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氣相色譜儀進樣系統(tǒng)（五）

山東朱氏藥業(yè)集團有限公司2022/11/5 17:21:15

六、大體積進樣系統(tǒng)：

GC檢測下限特別是配置常用的幾種檢測器，無論如何改善操作參數(shù)提高信噪比，大多數(shù)分析的進樣量很難達到10ˉ12g以下，為此必須對樣品進行濃縮。為了簡化和取消樣品濃縮步驟，設(shè)計了大體積進樣技術(shù)（LVI）。

大體積進樣是進樣量比常規(guī)進樣大幾十倍到幾百倍（5～500μL）的進樣方式，GC檢測下限可大大降低。無論是填充柱還是毛細管柱，柱容量總是有限的，進樣量大，很容易造成柱超載，致使柱性能變壞，峰形畸變。對于毛細管柱分析，稀樣品進樣量大的主要問題是溶劑超載問題。雖然常規(guī)不分流進樣和冷柱上進樣適合稀樣品的分析，但大量溶劑進入色譜柱會造成許多不利影響。于是，大體積進樣發(fā)展了冷柱上進樣實現(xiàn)大體積進樣和程序升溫氣化進樣實現(xiàn)大體積進樣，其實質(zhì)是增加了可控制時間的溶劑放空技術(shù)。

1、冷柱上進樣實現(xiàn)大體積進樣：

進樣時，打開溶劑放空閥，控制柱溫使溶劑選擇性地氣化。由于溶劑放空出口的氣阻遠小于色譜柱的氣阻，大量溶劑氣體通過放空閥排出儀器系統(tǒng)。當(dāng)大部分溶劑氣體放空后，關(guān)閉放空閥，同時升高柱溫，使殘留溶劑和待測樣品組分氣化進入色譜柱進行分離。

實際操作中，關(guān)鍵是溶劑放空時間的確定。放空時間短會造成色譜柱中溶劑超載，影響柱效。放空時間長會造成低沸點組分隨溶劑放空，影響分析精度，因此，放空時間要根據(jù)溶劑沸點、初始柱溫、進樣體積和載氣流量優(yōu)化選擇。

2、程序升溫氣化進樣實現(xiàn)大體積進樣：

程序升溫氣化進樣用于大體積進樣時采用溶劑消除模式。

（1）進樣和溶劑放空：

進樣時，將柱前壓調(diào)為零，分流出口的流量設(shè)置為100～150mL/min。樣品以液體狀態(tài)進入冷襯管，溶劑和部分低沸點組分隨載氣從分流出口放空。當(dāng)大部分溶劑揮發(fā)放空后，可進行第二次進樣，再重復(fù)以上溶劑放空過程。

為了提高濃縮倍數(shù)，可多次重復(fù)進樣，但應(yīng)注意兩次進樣間隔時間。間隔時間太短，襯管內(nèi)充滿液體樣品，液體樣品可能會被放空，導(dǎo)致峰小。間隔時間太長，揮發(fā)性組分（沸點低于C13沸點）會損失較多。

（2）不分流轉(zhuǎn)移樣品：

當(dāng)zui后一次累積進樣的溶劑大部分放空后，關(guān)閉分流放空閥，同時將柱前壓調(diào)到分析所需值，然后開始進樣口程序升溫，直到溫度達到或接近待測樣品中zui重組分的沸點。在此過程中，樣品組分依次進入色譜柱。

（3）色譜分離：

當(dāng)樣品進入色譜柱后，開始柱溫程序升溫分析。同時將分流放空出口氣流量恢復(fù)到30～50mL/min。

3、應(yīng)用：

（1）冷柱上進樣實現(xiàn)大體積進樣適用于干凈樣品中痕量低沸點組分的分析。

（2）程序升溫氣化進樣實現(xiàn)大體積進樣適用于“臟”樣品中痕量高沸點組分的分析。

（3）低沸點“臟”樣品可采用低溫冷凍程序升溫氣化大體積進樣進行分析。

七、靜態(tài)頂空進樣：

氣相毛細管柱色譜儀分析中約60％的時間用于樣品預(yù)處理，10％～15％的時間用于色譜分析，其它時間用于數(shù)據(jù)處理等，如何加快和簡化樣品預(yù)處理是提高氣相毛細管柱色譜儀分析效率的關(guān)鍵。樣品預(yù)處理的方法很多，當(dāng)只對復(fù)雜樣品中的揮發(fā)性組分感興趣時，靜態(tài)頂空進樣往往是一種非常簡便而有效的分析方法。

靜態(tài)頂空進樣是將液體或固體樣品溶液密封在一個容器中（平衡瓶即頂空樣品瓶），在一定溫度下（平衡溫度）加熱一段時間（平衡時間），使氣液或氣固兩相達到平衡，然后取氣相部分進入氣相毛細管柱色譜儀進行分析。靜態(tài)頂空進樣又稱平衡頂空進樣或一次氣相萃取進樣。

1、工作原理：

將液體或固體樣品溶液置于一個恒溫密封的頂空樣品瓶中，使其中的揮發(fā)性組分逸出，在達到氣液或氣固分配平衡后，定量采集取氣相部分進入氣相色譜儀進行分析，通過測定樣品基質(zhì)上方的氣體成分來測定這些組分在原樣品中的含量。

設(shè)頂空樣品瓶中裝有的液體樣品的體積為V0，原始樣品濃度為C0。當(dāng)在一定溫度下達到氣液平衡時，氣相體積為Vg，氣相中的樣品濃度為Cg；液相體積為Vl，液相中的樣品濃度為Cl。則：

平衡常數(shù)K = Cl/Cg

相比β = Vg/Vl

當(dāng)在一定溫度下達到氣液平衡時，可以認為液體體積不變，即：

Vl = V0

由于頂空樣品瓶是密封的，樣品不會逸出，所以：

V0×C0 = Vl×C0

= Vg×Cg + Vl×Cl

= Vl×Cg×β + Vl×Cg×K

= Vl×Cg×（K + β）

C0 = Cg×（K + β）

對于一個給定的平衡系統(tǒng)，在一定條件下，K和β均為常數(shù)，故得：

Cg = C0×K′

式中：K′= 1/（K + β）也為常數(shù)。

這就是說，在平衡狀態(tài)下，氣相中的樣品濃度Cg與樣品的原始濃度C0成正比。當(dāng)用氣相色譜儀分析得到Cg后，就可計算出C0。這就是氣相色譜儀靜態(tài)頂空進樣分析的理論依據(jù)。

2、進樣方式：

靜態(tài)頂空進樣有注射器進樣、平衡式加壓進樣和定量環(huán)加壓進樣等方式。

（1）注射器進樣：

由注射器取樣，為了減少揮發(fā)性組分在注射器中的冷凝，一般在注射器的外部套有溫度控制裝置。每次進樣前應(yīng)用氣體清洗進樣器，盡可能消除系統(tǒng)的記憶效應(yīng)。

1）特點：

適用性廣，易清洗。

壓力難以控制，進樣量準確度較差。

當(dāng)加熱條件下頂空氣體的壓力太大時，在注射器拔出頂空樣品瓶的瞬間會造成揮發(fā)性組分損失。

適用于香精、香料和煙草等揮發(fā)性含量較大樣品的分析。

2）注意事項：

①注射器必須是可加熱的：

樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，其溫度不能發(fā)生改變。因此，注射器必須是可加熱的，否則將造成樣品在注射器內(nèi)再冷凝。

②樣品揮發(fā)會影響重現(xiàn)性：

樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，由于樣品在頂空樣品瓶內(nèi)與常壓下存在壓力差，將造成樣品流失。因此，需將注射器的溫度設(shè)定的比頂空樣品瓶高，這樣可zui大限度的減少壓力差所帶來的誤差。

③交叉污染問題：

在兩次進樣之間持續(xù)通惰性氣體（氮氣或氦氣）吹洗注射器，可避免樣品之間的交叉污染，避免出現(xiàn)鬼峰。

④注射器與氣相色譜儀進樣口的對準：

通過精密的步進馬達和先進的位置記憶軟件系統(tǒng)，確保注射器與氣相色譜儀進樣口位置的準確定位。

（2）平衡式加壓進樣：

待樣品中的揮發(fā)性組分達到分配平衡時，對頂空樣品瓶內(nèi)施加一定的氣壓將頂空氣體壓到載氣流中。

平衡式加壓進樣系統(tǒng)的死體積小。

平衡式加壓進樣靠時間程序來控制分析過程，很難計算出具體的進樣量，進樣誤差較大。

（3）定量環(huán)加壓進樣：

由定量環(huán)、壓力控制閥和氣體傳輸管路等組成，靠對頂空樣品瓶內(nèi)施加一定的氣壓將頂空氣體壓到六通閥的定量環(huán)中，然后用載氣將定量環(huán)內(nèi)的頂空氣體進到色譜柱中。

具有很好的重現(xiàn)性，適合定量分析。

由于系統(tǒng)管路較長，揮發(fā)性組分易在管壁上吸附，一般將管路加熱到較高的溫度。

3、特點：

（1）優(yōu)點：

1）不需對樣品作復(fù)雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，大大減少了樣品基質(zhì)對分析的干擾。

2）采用氣體進樣，分析速度快，靈敏度高。

3）無溶劑萃取，操作簡便。

4）有多種模式，適用于多種樣品形態(tài)。

（2）缺點：

有時必須進行大體積的氣體進樣，樣品的蒸氣體積過大，揮發(fā)性組分峰初始帶寬較大，影響分離效能。特別是對于組成復(fù)雜的樣品，蒸氣中的大量水分往往有損于色譜柱，限制了氣相色譜儀的使用。

4、影響靜態(tài)頂空進樣分析的因素：

影響靜態(tài)頂空進樣分析的因素有樣品性質(zhì)、樣品量、平衡溫度、平衡時間、頂空樣品瓶和密封蓋等。

（1）樣品性質(zhì)：

靜態(tài)頂空進樣分析zui大的優(yōu)點是不需對樣品作復(fù)雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，但樣品性質(zhì)仍然對分析結(jié)果有直接影響。樣品是指置于頂空樣品瓶中的原樣品，而非進入氣相色譜儀的揮發(fā)物，因此，要考慮整個頂空樣品瓶中的樣品性質(zhì)。

1）氣體樣品：

對于氣體樣品，頂空樣品瓶中只有氣相，沒有凝聚相（液相或固相），與普通氣相色譜分析沒有太大區(qū)別。氣體樣品的采樣溫度和樣品保存溫度可能不同，一般后者低于前者。在相對低溫下保存樣品時，有些組分可能會冷凝，分析時要在平衡溫度下放置一定時間，使樣品達到均勻的氣相，以消除部分組分冷凝帶來的誤差。

2）液體和固體樣品：

將液體樣品轉(zhuǎn)換為氣體需要一定時間，氣化不完全會使頂空樣品與原樣品的組成不同，從而影響分析結(jié)果的準確度，應(yīng)在一定溫度下平衡足夠的時間。

對于液體和固體樣品，頂空樣品瓶中有氣液或氣固兩相，甚至氣液固三相共存。頂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)，特別是在樣品基質(zhì)中溶解度大的組分的基質(zhì)效應(yīng)更為明顯。頂空氣體的組成與原樣品的組成不同，對定量分析的影響尤為嚴重，標準樣品不能僅用待測物的標準品配制，還必須有與原樣品相同或相似的基質(zhì)。

減少基質(zhì)效應(yīng)的方法有利用鹽析作用、在有機溶劑中加入水、調(diào)節(jié)溶液pH值、粉碎固體樣品和稀釋樣品等。

①利用鹽析作用：

鹽析是指在水溶液中加入無機鹽來改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)。實驗表明，鹽濃度小于5％時幾乎沒有作用。常用高濃度鹽甚至飽和鹽。

鹽析對極性組分的影響遠大于對非極性組分的影響。

②在有機溶劑中加入水：

在有機溶劑中加入水（水要與所用有機溶劑相溶），可減小有機物在有機溶劑中的溶解度，增大其在頂空氣體中的含量。

③調(diào)節(jié)溶液pH值：

對于酸和堿，通過控制溶液pH值可改變其解離度或使其它待測物的揮發(fā)性變得更大些。

④粉碎固體樣品：

物質(zhì)在固體中的擴散系數(shù)比在液體中小，固體樣品中揮發(fā)物的擴散速度很慢，往往需要很長時間才能達到平衡，盡量用小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時間。

一般的粉碎方法會造成樣品損失，多用冷凍粉碎技術(shù)來制備固體樣品。

用水或有機溶劑浸潤樣品，可減小固體表面對待測物的吸附作用。

⑤稀釋樣品：

稀釋樣品是減小基質(zhì)效應(yīng)的常用方法，但會降低分析靈敏度。

（2）樣品量：

樣品量是指頂空樣品瓶中的樣品體積。樣品量直接決定相比，對分析結(jié)果影響很大。

樣品性質(zhì)、分析目的和方法是決定樣品量的主要因素。

進樣量是通過進樣時間（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，它受溫度和壓力等因素的影響。事實上，進樣量沒有多大意義，重要的是進樣量的重現(xiàn)性，只要**進樣條件重現(xiàn)，就能**重現(xiàn)的進樣量。即使在定量分析中，一般也不需要知道進樣量。

靜態(tài)頂空進樣分析一般只從一個頂空樣品瓶中取樣一次。做平行實驗時，要制備幾份樣品分別置于不同的頂空樣品瓶中，每份樣品的體積是否重現(xiàn)會影響分析結(jié)果。待測組分的分配系數(shù)越小，樣品體積波動所造成的結(jié)果誤差越大。反之，分配系數(shù)越大，影響越小。實際工作中，樣品的分配系數(shù)往往是未知的，任何時候都應(yīng)盡量使各份樣品的體積一致。

樣品體積還與頂空樣品瓶的容積有關(guān)。樣品體積的上限是頂空樣品瓶容積的80％，以使有足夠的頂空體積便于取樣。常以頂空樣品瓶容積的50％為樣品體積。

（3）平衡溫度：

樣品的平衡溫度與蒸氣壓有關(guān)，影響分配系數(shù)。一般來說，平衡溫度越高，蒸氣壓越高，頂空氣體的濃度越高，分析靈敏度越高。待測組分的沸點越低，對溫度越敏感。然而，在靜態(tài)頂空進樣分析中，溫度改變只影響分配系數(shù)，并不影響相比。對于給定的樣品體系，相比是常數(shù)。當(dāng)分配系數(shù)>>相比時，溫度影響非常明顯。當(dāng)分配系數(shù)<<相比時，溫度升高使分配系數(shù)減小，但分配系數(shù)和相比的變化很小，頂空氣體的濃度變化很小。

平衡溫度應(yīng)根據(jù)分析對象選擇。實際工作中，一般在滿足分析靈敏度的條件下選擇較低的平衡溫度。溫度過高可能導(dǎo)致某些組分分解和氧化，使頂空氣體的壓力太高。頂空氣體壓力過高會對下一步加壓提出更高要求，可能引起系統(tǒng)漏氣。

靜態(tài)頂空進樣分析中必須**溫度重現(xiàn)。除了平衡溫度，取樣管、定量環(huán)以及與氣相色譜儀的連接管路都要嚴格控制溫度，這些溫度一般要高于平衡溫度，以避免樣品的吸附和冷凝。

（4）平衡時間：

平衡時間一般比分析時間長，分析周期主要由平衡時間決定，縮短平衡時間是提高靜態(tài)頂空氣相色譜分析速度的關(guān)鍵。平衡時間本質(zhì)上取決于待測組分分子從樣品基質(zhì)到氣相的擴散速度。擴散速度越快，擴散系數(shù)越大，所需平衡時間越短。

1）平衡時間的確定：

由于樣品性質(zhì)千差萬別，平衡時間很難預(yù)測，一般通過實驗來測定。在5～10個頂空樣品瓶中裝上同一樣品，每個頂空樣品瓶采用不同的平衡時間，然后進行氣相色譜分析，用待測物的峰面積對平衡時間作圖，可確定所需平衡時間。

平衡時間一般不小于30min，以**樣品溶液的氣液或氣固兩相有足夠的時間達到平衡。平衡時間也不宜過長，一般不超過60min，否則可能使頂空樣品瓶的氣密性變差，導(dǎo)致定量準確性降低。

2）縮短平衡時間的方法：

①提高溫度：

分子擴散系數(shù)與分子尺寸、介質(zhì)粘度和溫度有關(guān)。溫度越高，粘度越低，擴散系數(shù)越大，提高溫度可縮短平衡時間。

②減少樣品體積：

氣體樣品或可**轉(zhuǎn)化為氣體的液體樣品所需平衡時間短些。液體樣品的平衡時間除了與樣品性質(zhì)和溫度有關(guān)，還與樣品體積有關(guān)。樣品體積越大，所需平衡時間越長。而樣品體積又與分析靈敏度要求有關(guān)。對于分配系數(shù)小的組分，加大樣品體積可大大提高分析靈敏度，但所需平衡時間增加。對于分配系數(shù)大的組分，加大樣品體積對提高分析靈敏度甚微，可用小的樣品體積來達到縮短平衡時間的目的。

③采用重疊平衡：

自動頂空進樣器具有此功能，可預(yù)設(shè)時間程序進行自動分析。

④攪拌：

實驗表明，對于分配系數(shù)小的樣品，攪拌可使平衡時間縮短一半以上。但對于分配系數(shù)大的樣品，影響小的多。

固體樣品所需平衡時間長，除了提高溫度可縮短平衡時間，減小固體顆粒尺寸和增大比表面可有效縮短平衡時間。將固體樣品溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲谢蛴萌軇┙�潤固體樣品，也可縮短平衡時間。

（5）頂空樣品瓶：

頂空樣品瓶大多采用硼硅玻璃材質(zhì)，其惰性能滿足絕大部分樣品的分析。

1）頂空樣品瓶的要求：

①體積準確。

②能承受一定壓力。

③密封性能良好。

④對樣品無吸附作用等。

2）頂空樣品瓶真實體積的確定：

定量分析時要涉及到相比的準確值，這就要知道頂空樣品瓶的準確體積。簡單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，可計算出頂空樣品瓶的準確體積。對同一批頂空樣品瓶，可準確測定其中5個的真實體積，用其平均體積作為該批頂空樣品瓶的真實體積。

3）頂空樣品瓶的選用：

頂空樣品瓶的體積有5～22mL多種。

①根據(jù)氣相色譜分析要求而定。

②根據(jù)樣品情況而定。液體樣品多用10mL左右的頂空樣品瓶，因為分析靈敏度取決于待測組分在頂空氣體中的濃度，而不是樣品量。固體樣品因為樣品本身的體積大，要用大些的頂空樣品瓶。

③根據(jù)色譜柱要求而定。填充柱或毛細管柱分流進樣時，進樣體積一般為0.5～2mL，要用大體積頂空樣品瓶。毛細管柱不分流進樣時，進樣體積一般不超過0.25mL，小體積的頂空樣品瓶足以滿足要求。

4）頂空樣品瓶的清洗：

頂空樣品瓶zui好只用一次。若反復(fù)使用，一定要清潔干凈。清洗方法是先用洗滌劑清洗，然后用蒸餾水清洗，再用純甲醇沖洗，zui后置于烘箱中烘干。