顶空气相色谱及其应用技术.docx
《顶空气相色谱及其应用技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《顶空气相色谱及其应用技术.docx（44页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
顶空气相色谱及其应用技术
顶空气相色谱及其应用技术
第一节概述
一、引言
二、顶空分析基本原理
三、顶空气相色谱的分类与比较第二节静态顶空色谱技术与应用
一、静态顶空色谱的理论依据
二、静态顶空色谱的仪器装置
三、影响静态顶空色谱分析的因素
四、静态顶空色谱的方法开发和常用技术
五、静态顶空色谱的应用第三节动态顶空色谱技术与应用
一、吹扫捕集进样技术的基本原理
二、吹扫捕集进样装置
三、吹扫捕集操作条件选择
四、影响分析精度的因素
五、吹扫捕集进样技术的应用第四节热解吸进样技术与应用
一、热解吸进样技术
二、热解吸进样技术的应用
第一节概述引言
在讨论大体积进样（LVI）时，我们强调了提高分析灵敏度的问题。
同时指出，LVI可简化样品处理过程，提高工作效率。
事实上，在色谱分析中，提高工作效率（即单位时间可分析的样品数）也是人们一直追求的目标。
从填充柱到毛细管柱、从手动进样到自动进样、从常规色谱到快速色谱（见第六章）都是提高了工作效率。
从目前的仪器看，GC本身的分析时间已经相当短了。
相比之下，样品处理往往是最费时的。
有统计数据表明，色谱实验室通常用&'（的时间对样品进行处理，真正GC分析所用时间只有10%-15%，其余时间应用在
数据处理和报告编辑等工作上。
所以，如何加快或简化样品处理，就成为提高工作效率的关键问题。
这方面人们已开发出很多好的方法，如固相萃取（SPE）、固相微萃取（SPME）、
超临界流体萃取（SFC）等。
然而，如果我们只对复杂样品中的挥发性组分感兴趣，比如废水中的有机挥发物、酒后架车司机血液中的酒精含量等等，用上述萃取方法显然较费时，在此情况下，顶空色谱分析往往是一种简单而有效的方法。
所谓顶空分析是取样品基质（液体和固体）上方的气相部分进行色谱分析。
也有人称之为液上色谱，其实并不准确。
顶空的英文“headspace”本指罐头食品盒中顶部的气体，由于
历史的原因，人们一直延用该词泛指样品基质上方的气体，中文译作“顶空”是很合适的。
其实顶空分析早在1939年就出现了，比GC还早10多年。
由于GC是专门分析气体或样品蒸气的，故二者的结合便顺理成章了。
1958年有人用顶空GC分析水中氢气的含量，1962年
出现商品顶空进样器。
今天，顶空色谱已经成为一种普遍使用的GC技术。
世界各国都制定
了有关顶空$%的标准方法，用于分析聚合物材料中的残留溶剂或单体、工业废水中的挥发性有机物，食品的气味等等。
可以说，顶空色谱已成为一种广泛使用的分析方法，是GC家
族中不可缺少的一员。
本章我们就来讨论顶空GC的基本原理与应用，着重强调顶空GC分析方法开发和操作注意问题，并通过实例来说明其在各个领域的应用。
顶空分析基本原理
顶空分析是通过样品基质上方的气体成分来测定这些组分在原样品中的含量。
显然，这
是一种间接分析方法，其基本理论依据是在一定条件下气相和凝聚相（液相或固相）之间存
在着分配平衡。
所以，气相的组成能反映凝聚相的组成。
我们可以把顶空分析看成是一种气
粗萃取方法，即用气体作溶剂”来萃取样品中的挥发性成分，因而，顶空分析就是一种理想
的样品净化方法。
传统的液液萃取以及SPE都是将样品溶在液体中，不可避免地会有一些
共萃取物干扰分析。
况且溶剂本身的纯度也是一个问题，这在痕量分析中尤为重要。
而气体
作溶剂就可避免不必要的干扰，因为高纯度气体很容易得到，且成本较低。
这也是顶空GC
被广泛采用的一个重要原因。
作为一种分析方法，顶空分析首先简单，它只取气相部分进行分析，大大减少了样品基
质对分析的干扰。
顶空气相色谱的分类与比较
顶空GC通常包括三个过程，一是取样，二是进样，三是GC分析。
根据取样和进样方
式的不同，顶空分析有动态和静态之分。
所谓静态顶空就是将样品密封在一个容器中，在一
定温度下放置一段时间使气液两相达到平衡。
然后取气相部分进入GC分析。
所以静态顶空
GC又称为平衡顶空GC,或叫做一次气相萃取。
根据这一次取样的分析结果，就可测定原来样品中挥发性组分的含量。
如果再取第二次样，结果就会不同于第一次取样的分析结果，这是因为第一次取样后样品组成已经发生了变化。
与此不同的是连续气相萃取，即多次取样，
直到将样品中挥发性组分完全萃取出来。
这就是所谓动态顶空GC。
常用的方法是在样品中
连续通入惰性气体，如氦气，挥发性成分即随该萃取气体从样品中逸出，然后通过一个吸附
装置（捕集器）将样品浓缩，最后再将样品解吸进入GC进行分析。
这种方法通常被称为吹
扫-捕集（Purge&Trap）分析方法。
静态顶空和动态顶空（吹扫-捕集）GC各有特点，表5-5-1简单比较了二者的优缺点。
实际上，静态顶空也可叫做连续气体萃取，得到类似吹扫&捕集的分析结果，只是其准确度稍差一些。
很多样品用两种方法都可进行分析。
表5-5-1静态顶空GC和动态顶空（吹扫-捕集）GC的比较
方法
优点
&I.1：
磁顶空
（X：
1样品基质「如水）的T扰极小：
2仅器狡荀肢，不带募哦附装置t
3捋发性样品组分不会丢失「
4可连強取样分析色谱世界
1灵嫩战稍低*
2哥以分析校高沸点.的组分
幼态顶空
I.可将挥发性组分金Om装置中浓端后进存分析：
2灵敏度较高：
3比静态顶空应用更广狂，可井析沸点较高的组分
inknet
1样胡基匮可能T扰分析；
2仪器较复如
3軽附和解吸可能造成样品组分的丢先
还有一种进样方式叫热解吸进样，其实只是动态顶空分析的一种特定模式。
比如分析大
气污染物时，用一个装有吸附剂的捕集管，让一定量的空气通过该管，空气中有机物就被吸
附在管中。
然后将该管置于热解吸装置中（与吹扫！
捕集进样的热解吸装置相同），与GC连
接进样分析。
第二节静态顶空色谱技术与应用
静态顶空色谱的理论依据
让我们先来看一个容积为V装有体积为V0液体样品的密封容积（图5-5-1）,其气相体积为Vg,液相体积为Vs，贝U
V=I;+Vf
相比一
鬥
匕*a
图5-5-1顶空样品瓶
当在一定温度下达到气液平衡时，可以认为液体的体积VS不变，即VS=V0。
这时，气相
中的样品浓度为Cg，液相中为Cs，样品的原始浓度为Co。
贝U
平衡常数X=
垮虑到容器是密封的，样品不空逸出，故
C.%="=汕+/+Kcfva=卅KVt+叫）
6=%［（KVJK>+Vr/vj=e（（K询
J-血兀K+0）
在一宦条件下*时于一个给宦的平衡系统鼻和p均为常数•故町以得到
5=g用=也为常数口
这就是说，在平衡状态下，气相的组成与样品原来的组成为正比关系。
当用GC分析得
到Cg后，就可以算出原来样品的组成，这就是静态顶空GC的理论依据。
静态顶空色谱的仪器装置
（一）手动进样装置
采用手动进样时，静态顶空所需设备较为简单，只要有一个控温精确的恒温槽（水浴或油浴），将装有样品的密封容器置于恒温槽中，在一定的温度下达到平衡后，就可应用气密注射器（普通液体注射器不适合于顶空进样）从容器中抽取顶空气体样品，注射入GC进行
分析。
这种手动进样方式有两个缺点，一是压力控制难以实现，因而进样量的准确度较差。
样品从顶空容器到进入注射器过程中任何压力变化的不重现都会导致实际进样量的变化。
有
人采用带压力锁定的气密注射器较好地克服了这个问题。
第二是温度的控制。
注射器的温度
ASTM
低时，某些沸点较高的样品组分很容易冷凝，造成样品损失。
有些标准方法（如美国
方法）要求注射器温度在取样前置于90C的恒温炉中加热，以避免样品的部分冷凝。
然而，
在取样和进样过程中还是很难保证注射器温度的一致性，故分析重现性往往不及自动进样。
有一种方法可以在一定程度上克服温度不恒定的问题。
这就是采用六通阀和注射器结
合，样品的温度由阀体温度控制，注射器只起泵的作用，将样品抽入进样阀的定量管。
如图
5-5-2所示，进样阀的原理及与GC的连接与相关内容的讨论完全相同。
这样就消除了注射器温度的影响。
®5-5*2吒体逬样潤与注射器相结合逬行顶空进样
/为取样：
h〕为进样
尽管如此，手动进样的静态顶空GC分析在样品温度、平衡时间和取样速度方面的控制
精度还是不能与自动进样相比，在只作定性分析时，手动进样不失为一种经济的方法，但要
作精确的定量分析，则最好用自动顶空进样装置。
（二）自动进样装置
目前，商品化的顶空自动进样器有多种设计，但其原理基本可分为三种，下面分别介绍
之。
1.采用注射器进样
基于此原理设计的仪器往往是对普通自动进样器改进的结果，主要是采用气密注射器和
样品控温装置。
比如，日本岛津公司的HSS-3A/2B顶空分析系统就是在自动进样器样品盘的
上方增加了一个金属加热块，通过样品盘下面的气动装置将样品瓶依次转移到加热块中，待
气液平衡后，由注射器插入样品瓶取样并注入GC分析。
可见，除了采用气密注射器，增加
了样品的加热及平衡时间控制功能外，其余功能与普通自动进样器类似。
当然，注射器一般
也要有控温装置。
此类顶空进样装置的主要问题是不能控制样品的压力，故使用较少。
2.压力平衡顶空进样系统
fflS-5^3压力平衡烦空进轻系统
3样甜力平施认』进样
口;一载气;V】-島一电嚥开芙陶r
5N—可務动进样针t陋一针音:
NV—H型衡:
CCL—felS柱:
川一柱帀圧一样品瓶屮憔來的顶空压力
这类进样系统的原理如图5-5-3所示，样品加热平衡时，取样针头位于加热套中［图
5-5-3（a）］。
载气大部分进入GC只有一小部分通过加热套，以避免其被污染。
取样针头用“O'形环密封。
样品气液平衡后，取样针头穿过密封垫插入样品瓶，此时载气分为三路［图5-5-3（b）］:
一路为低流速，由出口针型阀控制，继续吹扫加热套，另外两路分别进入GC和样品瓶，对样品瓶进行加压，直到样品瓶的压力与%&柱前压相等为止（这就是压力平衡的意思）。
然后，关闭载气阀［图5-5-3（c）］，切断载气流。
由于样品瓶中的
压力与柱前压相等，故此时样品瓶中的气体将自动膨胀，载气与样品气体的混合气就通过加
热的输送管进入了GC柱。
控制此过程的时间就可控制进样量。
压力平衡进样装置与GC共用
一路载气，操作简便。
如PE公司的HS-100型顶空进样器就是采用这种设计。
采用这种装置
时，必须控制平衡时样品瓶中的压力低于GC柱前压，否则，针尖一旦插入样品瓶，顶空气
体就会在载气切断之前进入GC造成分析结果的不准确。
实际工作中并不总能满足上述压力要求，比如样品平衡温度高时，顶空气体压力就高，
若采用大口径的短毛细管柱进行分析，柱前压往往低于样品瓶中的顶空气体压力。
这时，可
以采用另一路载气对样品瓶加压，以防止GC载气切断前样品进入色谱柱。
这一方法叫做加
压取样。
如PE公司的HS-40型仪器就具有这种功能。
另外，也可在色谱柱后接一段细的空柱管以提高柱压降，这当然使仪器的连接变得复杂了。
3.压力控制定量管进样系统
4.
图5-5-4压力控制定昂管进样的顶空“系统工作原理
3平勧:
⑴血乐业）取样：
心）遇样
离、％W均曲切换岡
1—色谱仪：
2—定量管*3—裁空由口
图5-5-4所示就是这种顶空GC分析装置的原理示意图，安捷伦（原惠普化学分析部）公司的HP7694和HP7694E就采用此设计。
其分析过程可分为四个步骤：
第一步［图5-5-4（a）］，平衡。
即将样品定量加入顶空样品瓶，加盖密封，然后置于顶空进样器的恒温槽中，在设定的温度和时间条件下进行平衡。
此时，载气旁路直接进入
GC进样口，同时用低流速载气吹扫定量管，而后放空，以避免定量管被污染。
先进的自动顶空进样器具有样品搅拌功能，以加速其平衡。
第二步［图5-5-4（b）］，加压。
待样品平衡后，将取样探头插入样品瓶的顶空部分，V4切换，使通过定量管的载气进入样品瓶进行加压，为下一步取样作准备。
加压时间和压力大小由进样器自动控制。
此时，大部分载气仍然直接进入GC柱。
第三步［图5-5-4（c）］,取样。
V1和V2同时切换，样品瓶中经加压的气体通过探头进入定量管。
取样时间应足够长，以保证样品气体充满定量管，但也不应太长，以免损失样品。
具体时间应根据样品瓶中压力的高低和定量管的大小而定，由进样器自动控制。
一般不
超过10s。
第四步［图5-5-4（d）］,进样。
VI、V2、V3和V4同时切换，使所有载气都通过定量
管，将样品带入GCS行分析。
这样就完成了一次顶空GC分析。
然后将取样探头移动到下一个样品瓶，根据GC分析时间的长短，在某一时刻开始对下一个样品重复上述操作。
（三）顶空进样器的技术指标
由于平衡温度、平衡时间、加压时间和压力高低、取样时间、载气流速均影响进入GC
的样品量，所以，自动顶空进样器必须对这些条件实现严格控制。
表5-5-2列出了一种压力
控制定量管装置的技术指标。
顶空进样装置与GC的连接一般是比较简单的，即在输送管的
末端连接一个注射针头，然后将针头直接插入GC进样口。
这与普通GC进样类似，只是在整个分析过程针头一直插在进样口不抽出来。
当然，输送管一定要有加热系统，以避免样品组
分的冷凝。
表5-5-2一种压力控制定量管顶空进样装置的技术指标
技术指标名称
折标数值
样品精容枳C疑大可装样品体枳）
恒温噌可以笠样品料麴目
44
可同时加热的样品瓶数
6
样品瓶搅拌
低速和离速两挡
样骷瓶温度控制范围
40-200TC土①烈：
样品植加彤时闾
色谱世界
<）.5▼列
定量管温庞控制范阳输送管温度控制范国
www.ChemaLii
^）-2201：
1TOL
so-2®rC
定星管和输送程村"斗
银或桂钢
定量管体枳
（J.25cnl'（k5nJ^2XliiJ^3
m圧时闸
0*99hurh步长O.Olniin
加圧栽围
定址營允样时间
0—■99nMrif步长OrOLitiui
进杆时间
步长（kOlrain
影响静态顶空色谱分析的因素
影响顶空GC分析结果的因素有两部分，一部分是与GC有关的参数，另一部分是顶空进样的参数。
前者我们已在第一和二章作了详细阐述，这里不再重复。
下面我们仅就顶空进样的一些问题进行讨论。
（一）样品的性质
顶空GC最大的优点就是不需对样品作复杂的处理，而直接取其顶空气体进行分析，我们不用担心样品中不挥发组分对GC分析的影响。
但是样品的性质仍然对分析结果有直接影
响。
这里所说的样品是指置于样品瓶中的“原样品”，而非进入GC的“挥发物”，因此要
考虑整个样品瓶中的样品性质。
样品瓶中只有气相，而没有
对于气体样品或者在一定条件下能全部转换为蒸气的样品，
凝聚相。
那么，这种样品与普通GC分析就没有太大区别了。
要注意的是气体样品的采样温
度和样品保存温度可能不同，常常是后者低于前者。
在相对低温下保存样品时，有些组分就可能会冷凝，所以在分析时，要在平衡温度下放置一定的时间，使样品达到均匀的气相，以消除部分样品组分冷凝带来的误差。
如果是将液体样品转换为气体，那么这个转换过程是需要一定时间的，不像普通GC中进样口的样品汽化那么快，不完全的汽化会使顶空样品与原样品的组成不同，从而影响分析结果的准确度，故也应在一定的温度下平衡足够的时间。
液体和固体样品较为复杂一些。
这时样品瓶中起码有气-液或气-固两相，甚至气-液-
固三相共存。
顶空气体中各组分的含量既与其本身的挥发性有关，又与样品基质有关。
特别是那些在样品基质中溶解度大（分配系数大）的组分，“基质效应”更为明显。
这是顶空进样的一大特点，即顶空气体的组成与原样品中的组成不同，这对定量分析的影响尤为严重。
因此，标准样品不能仅用待测物的标准品配制，还必须有与原样品相同或相似的基质，否则，定量误差将会很大。
实际应用中有一些消除或减少基质效应的方法，主要是：
（1）利用盐析作用即在水溶液中加入无机盐（如硫酸钠）来改变挥发性组分的分配系数。
实验证明，盐浓度小于5%时几乎没有作用，故常用高浓度的盐，甚至用饱和浓度。
需要指出的是，盐析作用对极性组分的影响远大于对非极性组分的影响。
此外，在水溶液中加入盐
之后，溶液体积会变化，定量线性范围可能变窄，这些都是在定量分析中应该考虑的。
（2）在有机溶液中加入水当然，水要与所用有机溶剂相溶。
这可以减小有机物在有机溶剂
中的溶解度，增大其在顶空气体中的含量。
比如，测定聚合物中的2-乙基己基丙烯酸酯残
留量时，样品溶于二甲基乙酰胺中，然后加入水，分析灵敏度可提高数百倍。
（3）调节溶液的pH对于碱和酸，通过控制pH可使其解离度改变，或使其中待测物的挥发性变得更大，从而有利于分析。
（4）固体样品的粉碎物质在固体中的扩散系数要比在液体中小1到2个数量级，固体样品中挥发物的扩散速度很慢，往往需要很长时间才能达到平衡。
尽量采样小颗粒的固体样品有利于缩短平衡时间。
但是要注意，一般的粉碎方法会造成样品损失。
比如研磨发热，挥发性组分就会丢失。
故顶空GC中多用冷冻粉碎技术来制备固体样品。
同时，用水或有机溶剂浸润样品（三相体系），也可以减小固体表面对待测物的吸附作用。
此外，稀释样品也是减小基质效应的常用方法，但其代价是减低了灵敏度。
其他消除基质效应的技术，如全挥发技术等，将在下面讨论。
最后，样品中的水分也是一个影响因素。
虽然静态顶空样品中水分含量常没有动态顶空
那么大，但水溶液样品在浓度较高时，水蒸气会影响GC分离结果，特别是采用冷冻聚焦技
术时。
故应在色谱柱前连接除水装置，如装有氯化钙、氯化锂等吸附剂的短预柱。
当然要保
证被测组分不被吸附。
（二）样品量
样品量是指顶空样品瓶中的样品体积，有时也指进入GC的样品量。
其实后者应称为进
样量。
在顶空GC分析中，进样量是通过进样时间（压力平衡系统）或定量管（压力控制定量管系统）来控制的，它还受温度和压力等因素的影响。
事实上，顶空GC分析中绝对进样
量没有多大意义，重要的是进样量的重现性，只要能保证进样条件的完全重现，也就保证了
重现的进样量。
即使在定量分析中，一般也不需要知道绝对进样量的数值。
顶空样品瓶中的
样品体积对分析结果影响很大，因为它直接决定相比3。
在第二节我们曾导出一个方程：
尊=
（（/（K+厲），Jt中B二I/1.tA={J,
对于一个给定的气液平衡系统，K和Co为常数，3与顶空气体中的浓度成正比。
也可
是说，样品体积Vs增大时，3减小，Cg增大，因而灵敏度增加。
但对具体的样品体系，还要看K的大小。
换言之，K>>3时，样品体积的改变对分析灵敏度影响很小。
而当K<<3时,
影响就很大。
比如，分析水溶液中的二氧六环和环己烷，用20ml的样品瓶在60C平衡。
此
时二氧六环的K为642,而环己烷则为0.04。
当样品量由1ml变为5ml时，二氧六环的分析灵敏度（峰面积）只提高了1.3%，而环己烷却提高了452%所以，样品量要依据样品体系
的性质来确定。
与样品量有关的另一个问题是其重现性。
因为静态顶空GC往往只从一个样品瓶中取样
一次，要做平行实验时，则需要制备几份样品分别置于不同样品瓶中。
这时每份样品的体积
是否重现也影响分析结果。
待测组分的分配系数越小（在凝聚相中的溶解度越大），样品体
积波动所造成的结果误差就越大；反之，分配系数越大，这种影响就越小。
然而，在实际工作中，样品体系的分配系数往往是未知的，因此我们建议任何时候都要尽量使各份样品的体
积相互一致。
具体分析时，样品体积还与样品瓶的容积有关。
样品体积的上限是充满样品瓶
容积的80%以便有足够的顶空体积便于取样。
常采用样品瓶容积的50%为样品体积。
有时
只用几微升样品。
样品性质、分析目的和方法是决定样品体积的主要因素。
顶空GC特别适合于分析样品中的低沸点成分。
单就这个角度，平衡温度高一些对分析是有
利的，它可以缩短平衡时间。
然而，在顶空GC中,温度的改变只影响分配系数K并不影响相比3。
如前所述，我
们必须同时考虑这两个参数。
对于给定的样品体系，3是常数，顶空气体的浓度与分配系
数！
成反比。
如上所述，当K>>3时，温度的影响非常明显。
当K<<3时，温度升高使K
降低，但K+3的变化很小，因此顶空气体的浓度变化也很小。
比如，我们分析一个水溶液中的甲醇、甲乙酮、甲苯、正己烷和四氯乙烯，表5-5-3给出了这一体系在不同温度下的分配系数K值。
用6ml的样品瓶，样品体积为1ml,这时相比为5。
表中同时列出了1/（K+3）值。
表5-5-3几种化合物在水-空气体系中的分配系数K
化合物
4or
60十
80迟
K
0K*p）
K
K
1/（A
甲醉
1355
色谐也
.511
0.0019
216
甲乙詢
139.5（45*C）
痕C1
lenMiri
35
04）25（）
甲苯
2,82
0J274
1.77
（）.1477
L27
thI5M5
正己烷
0.14
0.194
0.043
O.（MJ75
0.1W
四11乙烯
].48
1.27
0.1595
0.87
0J7W
假设各组分在原样品中的浓度相同，那么。
80C的平衡温度与40C相比，甲醇在顶空
气体中的浓度将增加5.15倍，甲乙酮增加2.61倍，甲苯只增加25%而正己烷和四氯乙烯则分别增加2.6%和10.4%。
可见，温度的影响因组分的不同而异。
对于甲醇和甲乙酮，提高
平衡温度可大大提高分析灵敏度；对于甲苯和四氯乙烯则影响甚微，对于正己烷，其影响完
全可以忽略。
因此，平衡温度应根据分析对象来选择。
实际工作中往往是在满足灵敏度的条件下（还可通过其他方法提高分析灵敏度）选择较低的平衡温度。
这是因为，过高的温度可能导致某些组分的分解和氧化（样品瓶中有空气）,还可以使顶空气体的压力太高，特别是使用有机溶剂时（故应选择较高沸点的有机溶剂）。
这里顺便指出，有人可能会问：
进样前加压是否会造成样品的稀释而降低分析灵敏度？
其实不存在这个问题。
因为我们测定的是浓度，而非摩尔分数。
加压前后样品的体积不变，故不会影响灵敏度。
最后强调一点，顶空GC分析中必须保证温度的重现性。
除了平衡温度
外，取样管、定量管，以及与GC的连接管都要严格控制温度。
这些温度往往要高于平衡温
度，以避免样品的吸附和冷凝。
（四）平衡时间
扩散速度越快，即
平衡时间本质上取决于被测组分分子从样品基质到气相的扩散速度。
分子扩散系数越大，所需平衡时间越短。
另外，扩散系数又与分子尺寸、介质黏度及温度有
关。
温度越高，黏度越低，扩散系数越大。
所以，提高温度可以缩短平衡时间。
由于样品的性质千差万别，所以平衡时间很难预测。
一般要通过实验来测定。
方法是用一系列样品瓶（5-10）装上同一样品，每个样品瓶采用不同的平衡时间，然后进行GC分析。
用待测物的峰面积A对平衡时间t作图，就可确定所需平衡时间。
如图5-5-5
升级会员 