影响静态顶空分析的因素
《色谱分析方法及应用》刘虎威主编 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，前者我们已在第二和三章作了详细阐述，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GCzen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，我们不用把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。 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，样品瓶中只有气相，而没有凝聚相。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*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一液或气－固两相，甚至气一液一固三相共存。项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：
（l）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GC之后，溶液体积会变化，定童线性范围可能变窄，这些都是在定壁分析中应该考虑的。
（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，或使其巾待测物的挥发性变得更一大，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l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。 zen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、氯化铿等吸附剂的短预柱。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*重现，也就保证了重现的进样量公即使在定量分析中，一般也不需要知道进样量的数值。 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β。在第二节我们曾导出一个方程： Cg=C0/（K＋β），其中β=Vg/Vs，K=C0/Cg 对于一个给定的气液平衡系统，K和C0为常数，β与顶空气体中的浓度成正比。也可是说，样品体积Vs增大时，β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>>β时，样品体积的改变对分析灵敏度影响很小。而当K<<β时，影响就很大。比如，分析水溶液中的二氧六环和环已烷，用20mL的样品瓶在60℃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。
（三）平衡温度样品的平衡温度与蒸气压直接相关，它影响分配系数。一般来说，温度越高，蒸气压越高，顶空气体的浓度越高，分析灵敏度就越高。待测组分的沸点越低，对温度越敏感。因此，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β。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，β是常数，顶空气体的浓度与分配系数K成反比。如上所述，当K>>β时，温度的影响非常明显。当K<<β声时。温度升高使K降低，但K+β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6-3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+β）值。 假设各组分在原样品中的浓度相同，那么，80℃的平衡温度与40℃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*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）。过高的顶空气体压力会对下一步加压提出更高要求，这义可能引起仪器系统的漏气。
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？其实不存在这个间题。因为我们侧定的是浓度，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。zen后强调一点，项空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。扩散速度越快，即分子扩散系数越大，所需平衡时间越短。另外，扩散系数义与分子尺寸、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，提高温度叮以缩短平衡时间。
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6-5所示，当平衡时间超过te，时，峰面积基本不再增加，证明样品达到了平衡。
平衡时间往往要比分析时间长，换言之，顶空GC的分析周期往往是由平衡时间决定的。故缩短平衡时间是提高顶空GC分析速度的关键二从仪器来讲，可以采用重叠平衡功能来提高工作效率。比如一个样品的平衡时间为40min，而GC分析时间为15min。我们可以在*个样品平衡15 min后开始第二个样品的平衡。这样，当*个样品分析完成后，第二个样品正好达到平衡，可立即开始进样分析。依此类推，当有多个样品需要分析时，就能有效地提高工作效率。自动顶空进样器均有此项功能，用户可预设置时间程序进行自动分析。
气体样品或可全部转化为气体的液体样品所需平衡时间要短一些 （气体分子扩散系数是液体分子扩散系数的104～105倍），一般10min左右即可。液体样品的情况比较复杂一些，除了与样品性质、温度有关外，平衡时间还取决于样品体积。体积越大，所需平衡时间越长。而样品体积又与分析灵敏度要求有关。如前所述，对于分配系数小的组分，加大样品体积可大大提高分析灵敏度，所需平衡时间相应增加。对于分配系数大的组分，加大样品体积对提高灵敏度作用甚微，故可用小的样品体积来达到缩短平衡时间的目的。
缩短液体样品平衡时间的另一个有效办法是采用搅拌技术。现代仪器一般具备此功能，或者是机械振动搅拌，或者是电磁搅拌，而且还有几挡搅拌速度，可根据样品的豁度来选择。实验证明，对于分配系数小，在凝聚相中溶解度小的样品，采样搅拌方法可使平衡时间缩短一半以上。但对于分配系数大的样品，影响相对小得多。
固体样品所需平衡时间更长。除了提高温度可以缩短平衡时间外，减小固体颗粒尺寸，增大比表面可以有效地缩短平衡时间。此外，将固体样品溶解在适当的溶剂中.或用溶剂浸润固体样品，都是实际工作中常用的方法。
（五）与样品瓶有关的因素 1.样品瓶顶空GC样品瓶的要求是体积准确、能承受一定的压力、密封性能良好、对样品无吸附作用。虽然过去人们也曾用过普通玻璃瓶，但现在大都用硼硅玻璃制成的顶空样品瓶，其惰性能满足绝大部分样品的分析。
在定量分析时，要涉及到相比β的准确值，这就要求我们知道样品瓶的准确体积（容积），而不应简单地采样生产厂家的标称体积。一个简单的方法是先用天平称量空瓶重量，然后充满水再称量。根据水在称量温度下的密度（如25℃时为0.9971g/L）即可计算出样品瓶的准确体积。实验证明，市售的顶空样品瓶其标称体积与真实体积之间有1%左右的误差。对同一批样品瓶，可以准确测定其中5个的真实体积，使用其平均体积作为一该批样品瓶的真实体积即可。
市售样品瓶的体积有5～22mL多种，具体选用哪种，一要据仪器要求而定，二要看样品情况而定。液体样品多用10mL左右的瓶子就能满足要求，因为分析灵敏度是取决于待测组分在顶空气体中的浓度，或者说取决于相比β，而不是样品量。所以，采用大体积样品瓶，如果尽不变，分析灵敏度也不会改善。固体样品因为样品本身的体积大（取样体积大一些能保证样品的代表性），故要用大一些的样品瓶。
第三个要考虑的因素是色谱柱。填充柱、大口径柱、或毛细管柱分流进样时，进样体积一般为0.5～2mL，这时需要大体积样品瓶。而用毛细管柱不分流进样时，进样体积往往不会超过0.25mL，故小体积的样品瓶就足以满足要求。
顶空样品瓶只用一次。若要反复使用，就一定要保证清洁干净！建议的清洗方法是：先用洗涤剂清洗（太脏的瓶子可用洗液浸泡），然后用蒸馏水洗，再用色谱纯甲醇冲洗，zen后置于烘箱中烘干。对于新购的样品瓶，一般可不经清洗直接使用，但要注意供货商的信誉。如果是*次使用一个新的供货商的产品，先作一次空白分析，以证实样品瓶是否干净。 2.密封盖密封盖由塑料或金属盖加密封垫组成。有可多次使用的螺旋盖和一次使用的压盖两种。现在自动化仪器多采用一次性使用的铝质压盖，使用压盖器压紧后可以保证密封性能。 密封垫的材料主要有三种，即硅橡胶、丁基橡胶和氟橡胶。丁基橡胶垫价格低，硅橡胶垫耐高温性能好，氟橡胶垫惰性好。为了防止密封垫对样品组分的吸附，现在多用内衬聚四氟乙烯或铝的密封垫，选用时要看分析条件（温度）和样品具体情况而定。常规分析可用价格低的丁基橡胶垫，痕量分析则用有内衬的硅橡胶垫。必要时，通过空白分析来确证密封垫中的挥发物不干扰分析。 密封垫在刺穿一次（取样）之后，就可能会漏气，而且内衬垫扎穿之后就失去了保护作用，橡胶基体有可能吸附样品组分。所以，需要从一个样品瓶多次进样时，连续进行，不要把扎穿过密封垫的样品瓶放置一段时间后再用。相应地，在制备样品时，要将样品全部加入后再密封。比如加内标物时，若密封好再往瓶中加，就要扎穿密封垫，这对分析是不利的。
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