胡德龍，張雯，陳家穎

(重慶市計量質(zhì)量檢測研究院，重慶 401121)

二氧化碳作為氣體食品添加劑，廣泛應用于碳酸飲料、啤酒，以及食品保鮮等領域，由于其特殊的用途，對其質(zhì)量的要求更高。食品級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)，通過食品進入人體，從而對人體造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害［1］。一氧化氮不穩(wěn)定，人體吸收一氧化氮會迅速氧化成二氧化氮，二氧化氮具有強腐蝕性和毒性，對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)小時或更長時間后會出現(xiàn)胸悶、呼吸窘迫、咳嗽、咯泡沫痰、紫紺等癥狀。GB 1886.228–2016 《食品安全國家標準 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。因此必須嚴格控制食品級二氧化碳中一氧化氮的含量，而可靠的測定結果對于保證食品級二氧化碳產(chǎn)品質(zhì)量和風險控制具有重要意義。

為保證測定結果準確、可靠，應采用量值準確可靠的標準物質(zhì)［3–6］對分析儀器進行檢定。目前我國尚無二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)，現(xiàn)有二氧化碳標準物質(zhì)均采用單一組分制備，在實際檢測過程中，每種雜質(zhì)需要使用一臺儀器單獨分析，所用設備種類復雜，致使相關檢測儀器的檢定無標準可依，其量值的準確性無法保證。為快捷、高效、精準地檢測二氧化碳中一氧化氮氣體含量，筆者以高純二氧化碳和一氧化氮氣體為原料，采用稱量法制備了二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)［7–14］，并對該標準物質(zhì)定值結果的不確定度進行評定［15］。該氣體標準物質(zhì)具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，可用于食品級二氧化碳分析方法的確認和評價，為食品級二氧化碳檢測方法的標準化和規(guī)范化提供技術支持。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

配氣裝置：PQZ–Ⅱ型，中國計量科學研究院；

電子天平：LP1200S–M 改進型，德國賽多利斯公司；

氣體分析儀：AO2040 型，ABB（中國）有限公司；氮氣：純度為99.9999%，重慶朝陽氣體有限公司；高純二氧化碳氣體標準物質(zhì)：純度為99.999%，編號為GBW(E) 060045，重慶同輝科發(fā)氣體有限公司；

高純一氧化氮氣體標準物質(zhì)：純度為99.99%，編號為GBW(E) 060042，中昊光明化工研究設計院有限公司。

1.2 儀器工作條件

檢測器：FID 檢測器；鎳轉(zhuǎn)換爐溫度：350℃；色譜柱：5A 分子篩不銹鋼填充柱(4m×3mm，美國高麥克儀器公司)；載氣：氮氣，柱流量為30 mL／min；柱箱溫度；80℃；汽化室溫度：100℃；檢測器溫度：150℃；進樣方式：1 mL 定量環(huán)，自動切閥進樣。

1.3 原料氣純度分析

在1.2 儀器工作條件下，分別對高純二氧化碳和高純一氧化氮氣體標準物質(zhì)進行測定，結果如下。

高純二氧化碳氣體標準物質(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。

高純一氧化氮氣體標準物質(zhì)：NO2≤20 μmol／mol。

由此可知，所用高純二氧化碳和高純一氧化氮氣體標準物質(zhì)原料氣均符合標準要求。

1.4 氣體標準物質(zhì)制備

（1）50 μmol／mol。首先對空瓶進行干燥、沖洗、抽真空(氣瓶壓力低于5.0 Pa)等預處理，然后向氣瓶中充入經(jīng)計算好的高純二氧化碳氣體，通過稱量充入氣體前后氣瓶質(zhì)量之差，確定充入氣瓶內(nèi)高純二氧化碳氣體的質(zhì)量。按同樣方法在另一瓶內(nèi)充入高純一氧化氮氣體。通過充氣裝置將配制好的相應質(zhì)量一氧化氮氣體充入二氧化碳氣體中，稱量并記錄氣瓶質(zhì)量，計算充入氣瓶內(nèi)各組分氣體的質(zhì)量，最后計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氣體標準物質(zhì)的定值結果。

（2）25 μmol／mol。對空瓶進行預處理，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氣體標準物質(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；向空瓶內(nèi)充入計算量的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)，冷卻至室溫后進行稱量；向瓶內(nèi)充入等摩爾質(zhì)量的高純二氧化碳氣體標準物質(zhì)，冷卻至室溫后進行稱量；根據(jù)每次稱量數(shù)據(jù)，計算稀釋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氣體標準物質(zhì)稀釋10 倍，根據(jù)每次稱量數(shù)據(jù)，計算稀釋10 倍后的混合氣體中一氧化氮濃度為5.18 μmol／mol。

1.5 機械混勻試驗

二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)配制完成后，將氣瓶置于氣瓶滾動裝置上，連續(xù)滾動2 h，然后靜置24 h，使瓶內(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 對二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的濃度進行測定。利用測定結果的相對標準偏差評價其機械混勻效果。

1.6 均勻性試驗

將充有10 MPa 以上的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(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每個壓力點下二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的濃度進行測定。對測定結果進行F檢驗，判斷壓力變動對制備的氣體標準物質(zhì)的均勻性是否存在顯著影響。

1.7 穩(wěn)定性試驗

研制的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)在常溫下運輸、儲存和使用，要求長期穩(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，對制備的氣體標準物質(zhì)進行為期12 個月的穩(wěn)定性檢驗。采用氣體分析儀分別在不同時間點對二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的濃度進行測定。根據(jù)JJF 343–2012 《標準物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計學原理》［16］，采用直線擬合法對測量結果進行t檢驗，判斷制備的氣體標準物質(zhì)儲存穩(wěn)定性是否良好。

2 結果與討論

2.1 混勻試驗

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 對二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的濃度平行測定5次，結果見表1。

表1 混勻試驗結果

由表1 可知，制備的氣體標準物質(zhì)在混勻處理后0.5 h，1 h，3 h，1 d，3 d，7 d，12 d，20 d 間隔時間，測定結果的相對標準偏差為0.206%～0.627%。說明該氣體標準物質(zhì)機械混勻性良好。

2.2 均勻性檢驗

按1.6 試驗方法，在1.2 儀器工作條件下，分別對每個壓力點下二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的濃度平行測定5 次，結果見表2。

表2 均勻性試驗結果 μmol／mol

對表2 數(shù)據(jù)采用方差分析法進行處理，計算得F=1.34。查表得F(0.05，5，28)=2.45，則F＜F(0.05，5，28)，表明壓力變動對研制的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的均勻性不會造成顯著影響，該標準物質(zhì)均勻性良好。

2.2 穩(wěn)定性檢驗

按1.7 試驗方法，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 個月7 個時間點對制備的標準物質(zhì)進行測定，結果見表3。以測定時間為自變量，以標準物質(zhì)中一氧化氮濃度為因變量進行線性回歸，計算擬合直線的斜率|β1|、截距β0、標準偏差s、斜率不確定度s(β1)，結果見表4。由表4 可知，3 種濃度標準物質(zhì)的|β1|值均小于t(0.95，n–2)s(β1)，表明該標準物質(zhì)在12 個月內(nèi)是穩(wěn)定的。

表3 穩(wěn)定性試驗結果

表4 穩(wěn)定性試驗分析結果

3 不確定度評定

3.1 不確定度來源

參照相關文獻［17–18］，稱量法制備氣體標準物質(zhì)定值的不確定度評定一般包括3 部分：制備過程引入的相對標準不確定度urel(p)；均勻性引入的相對標準不確定度urel(h)；穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度urel(s)。

3.2 制備過程引入的相對標準不確定度urel(p)

制備過程引入的相對標準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，可以通過GB／T 5274.1–2018［8］中給出的公式分別計算5，25，50 μmol／mol 濃度點的相對標準不確定度，取最大值，得urel(p)=0.91%。

3.3 均勻性引入的相對標準不確定度urel(h)

均勻性引入相對標準不確定度按下式計算：

式中：MS1——同一壓力值重復測定結果的均方；

MS2——不同壓力值測量結果的均方；

n——重復測量次數(shù)；

x——氣體標準物質(zhì)的稱量法制備值。

將不同壓力下的測定值視為組間，相同壓力下的重復測定值視為組內(nèi)，參照瓶間均勻性評定的單因素方差分析方法［18–19］，求得MS1和MS2，分別計算各個濃度點的相對標準不確定度，取最大值得urel(h)=0.93%。

3.4 穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度urel(s)

穩(wěn)定性引入相對標準不確定度按下式計算：

式中：s(β1)——斜率不確定度；

t——氣體標準物質(zhì)有效時間；

x——氣體標準物質(zhì)的稱量法制備值。

根據(jù)穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)及分析結果，分別計算各個濃度點的相對標準不確定度，取最大值得urel(s)=0.64%

3.5 合成相對標準不確定度urel(c)

合成上述3 個相對標準不確定度分量，得二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)定值結果的相對標準不確定度：

取包含因子k=2，則相對擴展不確定度：

4 結語

以高純二氧化碳和一氧化氮氣體標準物質(zhì)為原料，采用稱量法制備二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)。該氣體標準物質(zhì)具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，其濃度為5，25，50 μmol／mol，相對擴展不確定度為3.0%(k=2)，有效期為一年，可用于食品級二氧化碳分析方法的確認和評價。