魏王慧 董翊 于瑞祥 高艷秋 鄭雨佳 姜陽(yáng) 任逸塵 陳鷹 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

二氧化碳是空氣中的一種氣體化合物，約占空氣總體積的0.03%，其分子式為CO2，由兩個(gè)氧原子與一個(gè)碳原子通過(guò)共價(jià)鍵連接而成。低濃度二氧化碳不具有毒性，但濃度超過(guò)一定值時(shí)，會(huì)造成人或動(dòng)物窒息。工業(yè)制取二氧化碳的方法主要有兩類：煅燒法和發(fā)酵氣回收法[1]。煅燒法是用高溫煅燒碳酸鈣制得二氧化碳；發(fā)酵氣回收法是將在生產(chǎn)乙醇發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的二氧化碳粗氣，經(jīng)水洗、除雜、壓縮，制得二氧化碳純氣。

二氧化碳是社會(huì)生產(chǎn)、應(yīng)用最廣泛的原料之一。氣態(tài)二氧化碳用于碳化軟飲料、水處理工藝的pH控制、食品保存、化學(xué)加工過(guò)程的惰性保護(hù)、焊接氣體等。液體二氧化碳用作制冷劑、滅火劑等。固態(tài)二氧化碳廣泛用于冷藏食品，在許多工業(yè)加工中作為冷凍劑，例如金屬冷處理、真空冷阱等。從生物制品、創(chuàng)新化學(xué)藥品到高端醫(yī)療器械、智慧醫(yī)療，全產(chǎn)業(yè)鏈的高質(zhì)量發(fā)展都離不開(kāi)關(guān)鍵基礎(chǔ)性材料——醫(yī)用氣體的使用，目前，高純或超純二氧化碳更多地用于研究醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等附加值較高的產(chǎn)業(yè)。隨著微創(chuàng)醫(yī)學(xué)的發(fā)展，醫(yī)用二氧化碳在臨床上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，例如腹腔鏡手術(shù)[2]等。超臨界二氧化碳萃取技術(shù)[3]由于良好的溶解能力和低黏度等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制藥領(lǐng)域。

純二氧化碳?xì)怏w中雜質(zhì)的檢測(cè)方法較多，GB/T 23938-2009《高純二氧化碳》[4]中主要使用不同類型檢測(cè)器的氣相色譜法對(duì)其中各類雜質(zhì)進(jìn)行分析，GB 1886.228-2016《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑二氧化碳》[5]對(duì)二氧化碳中雜質(zhì)種類的限制較多，雜質(zhì)檢測(cè)方法與高純二氧化碳中的雜質(zhì)檢測(cè)方法基本一致。在國(guó)內(nèi)以及國(guó)際上，醫(yī)用二氧化碳的標(biāo)準(zhǔn)是納入藥典進(jìn)行管理的，如中國(guó)藥典[6]、歐洲藥典[7]、美國(guó)藥典[8]等都有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。中國(guó)藥典、歐洲藥典、美國(guó)藥典中二氧化碳的含量要求分別為99.5%、99.5%和99.0%，其中的雜質(zhì)種類基本一致，包括一氧化碳、硫化物、水分和氮氧化合物，同時(shí)，對(duì)氣體的性狀，如顏色、氣味等也有相應(yīng)的規(guī)定。中國(guó)藥典還額外增加了總烴的檢測(cè)要求。由于世界范圍內(nèi)醫(yī)藥領(lǐng)域的很多標(biāo)準(zhǔn)都在相互借鑒和統(tǒng)一，因此，對(duì)于醫(yī)用二氧化碳中各類雜質(zhì)的檢測(cè)方法，也較為統(tǒng)一。中國(guó)藥典、歐洲藥典、美國(guó)藥典都使用對(duì)應(yīng)的氣體檢測(cè)管對(duì)雜質(zhì)（一氧化碳、二氧化碳、硫化物、水分和氮氧化合物）進(jìn)行檢測(cè)。而歐洲藥典增加了另外一套檢測(cè)體系，使用氣相色譜檢測(cè)一氧化碳，使用紫外熒光硫元素分析儀檢測(cè)硫化物，使用氮氧化物分析儀檢測(cè)氮氧化物，使用露點(diǎn)儀檢測(cè)水分等。在實(shí)際應(yīng)用中，檢測(cè)機(jī)構(gòu)會(huì)根據(jù)不同的要求，選擇不同的方法對(duì)醫(yī)用二氧化碳進(jìn)行檢測(cè)，并做方法驗(yàn)證。

本文以二氧化碳中一氧化碳、總硫化物兩種雜質(zhì)為例，使用歐洲藥典EP10.0 CARBON DIOXIDE[7]中兩種雜質(zhì)不同的檢測(cè)方法：一氧化碳使用帶有氫火焰離子化檢測(cè)器的氣相色譜法以及氣體檢測(cè)管法；總硫化物使用紫外熒光總硫分析法以及氣體檢測(cè)管法。通過(guò)對(duì)儀器方法和氣體檢測(cè)管方法的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行方法的驗(yàn)證和對(duì)比討論。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器設(shè)備

表1 氣體檢測(cè)管清單

1.2 工作條件

1.2.1 氣相色譜儀

檢測(cè)器：配有鎳轉(zhuǎn)化爐的氫火焰離子化檢測(cè)器；檢測(cè)器溫度：130 ℃；色譜柱：5A分子篩（2 m×4 mm）；柱溫：50℃；載氣：氮?dú)?；柱流速?0 mL/min；進(jìn)樣口溫度：130 ℃；進(jìn)樣量：1.0 mL。

1.2.2 元素分析儀

氧化溫度：1 000 ℃；紫外波長(zhǎng)：210 nm；檢測(cè)波長(zhǎng)：350 nm；循環(huán)次數(shù)：3次。

1.2.3 精密氣體稀釋儀

稀釋氣壓力：0.4 MPa；稀釋氣類型：二氧化碳、氮?dú)猓粯託鈮毫Γ?00～600 kPa；出口流速：100～1 000 mL/min；稀釋比：1∶1 000。

1.3 試劑材料

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)氣體

該量表由Campbell[18]編制，國(guó)內(nèi)范肖冬[19]翻譯，包括總體情感指數(shù)和生活滿意度兩個(gè)問(wèn)卷.前者由8個(gè)項(xiàng)目組成，后者僅有一項(xiàng).總體情感指數(shù)量表的平均得分與生活滿意度問(wèn)卷的得分(權(quán)重為1.1)相加即為主觀幸福感指數(shù).總體情感指數(shù)與生活滿意度的一致性為0.55.

標(biāo)準(zhǔn)氣體見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)氣體

1.3.2 高純氣體

選用液化空氣（昆山）氣體科技有限公司生產(chǎn)的高純二氧化碳（純度99.999%）、高純氮?dú)猓兌?9.999%）、高純氫氣（純度99.999%）、高純氬氣（純度99.999%）、高純氧氣（純度99.999%）及高純空氣。

2 結(jié)果與討論

2.1 一氧化碳雜質(zhì)的檢測(cè)

2.1.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

取標(biāo)準(zhǔn)氣體A（A1），用精密氣體稀釋儀稀釋至一氧化碳濃度分別為 2×10-6mol/mol、1×10-6mol/mol、0.5×10-6mol/mol和 0.1×10-6mol/mol，并記為氣體A2、A3、A4和A5。取氣體A1、A2、A3、A4和A5用本文1.2.1中色譜系統(tǒng)分別進(jìn)樣分析，得到相應(yīng)的一氧化碳色譜峰面積（見(jiàn)圖2）。每個(gè)濃度點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次取平均值，繪制一氧化碳峰面積-濃度校準(zhǔn)曲線（見(jiàn)圖3），得出線性相關(guān)系數(shù)r2為99.97%（見(jiàn)表3），較理想。

圖1 一氧化碳標(biāo)準(zhǔn)氣體色譜圖

圖2 一氧化碳校準(zhǔn)曲線

表3 一氧化碳線性數(shù)據(jù)

2.1.2 檢出限和定量限

檢出限按照3倍SD/S計(jì)算，定量限按照10倍SD/S計(jì)算[9]，其中SD是最接近檢出限濃度（0.1×10-6mol/mol）的一氧化碳響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S是校準(zhǔn)曲線斜率。計(jì)算得到一氧化碳的檢出限為0.014×10-6mol/mol，定量限為 0.048×10-6mol/mol，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 一氧化碳檢測(cè)限和定量限數(shù)據(jù)

2.1.3 重復(fù)性和中間精密度

實(shí)驗(yàn)員1在第一天測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體A，記錄6次一氧化碳的色譜峰面積，分別記為C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD1（n=6），結(jié)果為0.13%；實(shí)驗(yàn)員2在第二天測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體A，記錄6次一氧化碳的色譜峰面積，分別記為 C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD2（n=6），結(jié)果為 0.17%。RSD1和RSD2均小于10.0%，方法重復(fù)性較為理想。計(jì)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 的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到中間精密度RSD（n=12）為0.16%，也小于10.0%，較為理想。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5 一氧化碳雜質(zhì)檢測(cè)重復(fù)性和中間精密度數(shù)據(jù)

2.2 總硫化合物雜質(zhì)的檢測(cè)

2.2.1 校準(zhǔn)曲線的繪制

取標(biāo)準(zhǔn)氣體B（B1），用精密氣體稀釋儀稀釋至硫化氫濃度分別為 0.8×10-6mol/mol、0.5×10-6mol/mol、0.2×10-6mol/mol和 0.1×10-6mol/mol，分別記為氣體 B2、B3、B4和B5。取氣體 B1、B2、B3、B4和B5，分別用本文1.2.2中元素分析儀系統(tǒng)進(jìn)樣分析，得到相應(yīng)的硫化物響應(yīng)值。每個(gè)濃度點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次取平均值，繪制硫化物響應(yīng)-濃度校準(zhǔn)曲線，得出線性相關(guān)系數(shù)r2為99.90%，較理想。紫外熒光光譜圖見(jiàn)圖3，硫化物響應(yīng)-校準(zhǔn)曲線見(jiàn)圖4，線性數(shù)據(jù)見(jiàn)表6。

表6 總硫化合物線性數(shù)據(jù)

圖3 總硫化合物紫外熒光光譜圖

圖4 總硫化合物校準(zhǔn)曲線

2.2.2 檢出限和定量限

檢出限按照3倍SD/S計(jì)算，定量限按照10倍SD/S計(jì)算，其中SD是最接近檢出限濃度（0.1×10-6mol/mol）的硫化物響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)偏差，S是校準(zhǔn)曲線斜率。計(jì)算得到總硫化合物的檢出限為0.004×10-6mol/mol，定量限為 0.014×10-6mol/mol，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表7。

表7 總硫化合物檢出限和定量限數(shù)據(jù)

2.2.3 重復(fù)性和中間精密度

實(shí)驗(yàn)員1在第一天測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體B，記錄6次硫化氫的響應(yīng)值，分別記為C1-1、C1-2、C1-3、C1-4、C1-5、C1-6，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD1（n=6），結(jié)果為1.31%；實(shí)驗(yàn)員2在第二天測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體C，記錄6次硫化氫的響應(yīng)值，分別記為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5、C2-6，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏 差RSD2（n=6），結(jié)果為1.64%。RSD1和RSD2均小于10.0%，方法重復(fù)性較為理想。計(jì)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的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，得到中間精密度RSD（n=12）為1.51%，也小于10.0%，較為理想。詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表8。

表8 總硫化合物重復(fù)性和中間精密度數(shù)據(jù)

3 氣體檢測(cè)管系統(tǒng)

3.1 重復(fù)性

取標(biāo)準(zhǔn)氣體A，使用CO檢測(cè)管進(jìn)行測(cè)試，按照檢測(cè)管的使用要求抽取100 mL的標(biāo)準(zhǔn)氣體，根據(jù)檢測(cè)管顏色的變化（白色變?yōu)榉凵┳x取示值。取標(biāo)準(zhǔn)氣體B，使用H2S檢測(cè)管進(jìn)行測(cè)試，按照檢測(cè)管的使用要求抽取1 000 mL的標(biāo)準(zhǔn)氣體，根據(jù)檢測(cè)管顏色的變化（白色變?yōu)樽厣┳x取示值。取標(biāo)準(zhǔn)氣體C，使用SO2檢測(cè)管進(jìn)行測(cè)試，按照檢測(cè)管的使用要求抽取800 mL的標(biāo)準(zhǔn)氣體，根據(jù)檢測(cè)管顏色的變化（藍(lán)色變?yōu)辄S色）讀取示值。

實(shí)驗(yàn)員1在第一天分別測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體A、B、C，記錄6次對(duì)應(yīng)組分的濃度值，分別記為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，計(jì) 算 相 對(duì) 標(biāo) 準(zhǔn) 偏 差RSDa1、RSDb1、RSDc1（n=6）；實(shí)驗(yàn)員2在第二天測(cè)試6次標(biāo)準(zhǔn)氣體A、B、C，記錄6次對(duì)應(yīng)組分的濃度值，分 別 記 為 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，計(jì)算相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSDa2、RSDb2、RSDc2（n=6）。

計(jì) 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的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSDc（n=12）。最終，氣體檢測(cè)管系統(tǒng)檢測(cè)一氧化碳、硫化氫、二氧化硫的重復(fù)性和中間精密度數(shù)據(jù)見(jiàn)表9。

表9 氣體檢測(cè)管系統(tǒng)檢測(cè)一氧化碳、硫化氫、二氧化硫的重復(fù)性和中間精密度數(shù)據(jù)

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)二氧化碳中一氧化碳、硫化物不同檢測(cè)方法的驗(yàn)證和對(duì)比，發(fā)現(xiàn)歐洲藥典提供的兩套方法均適用于醫(yī)用二氧化碳中一氧化碳、硫化物雜質(zhì)的檢測(cè)。色譜、光譜等儀器類方法的雜質(zhì)檢出限更低，重復(fù)性和中間精密度也更好。氣體檢測(cè)管系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、用氣量少，適用于檢出限要求不高的檢測(cè)需求。具體使用哪種方法將根據(jù)不同需求進(jìn)行實(shí)施。