食品添加劑二氧化碳中硫化氫標準物質分析方法及性能評價的研究

李春瑛，韓 橋，杜秋芳，張 新

(中國計量科學研究院，北京 100013)

食品級二氧化碳中硫化物含量是一個重要指標。硫化物不僅影響飲料的口味，而且還對人體有害。硫化氫是一種有毒物質，它被稱為是人體神經的毒劑，是窒息和刺激性較強的危害性氣體。由于二氧化碳的氣源不同，導致硫化氫的存在，因此在食品添加劑二氧化碳的相應法規中對該組分均有嚴格的限量要求。建立硫化氫計量溯源標準及準確定值的分析方法對評價該質量尤為重要。微量硫化物分析主要有兩種方法:微庫侖法和火焰光度檢測器(FPD)的色譜法。本實驗采用氣相色譜法(FPD)分析二氧化碳中硫化氫組分，為標準物質性能的研究提供依據［1-6］。

1 氣相色譜氫火焰離子化檢測器(FPD)實驗原理

FPD是選擇性檢測器，是目前應用最為廣泛的一種硫化物檢測器，具有穩定可靠、高靈敏度、高選擇性的特點。它只對含硫(S)和磷(P)的物質有響應。含硫和磷的物質在火焰中燃燒時可發出特征光譜。用特定波長的濾光片(S為394 nm的紫色光，P為526 nm的黃色光)把特征光譜從其它光分開，經光電倍增管放大成電信號，從而可以檢測。對 S:S+S→，→S2+hv。含硫物質(S)在富氫焰(冷焰390℃)中燃燒，生成激發態分子，當回到固態時，就發出350～430 nm的特征分子光譜，在394 nm最大波長處，借助于特定波長的濾光片測量其強度，從而檢測硫的含量，其響應值與濃度的平方呈正比(R∝C2)。即:硫化物的響應值與硫化物濃度不成線性關系，而是與硫化物濃度平方成正比，顯然用峰面積及峰高直接定量是不行的，需采用對數坐標曲線法以完成線性定量工作。

單點測量中使用外標法定量，計算公式如下:

式中，Ci為被測組分的色譜分析摩爾分數(μmol/mol);C0為色譜分析用標準氣體的摩爾分數(μmol/mol);Ri為被測組分的響應值(以峰高計量，μV);R0為色譜分析用標準氣體的響應值(以峰高計量，μV)。

2 氣相色譜實驗方法及條件

在本實驗中硫化氫的分析，我們選擇了日本島津GC-2014氣相色譜儀FPD檢測器，以此對H2S/CO2標準氣體氣相色譜的實驗方法進行選擇，以期得到最佳的實驗條件。該方法的實驗參數選擇見表1。初始實驗條件:進樣口溫度150℃，柱溫150℃，檢測器溫度270℃，柱流量10 mL/min，尾吹流量10 mL/min，分流比 5.0，實驗用標準氣體為:H2S/CO2，329601#，1.041 ×10－6(mol/mol)。

表1 操作參數與性能指標的選擇Table1 The selection of operating parameters and performance indicators

3 H2S/CO2氣相色譜儀最佳實驗條件

H2S/CO2氣相色譜儀最佳實驗條件見表2。

表2 GC-2014/FPD H2S/CO2氣相色譜最佳實驗條件Table2 The optimum gas chromatography condition of H2S/CO2analyzed by GC-2014/FPD

4 實驗的方法精密度

按照表2實驗選擇的最佳條件，選用濃度在(1～10)×10－6(mol/mol)附近的標準氣體，進行方法精密度的實驗，實驗結果見表3。

表3 H2S/CO2分析方法的精密度Table3 The precision of H2S/CO2experimental method

從表中實驗結果可知，采用本研究建立的氣相色譜分析法在該條件下，分析結果的相對不確定度≤1.1%，滿足對該系列標準物質的評價要求。

5 H2S/CO2方法檢測限和線性度考察

實驗過程中使用 329601#，1.041 × 10－6(mol/mol)H2S/CO2氣體標準物質對該儀器檢測能力和檢測限進行了考察。實驗表明，選擇日本島津2014氣相色譜儀，FPD檢測器H2S/CO2檢測限可達到10×10－9的測量能力。

采用日本掘場SGD-SC 0.5 L型5分割硫化物氣體分割器，標準氣體和稀釋氣體為等比例混合，流量控制為1.0 mL/min;對瓶號為306151#、濃度為5.30 ×10－6，50745#、濃度為 9.951 × 10－6的標準氣體進行線性范圍的考察。實驗結果見表4。

表4 方法線性度考察的實驗結果Table4 The method linearity result for H2S/CO2

相關系數 r=0.99995;線性方程 lny=1.9799 lnx+7.4321(式中 y為峰高值，x為濃度值)，線性誤差＜±1.0%，該儀器線性度良好。實驗表明本研究建立的分析方法可以滿足H2S/CO2氣體標準物質性能評價的要求。

6 氣體標準物質混勻及均勻性考察

研究中，我們對重量制備的硫化氫氣體標準物質進行了混勻及均勻性的考察。按照GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006 標準樣品導則(3)《標準樣品定值的一般原則和統計方法》［7-8］中對標準物質進行均勻性檢驗的評價要求，根據T檢驗，建立了氣體標準物質組分量值(y)隨時間(x)變化的回歸方程:y=b0+b1x(式中y為各實際測量值，x為氣體配制后的放置時間)，計算公式見(2)～(5)。

式中，b1為線性回歸方程的斜率;X為X的平均值;為各次實際測量值的平均值。

式中，b0為線性回歸方程的截距;

式中，n為測量次數;

式中，s(b1)為b1的標準偏差。

在評價過程中，若|b1|＜ t0.95，n－2× s(b1)，表明標準物質均勻性和穩定性良好，若|b1|＞t0.95，n－2×s(b1)，樣品均勻性和穩定性不好，根據以上公式，可用函數TINV(0.05，n－2)計算得出均勻性的實驗結果。實驗結果見表5。

表5 H2S/CO2氣體標準物質混勻實驗結果(1×10－6)Table5 The mixing experimental results of H2S/CO2(1×10－6)

從表5實驗結果的統計數據可以看出，H2S/CO2個別氣體在氣體混勻過程中實驗數據略大一些外，其他氣體均呈現良好的混勻特性。即:當氣體標準物質采用靜態混勻時，配制當日即可混勻。表中實驗數據相對于該特性量值不確定度的預期目標而言，其特性量的不均勻誤差可以忽略不計，表明該氣體標準物質均勻性良好。

7 方法的比對和一致性考察

研究中我們對同一批配制的不同濃度的標準氣體，隨機選取任一瓶氣體標準物質作為校準氣體，對其它各瓶氣體標準物質進行比對分析，并將重量法配制值與分析值進行比較。表6～7為氣相色譜法與重量法的一致性比對結果。

表6 H2S/CO2氣體標準物質方法一致性比對誤差(1×10－6)Table6 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(1 ×10－6)

表7 H2S/CO2氣體標準物質方法一致性比對誤差(10×10－6)Table7 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(10 ×10－6)

經考察用本研究建立的氣相色譜方法對重量法制備的氣體標準物質一致性比對誤差≤±2%。結果表明，該系列氣體標準物質重量配制一致性良好，重量法配制值準確可靠。

8 氣體標準物質的復現性考察

研究中我們將第一批配制的氣體標準物質作為基準值，分別對不同時間內配制的其它組分氣體進行測量以考察氣體標準物質的復現性。實驗數據見表8。

表中實驗數據表明，該氣體標準物質復現性的比對誤差≤±2.0%。

表8 H2S/CO2氣體標準物質方法的復現性考察 (1×10－6)Table8 The study of method reproducibility for H2S/CO2(1×10－6)

9 氣體標準物質實驗室間的比對

研究中我們將本項研究的H2S/CO2氣體標準物質與光明化工研究設計院研制的氣體標準物質進行了分析比對，實驗結果見表9。

結果表明:中國計量科學研究院制備的標準氣體與光明化工研究設計院二者的比對誤差≤±1.0%，表明我單位研制的標準氣體具有量值的可比性，定值不確定度具有高的置信度。

表9 光明化工研究設計院比對結果Table9 The interlaboratory comparison results of H2S/CO2

10 標準物質隨時間變化的穩定性及有效期限的考察

表10為硫化氫標準物質穩定性考察的實驗數據。考察過程中分別以不同時間配制的氣體標準物質為標準，完成該系列標準物質的性能評價，下表為T 分布計算的結果［7-8］。

實驗結果表明:H2S/CO2氣體標準物質穩定性最大變化量≤±1.7%;表明該氣體標準物質組分氣體的特性量值在本實驗間隔內具有良好的化學穩定性。從表10還可以看出:H2S/CO2系列氣體標準物質在有效期內的變化率雖然符合評價要求，但根據T檢驗的實驗數據，該類氣體在瓶內仍有逐漸下降的趨勢，其有效使用期限在半年后為不穩定，因此此系列氣體標準物質穩定性周期定為半年。

表10 H2S/CO2氣體標準物質穩定性實驗結果 (1～10)×10－6Table10 The stability results of H2S/CO2gas reference material(1～10)×10－6

11 標準物質隨壓力變化穩定性考察

在本項研究過程中，我們用氣相色譜方法對研究中氣體標準物質進行了壓力實驗以考察該標準氣體在一瓶中的差異，實驗采用F檢驗方法，計算公式見(6)～ (14)［7-8］。

式中，SS內為組內Y值方差平方和。

式中，SS間為組間各平均值與總平均值方差平方和的n倍。

式中，N1，N2為自由度。

式中，MS間為不同壓力值測定測量結果的均方。

式中，MS內為同一壓力值測量結果的均方

Fα，N1，N2:自由度為 N1，N2，顯著性水平為 α 時的臨界統計量。

若 F ＜ Fα，N1，N2瓶內均勻性良好，若 F ＞ Fα，N1，N2瓶內均勻性不好。表11為H2S/CO2氣體標準物質隨壓力變化的實驗結果。

從表11可以看出，鋼瓶內充氣壓力從3.0 MPa降至0.5 MPa時，其組分量值的變化率均 ＜±1.0%，在分析誤差之內。

表11 H2S/CO2氣體標準物質隨壓力變化的實驗結果(10－6)Table11 The experimental results of H2S/CO2with different pressure(10－6)

12 結論

經對本項研究中H2S/CO2氣體標準物質的綜合評價，該氣體標準物質達到的指標見表12。定值方法:重量法;包裝形式:H2S/CO2(4 L)涂氟預飽和的碳鋼瓶。充氣壓力:3.0 MPa;使用壓力下限:0.5 MPa;有效使用期限:0.5 a。

表12 H2S/CO2氣體標準物質重量配制的相對擴展不確定度Table12 The relative expanded uncertainty of H2S/CO2

以上結果表明:本項研究成果的完成和國家級氣體標準物質的申報，填補了我國食品安全計量領域的空白。保障了我國該系列計量標準在全國范圍內的準確傳遞;為我國相關領域食品安全奠定了良好的溯源基礎。為構建我國食品安全的法制計量，提高我國在該領域的國際地位做出了努力和貢獻［9-11］。

［1］于亞東，韓永志，等.標準物質應用指南［M?.北京:中國計量出版社，2009.

［2］全浩，韓永志.標準物質及其應用技術［M］.2版.北京:中國計量出版社，2003.

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［4］趙敏，何道善，于國輝，常俠.食品添加劑 液體二氧化碳國家標準介紹［R］.大連:光明化工研究設計院.

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［6］ISO 6142:2001 Gas analysis-Preparation of calibration gas mixture-Weighing methods，International Organization for Standardization，International Organization for Standardization［S］.

［7］GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006 標準樣品導則(3)標準樣品定值的一般原則和統計方法［S］.

［8］Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement(GUM)［S］.International Organization for Standardization，1993.

［9］李春瑛，吳夢一，等.關于食品添加劑二氧化碳產品質量的監控與溯源傳遞體系的研究［J］.現代分析儀器，2009(2):135-138.

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