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

尹強(qiáng)，周陽(yáng)，葉麗芳，賈相銳，毛沅文，周瑾艷，陳玲

（廣東省計(jì)量科學(xué)研究院，廣州 510405）

隨著生活水平逐步提高，食品安全逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。二氧化碳是目前世界上應(yīng)用最廣泛的氣體食品添加劑，其品質(zhì)好壞，直接關(guān)系到廣大消費(fèi)者的身體健康。在飲料行業(yè)，國(guó)內(nèi)外許多廠家生產(chǎn)的碳酸飲料需要使用大量的食品級(jí)二氧化碳［1–2］。由于生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備及檢測(cè)手段不規(guī)范，二氧化碳?xì)怏w內(nèi)通常會(huì)含有一氧化碳、苯、硫、醛、烴等雜質(zhì)［3］。食品級(jí)二氧化碳中往往存在一氧化氮等雜質(zhì)，一氧化氮通過(guò)食品進(jìn)入人體，會(huì)對(duì)人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害［4］。一氧化氮在空氣中不穩(wěn)定，很快轉(zhuǎn)變?yōu)槎趸?duì)人體產(chǎn)生刺激作用，氮氧化物主要對(duì)人體呼吸道有損害［5］。

食品添加劑二氧化碳的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)二氧化碳中一氧化氮雜質(zhì)的含量作出規(guī)定［6］。然而，我國(guó)目前還沒(méi)有二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，相關(guān)的測(cè)量工作均缺少有效的量值溯源保證。筆者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)，為食品級(jí)二氧化碳的質(zhì)量保證及量值溯源提供了技術(shù)和物質(zhì)支持。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器與試劑

氣瓶真空干燥裝置：RC–Y5 型，江蘇丹陽(yáng)榮昌空分廠；

氣瓶滾動(dòng)裝置：江蘇丹陽(yáng)榮昌空分廠；

配氣裝置：上海博睿杰公司；

質(zhì)量比較儀：CCE40K3 型，德國(guó)賽多利斯公司；

氣相色譜儀：（1）GC9560 型，配等離子發(fā)射檢測(cè)器、火焰離子化檢測(cè)器，上海華愛(ài)色譜分析技術(shù)有限公司；（2）GC2010 型，配熱導(dǎo)檢測(cè)器，日本島津公司；

一氧化碳?xì)怏w分析儀：Model48i 型，美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司；

二氧化碳?xì)怏w分析儀：Model410i 型，美國(guó)賽默飛世爾科技有限公司；

精密露點(diǎn)儀：373LX 型，瑞典MBW 公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Tensor37 型，德國(guó)布魯克公司；

氮 氧 化 物 分 析 儀：CLD60 型，瑞 士ECO PHYSICS 公司；

二氧化碳、一氧化氮：高純氣體，純度分別為99.999%，99.9%，光明化工研究設(shè)計(jì)院有限公司；

氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號(hào)為GBW(E) 061538，氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷的含量分別為13.2，9.24，9.78，9.94，9.84，9.41 μmol／mol，大連大特氣體有限公司。

1.2 原料氣純度分析

按照GB／T 23938–2009 檢測(cè)二氧化碳原料氣中氫氣、氧氣、氮?dú)?、總烴、一氧化碳、水等雜質(zhì)的含量。采用配等離子體發(fā)射檢測(cè)器（PED）的氣相色譜儀對(duì)標(biāo)示純度為99.999%的二氧化碳高純氣體的純度及水分之外的雜質(zhì)含量進(jìn)行分析確認(rèn)，采用光腔衰蕩法測(cè)定高純二氧化碳中的水分含量。其中，配PED 檢測(cè)器的氣相色譜儀使用4 m Porapak Q 色譜柱（180～250 μm) 1 根，2 m 5A 分子篩色譜柱（250～380 μm） 3 根，0.5 m CST 色 譜 柱（180～250 μm）1 根。建立的氣相色譜方法分析條件［7］：載氣為高純氬氣，輸出壓力為0.6 MPa；驅(qū)動(dòng)氣為氮?dú)?，輸出壓力?.4 MPa；柱溫為50℃；定量管體積為0.5 mL。

采用傅立葉變換紅外光譜法（配MCT 檢測(cè)器和可調(diào)光程的紅外氣體池）分析一氧化氮?dú)怏w純度，光程可調(diào)范圍為4～48 m，紅外掃描范圍為4 000～400 cm–1，分辨率為0.4 cm–1，氣體池壓力為50～51 kPa，溫度為30℃；一氧化氮中二氧化氮和氧化亞氮雜質(zhì)利用傅里葉變換紅外吸收光度法進(jìn)行定性定量分析［8］；雜質(zhì)氮?dú)夂坎捎肨CD 色譜法測(cè)定［9］，色譜柱為T(mén)DX02 柱，柱溫為90℃；測(cè)定雜質(zhì)甲烷含量時(shí)，先用高純氮?dú)庀♂尦审w積分?jǐn)?shù)為2%的氮中一氧化氮混合氣體，再利用FID 色譜法檢測(cè)［10］；雜質(zhì)一氧化碳、二氧化碳分別采用賽默飛Model48i 型、Model410i 型氣體分析儀利用紅外法檢測(cè)，室溫進(jìn)樣，氣體流量均為50 mL／min［11］。

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

二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用國(guó)際公認(rèn)的稱量法配制［12］。配制300～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，中間氣的稀釋次數(shù)為1 次；配制100～300 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，中間氣的稀釋次數(shù)為2 次。具體操作步驟是向已處理的氣瓶中充入一氧化氮?dú)怏w，再充入稀釋氣二氧化碳，可得二氧化碳中一氧化氮混合氣體，充入每一種氣體前后均稱量鋼瓶的質(zhì)量，以充氣前后的質(zhì)量差計(jì)算充入組分的質(zhì)量，從而得出混合氣中一氧化氮的物質(zhì)的量濃度。根據(jù)目標(biāo)濃度值，采用二次或三次稀釋法制備100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

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

采用瑞士ECO PHYSICS 公司的CLD60 氮氧化物分析儀，利用化學(xué)發(fā)光法對(duì)混合氣體中的一氧化氮組分進(jìn)行定量［13］，該儀器量程為0～3 500 μmol／mol，最小分度值為0.1 μmol／mol。具體進(jìn)樣條件：室溫進(jìn)樣，氣體流量為30 mL／min。

2 結(jié)果與討論

2.1 原料氣體純度分析結(jié)果

2.1.1 二氧化碳

二氧化碳?xì)怏w中的雜質(zhì)以氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)為參照基準(zhǔn)，用氣相色譜外標(biāo)法定量。氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及二氧化碳?xì)怏w氣相色譜圖分別如圖1、圖2 所示。原料氣純度由雜質(zhì)扣除法計(jì)算，二氧化碳?xì)怏w中各雜質(zhì)含量分析結(jié)果列于表1。

圖1 氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)氣相色譜圖

圖2 二氧化碳?xì)怏w氣相色譜圖

原料氣純度采用雜質(zhì)扣除法計(jì)算。根據(jù)表1 各雜質(zhì)濃度分析結(jié)果，計(jì)算可得二氧化碳?xì)怏w的純度為99.998 5%。

表1 二氧化碳?xì)怏w各雜質(zhì)含量分析結(jié)果

2.1.2 一氧化氮

圖3 為一氧化氮高純氣體的典型紅外光譜圖。圖3 中2 270～2 130 cm–1為氧化亞氮的吸收峰，該吸收峰受附近其它吸收峰的影響相對(duì)較小，故作為氧化亞氮的特征吸收峰進(jìn)行定量分析［8］。2 952～2 841 cm–1處的吸收峰為二氧化氮的特征吸收峰，用于一氧化氮中二氧化氮雜質(zhì)的定量分析。

圖3 一氧化氮高純氣體紅外光譜圖

當(dāng)分析物濃度范圍較大時(shí)，傅里葉紅外光譜法定量的線性較差，因此本實(shí)驗(yàn)使用動(dòng)態(tài)稀釋法，將高濃度的二氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)稀釋成不同濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)氣體，建立二氧化氮的紅外吸收標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，對(duì)一氧化氮中二氧化氮的特征峰進(jìn)行積分，以外標(biāo)法對(duì)一氧化氮中的二氧化氮雜質(zhì)進(jìn)行定量。再通過(guò)動(dòng)態(tài)稀釋得到系列不同濃度的其它雜質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的紅外光譜圖。當(dāng)二氧化氮含量為0.002 32～0.002 52 mol／mol 時(shí)，與一氧化氮中二氧化氮的紅外吸收峰面積接近，表明一氧化氮中二氧化氮組分的含量在0.002 32～0.002 52 mol／mol 范圍內(nèi)。在兩點(diǎn)間建立校正曲線，計(jì)算得一氧化氮高純氣體中雜質(zhì)二氧化氮的濃度為0.002 36 mol／mol。

采用與二氧化氮雜質(zhì)定量分析方法相同的步驟對(duì)一氧化氮高純氣體中的雜質(zhì)氧化亞氮進(jìn)行定量分析，當(dāng)氧化亞氮濃度為0.001 10～0.001 20 mol／mol時(shí)，得到的紅外吸收峰面積與一氧化氮高純氣體中的氧化亞氮接近，表明一氧化氮高純氣體中雜質(zhì)氧化亞氮的濃度在該范圍內(nèi)，推算得到一氧化氮高純氣體中雜質(zhì)氧化亞氮的濃度為0.001 11 mol／mol。

分別按照1.2 方法分析，一氧化氮高純氣體中的氮?dú)?、甲烷雜質(zhì)的氣相色譜圖分別如圖4、圖5 所示，一氧化氮高純氣體中雜質(zhì)含量測(cè)定結(jié)果列于表2。

圖4 一氧化氮高純氣體中氮?dú)獾臍庀嗌V圖

圖5 一氧化氮高純氣體中甲烷的氣相色譜圖

原料氣純度采用雜質(zhì)扣除法計(jì)算。根據(jù)表2 雜質(zhì)含量分析結(jié)果，可計(jì)算得到一氧化氮高純氣體的純度為99.365 9%。

表2 一氧化氮高純氣體中雜質(zhì)含量分析結(jié)果

2.2 包裝容器選擇

選擇普通鋁合金氣瓶作為包裝容器，考察該類型氣瓶對(duì)組分氣是否產(chǎn)生吸附［14］。具體步驟：（1）取裝有混合均勻的300 μmol／mol 二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w的3 只氣瓶作為母瓶；（2）采用與母瓶材質(zhì)相同且來(lái)自同一批的氣瓶作為子瓶，將母瓶中的氣體混合物分裝一半到子瓶中；（3）以母瓶量值為參考，獲得子瓶分析值及相對(duì)偏差。

采用氮氧化物分析儀測(cè)定母瓶及不同子瓶中混合氣體中一氧化氮的濃度，測(cè)定結(jié)果列于表3。

表3 氣體分裝試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3 數(shù)據(jù)可知，子瓶與母瓶中混合氣體的組分濃度沒(méi)有顯著差異，表明選用的氣瓶對(duì)二氧化碳中一氧化氮沒(méi)有明顯的吸附現(xiàn)象，適用于充裝所研制的混合氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。

2.3 混勻試驗(yàn)結(jié)果

二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)制備完成后，將裝有氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的氣瓶放置于滾動(dòng)裝置上，分別在混勻處理0.5，1.0，1.5，2.0 h 后（分析時(shí)間不計(jì)算在內(nèi)）取樣，采用氮氧化物分析儀測(cè)定二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)各組分的濃度，混勻試驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表4。

表4 混勻試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表4 數(shù)據(jù)可知，混合氣體混勻處理0.5～2 h，量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.49%～0.66%。試驗(yàn)結(jié)果表明混勻0.5 h 后樣品量值即趨于穩(wěn)定，混勻0.5 h即可滿足均勻性要求。

2.4 放壓試驗(yàn)

隨著標(biāo)準(zhǔn)氣體的消耗，瓶?jī)?nèi)壓力可能導(dǎo)致氣體發(fā)生物理化學(xué)變化。一般認(rèn)為在瓶?jī)?nèi)壓力較低時(shí)，有可能產(chǎn)生量值變化，因此需要考慮壓力變化對(duì)氣體濃度的影響。所研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)最終充裝壓力為10 MPa，為考察該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)組分濃度隨壓力變化的情況，使用流量計(jì)式減壓閥分別以10，7，3，0.5 MPa 壓力值放壓處理，當(dāng)達(dá)到相應(yīng)的壓力值時(shí)，采用氮氧化物分析儀重復(fù)測(cè)量3 次，記錄氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度數(shù)據(jù)，用F檢驗(yàn)法考察其量值穩(wěn)定性，結(jié)果表明統(tǒng)計(jì)量F均小于F0.05，3，8表值，表明濃度為100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮混合氣體在壓力降至0.5 MPa 過(guò)程中，壓力變動(dòng)性對(duì)組分濃度值沒(méi)有顯著性影響，組分濃度值是穩(wěn)定的。同時(shí)也說(shuō)明在試驗(yàn)壓力范圍內(nèi)，該氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在氣瓶?jī)?nèi)均勻性良好。

2.5 穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了考察標(biāo)準(zhǔn)氣體在室溫儲(chǔ)存條件是否具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性，確定其有效期限，對(duì)所配混合氣體進(jìn)行了為期12 個(gè)月的考察。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)技術(shù)規(guī)范，本著前密后疏的原則，對(duì)二氧化碳中一氧化氮混合氣體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)行考察。對(duì)氮氧化物分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)后，在不同的時(shí)間間隔內(nèi)對(duì)所配制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的一氧化氮含量進(jìn)行分析測(cè)定。

根據(jù)JJF 1343–2012 《標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計(jì)學(xué)原理》，在不容易真實(shí)地定義標(biāo)準(zhǔn)樣品動(dòng)力學(xué)機(jī)理的情況下，以時(shí)間為自變量，以一氧化氮組分濃度分析值為因變量進(jìn)行線性擬合，可計(jì)算得到擬合直線的斜率b1、截距b0、標(biāo)準(zhǔn)偏差s、斜率不確定度s(b1)。

若｜b1｜＜t0.95，n–2·s(b1)，則表示氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的濃度對(duì)時(shí)間變量無(wú)明顯差異，樣品穩(wěn)定性良好；否則，樣品穩(wěn)定性不良。二氧化碳中一氧化氮混合氣體穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 二氧化碳中一氧化氮混合氣體穩(wěn)定性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

由表5 統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，在12 個(gè)月的穩(wěn)定性考察中，穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)計(jì)算的回歸系數(shù)｜b1｜均小于t0.95，n–2·s(b1)，即在95%置信區(qū)間內(nèi)，氣瓶?jī)?nèi)氣體組分濃度無(wú)顯著性差異，表明二氧化碳中一氧化氮混合氣體的組分量值在12 個(gè)月的儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定性良好。

2.6 定值及不確定度評(píng)價(jià)

研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采用稱量法定值。稱量法制備校準(zhǔn)混合氣體是以經(jīng)典的稱量方法為基礎(chǔ)、以國(guó)際單位制“質(zhì)量”為基準(zhǔn)的絕對(duì)方法，可以直接溯源到國(guó)際質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)ISO 導(dǎo)則及各項(xiàng)不確定度分析過(guò)程，所研制的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)不確定度主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：

（a）稱量法配氣引入的不確定度；

（b）壓力穩(wěn)定性引入的不確定度；

（c）長(zhǎng)期時(shí)間穩(wěn)定性引入的不確定度。

定值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc，rel按照式(1)計(jì)算：

式中：urel(M)——配氣引入的相對(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。

制備過(guò)程中稱量法配氣引入的不確定度與組分的相對(duì)分子質(zhì)量、原料氣的加入質(zhì)量與原料氣純度有關(guān)。根據(jù)GB／T 5274.1–2018 計(jì)算二氧化碳中一氧化氮的稱量不確定度。

均勻性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(P)按照式(2)計(jì)算［15］：

式中：MSb——放壓實(shí)驗(yàn)組間均方差；

MSi——放壓試驗(yàn)組內(nèi)均方差；

根據(jù)公式(3)計(jì)算穩(wěn)定性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度urel(H)：

式中：s(b1)——穩(wěn)定性試驗(yàn)擬合直線斜率的不確定 度；

t——穩(wěn)定性考察時(shí)間。

配氣過(guò)程、均勻性、穩(wěn)定性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度及最終合成相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度、擴(kuò)展不確定度列于表6。

表6 二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)量值不確定度

從表6 可知，濃度為100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的擴(kuò)展不確定度的最大值為1.61%，因此，所研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的相對(duì)擴(kuò)展不確定度Uc，rel為2%（k=2）。

3 結(jié)語(yǔ)

利用稱量法制備了氣瓶裝的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。所研制的二氧化碳中一氧化氮?dú)怏w標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)均勻性、穩(wěn)定性滿足要求，運(yùn)用于實(shí)際樣品的測(cè)量中，使用結(jié)果滿意，12 個(gè)月內(nèi)滿足以下指標(biāo)：濃度為100～1 000 μmol／mol，相對(duì)擴(kuò)展不確定度（k=2）為2%，充裝壓力為10 MPa，最低使用壓力為0.5 MPa。