卡爾·費休庫侖滴定法測定高純乳酸中水分

段嫚雷，王東輝，孟嬌然，夏娃，楊柳，石瑋，丁敏

（上海市計量測試技術研究院，上海 201203）

卡爾·費休滴定法是經典的水分測量方法，被廣泛應用于化工、醫療等行業，該方法具有測量范圍較寬、操作簡單等特點[1-2]?？枴べM休滴定法根據其原理不同又分為容量滴定法和庫侖滴定法，其中，容量滴定法適用于水分的常量分析，庫侖滴定法適用于水分的微量分析[2]。目前，國內外測定高純有機物中的水分主要采用庫侖滴定法[3]。高純有機物通常含水量較低，測定結果準確度受實驗環境、測定方法等影響。特別是具有易吸濕等特性的高純有機物，對其水分含量的準確測定更加困難。

乳酸是一種天然有機酸，由于其具有調節酸度、抗微生物等功能，被廣泛應用于食品、畜牧等行業[4-5]。食品中乳酸含量超標會嚴重影響口感，畜牧行業飼料中乳酸添加過多則會對家禽腸胃造成傷害。歐盟果蔬飲料協會規定，蘋果汁中乳酸最大含量為0.5 g/L。同時，乳酸作為人體能量代謝的中間產物，其含量也是指導危急重癥患者治療的重要指標之一[6]，因此對乳酸含量進行嚴格控制和準確測定十分重要。目前國內外沒有乳酸有證標準物質，各個行業常使用高純乳酸試劑配制標準溶液對不同基體中的乳酸含量進行方法校準和定量測定[4-7]，因此需要對高純乳酸試劑的純度進行準確測定，從而保障不同基體中乳酸含量測定的準確性。

水分含量的測定是有機物純度測定的關鍵因素[8]，由于乳酸具有較強的吸濕性，在常規實驗條件下難以準確測定高純乳酸中的微量水分含量，從而影響其純度測定結果的準確性。目前，國內外也尚未有高純乳酸中水分含量測定的相關文獻報道。筆者考察在濕度可控的手套箱環境下采用卡爾·費休庫侖滴定法對高純乳酸水分測定的影響，建立高純乳酸水分的準確測定方法，為高純乳酸純度測定和相關高純有機物的水分測定提供參考。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

卡爾·費休庫侖法水分測定儀：852 型，瑞士萬通公司。

電子天平：CP224S型，感量為0.000 1 g，德國賽多利斯公司。

卡爾·費休試劑：Coulomat AG 型，美國霍尼韋爾公司。

L-乳酸：純度(質量分數)不小于98%，美國默克公司。

液體水分含量標準物質：水質量分數為0.020 9%，擴展不確定度為0.001 2%(k=2)，標準物質編號為GBW 13514，批號為202202，中國計量科學研究院。

1.2 實驗方法

卡爾·費休庫侖滴定法的實驗原理是卡爾·費休試劑(氫碘酸、二氧化硫、吡啶和甲醇或乙二醇甲醚組成的溶液)與樣品中的水定量反應，反應式如下：

在反應中，碘和水以1∶1 的化學計量比進行反應，反應開始，水分測定儀發生電極電解氫碘酸生成碘，與樣品中的水發生反應，測定電極產生電壓變化，反應持續進行直至樣品中的水分反應完全，測定電極電壓趨于穩定，反應結束。依據法拉第電解定律，電解產生的碘與電解所用的電量成正比，通過消耗的電量得到產生碘的總量，可計算得到樣品中的含水量[9-10]。

高純乳酸中水分含量測定的過程：

(1)儀器預平衡。在卡爾·費休庫侖法水分測定儀的滴定杯中加入卡爾·費休試劑，開啟儀器滴定至漂移值低于設定閾值即達到平衡。

(2)空白測定。設置儀器參數為攪拌速度500 r/min，萃取時間60 s，相對停止漂移值為5 μg/min，打開滴定杯進樣口，模擬進樣，得到空白測定值。

(3)水分測定。用減重法準確稱取0.10 g高純乳酸，加入滴定杯，測得實驗結果，扣除空白測定值，即為高純乳酸中水分含量。

2 結果與討論

2.1 手套箱環境對儀器漂移及高純乳酸水分測定結果的影響

2.1.1 手套箱環境對儀器漂移的影響

實驗環境的濕度會對卡爾·費休水分測定儀的漂移值產生影響，進而影響樣品水分測定準確度，為保證樣品水分測定數據準確性，需要儀器漂移值盡可能低且穩定[11-12]。分別在實驗室環境[溫度為(20±2) ℃，相對濕度為60%]及手套箱環境[溫度為(20±2) ℃，絕對濕度低于1×10-3kg/m3]下觀察卡爾·費休水分測定儀預平衡后的漂移值，考察手套箱環境對儀器漂移的影響。

實驗觀察發現在實驗室環境下，卡爾·費休水分測定儀的漂移值在(12.0～15.0) μg/min 范圍內波動。手套箱內置氣體循環干燥系統，箱內整體環境絕對濕度保持在1×10-3kg/m3以下，儀器放置在該環境下達到平衡后，漂移值在(3.0～3.5) μg/min 范圍內波動。實驗結果表明，在上述手套箱環境下，儀器平衡后的漂移值較低且相對穩定。

2.1.2 手套箱環境對高純乳酸水分測定結果的影響

將高純乳酸充分混勻后等量分裝到兩個潔凈的加蓋樣品瓶中，放入手套箱內，待卡爾·費休庫侖法水分測定儀預平衡后，分別對兩瓶高純乳酸樣品的水分含量進行測定，記為初始值，然后打開其中一瓶的蓋子使乳酸樣品暴露在手套箱實驗環境下，1 h后再次分別對兩瓶乳酸樣品的水分含量進行測定，記為最終值，考察實驗環境對乳酸水分測定結果的影響。

按照上述實驗方法，考察實驗環境對乳酸水分測定結果的影響，得到實驗數據見表1，乳酸水分含量變化見圖1。

圖1 手套箱環境下高純乳酸水分含量變化Fig.1 Change of water content of high purity lactic acid in glove box environment

表1 手套箱環境下高純乳酸水分測定結果Tab.1 Determination results of water in high purity lactic acid in glove box

由圖1 可以看出，兩瓶高純乳酸水分含量初始值一致，在手套箱實驗環境下放置1 h后，與不開蓋樣品相比，開蓋的高純乳酸中水分含量下降較多。實驗結果表明，當乳酸敞口放置在手套箱時，手套箱中的干燥實驗環境會導致乳酸中原有水分的流失，為最大程度保證測定結果的準確性，在手套箱環境下進行乳酸水分含量測定時應盡量縮短樣品開蓋時間。

2.2 儀器測定方法參數的優化

卡爾·費休庫侖滴定法中影響樣品水分含量測定結果的方法參數，通常包括取樣量、攪拌速度、萃取時間及相對停止漂移值等[13-15]。

參照1.2 中測定過程，依次考察取樣量、攪拌速度、萃取時間及相對停止漂移值對高純乳酸中水分含量測定結果的影響，確定測定參數設置。

2.2.1 取樣質量對高純乳酸水分含量測定結果的影響

分別準確稱取0.05、0.10、0.15 g 高純乳酸進行水分含量測定，結果見表2。由表2 可知，在不同取樣質量情況下，乳酸水分含量測定結果的平均值無明顯差異。當取樣質量為0.05 g 時，測定結果的相對標準偏差較大。結合儀器特性分析，當取樣質量為0.05 g 時，乳酸絕對含水量接近水分測定儀的檢出限10 μg，因此實驗測定結果重復性較差。當取樣量分別為0.10、0.15 g 時，實驗測定結果重復性較好，本著經濟合理原則取樣質量確定為0.10 g。

表2 不同取樣質量對應高純乳酸水分測定結果Tab.2 Determination results of water in high purity lactic acid with different sampling amounts

2.2.2 攪拌速率對高純乳酸水分含量測定結果的影響

分別設定攪拌速率為500、1 000、1 500 r/min，試驗考察三種攪拌速率對高純乳酸水分含量測定結果的影響，結果見表3。由表3 可知，不同攪拌速率下測定結果的平均值及相對標準偏差基本一致。實驗過程中，在1 000、1 500 r/min的攪拌速率下，滴定杯中溶液液面波動較大，液面不穩定，因此攪拌速率確定為500 r/min。

表3 不同攪拌速率對應高純乳酸水分測定結果Tab.3 Determination results of water in high purity actic acid with different Stirring rate

2.2.3 萃取時間對高純乳酸水分含量測定結果的影響

在取樣質量及攪拌速度不變的情況下，萃取時間太短，則反應進行不完全，不僅會造成乳酸水分含量測定結果偏低，還可能會對后續樣品測定結果產生干擾；萃取時間太長，不僅浪費實驗時間，測定結果也更容易受環境干擾。實驗考察了萃取時間分別為60、120、180 s時對高純乳酸水分含量的測定結果的影響，結果見表4。由表4可知，當萃取時間為60 s 時測定結果的相對標準偏差最小，萃取時間越長相對標準偏差越大。這可能是由于高純乳酸樣品含水量較低，萃取時間越長，測定值越容易受到環境干擾，因此萃取時間確定為60 s。

表4 不同萃取時間對應高純乳酸水分測定結果Tab.4 Determination results of water in high purity lactic acid with different extraction time

2.2.4 相對停止漂移值對高純乳酸水分含量測定結果的影響

分別設置相對停止漂移值為2、3、5 μg/min進行試驗，高純乳酸水分含量測定結果見表5。由表5可見，不同相對停止漂移值，高純乳酸水分含量測定結果平均值基本一致，相對停止漂移值為5 μg/min 時相對標準偏差最小，因此將高純乳酸測定方法的相對停止漂移值設置為5 μg/min。

表5 不同相對停止漂移值對應高純乳酸水分測定結果Tab.5 Determination results of water in high purity lactic acid with different stop drift value

根據以上實驗結果，建立了手套箱中卡爾·費休庫侖法測定高純乳酸中水分的實驗方法：在絕對濕度低于1×10-3kg/m3的手套箱實驗環境下，乳酸取樣量為0.10 g，卡爾·費休水分滴定儀參數設置分別為攪拌速度500 r/min，萃取時間60 s，相對停止漂移值為5 μg/min。

2.3 方法精密度

在2.2 的優化后的實驗條件下，重復測定10 次高純乳酸中水分，結果見表6。高純乳酸中水分10次重復測定的平均值為188 μg/g，相對標準偏差為3.8%(n=10)，實驗結果表明，該測定方法具有較好的精密度。

表6 高純乳酸中水分測定結果Tab.6 Determination results of water in high purity lactic acid

2.4 方法準確度

在2.2 優化后的實驗條件下，準確稱取GBW 13514水分含量有證標準物質0.10 g，按照優化后的實驗方法測定水分含量，重復測定10 次，結果見表7。

表7 水分含量標準物質測定結果Tab.7 Determination results s of water content reference material

水分含量標準物質的水分含量測定平均值為201 μg/g，即0.020 1%，在其參考值(0.020 9±0.001 2)%范圍內，實驗結果表明，該測定方法具有較好的準確度。

3 結論

研究了手套箱環境下采用卡爾·費休庫侖滴定法測定高純乳酸中水分的方法，優化了實驗環境及條件，建立了高準確度測定方法。實驗結果表明，實驗環境濕度對高純乳酸中微量水分測定具有顯著影響，較高的環境濕度會使卡爾·費休水分儀漂移值變大且不穩定，進而影響高純乳酸水分測定結果的準確度；實驗環境濕度過低則會導致高純乳酸中原有水分的流失，也不利于水分含量的準確測定?？s短樣品開蓋時間，可以減少環境濕度對測定結果的影響。實驗同時考察了測定方法參數對測定結果的影響，結果表明，取樣量、萃取時間對水分測定結果影響較大，攪拌速度和相對停止漂移值對測定結果無顯著影響。取樣量較低時，樣品含水量接近儀器檢出限，測定結果重復性差；取樣量不變，萃取時間越長，測定結果重復性越差。

建立的卡爾·費休庫侖水分測定儀測定高純乳酸中水分的方法，精密度、準確度較高。利用該方法可以為高純乳酸中水分的準確定值，為高純乳酸純度測定提供支撐，同時也可為相關高純有機物的水分測定提供參考。