总有机碳(toc)是什么?

挑战 

很多工艺使用无机酸作为重要原料。在确定特定应用的 适用性时，尤其是在确定该应用对工艺和产品的影响时， 准确评估酸的质量是至关重要的。 

酸中的可溶性杂质会影响生产工艺和产品质量。过量的有机污染物带来以下问题：

- 生产工艺效率低下 

- 产品被污染 

- 生产批次不合格 

- 工艺和产品偏差

化工行业都需要确定和控制无机酸的质量。这些行业包 括：原料药物（ API ， Active Pharmaceutical  Ingredient）、化肥、半导体加工、化学衍生物。酸用 于离子交换树脂再生，也可以是产品配方的原料。

在半导体行业中，硫酸用于晶圆蚀刻工艺。酸的纯度和 洁净度对生产至关重要，这就要求硫酸供应商对产品批 次进行污染控制，以满足工艺要求。很多行业在电镀工 艺中使用硫酸铜。为了提高化学品的性能，生产商添加 有机基体的匀染剂和增白剂。了解添加剂的用量及其潜 在的分解物，有助于控制产品质量和工艺。

解决方案

由于有机污染物的种类繁多，用总有机碳（TOC，Total  Organic Carbon）作为评估酸质量的参数不失为测量样 品杂质的有效方法。但是，分析仪器必须具有酸基体的 化学耐受性，并能在低 pH 值下有效氧化有机碳，这样才能得到正确的测量结果。

Sievers InnovOx ES 实验室型 TOC 分析仪采用超临界水 氧化（SCWO，Supercritical Water Oxidation）技术来 测量酸溶液中的 TOC 的 ppm 和 ppb 含量。事实证明，SCWO 技术能够对磷酸、盐酸、硝酸、硫酸进行精 准 的 TOC 定量分析。

技术

Sievers InnovOx 实验室型分析仪采用 SCWO 技术， 将有机碳分子氧化成CO2，然后用非分散红外 （NDIR，Non-dispersive Infrared）检测技术进行精 确定量。在使用 SCWO 技术时，先在水的临界点以上 对样品进行加热和加压。在一定条件下（375˚C 和 220 巴），水成为超临界流体，水中的有机物高度可 溶，而无机盐不溶。这就提高了氧化效率，能够精确 测量腐蚀性和复杂基质中的 TOC，甚至浓酸中的 TOC。

硫酸中含有来自其自身生产过程的各种杂质，包括有 机污染物。这些污染物即使含量极低，也会给要求使 用高纯度原料的工艺带来风险，尤其是给半导体和电 化学沉积工艺带来风险。因此，为了优化工艺操作、 提供产量，必须对酸的质量进行定量分析。

硫酸（H2SO4）

在测试中，向 H2SO4 中加入不同浓度的邻苯二甲酸氢 钾（KHP），以此来评估 Sievers InnovOx 实验室型 分析仪的分析硫酸中 TOC 的能力。将 96%浓度的 ACS 级硫酸稀释到 24%，然后分别加入 0.2、0.5 和 2  ppm TOC 的 KHP，进而证明了分析仪的分析能力。

分析在 0 - 100 ppm 范围内进行，由于样品的 pH 值 适用于 TOC 分析，故无需使用酸剂。10%过硫酸钠氧 化剂足以分析此范围的 TOC。

表 1 中的分析数据包括加标浓度、测自空白 24%硫酸 溶液的 TOC、实测 TOC、以及回收 TOC 的含量和百分比。回收的 TOC 值等于实测 TOC 减去空白 TOC。

表中的数据证明了分析仪能够定量分析浓酸溶液中的 低浓度 TOC。当 TOC 从 2 ppm 降至 0.2 ppm 时，回收率百分比就会从 偏离，这主要是因为加标浓度（200 ppb）接近空白浓度（180 ppb）。在这种低浓 度下，空白浓度或仪器基线的波动会导致结果的波动。

表 1：在 24% H2SO4中的 TOC 分析

第二项测试分析了各种浓度硫酸的 TOC 回收率。将 1  ppm TOC 的 KHP 分别加到 1、5、10 和 24%的 H2SO4中， 测量数据如表 2 所示。回收的 TOC 值等于实测 TOC 减 去空白 TOC。

表 2：1 - 24% H2SO4的 KHP 回收率

5 - 24% H2SO4的 1 ppm TOC 回收率非常好， 但 1%  H2SO4的 TOC 回收率就偏离了 45%。 当 TOC 浓度接近 空白 TOC 浓度时，空白测量值的波动会显著影响到计 算的 TOC 结果。

测试还评估了 Sievers InnovOx 实验室型分析仪分析 24% ACS 级硫酸中 0.1 - 0.5 ppm 范围 TOC 的能力。分 别将 100、200、300 ppb KHP 加到 ACS 级硫酸中，测 量结果如表 3 所示。

表 3：24% H2SO4的低于 500 ppb 的 KHP 回收率

测量结果显示了预期的增长趋势。100 ppb 加标显示 了 50 ppb 的增长，200 ppb 加标显示了 120 ppb 的增 长，300 ppb 加标显示了 230 ppb 的增长。显然，分 析仪能够检测出 410 ppb 基线上的 50 ppb 的增长， 这表明分析仪的灵敏度完全适用于分析如此低的浓度。 对硫酸进行高灵敏度分析的限制因素是基体中的基线 TOC。同任何其它分析一样，基线值附近的结果容易 变化。人们都知道，H2SO4的纯度低于同样浓度的其 它无机酸（如 HCl、HNO3等）的纯度，因此不难预料， 纯品 H2SO4中含有一定量的有机杂质。

结论 

Sievers InnovOx 实验室型分析仪能够精 准地测量出浓度Z 高为 24%的硫酸中的 TOC。 Z 高 2 ppm KHP 的 实测回收率具有出色的精确性和准确性。空白测量值 的大小和稳定性是对 H2SO4进行高灵敏度 TOC 分析的 限制因素。分析仪的灵敏度（检测限 LOD = 水中的 50 ppb）足以区分 100、200 和 300 ppb TOC。分析仪 在整个测试过程中表现出极 佳的耐用性，且能耐受 H2SO4基质，无降解迹象。

近年来，水质监测方法形成的种类繁多，但总的来说分为试纸检测和传感器监测两类，传统的试纸监测方法，面临着操作过程复杂、试纸易受污染、监测不准确等问题，而探头法水质检测仪和国标法水质检测仪虽然克服了上述问题，但也面临着检测数据不易区分、价格昂贵以及占用空间大等缺陷，那么如何才能在保持检测过程简便、检测结果准确这两个关键优势的同时，减少检测仪的价格和占用空间，并提升其进一步区分能力呢？

经过多年努力，山东霍尔德电子自主研发的高精度总有机碳toc分析仪采用便携设计，使用电导率差值检测技术，检测精度高，响应时间短且配备大量的储存空间，能够存储大量的测试数据。产品符合国家法规和标准，可满足制药用水、注射用水、超纯水和去离子水的在线及离线的检测要求。

背景介绍 

       锅炉系统是一个半封闭的循环系统，它的工作原理 是先将水加热使其转换为水蒸气后驱动发电机发电， 与此同时蒸汽冷凝结成水后继续回到系统循环使用。 因此锅炉水的化学组成直接影响了锅炉效率和燃料的消耗。不合理的水处理容易使锅炉生成结垢并对 锅炉系统产生腐蚀。水中的杂质在高温的锅炉管壁 上很容易生成结垢和沉积物。结垢会隔离锅炉管， 降低锅炉加热效率，在生成同等蒸汽的情况下耗费 更多燃料。例如，一个中度结垢的250HP锅炉相比 一个“洁净”的锅炉，在产能相同时，每年要多消耗 几千美元的燃料。而且腐蚀会降低设备的使用寿命， 并需要更多的维修费用。

图1：锅炉系统示意图

       锅炉系统中的腐蚀会快速损坏管路导致工厂停产。 因此一个正常运作的脱气器和一个准确的化学水处 理方案可以有效解决腐蚀问题，大大延长锅炉寿命。 而有效的锅炉防腐蚀方案也离不开有效的监控方案。

常用的一种技术是监测和控制进水的硬度和铁离子 含量。确保水质Z适宜的化学组成可以大大降低沉 积和结垢的风险。若您对锅炉的化学性质不太了解， 这种情况下您需要选择更好的监控系统。

       锅炉系统通常由几个易被腐蚀的关键部件组成。一旦腐蚀发生在任一部件上，会大大降低锅炉的工作效率。目前判断腐蚀是否发生的Z 好方法是监测锅 炉水中是否存在有机物。通过对锅炉水中总有机碳 （TOC）的检测，可以很好地检测系统的完整性及 腐蚀情况，避免因腐蚀而产生严重的后果。

       大部分工厂都会根据锅炉工作压力，对锅炉进水的 TOC 值设置一个Z 高限值。通常来说，压力越 低，对杂质含量控制的 要求就越低。大部分水 中自然含有的有机物可 以通过离子交换或物理 过滤（例如超滤）等方法去除。但部分氧化物， 需要额外的步骤才能被去除或降解。

       锅炉腐蚀的诸多重要形 成原因中，有一项是因 为二氧化碳（CO2）。二氧化碳能以可溶解气体状 态进入冷凝系统，或者它也能与给水中碱性的碳酸 氢盐及碳酸盐相结合。通常脱气水中往往不含可溶 解的二氧化碳。但下方的化学方程式显示了碳酸氢 盐或碳酸盐是如何自然地分解成二氧化碳的。

反应 1：2NaHCO3+ 热量 => NaOH + CO2 + H2O 

反应 2： Na2CO3 + H2O + 热量 => 2NaOH + CO2

反应 1 为完全反应，而反应 2 的完成度仅为 80%。 

       由二氧化碳而导致的侵蚀表征，通常为金属的缺失， 典型的症状为管路底部的管壁呈现腐蚀凹槽。在冷凝系统中Z易发生这种情况的是管路的螺纹区域或 者受压区域。 

图 2 显示了在较长的一段时间内对锅炉水的一个监 测结果。在这个工厂里，经理对 TOC 值设置了一 个限值：80ppm TOC，在监测的这段时间内 TOC 值一直低于限值。一旦 TOC 超过了规定值，操作 员会快速报告情况并及时改进。

图 2：锅炉水中的 TOC 回收

Sievers InnovOx工作原理

       Sievers 分析仪一直致力于开发 TOC 分析的创新技 术，意在为复杂应用提供Z为稳定的 TOC 分析仪。 Sievers* InnovOx TOC 分析仪将技术创新带到了一个新的领域。采用极为有效的超临界水氧化技术 （SCWO），InnovOx 能对几千个水样连续监测而无需重新校准，也无需仪器维护或者更换零部件。

       Sievers InnovOx 的操作原理基于湿式化学氧化技术，在水样中加酸和氧化剂。无机碳通过吹扫可去 除，然后水样在过硫酸盐和高温作用下被充分氧化。 所产生的二氧化碳由非色散红外分光光度计测量。

       InnovOx 将水样和氧化剂的混合物加热到高温，保 证充分氧化并将液体水样转化为超临界状态。一旦 进入该状态，超临界水氧化（SCWO）现象就发生 了。这个创新技术能达到 99%的氧化效率，从而使 TOC 测试达到极高的精确度和准确度。

       Sievers InnovOx 在每次测定结束时，也会去除有 问题的样品基体。因此，氧化副产物、盐等物质不 会在反应器、管道和阀中残留。

总结 

       优化锅炉的性能对于减少防护性的维护或者维修十分重要，而且能Z大化盈利率。超临界水氧化技术 为目前的 TOC 检测技术提供了创新和更绿色环保的解决方案。Sievers InnovOx 提供可靠、有效的 TOC 监控解决方案，是整套锅炉水系统不可或缺的组件。

简介 

       Sievers InnovOx ES 总有机碳TOC分析仪用于分析复杂水溶液中的浓度范围 为 50 ppb 至 50,000 ppm 的总有机碳（TOC）。通过精 确校准和控制仪器使用条件，仪器可以对低于 5 ppm 的 TOC 进行可靠的定量分析。在快速、精确分析低于 5  ppm TOC 时，建议仪器专用于分析低于 100 ppm TOC 的样品。下面列出了低范围 TOC 定量分析及实例的方法和Z佳操作。这种复杂溶液的低浓度定量分析对于化 学品生产质量控制、海水淡化优化、工业废水法规达标 等应用来说极为重要。

仪器条件 

       仪器的碳基线需满足以下两个要求，才能保证低浓度范围定量分析的高精确度和准确度： 

       • 碳基线的质量响应必须比样品的质量响应至少低 3 倍。理想的碳基线为 0.3-0.5 µg 碳。 

       • 在校准时，基线碳信号的变化量不可超过基线 的±5％。校准基线的变化会使分析结果偏离实 际值，产生正、负偏差。

       表 1 列明了典型的偏差结果和修正。

表 1：常见的低 TOC 定量分析误差

仪器校准的建议： 

       • 仪器操作范围：0-100 ppm 

       • 漂洗使碳基线降至 0.3-0.5 µg 后立即进行校准 

       • 开始校准后应完成校准。在校准过程中不要终止或暂停校准 

       • 校准后用去离子水漂洗仪器，重复操作至少 3 次

校准参数： 

       • 线性校准 

       • 操作模式：NPOC 

       • 碳基线：0.3-0.5 µg  

       • 校准点：试剂水、300 ppb、500 ppb、750 ppb、 1000 ppb 

       • 4 次重复校准，1 次舍弃校准

校准示例：0-1 ppm 

       在 0-1 ppm TOC 范围内进行校准时，首先漂洗仪器使 基线碳响应降至 0.35 µg 碳。应在 NPOC 模式下完成 校准，进行 4 次重复和 1 次舍弃。校准数据如表 2 所 示。重复校准的变量应在可接受的范围内（通过标准 <7％）。R² 值为 0.99，表示仪器在该浓度范围内具有 较强的线性响应。

表 2：0 - 1 ppm 的校准数据

       通过分析两个已知 TOC 的标样来确认校准，分析浓度 应不同于所使用的校准点浓度。漂洗仪器使基线降至 0.35 µg。在 NPOC 模式下分析 KHP 核查标样，分析浓 度为 400 ppb 和 600 ppb。表 3 中的数据表明，经过恰 当的准备、配置、校准，Sievers InnovOx ES 在分析低 于 1 ppm 浓度时的相对精确度和准确度均优于 10％， 其中 σ 为标准偏差，RSD 为相对标准偏差。

表 3：0 - 1 ppm 校准的确认数据

样品分析示例：海水中 1 ppm TOC 定量分析

       用 Sievers InnovOx ES 来定量分析脱盐进水及后续工艺 步骤中的 TOC，方法参数如表 4 所列。先进行 0-1 ppm 范围的校准，仪器在 670 ppb 至 1.05 ppm 范围内分析 TOC，具有足够的灵敏度来分辨出表 5 所列的工艺步骤 中渐降的 TOC。测量的相对精确度优于 6％。

表 4：海水应用中的分析方法参数

表 5：工业海水应用的数据

结论 

       事实证明，Sievers InnovOx ES 能够分析多种水性基体中的大范围浓度的 TOC。当采用本说明所述的校准和Z佳操作方法时，仪器的成熟分析能力就会进一步提高，能够分析 1 ppm 以下的浓度。这就使用户能以高精确度和准确度来定量分析海水等基体中的有机碳。 TOC 分析在海水淡化应用中极为重要，它有助于监测膜是否完好无损，有助于将消毒副产物降至Z低。本仪器具有稳健的分析能力，能够确保水质适用于冷却 水、化学品生产、饮用水等各种应用。

目的 

       建议的美国药典USP23要求，对于纯化水（PW） 和注射用水（WFI），应使用总有机碳含量（TOC） 测定替代当前的易氧化物测试。为支持使用自动进 样器在实验室测量TOC的建议要求，Z小化并去除 来自试管及样品准备过程的背景碳，是非常关键的。 

适用范围 

       本文设计用于协助制药公司遵循水质量的建议规格。 本文检验了几种不同的试管和玻璃器皿清洗方法。 

       在试管中进行总碳分析时，背景污染可有多种不同 的来源。Z大的潜在背景碳含量来源之一，可以直 接来自用于试管漂洗和样品制备的水源。为了进行 此测定，可使用诸如本研究所用的Sievers* 800型 等在线TOC分析仪直接测量水源中的总有机碳 （TOC）含量。如果水源是商品瓶装水，则应从容 器直接取样进行该分析。如果水源为实验室水系统， 充注1升干净的玻璃烧瓶并从该烧瓶取样进行分析。 表1显示了使用这些技术在Sievers分析仪得到的结果。

表1 不同低TOC水及取样方法比较

**Sievers分析仪

       当水转移到烧瓶和试管内时很容易被污染，正如以 上所示，Sievers分析仪的水转移到烧瓶中的TOC含 量更高。如果可能的话，检验所选水源类型，以显示其具有稳定的低TOC。 

       污染的第二个主要来源可来自试管和清洗步骤。为了测定TOC背景污染的初始程度，请使用强烈的清 洗步骤。在科学界广泛使用的清洗实验室玻璃器皿的方法是铬酸溶液（Sievers分析仪技术方案914- 80005），已经被从美国药典的实验室玻璃器皿清 洗<1051>章中去除。使用该步骤清洗的试管和其他 玻璃器皿将获得较低的TOC背景污染。在获得较低 的背景污染之后，需要慎重检验更温和的清洗步骤 以获得同样的结果。这里所检验的腐蚀性Z小的化 学清洗步骤是CIP-100洗涤剂。作为清洗剂的替代 方案，可使用马弗炉清洗玻璃器皿。马弗炉工艺需 要的人工更少，但初始设备成本巨大。如表2所示， 硫酸清洗、马弗炉和CIP-100洗涤剂清洗过程与铬 酸清洗过程的结果相当。CIP-100洗涤剂的一个优 点是只需要10次漂洗，而与之相比，其他清洗剂需 要15或20次漂洗。Alconox实验室洗涤剂不建议作为低TOC工作的清洗剂。

       当表 2 中所使用的试管 ， 加入足够的苯醇醚 （Octoxynol）（Triton X-100），形成当充满去离 子水时50 ppm（以碳计）的溶液，这时的清洗是有 挑战性的。使这些标准添加溶液在各试管中干燥， 然后进行各种清洗步骤。

       当细菌污染成为问题时，微生物群落存在类似的情 况。在这里开发了无菌化技术，以应对微生物工作 中遇到的交叉污染问题。 此概念可部分适用于碳样品的制备。

例如，适合碳 样品制备的无菌化概念为：

1) 避免直接触摸垫片、移液管、自动取样器针和其 他与样品直接接触的设备， 

2) 制备样品时时避免对着它们呼吸， 

3) 避免采集前几毫升的样品流，采集样品前等待， 直到一些体积经过并净化管道后，并且 

4) 当将试管载入自动取样器时避免接触覆盖试管的隔膜。

       第二种意见是仅使用新试管进行 TOC 分析。这种做 法费钱费力，因为这些新试管需要进行 15 次漂洗 的准备步骤。使用此方法获得的 TOC 值列在表 3 中。

       而另一种方法是购买制造商预清洗的试管。然而此 处列出的试管，供应商没有直接测试其 TOC，而是 测试其挥发性有机化合物。因此，没有保证其Z大 TOC 含量。这些预清洗的试管充注 Sievers 低有机 物去离子水，并在仪器上进行分析。结果如图 4 所 示。   

       减小背景碳污染的第三步是遵守严格的制备技术。 特别小心地处理与样品接触的试剂和设备，因为碳 污染无处不在。 

     例如，储存在塑料袋中的垫片，如果手伸入内部时， 可能受到残留的手纹油的污染。表 5 显示了使用故意被手纹直接污染的隔膜时更高的 TOC 含量。右列 显示了在样品制备时上下表面皆有触摸的隔膜。碳污染量是样品制备时与脏手或表面接触程度的反映。

结论 

在样品制备的三个方面叙述了背景碳的潜在原 因。要在低碳背景污染下获得稳定的 TOC 结果， 水、试管和样品制备方法都必须仔细地监控。

表2 试管清洗的不同清洗方案比较

表3 新试管的漂洗与测试

表4 预清洁试管充满并测试

表5 样品制备时无菌相对非无菌化垫片触摸

简介和挑战 

       制药行业严重依赖于塑料包装材料，以将产品推向市场。药品的包装材料包括瓶子、一次性使用的袋 子（例如静脉输液、血液或其组分的输液袋）、预 充式注射器等，包装材料中可能含有多种成分（各 种聚合物和添加剂）。必须证明这些包装材料（及 其结构材料）不会与药品发生反应，从而影响药品的适用性。 近来，USP <661>章经过修订，适用范围更加全面， 能够用于验证各种包装材料和包含多种材料的包装 系统。 

USP 的总有机碳（TOC）法规 

       USP 要求对纯化水（Purified Water ，PW）和注射用水（Water for Injection ，WFI）进行 TOC 测试， USP <643>章对此有完整的说明。纯化水和注射用水的 TOC 限值设定为 0.5 ppm。 

       2016 年 5 月 1 日， USP <661>总章有了重大修订， 此章标题重定为“塑料包装系统及其结构材料 （ PLASTIC PACKAGING SYSTEMS AND THEIR  MATERIALS OF CONSTRUCTION）”。另外，总章 的 2 个分节为：

• <661.1>塑料结构材料（Plastic Materials of  Construction） 

• <661.2> 制 药 用 塑 料 包 装 系 统 （ Plastic  Packaging Systems for Pharmaceutical Use） 

法规除了描述材料和系统之外，还提出了更广泛的测试方法和技术，其中包括 TOC 测试。 

       如上所述，这是为了使用户了解包装系统和包装本 身所使用的材料。因此，修订的法规对行业运营产生了深远影响，目前适用于：

• 成品药制造商 

• 塑料袋、瓶、输液器具等的制造商包装药品的监管批准者负有达到本法规要求的主要职责。

USP <661>分节 

<661>有两个分节： 

<661.1>塑料结构材料。本节旨在确保各种材料符 合适用性。本节专用于各种塑料材料。 

<661.2>药品用塑料包装系统。本节旨在确保含有 一种或多种材料的整个包装系统符合适用性。

661 的预期评估 

材料筛选 

• 评估可能的可萃取物和潜在的可浸出物的成分 控制条件下的萃取研究 

• 进行Z坏情况的受控的萃取（模拟）研究，确定萃取物变成可能的可浸出物的程度 

产品评估 

• 对于将要推向市场的包装/输送系统中的药品， 对已确认的可浸出物进行实际测量

661 的 TOC 限值

满足 USP <661>法规的其他 TOC 要求 

进行的 TOC 分析： 

• 应有 0.2 ppm 检测限 

• 应有 0.2 - 20 ppm 线性动态范围

Sievers M9 TOC 分析仪与满足 USP <661>的要求

       Sievers M9 总有机碳（TOC）分析仪提供良好的可 靠性和快速分析性能，此优越性已经过时间的检验。 分析仪能够将 TOC 结果的报告时间缩短 50％，从 而提高了生产效率。 

       Sievers TOC 分析仪能够帮助在严格监管的环境下 运营的企业达标，仪器的性能超过了法规和分析要 求。分析仪的线性范围广，对超纯水样品的低浓度 具有高灵敏度，对清洁验证样品的高浓度检测能力也很强。

       M9 分析仪的线性范围为 0.03 ppb - 50 ppm，有效 地达到了 USP <661>对检测限和动态线性范围的要求。所有的 Sievers TOC 分析仪都符合纯化水和注 射用水的 USP <643>要求。

为了支持分析仪和 USP <661>合规性，我们提供 NIST 可追溯标样和 ISO Guide 34 与 ISO/IEC 17025 的认证标样：

• 准确度/精确度标样组，8 ppm (STD 770131) 

• 准确度/精确度标样组，5 ppm (STD 99011) 

• USP <661>线性标样组 (STD 99012) 如有要求，我们还提供线性协议和电子表格以供参考。 

       上述标样，结合 Sievers 的故障调查分析报告 （Failure Analysis Report，FAR），提供了可追溯 性和快速“不合规（Out of Specification ，OOS）” 调查。 

       M9 分析仪有实验室型和便携式两种，便于使用。分析仪符合 USP <643>、USP <645>、USP <661>、 USP <1225>、21 CFR Part 11 等法规要求，包括国际同类标准要求。

参考文献 

1.USP <661>总章 

2. USP <661.1>和<661.2>分节 

3. USP 661 简报： http://www.usp.org/sites/default/files/usp_pd f/EN/meetings.pdf