顶空气相色谱及其应用技术.docx

1、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，

2、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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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t3捋发性样品组分不会丢失4可连強取样分析

8、 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ink net1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

9、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UV = 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 = %（ KV JK + 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

10、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

11、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

12、：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

13、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-53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r5N可務动进样针t陋一针音:NVH型衡:CCLfelS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

14、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

15、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:血乐业)取

16、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

17、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

18、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

19、）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)-2201：1 TO Lso-2rC定星管和输送程村斗银或桂钢定量管体枳(J.25cnl(k5nJ 2 XliiJ 3m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。

20、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

21、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

22、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

23、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

24、。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

25、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=3时，样品体积的改变对分析灵敏度影响很小。 而当K3时，温度的影响非常明显。当 K3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

26、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4or60十80迟K0 K * p)KK1/( A甲醉1355色谐也.5110.0019216甲乙詢139.5(45*C)痕C1lenMiri350 4)25()甲苯2,820J2741.77().1477L27th I5M5正己烷0.140.1940.043O.(MJ750.1W四11乙烯.481.270.15950.870J7W假设各组分

27、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

28、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