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        堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的研制

        2019-07-26 10:00:52黃彥捷周瑾艷陳玲許俊斌尹強花秀兵王世超林鏗黃振宇吳朝陽
        湖南大學學報·自然科學版 2019年6期

        黃彥捷 周瑾艷 陳玲 許俊斌 尹強 花秀兵 王世超 林鏗 黃振宇 吳朝陽

        摘? ?要:通過原料提純、定性分析、定量分析、均勻性試驗、穩(wěn)定性試驗、聯(lián)合定值和不確定度評定等方法對堿性橙Ⅱ的純度標準物質(zhì)進行了研究.對市售的堿性橙Ⅱ原料進行重結晶,制備了候選標準物質(zhì).候選物經(jīng)提純、干燥后,封裝在棕色玻璃瓶中. 采用分層隨機抽樣的方法,選取數(shù)個樣品瓶進行均勻性和穩(wěn)定性的研究,結果表明所制備的堿性橙Ⅱ標準物質(zhì)具有良好的均勻性和足夠的穩(wěn)定性. 利用紅外光譜、高分辨質(zhì)譜和核磁共振H譜確證了堿性橙候選標準物的化學成分. 聯(lián)合了7個資質(zhì)實驗室進行了合作認證. 采用質(zhì)量平衡法(含液相色譜法面積歸一化分析、含水率、灰分含量及殘留溶劑分析)對其進行了純度分析. 結果表明,該標準物質(zhì)的純度認證值為99.2%,相對擴展不確定度為1.0% (k=2). 該純度標準物質(zhì)已被鑒定為國家二級標準物質(zhì),編號為GBW(E)100372,可望用于食品和化妝品分析中的儀器校準和方法評定.

        關鍵詞:計量學;堿性橙Ⅱ;標準物質(zhì);液相色譜;質(zhì)量平衡法

        中圖分類號:O657.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼:A

        Research on a Purity Certified Reference Material of Basic Orange Ⅱ

        HUANG Yanjie1,2,ZHOU Jinyan2,CHEN Ling1,2,XU Junbin1,2,YIN Qiang1,2,

        HUA Xiubin2,WANG Shichao2,LIN Keng2,HUANG Zhenyu1,2,WU Zhaoyang3

        (1. South China National Center of Metrology,Guangzhou 510405,China;

        2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology,

        Guangdong Provincial Institute of Metrology,Guangzhou 510405,China;

        3. College of Chemistry and Chemical Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China)

        Abstract: A purity certified reference material for Basic Orange II was studied by means of raw material purification, qualitative analysis,quantitative analysis,homogeneity test,stability test,as well as characterization and uncertainty evaluation. The candidate standard substance was prepared by recrystallization of purchased Basic Orange II. The candidates were purified,dried,and then encapsulated in brown glass bottles. The homogeneity and stability of several sample bottles were studied by stratified random sampling. The chemical composition of the candidate reference material of Basic Orange II was confirmed by infrared(IR) spectrum,high resolution mass spectrometry (MS) and proton nuclear magnetic resonance(NMR). 7 qualified laboratories were cooperated for certification of Basic Orange II. The purity of the product was analyzed by mass balance method (concluding area normalization, water content, ash content and residual solvent analysis by liquid chromatography). The results showed that the certified value of the purity reference material was 99.2% and the relative expansion uncertainty was 1.0%(k = 2). The purity reference material was identified as the national grade II certified reference materials,which was numbered GBW(E)100372,and was expected to be used in the calibration of instruments and method evaluation in food and cosmetic analysis.

        Key words: metrology;basic orange II;reference material;liquid chromatography;mass balance

        食用色素是一種能在一定程度上改變食物原有顏色的食品添加劑. 合理利用食用色素,可以使食物顏色更加豐富多彩,對人們的食欲也有促進作用.但隨著食用色素安全性實驗技術的發(fā)展,發(fā)現(xiàn)有的合成色素有致癌作用,能誘發(fā)染色體變異. 然而某些非食用色素卻因其價格低廉、著色力強、穩(wěn)定性好等優(yōu)點一次又一次流入食品生產(chǎn)線.針對一系列合成食用色素的檢測方法也不斷被開發(fā)出來[1-4].

        自2008年至今,我國打擊違法添加非食用物質(zhì)和濫用食品添加劑專項整治領導小組已陸續(xù)發(fā)布了6批《食品中可能違法添加的非食用物質(zhì)和易濫用的食品添加劑名單》,其中可能違法添加的非食用物質(zhì)名單中有7種為常見工業(yè)染料,常被用作著色劑非法添加到食品中,分別是蘇丹紅、玫瑰紅B(羅丹明B)、王金黃(堿性橙Ⅱ)、酸性橙Ⅱ、堿性嫩黃O、美術綠、孔雀石綠、堿性黃等.因此,研制這些非法色素的有證標準物質(zhì),為食品安全檢測和監(jiān)督管理提供重要的技術支撐,具有非常重大的意義.近年來,多種色素類有證標準物質(zhì)已經(jīng)被開發(fā)出來[5-7].

        堿性橙Ⅱ(Basic Orange Ⅱ,Chrysoidine G)是一種偶氮類堿性工業(yè)染料,屬于堿性橙類染料的一種.在實際生活中堿性橙Ⅱ可用于豆制品染色,一些不法商販常用堿性橙Ⅱ?qū)Χ垢ず忘S魚進行染色[8-10],嚴重危害消費者的身體健康. 《中華人民共和國食品添加劑使用衛(wèi)生標準》及《中華人民共和國食品衛(wèi)生法》規(guī)定,堿性橙Ⅱ為禁止用作食品添加劑的化學制劑.

        本研究依據(jù)一級標準物質(zhì)研制技術規(guī)范(JJF 1006—1994)[11]以及ISO 17034、Guide 35的技術要

        求[12-13],采用質(zhì)量平衡法,利用高效液相色譜[14-16]對堿性橙Ⅱ純度物質(zhì)進行準確定值,并全面考察堿性橙Ⅱ純度測量過程中的各種影響因素(溶劑殘留、水分、灰分等). 對樣品的均勻性、測量的分散性及其他因素引入的不確定度分量分析和確定后,給出了整個測量過程不確定度的合成結果,并對堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的穩(wěn)定性均進行了30個月的考察. 結果表明,堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)性能良好,可滿足食品、藥品、日化、環(huán)境保護及化工產(chǎn)品研究和檢測的需要,可望用于相關儀器(色譜儀)的校準、分析方法評價,為統(tǒng)一相關量值發(fā)揮應有的作用.

        1? ?材料與方法

        1.1? ?試劑與材料

        堿性橙Ⅱ純品原料(純度>95%,ACROS公司);甲醇、乙醇(HPLC試劑,德國Merck & Co Inc公司);實驗用水均為實驗室制備的超純水. N,N-二甲基酰胺(HPLC試劑,百靈威).

        1.2? ?儀器設備

        標準物質(zhì)制備用器皿:500 mL的A級容量瓶(天津玻璃儀器廠);準確度為十萬分之一天平(CPA225D賽多利斯,德國);電動移液器(Brand,法國);百級潔凈臺等,皆經(jīng)檢定合格.

        Tensor-37傅里葉紅外光譜儀(美國Bruker);高分辨質(zhì)譜儀(美國Agilent 6540 Q-TOF);核磁共振氫譜(DPX-300型,美國Bruker);Milli-Q Advantage A10純水系統(tǒng)(美國Millipore公司).

        1.3? ?實驗方法

        1.3.1? ?樣品處理及定性分析

        采用市售高純堿性橙Ⅱ為原料,以體積比為3∶1的乙醇-水溶液作為溶劑在80~100 ℃溶解原料堿性橙Ⅱ,分次加入體積比為1 ∶ 1的乙醇-水溶液,同時不斷攪拌,保持溫度在(100±5) ℃范圍內(nèi),熱過濾后,將濾液冷卻室溫,隨后放置在溫度為4 ℃的條件下進行重結晶,結晶體過濾后,置于溫度為105 ℃條件下干燥,經(jīng)研磨過篩、混勻、干燥后即得堿性橙Ⅱ標準物質(zhì),并將其置于填充有五氧化二磷的干燥器中干燥24 h,為后續(xù)實驗備用.

        將純化后的堿性橙Ⅱ純度樣品分裝于棕色玻璃樣品瓶中,每瓶200 mg,共分裝約400瓶. 將封裝好的樣品放置于4 ℃冰箱中保存.

        進行純度測試之前,分別采用紅外光譜法、高分辨質(zhì)譜法和核磁共振H譜對候選堿性橙Ⅱ純度標注物質(zhì)進行定性分析,將實驗所得譜圖及與標準譜圖(Spectral Database for Organic Compounds,SDBS)進行對照.

        1.3.2? ?質(zhì)量平衡法

        1)聯(lián)合定值. 堿性橙Ⅱ候選物的純度采用多家實驗室合作定值,定值方法為液相色譜面積歸一化法.每家實驗室儀器使用前均經(jīng)法定計量機構檢定合格,各實驗室從全部樣品中隨機抽取3個包裝,從每瓶中任意取出1~3個子樣,用色譜級甲醇當溶劑配制測試液,使用液相色譜法測量堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì).

        液相色譜方法:選取二極管陣列檢測器,C18色譜柱,以甲醇和0.2 mol/mL的乙酸銨為流動相,配比為65 ∶ 35,流速為1.0 mL/min,設定檢測波長為407 nm.

        2)測定溶劑殘留. 采用頂空進樣-氣相色譜法

        分析堿性橙Ⅱ中可能的溶劑殘留為乙醇[17],稱取適量樣品溶解在N,N-二甲基酰胺中,在105 ℃溫度下平衡60 min,采用靜態(tài)頂空-GC-FID檢測器測定殘留溶劑,采用標準加入法定量分析殘留溶劑.

        3)測定水分. 堿性橙Ⅱ候選物純品的水分采用卡爾費休水分測定儀測試,準確稱取適量樣品,約1 g左右,精確到0.01 mg,重復測量6次,取平均值作為水分測試結果.

        4)測定灼燒灰分. 堿性橙Ⅱ候選物純品的灰分通過高溫灼燒測得,準確稱取適量樣品,約1 g左右,精確到0.01 mg,在(650±50) ℃的馬弗爐中灼燒至恒重,稱重測得結果,重復6次測量,取平均值作為實驗結果.

        1.3.3? ?均勻性分析

        標準物質(zhì)均勻性試驗通常是隨機選擇一定數(shù)量的樣品,采用高精度試驗方法進行試驗. 參照標準物質(zhì)技術規(guī)范,分別從400瓶已經(jīng)分裝好并編上號碼的堿性橙Ⅱ純度樣品中按照頭尾、中間編號各隨機抽取15瓶樣品. 準確稱量抽取的樣品約10 mg,配制成溶液,采用液相色譜-面積歸一化法測定純度,每瓶樣品平行進樣3次,每次測量的平均值作為均勻性評價的結果,然后對其進行方差分析.

        1.3.4? ?穩(wěn)定性檢驗

        1)長期穩(wěn)定性. 長期跟蹤標準物質(zhì)的穩(wěn)定性,

        按照前緊后疏的原則,對堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)穩(wěn)定性進行了長期穩(wěn)定性考察,為期30個月. 考察穩(wěn)定性采用液相色譜法,應用面積歸一化法,在不同的時間間隔內(nèi)進行比對測量.每次隨機抽取3瓶樣品進行平行測量,取平均值作為穩(wěn)定性考察結果.

        2)短期穩(wěn)定性. 為了考察運輸條件對標準物質(zhì)的穩(wěn)定性影響,并綜合考慮到南方的高溫天氣,實驗模擬了運輸條件,隨機抽取6瓶樣品,分別置于運輸條件下((60±5) ℃,培養(yǎng)箱中)和常規(guī)儲存條件下((4±1) ℃)保存一個星期,對比兩種不同條件對其穩(wěn)定性影響(以測量溫度60 ℃為例).

        2? ?結果與分析

        2.1? ?定性分析

        分別采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、高分辨質(zhì)譜法和核磁共振H譜對堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)候選物進行定性分析[18],實驗所得譜圖及與標準譜圖SDBS進行對比.圖1給出了不同波長λ下堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)候選物的透射率T,從圖1中可以找到位于1 250~1 750 cm-1的芳環(huán)特征骨架振動和N=N雙鍵振動.圖2中δ = 4.79為溶劑重水中氫的峰. 譜圖積分為9個氫(不包括HCl),結構上為8個氫,可見候選物1H-NMR與堿性橙Ⅱ的結構吻合. 在高分辨質(zhì)譜中可以找到m/z=213.114的分子離子峰,高分辨率質(zhì)譜檢索匹配度為99.1%. 3種譜圖結果證明純度物質(zhì)候選物的主要成分確為堿性橙Ⅱ.

        2.2? ?均勻性分析

        標準物質(zhì)的均勻性是衡量其性能的重要指標,也是測量值準確傳遞的重要依據(jù),它用來描述標準物質(zhì)特性的空間分布特征.標準物質(zhì)的特性量值應當是均一的,即在一定的細分范圍內(nèi),特性量值保持不變.將均勻性考察的數(shù)據(jù)在95%的置信概率下進行方差分析,作為樣品的均勻性結果[12],計算結果列于表1和表2中.

        注:SS為標準方差;df為自由度;MS為平均方差;F-value為F值,用于衡量擬合顯著程度;P-value為P值,用于衡量組間差異大小;F-crit為F臨界值.

        由表2中數(shù)據(jù)可得:

        式中:S1為樣品組間標準偏差;S2為組內(nèi)標準偏差.經(jīng)計算F < Fα,表明樣品間不存在明顯差異.

        因為S21 < S22,此時均勻性產(chǎn)生的標準偏差按下式計算:

        均勻性檢驗方法重復性的標準偏差:

        從計算可以看出,堿性橙Ⅱ純度樣品測量結果的統(tǒng)計量F值小于均勻性檢驗臨界值Fα=2.037,證明該堿性橙Ⅱ純度樣品是均勻的.各樣品瓶間的不均勻性所產(chǎn)生的標準偏差與均勻性檢驗方法重復性的標準偏差大小相近,計算總的不確定度必須把均勻性因素考慮進去. 統(tǒng)計方法顯示,堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)均勻性良好,樣品最小取樣量為10 mg.

        2.3? ?穩(wěn)定性檢驗

        標準物質(zhì)的穩(wěn)定性是指被定值的特性量隨時間變化的情況,其穩(wěn)定性主要受物理、化學和保存條件等因素的影響.需要用精密度高的分析方法對其進行長時間的定期考察來確定相對的穩(wěn)定期限.其中,長期穩(wěn)定性是指標準物質(zhì)特性隨時間延續(xù)的穩(wěn)定性,堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)長期穩(wěn)定性詳見表3和表4.

        由于沒有一種物理/化學模型能夠真實地描述該候選標準樣品的降解機理,故采用直線作為經(jīng)驗模型,以X代表時間,以Y代表堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的值,擬合成一條直線,則直線的斜率為:

        由于b1 < t0.95,n-2·s(b1),故斜率是不顯著的. 因而未觀測到不穩(wěn)定性,即表明在30個月內(nèi),該回歸是不顯著的(sig.F = 0.356 7 > 0.05),即堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的量值沒有發(fā)生明顯的趨勢性變化,這說明所采取儲存條件有效地保證了堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)量值的穩(wěn)定性.

        短期穩(wěn)定性是指在運輸條件下標準物質(zhì)在運輸過程中的穩(wěn)定性.堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的短期穩(wěn)定性考察結果見表5.

        對儲存條件和運輸條件下的測量數(shù)據(jù)進行相同的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)兩種條件下標準物質(zhì)量值沒有發(fā)生顯著變化.

        通過長期穩(wěn)定性和短期穩(wěn)定性考察,在穩(wěn)定期為30個月內(nèi),堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)穩(wěn)定性良好,量值沒有發(fā)生明顯變化,即儲存條件和運輸條件很好地保證了標準物質(zhì)的穩(wěn)定性.

        2.4? ?質(zhì)量平衡法

        根據(jù)質(zhì)量平衡法即扣除雜質(zhì)法可得純度為:

        純度 = [100% - W (非揮發(fā)性雜質(zhì))] ×

        [100%-W (溶劑殘留)-W (水)-W (灰分)] × 100%

        (11)

        堿性橙Ⅱ純度物質(zhì)中主要非揮發(fā)性雜質(zhì)采用氣相色譜面積歸一化法測定,溶劑殘留采用頂空GC分析,水分含量由卡爾費休法測定,灼燒灰分通過對比灼燒前后樣品質(zhì)量的差異測量.

        2.4.1? ?多家實驗室聯(lián)合定值(液相色譜面積歸一化法)

        按照“國家一級標準物質(zhì)技術規(guī)范”的要求,主成分純度采用多家實驗室合作定值,所采用的定值方法為液相色譜面積歸一化法. 8家實驗室定值的實驗結果列于表6中.我們采用狄克遜準則和格拉布斯準則對所有數(shù)據(jù)進行可疑值分析,未發(fā)現(xiàn)可

        疑值.

        2.4.2? ?溶劑殘留測試

        堿性橙Ⅱ純品原料在加工過程中,易殘留的溶劑為乙醇[15],采用頂空進樣-氣相色譜儀法對堿性橙Ⅱ和乙醇進行測試,發(fā)現(xiàn)在頂空條件下,堿性橙Ⅱ溶液中未檢出乙醇等溶劑.

        2.4.3? ?水分的測定

        堿性橙Ⅱ純度物質(zhì)水分測試采用卡爾費休水分測定儀測試,重復測量6次,取平均值作為水分測試結果,得到結果如表7所示.

        根據(jù)格拉布斯(Grubbs)準則[15],對6組數(shù)據(jù)按大小重新排列,對殘差最大值的0.21進行分析. 在概率P=95%條件下,其殘差的絕對值與實驗觀測數(shù)據(jù)標準偏差之比小于格拉布斯臨界值,即

        2.4.4? ?原料灰分測試

        灰分測試是估計無機雜質(zhì)總量的一種方法. 堿性橙Ⅱ純度灰分通過高溫灼燒測得,稱取適量樣品,在(650±50) ℃的馬弗爐中灼燒至恒重,稱重測得堿性橙Ⅱ純度灰分結果,重復測量6次,取平均值作為實驗結果,得到結果如表8所示.

        同理,根據(jù)格拉布斯準則,對6組數(shù)據(jù)按大小重新排列,對殘差最大值的0.11和0.18進行分析,在概率P = 0.05條件下,其殘差的絕對值與實驗觀測數(shù)據(jù)標準偏差之比小于格拉布斯臨界值,即

        綜上,計算得到質(zhì)量平衡法測得堿性橙Ⅱ純度值為:

        W總 = W × (1 - W H2O - W灰分)=

        99.52% × (100% - 0.15% - 0.14%)=

        99.2%? ? ? ? ? ? ? ? ? (13)

        2.5? ?不確定度評定

        根據(jù)JJG 1006—1994 《一級標準物質(zhì)研制技術規(guī)范》及JJF 1343—2012《標準物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計學原理》的規(guī)定[11,19],明確標準值的總不確定度由3部分組成.第1部分是堿性橙Ⅱ定值實驗引入的不確定度(u定值);第2部分是樣品不均勻產(chǎn)生的不確定度(ubb);第3部分是樣品不穩(wěn)定產(chǎn)生的不確定度(uIts).

        2.5.1? ?定值引入的不確定度

        多家實驗室協(xié)作的定值不確定度可采用方差分析來進行估算[12].表9為堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)定值結果單因素方差分析.

        總平均值的不確定度計算如下:

        根據(jù)水分測量的數(shù)據(jù),測定的R=0.1%,n=6(查表c=2.53),采用極差法計算水分引入的不確定度分量為:u H2O = R/c = 0.04%.

        根據(jù)灰分測量的數(shù)據(jù),測定的R=0.07%,n=6(查表c=2.53),采用極差法計算灰分引入的不確定度分量為:u 灰分 = R/c = 0.03%.

        因此定值引入總的不確定度為:

        2.5.2? ?均勻性產(chǎn)生的標準不確定度(ubb)

        由均勻性部分計算結果可知,樣品瓶間不均勻性所產(chǎn)生的標準偏差必須并入到總的不確定度中.因此,樣品間不均勻的標準偏差為:

        2.5.3? ?穩(wěn)定性引入的不確定度(uIts)

        根據(jù)堿性橙Ⅱ長期穩(wěn)定性的實驗數(shù)據(jù)(表3)及回歸方差結果(表4)可知,有效期t=30個月的長期穩(wěn)定性的不確定度貢獻為:

        uIts = sb·t = 8.5 × 10-3 × 30 = 0.255%? (19)

        2.5.4? ?標準物質(zhì)總的不確定度

        擴展不確定度:

        U95 = k × u總 = 2 × 0.272% = 0.54%≈1.0%? (21)

        堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的定值結果為:

        W = (99.2 ± 1.0)%,k = 2? ? (22)

        3? ?結? ?論

        本文對堿性橙Ⅱ純度標準物質(zhì)的均勻性和穩(wěn)定性進行了充分研究,多家實驗室參與了純度值的聯(lián)合測定.這一系列數(shù)據(jù)已成功應用于實際樣品的測量,并且取得了令人滿意的結果. 該樣品已申報國家二級標準物質(zhì)并獲批,其標準物質(zhì)編號為:GBW(E)100372. 該標準物質(zhì)可以滿足食品、醫(yī)藥、日?;瘜W品、環(huán)保、化學產(chǎn)品研究和測試需求,也將用于對相關儀器(例如比色板、熒光分光光度計等)校準和分析方法的評估.

        致謝:感謝安捷倫科技(中國)有限公司廣州分公司、廣東省獸藥飼料質(zhì)量檢驗所、東莞市食品藥品檢驗所、東莞市水務監(jiān)測中心、廣東中測食品化妝品安全評價中心有限公司、中國廣州分析測試中心、廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院食品檢驗室等7家實驗室對樣品進行了聯(lián)合定值.

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