薄膜电导率法总有机碳分析仪的校准

濮程，季红梅，黄成浩，付朝阳

(南京市计量监督检测院，南京 210049)

总有机碳含量是芯片加工、精密仪器制造、医药用水和水质环境监测等领域重点检测的指标之一［1］。目前常用总有机碳测定仪的检测器按原理分有非色散红外法（NDIR）和薄膜电导率法［2］。非色散红外法总有机碳测定仪氧化效率高，准确性好，体积稍大，需要高温氧化，适用于水质检测站使用［3–4］。薄膜电导率法总有机碳测定仪具有体积小、测量速度快、操作便捷、反应值具有线性关系、检出限低的优点，适合制药分析实验室使用［5］。现行有效的校准规范JJG 821—2005 《总有机碳分析仪》用于校准以非色散红外法检测二氧化碳含量的总有机碳分析仪；JJG（苏）118—2010 《总有机碳（TOC）在线自动监测仪》应用于校准污水排放检测中的总有机碳在线分析仪，其采用的标准物质邻苯二甲酸氢钾相对分子质量大，碳环结构稳定，且标准溶液质量浓度一般较高（1 000 mg/L），对于测量反渗透膜过滤后超纯水中微量总有机碳的薄膜电导率法总有机碳分析仪匹配性较差，已有研究表明目前规范不适用于电导率法总有机碳分析仪的校准［6］。

薄膜电导率法是目前国际医药行业普遍认可的一种方法，其原理是将溶液通过紫外灯充分照射，把其中的有机碳氧化为无机碳，改变溶液的电导率，通过传感器记录下电导率的变化，从而计算出溶液中有机碳的浓度。2020 版《中国药典》通则0682要求制药用水总有机碳含量应不大于500 μg/L，大量制药企业在比较选型后采用电导率法总有机碳分析仪对制药用水中低浓度的总有机碳进行检测［7］，但目前缺乏现行有效的薄膜电导率法总有机碳测定仪校准规范［8］，给这类仪器的正常应用造成了困难。

笔者探讨可用于药物用水中微量总有机碳含量检测的薄膜电导率法总有机碳测定仪的校准方法。

1 校准方案

1.1 测量环境

温度：10～30 ℃；相对湿度：小于80%；供电电压：(220±10) V；供电频率：(50±0.2) Hz。

1.2 主要标准器和标准物质

蔗糖纯度标准物质：编号为GBW 10067，相对扩展不确定度Urel=0.8%，k=2，中国计量科学研究院。

分析天平：XPE 205 型，感量为0.01 mg，瑞士梅特勒–托利多集团，计量合格。

量器：A 级单标线移液管，A 级容量瓶，计量合格。

总有机碳分析仪：Sievers M9 型，美国通用电气公司，计量合格。

超纯水一体机：Comfort I 型，德国赛多利斯公司，计量合格。

立式自动压力蒸汽灭菌器：GR60DR 型，美国致微仪器有限公司，计量合格。

1.3 校准用溶液的配制

校准用蔗糖溶液采用重量–容量法配制，然后使用主标准器经过厂家维护验证且计量溯源证书在有效期内的Sievers M9 型总有机碳分析仪进行定值，相对扩展不确定度为3%（k=2）［9–11］。为避免细菌对蔗糖溶液浓度的影响，配制时在无菌室中操作，采用现制超纯水作为溶剂，玻璃器皿用压力蒸汽灭菌器充分灭菌后使用，量具使用紫外杀菌法灭菌，配制后的标准溶液避免紫外光照射保存。

1.4 校准项目

1.4.1 相对示值误差

2020 版的《中国药典》通则0682 要求供制药用水总有机碳含量不应大于500μg/L，因此把该质量浓度加入示值误差的校准。按仪器说明书校正维护仪器后，选用500 μg/L，最大量程50%、80%点对应浓度的蔗糖溶液，分别重复测量3 次，记录测量值后按式(1)计算相对示值误差Δρi：

ρs——蔗糖溶液定值质量浓度，μg/L。

取Δρi绝对值最大值为仪器相对示值误差，建议仪器相对示值误差的计量性能指标为优于±10%，可满足仪器测量需要。

1.4.2 测量重复性

电导率法总有机碳分析仪的原理是用电导率的变化反映总有机碳的含量，每次测量时必须保证目标物充分氧化，测量结果才能准确并保持稳定。为了考察测量结果的可信度，有必要开展仪器测量重复性的校准。在相同测量环境及条件下，选取常用测量点500 μg/L，以相同方法和人员连续测量7次，记录测量值，采用贝塞尔公式计算标准偏差［12］，然后除以7 次测量的平均值得到相对标准偏差，该计量指标建议小于2%。

1.4.3 线性误差

根据电导率法总有机碳分析仪测量原理，氧化后的无机碳含量与电导率呈线性关系，故应当对仪器的线性误差进行考察。采用空白溶液和总有机碳含量测量响应值在量程20%、50%、60%和80%的蔗糖溶液进行3 次重复测量，记录每个浓度值的算术平均值，以仪器量程百分比为自变量（x）、测量值平均值为因变量（y）拟合线性方程，然后代入50%量程点，计算出该点质量浓度ρ0，按式(2)计算线性误差Δx：

式中：ρn——50%量程点按线性方程计算所得质量浓度，μg/L；

ρsn——50%量程点蔗糖溶液定值质量浓度，μg/L。

线性误差建议计量性能指标为小于10%。

1.4.4 检出限

薄膜电导率法总有机碳分析仪广泛应用于检测注射用水中总有机碳含量，2020 版《中国药典》要求仪器检出限低于50 μg/L。采用水质分析用常用的空白试验法［13–14］，将空白溶液连续测量11 次后按式(3)计算标准偏差s［15］：

式中：ρ0，i——空白溶液单次测量质量浓度，μg/L；

按式(4)计算总有机碳分析仪检出限：

检出限的建议计量性能指标要满足药典要求，应小于50 μg/L。

1.4.5 记忆效应

记忆效应考察的是仪器在测量高浓度总有机碳后对低浓度测量的影响［16］。2020 版《中国药典》规定制药用水重要质控点质量浓度为500 μg/L，浓度较低，在测量较高浓度后是否有残留，有必要对此项进行校准。充分冲洗仪器后，在进样器中通入500 μg/L 蔗糖溶液，重复测量3 次，记录算术平均值，作为初始值。通入量程80%的蔗糖溶液进行测量，然后测量500 μg/L 蔗糖溶液，记录测量值，按式(5)计算记忆效应Δρ：

式中：ρ0——500 μg/L 蔗糖溶液质量浓度初始测量值，μg/L；

ρe——最后一次500 μg/L 蔗糖溶液质量浓度测量值，μg/L。

建议记忆效应的计量性能指标为±3%。

1.5 校准实例

准备好一台功能正常，耗材均在有效期内的GE Sievers 900 型总有机碳分析仪，开机预热，充分冲洗管路后从示值误差、测量重复性、线性误差、检出限、记忆效应5 个方面对仪器进行校准。

1.5.1 相对示值误差

用重量–容量法配制3 份不同浓度的蔗糖溶液，经过主标准器Sievers M9 型总有机碳分析仪定值后，记录待校准的Sievers 900 型总有机碳分析仪3 次测量值，用各点平均值分别计算其相对示值误差，取其绝对值最大值为仪器的相对示值误差。

表1 各校准点的相对示值误差

仪器相对示值误差为3.9%，小于±10%的建议要求，表明该项目合格。

1.5.2 测量重复性

充分冲洗仪器后，连续测量7 次定值质量浓度为534.8 μg/L 的蔗糖溶液，结果列于表2。

表2 测量结果的标准偏差

由表2 数据计算得相对标准偏差为0.5%，小于建议计量指标2%，表明仪器测量重复性满足要求。

1.5.3 线性误差

用超纯水以重量–容量法配制4 份不同浓度的蔗糖溶液，经主标准器Sievers M9 型总有机碳分析仪定值，分别记录待校准的Sievers 900 型总有机碳分析仪的3 次测量值，测量结果列于表3。以仪器量程百分比为自变量x，测量值平均值为因变量y拟合线性方程，得线性方程为y=1 453.1x+46.448，相关系数为0.999 8，表明该仪器浓度和量程值线性相关度较高。将50%量程点代入方程计算得到质量浓度为772.9 μg/L，用公式(2)计算得线性误差为5.2%，优于建议要求的10%，线性误差符合要求，电导率法总有机碳线性相关度较好。

表3 仪器测量值线性回归分析结果 μg/L

1.5.4 检出限

使用被校仪器对超纯水连续测量11 次后记录其测量值，计算标准偏差，结果列于表4。由表4可知，标准偏差s=2.2 μg/L，代入式(4)计算得仪器的检出限为6.6 μg/L，小于药典检出限（50 μg/L）要求。电导率法总有机碳检出限低，可应用于医疗用水的检测。

表4 超纯水测量值的标准偏差 μg/L

1.5.5 记忆效应

首先使用被测仪器重复测量3 次定值质量浓度为534.8 μg/L 的蔗糖溶液，计算得算术平均值ρ0=545.3 μg/L，作为初始值。然后测量一次定值质量浓度为1 238.9 μg/L 的蔗糖溶液，最后再测量1 次534.8 μg/L 的蔗糖溶液，记录测量值ρe=552.3 μg/L，按式(5)计算记忆效应为1.3%，优于3%的建议计量性能要求，说明该总有机碳分析仪在测量完高浓度总有机碳后，管路冲洗得比较干净，残留较少，适用于低浓度总有机碳的检测。

2 不确定度评定

2.1 不确定度来源

总有机碳示值误差的不确定度分量来源有两个方面［17–18］：一是蔗糖溶液引入的相对标准不确定度uA，rel，其中包含在溶液配制过程中分析天平和玻璃容器引入的不确定度［9–10］，其相对不确定度为uA，rel=2.1%；二是测量重复性引入的相对标准不确定度uB，rel。

2.2 不确定度uB，rel 评定

根据表2 数据，连续测量534.8 μg/L 蔗糖溶液7 次，测定平均值为545.1 μg/L。用A 类方法进行评定，得uB，rel=0.2%。

2.3 合成不确定度

总有机碳示值误差各不确定度分量互不相关，则合成相对不确定度：

2.4 扩展不确定度

假设为高斯分布，包含因子k=2，置信概率95%时，相对扩展不确定度为Urel=kuc，rel=4.4%。

3 结语

以薄膜电导率法总有机碳分析仪为研究对象，结合实际工作中遇到的薄膜电导率法总有机碳分析仪校准问题，探讨了一种校准方法，相对示值误差、记忆效应两个项目增加药典中重要质控点的校准［19］，更加贴合仪器实际应用要求，并给出示值误差不确定度评定，为薄膜电导率法总有机碳分析仪的校准工作提供一定参考。