顶空应用相关注意事项

顶空进样器-气相色谱仪的分析结果与哪些因素有关，以下进行简要分析说明。以下内容参考《色谱分析方法及应用》刘虎威主编。

(一)样品的性质 

顶空 GC 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，我们不用把新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，不完全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。顶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(如氯化钠)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。 

(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。

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。 

(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）或定量环大小以及定量环内压力（压力控制定量环系统）来控制的，它还受温度和压力等因素的影响。事实上，顶空 GC 分析中绝对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完全重现，也就保证了尽量量的重现性。 

当在一定温度下达到气液平衡时有：

K=CL/Cg；

Co·VL=Cg·Vg+CL·VL ；

推出

Cg=Co/(K＋Vg/VL)，

Cg=Co/(K＋β)，

其中

      Cg：气体样品的浓度     Co：样品的原始浓度      VL:样品体积  

Vg:气相体积             K: 分配系数              β：Vg/VL

即在平衡状态下，气相的组成与样品原来的组成为正比关系。当用GC分析得到Cg后，就可以算出原来样品的量。

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。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 VL 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)，即K值小，则β的大小就比较重要，即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，即K>>β，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 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，其影响完全可以忽略。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，这也可能引起仪器系统的漏气。 

加热炉内温度波动的影响，对于某些样品，如乙醇，在不同温度下，其分配系数变化大。如果温度波动大，则难以做好重复性。而对于正己烷（n-hexane），则不同温度下，其K值变化小，即对温度波动不敏感，可能会更容易做好重复性。

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，提高温度可以缩短平衡时间。 

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。当平衡时间超过后，峰面积基本不再增加，证明样品达到了平衡。  

气体样品或可以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)，要求高的应用不应简单地采用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。 

顶空样品瓶好只用一次。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，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，好先作一次空白分析，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，痕量分析则好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，好连续进行，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。