薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀的校準(zhǔn)

濮程，季紅梅，黃成浩，付朝陽(yáng)

(南京市計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)院，南京 210049)

總有機(jī)碳含量是芯片加工、精密儀器制造、醫(yī)藥用水和水質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域重點(diǎn)檢測(cè)的指標(biāo)之一［1］。目前常用總有機(jī)碳測(cè)定儀的檢測(cè)器按原理分有非色散紅外法（NDIR）和薄膜電導(dǎo)率法［2］。非色散紅外法總有機(jī)碳測(cè)定儀氧化效率高，準(zhǔn)確性好，體積稍大，需要高溫氧化，適用于水質(zhì)檢測(cè)站使用［3–4］。薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳測(cè)定儀具有體積小、測(cè)量速度快、操作便捷、反應(yīng)值具有線性關(guān)系、檢出限低的優(yōu)點(diǎn)，適合制藥分析實(shí)驗(yàn)室使用［5］?，F(xiàn)行有效的校準(zhǔn)規(guī)范JJG 821—2005 《總有機(jī)碳分析儀》用于校準(zhǔn)以非色散紅外法檢測(cè)二氧化碳含量的總有機(jī)碳分析儀；JJG（蘇）118—2010 《總有機(jī)碳（TOC）在線自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀》應(yīng)用于校準(zhǔn)污水排放檢測(cè)中的總有機(jī)碳在線分析儀，其采用的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)鄰苯二甲酸氫鉀相對(duì)分子質(zhì)量大，碳環(huán)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且標(biāo)準(zhǔn)溶液質(zhì)量濃度一般較高（1 000 mg/L），對(duì)于測(cè)量反滲透膜過(guò)濾后超純水中微量總有機(jī)碳的薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀匹配性較差，已有研究表明目前規(guī)范不適用于電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀的校準(zhǔn)［6］。

薄膜電導(dǎo)率法是目前國(guó)際醫(yī)藥行業(yè)普遍認(rèn)可的一種方法，其原理是將溶液通過(guò)紫外燈充分照射，把其中的有機(jī)碳氧化為無(wú)機(jī)碳，改變?nèi)芤旱碾妼?dǎo)率，通過(guò)傳感器記錄下電導(dǎo)率的變化，從而計(jì)算出溶液中有機(jī)碳的濃度。2020 版《中國(guó)藥典》通則0682要求制藥用水總有機(jī)碳含量應(yīng)不大于500 μg/L，大量制藥企業(yè)在比較選型后采用電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀對(duì)制藥用水中低濃度的總有機(jī)碳進(jìn)行檢測(cè)［7］，但目前缺乏現(xiàn)行有效的薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳測(cè)定儀校準(zhǔn)規(guī)范［8］，給這類(lèi)儀器的正常應(yīng)用造成了困難。

筆者探討可用于藥物用水中微量總有機(jī)碳含量檢測(cè)的薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳測(cè)定儀的校準(zhǔn)方法。

1 校準(zhǔn)方案

1.1 測(cè)量環(huán)境

溫度：10～30 ℃；相對(duì)濕度：小于80%；供電電壓：(220±10) V；供電頻率：(50±0.2) Hz。

1.2 主要標(biāo)準(zhǔn)器和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)

蔗糖純度標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：編號(hào)為GBW 10067，相對(duì)擴(kuò)展不確定度Urel=0.8%，k=2，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院。

分析天平：XPE 205 型，感量為0.01 mg，瑞士梅特勒–托利多集團(tuán)，計(jì)量合格。

量器：A 級(jí)單標(biāo)線移液管，A 級(jí)容量瓶，計(jì)量合格。

總有機(jī)碳分析儀：Sievers M9 型，美國(guó)通用電氣公司，計(jì)量合格。

超純水一體機(jī)：Comfort I 型，德國(guó)賽多利斯公司，計(jì)量合格。

立式自動(dòng)壓力蒸汽滅菌器：GR60DR 型，美國(guó)致微儀器有限公司，計(jì)量合格。

1.3 校準(zhǔn)用溶液的配制

校準(zhǔn)用蔗糖溶液采用重量–容量法配制，然后使用主標(biāo)準(zhǔn)器經(jīng)過(guò)廠家維護(hù)驗(yàn)證且計(jì)量溯源證書(shū)在有效期內(nèi)的Sievers M9 型總有機(jī)碳分析儀進(jìn)行定值，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為3%（k=2）［9–11］。為避免細(xì)菌對(duì)蔗糖溶液濃度的影響，配制時(shí)在無(wú)菌室中操作，采用現(xiàn)制超純水作為溶劑，玻璃器皿用壓力蒸汽滅菌器充分滅菌后使用，量具使用紫外殺菌法滅菌，配制后的標(biāo)準(zhǔn)溶液避免紫外光照射保存。

1.4 校準(zhǔn)項(xiàng)目

1.4.1 相對(duì)示值誤差

2020 版的《中國(guó)藥典》通則0682 要求供制藥用水總有機(jī)碳含量不應(yīng)大于500μg/L，因此把該質(zhì)量濃度加入示值誤差的校準(zhǔn)。按儀器說(shuō)明書(shū)校正維護(hù)儀器后，選用500 μg/L，最大量程50%、80%點(diǎn)對(duì)應(yīng)濃度的蔗糖溶液，分別重復(fù)測(cè)量3 次，記錄測(cè)量值后按式(1)計(jì)算相對(duì)示值誤差Δρi：

ρs——蔗糖溶液定值質(zhì)量濃度，μg/L。

取Δρi絕對(duì)值最大值為儀器相對(duì)示值誤差，建議儀器相對(duì)示值誤差的計(jì)量性能指標(biāo)為優(yōu)于±10%，可滿(mǎn)足儀器測(cè)量需要。

1.4.2 測(cè)量重復(fù)性

電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀的原理是用電導(dǎo)率的變化反映總有機(jī)碳的含量，每次測(cè)量時(shí)必須保證目標(biāo)物充分氧化，測(cè)量結(jié)果才能準(zhǔn)確并保持穩(wěn)定。為了考察測(cè)量結(jié)果的可信度，有必要開(kāi)展儀器測(cè)量重復(fù)性的校準(zhǔn)。在相同測(cè)量環(huán)境及條件下，選取常用測(cè)量點(diǎn)500 μg/L，以相同方法和人員連續(xù)測(cè)量7次，記錄測(cè)量值，采用貝塞爾公式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差［12］，然后除以7 次測(cè)量的平均值得到相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，該計(jì)量指標(biāo)建議小于2%。

1.4.3 線性誤差

根據(jù)電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀測(cè)量原理，氧化后的無(wú)機(jī)碳含量與電導(dǎo)率呈線性關(guān)系，故應(yīng)當(dāng)對(duì)儀器的線性誤差進(jìn)行考察。采用空白溶液和總有機(jī)碳含量測(cè)量響應(yīng)值在量程20%、50%、60%和80%的蔗糖溶液進(jìn)行3 次重復(fù)測(cè)量，記錄每個(gè)濃度值的算術(shù)平均值，以?xún)x器量程百分比為自變量（x）、測(cè)量值平均值為因變量（y）擬合線性方程，然后代入50%量程點(diǎn)，計(jì)算出該點(diǎn)質(zhì)量濃度ρ0，按式(2)計(jì)算線性誤差Δx：

式中：ρn——50%量程點(diǎn)按線性方程計(jì)算所得質(zhì)量濃度，μg/L；

ρsn——50%量程點(diǎn)蔗糖溶液定值質(zhì)量濃度，μg/L。

線性誤差建議計(jì)量性能指標(biāo)為小于10%。

1.4.4 檢出限

薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀廣泛應(yīng)用于檢測(cè)注射用水中總有機(jī)碳含量，2020 版《中國(guó)藥典》要求儀器檢出限低于50 μg/L。采用水質(zhì)分析用常用的空白試驗(yàn)法［13–14］，將空白溶液連續(xù)測(cè)量11 次后按式(3)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差s［15］：

式中：ρ0，i——空白溶液?jiǎn)未螠y(cè)量質(zhì)量濃度，μg/L；

按式(4)計(jì)算總有機(jī)碳分析儀檢出限：

檢出限的建議計(jì)量性能指標(biāo)要滿(mǎn)足藥典要求，應(yīng)小于50 μg/L。

1.4.5 記憶效應(yīng)

記憶效應(yīng)考察的是儀器在測(cè)量高濃度總有機(jī)碳后對(duì)低濃度測(cè)量的影響［16］。2020 版《中國(guó)藥典》規(guī)定制藥用水重要質(zhì)控點(diǎn)質(zhì)量濃度為500 μg/L，濃度較低，在測(cè)量較高濃度后是否有殘留，有必要對(duì)此項(xiàng)進(jìn)行校準(zhǔn)。充分沖洗儀器后，在進(jìn)樣器中通入500 μg/L 蔗糖溶液，重復(fù)測(cè)量3 次，記錄算術(shù)平均值，作為初始值。通入量程80%的蔗糖溶液進(jìn)行測(cè)量，然后測(cè)量500 μg/L 蔗糖溶液，記錄測(cè)量值，按式(5)計(jì)算記憶效應(yīng)Δρ：

式中：ρ0——500 μg/L 蔗糖溶液質(zhì)量濃度初始測(cè)量值，μg/L；

ρe——最后一次500 μg/L 蔗糖溶液質(zhì)量濃度測(cè)量值，μg/L。

建議記憶效應(yīng)的計(jì)量性能指標(biāo)為±3%。

1.5 校準(zhǔn)實(shí)例

準(zhǔn)備好一臺(tái)功能正常，耗材均在有效期內(nèi)的GE Sievers 900 型總有機(jī)碳分析儀，開(kāi)機(jī)預(yù)熱，充分沖洗管路后從示值誤差、測(cè)量重復(fù)性、線性誤差、檢出限、記憶效應(yīng)5 個(gè)方面對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)。

1.5.1 相對(duì)示值誤差

用重量–容量法配制3 份不同濃度的蔗糖溶液，經(jīng)過(guò)主標(biāo)準(zhǔn)器Sievers M9 型總有機(jī)碳分析儀定值后，記錄待校準(zhǔn)的Sievers 900 型總有機(jī)碳分析儀3 次測(cè)量值，用各點(diǎn)平均值分別計(jì)算其相對(duì)示值誤差，取其絕對(duì)值最大值為儀器的相對(duì)示值誤差。

表1 各校準(zhǔn)點(diǎn)的相對(duì)示值誤差

儀器相對(duì)示值誤差為3.9%，小于±10%的建議要求，表明該項(xiàng)目合格。

1.5.2 測(cè)量重復(fù)性

充分沖洗儀器后，連續(xù)測(cè)量7 次定值質(zhì)量濃度為534.8 μg/L 的蔗糖溶液，結(jié)果列于表2。

表2 測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差

由表2 數(shù)據(jù)計(jì)算得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.5%，小于建議計(jì)量指標(biāo)2%，表明儀器測(cè)量重復(fù)性滿(mǎn)足要求。

1.5.3 線性誤差

用超純水以重量–容量法配制4 份不同濃度的蔗糖溶液，經(jīng)主標(biāo)準(zhǔn)器Sievers M9 型總有機(jī)碳分析儀定值，分別記錄待校準(zhǔn)的Sievers 900 型總有機(jī)碳分析儀的3 次測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果列于表3。以?xún)x器量程百分比為自變量x，測(cè)量值平均值為因變量y擬合線性方程，得線性方程為y=1 453.1x+46.448，相關(guān)系數(shù)為0.999 8，表明該儀器濃度和量程值線性相關(guān)度較高。將50%量程點(diǎn)代入方程計(jì)算得到質(zhì)量濃度為772.9 μg/L，用公式(2)計(jì)算得線性誤差為5.2%，優(yōu)于建議要求的10%，線性誤差符合要求，電導(dǎo)率法總有機(jī)碳線性相關(guān)度較好。

表3 儀器測(cè)量值線性回歸分析結(jié)果 μg/L

1.5.4 檢出限

使用被校儀器對(duì)超純水連續(xù)測(cè)量11 次后記錄其測(cè)量值，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差，結(jié)果列于表4。由表4可知，標(biāo)準(zhǔn)偏差s=2.2 μg/L，代入式(4)計(jì)算得儀器的檢出限為6.6 μg/L，小于藥典檢出限（50 μg/L）要求。電導(dǎo)率法總有機(jī)碳檢出限低，可應(yīng)用于醫(yī)療用水的檢測(cè)。

表4 超純水測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差 μg/L

1.5.5 記憶效應(yīng)

首先使用被測(cè)儀器重復(fù)測(cè)量3 次定值質(zhì)量濃度為534.8 μg/L 的蔗糖溶液，計(jì)算得算術(shù)平均值ρ0=545.3 μg/L，作為初始值。然后測(cè)量一次定值質(zhì)量濃度為1 238.9 μg/L 的蔗糖溶液，最后再測(cè)量1 次534.8 μg/L 的蔗糖溶液，記錄測(cè)量值ρe=552.3 μg/L，按式(5)計(jì)算記憶效應(yīng)為1.3%，優(yōu)于3%的建議計(jì)量性能要求，說(shuō)明該總有機(jī)碳分析儀在測(cè)量完高濃度總有機(jī)碳后，管路沖洗得比較干凈，殘留較少，適用于低濃度總有機(jī)碳的檢測(cè)。

2 不確定度評(píng)定

2.1 不確定度來(lái)源

總有機(jī)碳示值誤差的不確定度分量來(lái)源有兩個(gè)方面［17–18］：一是蔗糖溶液引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uA，rel，其中包含在溶液配制過(guò)程中分析天平和玻璃容器引入的不確定度［9–10］，其相對(duì)不確定度為uA，rel=2.1%；二是測(cè)量重復(fù)性引入的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度uB，rel。

2.2 不確定度uB，rel 評(píng)定

根據(jù)表2 數(shù)據(jù)，連續(xù)測(cè)量534.8 μg/L 蔗糖溶液7 次，測(cè)定平均值為545.1 μg/L。用A 類(lèi)方法進(jìn)行評(píng)定，得uB，rel=0.2%。

2.3 合成不確定度

總有機(jī)碳示值誤差各不確定度分量互不相關(guān)，則合成相對(duì)不確定度：

2.4 擴(kuò)展不確定度

假設(shè)為高斯分布，包含因子k=2，置信概率95%時(shí)，相對(duì)擴(kuò)展不確定度為Urel=kuc，rel=4.4%。

3 結(jié)語(yǔ)

以薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀為研究對(duì)象，結(jié)合實(shí)際工作中遇到的薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀校準(zhǔn)問(wèn)題，探討了一種校準(zhǔn)方法，相對(duì)示值誤差、記憶效應(yīng)兩個(gè)項(xiàng)目增加藥典中重要質(zhì)控點(diǎn)的校準(zhǔn)［19］，更加貼合儀器實(shí)際應(yīng)用要求，并給出示值誤差不確定度評(píng)定，為薄膜電導(dǎo)率法總有機(jī)碳分析儀的校準(zhǔn)工作提供一定參考。