标准测试方法
使用荧光衰法减法分析包装的顶空氧气
本标准以固定名称F 2714发行。名称后的数字表示最初采用的年份，如果是修订版本，则表示上次修订的年份。括号中的数字表示上次重新批准的年份。上标（il）表示自上次修订或重新批准以来的编辑更改。
 

1.    范围

1.1      该测试方法涵盖了确定密闭包装内顶部空间中氧气浓度的程序，而不会打开或损害包装的完整性。
1.2      此测试方法要求在封闭之前将化学涂层过的组件放置在包装的内表面上。
1.3      包装必须是透明的，半透明的，或者必须在包装表面上粘贴透明的窗口，而不会影响包装的完整性。
1.4      由于该测试方法确定了氧气随时间的上升空间，因此只要知道容器的体积，就可以很容易地将氧气渗透率计算为每单位时间的进入量。
1.5      以SI单位表示的值应视为标准值。本标准不包括其他计量单位。
1.6      本标准并不旨在解决与使用相关的所有安全问题。本标准的使用者有责任建立适当的安全和健康惯例，并在使用前确定法规限制的适用性。

2.    测试方法摘要

2.1      化学涂层的组件（点）固定在要测试的包装的内表面。
2.2      可以通过手动方式或通过对包装进行填充操作，将包装中的气体冲洗至减少的氧气水平。
 
 此测试方法由ASTM F02软包装技术委员会负责，由F02.40小组委员会对包装完整性测试方法直接负责。
当前版本于2008年8月1日批准。2008年8月发布。

2.3      脉冲光源被引导通过包装上经过化学处理的点（包装必须是透明，半透明的或包含光可以透过的窗口）。
2.4      监测来自点的荧光响应并确定衰减率。
2.5      通过将测得的衰减率与已知氧气浓度下观察到的衰减率进行比较，可以确定包装中的内部氧气含量。

3.    意义和用途

3.1      包装顶部空间的氧气含量是阻隔材料提供的包装保护的重要决定因素。被测包装通常是MAP（气调包装）包装。
3.2      氧气含量是导致各种产品（例如化学品，食品和药品）异味和变质的关键因素。
3.3      该方法确定封闭包装顶部空间中的氧气。此功能可用于：
3.3.1       包装渗透性研究-顶空成分在已知时间内的变化可以计算渗透率。由于顶部空间的氧气是以百分比测量的，因此必须知道容器顶部空间的体积，以允许转换为氧气（毫升）的量。使用这种方法测量渗透率通常仅适用于空包装系统，因为氧气的吸收或所含产品的放气会影响结果。
3.3.2       泄漏检测-如果顶部空间的氧气含量超出预期或增加速度快于预期，则可以怀疑存在泄漏。可以采用多种技术来验证是否存在泄漏并确定泄漏的位置。如有必要或感兴趣，可以使用已知的顶空体积计算泄漏率，并测量随时间变化的氧气浓度。

3.3.3       MAP包装过程的功效-如果包装后不久发现顶部空间的氧气浓度高于预期，则气体冲洗过程可能无法达到预期效果。各种技术可以评估MAP系统是否正常运行。

3.3.4       储藏研究-由于该方法是非破坏性的，因此可以随时间对单个样品进行顶空监测，以确保正确解释储藏研究的结果（例如货架寿命测试）。

4.    讨论区

4.1      基于荧光的氧感测已被很好地建立。使用的典型指示剂是钌配合物和卟啉，两者均与发光二极管（LED）兼容。在一种对氧敏感的涂层中，使用了三（4,7联苯1,10菲咯啉）氯化钌，因为它的稳定性，使用寿命长，并且在光谱的蓝色区域具有400 nm至500 nm的强吸收性。吸收峰与高亮度蓝色LED或蓝色半导体激光器兼容。发射峰位于光谱的红色区域中的600 nm处，并由光电倍增管或光电检测器检测到，以提供大动态范围和快速响应时间的灵活性。钌配合物固定在高度耐化学腐蚀的底物中。
4.2      荧光猝灭的原理基于特定染料的激发态特性。动态猝灭是能量从处于激发态的荧光染料转移到周围介质中的氧气。氧气消耗的能量将在短时间后以热量的形式消散，并且整个过程可以无限期地重复进行而无需消耗氧气。
4.3      钌络合物被LED发出的蓝光激发。来自LED的蓝光短脉冲被吸收

由钌配合物。在没有氧气的情况下，钌络合物将在光谱的红色区域发光。吸收蓝色光子与释放红色光子之间的平均时间称为荧光寿命。钌配合物的荧光寿命约为5 µs。但是，如果存在氧气，荧光将被猝灭。当氧分子与被激发的钌分子碰撞时，会发生这种情况。在碰撞过程中，能量从钌转移到氧气，从而防止了排放。此过程称为动态猝灭，它导致荧光寿命的减少与氧分压成正比。荧光寿命将从无氧环境（例如氮气）中的5 µs减少到环境空气中的1 µs（请参见图1).使用猝灭进行氧气检测的最重要方面是在测量过程中氧气和传感器都不会消耗。



 

5.    干扰物

5.1      从理论上讲，顶空中某些干扰物质的存在可能会导致读数错误。尚未发现空包装或装满包装中的正常顶空是有问题的。该顶部空间中的相对湿度也显示不会造成干扰。
5.2      测试时，必须测量包装的温度。
5.3      建议在包含已知氧气浓度的包装上进行以下化学处理点的校准，该包装的氧气浓度应接近实际测试中的水平。如果以与实际水平相差甚远的水平进行校准，则结果显示的精度可能会低于下面的精度和偏差声明中预测的精度。

6.    仪器

6.1      化学处理过的组件（也称为“触点”）—已发现玻璃或柔性透明塑料的涂层基材令人满意。荧光染料聚合物沉积在基底的一侧上。
6.2      粘合剂用于将触点的未涂覆面附着到包装的内部。已经证明硅橡胶粘合剂是令人满意的。其他粘合剂和双面胶带也可以使用。只要粘合剂足够透明，还没有发现能干扰染料荧光的粘合剂。
6.3      光源在适当的波长下产生足够的能量以激活荧光染料。脉冲光能以允许确定衰减率。
6.4      带有相关电子设备的光检测器，能够确定荧光的衰减时间。
6.5      计算机系统，将测得的被测包装与包含已知氧气浓度的包装的荧光衰减率进行比较，并将结果显示为氧气浓度。
 

7.    试剂与材料

7.1      使用的涂料描述在第4部分，可以使用其他配合物，但必须证明其测量氧气的能力。
 

8.    注意事项

8.1      温度和相对湿度是影响氧气渗透率测量的关键参数。如果要使用这种顶空技术来计算包装的氧气透过率，那么仔细的温度和相对湿度控制可以帮助最小化由于环境波动而引起的变化。试验期间的平均条件和条件范围均应报告。
8.2      化学涂层点的温度会影响观察到的衰减率。必须小心确保在进行测量时知道点温度并将其控制在60.1°C。
 

9.    采样

9.1      关于要测试的样品数量的声明不在此测试方法的范围之内。
 

10.    测试标本

10.1      试样可以采用多种形式，并包括任何密封的包装，其中包含含有气体或液体的顶部空间。
10.2      测试样品必须足够透明，以允许接近涂层的触点。或者，可以将窗口添加到包中以允许访问，但是这种窗口的设计超出了此测试方法的范围。
 

11.    调理

11.1      通常不需要调节，除非需要保持样品温度控制，如本测试方法其他地方所述。

12.    程序

12.1      校准-在测试之前，荧光点和完整的测量系统应进行校准。
12.1.1       使用上述粘合剂将荧光点粘贴到刚性包装，柔性包装或校准夹具的内部。将包装或固定装置密封并用含有合格氧水平的气体彻底冲洗，该合格氧水平应高于和低于要测试的包装的预期水平。当包装通过小开口冲洗时，将监视包装中指示的氧气含量。当液位在1分钟内没有变化并且包装或固定装置收到的顶空体积至少为冲洗气体的20倍时，可以认为读数是最终的，并且读数会根据制造商的说明输入到计算机中。
12.1.2       遵循仪器制造商的说明测试包含低于要测试的氧气水平的校准气体。通常，这将是氮气，经认证不含氧气。根据指示输入值。
12.1.3       遵循仪器制造商的说明测试包含高于要测试的氧气水平的校准气体。通常情况下，这将是经认证的氧气含量不高于被测包装中预期氧气含量的3倍的氮气。也就是说，如果预期要测试的包装中包含2％的氧气，则可接受的校准气体为6％。
12.1.4       使用仪器制造商提供的校准因子进行校准是令人满意的，但必须注意确保点已在上述感兴趣的氧气浓度范围内进行了校准。
12.2      测试-预先准备，密封和冲洗过的未知氧气浓度的包装通过如上所述校准的测试系统进行测量。
12.2.1       根据制造商的说明，已将未知氧气浓度的包装内已固定的点暴露于已校准的荧光系统中。
12.2.2       仪器指示的值将被记录。指示的值可以用氧气百分比，分压氧气或ppm氧气表示。
12.2.3       点的环境可以是包装的气体顶部空间，也可以是液体中的顶部空间，具体取决于测试设计和所需信息。
 

13.    计算方式

13.1      计算机系统将使用Stern-Volmer方程为用户进行校准，以将衰减时间转换为氧气的分压。这些方程式使用系统先前确定的对以上采用的校准气体的响应。
13.2      红色荧光信号的上升和下降具有一定的延迟，具体取决于氧气分压（pO2）。该效果如下图所示。典型的荧光寿命t在环境空气中为1 µs（海平面处pO2= 212 mbar）和零氧气中为5 µs之间。
13.3      从该信号可以得出荧光寿命。单指数荧光衰减可以通过以下方式描述：

    I         =特定时间的荧光强度，

   I0        =衰减开始时的荧光强度（在这种情况下，t = 1 µs），
    t         =时间（以微秒为单位），并且
    =荧光寿命或时间常数（TC）。

13.4      该软件根据钌在涂层点中生成的荧光信号的单指数最小二乘拟合计算时间常数t，并从该时间常数中计算出氧气浓度。氧分压与测得的荧光寿命（时间常数）之间的关系由SternVolmer公式给出：


    t            =当前氧气浓度下的时间常数，
   t0           =在没有氧气的情况下的时间常数，
  Ksv         = Stern-Volmer常数
  Po2         =氧气分压。

13.5      此线性Stern-Volmer方程由公式3转换为软件：
         
   
A         = Stern-Volmer线的斜率，以及
B         = Stern-Volmer行的截距。

13.6  校准过程确定了氧气浓度低和高时斯特恩-沃尔默线的斜率和截距（dA和dB）

14.    报告

14.1      报告每个测试样品的氧气浓度（以百分比，分压或百万分率表示）。
14.2      进行测试的环境。
14.3      报告使用的点的批号和校准因子。

15.    精度和偏差

15.1      有6个实验室参与了实验室间研究。在三个氧气浓度水平（分别为0.04、1.02和5.05％的氧气）下分别制备了七个样品。每个实验室对每个样品进行了3次测试。计算每个样品的重复性和再现性。每个级别的结果都足够相似，可以按级别汇总重复性和再现性标准偏差。表格1 总结结果。研究报告中提供了更完整的结果和分析。

16.    关键词

16.1      荧光顶空分析；氧气透过率;渗透性;渗透残留氧