氣相色譜儀頂空進樣概述（一）

第一節 概述

氣相色譜儀分析中約60%的時間用于樣品預處理，10%～15%的時間用于色譜分析，其它時間用于數據處理等，如何加快和簡化樣品預處理是提高氣相色譜儀分析效率的關鍵。樣品預處理的方法很多，當只對復雜樣品中的揮發性組分感興趣時，頂空進樣往往是一種非常簡便而有效的分析方法。

所謂頂空進樣是取樣品基質（液體或固體）上方的氣相部分進行氣相色譜分析。頂空進樣技術出現于1939年，比氣相色譜儀早。1958年用氣相色譜儀頂空進樣分析水中的氫氣含量。現在，頂空進樣已是普遍使用的氣相色譜技術。

根據取樣和進樣方式不同，頂空進樣可分為靜態頂空進樣和動態頂空進樣。

第二節 氣相色譜儀靜態頂空進樣

氣相色譜儀靜態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色譜儀進行分析。靜態頂空進樣又稱平衡頂空進樣或一次氣相萃取進樣。

一、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，通過測定樣品基質上方的氣體成分來測定這些組分在原樣品中的含量。

設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。當在一定溫度下達到氣液平衡時，氣相體積為V_g，氣相中的樣品濃度為C_g；液相體積為V_l，液相中的樣品濃度為C_l。則：

平衡常數K = C_l/C_g

相比β = V_g/V_l

當在一定溫度下達到氣液平衡時，可以認為液體體積不變，即：

        V_l = V₀

由于頂空樣品瓶是密封的，樣品不會逸出，所以：

        V₀×C₀ = V_l×C₀

                    = V_g×C_g + V_l×C_l

                    = V_l×C_g×β + V_l×C_g×K

                    = V_l×C_g×（K + β）

        C₀ = C_g×（K + β）

對于一個給定的平衡系統，在一定條件下，K和β均為常數，故得：

        C_g = C₀×K′

式中：K′= 1/（K + β）也為常數。

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

二、進樣方式：

靜態頂空進樣有注射器進樣、平衡式加壓進樣和定量環加壓進樣等方式。

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。每次進樣前應用氣體清洗進樣器，盡可能消除系統的記憶效應。

（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性組分損失。

適用于香精、香料和煙草等揮發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再冷凝。

2）樣品揮發會影響重現性：

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，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：

待樣品中的揮發性組分達到分配平衡時，對頂空樣品瓶內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、定量環加壓進樣：

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

具有很好的重現性，適合定量分析。

由于系統管路較長，揮發性組分易在管壁上吸附，一般將管路加熱到較高的溫度。

三、特點：

  1、優點：

（1）不需對樣品作復雜的處理，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。

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，揮發性組分峰初始帶寬較大，影響分離效能。特別是對于組成復雜的樣品，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。

四、影響靜態頂空進樣分析的因素：

影響靜態頂空進樣分析的因素有樣品性質、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：

靜態頂空進樣分析最大的優點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，但樣品性質仍然對分析結果有直接影響。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物，因此，要考慮整個頂空樣品瓶中的樣品性質。

（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，從而影響分析結果的準確度，應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性有關，又與樣品基質有關，特別是在樣品基質中溶解度大的組分的基質效應更為明顯。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。

減少基質效應的方法有利用鹽析作用、在有機溶劑中加入水、調節溶液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性組分的分配系數。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）調節溶液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性變得更大些。

4）粉碎固體樣品：

物質在固體中的擴散系數比在液體中小，固體樣品中揮發物的擴散速度很慢，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效應的常用方法，但會降低分析靈敏度。