环境中的氧气会不同程度地穿透药包材^[1]，进入包装与药品发生反应^[2]，缩短药品的有效期。因此，测定药包材的氧气透过量是评价材料阻隔性能的重要指标^[3-4]，也是塑料类药包材检验的关键质控项目。目前，测定氧气透过量的分析方法有压差法和电量法^[5-6]，压差法应用较为广泛。

压差法测定的氧气透过量，是恒定温度和单位压力差下，气体稳定透过材料时，单位时间内透过试样单位面积的气体体积，单位为cm³·m^-2·d^-1·Pa^-1。压差法测定的氧气透过量是对试样在特定条件下的透氧能力评价，与试样实际阻隔氧气的能力具有相关性。国内外关于压差法的方法标准有气体透过量测定法YBB00082003-2015^[7]，塑料薄膜和薄片气体透过性试验方法压差法GB/T 1038-2000^[8]、ASTMD1434-8^[9]、ISO2556：2001^[10]、ISO15105-1：2007^[11]。

压差法测定数据通常存在精密度差的问题，即使在同一试验室测定的数据，精密度大于10%也很普遍。原因在于精密度与试样化学结构、厚度、密度、结晶度、热历史^[12]等指标的均匀性有关，与仪器硬件设计的合理性，硬件的性能是否优良、稳定有关，还与试验操作的诸多细节显著相关^[9]。对于均匀性较好的试样，试验人员在操作过程中，关注仪器操作和试样处理细节，可以显著改善测量精密度，提高测量精准度。至今未见提高压差法测定气体透过量精密度的研究报道。

1 仪器与试药

F70 Thickness Analyzer测厚仪（Filmmetrics公司），N530气体透过率测定仪（广州标际技术有限公司）。

同一批次的聚碳酸酯薄膜方形片20张（某塑料薄膜生产企业）。

2 方法与结果 2.1 厚度^[13]测定

预热F70 Thickness Analyzer测厚仪10 min后，工作台上不放置任何物品，基准扫描取得背景。取测厚仪配件BK7标准片放置在工作台上，采集连续光谱，调好探头与标准片的距离。移走BK7标准片，将20个待测试样依次置于工作台上，在材料库中选择聚碳酸酯材质选项，直接测量厚度。每个试样测量5个点，取算术平均值。

20张方形聚碳酸酯薄膜被平均分成2组测定厚度，测定数据见表 1。结果显示20张聚碳酸酯薄膜片的平均厚度为101.09 μm，RSD为1.1%，厚度均匀性良好。

2.2 氧气透过量测量

将试样置于（23±2）℃的干燥器中，放置48 h后，备用。在试验台上涂1层真空油脂，在试验台中的圆盘上放置滤纸后，放上试样。放置试样时应保持试样完整，不得有皱褶。轻轻按压，使试样与试验台的油脂良好接触。盖好上盖并紧固。高压室和低压室抽真空，直至20 Pa以下。脱气结束后，高压室充入0.1 MPa的高纯氧，开始透气试验。剔除开始试验时的非线性阶段，直到相同的时间间隔内压差的变化保持恒定，达到稳定透过时，停止试验，记录氧气透过量。

取表 1中编号为1~10的10片聚碳酸酯薄膜，按照上述操作测定透氧量，测量数据见表 2，结果显示这10片薄膜测量数据的RSD为7.7%。基于“3.2”项的考虑，优化测量操作，严格控制试样的试验面积、低压室体积、高压室压力、低压室压力、仪器温度的影响，测定表 1中样品编号为11~20的10片聚碳酸酯薄膜透氧量，测量数据见表 2。测量操作经优化后，RSD降低至2.9%，测量精密度得到了显著的提高。

3 讨论 3.1 厚度试验评价试样均匀性

试样厚度（D）与氧气透过量（Q_g）呈反比关系，满足数学关系式：

${Q_{\rm{g}}} = \frac{{{P_{\rm{g}}}}}{{1.157{\rm{\;\;4}} \times {\rm{1}}{{\rm{0}}^{{\rm{ - 9}}}} \times D}} $

P_g为材料的气体透过率，同一均匀试样，该值近似为常数。

由上述关系式可见，厚度相同的试样，其氧气透过量也应相同，测量数值应具有良好的精密度。事实上，测量精密度受试样的不均匀性和测量偏差两方面因素影响。为排除试样不均匀性的影响，准确评估测试偏差，本研究采用厚度指标评价试样的均匀性，分析试样氧气透过量测定精密度可提升的空间。“2.1”项的试验结果表明，薄膜厚度不均匀性引起的厚度测量RSD约为1.1%，而未经试验操作优化的氧气透过量测量RSD为7.7%，远大于1.1%，说明可以从测量过程寻找降低测量RSD的办法。

3.2 试验结果影响因素分析

试验操作过程对透过量偏差的贡献可从透氧量的计算公式导出。气体透过量的计算公式为

${Q_{\rm{g}}} = \frac{{\Delta \mathit{P}}}{{\Delta t}} \times \frac{V}{S} \times \frac{{{T_0}}}{{{P_0}T}} \times \frac{{24}}{{{P_1} - {P_2}}} $

式中：Q_g为材料的气体透过量，cm³·m^-2·d^-1·Pa^-1；ΔP/Δt为在稳定透过时，单位时间内低压室气体压力变化的算数平均值，Pa·h^-1；V为低压室体积，cm³；S为试样的试验面积，m²；T为试验温度，K；P₁-P₂为试样两侧的压差，Pa；T₀、P₀分别为标准状态下的温度（273.15 K）和压力（1.013 3×10⁵ Pa）

气体透氧量的计算公式中除T₀和P₀为恒定值外，其他数据并不恒定。因此，透过量的变异由变量贡献。ΔP/Δt值是压差法仪器的关键测定量，其变异区间直接影响透过量的精密度。V和S在理想状态下都应为恒定值，但实际上它们受试验操作影响较大，在多次试验测试中并不相同。T为仪器控制的温度，理论值为23 ℃，实际仪器温度处于一定范围的波动状态。仪器控温的波动幅度影响氧气透过量的精密度。P₁-P₂是一个变化量，数值的精密度影响透过量的精密度。

3.2.1 试样的试验面积

试样的试验面积指的是气体透过试样的面积。不同品牌仪器的试样试验面积不尽相同。目前市售压差法透气仪的试样试验面积有2种设计，一种是以密封高压室的密封垫圈面积为试样试验面积，另一种是以低压室试验台的中央空穴面积为试样试验面积。

对于以密封垫圈面积为试样试验面积的仪器，为保障有效试样面积与垫圈面积一致，需要有相同面积的滤纸或烧结金属作为试样支撑。另外，还需保证垫圈无脱落，具有较好的密封性能，对于已老化变形的垫圈需及时更换。垫圈对应的试验台内不能涂抹密封油脂，因为油脂会堵塞试样的透气孔道，改变试样透过面积。

对于以低压室试验台的中央空穴面积为试样试验面积的仪器，有效试样面积与密封油脂的涂抹位置、厚度和滤纸面积相关。密封油脂应涂抹在中央空穴的边缘区域，均匀且较薄，防止多余油脂因机械挤压或真空吸力移动到滤纸或试样上，改变试样透过面积。试样下方的支撑滤纸应与中央空穴面积一致。边缘已沾上密封油脂的滤纸应及时更换。

试样的有效试验面积还与试样放置有关。放置试样时，试样应保持平整，不得有皱褶。试验过程中，应保持托样圆盘清洁，若使用滤纸应及时更换，若使用烧结金属应及时清洗。

3.2.2 低压室体积

低压室体积指的是低压室的体积，包括气体透过试样后的通道和用于储存透过气体的腔室。因此，低压室体积包括低压室空腔、管道体积和滤纸孔隙。低压室空腔和管道体积为仪器硬件部分，试验过程中应防止脏物落入，堵塞通道和改变低压室体积。

滤纸的孔隙体积易被试验人员忽略，但实践表明滤纸的孔隙体积与测量精密度有显著相关性。滤纸的孔隙体积为滤纸体积与孔隙率之积。滤纸体积为面积与厚度之积。滤纸孔隙率与滤纸种类相关。试验常用的化学分析用滤纸有定性滤纸、定量滤纸。依照过滤速率的快慢可分为快速、中速、慢速。不同滤速的滤纸在最大孔径和平均孔径上各不相同。因此，对于相同体积的滤纸，因种类不同，孔隙率也不相同，实际贡献的孔隙体积也不相同。为了保证更换滤纸后，不改变滤纸贡献的低压室体积，建议使用同一种类的滤纸。并且测定试样时使用的滤纸应与校准仪器时使用的滤纸种类保持一致。

对于使用烧结金属的仪器而言，烧结金属不会经常更换，因此烧结金属内的孔隙体积是固定值。但是，烧结金属易被油污和其他杂质污染，经常清洗烧结金属有利于维持低压室体积的一致性。

3.2.3 高压室压力

在透气试验中，高压室压力^[14]应维持为0.1 MPa。高压室气体渗透进入低压室后，高压室气体逐渐减少，气压逐渐下降。测试阻隔性能差的试样时，高压室气压下降更为明显。高压室压力的减少导致试样两侧压力差减小，从而影响氧气透过量测定结果的精密度。

已知当试样两侧压力差不为0.1 MPa时，试样氧气透过量受压力差影响满足下列关系式^[15]：

$\begin{array}{l} {Q_{\rm{g}}}_{\left( {T,P} \right)} = {Q_{{\rm{g}}\left( {23℃, 0.1{\rm{MPa}}} \right)}} \times {\mathit{e}^{0.038\left( {T - 23℃} \right)}} \times {\mathit{e}^{1.4 \times {{10}^{ - 6}} \times \left( {P - 0.1{\rm{MPa}}} \right)}}\\ {\rm{\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;}} \cdots \cdots \end{array} $

(1)

式中Q_g为材料在温度为T和压差为P时的气体透过量，单位为cm³·m^-2·d^-1·Pa^-1，Q_{g（23 ℃，0.1 MPa}）为材料在温度为23 ℃和压差为0.1 MPa的气体透过量，单位为cm³·m^-2·d^-1·Pa^-1。该数量关系式适用于计算温度T在17~34 ℃，压差P在0.085~0.117 MPa范围的气体透过量。

由此可见，当压差发生波动时，试样氧气透过量也会随之变化。因此，在测试过程中，有必要对高压室补充气体，补气后的高压室压力应控制为0.1 MPa。高压室补气是控制高压室压力为0.1 MPa的动态变化过程，试验过程中应尽可能降低变化的波动幅度。部分仪器需要人为设置保压参数，可通过调整补压时间，补压参数，降低波动幅度。稳定高压室压力可提高透气测试结果的精密度。

3.2.4 低压室压力

低压室压力显示的是气体透过试样后，被真空计测得的压力值。进入低压室的气体不会被真空泵抽走，而是一直储存在低压室，因此低压室的气体量随着透气时间的延长而不断增加。压差法的仪器在实际测试过程中，压力差由最初的0.1 MPa不断减小，渗透驱动力不断下降。对于阻隔性能差的试样，低压室压力迅速上升，高压室压力若不及时补充，高压室压力会显著下降，因此阻隔性能差的试样测试时应注意维持高压室压力在0.1 MPa，且测试时间不宜过长。

3.2.5 仪器温度

仪器温度包括高压室温度、低压室温度和检测器温度。高压室温度和低压室温度与试样的孔隙率、试样溶解氧气的能力有关，因此高、低压室温度与气体渗透行为密切相关。检测器温度影响检测器的信号响应值，该信号响应值与压力间的线性数量关系易受温度影响。维持高压室温度、低压室温度和检测器温度处于平稳的状态，有利于保证测试结果的精密度。

同样当试样测定温度不为23 ℃时，试样氧气透过量受温度影响满足上述关系式（1）。同理当温度发生波动时，试样氧气透过量的精密度也会随之变化。

市售仪器有水浴循环和半导体电子控温控制3处温度。水浴循环和半导体电子控温效果显著受试验室温度影响。当试验室温度控制在23 ℃左右时，水浴循环和半导体电子控温器才能充分发挥控温效果。建议高压室温度、低压室温度和检测器温度应尽可能控制在（23±0.1）℃。

4 结论

利用压差法测定气体透过量极易出现精密度差的情况。通过优化试验操作，减少由试样的试验面积、低压室体积、高压室压力、低压室压力、仪器温度引入的偏差，可有效提高仪器测量精密度，对提高测量数据的精准程度具有重要意义。