尹強，周陽，葉麗芳，賈相銳，毛沅文，周瑾艷，陳玲

（廣東省計量科學(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。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)系到廣大消費者的身體健康。在飲料行業(yè)，國內(nèi)外許多廠家生產(chǎn)的碳酸飲料需要使用大量的食品級二氧化碳［1–2］。由于生產(chǎn)技術(shù)、設(shè)備及檢測手段不規(guī)范，二氧化碳氣體內(nèi)通常會含有一氧化碳、苯、硫、醛、烴等雜質(zhì)［3］。食品級二氧化碳中往往存在一氧化氮等雜質(zhì)，一氧化氮通過食品進入人體，會對人體造成不可逆轉(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θ梭w產(chǎn)生刺激作用，氮氧化物主要對人體呼吸道有損害［5］。

食品添加劑二氧化碳的國家標準已對二氧化碳中一氧化氮雜質(zhì)的含量作出規(guī)定［6］。然而，我國目前還沒有二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)，相關(guān)的測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氣體標準物質(zhì)，為食品級二氧化碳的質(zhì)量保證及量值溯源提供了技術(shù)和物質(zhì)支持。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

氣瓶真空干燥裝置：RC–Y5 型，江蘇丹陽榮昌空分廠；

氣瓶滾動裝置：江蘇丹陽榮昌空分廠；

配氣裝置：上海博睿杰公司；

質(zhì)量比較儀：CCE40K3 型，德國賽多利斯公司；

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

一氧化碳氣體分析儀：Model48i 型，美國賽默飛世爾科技有限公司；

二氧化碳氣體分析儀：Model410i 型，美國賽默飛世爾科技有限公司；

精密露點儀：373LX 型，瑞典MBW 公司；

傅里葉變換紅外光譜儀：Tensor37 型，德國布魯克公司；

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)計院有限公司；

氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標準物質(zhì)：編號為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 檢測二氧化碳原料氣中氫氣、氧氣、氮氣、總烴、一氧化碳、水等雜質(zhì)的含量。采用配等離子體發(fā)射檢測器（PED）的氣相色譜儀對標示純度為99.999%的二氧化碳高純氣體的純度及水分之外的雜質(zhì)含量進行分析確認，采用光腔衰蕩法測定高純二氧化碳中的水分含量。其中，配PED 檢測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)動氣為氮氣，輸出壓力為0.4 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 檢測器和可調(diào)光程的紅外氣體池）分析一氧化氮氣體純度，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行定性定量分析［8］；雜質(zhì)氮氣含量采用TCD 色譜法測定［9］，色譜柱為TDX02 柱，柱溫為90℃；測定雜質(zhì)甲烷含量時，先用高純氮氣稀釋成體積分數(shù)為2%的氮中一氧化氮混合氣體，再利用FID 色譜法檢測［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，室溫進樣，氣體流量均為50 mL／min［11］。

1.3 二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)的配制

二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)采用國際公認的稱量法配制［12］。配制300～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(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氣體標準物質(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氣體，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氣體標準物質(zhì)。

1.4 二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(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)光法對混合氣體中的一氧化氮組分進行定量［13］，該儀器量程為0～3 500 μmol／mol，最小分度值為0.1 μmol／mol。具體進樣條件：室溫進樣，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

二氧化碳氣體中的雜質(zhì)以氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標準物質(zhì)為參照基準，用氣相色譜外標法定量。氦中氫、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷標準物質(zhì)及二氧化碳氣體氣相色譜圖分別如圖1、圖2 所示。原料氣純度由雜質(zhì)扣除法計算，二氧化碳氣體中各雜質(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、甲烷標準物質(zhì)氣相色譜圖

圖2 二氧化碳氣體氣相色譜圖

原料氣純度采用雜質(zhì)扣除法計算。根據(jù)表1 各雜質(zhì)濃度分析結(jié)果，計算可得二氧化碳氣體的純度為99.998 5%。

表1 二氧化碳氣體各雜質(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較小，故作為氧化亞氮的特征吸收峰進行定量分析［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

當分析物濃度范圍較大時，傅里葉紅外光譜法定量的線性較差，因此本實驗使用動態(tài)稀釋法，將高濃度的二氧化氮氣體標準物質(zhì)稀釋成不同濃度的系列標準氣體，建立二氧化氮的紅外吸收標準工作曲線，對一氧化氮中二氧化氮的特征峰進行積分，以外標法對一氧化氮中的二氧化氮雜質(zhì)進行定量。再通過動態(tài)稀釋得到系列不同濃度的其它雜質(zhì)標準物質(zhì)的紅外光譜圖。當二氧化氮含量為0.002 32～0.002 52 mol／mol 時，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)。在兩點間建立校正曲線，計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一氧化氮高純氣體中的雜質(zhì)氧化亞氮進行定量分析，當氧化亞氮濃度為0.001 10～0.001 20 mol／mol時，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氣、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)含量測定結(jié)果列于表2。

圖4 一氧化氮高純氣體中氮氣的氣相色譜圖

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)扣除法計算。根據(jù)表2 雜質(zhì)含量分析結(jié)果，可計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氣體的3 只氣瓶作為母瓶；（2）采用與母瓶材質(zhì)相同且來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偏差。

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

表3 氣體分裝試驗數(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有顯著差異，表明選用的氣瓶對二氧化碳中一氧化氮沒有明顯的吸附現(xiàn)象，適用于充裝所研制的混合氣體標準物質(zhì)。

2.3 混勻試驗結(jié)果

二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)制備完成后，將裝有氣體標準物質(zhì)的氣瓶放置于滾動裝置上，分別在混勻處理0.5，1.0，1.5，2.0 h 后（分析時間不計算在內(nèi)）取樣，采用氮氧化物分析儀測定二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)各組分的濃度，混勻試驗數(shù)據(jù)列于表4。

表4 混勻試驗數(shù)據(jù)

由表4 數(shù)據(jù)可知，混合氣體混勻處理0.5～2 h，量值的相對標準偏差為0.49%～0.66%。試驗結(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

隨著標準氣體的消耗，瓶內(nèi)壓力可能導(dǎo)致氣體發(fā)生物理化學(xué)變化。一般認為在瓶內(nèi)壓力較低時，有可能產(chǎn)生量值變化，因此需要考慮壓力變化對氣體濃度的影響。所研制的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)最終充裝壓力為10 MPa，為考察該氣體標準物質(zhì)組分濃度隨壓力變化的情況，使用流量計式減壓閥分別以10，7，3，0.5 MPa 壓力值放壓處理，當達到相應(yīng)的壓力值時，采用氮氧化物分析儀重復(fù)測量3 次，記錄氣體標準物質(zhì)的濃度數(shù)據(jù)，用F檢驗法考察其量值穩(wěn)定性，結(jié)果表明統(tǒng)計量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 過程中，壓力變動性對組分濃度值沒有顯著性影響，組分濃度值是穩(wěn)定的。同時也說明在試驗壓力范圍內(nèi)，該氣體標準物質(zhì)在氣瓶內(nèi)均勻性良好。

2.5 穩(wěn)定性試驗

為了考察標準氣體在室溫儲存條件是否具有長期穩(wěn)定性，確定其有效期限，對所配混合氣體進行了為期12 個月的考察。依據(jù)標準物質(zhì)技術(shù)規(guī)范，本著前密后疏的原則，對二氧化碳中一氧化氮混合氣體的長期穩(wěn)定性進行考察。對氮氧化物分析儀進行校準后，在不同的時間間隔內(nèi)對所配制的氣體標準物質(zhì)的一氧化氮含量進行分析測定。

根據(jù)JJF 1343–2012 《標準物質(zhì)定值的通用原則及統(tǒng)計學(xué)原理》，在不容易真實地定義標準樣品動力學(xué)機理的情況下，以時間為自變量，以一氧化氮組分濃度分析值為因變量進行線性擬合，可計算得到擬合直線的斜率b1、截距b0、標準偏差s、斜率不確定度s(b1)。

若｜b1｜＜t0.95，n–2·s(b1)，則表示氣體標準物質(zhì)的濃度對時間變量無明顯差異，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)定性實驗統(tǒng)計結(jié)果見表5。

表5 二氧化碳中一氧化氮混合氣體穩(wěn)定性試驗統(tǒng)計結(jié)果

由表5 統(tǒng)計結(jié)果可知，在12 個月的穩(wěn)定性考察中，穩(wěn)定性實驗統(tǒng)計計算的回歸系數(shù)｜b1｜均小于t0.95，n–2·s(b1)，即在95%置信區(qū)間內(nèi)，氣瓶內(nèi)氣體組分濃度無顯著性差異，表明二氧化碳中一氧化氮混合氣體的組分量值在12 個月的儲存時間內(nèi)穩(wěn)定性良好。

2.6 定值及不確定度評價

研制的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)采用稱量法定值。稱量法制備校準混合氣體是以經(jīng)典的稱量方法為基礎(chǔ)、以國際單位制“質(zhì)量”為基準的絕對方法，可以直接溯源到國際質(zhì)量標準。

根據(jù)ISO 導(dǎo)則及各項不確定度分析過程，所研制的氣體標準物質(zhì)不確定度主要來源于以下幾個方面：

（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）長期時間穩(wěn)定性引入的不確定度。

定值的相對標準不確定度uc，rel按照式(1)計算：

式中：urel(M)——配氣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。

制備過程中稱量法配氣引入的不確定度與組分的相對分子質(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。

均勻性引入的相對標準不確定度urel(P)按照式(2)計算［15］：

式中：MSb——放壓實驗組間均方差；

MSi——放壓試驗組內(nèi)均方差；

根據(jù)公式(3)計算穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度urel(H)：

式中：s(b1)——穩(wěn)定性試驗擬合直線斜率的不確定 度；

t——穩(wěn)定性考察時間。

配氣過程、均勻性、穩(wěn)定性引入的相對標準不確定度及最終合成相對標準不確定度、擴展不確定度列于表6。

表6 二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(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氣體標準物質(zhì)的擴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氣體標準物質(zhì)的相對擴展不確定度Uc，rel為2%（k=2）。

3 結(jié)語

利用稱量法制備了氣瓶裝的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)。所研制的二氧化碳中一氧化氮氣體標準物質(zhì)均勻性、穩(wěn)定性滿足要求，運用于實際樣品的測量中，使用結(jié)果滿意，12 個月內(nèi)滿足以下指標：濃度為100～1 000 μmol／mol，相對擴展不確定度（k=2）為2%，充裝壓力為10 MPa，最低使用壓力為0.5 MPa。