二氧化碳中一氧化氮气体标准物质制备

尹强，周阳，叶丽芳，贾相锐，毛沅文，周瑾艳，陈玲

（广东省计量科学研究院，广州 510405）

随着生活水平逐步提高，食品安全逐渐成为人们关注的焦点。二氧化碳是目前世界上应用最广泛的气体食品添加剂，其品质好坏，直接关系到广大消费者的身体健康。在饮料行业，国内外许多厂家生产的碳酸饮料需要使用大量的食品级二氧化碳［1–2］。由于生产技术、设备及检测手段不规范，二氧化碳气体内通常会含有一氧化碳、苯、硫、醛、烃等杂质［3］。食品级二氧化碳中往往存在一氧化氮等杂质，一氧化氮通过食品进入人体，会对人体造成不可逆转的伤害［4］。一氧化氮在空气中不稳定，很快转变为二氧化氮并对人体产生刺激作用，氮氧化物主要对人体呼吸道有损害［5］。

食品添加剂二氧化碳的国家标准已对二氧化碳中一氧化氮杂质的含量作出规定［6］。然而，我国目前还没有二氧化碳中一氧化氮气体标准物质，相关的测量工作均缺少有效的量值溯源保证。笔者采用称量法制备了二氧化碳中一氧化氮气体标准物质，为食品级二氧化碳的质量保证及量值溯源提供了技术和物质支持。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

气瓶真空干燥装置：RC–Y5 型，江苏丹阳荣昌空分厂；

气瓶滚动装置：江苏丹阳荣昌空分厂；

配气装置：上海博睿杰公司；

质量比较仪：CCE40K3 型，德国赛多利斯公司；

气相色谱仪：（1）GC9560 型，配等离子发射检测器、火焰离子化检测器，上海华爱色谱分析技术有限公司；（2）GC2010 型，配热导检测器，日本岛津公司；

一氧化碳气体分析仪：Model48i 型，美国赛默飞世尔科技有限公司；

二氧化碳气体分析仪：Model410i 型，美国赛默飞世尔科技有限公司；

精密露点仪：373LX 型，瑞典MBW 公司；

傅里叶变换红外光谱仪：Tensor37 型，德国布鲁克公司；

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

二氧化碳、一氧化氮：高纯气体，纯度分别为99.999%，99.9%，光明化工研究设计院有限公司；

氦中氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷标准物质：编号为GBW(E) 061538，氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷的含量分别为13.2，9.24，9.78，9.94，9.84，9.41 μmol／mol，大连大特气体有限公司。

1.2 原料气纯度分析

按照GB／T 23938–2009 检测二氧化碳原料气中氢气、氧气、氮气、总烃、一氧化碳、水等杂质的含量。采用配等离子体发射检测器（PED）的气相色谱仪对标示纯度为99.999%的二氧化碳高纯气体的纯度及水分之外的杂质含量进行分析确认，采用光腔衰荡法测定高纯二氧化碳中的水分含量。其中，配PED 检测器的气相色谱仪使用4 m Porapak Q 色谱柱（180～250 μm) 1 根，2 m 5A 分子筛色谱柱（250～380 μm） 3 根，0.5 m CST 色 谱 柱（180～250 μm）1 根。建立的气相色谱方法分析条件［7］：载气为高纯氩气，输出压力为0.6 MPa；驱动气为氮气，输出压力为0.4 MPa；柱温为50℃；定量管体积为0.5 mL。

采用傅立叶变换红外光谱法（配MCT 检测器和可调光程的红外气体池）分析一氧化氮气体纯度，光程可调范围为4～48 m，红外扫描范围为4 000～400 cm–1，分辨率为0.4 cm–1，气体池压力为50～51 kPa，温度为30℃；一氧化氮中二氧化氮和氧化亚氮杂质利用傅里叶变换红外吸收光度法进行定性定量分析［8］；杂质氮气含量采用TCD 色谱法测定［9］，色谱柱为TDX02 柱，柱温为90℃；测定杂质甲烷含量时，先用高纯氮气稀释成体积分数为2%的氮中一氧化氮混合气体，再利用FID 色谱法检测［10］；杂质一氧化碳、二氧化碳分别采用赛默飞Model48i 型、Model410i 型气体分析仪利用红外法检测，室温进样，气体流量均为50 mL／min［11］。

1.3 二氧化碳中一氧化氮气体标准物质的配制

二氧化碳中一氧化氮气体标准物质采用国际公认的称量法配制［12］。配制300～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质，中间气的稀释次数为1 次；配制100～300 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质，中间气的稀释次数为2 次。具体操作步骤是向已处理的气瓶中充入一氧化氮气体，再充入稀释气二氧化碳，可得二氧化碳中一氧化氮混合气体，充入每一种气体前后均称量钢瓶的质量，以充气前后的质量差计算充入组分的质量，从而得出混合气中一氧化氮的物质的量浓度。根据目标浓度值，采用二次或三次稀释法制备100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质。

1.4 二氧化碳中一氧化氮气体标准物质的定值

采用瑞士ECO PHYSICS 公司的CLD60 氮氧化物分析仪，利用化学发光法对混合气体中的一氧化氮组分进行定量［13］，该仪器量程为0～3 500 μmol／mol，最小分度值为0.1 μmol／mol。具体进样条件：室温进样，气体流量为30 mL／min。

2 结果与讨论

2.1 原料气体纯度分析结果

2.1.1 二氧化碳

二氧化碳气体中的杂质以氦中氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷标准物质为参照基准，用气相色谱外标法定量。氦中氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷标准物质及二氧化碳气体气相色谱图分别如图1、图2 所示。原料气纯度由杂质扣除法计算，二氧化碳气体中各杂质含量分析结果列于表1。

图1 氦中氢、氮、氧、一氧化碳、二氧化碳、甲烷标准物质气相色谱图

图2 二氧化碳气体气相色谱图

原料气纯度采用杂质扣除法计算。根据表1 各杂质浓度分析结果，计算可得二氧化碳气体的纯度为99.998 5%。

表1 二氧化碳气体各杂质含量分析结果

2.1.2 一氧化氮

图3 为一氧化氮高纯气体的典型红外光谱图。图3 中2 270～2 130 cm–1为氧化亚氮的吸收峰，该吸收峰受附近其它吸收峰的影响相对较小，故作为氧化亚氮的特征吸收峰进行定量分析［8］。2 952～2 841 cm–1处的吸收峰为二氧化氮的特征吸收峰，用于一氧化氮中二氧化氮杂质的定量分析。

图3 一氧化氮高纯气体红外光谱图

当分析物浓度范围较大时，傅里叶红外光谱法定量的线性较差，因此本实验使用动态稀释法，将高浓度的二氧化氮气体标准物质稀释成不同浓度的系列标准气体，建立二氧化氮的红外吸收标准工作曲线，对一氧化氮中二氧化氮的特征峰进行积分，以外标法对一氧化氮中的二氧化氮杂质进行定量。再通过动态稀释得到系列不同浓度的其它杂质标准物质的红外光谱图。当二氧化氮含量为0.002 32～0.002 52 mol／mol 时，与一氧化氮中二氧化氮的红外吸收峰面积接近，表明一氧化氮中二氧化氮组分的含量在0.002 32～0.002 52 mol／mol 范围内。在两点间建立校正曲线，计算得一氧化氮高纯气体中杂质二氧化氮的浓度为0.002 36 mol／mol。

采用与二氧化氮杂质定量分析方法相同的步骤对一氧化氮高纯气体中的杂质氧化亚氮进行定量分析，当氧化亚氮浓度为0.001 10～0.001 20 mol／mol时，得到的红外吸收峰面积与一氧化氮高纯气体中的氧化亚氮接近，表明一氧化氮高纯气体中杂质氧化亚氮的浓度在该范围内，推算得到一氧化氮高纯气体中杂质氧化亚氮的浓度为0.001 11 mol／mol。

分别按照1.2 方法分析，一氧化氮高纯气体中的氮气、甲烷杂质的气相色谱图分别如图4、图5 所示，一氧化氮高纯气体中杂质含量测定结果列于表2。

图4 一氧化氮高纯气体中氮气的气相色谱图

图5 一氧化氮高纯气体中甲烷的气相色谱图

原料气纯度采用杂质扣除法计算。根据表2 杂质含量分析结果，可计算得到一氧化氮高纯气体的纯度为99.365 9%。

表2 一氧化氮高纯气体中杂质含量分析结果

2.2 包装容器选择

选择普通铝合金气瓶作为包装容器，考察该类型气瓶对组分气是否产生吸附［14］。具体步骤：（1）取装有混合均匀的300 μmol／mol 二氧化碳中一氧化氮气体的3 只气瓶作为母瓶；（2）采用与母瓶材质相同且来自同一批的气瓶作为子瓶，将母瓶中的气体混合物分装一半到子瓶中；（3）以母瓶量值为参考，获得子瓶分析值及相对偏差。

采用氮氧化物分析仪测定母瓶及不同子瓶中混合气体中一氧化氮的浓度，测定结果列于表3。

表3 气体分装试验数据

由表3 数据可知，子瓶与母瓶中混合气体的组分浓度没有显著差异，表明选用的气瓶对二氧化碳中一氧化氮没有明显的吸附现象，适用于充装所研制的混合气体标准物质。

2.3 混匀试验结果

二氧化碳中一氧化氮气体标准物质制备完成后，将装有气体标准物质的气瓶放置于滚动装置上，分别在混匀处理0.5，1.0，1.5，2.0 h 后（分析时间不计算在内）取样，采用氮氧化物分析仪测定二氧化碳中一氧化氮气体标准物质各组分的浓度，混匀试验数据列于表4。

表4 混匀试验数据

由表4 数据可知，混合气体混匀处理0.5～2 h，量值的相对标准偏差为0.49%～0.66%。试验结果表明混匀0.5 h 后样品量值即趋于稳定，混匀0.5 h即可满足均匀性要求。

2.4 放压试验

随着标准气体的消耗，瓶内压力可能导致气体发生物理化学变化。一般认为在瓶内压力较低时，有可能产生量值变化，因此需要考虑压力变化对气体浓度的影响。所研制的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质最终充装压力为10 MPa，为考察该气体标准物质组分浓度随压力变化的情况，使用流量计式减压阀分别以10，7，3，0.5 MPa 压力值放压处理，当达到相应的压力值时，采用氮氧化物分析仪重复测量3 次，记录气体标准物质的浓度数据，用F检验法考察其量值稳定性，结果表明统计量F均小于F0.05，3，8表值，表明浓度为100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮混合气体在压力降至0.5 MPa 过程中，压力变动性对组分浓度值没有显著性影响，组分浓度值是稳定的。同时也说明在试验压力范围内，该气体标准物质在气瓶内均匀性良好。

2.5 稳定性试验

为了考察标准气体在室温储存条件是否具有长期稳定性，确定其有效期限，对所配混合气体进行了为期12 个月的考察。依据标准物质技术规范，本着前密后疏的原则，对二氧化碳中一氧化氮混合气体的长期稳定性进行考察。对氮氧化物分析仪进行校准后，在不同的时间间隔内对所配制的气体标准物质的一氧化氮含量进行分析测定。

根据JJF 1343–2012 《标准物质定值的通用原则及统计学原理》，在不容易真实地定义标准样品动力学机理的情况下，以时间为自变量，以一氧化氮组分浓度分析值为因变量进行线性拟合，可计算得到拟合直线的斜率b1、截距b0、标准偏差s、斜率不确定度s(b1)。

若｜b1｜＜t0.95，n–2·s(b1)，则表示气体标准物质的浓度对时间变量无明显差异，样品稳定性良好；否则，样品稳定性不良。二氧化碳中一氧化氮混合气体稳定性实验统计结果见表5。

表5 二氧化碳中一氧化氮混合气体稳定性试验统计结果

由表5 统计结果可知，在12 个月的稳定性考察中，稳定性实验统计计算的回归系数｜b1｜均小于t0.95，n–2·s(b1)，即在95%置信区间内，气瓶内气体组分浓度无显著性差异，表明二氧化碳中一氧化氮混合气体的组分量值在12 个月的储存时间内稳定性良好。

2.6 定值及不确定度评价

研制的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质采用称量法定值。称量法制备校准混合气体是以经典的称量方法为基础、以国际单位制“质量”为基准的绝对方法，可以直接溯源到国际质量标准。

根据ISO 导则及各项不确定度分析过程，所研制的气体标准物质不确定度主要来源于以下几个方面：

（a）称量法配气引入的不确定度；

（b）压力稳定性引入的不确定度；

（c）长期时间稳定性引入的不确定度。

定值的相对标准不确定度uc，rel按照式(1)计算：

式中：urel(M)——配气引入的相对标准不确定度；

urel(P)——均匀性引入的相对标准不确定度；

urel(H)——稳定性引入的相对标准不确定度。

制备过程中称量法配气引入的不确定度与组分的相对分子质量、原料气的加入质量与原料气纯度有关。根据GB／T 5274.1–2018 计算二氧化碳中一氧化氮的称量不确定度。

均匀性引入的相对标准不确定度urel(P)按照式(2)计算［15］：

式中：MSb——放压实验组间均方差；

MSi——放压试验组内均方差；

根据公式(3)计算稳定性引入的相对标准不确定度urel(H)：

式中：s(b1)——稳定性试验拟合直线斜率的不确定 度；

t——稳定性考察时间。

配气过程、均匀性、稳定性引入的相对标准不确定度及最终合成相对标准不确定度、扩展不确定度列于表6。

表6 二氧化碳中一氧化氮气体标准物质量值不确定度

从表6 可知，浓度为100～1 000 μmol／mol 的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质的扩展不确定度的最大值为1.61%，因此，所研制的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质的相对扩展不确定度Uc，rel为2%（k=2）。

3 结语

利用称量法制备了气瓶装的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质。所研制的二氧化碳中一氧化氮气体标准物质均匀性、稳定性满足要求，运用于实际样品的测量中，使用结果满意，12 个月内满足以下指标：浓度为100～1 000 μmol／mol，相对扩展不确定度（k=2）为2%，充装压力为10 MPa，最低使用压力为0.5 MPa。