二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)研制

胡德龍，張?chǎng)?，陳家穎

(重慶市計(jì)量質(zhì)量檢測(cè)研究院，重慶 401121)

二氧化碳作為氣體食品添加劑，廣泛應(yīng)用于碳酸飲料、啤酒，以及食品保鮮等領(lǐng)域，由于其特殊的用途，對(duì)其質(zhì)量的要求更高。食品級(jí)二氧化碳中存在的一氧化氮等雜質(zhì)容易吸附在食品內(nèi)，通過食品進(jìn)入人體，從而對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害［1］。一氧化氮不穩(wěn)定，人體吸收一氧化氮會(huì)迅速氧化成二氧化氮，二氧化氮具有強(qiáng)腐蝕性和毒性，對(duì)人體呼吸道有一定的傷害。吸入初期眼睛及呼吸道僅有輕微的刺激癥狀，經(jīng)數(shù)小時(shí)或更長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)胸悶、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫紺等癥狀。GB 1886.228–2016 《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 二氧化碳》［2］中規(guī)定二氧化碳中一氧化氮雜質(zhì)含量不大于2.5 μL／L。因此必須嚴(yán)格控制食品級(jí)二氧化碳中一氧化氮的含量，而可靠的測(cè)定結(jié)果對(duì)于保證食品級(jí)二氧化碳產(chǎn)品質(zhì)量和風(fēng)險(xiǎn)控制具有重要意義。

為保證測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、可靠，應(yīng)采用量值準(zhǔn)確可靠的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［3–6］對(duì)分析儀器進(jìn)行檢定。目前我國(guó)尚無二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，現(xiàn)有二氧化碳標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均采用單一組分制備，在實(shí)際檢測(cè)過程中，每種雜質(zhì)需要使用一臺(tái)儀器單獨(dú)分析，所用設(shè)備種類復(fù)雜，致使相關(guān)檢測(cè)儀器的檢定無標(biāo)準(zhǔn)可依，其量值的準(zhǔn)確性無法保證。為快捷、高效、精準(zhǔn)地檢測(cè)二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w含量，筆者以高純二氧化碳和一氧化氮?dú)怏w為原料，采用稱量法制備了二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)［7–14］，并對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)定［15］。該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，可用于食品級(jí)二氧化碳分析方法的確認(rèn)和評(píng)價(jià)，為食品級(jí)二氧化碳檢測(cè)方法的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

配氣裝置：PQZ–Ⅱ型，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院；

電子天平：LP1200S–M 改進(jìn)型，德國(guó)賽多利斯公司；

氣體分析儀：AO2040 型，ABB（中國(guó)）有限公司；氮?dú)猓杭兌葹?9.9999%，重慶朝陽(yáng)氣體有限公司；高純二氧化碳?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：純度為99.999%，編號(hào)為GBW(E) 060045，重慶同輝科發(fā)氣體有限公司；

高純一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：純度為99.99%，編號(hào)為GBW(E) 060042，中昊光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司。

1.2 儀器工作條件

檢測(cè)器：FID 檢測(cè)器；鎳轉(zhuǎn)換爐溫度：350℃；色譜柱：5A 分子篩不銹鋼填充柱(4m×3mm，美國(guó)高麥克儀器公司)；載氣：氮?dú)猓髁繛?0 mL／min；柱箱溫度；80℃；汽化室溫度：100℃；檢測(cè)器溫度：150℃；進(jìn)樣方式：1 mL 定量環(huán)，自動(dòng)切閥進(jìn)樣。

1.3 原料氣純度分析

在1.2 儀器工作條件下，分別對(duì)高純二氧化碳和高純一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如下。

高純二氧化碳?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：O2≤0.01 μmol／mol；Ar ≤0.02 μmol／mol；H2≤0.01 μmol／mol；CO ≤0.01 μmol／mol；N2≤0.01 μmol／mol；CH4≤0.01 μmol／mol；H2O ≤0.05 μmol／mol。

高純一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：NO2≤20 μmol／mol。

由此可知，所用高純二氧化碳和高純一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)原料氣均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.4 氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備

（1）50 μmol／mol。首先對(duì)空瓶進(jìn)行干燥、沖洗、抽真空(氣瓶壓力低于5.0 Pa)等預(yù)處理，然后向氣瓶中充入經(jīng)計(jì)算好的高純二氧化碳?xì)怏w，通過稱量充入氣體前后氣瓶質(zhì)量之差，確定充入氣瓶?jī)?nèi)高純二氧化碳?xì)怏w的質(zhì)量。按同樣方法在另一瓶?jī)?nèi)充入高純一氧化氮?dú)怏w。通過充氣裝置將配制好的相應(yīng)質(zhì)量一氧化氮?dú)怏w充入二氧化碳?xì)怏w中，稱量并記錄氣瓶質(zhì)量，計(jì)算充入氣瓶?jī)?nèi)各組分氣體的質(zhì)量，最后計(jì)算出二氧化碳中一氧化氮濃度為49.7 μmol／mol，即為制備的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的定值結(jié)果。

（2）25 μmol／mol。對(duì)空瓶進(jìn)行預(yù)處理，處理完后保持空瓶干燥，置于配氣室備用；氣瓶抽真空，并用制備的一氧化氮濃度為49.7 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)沖洗3 次，然后抽真空至氣瓶壓力低于5.0 Pa；稱量空瓶質(zhì)量；向空瓶?jī)?nèi)充入計(jì)算量的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，冷卻至室溫后進(jìn)行稱量；向瓶?jī)?nèi)充入等摩爾質(zhì)量的高純二氧化碳?xì)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，冷卻至室溫后進(jìn)行稱量；根據(jù)每次稱量數(shù)據(jù)，計(jì)算稀釋2 倍后的混合氣體中一氧化氮濃度為24.5 μmol／mol。

（3）5 μmol／mol。按相同方法將制備的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稀釋10 倍，根據(jù)每次稱量數(shù)據(jù)，計(jì)算稀釋10 倍后的混合氣體中一氧化氮濃度為5.18 μmol／mol。

1.5 機(jī)械混勻試驗(yàn)

二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配制完成后，將氣瓶置于氣瓶滾動(dòng)裝置上，連續(xù)滾動(dòng)2 h，然后靜置24 h，使瓶?jī)?nèi)氣體混合均勻。在1.2 儀器工作條件下，分別在混勻后0.5 h，1 h，3 h，1 d，3 d，7 d，12 d，20 d 對(duì)二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度進(jìn)行測(cè)定。利用測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差評(píng)價(jià)其機(jī)械混勻效果。

1.6 均勻性試驗(yàn)

將充有10 MPa 以上的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，通過減壓閥按10，7，5，3，1，0.5 MPa 放氣。采用氣體分析儀分別對(duì)每個(gè)壓力點(diǎn)下二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度進(jìn)行測(cè)定。對(duì)測(cè)定結(jié)果進(jìn)行F檢驗(yàn)，判斷壓力變動(dòng)對(duì)制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性是否存在顯著影響。

1.7 穩(wěn)定性試驗(yàn)

研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在常溫下運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用，要求長(zhǎng)期穩(wěn)定良好，因此不考慮短期穩(wěn)定性的影響。根據(jù)先密后疏的原則，對(duì)制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行為期12 個(gè)月的穩(wěn)定性檢驗(yàn)。采用氣體分析儀分別在不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)JJF 343–2012 《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理》［16］，采用直線擬合法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行t檢驗(yàn)，判斷制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)儲(chǔ)存穩(wěn)定性是否良好。

2 結(jié)果與討論

2.1 混勻試驗(yàn)

按1.5 處理方法，在1.2 儀器工作條件下，分別在混勻后0.5 h，1 h，3 h，1 d，3 d，7 d，12 d，20 d 對(duì)二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度平行測(cè)定5次，結(jié)果見表1。

表1 混勻試驗(yàn)結(jié)果

由表1 可知，制備的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在混勻處理后0.5 h，1 h，3 h，1 d，3 d，7 d，12 d，20 d 間隔時(shí)間，測(cè)定結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.206%～0.627%。說明該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)機(jī)械混勻性良好。

2.2 均勻性檢驗(yàn)

按1.6 試驗(yàn)方法，在1.2 儀器工作條件下，分別對(duì)每個(gè)壓力點(diǎn)下二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度平行測(cè)定5 次，結(jié)果見表2。

表2 均勻性試驗(yàn)結(jié)果 μmol／mol

對(duì)表2 數(shù)據(jù)采用方差分析法進(jìn)行處理，計(jì)算得F=1.34。查表得F(0.05，5，28)=2.45，則F＜F(0.05，5，28)，表明壓力變動(dòng)對(duì)研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的均勻性不會(huì)造成顯著影響，該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性良好。

2.2 穩(wěn)定性檢驗(yàn)

按1.7 試驗(yàn)方法，在1.2 儀器工作條件下，分別選取配制后第1，2，3，5，7，9，12 個(gè)月7 個(gè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)制備的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見表3。以測(cè)定時(shí)間為自變量，以標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中一氧化氮濃度為因變量進(jìn)行線性回歸，計(jì)算擬合直線的斜率|β1|、截距β0、標(biāo)準(zhǔn)偏差s、斜率不確定度s(β1)，結(jié)果見表4。由表4 可知，3 種濃度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的|β1|值均小于t(0.95，n–2)s(β1)，表明該標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在12 個(gè)月內(nèi)是穩(wěn)定的。

表3 穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

表4 穩(wěn)定性試驗(yàn)分析結(jié)果

3 不確定度評(píng)定

3.1 不確定度來源

參照相關(guān)文獻(xiàn)［17–18］，稱量法制備氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的不確定度評(píng)定一般包括3 部分：制備過程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(p)；均勻性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(h)；穩(wěn)定性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(s)。

3.2 制備過程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(p)

制備過程引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度與組分的摩爾質(zhì)量、原料氣加入質(zhì)量和原料氣純度3 方面因素有關(guān)，可以通過GB／T 5274.1–2018［8］中給出的公式分別計(jì)算5，25，50 μmol／mol 濃度點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取最大值，得urel(p)=0.91%。

3.3 均勻性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(h)

均勻性引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按下式計(jì)算：

式中：MS1——同一壓力值重復(fù)測(cè)定結(jié)果的均方；

MS2——不同壓力值測(cè)量結(jié)果的均方；

n——重復(fù)測(cè)量次數(shù)；

x——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的稱量法制備值。

將不同壓力下的測(cè)定值視為組間，相同壓力下的重復(fù)測(cè)定值視為組內(nèi)，參照瓶間均勻性評(píng)定的單因素方差分析方法［18–19］，求得MS1和MS2，分別計(jì)算各個(gè)濃度點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取最大值得urel(h)=0.93%。

3.4 穩(wěn)定性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(s)

穩(wěn)定性引入相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度按下式計(jì)算：

式中：s(β1)——斜率不確定度；

t——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)有效時(shí)間；

x——?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的稱量法制備值。

根據(jù)穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果，分別計(jì)算各個(gè)濃度點(diǎn)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度，取最大值得urel(s)=0.64%

3.5 合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(c)

合成上述3 個(gè)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量，得二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

取包含因子k=2，則相對(duì)擴(kuò)展不確定度：

4 結(jié)語(yǔ)

以高純二氧化碳和一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為原料，采用稱量法制備二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，其濃度為5，25，50 μmol／mol，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為3.0%(k=2)，有效期為一年，可用于食品級(jí)二氧化碳分析方法的確認(rèn)和評(píng)價(jià)。