食品添加劑二氧化碳中二氧化硫、羰基硫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備方法及性能評(píng)價(jià)的研究(下)

李春瑛，韓　橋，王德發(fā)，張　新，杜秋芳

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

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·特氣制備·

食品添加劑二氧化碳中二氧化硫、羰基硫標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備方法及性能評(píng)價(jià)的研究(下)

李春瑛，韓橋，王德發(fā)，張新，杜秋芳

(中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013)

摘要:對(duì)食品添加劑二氧化碳中SO2和COS微量氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的制備方法進(jìn)行了研究，對(duì)重量配制過(guò)程中原料氣體和稀釋氣體進(jìn)行了分析和定值，給出了純度分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和不確定度的評(píng)估結(jié)果。介紹了用日本島津GC-2014氣相色譜儀，火焰光度檢測(cè)器(FPD)分析SO2和COS氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)原理、方法和條件。用所建立的分析方法和條件對(duì)該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)色譜分析方法的精密度、方法的線(xiàn)性度進(jìn)行了考察。文中還給出了該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)性能評(píng)價(jià)的計(jì)算方法以及各組分摩爾分?jǐn)?shù)在(1.0～10.0)×10-6范圍內(nèi)重量配制擴(kuò)展不確定度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

關(guān)鍵詞:二氧化碳中二氧化硫；二氧化碳中羰基硫；氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)；不確定度評(píng)價(jià)

4氣相色譜氫火焰離子化檢測(cè)器(FPD)分析方法和原理

FPD是硫化物檢測(cè)器，含硫(S)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(zhǎng)的濾光片S的紫色光把特征光譜從其它光分開(kāi)，經(jīng)光電倍增管放大成電信號(hào)，從而進(jìn)行檢測(cè)。S：S+S→S2*，S2*→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)S2*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(zhǎng)處，借助于特定波長(zhǎng)的濾光片測(cè)量其強(qiáng)度，從而檢測(cè)硫的含量，硫化物響應(yīng)值與濃度的平方呈正比(R∝C2)，采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)曲線(xiàn)法以完成線(xiàn)性定量工作。

單點(diǎn)測(cè)量中使用外標(biāo)法定量，其計(jì)算公式：

(8)

式中，Ci為被測(cè)組分的色譜分析摩爾分?jǐn)?shù)，10-6；C0為色譜分析用標(biāo)準(zhǔn)氣體的摩爾分?jǐn)?shù)，10-6；Ri為被測(cè)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。

4.1SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析方法及定值方法研究

SO2在常溫下為具有強(qiáng)烈辛辣窒息性無(wú)色氣體，敏感者在濃度為0.3×10-6時(shí)能感覺(jué)出臭味。SO2氣體主要經(jīng)人體呼吸道吸入，對(duì)局部有刺激和腐蝕作用。本實(shí)驗(yàn)采用氣相色譜法分析SO2微量組分氣體，為該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的后續(xù)研究提供依據(jù)。

4.1.1SO2/CO2氣相色譜實(shí)驗(yàn)方法及條件

擬定了表13實(shí)驗(yàn)方法和條件，以此對(duì)SO2/CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體氣相色譜分析方法的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行選擇。初始實(shí)驗(yàn)條件：進(jìn)樣口溫度150℃，柱溫230℃，檢測(cè)器溫度270℃，柱流量6 mL/min，尾吹流量4 mL/min，分流比5.0。實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體為：525363#，SO2/CO2，標(biāo)稱(chēng)值為1.09×10-6(摩爾分?jǐn)?shù))。

4.1.2SO2/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件

SO2/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表14。

4.1.3實(shí)驗(yàn)的方法精密度

實(shí)驗(yàn)中選用摩爾分?jǐn)?shù)在 (1～10)×10-6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(jiàn)表15。

表13　操作參數(shù)與性能指標(biāo)的選擇

表14　SO2 /CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件

表15　SO2/CO2分析方法的精密度

從表15中可知，采用本研究建立的氣相色譜法和實(shí)驗(yàn)條件能夠獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，相對(duì)不確定度≤1.2%。

4.1.4SO2/CO2檢測(cè)限和方法線(xiàn)性度的考察

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用329632#，摩爾分?jǐn)?shù)1.045×10-6SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)該儀器檢測(cè)能力和檢測(cè)限進(jìn)行了考察，其檢測(cè)限可達(dá)到10×10-9的測(cè)量能力。

表16　方法線(xiàn)性度考察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

采用日本堀場(chǎng)SGD-SC 0.5L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(duì)瓶號(hào)為356704#，摩爾分?jǐn)?shù)為10.3×10-6的SO2/CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行線(xiàn)性分割，以考察該方法的線(xiàn)性范圍，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表16。

相關(guān)系數(shù)r=0.9997；線(xiàn)性方程lny=0.689lnx+3.4706(式中y為峰高值，x為摩爾分?jǐn)?shù)值)，線(xiàn)性誤差<±0.8%，該儀器線(xiàn)性度良好。實(shí)驗(yàn)表明本研究建立的分析方法可以滿(mǎn)足SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)性能評(píng)價(jià)的要求。

4.2COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析方法及定值方法的研究

羰基硫在常溫下為無(wú)色可燃有毒氣體。對(duì)人體肺部有刺激作用，引起呼吸道麻痹，損傷中樞神經(jīng)系統(tǒng)，對(duì)人體造成危害。羰基硫的常用分析方法為氣相色譜法，本實(shí)驗(yàn)采用氣相色譜法分析羰基硫痕量組分氣體，為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研究提供依據(jù)。

4.2.1COS/CO2氣相色譜實(shí)驗(yàn)方法及條件

擬定了表17實(shí)驗(yàn)方法和條件，以此對(duì)COS/CO2標(biāo)準(zhǔn)氣體氣相色譜分析方法的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行選擇。初始實(shí)驗(yàn)條件：進(jìn)樣口溫度150℃，柱溫150℃，檢測(cè)器溫度240℃，柱流量6.0 mL/min，尾吹流量6.0 mL/min，分流比5.0。實(shí)驗(yàn)用標(biāo)準(zhǔn)氣體為：COS/CO2，506601#，標(biāo)稱(chēng)值為0.980×10-6(摩爾分?jǐn)?shù))。

表17　操作參數(shù)與性能指標(biāo)的選擇

4.2.2COS/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件

COS/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表18。

表18　COS/CO2氣相色譜最佳實(shí)驗(yàn)條件

4.2.3實(shí)驗(yàn)的方法精密度

選用摩爾分?jǐn)?shù)在 (1～10)×10-6附近的標(biāo)準(zhǔn)氣體，進(jìn)行方法精密度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表19。

從表19中可知，采用本研究建立的分析方法和條件，對(duì)COS/CO2進(jìn)行分析考察，相對(duì)不確定度≤1.3%，表明本研究建立的分析方法滿(mǎn)足后續(xù)研究中對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的評(píng)價(jià)要求。

表19　COS/CO2分析方法的精密度

4.2.4方法檢測(cè)限和線(xiàn)性度的考察

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用瓶號(hào)為329632#，摩爾分?jǐn)?shù)為1.045×10-6的COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)該儀器檢測(cè)能力和檢測(cè)限進(jìn)行了考察。選擇日本島津2014氣相色譜儀，F(xiàn)PD檢測(cè)器，COS/CO2檢測(cè)限可達(dá)到10×10-9的測(cè)量能力。

采用日本堀場(chǎng)SGD-SC 0.5L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(duì)瓶號(hào)為356730#，摩爾分?jǐn)?shù)為10.07×10-6的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行線(xiàn)性分割，以考察該方法的線(xiàn)性范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表20。

表20　方法線(xiàn)性度考察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

相關(guān)系數(shù)r=0.99999；線(xiàn)性方程lny= 0.5943lnx+8.0522(式中y為峰高值，x為摩爾分?jǐn)?shù)值)，線(xiàn)性誤差≤±0.7%，該儀器線(xiàn)性度良好。

實(shí)驗(yàn)表明本研究建立的分析方法可以滿(mǎn)足COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)性能評(píng)價(jià)的要求。

5氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混勻及均勻性考察

研究中按照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》[6-9]，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(cè)量值，x為氣體配制后的放置時(shí)間)，計(jì)算公式見(jiàn)式 (9)～(12)。

(9)

(10)

式中，b0為線(xiàn)性回歸方程的截距；

(11)

式中，n為測(cè)量次數(shù)；

(12)

式中，s(b1)為b1的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

在評(píng)價(jià)過(guò)程中，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(jiàn)表21～22。

表21　SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混勻?qū)嶒?yàn)結(jié)果

表22　COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)混勻?qū)嶒?yàn)結(jié)果

從表21～22實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出SO2/CO2、COS/CO2除個(gè)別氣體在氣體混勻過(guò)程中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略大一些外均呈現(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。

6重量制備值與色譜分析值比對(duì)誤差

表23～24為氣相色譜法與重量法的一致性比對(duì)結(jié)果。

表23　SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)方法一致性比對(duì)誤差

研究中，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(duì)其它各瓶氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比對(duì)分析，以考察重量法配制量值的準(zhǔn)確性和氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在保存和復(fù)現(xiàn)過(guò)程中量值的變化，旁證重量法配制的準(zhǔn)確性及可靠性。

經(jīng)考察用本研究建立的氣相色譜方法對(duì)重量法制備的各系列氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一致性考察的測(cè)量結(jié)果，最大比對(duì)誤差<±3%。實(shí)驗(yàn)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。

表24　COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)方法一致性比對(duì)誤差

7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25～26為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性考察的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？疾爝^(guò)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)，以考察標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在規(guī)定的時(shí)間間隔和環(huán)境條件下其特性量值在規(guī)定時(shí)間范圍內(nèi)的性質(zhì)，表25為T(mén)分布考察的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表25　SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表26　COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：COS/CO2和SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)穩(wěn)定性最大變化量均≤±1.4%。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T檢驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，該類(lèi)氣體在瓶?jī)?nèi)，仍有逐漸下降的趨勢(shì)，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0.5 a。

8標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的穩(wěn)定性考察

研究中按照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》采用F檢驗(yàn)方法，進(jìn)行了瓶?jī)?nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的考察，以判斷標(biāo)準(zhǔn)氣體的特性在一瓶中的差異，計(jì)算公式見(jiàn)式(13)～(21)。

(13)

(14)

(15)

式中，SS內(nèi)為組內(nèi)Y值方差平方和。

(16)

式中，SS間為組間各平均值與總平均值方差平方和的n倍。

N1=k-1

(17)

N2=k(n-1)

(18)

式中，N1,N2為自由度。

MS間=SS間/N1

(19)

式中，MS間為不同壓力值測(cè)定測(cè)量結(jié)果的均方。

MS內(nèi)=SS內(nèi)/N2

(20)

式中，MS內(nèi)為同一壓力值測(cè)量結(jié)果的均方。

F=MS間/MS內(nèi)

(21)

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

若FFα, N1, N2，瓶?jī)?nèi)均勻性不好。表27～28為氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表27　SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：1)瓶號(hào)：329632； 2)瓶號(hào)：356787。

表28　COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)隨壓力變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

注：1)瓶號(hào)：506612； 2)瓶號(hào)：506624。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，鋼瓶?jī)?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≤±1.4%，在分析誤差之內(nèi)，說(shuō)明本項(xiàng)研究所制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)其量值不隨壓力而改變，具有良好的穩(wěn)定特性。

9結(jié)論

1. 經(jīng)對(duì)本項(xiàng)研究中不同含量2個(gè)系列氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)，其相對(duì)擴(kuò)展不確定度見(jiàn)表29～30。本項(xiàng)研究中各類(lèi)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)達(dá)到了以下指標(biāo)，定值方法：重量法；包裝形式：COS/CO2、SO2/CO2(4 L)涂氟的碳鋼瓶；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。

2. 二氧化碳中羰基硫、二氧化碳中二氧化硫氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)日前被國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局批準(zhǔn)為國(guó)家級(jí)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)編號(hào)及性能指標(biāo)見(jiàn)表31。

表29　COS/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重量配制的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

表30　SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重量配制的相對(duì)擴(kuò)展不確定度

表31　COS/CO2、SO2/CO2氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)批準(zhǔn)信息表

研究和后續(xù)使用結(jié)果驗(yàn)證表明，該項(xiàng)成果對(duì)統(tǒng)一全國(guó)該組分的量值和參與國(guó)際的互認(rèn)，保障我國(guó)食品添加劑二氧化碳產(chǎn)品質(zhì)量的溯源、傳遞做出了努力和貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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李春瑛，女，研究員?，F(xiàn)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院工作，從事氣體相關(guān)領(lǐng)域課題的基礎(chǔ)研究、相關(guān)領(lǐng)域分析方法的建立、國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)/物質(zhì)量咨詢(xún)委員會(huì)(CCQM)組織的國(guó)際關(guān)鍵比對(duì)與研究比對(duì); 國(guó)家級(jí)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的研究以及計(jì)量法規(guī)的制定等工作。

【續(xù)完】

Study on Gravimetric Preparation and Performance Evaluation of Sulfur Dioxide and Carbonyl Sulfide in Carbon Dioxide Reference Materials as Food Additives (Part Ⅱ)

LI Chunying, HAN Qiao, WANG Defa, ZHANG Xin，DU Qiufang

(National Institute of Metrology, Beijing 100013, China)

Abstract:In this paper, The SO2 and COS trace gas reference material in the food addition carbon dioxide were studied, while the purity of raw gas and the dilute gas in the gravimetric preparation process have been analyzed and the uncertainty of the results have been also evaluated. This article described the experimental principle, method and condition of SO2 and COS gas reference materials as food additives analyzed by GC-2014 gas chromatograph with Flame photometric detector (FPD) made by Japan Shimadzu Corporation. Through the optimization experiment of SO2 and COS gas reference materials, the precision and linearity of this method were determined. When the mole fraction of SO2 and COS is in the range of (1～10)×10-6, calculation method and experimental results of performance evaluation for these gas reference materials were also clarified in this paper.

Key words:sulfur dioxide in carbon dioxide; carbonyl sulfide in carbon dioxide; gas reference materials; uncertainty evaluation

作者簡(jiǎn)介：

doi:10.3969/j.issn.1007-7804.2016.02.008

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ117

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-7804(2016)02-0026-08

收稿日期：2015-06-17