气相色谱仪顶空进样概述（一）

第一节 概述

气相色谱仪分析中约60%的时间用于样品预处理，10%～15%的时间用于色谱分析，其它时间用于数据处理等，如何加快和简化样品预处理是提高气相色谱仪分析效率的关键。样品预处理的方法很多，当只对复杂样品中的挥发性组分感兴趣时，顶空进样往往是一种非常简便而有效的分析方法。

所谓顶空进样是取样品基质（液体或固体）上方的气相部分进行气相色谱分析。顶空进样技术出现于1939年，比气相色谱仪早。1958年用气相色谱仪顶空进样分析水中的氢气含量。现在，顶空进样已是普遍使用的气相色谱技术。

根据取样和进样方式不同，顶空进样可分为静态顶空进样和动态顶空进样。

第二节 气相色谱仪静态顶空进样

气相色谱仪静态顶空进样是将液体或固体样品溶液密封在一个容器中（平衡瓶即顶空样品瓶），在一定温度下（平衡温度）加热一段时间（平衡时间），使气液或气固两相达到平衡，然后取气相部分进入气相色谱仪进行分析。静态顶空进样又称平衡顶空进样或一次气相萃取进样。

一、工作原理：

将液体或固体样品溶液置于一个恒温密封的顶空样品瓶中，使其中的挥发性组分逸出，在达到气液或气固分配平衡后，定量采集取气相部分进入气相色谱仪进行分析，通过测定样品基质上方的气体成分来测定这些组分在原样品中的含量。

设顶空样品瓶中装有的液体样品的体积为V₀，原始样品浓度为C₀。当在一定温度下达到气液平衡时，气相体积为V_g，气相中的样品浓度为C_g；液相体积为V_l，液相中的样品浓度为C_l。则：

平衡常数K = C_l/C_g

相比β = V_g/V_l

当在一定温度下达到气液平衡时，可以认为液体体积不变，即：

        V_l = V₀

由于顶空样品瓶是密封的，样品不会逸出，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）

对于一个给定的平衡系统，在一定条件下，K和β均为常数，故得：

        C_g = C₀×K′

式中：K′= 1/（K + β）也为常数。

这就是说，在平衡状态下，气相中的样品浓度C_g与样品的原始浓度C₀成正比。当用气相色谱仪分析得到C_g后，就可计算出C₀。这就是气相色谱仪静态顶空进样分析的理论依据。

二、进样方式：

静态顶空进样有注射器进样、平衡式加压进样和定量环加压进样等方式。

1、注射器进样：

由注射器取样，为了减少挥发性组分在注射器中的冷凝，一般在注射器的外部套有温度控制装置。每次进样前应用气体清洗进样器，尽可能消除系统的记忆效应。

（1）特点：

适用性广，易清洗。

压力难以控制，进样量准确度较差。

当加热条件下顶空气体的压力太大时，在注射器拔出顶空样品瓶的瞬间会造成挥发性组分损失。

适用于香精、香料和烟草等挥发性含量较大样品的分析。

（2）注意事项：

1）注射器必须是可加热的：

样品由顶空样品瓶吸出到气相色谱仪进样口的过程中，其温度不能发生改变。因此，注射器必须是可加热的，否则将造成样品在注射器内再冷凝。

2）样品挥发会影响重现性：

样品由顶空样品瓶吸出到气相色谱仪进样口的过程中，由于样品在顶空样品瓶内与常压下存在压力差，将造成样品流失。因此，需将注射器的温度设定的比顶空样品瓶高，这样可zui大限度的减少压力差所带来的误差。

3）交叉污染问题：

在两次进样之间持续通惰性气体（氮气或氦气）吹洗注射器，可避免样品之间的交叉污染，避免出现鬼峰。

4）注射器与气相色谱仪进样口的对准：

通过精密的步进马达和先进的位置记忆软件系统，确保注射器与气相色谱仪进样口位置的准确定位。

2、平衡式加压进样：

待样品中的挥发性组分达到分配平衡时，对顶空样品瓶内施加一定的气压将顶空气体压到载气流中。

平衡式加压进样系统的死体积小。

平衡式加压进样靠时间程序来控制分析过程，很难计算出具体的进样量，进样误差较大。

3、定量环加压进样：

由定量环、压力控制阀和气体传输管路等组成，靠对顶空样品瓶内施加一定的气压将顶空气体压到六通阀的定量环中，然后用载气将定量环内的顶空气体进到色谱柱中。

具有很好的重现性，适合定量分析。

由于系统管路较长，挥发性组分易在管壁上吸附，一般将管路加热到较高的温度。

三、特点：

  1、优点：

（1）不需对样品作复杂的处理，而直接取其顶空气体进行分析，大大减少了样品基质对分析的干扰。

（2）采用气体进样，分析速度快，灵敏度高。

（3）无溶剂萃取，操作简便。

（4）有多种模式，适用于多种样品形态。

2、缺点：

有时必须进行大体积的气体进样，样品的蒸气体积过大，挥发性组分峰初始带宽较大，影响分离效能。特别是对于组成复杂的样品，蒸气中的大量水分往往有损于色谱柱，限制了气相色谱仪的使用。

四、影响静态顶空进样分析的因素：

影响静态顶空进样分析的因素有样品性质、样品量、平衡温度、平衡时间、顶空样品瓶和密封盖等。

1、样品性质：

静态顶空进样分析最大的优点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，但样品性质仍然对分析结果有直接影响。样品是指置于顶空样品瓶中的原样品，而非进入气相色谱仪的挥发物，因此，要考虑整个顶空样品瓶中的样品性质。

（1）气体样品：

对于气体样品，顶空样品瓶中只有气相，没有凝聚相（液相或固相），与普通气相色谱分析没有太大区别。气体样品的采样温度和样品保存温度可能不同，一般后者低于前者。在相对低温下保存样品时，有些组分可能会冷凝，分析时要在平衡温度下放置一定时间，使样品达到均匀的气相，以消除部分组分冷凝带来的误差。

（2）液体和固体样品：

将液体样品转换为气体需要一定时间，气化不完全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，应在一定温度下平衡足够的时间。

对于液体和固体样品，顶空样品瓶中有气液或气固两相，甚至气液固三相共存。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，特别是在样品基质中溶解度大的组分的基质效应更为明显。顶空气体的组成与原样品的组成不同，对定量分析的影响尤为严重，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。

减少基质效应的方法有利用盐析作用、在有机溶剂中加入水、调节溶液pH值、粉碎固体样品和稀释样品等。

1）利用盐析作用：

盐析是指在水溶液中加入无机盐来改变挥发性组分的分配系数。实验表明，盐浓度小于5%时几乎没有作用。常用高浓度盐甚至饱和盐。

盐析对极性组分的影响远大于对非极性组分的影响。

2）在有机溶剂中加入水：

在有机溶剂中加入水（水要与所用有机溶剂相溶），可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。

3）调节溶液pH值：

对于酸和碱，通过控制溶液pH值可改变其解离度或使其它待测物的挥发性变得更大些。

4）粉碎固体样品：

物质在固体中的扩散系数比在液体中小，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，尽量用小颗粒的固体样品有利于缩短平衡时间。

一般的粉碎方法会造成样品损失，多用冷冻粉碎技术来制备固体样品。

用水或有机溶剂浸润样品，可减小固体表面对待测物的吸附作用。

5）稀释样品：

稀释样品是减小基质效应的常用方法，但会降低分析灵敏度。