食品添加劑二氧化碳中硫化氫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析方法及性能評(píng)價(jià)的研究

李春瑛，韓 橋，杜秋芳，張 新

(中國計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

食品級(jí)二氧化碳中硫化物含量是一個(gè)重要指標(biāo)。硫化物不僅影響飲料的口味，而且還對人體有害。硫化氫是一種有毒物質(zhì)，它被稱為是人體神經(jīng)的毒劑，是窒息和刺激性較強(qiáng)的危害性氣體。由于二氧化碳的氣源不同，導(dǎo)致硫化氫的存在，因此在食品添加劑二氧化碳的相應(yīng)法規(guī)中對該組分均有嚴(yán)格的限量要求。建立硫化氫計(jì)量溯源標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)確定值的分析方法對評(píng)價(jià)該質(zhì)量尤為重要。微量硫化物分析主要有兩種方法:微庫侖法和火焰光度檢測器(FPD)的色譜法。本實(shí)驗(yàn)采用氣相色譜法(FPD)分析二氧化碳中硫化氫組分，為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)性能的研究提供依據(jù)［1-6］。

1 氣相色譜氫火焰離子化檢測器(FPD)實(shí)驗(yàn)原理

FPD是選擇性檢測器，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種硫化物檢測器，具有穩(wěn)定可靠、高靈敏度、高選擇性的特點(diǎn)。它只對含硫(S)和磷(P)的物質(zhì)有響應(yīng)。含硫和磷的物質(zhì)在火焰中燃燒時(shí)可發(fā)出特征光譜。用特定波長的濾光片(S為394 nm的紫色光，P為526 nm的黃色光)把特征光譜從其它光分開，經(jīng)光電倍增管放大成電信號(hào)，從而可以檢測。對 S:S+S→，→S2+hv。含硫物質(zhì)(S)在富氫焰(冷焰390℃)中燃燒，生成激發(fā)態(tài)分子，當(dāng)回到固態(tài)時(shí)，就發(fā)出350～430 nm的特征分子光譜，在394 nm最大波長處，借助于特定波長的濾光片測量其強(qiáng)度，從而檢測硫的含量，其響應(yīng)值與濃度的平方呈正比(R∝C2)。即:硫化物的響應(yīng)值與硫化物濃度不成線性關(guān)系，而是與硫化物濃度平方成正比，顯然用峰面積及峰高直接定量是不行的，需采用對數(shù)坐標(biāo)曲線法以完成線性定量工作。

單點(diǎn)測量中使用外標(biāo)法定量，計(jì)算公式如下:

式中，Ci為被測組分的色譜分析摩爾分?jǐn)?shù)(μmol/mol);C0為色譜分析用標(biāo)準(zhǔn)氣體的摩爾分?jǐn)?shù)(μmol/mol);Ri為被測組分的響應(yīng)值(以峰高計(jì)量，μV);R0為色譜分析用標(biāo)準(zhǔn)氣體的響應(yīng)值(以峰高計(jì)量，μV)。

2 氣相色譜實(shí)驗(yàn)方法及條件

在本實(shí)驗(yàn)中硫化氫的分析，我們選擇了日本島津GC-2014氣相色譜儀FPD檢測器，以此對H2S/CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體氣相色譜的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行選擇，以期得到最佳的實(shí)驗(yàn)條件。該方法的實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇見表1。初始實(shí)驗(yàn)條件:進(jìn)樣口溫度150℃，柱溫150℃，檢測器溫度270℃，柱流量10 mL/min，尾吹流量10 mL/min，分流比 5.0，實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體為:H2S/CO2，329601#，1.041 ×10－6(mol/mol)。

表1 操作參數(shù)與性能指標(biāo)的選擇Table1 The selection of operating parameters and performance indicators

3 H2S/CO2氣相色譜儀最佳實(shí)驗(yàn)條件

H2S/CO2氣相色譜儀最佳實(shí)驗(yàn)條件見表2。

表2 GC-2014/FPD H2S/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件Table2 The optimum gas chromatography condition of H2S/CO2analyzed by GC-2014/FPD

4 實(shí)驗(yàn)的方法精密度

按照表2實(shí)驗(yàn)選擇的最佳條件，選用濃度在(1～10)×10－6(mol/mol)附近的標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)行方法精密度的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 H2S/CO2分析方法的精密度Table3 The precision of H2S/CO2experimental method

從表中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用本研究建立的氣相色譜分析法在該條件下，分析結(jié)果的相對不確定度≤1.1%，滿足對該系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的評(píng)價(jià)要求。

5 H2S/CO2方法檢測限和線性度考察

實(shí)驗(yàn)過程中使用 329601#，1.041 × 10－6(mol/mol)H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對該儀器檢測能力和檢測限進(jìn)行了考察。實(shí)驗(yàn)表明，選擇日本島津2014氣相色譜儀，F(xiàn)PD檢測器H2S/CO2檢測限可達(dá)到10×10－9的測量能力。

采用日本掘場SGD-SC 0.5 L型5分割硫化物氣體分割器，標(biāo)準(zhǔn)氣體和稀釋氣體為等比例混合，流量控制為1.0 mL/min;對瓶號(hào)為306151#、濃度為5.30 ×10－6，50745#、濃度為 9.951 × 10－6的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行線性范圍的考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 方法線性度考察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table4 The method linearity result for H2S/CO2

相關(guān)系數(shù) r=0.99995;線性方程 lny=1.9799 lnx+7.4321(式中 y為峰高值，x為濃度值)，線性誤差＜±1.0%，該儀器線性度良好。實(shí)驗(yàn)表明本研究建立的分析方法可以滿足H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)性能評(píng)價(jià)的要求。

6 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混勻及均勻性考察

研究中，我們對重量制備的硫化氫氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了混勻及均勻性的考察。按照GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006 標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)則(3)《標(biāo)準(zhǔn)樣品定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法》［7-8］中對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行均勻性檢驗(yàn)的評(píng)價(jià)要求，根據(jù)T檢驗(yàn)，建立了氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)組分量值(y)隨時(shí)間(x)變化的回歸方程:y=b0+b1x(式中y為各實(shí)際測量值，x為氣體配制后的放置時(shí)間)，計(jì)算公式見(2)～(5)。

式中，b1為線性回歸方程的斜率;X為X的平均值;為各次實(shí)際測量值的平均值。

式中，b0為線性回歸方程的截距;

式中，n為測量次數(shù);

式中，s(b1)為b1的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在評(píng)價(jià)過程中，若|b1|＜ t0.95，n－2× s(b1)，表明標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性和穩(wěn)定性良好，若|b1|＞t0.95，n－2×s(b1)，樣品均勻性和穩(wěn)定性不好，根據(jù)以上公式，可用函數(shù)TINV(0.05，n－2)計(jì)算得出均勻性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混勻?qū)嶒?yàn)結(jié)果(1×10－6)Table5 The mixing experimental results of H2S/CO2(1×10－6)

從表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，H2S/CO2個(gè)別氣體在氣體混勻過程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略大一些外，其他氣體均呈現(xiàn)良好的混勻特性。即:當(dāng)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用靜態(tài)混勻時(shí)，配制當(dāng)日即可混勻。表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對于該特性量值不確定度的預(yù)期目標(biāo)而言，其特性量的不均勻誤差可以忽略不計(jì)，表明該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性良好。

7 方法的比對和一致性考察

研究中我們對同一批配制的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，隨機(jī)選取任一瓶氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為校準(zhǔn)氣體，對其它各瓶氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比對分析，并將重量法配制值與分析值進(jìn)行比較。表6～7為氣相色譜法與重量法的一致性比對結(jié)果。

表6 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)方法一致性比對誤差(1×10－6)Table6 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(1 ×10－6)

表7 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)方法一致性比對誤差(10×10－6)Table7 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(10 ×10－6)

經(jīng)考察用本研究建立的氣相色譜方法對重量法制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)一致性比對誤差≤±2%。結(jié)果表明，該系列氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重量配制一致性良好，重量法配制值準(zhǔn)確可靠。

8 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的復(fù)現(xiàn)性考察

研究中我們將第一批配制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)作為基準(zhǔn)值，分別對不同時(shí)間內(nèi)配制的其它組分氣體進(jìn)行測量以考察氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的復(fù)現(xiàn)性。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表8。

表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)復(fù)現(xiàn)性的比對誤差≤±2.0%。

表8 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)方法的復(fù)現(xiàn)性考察 (1×10－6)Table8 The study of method reproducibility for H2S/CO2(1×10－6)

9 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)實(shí)驗(yàn)室間的比對

研究中我們將本項(xiàng)研究的H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)與光明化工研究設(shè)計(jì)院研制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了分析比對，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表9。

結(jié)果表明:中國計(jì)量科學(xué)研究院制備的標(biāo)準(zhǔn)氣體與光明化工研究設(shè)計(jì)院二者的比對誤差≤±1.0%，表明我單位研制的標(biāo)準(zhǔn)氣體具有量值的可比性，定值不確定度具有高的置信度。

表9 光明化工研究設(shè)計(jì)院比對結(jié)果Table9 The interlaboratory comparison results of H2S/CO2

10 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨時(shí)間變化的穩(wěn)定性及有效期限的考察

表10為硫化氫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性考察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？疾爝^程中分別以不同時(shí)間配制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)，完成該系列標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的性能評(píng)價(jià)，下表為T 分布計(jì)算的結(jié)果［7-8］。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性最大變化量≤±1.7%;表明該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)組分氣體的特性量值在本實(shí)驗(yàn)間隔內(nèi)具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性。從表10還可以看出:H2S/CO2系列氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在有效期內(nèi)的變化率雖然符合評(píng)價(jià)要求，但根據(jù)T檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，該類氣體在瓶內(nèi)仍有逐漸下降的趨勢，其有效使用期限在半年后為不穩(wěn)定，因此此系列氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性周期定為半年。

表10 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果 (1～10)×10－6Table10 The stability results of H2S/CO2gas reference material(1～10)×10－6

11 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化穩(wěn)定性考察

在本項(xiàng)研究過程中，我們用氣相色譜方法對研究中氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行了壓力實(shí)驗(yàn)以考察該標(biāo)準(zhǔn)氣體在一瓶中的差異，實(shí)驗(yàn)采用F檢驗(yàn)方法，計(jì)算公式見(6)～ (14)［7-8］。

式中，SS內(nèi)為組內(nèi)Y值方差平方和。

式中，SS間為組間各平均值與總平均值方差平方和的n倍。

式中，N1，N2為自由度。

式中，MS間為不同壓力值測定測量結(jié)果的均方。

式中，MS內(nèi)為同一壓力值測量結(jié)果的均方

Fα，N1，N2:自由度為 N1，N2，顯著性水平為 α 時(shí)的臨界統(tǒng)計(jì)量。

若 F ＜ Fα，N1，N2瓶內(nèi)均勻性良好，若 F ＞ Fα，N1，N2瓶內(nèi)均勻性不好。表11為H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從表11可以看出，鋼瓶內(nèi)充氣壓力從3.0 MPa降至0.5 MPa時(shí)，其組分量值的變化率均 ＜±1.0%，在分析誤差之內(nèi)。

表11 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(10－6)Table11 The experimental results of H2S/CO2with different pressure(10－6)

12 結(jié)論

經(jīng)對本項(xiàng)研究中H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)達(dá)到的指標(biāo)見表12。定值方法:重量法;包裝形式:H2S/CO2(4 L)涂氟預(yù)飽和的碳鋼瓶。充氣壓力:3.0 MPa;使用壓力下限:0.5 MPa;有效使用期限:0.5 a。

表12 H2S/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重量配制的相對擴(kuò)展不確定度Table12 The relative expanded uncertainty of H2S/CO2

以上結(jié)果表明:本項(xiàng)研究成果的完成和國家級(jí)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的申報(bào)，填補(bǔ)了我國食品安全計(jì)量領(lǐng)域的空白。保障了我國該系列計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)在全國范圍內(nèi)的準(zhǔn)確傳遞;為我國相關(guān)領(lǐng)域食品安全奠定了良好的溯源基礎(chǔ)。為構(gòu)建我國食品安全的法制計(jì)量，提高我國在該領(lǐng)域的國際地位做出了努力和貢獻(xiàn)［9-11］。

［1］于亞東，韓永志，等.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)應(yīng)用指南［M?.北京:中國計(jì)量出版社，2009.

［2］全浩，韓永志.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及其應(yīng)用技術(shù)［M］.2版.北京:中國計(jì)量出版社，2003.

［3］韓永志.標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)手冊［G］.北京:中國計(jì)量出版社，1998.

［4］趙敏，何道善，于國輝，常俠.食品添加劑 液體二氧化碳國家標(biāo)準(zhǔn)介紹［R］.大連:光明化工研究設(shè)計(jì)院.

［5］GB 10621—2006食品添加劑 液體二氧化碳國家標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］ISO 6142:2001 Gas analysis-Preparation of calibration gas mixture-Weighing methods，International Organization for Standardization，International Organization for Standardization［S］.

［7］GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006 標(biāo)準(zhǔn)樣品導(dǎo)則(3)標(biāo)準(zhǔn)樣品定值的一般原則和統(tǒng)計(jì)方法［S］.

［8］Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement(GUM)［S］.International Organization for Standardization，1993.

［9］李春瑛，吳夢一，等.關(guān)于食品添加劑二氧化碳產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)控與溯源傳遞體系的研究［J］.現(xiàn)代分析儀器，2009(2):135-138.

［10］李春瑛.我國食品添加劑液體二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體的研究現(xiàn)狀［J］.計(jì)量與測試技術(shù)，2006，33(9):48-49.

［11］李春瑛.食品添加劑二氧化碳國家計(jì)量檢測標(biāo)準(zhǔn)亟須完善［J］.中國計(jì)量，2006(9):20-22.