静态顶空技术

1、静态顶空技术1. 静态顶空方法的进展    静态顶空分析技术比气相色谱技术出世要早，在20世纪30年代时就有学者提出了通过分析液体上方蒸气的方法来测定水溶液中和尿中的乙醇的含量。在1956-1958 年期间，某些学者研究了溶液的顶空分析问题。顶空采样技术与气相色谱联用方面的第一篇论文出现在1958年阿姆斯特丹的专题讨论会上，内容是关于连续监测高压发电站水中的氢气。1960年有学者也使用顶空采样技术，气相色谱测定一密封容器中弹性材料样品上方气体中的氧气含量。据认为，这是学者第一次使用“顶空”一词发表在论文中，也是第一次使用1ml医用注射器并刺破一密闭的容器抽取顶空气

2、体样品进行色谱测定。自此之后，Beckman仪器公司生产了专门用于采集样品容器内顶空样品中氧气含量的顶空采样器（Head Space Samper），设计此系统与Beckman仪器公司的极谱法氧传感器联用，当然也可用于测定气体样品的气相色谱法或者分光光度法。    食品中挥发性有机物的分析测定是顶空技术应用的重要方面，1959年就有学者使用气密性注射器直接抽取袋装的炸土豆片中哈喇味气体进行气相色谱分析测定。1962年有学者发表了关于水果、蜂蜜等食品中某些有机物的静态顶空 - 气相色谱的分析测定方法。    静态顶空 - 气相色谱方法首

3、先用于血液中乙醇的测定。1967年，PE公司生产了第一台用于气相色谱分析的自动顶空进样系统F-40 型，主要用于法庭分析实验室中血液乙醇含量测定。此方法替代了传统的Widmark测定方法。此后，顶空技术逐步地应用于其他领域并成为气相色谱分析的重要样品处理技术之一。    2. 顶空系统中组分的分布    在顶空分析条件下，可以根据常规的热动力学平衡（Henry定律常数的相反数）或者根据系统中溶质的质量平衡定义系统中溶质的分布系数。所以，分布系数Ki就是浓缩相和气相中溶质平衡时的比值：    &#

4、160;             当分布系数的数值和体积为已知时，可通过气相色谱测定出气相中组分 i 的平衡浓度CiG，所以可以计算出系统中组分i的总量。    但是，在实际样品分析测定中这些数据是未知的和难以测定的，为了分析测定出顶空样品中欲测定物质的浓度，通常使用两种模拟方法。第一种方法是使用一个参照系统，此参照系统中与样品系统相比较在分析条件和欲测定组分组成及其含量上应当保持一致。那么，在这两个系统中（KiVL+VG）数值是一致的，并且具有如下的关系

5、：                         式中，带有星号标记的是参照系统中的变量。    此方法的缺点是必须保持参照系统和欲测定系统的分析测定条件恒定。因为参照系统中水相中组分组成是能够准确地制备的，但是它不可能模拟到与未知的欲测定水样品中所有组分及其浓度水平保持准确和一致。第二种方法是假设将少量的欲测定物质i添加到样

6、品（样品系统中已经含有物质i）中不会引起系统的热力学性质发生改变，那么，比值VL:VG也不会改变，就可以测定出系统中（Wi）物质组分i的总量，并测定出在添加物质! 的前后气相中物i 的含量。这也叫做标准加入法。在整个计算中排除了系统中（KiVL+VG）的数值。                     式中，Ws是添加的标准物质i的质量；i是原始样品中物质i的质量，通常i远远小于Ws。此方法可用于相

7、反的情况，通过降低CiG数值测定i的数值，结果重复具有和分析气相中已知的样品。使用类似的方式进行计算。    3. 静态顶空中温度的影响    如图10-2-31 所示，提高样品温度不是对体系中所有的化合物都会产生灵敏度的增加的。当温度升高时，其中乙醇和甲乙酮的灵敏度增加的幅度较大，而甲苯、正己烷和四氯乙烯的灵敏度增加的幅度很小或者没有变化。因此，在选择顶空的萃取温度时应当注意以下问题：             &#

8、160;   升高顶空体系温度对某些样品可能是灵敏的，但是，样品中某些组分也可能会发生热分解或者被顶空瓶中的空气氧化。    顶空瓶中的蒸气压是样品中所有物质的分压之和。如果样品是液体，那么溶剂的蒸气压决定了顶空瓶中的压力，而溶解的溶质的蒸气压（分压）是非常小，与溶剂的蒸气压相比可以忽略。特别是，如果溶剂的沸点比较低时，它在顶空瓶中的压力就更大。所以，在选择溶剂时应当优先考虑那些沸点较高的溶剂。    如果顶空瓶中的蒸气压过大，会对分析仪器产生麻烦。例如，使用注射器抽取一个等份的样品时就会遇到困难，不会得到较好的重

9、复性并会产生很大的测定误差。除此之外，顶空瓶中的蒸气压过大，可能会引起样品泄漏或者顶空瓶损坏。    4.静态顶空中样品体积的影响    同一样品的体积增大，测定的灵敏度增加。但是，如果样品中的组成发生改变时，可能会对这一样品中的某些组分的灵敏度产生影响。如表10-2-7所示，5.0ml体积的同一样品的测定结果表明，加入2g 氯化钠的样品中二氧杂环己烷的测定灵敏度增高，而环己烷的灵敏度基本没有改变。 表10-2-7    样品体积对顶空测定灵敏度的影响    5.

10、静态顶空分析的线性    在理论上，假设顶空气相色谱在测定的范围内欲测定物质的分布和活性是不变的，并且与这些物质的浓度无关。这样，顶空分析的线性与样品中欲测定物质的浓度和在顶空中所抽取等份样品中它们的浓度之间的线性有关。    在实际分析测定中，线性范围取决于欲测定物质在样品中的溶解性和活性。通常，使用顶空气相色谱分析的线性范围都在0.1%-1%的浓度以下。使用GC-FID方法测定氯仿、三氯乙烯和四氯化碳时，可测定的最低浓度是千万分之一至千万分之五，而使用GC-ECD方法测定时或者测定的样品体积增大时就会获得较大的线性范围，使测定下限

11、的浓度更低。在某些情况下，顶空气相色谱可测定的线性范围可扩展到较高的浓度。例如，分析乙醇溶液样品时可以将乙醇的测定线性测定范围扩展到25%-30%的浓度。这也说明可以使用顶空气相色谱直接测定血液中或者葡萄酒中的乙醇含量。另一方面，在测定烈性酒（例如，白兰地、杜松子酒、伏特加酒和威士忌等）中的乙醇时，需要先将样品进行稀释之后再进行测定。使用顶空气相色谱方法测定已知的化合物样品，实际上是不能预测出它们的线性范围的，必须通过实际的测定之后得出。    6. 静态顶空分析用的样品瓶在手动操作中，可以使用小的容器装填样品。早期的研究者曾使用实验室的锥形烧瓶作为样品瓶，使用血

12、浆盖密封。今天，分析化学家都使用标准化的硼硅玻璃制成的样品瓶，容积一般为5-22ml，都有商品出售。自动顶空进样器使用的顶空瓶都是专用的，一般地不能用其他途径得到的样品瓶替换。    顶空分析要求顶空瓶的质量要足够好，瓶体积要准确恒定，瓶口及其边缘要平并且没有刮痕和沟槽，密封垫及其铝帽要有足够的密封性能。    顶空分析使用的样品瓶体积尺寸比较多，商品仪器通常都使用自己配套的专用尺寸。样品瓶体积的选择通常可依据分析样品的浓度范围、使用仪器的灵敏度和使用分离柱的柱容量来决定。例如，在测定印刷品中残存的有机溶剂时，一般要选择体积较大的顶空

13、瓶，这样才能获得较多次的整分样品的分析结果，并保证了测定的代表性和精密度。另一方面，液体样品的顶空分析通常使用的样品瓶体积较小，样品量比较小可缩短平衡时间。顶空分析的灵敏度主要取决于样品瓶气相中欲测定物质的浓度，而不是样品的体积或瓶体积。顶空瓶中样品与样品上方的气体体积的比值（相比）决定了顶空分析的灵敏度。例如，一个10ml 的样品瓶内装填2.5ml液体样品的顶空体系与一个20ml 的样品瓶内装填5ml 液体样品的顶空体系具有同样的灵敏度。    一般地，使用填充柱气相色谱允许的进样量为0.5-2ml，所以应当使用较大的顶空瓶；使用毛细管气相色谱允许的进样量为25

14、-250l，使用较小的顶空瓶就足够了。    市售的顶空样品瓶已经足够干净，通常不需要清洗。在某些实验中需要对顶空瓶清洗的话，通常先使用清洁剂溶液清洗，再使用蒸馏水冲洗，然后放入烘箱中烘干。但应注意，清洗过程可能会给顶空瓶引进杂质。实际上，空白顶空瓶分析结果表明，杂质污染一般不是瓶内表面引进的，而可能是密封垫流失或者瓶内空气引起的。有研究表明，由于环境大气中含有卤代烃污染物充填了顶空瓶而导致了样品的污染。因此，在顶空瓶取样之前，应先使用高纯氮气吹扫样品瓶或者将顶空瓶存放在空气干净的室内保存。    顶空玻璃瓶内壁可能会对样品中某些物质

15、产生吸附作用，这可以通过多次顶空萃取曲线的非线性的实验测定出来。通常，如果顶空瓶中的样品没有损失时，多次顶空萃取曲线应当具有很好的线性。顶空瓶是通过密封垫和压紧或旋紧的瓶盖来完成密封的。如果密封不好，就会引起样品泄漏而损失。顶空瓶内承受的压力是一个应当引起注意的重要问题。现代的自动顶空进样器可使顶空瓶加热超过100，所以必须防止顶空瓶内产生过压问题。因为这可能会引起玻璃瓶爆炸和泄漏，使操作者受伤和造成仪器的损坏。顶空瓶可以承受的压力通常在103kPa，在比较高的顶空瓶操作温度下应选择厚壁的顶空瓶，同时，操作者必须认真，仔细，不能失误。例如，在80条件下的顶空瓶内水样品的蒸气压只有47kPa，如

16、果在180条件下，瓶内的水蒸气压将达到103kPa，这对于顶空瓶是非常危险的。    顶空瓶使用的弹性密封垫有许多种，表10-2-8列出了其中的一部分。低价格的丁基橡胶密封垫的应用有限，因为它对非极性化合物具有吸附作用，使用的温度范围也较低。此外，它对乙醇这样的极性化合物也有作用。加氟丁基橡胶密封垫和加氟硅橡胶垫使用的较为普遍，它们的使用温度范围也较宽。加铝的硅橡胶垫具有很好的惰性，但是使用的最高温度通常为120。    在密封垫内部都会残存某些低沸点化合物，它们可能来自生产过程，也可能来自贮存或使用期间的吸附作用。在使用高灵敏度检测

17、器时，密封垫中的这些化合物就会被测定出来，约为!"1 !%的浓度水平。所以，应当在顶空分析中同时测定密封垫的空白样品。为了避免和防止来自密封垫流失的污染，应当选择热稳定性好的密封垫，或者对这些密封垫进行预处理。预处理方法有：在一个玻璃容器中加热这些被污染的密封垫，同时使用惰性气体连续地进行吹扫，最好在最高的温度下吹扫几天；将污染的密封垫放在沸水中，使用惰性气体进行吹扫；将密封垫分散摊开，存放在一个清洁的环境中数周时间，直到其中的污染物自发地释放干净。表10-2-8   顶空瓶密封垫的特性    7. 静态顶空分析的平衡时间    顶空分析中，样品瓶中的两相必须达到平衡时才能进入气相色谱测定。两相之间达到平衡时所需要的时间取决于挥发性组分在两相之间的扩散速率。虽然有某些经验说明了某些样品达到平衡可能需要的时间，但是样品两相达到平衡的时间是不能事先预测的。所以，对于一个未知的样品，需要对平衡时间进行实验研究：首先将这个样品制备成一系列的相同的顶空样品，在相同的条件下将它