食品添加剂二氧化碳中硫化氢标准物质分析方法及性能评价的研究

李春瑛，韩 桥，杜秋芳，张 新

(中国计量科学研究院，北京 100013)

食品级二氧化碳中硫化物含量是一个重要指标。硫化物不仅影响饮料的口味，而且还对人体有害。硫化氢是一种有毒物质，它被称为是人体神经的毒剂，是窒息和刺激性较强的危害性气体。由于二氧化碳的气源不同，导致硫化氢的存在，因此在食品添加剂二氧化碳的相应法规中对该组分均有严格的限量要求。建立硫化氢计量溯源标准及准确定值的分析方法对评价该质量尤为重要。微量硫化物分析主要有两种方法:微库仑法和火焰光度检测器(FPD)的色谱法。本实验采用气相色谱法(FPD)分析二氧化碳中硫化氢组分，为标准物质性能的研究提供依据［1-6］。

1 气相色谱氢火焰离子化检测器(FPD)实验原理

FPD是选择性检测器，是目前应用最为广泛的一种硫化物检测器，具有稳定可靠、高灵敏度、高选择性的特点。它只对含硫(S)和磷(P)的物质有响应。含硫和磷的物质在火焰中燃烧时可发出特征光谱。用特定波长的滤光片(S为394 nm的紫色光，P为526 nm的黄色光)把特征光谱从其它光分开，经光电倍增管放大成电信号，从而可以检测。对 S:S+S→，→S2+hv。含硫物质(S)在富氢焰(冷焰390℃)中燃烧，生成激发态分子，当回到固态时，就发出350～430 nm的特征分子光谱，在394 nm最大波长处，借助于特定波长的滤光片测量其强度，从而检测硫的含量，其响应值与浓度的平方呈正比(R∝C2)。即:硫化物的响应值与硫化物浓度不成线性关系，而是与硫化物浓度平方成正比，显然用峰面积及峰高直接定量是不行的，需采用对数坐标曲线法以完成线性定量工作。

单点测量中使用外标法定量，计算公式如下:

式中，Ci为被测组分的色谱分析摩尔分数(μmol/mol);C0为色谱分析用标准气体的摩尔分数(μmol/mol);Ri为被测组分的响应值(以峰高计量，μV);R0为色谱分析用标准气体的响应值(以峰高计量，μV)。

2 气相色谱实验方法及条件

在本实验中硫化氢的分析，我们选择了日本岛津GC-2014气相色谱仪FPD检测器，以此对H2S/CO2标准气体气相色谱的实验方法进行选择，以期得到最佳的实验条件。该方法的实验参数选择见表1。初始实验条件:进样口温度150℃，柱温150℃，检测器温度270℃，柱流量10 mL/min，尾吹流量10 mL/min，分流比 5.0，实验用标准气体为:H2S/CO2，329601#，1.041 ×10－6(mol/mol)。

表1 操作参数与性能指标的选择Table1 The selection of operating parameters and performance indicators

3 H2S/CO2气相色谱仪最佳实验条件

H2S/CO2气相色谱仪最佳实验条件见表2。

表2 GC-2014/FPD H2S/CO2气相色谱最佳实验条件Table2 The optimum gas chromatography condition of H2S/CO2analyzed by GC-2014/FPD

4 实验的方法精密度

按照表2实验选择的最佳条件，选用浓度在(1～10)×10－6(mol/mol)附近的标准气体，进行方法精密度的实验，实验结果见表3。

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

从表中实验结果可知，采用本研究建立的气相色谱分析法在该条件下，分析结果的相对不确定度≤1.1%，满足对该系列标准物质的评价要求。

5 H2S/CO2方法检测限和线性度考察

实验过程中使用 329601#，1.041 × 10－6(mol/mol)H2S/CO2气体标准物质对该仪器检测能力和检测限进行了考察。实验表明，选择日本岛津2014气相色谱仪，FPD检测器H2S/CO2检测限可达到10×10－9的测量能力。

采用日本掘场SGD-SC 0.5 L型5分割硫化物气体分割器，标准气体和稀释气体为等比例混合，流量控制为1.0 mL/min;对瓶号为306151#、浓度为5.30 ×10－6，50745#、浓度为 9.951 × 10－6的标准气体进行线性范围的考察。实验结果见表4。

表4 方法线性度考察的实验结果Table4 The method linearity result for H2S/CO2

相关系数 r=0.99995;线性方程 lny=1.9799 lnx+7.4321(式中 y为峰高值，x为浓度值)，线性误差＜±1.0%，该仪器线性度良好。实验表明本研究建立的分析方法可以满足H2S/CO2气体标准物质性能评价的要求。

6 气体标准物质混匀及均匀性考察

研究中，我们对重量制备的硫化氢气体标准物质进行了混匀及均匀性的考察。按照GB/T 15000.3—2008/ISO Guide 35:2006 标准样品导则(3)《标准样品定值的一般原则和统计方法》［7-8］中对标准物质进行均匀性检验的评价要求，根据T检验，建立了气体标准物质组分量值(y)随时间(x)变化的回归方程:y=b0+b1x(式中y为各实际测量值，x为气体配制后的放置时间)，计算公式见(2)～(5)。

式中，b1为线性回归方程的斜率;X为X的平均值;为各次实际测量值的平均值。

式中，b0为线性回归方程的截距;

式中，n为测量次数;

式中，s(b1)为b1的标准偏差。

在评价过程中，若|b1|＜ t0.95，n－2× s(b1)，表明标准物质均匀性和稳定性良好，若|b1|＞t0.95，n－2×s(b1)，样品均匀性和稳定性不好，根据以上公式，可用函数TINV(0.05，n－2)计算得出均匀性的实验结果。实验结果见表5。

表5 H2S/CO2气体标准物质混匀实验结果(1×10－6)Table5 The mixing experimental results of H2S/CO2(1×10－6)

从表5实验结果的统计数据可以看出，H2S/CO2个别气体在气体混匀过程中实验数据略大一些外，其他气体均呈现良好的混匀特性。即:当气体标准物质采用静态混匀时，配制当日即可混匀。表中实验数据相对于该特性量值不确定度的预期目标而言，其特性量的不均匀误差可以忽略不计，表明该气体标准物质均匀性良好。

7 方法的比对和一致性考察

研究中我们对同一批配制的不同浓度的标准气体，随机选取任一瓶气体标准物质作为校准气体，对其它各瓶气体标准物质进行比对分析，并将重量法配制值与分析值进行比较。表6～7为气相色谱法与重量法的一致性比对结果。

表6 H2S/CO2气体标准物质方法一致性比对误差(1×10－6)Table6 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(1 ×10－6)

表7 H2S/CO2气体标准物质方法一致性比对误差(10×10－6)Table7 The comparison error of method coherence for H2S/CO2(10 ×10－6)

经考察用本研究建立的气相色谱方法对重量法制备的气体标准物质一致性比对误差≤±2%。结果表明，该系列气体标准物质重量配制一致性良好，重量法配制值准确可靠。

8 气体标准物质的复现性考察

研究中我们将第一批配制的气体标准物质作为基准值，分别对不同时间内配制的其它组分气体进行测量以考察气体标准物质的复现性。实验数据见表8。

表中实验数据表明，该气体标准物质复现性的比对误差≤±2.0%。

表8 H2S/CO2气体标准物质方法的复现性考察 (1×10－6)Table8 The study of method reproducibility for H2S/CO2(1×10－6)

9 气体标准物质实验室间的比对

研究中我们将本项研究的H2S/CO2气体标准物质与光明化工研究设计院研制的气体标准物质进行了分析比对，实验结果见表9。

结果表明:中国计量科学研究院制备的标准气体与光明化工研究设计院二者的比对误差≤±1.0%，表明我单位研制的标准气体具有量值的可比性，定值不确定度具有高的置信度。

表9 光明化工研究设计院比对结果Table9 The interlaboratory comparison results of H2S/CO2

10 标准物质随时间变化的稳定性及有效期限的考察

表10为硫化氢标准物质稳定性考察的实验数据。考察过程中分别以不同时间配制的气体标准物质为标准，完成该系列标准物质的性能评价，下表为T 分布计算的结果［7-8］。

实验结果表明:H2S/CO2气体标准物质稳定性最大变化量≤±1.7%;表明该气体标准物质组分气体的特性量值在本实验间隔内具有良好的化学稳定性。从表10还可以看出:H2S/CO2系列气体标准物质在有效期内的变化率虽然符合评价要求，但根据T检验的实验数据，该类气体在瓶内仍有逐渐下降的趋势，其有效使用期限在半年后为不稳定，因此此系列气体标准物质稳定性周期定为半年。

表10 H2S/CO2气体标准物质稳定性实验结果 (1～10)×10－6Table10 The stability results of H2S/CO2gas reference material(1～10)×10－6

11 标准物质随压力变化稳定性考察

在本项研究过程中，我们用气相色谱方法对研究中气体标准物质进行了压力实验以考察该标准气体在一瓶中的差异，实验采用F检验方法，计算公式见(6)～ (14)［7-8］。

式中，SS内为组内Y值方差平方和。

式中，SS间为组间各平均值与总平均值方差平方和的n倍。

式中，N1，N2为自由度。

式中，MS间为不同压力值测定测量结果的均方。

式中，MS内为同一压力值测量结果的均方

Fα，N1，N2:自由度为 N1，N2，显著性水平为 α 时的临界统计量。

若 F ＜ Fα，N1，N2瓶内均匀性良好，若 F ＞ Fα，N1，N2瓶内均匀性不好。表11为H2S/CO2气体标准物质随压力变化的实验结果。

从表11可以看出，钢瓶内充气压力从3.0 MPa降至0.5 MPa时，其组分量值的变化率均 ＜±1.0%，在分析误差之内。

表11 H2S/CO2气体标准物质随压力变化的实验结果(10－6)Table11 The experimental results of H2S/CO2with different pressure(10－6)

12 结论

经对本项研究中H2S/CO2气体标准物质的综合评价，该气体标准物质达到的指标见表12。定值方法:重量法;包装形式:H2S/CO2(4 L)涂氟预饱和的碳钢瓶。充气压力:3.0 MPa;使用压力下限:0.5 MPa;有效使用期限:0.5 a。

表12 H2S/CO2气体标准物质重量配制的相对扩展不确定度Table12 The relative expanded uncertainty of H2S/CO2

以上结果表明:本项研究成果的完成和国家级气体标准物质的申报，填补了我国食品安全计量领域的空白。保障了我国该系列计量标准在全国范围内的准确传递;为我国相关领域食品安全奠定了良好的溯源基础。为构建我国食品安全的法制计量，提高我国在该领域的国际地位做出了努力和贡献［9-11］。

［1］于亚东，韩永志，等.标准物质应用指南［M〛.北京:中国计量出版社，2009.

［2］全浩，韩永志.标准物质及其应用技术［M］.2版.北京:中国计量出版社，2003.

［3］韩永志.标准物质手册［G］.北京:中国计量出版社，1998.

［4］赵敏，何道善，于国辉，常侠.食品添加剂 液体二氧化碳国家标准介绍［R］.大连:光明化工研究设计院.

［5］GB 10621—2006食品添加剂 液体二氧化碳国家标准［S］.

［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 标准样品导则(3)标准样品定值的一般原则和统计方法［S］.

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

［9］李春瑛，吴梦一，等.关于食品添加剂二氧化碳产品质量的监控与溯源传递体系的研究［J］.现代分析仪器，2009(2):135-138.

［10］李春瑛.我国食品添加剂液体二氧化碳标准气体的研究现状［J］.计量与测试技术，2006，33(9):48-49.

［11］李春瑛.食品添加剂二氧化碳国家计量检测标准亟须完善［J］.中国计量，2006(9):20-22.