一种新型在线水质TOC监测仪自动校准装置及其校准方法研究

何飞飞，丁 斌，陈子望，强学栋，刘魏魏，李劲松

(南通市计量检定测试所，江苏 南通 226006)

1 引 言

总有机碳(total organic carbon,TOC)是以碳的含量表示有机物总量的一个指标，常用于检测水质。 近年来，总有机碳(TOC)作为水质评价的重要参数，受到各行各业的重视[1]。《中国药典》一直保持着对纯化水、制药用水水中总有机碳含量进行检测的要求, 并在通则0682中做了详细说明，要求各制药企业必须检测注射用水中的TOC含量,对纯化水，可在易氧化物与TOC项目中任选一项进行检测，同时明确指出注射用水与纯化水的合格限均为≤500 μg/L[2]。这不但加速了总有机碳(TOC)分析仪在医药企业用水检测中的更广泛的应用，也对TOC监测仪的准确计量提出了更高的要求[3]。

为了评定TOC分析仪的计量性能，保证量值可靠、准确、一致并具有溯源性，原国家质检总局发布了JJG821—2005《总有机碳分析仪》检定规程[4]。JJG821—2005的实施为TOC分析仪的检定工作提供了技术依据。但由于在规程的制修订过程中，TOC分析仪在国内主要应用在环境、化工等领域，测量范围仅在mg/L级以上，JJG821—2005规定的检定范围和相关的国家有证标准物质只有GBW(E)080650(标准值：1 000 mg/L)这一种，只覆盖mg/L级以上部分[5]，检定项目并不适用于测量范围为μg/L级的TOC分析仪的计量。目前对于μg/L级以下的校准，只能通过人工稀释配置μg/L级别的标准溶液来完成计量工作；但是μg/L级别的标准溶液受外界环境的影响极大，长期曝露其准确性和稳定性均会有不同程度的降低，尤其对于在线TOC分析仪在其500 μg/L量程以下的影响更为显著，这将直接影响分析仪器的测量准确性，其量值溯源性也得不到保证[3]。

为满足医药类生产企业中水质监测所使用的在线TOC分析仪在500 μg/L浓度以下的原位校准需求，本文提出了一种便捷且实操性强的现场校准方法，同时通过质量法和标准物质验证法对自动校准装置进行了稳定性和准确性的试验[6]。

2 原理和结构

2.1 原 理

总有机碳分析仪的原理是把样品中的碳元素完全氧化成二氧化碳，利用二氧化碳与碳质量之间的对应关系，测量二氧化碳含量，最后得到样品中碳元素的含量[7]。根据不同的有机物氧化方式，当前总有机碳分析仪中最常使用的氧化方式主要分为6种：高温燃烧氧化(干法氧化)[8]、二氧化钛或紫外加过硫酸盐氧化(湿法氧化)、紫外加过硫酸盐氧化(湿法氧化)[9]，紫外氧化[10]、超临界水氧化(super critical water oxidation，SCWO)和臭氧氧化。不同的氧化方式有其各自的优缺点及适用范围。总有机碳分析仪的二氧化碳检测分为非分散红外检测、选择性薄膜电导率检测和直接电导率检测等3种不同的方式[11]。其中直接电导率检测法目前对低浓度TOC水样十分适合，可用于清洁验证、注射用水/纯化水监测[12]。目前，应用直接电导率检测低含量总有机碳的在线或离线总有机碳分析仪，主要有HACH的ANATEL PAT700系列，Mettler Toledo的5000TOC系列。

2.2 自动校准装置组成

原位自动校准装置如图1所示。

图1 在线TOC分析仪原位自动校准装置Fig.1 In-site calibration equipment of online total organic carbon analyzer

本装置主要目的是为了解决低浓度(μg/L)级别在线TOC分析仪的自动校准，本装置主要经由美国TECAN公司的5 mL高精度陶瓷泵、25 mL的注射泵、混匀器和200 mL注射器组成。通过PLC转换实现对高精度陶瓷注射泵和25 mL大容量高精度注射泵进行通讯连接，建立起注射泵柱塞杆的步进数和吸取水样的体积数对应关系。可以根据TOC高浓度标准原液与在线TOC分析仪校准所需低浓度标准值计算得到稀释倍数，将此指令发送给高精度陶瓷泵和25 mL注射泵进行原液和空白液的吸取，注入到磁力搅拌混匀器进行比列稀释，将稀释得到的标液通过三通电磁阀吸入到200 mL注射器中；同时将步进电机固定于200 mL注射器的柱塞杆上，再给予步进电机打样的指令，通过三通电磁阀将稀释得到的标液以20 mL/min的恒流流速注入在线TOC分析仪的进样口。整个稀释和进样过程都在密封的系统中进行，最大程度减少了标液与外界的接触，实现在线TOC分析仪原位自动校准。

3 试验仪器

离子色谱仪(ICS-600)；液相色谱仪(Agilent 1100)；电子天平(十万分之一)；水中氯根离子成分分析标准物质GBW(E)082048；蔗糖纯度标准物质(GBW10067)；Naphthalene(Iso Guide 34 Reference Material)；总有机碳分析仪4000TOC(Mettler Toledo)。

4 试验方法

为验证自动装置的配置准确性和稳定性，本文分别采用3种方法对自动装置进行了试验。主要硬件注射泵的取样误差和稳定性对装置的配置结果的影响最大，首先采用质量法对注射泵进行了取样误差和稳定性的试验；再结合在线TOC分析仪原位校准的实际情况，分别采用离子色谱仪对由自动装置配置得到的水中氯根离子成分系列标准溶液和液相色谱仪对由自动装置配置得到的甲醇中萘系列标准溶液进行了试验；最后进行了在线TOC分析仪原位校准的试验。

4.1 质量法验证

4.1.1 高精度陶瓷注射泵取样误差

用纯水作为介质，分别以仪器自定义最小抽取速度档7和最快抽取速度档25对高精度陶瓷泵在100、500、2 000 μL抽样体积处用十万分之一的天平称取抽取得到水样质量进行取样准确性试验[13～15]，此处纯水的密度以25 ℃时0.998 2 g/cm3计算，每个测量点进行10次抽取，计算10次称重结果平均值。按式(1)计算取样误差ΔCr。

(1)

4.1.2 高精度陶瓷注射泵取样稳定性

同第4.1.1节的试验条件，按式(2)计算取样稳定性MC。

(2)

4.2 分析仪器测试验证

4.2.1 离子色谱仪测量误差

以浓度为1 000 mg/L的水中氯根离子成分分析标准物质GBW(E)082048为母液，用自动校准装置配制出一条理论值为0.2，0.4，0.6，0.8，1.0 mg/L的浓度曲线，配置过程中自动装置的设置参数见表1(最大稀释倍数达5 000倍)。

待浓度曲线配置完成后，用离子色谱对配置完成的样品进行测试，对测试结果进行一次曲线拟合，得到线性相关系数RLi，以相同的配置参数和离子色谱分析条件记录3次试验结果。按式(3)计算测量误差ΔRLi：

(3)

表1 离子色谱验证用自动装置标准样配置表Tab.1 Samples configuration of automatic device for ion chromatography verification

4.2.2 离子色谱测量稳定性

按照第4.2.1节所述试验条件进行准备，以相同的配置参数和离子色谱分析条件记录3次试验结果。按式(4)计算测量稳定性ML。

(4)

式中：RLi,max为相关系数最大值；RLi,min为相关系数最小值。

4.2.3 液相色谱仪测量误差

液相色谱仪由于其检测灵敏度高，检出限小，定性定量准确性高，分离效果好，一直以来被广泛应用。为进一步验证自动校准装置配置得到标准液的准确性和稳定性，称取0.1 g的萘溶解于100 mL的甲醇，配置得到1×10-3g/mL的萘-甲醇母液，以分析纯的甲醇试剂为稀释液，用自动校准装置进行萘浓度曲线的自动配置，配置过程中自动装置的设置参数见表2(最大稀释倍数达2 500倍)。

表2 液相色谱仪用自动装置标准样配置表Tab.2 Samples configuration of automatic device for liquid chromatograph verification

待浓度曲线配置完成后，用液相色谱仪对配置完成的样品进行测试，对测试结果进行一次曲线拟合，得到线性相关系数RYi，以相同的配置参数和液相色谱分析条件记录3次试验结果。按式(5)计算测量误差ΔRYi。

(5)

4.2.4 液相色谱仪测量稳定性

按照第4.2.3节所述试验条件进行准备，以相同的配置参数和液相色谱分析条件记录3次试验结果。按式(6)计算测量稳定性MY。

(6)

式中：RYi,max为相关系数最大值；RYi,min为相关系数最小值。

4.3 在线TOC原位自动校准

在进行在线TOC分析仪的原位校准前，将自动校准装置的标液排液口与在线TOC分析仪的进样口连接，预先用空白水对自动校准装置和在线TOC分析仪冲洗两遍；然后在自动校准装置上设置好配置参数，启动装置，装置先进行母液泵和稀释液泵的管路预填充，排除填充液后，清洗混匀器，排除清洗液，进行标液配置；完成配置后，由200 mL自动注射器将标准液抽取至注射器内，经三通阀转换以20 mL/min的流速匀速注射进在线TOC分析仪内进行自动校准。原位校准用线性回归的方式验证了自动校准装置的准确性。试验根据《中国药典》2015版中通则0682对于纯水总有机碳含量的要求，选择蔗糖标准溶液作为母液，精确称取0.118 75 g蔗糖纯度标准物质(标准物质号：GBW10067)，使用50 mL容量瓶，通过超纯水定容，得到总有机碳浓度约为1 000 mg/L的标准溶液作为母液，试验配置参数见表3(最大稀释倍数达2 500倍)。由于在线TOC分析仪的分析过程需要一定的响应时间，因此配置总量扩大到150 mL。

表3 在线TOC分析仪原位校准用标准样配置参数Tab.3 Sample configuration of automatic device for in-site calibration of online TOC analyzer

5 试验结果

5.1 高精度注射泵取样误差质量验证

用纯水作为介质，对高精度陶瓷注射泵的取样误差和稳定性用质量法进行了试验(试验数据见表4和表5，仅列出5次试验结果)，统计结果如图2所示，相同的取样体积，高精度陶瓷注射泵以较低的取样速度取样准确性优于以较高的取样速度取样，但是整体取样误差在0.62%以下；而取样速度对于稳定性没有较明显的影响，但是在进行100 μL体积取样时，稳定性明显差于500 μL和2 000 μL，分别在最小速度和最大速度时达到1.73%和1.27%(以10次结果计算重复性)。

图2 高精度陶瓷注射泵取样误差和稳定性Fig.2 Sampling error and stability of high precision ceramic injection pump

表4 高精度陶瓷注射泵在速度档为7时的取样误差和稳定性Tab.4 Sampling error and stability of high precision ceramic injection pump at speed of 7

表5 高精度陶瓷注射泵在速度档为25时的取样误差和稳定性Tab.5 Sampling error and stability of high precision ceramic injection pump at speed of 25

5.2 分析仪器验证

5.2.1 离子色谱仪验证

经过自动配液装置稀释得到的水中氯离子标准液用完全干燥的100 mL容量瓶接取，用离子色谱仪采用直接分析对接取得到的标准液进行分析，根据分析结果，进行一次曲线拟合(见表6)，得到由自动配液装置稀释得到的水中氯离子标准液浓度标准曲线的线性相关性。

表6 自动装置配置标准样离子色谱分析结果Tab.6 Analysis results of ion chromatography for samples configured by automatic device μS·min

该部分实验在同样的试验条件下进行了3次，根据结果得知，用离子色谱仪验证的自动装置的配置误差为-1.1%(如图3)，稳定性为0.81%；并且根据拟合曲线计算出了线性回归浓度(如表7)，线性误差绝对值的平均值为13.3%。

可以看出， 用离子色谱仪在低浓度处验证的配置误差较大，根据液相色谱仪的验证结果，同样的稀释倍数，液相色谱仪的线性准确性明显好于离子色谱仪。又重新用调整后的离子色谱仪验证稀释参数，将离子色谱仪的验证浓度放大了10倍，得到了较好的线性(具体实验见第6.2节)，其原因可能是离子色谱仪检出限较大，在低浓度处的信号响应不稳定导致的分析结果偏差。

图3 离子色谱仪验证配置误差Fig.3 Dispensing error of automatic device verified by ion chromatography

表7 自动装置配置标准样离子色谱回归浓度Tab.7 Regression concentration of ion chromatography for samples configured by automatic device

5.2.2 液相色谱仪验证

经过自动配液装置稀释得到的萘-甲醇标准液用完全干燥的100 mL容量瓶接取，用液相色谱仪采用直接分析法对接取到的标准液进行分析，根据分析结果，可以进行一次曲线拟合(见表8)，得到由自动配液装置稀释得到的萘-甲醇标准液浓度标准曲线的线性相关性。该部分实验在同样的条件下进行了3次，根据结果得知，用液相色谱仪验证自动装置的配置误差为-0.19%(如图4)，稳定性为0.40%。根据拟合曲线计算出了线性回归浓度(如表9)，线性误差绝对值的平均值为3.5%。

表8 自动装置配置标准样液相色谱仪分析结果Tab.8 Analysis results of Liquid chromatography for samples configured by automatic device mV·s

图4 液相色谱仪验证配置误差Fig.4 Dispensing error of automatic device verified by liquid chromatography

5.3 在线TOC原位校准

用自动装置配置400，600，800，1 000 μg/L的TOC系列标准样品，对在线TOC分析仪进行自动校准，根据现场由自动装置配置得到的TOC系列标准液的分析结果(见表10)，对测试结果进行一次曲线拟合(如图5)，得到其线性相关性为0.992 4。

表9 自动装置配置标准样液相色谱回归浓度Tab.9 Regression concentration of Liquid chromatography for samples configured by automatic device

表10 在线TOC分析仪原位校准试验结果Tab.10 In-site calibration results of online TOC analyzer μg/L

图5 在线TOC分析仪原位校准结果拟合曲线Fig.5 Fitting curve of in-situ calibration results of online TOC analyzer

6 实验结果分析与讨论

6.1 高精度注射泵取样误差质量验证

由实验结果可以看到，在100 μL的取样体积处稳定性较差，在500 μL和2 000 μL的取样体积处都表现了较小的取样误差和取样稳定性。考虑是因为选用的注射泵的最大量程是5 mL，可编程范围达18万步，而100 μL的取样体积仅为满量程的2%，注射泵的行程过小造成了稳定性较差。因此，在接下来的验证试验和在线校准试验中，都避开了100 μL的取样体积，最小取样体积从200 μL开始。

6.2 分析仪器测试验证

由试验结果可以看到，在相同的配置参数条件下，用离子色谱仪进行验证的结果差于用液相色谱仪验证的结果，考虑是因为离子色谱仪的最小检出限差于液相色谱仪，而选用的离子色谱仪对于μg/L级别的标准样品响应值不够，造成分析结果较差。为进一步验证，在用离子色谱仪进行配置误差验证时，调整配置参数见表11，分析结果见表12，对分析结果进行一次曲线拟合(如图6)得到线性相关性为0.999 8，计算得到配置误差为-0.02%。因此，综合离子色谱仪和液相色谱仪的验证结果，取液相色谱仪的配置误差作为自动装置的配置误差为-0.12%，稳定性为0.19%。同样根据拟合曲线计算出了线性回归浓度，得到的最大线性误差仅为3.0%(见表13)。

表11 调整后离子色谱验证用自动装置标准样配置表Tab.11 samples configuration of automatic device for ion chromatography verification

表12 自动装置配置标准样离子色谱分析结果Tab.12 Analysis results of ion chromatography for samples configured by automatic device

6.3 在线TOC原位校准

自动装置经过精密分析仪器的配置准确性和稳定性的验证后，进行在线TOC分析仪的原位校准。装置的配置过程都在密闭的环境中，减少了二氧化碳等杂质对TOC分析仪校准结果的影响。校准选用了Mettler Toledo的4000TOC在线TOC分析仪进行校准，该型号的分析仪需要大于20 mL/min的进样流速才能进行在线测试[16]，自动装置在设计过程中考虑到该因素，采用200 mL注射器作为进样系统，并进行了流速可调程序的编制，很大程度上满足各种型号在线TOC分析仪的校准要求。从在线TOC分析仪的原位校准结果得知，其线性相关性达0.992 4，2010年版《中国药典》规定制药用水中总有机碳测定中的仪器系统适用性响应效率[1]应为85%～115%,可以看出，自动装置很好地进行了在线TOC分析低浓度范围(μg/L级别)的原位校准，且满足了2010年版《中国药典》对制药用水中总有机碳的测量要求。

表13 自动装置配置标准样离子色谱回归浓度Tab.13 Regression concentration of ion chromatography for samples configured by automatic device

图6 离子色谱仪验证结果拟合曲线Fig.6 Fitting curve of verification results of ion chromatograph

7 结 论

通过在线水质(TOC)监测仪自动校准装置的研制，为低浓度(μg/L级别)在线TOC分析仪的原位校准提供了新的方法。该装置选用了高精度陶瓷注射泵和大量程高精度注射泵双泵取样系统，选用了磁力搅拌器作为配置混匀系统，选用了200 mL注射器作为恒流进样系统。整个配置过程在一个密闭的系统中进行，减少了空气中的二氧化碳等杂质对标样准确性的影响。在程序编制上加入了注射泵预填充，填充后冲洗以及进样流速可调等流程，从程序上控制了取样的准确性和稳定性，并且满足了自吸式进样和注射式进样两种进样方式的在线TOC分析仪的校准要求。分别通过质量法和精密仪器验证法对自动装置的配置准确性和稳定性进行了验证，并对品牌为Mettler Toledo型号为4000TOC的在线TOC分析仪进行了原位校准，其线性相关性达0.992 4，很好地完成了在线TOC分析低浓度范围(μg/L级别)的原位校准。