符合USP <661>的总有机碳（TOC）检测

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

氢（H）和氧（O）—— 两种简单的元素组成了是世界上最重要的分子之一水（H2O），它在地球上无处不在，对我们的健康和生存也至关重要。通常情况下，它含有其他离子，如钙、镁和氯化物，这些离子对人体的功能也非常重要。但是，在一些特定情况下，比如制备医疗使用的注射剂或者其他溶液，就需要使用超纯水。

那么怎样来确保超纯水的质量呢？

美国药典 USP<645> 给出了答案，在该标准中说明了如何确定其电导率及如何进行分析。

在此过程中首先需要测量电导率和 pH 值的仪器。瑞士万通推荐使用 Aquatrode plus pH 电极和电导电极。

Aquatrode plus 为复合pH玻璃电极，适用于低电导率和缓冲能力弱的样品，如超纯水；反应时间迅速；具有双层结构，可以自由选择参比溶液来适用各种特殊应用。

电导电极，带池常数 c=0.1cm-1，适用于测量较低的电导率（0 至 300µS/cm），例如去离子水等。内置温度传感器，因此测量温度不再需要额外的电极。

USP <645> 测定步骤

01  电极校准。pH 电极用 pH=4 和 pH=7 的缓冲溶液进行校准；电导电极使用 100µS/cm 的标准缓冲溶液进行校准。

02  电极校准后，无需温度补偿即可测量温度和电导率。测量得到电导率数值如果低于 USP<645> 中的值，则满足要求，测量的水样可以用于医疗等用途。相反，则需要进行下一步。

03  将 100mL 的水转移至外部滴定容器中，将温度调节至 25±1℃。剧烈的搅拌水样使其吸收空气中的CO2，然后进行测量。当电导率在5分钟内的变化不超过 0.1µS/cm 时，记录数值进行评估。此时的电导率如果低于 2.1µS/cm，测量的水样可以用于医疗等用途。相反，则继续进行下一步。

04  温度控制在 25±1℃，加入 0.3mL 饱和 KCl 溶液，测量水的 pH 值。pH 值如果介于5和7之间，电导率对应了 USP<645> 中的值，则分析通过，测量的水样可以用于医疗等用途。如果 pH 值没有介于5和7之间，则水样不符合要求，需要舍弃。

USP <645> 的自动化

多步骤的分析非常耗时，为了解决这一问题，瑞士万通提供了一种自动化解决方案，我们的系统将所有步骤组合成一种方法，实现无人值守的自动化分析，使得您可以将精力放在其他更重要的任务上。

815 型机器人样品处理器自动分析样品

856/867 模块 (精确测量 pH 值和电导率)

◇ Aquatrode plus 测量准确的 pH 值

◇ 电导电极测量低电导率

◇ 恒温容器

◇ 样品瓶盖防止样品吸收CO2（第三步之前）

◇ 搅拌器，使溶液充分吸收CO2

瑞士万通自动化解决方案，使USP <645> 分析超纯水（UPW）的质量以全自动和可靠的方式进行。在每次分析结束时，如果超纯水 (UPW) 通过测试，则会收到清晰的消息提醒。处理非常简单，用户只需看一眼即可知道分析是否通过。

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。

       这次小碳给大家带来的福利是我们新开设的小碳微课堂——TOC分析仪系列课程，内含TOC的检测原理、行业应用、仪器使用相关知识等等，都将陆续火热上线！

#小碳微课堂#diyi期将于4月24日开课

快来报名吧！

纯水/超纯水总有机碳TOC的检测原理

时间

2020年4月24日周五

14:00-14:40

费用

免费

       总有机碳TOC（Total Organic Carbon）是水质检测中Z重要的指标之一，它反映了水中有机碳物质的总量，TOC值越高，表明水受到的有机物污染越多。纯水/超纯水中的TOC含量，对制药、半导体等行业的生产非常重要，那么，

       •如何测定水中的TOC呢？

       •纯水/超纯水的TOC测定有哪些方法？

       •这些方法有何不同？

       •每种方法是否有特定的适用场景？

       •Sievers^®ZL的膜电导检测技术有哪些优点？

       此次直播课程中，我们将向您介绍TOC检测的基本原理以及纯水/超纯水TOC检测的不同方法和应用，并针对以上问题作出解答。

       作为TOC分析仪系列课程的基础，了解TOC的检测原理有助于为您的应用选择合适的分析仪器，并在未来的仪器使用过程中，帮助您对TOC检测结果有更深层次的理解，欢迎收看！

报名方式

       扫下列二维码，进行会议注册，注册成功后，我们将于直播前给您发送邮件提醒及课程直播链接，直播时登录直播链接，验证注册时的手机号，即可收看课程。

       •若您未收到邮件，直播时可通过苏伊士Sievers分析仪的微信公众号菜单：Z新资讯-小碳微课堂进入课程直播。

       •如当天无法收看直播，您可以于课程结束的第二天后登录直播链接，验证注册时的手机号，收看课程回放。

联系方式

400 887 8280

sievers.china@suez.com

cn.sieversinstruments.com

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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。

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。

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