水分的存在可能為許多工業生產過程帶來影響。水分影響物質的物理和化學性質,從而也影響其質量或壽命。例如食品中的水分含量不僅決定其穩定性,而且還影響其加工性能和組織結構。同樣,制藥工業對于原材料和終端產品都有很高的要求,其中就包括可能對產品質量、穩定性和特別是對組分產生影響的水分含量。
水分測定法屬于實驗室中最常用的分析方法之一。除了經濟性的考慮外,分析方法應該還具有結果的精確性和重現性。水分測定的經典測定方法有滴定法(例如卡爾·費歇爾滴定法)、干燥法(例如在干燥爐中或采用紅外線干燥)等。滴定法的原理是,碘和二氧化硫在水分存在下進行化學反應,通過終點滴定或庫倫法計算水分含量。卡爾·費歇爾滴定法的不足之處在于,進行實際操作時容易受外界環境的濕氣干擾,而導致試劑不穩定,成本高,試劑對人圖有害。采用干燥法時,干燥操作中測量的失重除了水分之外,還可能包含樣品的分解產物和揮發性物質。
圖2. Berghof Easy H2O水分測定儀的結構示意圖。
摒棄有毒試劑
基于五氧化二磷(P2O5)吸濕性的水分測定方法,不使用毒性試劑,是對環境友好的測試方法。該方法最初是為測定氣體中的微量濕氣而開發,現在成為一種測定水分的有用手段。Berghof EasyH2O水分測定儀,將水分的熱蒸發與基于五氧化二磷(P2O5)吸濕性原理,具有選擇性的電化學水分傳感器相結合。在可編程的加熱爐中,水分從樣品中蒸發出來,通過載氣輸入傳感器(見圖2),水分子全部被P2O5吸收。將水分電解為氫氣和氧氣,最后通過載氣排出系統。含水量與電解所需的電量成正比,通過法拉第定律進行測定,得到的結果是絕對值,無需參考物質進行校正。
此外,該系統還具有一些重要的優點:由于P2O5層可以重新形成,故傳感器可再生;儀器可長時間處于待機狀態,所有的測量過程均以自動化軟件控制的方式進行,測定結果會對樣品中的水分含量提供量化圖表,溫度程序等數據按照ISO和GLP規范予以存儲、記錄和打印;通過氮氣或氬氣載氣將系統中的空氣吹走并保持干燥,防止氧氣可能引起的分解,從而避免了化學試劑的使用。
儀器還具有很高的檢測靈敏度,樣品中水分含量在1μg和5mg之間均可測定。高靈敏度的P2O5傳感器可在一次樣品稱量中測定出微量的材料水分。除了僅用少量樣品的研發性實驗室外,那些使用珍貴原料檢測的實驗室也將會因此受益。
圖3. 測定五水硫酸銅(II)中水分的數據曲線,通過對溫度的控制區別不同形態的水(表面水、毛細管水和結晶水),定量檢測過程由軟件進行控制。
溫度程序調節水分蒸發
在水分子間,范德華力、氫鍵、荷電基團、偶極以及誘導偶極之間的各種靜電吸引力等將水分子結合在一起,可通過加熱將樣品中的水分除去。通過物理作用結合的水吸附于樣品表面上,在少許升溫時(< 100℃)會氣化蒸發。而通過化學作用結合的結晶水,則需要較高的溫度才能除去。EasyH2O水分測定儀通過溫度程序調節來控制水分的蒸發,爐溫可最高達到400℃,配置的軟件可對單個的峰進行量化,從而進行個別驗證(見圖3)。系統適用于能進行序列分析的大批量樣品,樣品僅放置在爐膛中未與P2O5傳感器接觸,故測量過程中不用對傳感器進行更換,從而排除了由于交互污染可能引起的錯誤結果。
應用于不同的過程控制領域
EasyH2O水分測定儀主要應用于測定含水量在5mg內的樣品(見表1),能在不同的過程控制領域提供快速和低成本的測量結果。例如,在食品工業中,不恰當的儲藏很可能使食品產生霉菌和細菌而變質,因此水分含量通常作為保障食品穩定性的重要指標。化妝品生產亦然,化妝品主要由水基的乳濁液組成,水分含量決定著產品的穩定性和均質性,不僅要在生產過程中對原料和最終產品進行水分含量的控制,在研發實驗室中對新配方進行測試時也是如此。此外,水分含量的測定對材料生產也具有重要意義,壓鑄車間需要干燥的聚合物顆粒,而不當的運輸或儲藏可能吸收環境中的濕氣,當進一步加工時就可能產生鑄疤缺陷、氣泡包裹體甚至引起聚合物斷裂,除了在結構上改變流變學特性外,還會改變粘度,導致終端產品機械屬性的降低,因此,水分測定對于過程控制而言是重要的一環。
無需化學試劑的水分測定技術
這種新的滴定方法將經典的、按線性比例進行工作的容量分析方法,結合到旨在測定液流中反應終點的同時測定方法中。其按照微流控芯片全分析系統建立,結果可以供在線分析,由此能夠保證過程控制中較短的測量時間(約20 s)和較小的試劑消耗(約1~2 L/月)。