利用氣體微量轉移技術制備低含量R12氣體標準物質＊

胡樹國 李佳

(中國計量科學研究院，北京 100013) (河南省計量科學研究院，鄭州 450008)

利用氣體微量轉移技術制備低含量R12氣體標準物質＊

胡樹國 李佳

(中國計量科學研究院，北京 100013) (河南省計量科學研究院，鄭州 450008)

介紹利用氣體微量轉移技術快速制備低含量氣體標準物質的方法原理、關鍵技術及過程，總結了該技術的優點。利用該方法將純氣兩次稀釋，得到4瓶濃度為0.1 μmol／mol的R12混合氣，濃度的相對標準不確定度為0.14%。用帶有電子捕獲檢測器的氣相色譜儀對4瓶混合氣量值進行一致性核驗，偏差均符合要求，制備的4瓶混合氣的量值具有較好的一致性。新方法通過減少制備步驟，縮短了制備時間，節約了制備成本。

氣體微量轉移技術；R12；氣體標準物質；低含量

近年來，人們對環境的關注度越來越高，而溫室氣體和氣體污染物已經成為全世界關注的熱點。大氣污染物和溫室氣體的濃度都非常低，一般在nmol／mol或pmol／mol 的量級水平［1–2］。目前，許多國家都在開展此類氣體的監測工作及與其相關的科學研究。通過監測溫室氣體及氣體污染物的濃度，可以為治理污染、控制溫室氣體排放等政策和法規的制定提供重要依據。

二氯二氟乙烷(氟利昂12或R12)因其具有換熱效率高、無色無臭、不爆炸、不燃燒及化學穩定性好的特點而被廣泛用作家用冰箱和汽車的制冷劑，但遺失到高空的氟利昂會破壞臭氧層，增強大氣溫室效應，從而危及地球的生態安全。為了保護大氣臭氧層，減弱大氣溫室效應、降低平流層臭氧耗損和酸雨對人類環境所造成的危害，1987年聯合國組織簽署的“蒙特利爾議定書”中規定全球要限制和禁止生產R12［3］。R12的檢測一般采用氣質聯用(GC–MS)［4］法或帶有電子捕獲檢測器(ECD)［5］的氣相色譜法(GC)［6］，痕量的R12需要先進行富集，然后才能檢測。檢測R12主要采用相對定量的方法，無論采用哪種檢測方法，都需要以相應濃度的氣體標準物質作為定量標準。

重量法是制備瓶裝高壓氣體標準物質最常使用的一種方法。ISO 6142–2006［7］和GB／T 5274–2008［8］中對重量法制備氣體標準物質的過程有詳細的介紹，國內使用該方法制備氣體標準物質的文獻也比較多［9–11］。由于重量法原理簡單，可以直接溯源到國際單位制，因此應用廣泛。因受稱量氣瓶的天平精度(1 mg左右)所限，制備低含量氣體標準物質時，往往需要進行多次稀釋。通常情況下，制備量級為0.1 μmol／mol氣體標準物質時大約需要5～6次稀釋才能完成，制備步驟繁多，需要使用較多的氣瓶，制備時間也較長，此外，過多的稀釋步驟也導致操作失誤的風險加大。

為解決制備低含量氣體標準物質過程中稀釋次數過多的問題，筆者介紹一種利用“氣體微量轉移技術”制備低含量氣體標準物質的方法，與傳統制備方法相比，該技術可以在保證不確定度不變的前提下縮短制備步驟，減少制備時間，提高制備效率。筆者以低濃度R12氣體標準物質的制備過程為實例，介紹該技術的特點、難點及適用范圍。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

電子天平：ME614S型(測量范圍為0～610 g，感量為0.1 mg)和ME235S型(測量范圍為0～230 g，感量為0.01 mg)，德國賽多利斯公司；

半自動天平：H2–30K型，載荷為30 kg，感量為1 mg，日本KYOTO公司；

氣相色譜儀：7890型，配ECD檢測器，美國安捷倫科技公司；

高純氮氣：純度不小于99.999%，北京普萊克斯氣體有限公司；

R12：純度不小于99.5%，美國杜邦公司。

1.2 色譜條件

載氣：高純氮氣；色譜柱：HP-5型柱(30 m×0.25 mm，40μm)；檢測器溫度：280℃；柱溫：130℃；流速：2 mL／min；分流比：10∶1。

2 方法原理

重量法制備氣體標準物質的方法［1］：將母氣(被稀釋氣)轉移到目標氣瓶中，然后利用測量轉移前后目標氣瓶的質量增加值獲得母氣的加入量，然后加入底氣(稀釋氣)，再次稱量目標氣瓶獲得底氣加入量，利用母氣和底氣的加入量計算出目標物的濃度。

天平的精度通常為1 mg(量程為12～16 kg)，考慮到稱量的準確性，一般情況下，在稱量母氣時會控制母氣的最小加入質量，否則會使制備氣體濃度的不確定度增大。在制備低濃度氣體標準物質時，通過減少母氣的加入量可以減少制備步驟，但受到天平精度的限制，母氣的加入量又不能過低，因此在保持稱量精度的前提下，只有通過多次稀釋才能滿足制備要求。

“氣體微量轉移技術”的原理是通過一個小容量高壓氣瓶(簡稱“小氣瓶”)通過兩次轉移，將母氣間接轉移到目標氣瓶中。由于小氣瓶的質量小，母氣可以使用比稱量普通氣瓶精度更高的天平(精度為0.1 mg或0.01 mg)進行稱量，從而實現在保持稱量不確定度不變大的前提下，減少母氣每次的加入量。圖1展示了兩種制備方法的原理。

圖1 兩種方法制備原理的比較

3 制備過程

3.1 裝置

利用“氣體微量轉移技術”設計配氣過程存在兩個難點：（1）如何將小氣瓶中的母氣“無損失”地轉移到目標氣瓶中；（2）在配氣操作過程中，如何減小拆卸小氣瓶導致的質量損失所引入的稱量不確定度。這兩個難點是“氣體微量轉移技術”的核心，配氣過程設計是否合理將影響最終配氣的準確度和不確定度。對于第一個難點，筆者采用不同類型的閥門組合及巧妙的連接設計，通過稀釋氣的多次吹掃將殘留在小氣瓶與目標氣瓶之間的母氣絕大部分帶入目標氣瓶中。經過估算，最終殘余的母氣質量與加入量相比可以忽略不計。對于第二個難點，在需要拆卸的地方采用Swagelok公司生產的“VCO”接頭，該接頭的優點是可以快速安裝和拆卸，而且具有非常好的密封性能。采用該接頭可以大大降低從配氣裝置拆卸小氣瓶而導致氣體質量損失的風險。

3.2 小氣瓶

配氣前應首先選擇適當體積的小氣瓶和稱量天平，了解小氣瓶所能容納氣體的質量。表1列出了不同小氣瓶的體積、質量及充入不同壓力氮氣后的質量。

表1 充入不同壓力氮氣前后小氣瓶的質量變化1)

3.3 R12的制備過程

（1）將小氣瓶與母氣瓶、配氣系統連接，通過分子泵組對整個系統進行真空處理，然后通過控制壓力(根據表1計算得到)將一定量的母氣轉移到小氣瓶中(第一次轉移)；

（2）采用與ISO 6142［7］推薦方法(使用參比氣瓶稱量的方法)稱量小氣瓶；

（3）將小氣瓶與目標氣瓶、配氣系統連接，通過分子泵組對整個系統進行真空處理，然后將小氣瓶中的母氣全部轉移到目標氣瓶中，最后再將稀釋氣加入到目標氣瓶中，完成整個制備過程(第二次轉移)；

（4）再次稱量小氣瓶和目標氣瓶，通過計算可以得到母氣和稀釋氣加入的質量。

3.4 稱量數據及不確定度評定

表2給出了從純氣制備濃度為0.1μmol／mol R12的所有稱量數據以及制備后混合氣的相對不確定度。

制備低濃度R12的不確定度主要來源于：（1）母氣和稀釋氣稱量的不確定度；（2）母氣和稀釋氣純度的不確定度。有關這兩方面的不確定度評定可參考ISO 6142中相關的方法，國內也有相關文獻報道［12］，文中不再贅述。表3以制備0.1 μmol／mol R12（L00504043#）為例，給出了制備過程中相關的不確定度作為參考。

3.5 一致性評價

以L00507189#為標準，對制備后的低濃度R12進行校準。一致性可根據ISO 6142［7］提供的公式(1)進行評價，不等式成立則表示被校準的氣瓶與校準氣瓶的一致性符合要求，不等式左邊的值越小，說明一致性越好，評價結果見表4。

式中：xgrav——重量法制備的值，μmol／mol；

xcal——校準值，μmol／mol；

u(xgrav)——重量法制備結果的標準不確定度，μmol／mol；

u(xcal)——校準的標準不確定度，μmol／mol。

表2 低濃度R12制備時的稱量數據及制備后的相對不確定度評定結果

表3 低濃度R12(L00504043#)制備的不確定度評定結果

表4 低濃度R12一致性評價結果

4 結語

利用“氣體微量轉移技術”經過兩次稀釋得到濃度為0.1 μmol／mol的R12，相對標準不確定度為0.14%，經儀器驗證，4瓶混合氣的量值具有良好的一致性。在氣體標準物質研制過程中，利用“氣體微量轉移技術”可以快速制備低含量的混合氣，能減少工作量，提高工作效率。該方法對實驗裝置、稱量設備、操作及操作人員的技術水平要求相對較高，但綜合考慮以上因素，利用“氣體微量轉移技術”制備低濃度氣體標準物質仍是一種值得推廣的新方法。

［1］ 朱燕舞，付強，謝品華，等.北京冬季大氣污染物的DOAS監測與分析［J］.光譜學與光譜分析，2009，5(29): 1 390–1 393.

［2］ 孫學志，萬丹，史燁弘,等.北京市CFCs和CCl4的濃度水平與變化趨勢［J］.環境科學研究，2010(6): 674–679.

［3］ 劉喜民，范志平，紀鴻翔,等.一種替代CFC–12、HFC–134a新型的綠色制冷劑GFL–12［J］.制冷與空調，2001，1(3): 42–46.

［4］ 張芳，王新明，李龍鳳,等.近年來珠三角地區大氣中痕量氟氯烴(CFCs)的濃度水平與變化特征［J］.地球與環境，2006，34(4): 19–24.

［5］ 陳立民，段楊，樂致威,等.大氣中氯氟烴類物質濃度變化的研究［J］.環境科學，1999，20(1): 27–39.

［6］ 袁忠義，侯潔，許輝,等.氟里昂氣體的快速高效氣相色譜分析［J］.分析試驗室，2006，25(3): 95–97.

［7］ ISO 6142: 2001 Gas analysis—Preparation of calibration gas mixture—gravimetric method ［S］.

［8］ GB／T 5274–2008 氣體分析校準用混合氣體的制備稱量法［S］.

［9］ 胡樹國，李夢怡，韓橋.乙醇氣體標準物質包裝容器的選擇及分析條件的優化［J］.化學分析計量，2011，20(2): 13–15.

［10］ 方正，潘義，江月軍.稱量法制備1μmol／mol氮中微量氧氣體標準物質的質量控制［J］.計量學報，2010，31(zl): 109–111.

［11］ 周澤義，王德發，胡樹國.揮發性有機物氣體標準物質的研制［J］.計量學報，2008，29(zl): 215–221.

［12］ 曹志剛，王德發，吳海.重量法配氣的稱量數學模型及其不確定度評定［J］.化學分析計量，2010，19(1): 11–14.

Preparation of Low Concentration Gas Standard Mixture of R12 by a Small Amount of Gas Transfer Technique

Hu Shuguo Li Jia
(National Institute of Metrology， Beijing 100013， China) (Henan Province Institute of Metrology， Zhengzhou 450008， China)

A new method of a small amount of gas transfer technique to prepare gas standard mixture with low concentration quickly was introduced by describing the principle, key technique and preparation process. By this method, gas mixtures of R12 (0.1 μmol／mol) were prepared through dilution only twice. The relative standard uncertainty of the concentration was 0.14%. The consistency of these four cylinders was evaluated by GC with electronic capture detector. The deviation between the gravimetric and calibration value met the requirement, and the results of consistency was satisfied very well. The new preparation method shortened the preparation time and saved the cost of preparation by reducing the dilution step.

a small amount of gas transfer technique; freon 12; gas standard mixture; low concentration

O621

：A

：1008-6145(2012)05-0004-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.05.001

*科技部質檢公益項目(AHY1101)

聯系人：胡樹國；E-mail: hushg@nim.ac.cn

2012–06–29