医用二氧化碳中杂质含量的不同测定方法比较

魏王慧 董翊 于瑞祥 高艳秋 郑雨佳 姜阳 任逸尘 陈鹰 / 上海市计量测试技术研究院

0 引言

二氧化碳是空气中的一种气体化合物，约占空气总体积的0.03%，其分子式为CO2，由两个氧原子与一个碳原子通过共价键连接而成。低浓度二氧化碳不具有毒性，但浓度超过一定值时，会造成人或动物窒息。工业制取二氧化碳的方法主要有两类：煅烧法和发酵气回收法[1]。煅烧法是用高温煅烧碳酸钙制得二氧化碳；发酵气回收法是将在生产乙醇发酵过程中产生的二氧化碳粗气，经水洗、除杂、压缩，制得二氧化碳纯气。

二氧化碳是社会生产、应用最广泛的原料之一。气态二氧化碳用于碳化软饮料、水处理工艺的pH控制、食品保存、化学加工过程的惰性保护、焊接气体等。液体二氧化碳用作制冷剂、灭火剂等。固态二氧化碳广泛用于冷藏食品，在许多工业加工中作为冷冻剂，例如金属冷处理、真空冷阱等。从生物制品、创新化学药品到高端医疗器械、智慧医疗，全产业链的高质量发展都离不开关键基础性材料——医用气体的使用，目前，高纯或超纯二氧化碳更多地用于研究医学、药学等附加值较高的产业。随着微创医学的发展，医用二氧化碳在临床上的应用越来越广泛，例如腹腔镜手术[2]等。超临界二氧化碳萃取技术[3]由于良好的溶解能力和低黏度等优点，广泛应用于制药领域。

纯二氧化碳气体中杂质的检测方法较多，GB/T 23938-2009《高纯二氧化碳》[4]中主要使用不同类型检测器的气相色谱法对其中各类杂质进行分析，GB 1886.228-2016《食品安全国家标准 食品添加剂二氧化碳》[5]对二氧化碳中杂质种类的限制较多，杂质检测方法与高纯二氧化碳中的杂质检测方法基本一致。在国内以及国际上，医用二氧化碳的标准是纳入药典进行管理的，如中国药典[6]、欧洲药典[7]、美国药典[8]等都有相关的标准规定。中国药典、欧洲药典、美国药典中二氧化碳的含量要求分别为99.5%、99.5%和99.0%，其中的杂质种类基本一致，包括一氧化碳、硫化物、水分和氮氧化合物，同时，对气体的性状，如颜色、气味等也有相应的规定。中国药典还额外增加了总烃的检测要求。由于世界范围内医药领域的很多标准都在相互借鉴和统一，因此，对于医用二氧化碳中各类杂质的检测方法，也较为统一。中国药典、欧洲药典、美国药典都使用对应的气体检测管对杂质（一氧化碳、二氧化碳、硫化物、水分和氮氧化合物）进行检测。而欧洲药典增加了另外一套检测体系，使用气相色谱检测一氧化碳，使用紫外荧光硫元素分析仪检测硫化物，使用氮氧化物分析仪检测氮氧化物，使用露点仪检测水分等。在实际应用中，检测机构会根据不同的要求，选择不同的方法对医用二氧化碳进行检测，并做方法验证。

本文以二氧化碳中一氧化碳、总硫化物两种杂质为例，使用欧洲药典EP10.0 CARBON DIOXIDE[7]中两种杂质不同的检测方法：一氧化碳使用带有氢火焰离子化检测器的气相色谱法以及气体检测管法；总硫化物使用紫外荧光总硫分析法以及气体检测管法。通过对仪器方法和气体检测管方法的实验，进行方法的验证和对比讨论。

1 实验部分

1.1 仪器设备

表1 气体检测管清单

1.2 工作条件

1.2.1 气相色谱仪

检测器：配有镍转化炉的氢火焰离子化检测器；检测器温度：130 ℃；色谱柱：5A分子筛（2 m×4 mm）；柱温：50℃；载气：氮气；柱流速：60 mL/min；进样口温度：130 ℃；进样量：1.0 mL。

1.2.2 元素分析仪

氧化温度：1 000 ℃；紫外波长：210 nm；检测波长：350 nm；循环次数：3次。

1.2.3 精密气体稀释仪

稀释气压力：0.4 MPa；稀释气类型：二氧化碳、氮气；样气压力：400～600 kPa；出口流速：100～1 000 mL/min；稀释比：1∶1 000。

1.3 试剂材料

1.3.1 标准气体

该量表由Campbell[18]编制，国内范肖冬[19]翻译，包括总体情感指数和生活满意度两个问卷.前者由8个项目组成，后者仅有一项.总体情感指数量表的平均得分与生活满意度问卷的得分(权重为1.1)相加即为主观幸福感指数.总体情感指数与生活满意度的一致性为0.55.

标准气体见表2。

表2 标准气体

1.3.2 高纯气体

选用液化空气（昆山）气体科技有限公司生产的高纯二氧化碳（纯度99.999%）、高纯氮气（纯度99.999%）、高纯氢气（纯度99.999%）、高纯氩气（纯度99.999%）、高纯氧气（纯度99.999%）及高纯空气。

2 结果与讨论

2.1 一氧化碳杂质的检测

2.1.1 校准曲线的绘制

取标准气体A（A1），用精密气体稀释仪稀释至一氧化碳浓度分别为 2×10-6mol/mol、1×10-6mol/mol、0.5×10-6mol/mol和 0.1×10-6mol/mol，并记为气体A2、A3、A4和A5。取气体A1、A2、A3、A4和A5用本文1.2.1中色谱系统分别进样分析，得到相应的一氧化碳色谱峰面积（见图2）。每个浓度点重复测量3次取平均值，绘制一氧化碳峰面积-浓度校准曲线（见图3），得出线性相关系数r2为99.97%（见表3），较理想。

图1 一氧化碳标准气体色谱图

图2 一氧化碳校准曲线

表3 一氧化碳线性数据

2.1.2 检出限和定量限

检出限按照3倍SD/S计算，定量限按照10倍SD/S计算[9]，其中SD是最接近检出限浓度（0.1×10-6mol/mol）的一氧化碳响应的标准偏差，S是校准曲线斜率。计算得到一氧化碳的检出限为0.014×10-6mol/mol，定量限为 0.048×10-6mol/mol，详细数据见表4。

表4 一氧化碳检测限和定量限数据

2.1.3 重复性和中间精密度

实验员1在第一天测试6次标准气体A，记录6次一氧化碳的色谱峰面积，分别记为C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6，计算相对标准偏差RSD1（n=6），结果为0.13%；实验员2在第二天测试6次标准气体A，记录6次一氧化碳的色谱峰面积，分别记为 C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6，计算相对标准偏差RSD2（n=6），结果为 0.17%。RSD1和RSD2均小于10.0%，方法重复性较为理想。计算 C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6、C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6 的相对标准偏差，得到中间精密度RSD（n=12）为0.16%，也小于10.0%，较为理想。详细数据见表5。

表5 一氧化碳杂质检测重复性和中间精密度数据

2.2 总硫化合物杂质的检测

2.2.1 校准曲线的绘制

取标准气体B（B1），用精密气体稀释仪稀释至硫化氢浓度分别为 0.8×10-6mol/mol、0.5×10-6mol/mol、0.2×10-6mol/mol和 0.1×10-6mol/mol，分别记为气体 B2、B3、B4和B5。取气体 B1、B2、B3、B4和B5，分别用本文1.2.2中元素分析仪系统进样分析，得到相应的硫化物响应值。每个浓度点重复测量3次取平均值，绘制硫化物响应-浓度校准曲线，得出线性相关系数r2为99.90%，较理想。紫外荧光光谱图见图3，硫化物响应-校准曲线见图4，线性数据见表6。

表6 总硫化合物线性数据

图3 总硫化合物紫外荧光光谱图

图4 总硫化合物校准曲线

2.2.2 检出限和定量限

检出限按照3倍SD/S计算，定量限按照10倍SD/S计算，其中SD是最接近检出限浓度（0.1×10-6mol/mol）的硫化物响应的标准偏差，S是校准曲线斜率。计算得到总硫化合物的检出限为0.004×10-6mol/mol，定量限为 0.014×10-6mol/mol，详细数据见表7。

表7 总硫化合物检出限和定量限数据

2.2.3 重复性和中间精密度

实验员1在第一天测试6次标准气体B，记录6次硫化氢的响应值，分别记为C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6，计算相对标准偏差RSD1（n=6），结果为1.31%；实验员2在第二天测试6次标准气体C，记录6次硫化氢的响应值，分别记为C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6，计算相对标准偏 差RSD2（n=6），结果为1.64%。RSD1和RSD2均小于10.0%，方法重复性较为理想。计算C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6、C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6的相对标准偏差，得到中间精密度RSD（n=12）为1.51%，也小于10.0%，较为理想。详细数据见表8。

表8 总硫化合物重复性和中间精密度数据

3 气体检测管系统

3.1 重复性

取标准气体A，使用CO检测管进行测试，按照检测管的使用要求抽取100 mL的标准气体，根据检测管颜色的变化（白色变为粉色）读取示值。取标准气体B，使用H2S检测管进行测试，按照检测管的使用要求抽取1 000 mL的标准气体，根据检测管颜色的变化（白色变为棕色）读取示值。取标准气体C，使用SO2检测管进行测试，按照检测管的使用要求抽取800 mL的标准气体，根据检测管颜色的变化（蓝色变为黄色）读取示值。

实验员1在第一天分别测试6次标准气体A、B、C，记录6次对应组分的浓度值，分别记为a1-1、a1-2、a1-3、a1-4、a1-5、a1-6，b1-1、b1-2、b1-3、b1-4、b1-5、b1-6，c1-1、c1-2、c1-3、c1-4、c1-5、c1-6，计 算 相 对 标 准 偏 差RSDa1、RSDb1、RSDc1（n=6）；实验员2在第二天测试6次标准气体A、B、C，记录6次对应组分的浓度值，分 别 记 为 a2-1、a2-2、a2-3、a2-4、a1-5、a2-6，b2-1、b2-2、b2-3、b2-4、b2-5、b2-6，c2-1、c2-2、c2-3、c2-4、c2-5、c2-6，计算相对标准偏差RSDa2、RSDb2、RSDc2（n=6）。

计 算 a1-1、a1-2、a1-3、a1-4、a1-5、a1-6、a2-1、a2-2、a2-3、a2-4、a1-5、a2-6的相对标准偏差RSDa（n=12），b1-1、b1-2、b1-3、b1-4、b1-5、b1-6、b2-1、b2-2、b2-3、b2-4、b2-5、b2-6的相对标准偏差RSDb（n=12），c1-1、c1-2、c1-3、c1-4、c1-5、c1-6、c2-1、c2-2、c2-3、c2-4、c2-5、c2-6的相对标准偏差RSDc（n=12）。最终，气体检测管系统检测一氧化碳、硫化氢、二氧化硫的重复性和中间精密度数据见表9。

表9 气体检测管系统检测一氧化碳、硫化氢、二氧化硫的重复性和中间精密度数据

3 结语

通过对二氧化碳中一氧化碳、硫化物不同检测方法的验证和对比，发现欧洲药典提供的两套方法均适用于医用二氧化碳中一氧化碳、硫化物杂质的检测。色谱、光谱等仪器类方法的杂质检出限更低，重复性和中间精密度也更好。气体检测管系统操作简单、用气量少，适用于检出限要求不高的检测需求。具体使用哪种方法将根据不同需求进行实施。