Z分数（robust Z-score）是一种统计工具，可用于检测在制备实验室参考材料过程中的异常值[[14], [15], [16]]。其计算方法基于单个元素，Z分数表示实验室结果的质量，具体取决于所有接收数据的中位数以及结果第三四分位数与第一四分位数之间的差异。Z分数的绝对值小于或等于2时，表示结果可接受[[16], [17], [18]]。此外，还提出使用多元素稳健Z分数来评估污染土壤中十四种化学元素的均匀性。Ferreira提出的多响应（multi-elementary response）方法[19,20]被应用于这些数据分析，实现了对数据的多元素综合评估。

本研究报道了从受污染土壤中制备实验室参考材料时的均匀性研究过程。采用电感耦合等离子体光学发射光谱法（ICP OES）测定了十三种化学元素的含量。测试内容包括最小样品质量、瓶内均匀性和瓶间均匀性，并通过方差分析（ANOVA）、DD-SIMCA及多元素稳健Z分数进行了评估。

土壤的采集与制备

从巴西桑托阿马罗达普里菲卡索纳（Santo Amaro da Purifica??o）采集了约4.0公斤的土壤样本，该地区以有毒金属污染而闻名[21]。样品用塑料袋运输至实验室，首先使用50微米筛网去除石块和叶片残渣，然后在40°C下干燥两周直至质量稳定[22]。之后再次用10微米筛网过滤，并通过液体搅拌器进行均质化处理。

分析方法的验证

ICP OES方法的校准曲线范围根据分析物浓度确定，详见表1。检测限（LOD）和定量限（LOQ）按照国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）的规定进行测定[31]。对于0.5克样品质量，各元素的LOD和LOQ值分别为：砷（As）0.05毫克/千克，镉（Cd）3.24毫克/千克，铅（Pb）10.79毫克/千克。

结论

ICP OES方法的精度评估显示，钠（Na）和锌（Zn）的相对标准偏差（RSD）值较高，表明该方法不太适合这两种元素的分析。不过，这些结果并未影响所研究材料的均匀性。

通过结合使用传统统计工具和化学计量方法，证明了候选土壤参考材料的均匀性，确保了样品成分的均匀性。

作者贡献声明

阿德里亚诺·V·B·查加斯（Adriano V.B. Chagas）：负责初稿撰写、方法验证和实验设计。凯奥·S·A·费利克斯（Caio S.A. Felix）：负责初稿撰写、数据可视化、方法验证和正式分析。萨乌洛·V·A·丹塔斯（Saulo V.A. Dantas）：负责初稿撰写、方法验证和实验设计。阿德里亚娜·S·利马（Adriana S. Lima）：负责初稿撰写、软件开发和方法验证。弗朗西斯科·A·S·库尼亚（Francisco A.S. Cunha）：负责审稿与编辑、初稿撰写、方法验证和正式分析。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢巴西国家科学技术发展委员会（CNPq）、巴伊亚州研究支持基金会（FAPESB）以及高等教育人员培训协调委员会（CAPES）（财务代码001）提供的资助和奖学金支持。同时感谢CETER/IPEN多功能伽马辐照设施（Multipurpose Gamma Irradiation Facility – CETER/IPEN）的合作。