影響靜態(tài)頂空分析的因素
《色譜分析方法及應用》劉虎威主編 影響頂空GC分析結果的因素有兩部分、一部分是與GC有關的參數(shù)，另一部分是頂空進樣的參數(shù)，前者我們已在第二和三章作了詳細闡述，這里不再重復。下面我們僅就頂空進樣的一些問題進行討論。 （一）樣品的性質頂空GCzen大的優(yōu)點就是不需對樣品作復雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，我們不用把心樣品中不揮發(fā)組分對GC分析的影響。但是樣品的性質仍然對分析結果有直接影響。這里所說的樣品是指置于樣品瓶中的“原樣品”，而非進入GC的“揮發(fā)物”，因此要考慮整個樣品瓶中的樣品性質。 對于氣體樣品或者在一定條件下能全部轉換為蒸氣的樣品，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。在相對低溫下保存樣品時，有些組分就可能會冷凝，所以在分析時，要在平衡溫度下放置一定的時間，使樣品達到均勻的氣相，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換為氣體，那么這個轉換過程是需要一定時間的，不像普通GC中進樣口的樣品汽化那么快，不*的汽化會使頂空樣品與原樣品的組成不同，從而影響分析結果的準確度，故也應在一定的溫度下平衡足夠的時間。 液體和固體樣品較為復雜一些，這時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。項空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發(fā)性有關，又與樣品基質有關。特別是那些在樣品基質中溶解度大（分配系數(shù)大）的組分，“基質效應”更為明顯。這是頂空進樣的一大特點，即頂空氣體的組成與原樣品中的組成不同，這對定量分析的影響尤為嚴重。因此，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，否則，定量誤差將會很大。
實際應用中有一些消除或減少基質效應的方法，主要是：
（l）利用鹽析作用即在水溶液中加入無機鹽（如硫酸鈉）來改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)。實驗證明，鹽濃度小于5%時幾乎沒有作用，故常用高濃度的鹽，甚至用飽和濃度。需要指出的是，鹽析作用對極性組分的影響遠大于對非極性組分的影響。此外。在水溶液中加入GC之后，溶液體積會變化，定童線性范圍可能變窄，這些都是在定壁分析中應該考慮的。
（2）在有機溶液中加入水當然，水要與所用有機溶劑相溶。這可以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。比如，測定聚合物中的2-乙基己基丙烯酸酯殘留量時，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）調節(jié)溶液的pH 對于堿和酸，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在固體中的擴散系數(shù)要比在液體中小l到2個數(shù)量級。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。盡量采樣小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時間。但是要注意，一般的粉碎方法會造成樣品損失。比如研磨發(fā)熱，揮發(fā)性組分就會丟失。故頂空GC中多用冷凍粉碎技術來制備固體樣品。同時，用水或有機溶劑浸潤樣品（三相體系），也可以減小固體表面對待測物的吸附作用。 此外，稀釋樣品也是減小基質效應的常用方法，但其代價是減低了靈敏度。其他消除基質效應的技術，如全揮發(fā)技術等，將在下面討論。 zen后，樣品中的水分也是一個影響因素。雖然靜態(tài)頂空樣品中水分含量常沒有動態(tài)頂空那么大，但水溶液樣品在濃度較高時，水蒸氣會影響GC分離結果，特別是采用冷凍聚焦技術時。故應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柱。當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，有時也指進入GC的樣品量。其實后者應稱為進樣量。在頂空GC分析中，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，它還受溫度和壓力等因素的影響。事實上，頂空GC分析中進樣量沒有多大意義，重要的是進樣量的重現(xiàn)性，只要能保證進樣條件的*重現(xiàn)，也就保證了重現(xiàn)的進樣量公即使在定量分析中，一般也不需要知道進樣量的數(shù)值。 頂空樣品瓶中的樣品體積對分析結果影響很大，因為它直接決定相比β。在第二節(jié)我們曾導出一個方程： Cg=C0/（K＋β），其中β=Vg/Vs，K=C0/Cg 對于一個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，β減小，Cg增大，因而靈敏度增加。但對具體的樣品體系，還要看K的大小。換言之，K>>β時，樣品體積的改變對分析靈敏度影響很小。而當K<<β時，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。此時二氧六環(huán)的K為642，而環(huán)己烷則為0.04。當樣品量由1mL變?yōu)?/span>5mL時，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)樣品體系的性質來確定。
與樣品量有關的另一個問題是其重現(xiàn)性。因為靜態(tài)頂空GC往往只從一個樣品瓶中取樣一次。要做平行實驗時，則需要制備幾份樣品分別置于不同樣品瓶中。這時每份樣品的體積是否重現(xiàn)也影響分析結果。待測組分的分配系數(shù)越小（在凝聚相中的溶解度越大），樣品體積波動所造成的結果誤差就越大；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候都要盡量使各份樣品的體積相互一致。 具體分析時，樣品體積還與樣品瓶的容積有關。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。有時只用幾微升樣品。樣品性質、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，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。待測組分的沸點越低，對溫度越敏感。因此，頂空GC特別適合于分析樣品中的低沸點成分。單就這個角度，平衡溫度高一些對分析是有利的，它可以縮短平衡時間。 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，我們必須同時考慮這兩個參數(shù)。對于給定的樣品體系，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K>>β時，溫度的影響非常明顯。當K<<β聲時。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，這時相比為5。表中同時列出了1/（K+β）值。 假設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。對于甲醇和甲乙酮，提高平衡溫度可大大提高分析靈敏度；對于甲苯和四氯乙烯則影響甚微，對于正己烷，其影響*可以忽略。因此，平衡溫度應根據(jù)分析對象來選擇。
實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。這是因為，過高的溫度可能導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，特別是使用有機溶劑時（故應選擇較高沸點的有機溶劑）。過高的頂空氣體壓力會對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，有人可能會問:進樣前加壓是否會造成樣品的稀釋而降低分析靈敏度？其實不存在這個間題。因為我們側定的是濃度，而非摩爾分數(shù)。加壓前后樣品的體積不變，故不會影響靈敏度。zen后強調一點，項空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）平衡時間平衡時間本質上取決于被測組分分子從樣品基質到氣相的擴散速度。擴散速度越快，即分子擴散系數(shù)越大，所需平衡時間越短。另外，擴散系數(shù)義與分子尺寸、介質黏度及溫度有關。溫度越高，黏度越低，擴散系數(shù)越大。所以，提高溫度叮以縮短平衡時間。
由于樣品的性質千差萬別，所以平衡時間很難預測。一般要通過實驗來測定。方法是用一系列樣品瓶（5～10）裝上同一樣品，每個樣品瓶采用不同的平衡時間，然后進行GC分析。用待測物的峰面積A對平衡時間t作圖，就可確定所需平衡時間。如圖6-5所示，當平衡時間超過te，時，峰面積基本不再增加，證明樣品達到了平衡。
平衡時間往往要比分析時間長，換言之，頂空GC的分析周期往往是由平衡時間決定的。故縮短平衡時間是提高頂空GC分析速度的關鍵二從儀器來講，可以采用重疊平衡功能來提高工作效率。比如一個樣品的平衡時間為40min，而GC分析時間為15min。我們可以在*個樣品平衡15 min后開始第二個樣品的平衡。這樣，當*個樣品分析完成后，第二個樣品正好達到平衡，可立即開始進樣分析。依此類推，當有多個樣品需要分析時，就能有效地提高工作效率。自動頂空進樣器均有此項功能，用戶可預設置時間程序進行自動分析。
氣體樣品或可全部轉化為氣體的液體樣品所需平衡時間要短一些 （氣體分子擴散系數(shù)是液體分子擴散系數(shù)的104～105倍），一般10min左右即可。液體樣品的情況比較復雜一些，除了與樣品性質、溫度有關外，平衡時間還取決于樣品體積。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。如前所述，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，所需平衡時間相應增加。對于分配系數(shù)大的組分，加大樣品體積對提高靈敏度作用甚微，故可用小的樣品體積來達到縮短平衡時間的目的。
縮短液體樣品平衡時間的另一個有效辦法是采用攪拌技術。現(xiàn)代儀器一般具備此功能，或者是機械振動攪拌，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。實驗證明，對于分配系數(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間縮短一半以上。但對于分配系數(shù)大的樣品，影響相對小得多。
固體樣品所需平衡時間更長。除了提高溫度可以縮短平衡時間外，減小固體顆粒尺寸，增大比表面可以有效地縮短平衡時間。此外，將固體樣品溶解在適當?shù)娜軇┲?/span>.或用溶劑浸潤固體樣品，都是實際工作中常用的方法。
（五）與樣品瓶有關的因素 1.樣品瓶頂空GC樣品瓶的要求是體積準確、能承受一定的壓力、密封性能良好、對樣品無吸附作用。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，要涉及到相比β的準確值，這就要求我們知道樣品瓶的準確體積（容積），而不應簡單地采樣生產(chǎn)廠家的標稱體積。一個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℃時為0.9971g/L）即可計算出樣品瓶的準確體積。實驗證明，市售的頂空樣品瓶其標稱體積與真實體積之間有1%左右的誤差。對同一批樣品瓶，可以準確測定其中5個的真實體積，使用其平均體積作為一該批樣品瓶的真實體積即可。
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，因為分析靈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，分析靈敏度也不會改善。固體樣品因為樣品本身的體積大（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。
第三個要考慮的因素是色譜柱。填充柱、大口徑柱、或毛細管柱分流進樣時，進樣體積一般為0.5～2mL，這時需要大體積樣品瓶。而用毛細管柱不分流進樣時，進樣體積往往不會超過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。如果是*次使用一個新的供貨商的產(chǎn)品，先作一次空白分析，以證實樣品瓶是否干凈。 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)在自動化儀器多采用一次性使用的鋁質壓蓋，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。為了防止密封墊對樣品組分的吸附，現(xiàn)在多用內襯聚四氟乙烯或鋁的密封墊，選用時要看分析條件（溫度）和樣品具體情況而定。常規(guī)分析可用價格低的丁基橡膠墊，痕量分析則用有內襯的硅橡膠墊。必要時，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，就可能會漏氣，而且內襯墊扎穿之后就失去了保護作用，橡膠基體有可能吸附樣品組分。所以，需要從一個樣品瓶多次進樣時，連續(xù)進行，不要把扎穿過密封墊的樣品瓶放置一段時間后再用。相應地，在制備樣品時，要將樣品全部加入后再密封。比如加內標物時，若密封好再往瓶中加，就要扎穿密封墊，這對分析是不利的。
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