影響靜態(tài)頂空分析的因素
《色譜分析方法及應(yīng)用》劉虎威主編 影響頂空GC分析結(jié)果的因素有兩部分、一部分是與GC有關(guān)的參數(shù)，另一部分是頂空進(jìn)樣的參數(shù)，前者我們已在第二和三章作了詳細(xì)闡述，這里不再重復(fù)。下面我們僅就頂空進(jìn)樣的一些問題進(jìn)行討論。 （一）樣品的性質(zhì)頂空GCzen大的優(yōu)點(diǎn)就是不需對(duì)樣品作復(fù)雜的處理，而直接取其頂空氣體進(jìn)行分析，我們不用把心樣品中不揮發(fā)組分對(duì)GC分析的影響。但是樣品的性質(zhì)仍然對(duì)分析結(jié)果有直接影響。這里所說的樣品是指置于樣品瓶中的“原樣品”，而非進(jìn)入GC的“揮發(fā)物”，因此要考慮整個(gè)樣品瓶中的樣品性質(zhì)。 對(duì)于氣體樣品或者在一定條件下能全部轉(zhuǎn)換為蒸氣的樣品，樣品瓶中只有氣相，而沒有凝聚相。那么，這種樣品與普通GC分析就沒有太大區(qū)別了。要注意的是氣體樣品的采樣溫度和樣品保存溫度可能不同，常常是后者低于前者。在相對(duì)低溫下保存樣品時(shí)，有些組分就可能會(huì)冷凝，所以在分析時(shí)，要在平衡溫度下放置一定的時(shí)間，使樣品達(dá)到均勻的氣相，以消除部分樣品組分冷凝帶來的誤差。如果是將液體樣品轉(zhuǎn)換為氣體，那么這個(gè)轉(zhuǎn)換過程是需要一定時(shí)間的，不像普通GC中進(jìn)樣口的樣品汽化那么快，不*的汽化會(huì)使頂空樣品與原樣品的組成不同，從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度，故也應(yīng)在一定的溫度下平衡足夠的時(shí)間。 液體和固體樣品較為復(fù)雜一些，這時(shí)樣品瓶中起碼有氣一液或氣－固兩相，甚至氣一液一固三相共存。項(xiàng)空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發(fā)性有關(guān)，又與樣品基質(zhì)有關(guān)。特別是那些在樣品基質(zhì)中溶解度大（分配系數(shù)大）的組分，“基質(zhì)效應(yīng)”更為明顯。這是頂空進(jìn)樣的一大特點(diǎn)，即頂空氣體的組成與原樣品中的組成不同，這對(duì)定量分析的影響尤為嚴(yán)重。因此，標(biāo)準(zhǔn)樣品不能僅用待測物的標(biāo)準(zhǔn)品配制，還必須有與原樣品相同或相似的基質(zhì)，否則，定量誤差將會(huì)很大。
實(shí)際應(yīng)用中有一些消除或減少基質(zhì)效應(yīng)的方法，主要是：
（l）利用鹽析作用即在水溶液中加入無機(jī)鹽（如*）來改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明，鹽濃度小于5%時(shí)幾乎沒有作用，故常用高濃度的鹽，甚至用飽和濃度。需要指出的是，鹽析作用對(duì)極性組分的影響遠(yuǎn)大于對(duì)非極性組分的影響。此外。在水溶液中加入GC之后，溶液體積會(huì)變化，定童線性范圍可能變窄，這些都是在定壁分析中應(yīng)該考慮的。
（2）在有機(jī)溶液中加入水當(dāng)然，水要與所用有機(jī)溶劑相溶。這可以減小有機(jī)物在有機(jī)溶劑中的溶解度，增大其在頂空氣體中的含量。比如，測定聚合物中的2-乙基己基丙烯酸酯殘留量時(shí)，樣品溶于二甲基乙酰胺中，然后加入水，分析靈敏度可提高數(shù)百倍。 （3）調(diào)節(jié)溶液的pH 對(duì)于堿和酸，通過控制pH可使其解離度改變，或使其巾待測物的揮發(fā)性變得更一大，從而有利于分析。 （4）固體樣品的粉碎物質(zhì)在固體中的擴(kuò)散系數(shù)要比在液體中小l到2個(gè)數(shù)量級(jí)。固體樣品中揮發(fā)物的擴(kuò)散速度很慢，往往需要很長時(shí)間才能達(dá)到平衡。盡量采樣小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時(shí)間。但是要注意，一般的粉碎方法會(huì)造成樣品損失。比如研磨發(fā)熱，揮發(fā)性組分就會(huì)丟失。故頂空GC中多用冷凍粉碎技術(shù)來制備固體樣品。同時(shí)，用水或有機(jī)溶劑浸潤樣品（三相體系），也可以減小固體表面對(duì)待測物的吸附作用。 此外，稀釋樣品也是減小基質(zhì)效應(yīng)的常用方法，但其代價(jià)是減低了靈敏度。其他消除基質(zhì)效應(yīng)的技術(shù)，如全揮發(fā)技術(shù)等，將在下面討論。 zen后，樣品中的水分也是一個(gè)影響因素。雖然靜態(tài)頂空樣品中水分含量常沒有動(dòng)態(tài)頂空那么大，但水溶液樣品在濃度較高時(shí)，水蒸氣會(huì)影響GC分離結(jié)果，特別是采用冷凍聚焦技術(shù)時(shí)。故應(yīng)在色譜柱前連接除水裝置，如裝有氯化鈣、氯化鏗等吸附劑的短預(yù)柱。當(dāng)然要保證被測組分不被吸附。
（二）樣品量樣品量是指頂空樣品瓶中的樣品體積，有時(shí)也指進(jìn)入GC的樣品量。其實(shí)后者應(yīng)稱為進(jìn)樣量。在頂空GC分析中，進(jìn)樣量是通過進(jìn)樣時(shí)間（壓力平衡系統(tǒng)）或定量管（壓力控制定量管系統(tǒng)）來控制的，它還受溫度和壓力等因素的影響。事實(shí)上，頂空GC分析中進(jìn)樣量沒有多大意義，重要的是進(jìn)樣量的重現(xiàn)性，只要能保證進(jìn)樣條件的*重現(xiàn)，也就保證了重現(xiàn)的進(jìn)樣量公即使在定量分析中，一般也不需要知道進(jìn)樣量的數(shù)值。 頂空樣品瓶中的樣品體積對(duì)分析結(jié)果影響很大，因?yàn)樗苯記Q定相比β。在第二節(jié)我們?cè)鴮?dǎo)出一個(gè)方程： Cg=C0/（K＋β），其中β=Vg/Vs，K=C0/Cg 對(duì)于一個(gè)給定的氣液平衡系統(tǒng)，K和C0為常數(shù)，β與頂空氣體中的濃度成正比。也可是說，樣品體積Vs增大時(shí)，β減小，Cg增大，因而靈敏度增加。但對(duì)具體的樣品體系，還要看K的大小。換言之，K>>β時(shí)，樣品體積的改變對(duì)分析靈敏度影響很小。而當(dāng)K<<β時(shí)，影響就很大。比如，分析水溶液中的二氧六環(huán)和環(huán)已烷，用20mL的樣品瓶在60℃平衡。此時(shí)二氧六環(huán)的K為642，而環(huán)己烷則為0.04。當(dāng)樣品量由1mL變?yōu)?/span>5mL時(shí)，二氧六環(huán)的分析靈敏度（峰面積）只提高了1.3% ，而環(huán)己烷卻提高了452%。所以，樣品量要依據(jù)樣品體系的性質(zhì)來確定。
與樣品量有關(guān)的另一個(gè)問題是其重現(xiàn)性。因?yàn)殪o態(tài)頂空GC往往只從一個(gè)樣品瓶中取樣一次。要做平行實(shí)驗(yàn)時(shí)，則需要制備幾份樣品分別置于不同樣品瓶中。這時(shí)每份樣品的體積是否重現(xiàn)也影響分析結(jié)果。待測組分的分配系數(shù)越小（在凝聚相中的溶解度越大），樣品體積波動(dòng)所造成的結(jié)果誤差就越大；反之，分配系數(shù)越大，這種影響就越小。然而，在實(shí)際工作中，樣品體系的分配系數(shù)往往是未知的，因此我們建議任何時(shí)候都要盡量使各份樣品的體積相互一致。 具體分析時(shí)，樣品體積還與樣品瓶的容積有關(guān)。樣品體積的上限是充滿樣品瓶容積的80％，以便有足夠的頂空體積便于取樣。常采用樣品瓶容積的50%為樣品體積。有時(shí)只用幾微升樣品。樣品性質(zhì)、分析目的和方法是決定樣品體積的主要因素。
（三）平衡溫度樣品的平衡溫度與蒸氣壓直接相關(guān)，它影響分配系數(shù)。一般來說，溫度越高，蒸氣壓越高，頂空氣體的濃度越高，分析靈敏度就越高。待測組分的沸點(diǎn)越低，對(duì)溫度越敏感。因此，頂空GC特別適合于分析樣品中的低沸點(diǎn)成分。單就這個(gè)角度，平衡溫度高一些對(duì)分析是有利的，它可以縮短平衡時(shí)間。 然而，在頂空GC中，溫度的改變只影響分配系數(shù)K，并不影響相比β。如前所述，我們必須同時(shí)考慮這兩個(gè)參數(shù)。對(duì)于給定的樣品體系，β是常數(shù)，頂空氣體的濃度與分配系數(shù)K成反比。如上所述，當(dāng)K>>β時(shí)，溫度的影響非常明顯。當(dāng)K<<β聲時(shí)。溫度升高使K降低，但K+β的變化很小，因此頂空氣體的濃度變化也很小。比如，我們分析一個(gè)水溶液中的甲醇、甲乙酮、甲苯、正己烷和四氯乙烯，表6-3給出了這一體系在不同溫度下的分配系數(shù)K值。用6mL的樣品瓶，樣品體積為1mL，這時(shí)相比為5。表中同時(shí)列出了1/（K+β）值。 假設(shè)各組分在原樣品中的濃度相同，那么，80℃的平衡溫度與40℃相比，甲醇在頂空氣體中的濃度將增加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則分別增加2. 6％和10.4％。可見，溫度的影響因組分的不同而異。對(duì)于甲醇和甲乙酮，提高平衡溫度可大大提高分析靈敏度；對(duì)于甲苯和四氯乙烯則影響甚微，對(duì)于正己烷，其影響*可以忽略。因此，平衡溫度應(yīng)根據(jù)分析對(duì)象來選擇。
實(shí)際工作中往往是在滿足靈敏度的條件下（還可通過其他方法提高分析靈敏度!）選擇較低的平衡溫度。這是因?yàn)椋^高的溫度可能導(dǎo)致某些組分的分解和氧化（樣品瓶中有空氣），還可以使頂空氣體的壓力太高，特別是使用有機(jī)溶劑時(shí)（故應(yīng)選擇較高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑）。過高的頂空氣體壓力會(huì)對(duì)下一步加壓提出更高要求，這義可能引起儀器系統(tǒng)的漏氣。
這里順便指出，有人可能會(huì)問:進(jìn)樣前加壓是否會(huì)造成樣品的稀釋而降低分析靈敏度？其實(shí)不存在這個(gè)間題。因?yàn)槲覀儌?cè)定的是濃度，而非摩爾分?jǐn)?shù)。加壓前后樣品的體積不變，故不會(huì)影響靈敏度。zen后強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，項(xiàng)空GC分析中必須保證溫度的重現(xiàn)性。除了平衡溫度外，取樣管、定量管，以及與GC的連接管都要嚴(yán)格控制溫度。這些溫度往往要高于平衡溫度，以避免樣品的吸附和冷凝。
（四）平衡時(shí)間平衡時(shí)間本質(zhì)上取決于被測組分分子從樣品基質(zhì)到氣相的擴(kuò)散速度。擴(kuò)散速度越快，即分子擴(kuò)散系數(shù)越大，所需平衡時(shí)間越短。另外，擴(kuò)散系數(shù)義與分子尺寸、介質(zhì)黏度及溫度有關(guān)。溫度越高，黏度越低，擴(kuò)散系數(shù)越大。所以，提高溫度叮以縮短平衡時(shí)間。
由于樣品的性質(zhì)千差萬別，所以平衡時(shí)間很難預(yù)測。一般要通過實(shí)驗(yàn)來測定。方法是用一系列樣品瓶（5～10）裝上同一樣品，每個(gè)樣品瓶采用不同的平衡時(shí)間，然后進(jìn)行GC分析。用待測物的峰面積A對(duì)平衡時(shí)間t作圖，就可確定所需平衡時(shí)間。如圖6-5所示，當(dāng)平衡時(shí)間超過te，時(shí)，峰面積基本不再增加，證明樣品達(dá)到了平衡。
平衡時(shí)間往往要比分析時(shí)間長，換言之，頂空GC的分析周期往往是由平衡時(shí)間決定的。故縮短平衡時(shí)間是提高頂空GC分析速度的關(guān)鍵二從儀器來講，可以采用重疊平衡功能來提高工作效率。比如一個(gè)樣品的平衡時(shí)間為40min，而GC分析時(shí)間為15min。我們可以在*個(gè)樣品平衡15 min后開始第二個(gè)樣品的平衡。這樣，當(dāng)*個(gè)樣品分析完成后，第二個(gè)樣品正好達(dá)到平衡，可立即開始進(jìn)樣分析。依此類推，當(dāng)有多個(gè)樣品需要分析時(shí)，就能有效地提高工作效率。自動(dòng)頂空進(jìn)樣器均有此項(xiàng)功能，用戶可預(yù)設(shè)置時(shí)間程序進(jìn)行自動(dòng)分析。
氣體樣品或可全部轉(zhuǎn)化為氣體的液體樣品所需平衡時(shí)間要短一些 （氣體分子擴(kuò)散系數(shù)是液體分子擴(kuò)散系數(shù)的104～105倍），一般10min左右即可。液體樣品的情況比較復(fù)雜一些，除了與樣品性質(zhì)、溫度有關(guān)外，平衡時(shí)間還取決于樣品體積。體積越大，所需平衡時(shí)間越長。而樣品體積又與分析靈敏度要求有關(guān)。如前所述，對(duì)于分配系數(shù)小的組分，加大樣品體積可大大提高分析靈敏度，所需平衡時(shí)間相應(yīng)增加。對(duì)于分配系數(shù)大的組分，加大樣品體積對(duì)提高靈敏度作用甚微，故可用小的樣品體積來達(dá)到縮短平衡時(shí)間的目的。
縮短液體樣品平衡時(shí)間的另一個(gè)有效辦法是采用攪拌技術(shù)。現(xiàn)代儀器一般具備此功能，或者是機(jī)械振動(dòng)攪拌，或者是電磁攪拌，而且還有幾擋攪拌速度，可根據(jù)樣品的豁度來選擇。實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于分配系數(shù)小，在凝聚相中溶解度小的樣品，采樣攪拌方法可使平衡時(shí)間縮短一半以上。但對(duì)于分配系數(shù)大的樣品，影響相對(duì)小得多。
固體樣品所需平衡時(shí)間更長。除了提高溫度可以縮短平衡時(shí)間外，減小固體顆粒尺寸，增大比表面可以有效地縮短平衡時(shí)間。此外，將固體樣品溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?/span>.或用溶劑浸潤固體樣品，都是實(shí)際工作中常用的方法。
（五）與樣品瓶有關(guān)的因素 1.樣品瓶頂空GC樣品瓶的要求是體積準(zhǔn)確、能承受一定的壓力、密封性能良好、對(duì)樣品無吸附作用。雖然過去人們也曾用過普通玻璃瓶，但現(xiàn)在大都用硼硅玻璃制成的頂空樣品瓶，其惰性能滿足絕大部分樣品的分析。
在定量分析時(shí)，要涉及到相比β的準(zhǔn)確值，這就要求我們知道樣品瓶的準(zhǔn)確體積（容積），而不應(yīng)簡單地采樣生產(chǎn)廠家的標(biāo)稱體積。一個(gè)簡單的方法是先用天平稱量空瓶重量，然后充滿水再稱量。根據(jù)水在稱量溫度下的密度（如25℃時(shí)為0.9971g/L）即可計(jì)算出樣品瓶的準(zhǔn)確體積。實(shí)驗(yàn)證明，市售的頂空樣品瓶其標(biāo)稱體積與真實(shí)體積之間有1%左右的誤差。對(duì)同一批樣品瓶，可以準(zhǔn)確測定其中5個(gè)的真實(shí)體積，使用其平均體積作為一該批樣品瓶的真實(shí)體積即可。
市售樣品瓶的體積有5～22mL多種，具體選用哪種，一要據(jù)儀器要求而定，二要看樣品情況而定。液體樣品多用10mL左右的瓶子就能滿足要求，因?yàn)榉治鲮`敏度是取決于待測組分在頂空氣體中的濃度，或者說取決于相比β，而不是樣品量。所以，采用大體積樣品瓶，如果盡不變，分析靈敏度也不會(huì)改善。固體樣品因?yàn)闃悠繁旧淼捏w積大（取樣體積大一些能保證樣品的代表性），故要用大一些的樣品瓶。
第三個(gè)要考慮的因素是色譜柱。填充柱、大口徑柱、或毛細(xì)管柱分流進(jìn)樣時(shí)，進(jìn)樣體積一般為0.5～2mL，這時(shí)需要大體積樣品瓶。而用毛細(xì)管柱不分流進(jìn)樣時(shí)，進(jìn)樣體積往往不會(huì)超過0.25mL，故小體積的樣品瓶就足以滿足要求。
頂空樣品瓶只用一次。若要反復(fù)使用，就一定要保證清潔干凈！建議的清洗方法是：先用洗滌劑清洗（太臟的瓶子可用洗液浸泡），然后用蒸餾水洗，再用色譜純甲醇沖洗，zen后置于烘箱中烘干。對(duì)于新購的樣品瓶，一般可不經(jīng)清洗直接使用，但要注意供貨商的信譽(yù)。如果是*次使用一個(gè)新的供貨商的產(chǎn)品，先作一次空白分析，以證實(shí)樣品瓶是否干凈。 2.密封蓋密封蓋由塑料或金屬蓋加密封墊組成。有可多次使用的螺旋蓋和一次使用的壓蓋兩種。現(xiàn)在自動(dòng)化儀器多采用一次性使用的鋁質(zhì)壓蓋，使用壓蓋器壓緊后可以保證密封性能。 密封墊的材料主要有三種，即硅橡膠、丁基橡膠和氟橡膠。丁基橡膠墊價(jià)格低，硅橡膠墊耐高溫性能好，氟橡膠墊惰性好。為了防止密封墊對(duì)樣品組分的吸附，現(xiàn)在多用內(nèi)襯聚四氟乙烯或鋁的密封墊，選用時(shí)要看分析條件（溫度）和樣品具體情況而定。常規(guī)分析可用價(jià)格低的丁基橡膠墊，痕量分析則用有內(nèi)襯的硅橡膠墊。必要時(shí)，通過空白分析來確證密封墊中的揮發(fā)物不干擾分析。 密封墊在刺穿一次（取樣）之后，就可能會(huì)漏氣，而且內(nèi)襯墊扎穿之后就失去了保護(hù)作用，橡膠基體有可能吸附樣品組分。所以，需要從一個(gè)樣品瓶多次進(jìn)樣時(shí)，連續(xù)進(jìn)行，不要把扎穿過密封墊的樣品瓶放置一段時(shí)間后再用。相應(yīng)地，在制備樣品時(shí)，要將樣品全部加入后再密封。比如加內(nèi)標(biāo)物時(shí)，若密封好再往瓶中加，就要扎穿密封墊，這對(duì)分析是不利的。
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