影響靜態(tài)頂空分析的因素
《色譜分析方法及應(yīng)用》劉虎威主編 影響頂空GC分析結(jié)果的因素有兩部分、一部分是與GC有關(guān)的參數(shù),另一部分是頂空進(jìn)樣的參數(shù),前者我們已在第二和三章作了詳細(xì)闡述,這里不再重復(fù)。下面我們僅就頂空進(jìn)樣的一些問(wèn)題進(jìn)行討論。 (一)樣品的性質(zhì)頂空GCzen大的優(yōu)點(diǎn)就是不需對(duì)樣品作復(fù)雜的處理,而直接取其頂空氣體進(jìn)行分析,我們不用把心樣品中不揮發(fā)組分對(duì)GC分析的影響。但是樣品的性質(zhì)仍然對(duì)分析結(jié)果有直接影響。這里所說(shuō)的樣品是指置于樣品瓶中的“原樣品”,而非進(jìn)入GC的“揮發(fā)物”,因此要考慮整個(gè)樣品瓶中的樣品性質(zhì)。 對(duì)于氣體樣品或者在一定條件下能全部轉(zhuǎn)換為蒸氣的樣品,樣品瓶中只有氣相,而沒(méi)有凝聚相。那么,這種樣品與普通GC分析就沒(méi)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(duì)低溫下保存樣品時(shí),有些組分就可能會(huì)冷凝,所以在分析時(shí),要在平衡溫度下放置一定的時(shí)間,使樣品達(dá)到均勻的氣相,以消除部分樣品組分冷凝帶來(lái)的誤差。如果是將液體樣品轉(zhuǎn)換為氣體,那么這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程是需要一定時(shí)間的,不像普通GC中進(jìn)樣口的樣品汽化那么快,不*的汽化會(huì)使頂空樣品與原樣品的組成不同,從而影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度,故也應(yīng)在一定的溫度下平衡足夠的時(shí)間。 液體和固體樣品較為復(fù)雜一些,這時(shí)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(xiàng)空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發(fā)性有關(guān),又與樣品基質(zhì)有關(guān)。特別是那些在樣品基質(zhì)中溶解度大(分配系數(shù)大)的組分,“基質(zhì)效應(yīng)”更為明顯。這是頂空進(jìn)樣的一大特點(diǎn),即頂空氣體的組成與原樣品中的組成不同,這對(duì)定量分析的影響尤為嚴(yán)重。因此,標(biāo)準(zhǔn)樣品不能僅用待測(cè)物的標(biāo)準(zhǔn)品配制,還必須有與原樣品相同或相似的基質(zhì),否則,定量誤差將會(huì)很大。
實(shí)際應(yīng)用中有一些消除或減少基質(zhì)效應(yīng)的方法,主要是:
(l)利用鹽析作用即在水溶液中加入無(wú)機(jī)鹽(如硫酸鈉)來(lái)改變揮發(fā)性組分的分配系數(shù)。實(shí)驗(yàn)證明,鹽濃度小于5%時(shí)幾乎沒(méi)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(duì)極性組分的影響遠(yuǎn)大于對(duì)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(huì)變化,定童線性范圍可能變窄,這些都是在定壁分析中應(yīng)該考慮的。
(2)在有機(jī)溶液中加入水當(dāng)然,水要與所用有機(jī)溶劑相溶。這可以減小有機(jī)物在有機(jī)溶劑中的溶解度,增大其在頂空氣體中的含量。比如,測(cè)定聚合物中的2-乙基己基丙烯酸酯殘留量時(shí),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(diào)節(jié)溶液的pH 對(duì)于堿和酸,通過(guò)控制pH可使其解離度改變,或使其巾待測(cè)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(zhì)在固體中的擴(kuò)散系數(shù)要比在液體中小l到2個(gè)數(shù)量級(jí)。固體樣品中揮發(fā)物的擴(kuò)散速度很慢,往往需要很長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到平衡。盡量采樣小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時(shí)間。但是要注意,一般的粉碎方法會(huì)造成樣品損失。比如研磨發(fā)熱,揮發(fā)性組分就會(huì)丟失。故頂空GC中多用冷凍粉碎技術(shù)來(lái)制備固體樣品。同時(shí),用水或有機(jī)溶劑浸潤(rùn)樣品(三相體系),也可以減小固體表面對(duì)待測(cè)物的吸附作用。 此外,稀釋樣品也是減小基質(zhì)效應(yīng)的常用方法,但其代價(jià)是減低了靈敏度。其他消除基質(zhì)效應(yīng)的技術(shù),如全揮發(fā)技術(shù)等,將在下面討論。 zen后,樣品中的水分也是一個(gè)影響因素。雖然靜態(tài)頂空樣品中水分含量常沒(méi)有動(dòng)態(tài)頂空那么大,但水溶液樣品在濃度較高時(shí),水蒸氣會(huì)影響GC分離結(jié)果,特別是采用冷凍聚焦技術(shù)時(shí)。故應(yīng)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(yù)柱。當(dāng)然要保證被測(cè)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(shí)也指進(jìn)入GC的樣品量。其實(shí)后者應(yīng)稱為進(jìn)樣量。在頂空GC分析中,進(jìn)樣量是通過(guò)進(jìn)樣時(shí)間(壓力平衡系統(tǒng))或定量管(壓力控制定量管系統(tǒng))來(lái)控制的,它還受溫度和壓力等因素的影響。事實(shí)上,頂空GC分析中進(jìn)樣量沒(méi)有多大意義,重要的是進(jìn)樣量的重現(xiàn)性,只要能保證進(jìn)樣條件的*重現(xiàn),也就保證了重現(xiàn)的進(jìn)樣量公即使在定量分析中,一般也不需要知道進(jìn)樣量的數(shù)值。 頂空樣品瓶中的樣品體積對(duì)分析結(jié)果影響很大,因?yàn)樗苯記Q定相比β。在第二節(jié)我們?cè)鴮?dǎo)出一個(gè)方程: Cg=C0/(K+β),其中β=Vg/Vs,K=C0/Cg 對(duì)于一個(gè)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(shuō),樣品體積Vs增大時(shí),β減小,Cg增大,因而靈敏度增加。但對(duì)具體的樣品體系,還要看K的大小。換言之,K>>β時(shí),樣品體積的改變對(duì)分析靈敏度影響很小。而當(dāng)K<<β時(shí),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(shí)二氧六環(huán)的K為642,而環(huán)己烷則為0.04。當(dāng)樣品量由1mL變?yōu)?/span>5mL時(shí),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(zhì)來(lái)確定。
與樣品量有關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是其重現(xiàn)性。因?yàn)殪o態(tài)頂空GC往往只從一個(gè)樣品瓶中取樣一次。要做平行實(shí)驗(yàn)時(shí),則需要制備幾份樣品分別置于不同樣品瓶中。這時(shí)每份樣品的體積是否重現(xiàn)也影響分析結(jié)果。待測(cè)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(dòng)所造成的結(jié)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(shí)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(shí)候都要盡量使各份樣品的體積相互一致。 具體分析時(shí),樣品體積還與樣品瓶的容積有關(guān)。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(shí)只用幾微升樣品。樣品性質(zhì)、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(guān),它影響分配系數(shù)。一般來(lái)說(shuō),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(cè)組分的沸點(diǎn)越低,對(duì)溫度越敏感。因此,頂空GC特別適合于分析樣品中的低沸點(diǎn)成分。單就這個(gè)角度,平衡溫度高一些對(duì)分析是有利的,它可以縮短平衡時(shí)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(shí)考慮這兩個(gè)參數(shù)。對(duì)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(dāng)K>>β時(shí),溫度的影響非常明顯。當(dāng)K<<β聲時(shí)。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(gè)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(shí)相比為5。表中同時(shí)列出了1/(K+β)值。 假設(shè)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(jiàn),溫度的影響因組分的不同而異。對(duì)于甲醇和甲乙酮,提高平衡溫度可大大提高分析靈敏度;對(duì)于甲苯和四氯乙烯則影響甚微,對(duì)于正己烷,其影響*可以忽略。因此,平衡溫度應(yīng)根據(jù)分析對(duì)象來(lái)選擇。
實(shí)際工作中往往是在滿足靈敏度的條件下(還可通過(guò)其他方法提高分析靈敏度!)選擇較低的平衡溫度。這是因?yàn)?,過(guò)高的溫度可能導(dǎo)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(jī)溶劑時(shí)(故應(yīng)選擇較高沸點(diǎn)的有機(jī)溶劑)。過(guò)高的頂空氣體壓力會(huì)對(duì)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(huì)問(wèn):進(jìn)樣前加壓是否會(huì)造成樣品的稀釋而降低分析靈敏度?其實(shí)不存在這個(gè)間題。因?yàn)槲覀儌?cè)定的是濃度,而非摩爾分?jǐn)?shù)。加壓前后樣品的體積不變,故不會(huì)影響靈敏度。zen后強(qiáng)調(diào)一點(diǎn),項(xiàng)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(yán)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(shí)間平衡時(shí)間本質(zhì)上取決于被測(cè)組分分子從樣品基質(zhì)到氣相的擴(kuò)散速度。擴(kuò)散速度越快,即分子擴(kuò)散系數(shù)越大,所需平衡時(shí)間越短。另外,擴(kuò)散系數(shù)義與分子尺寸、介質(zhì)黏度及溫度有關(guān)。溫度越高,黏度越低,擴(kuò)散系數(shù)越大。所以,提高溫度叮以縮短平衡時(shí)間。
由于樣品的性質(zhì)千差萬(wàn)別,所以平衡時(shí)間很難預(yù)測(cè)。一般要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)定。方法是用一系列樣品瓶(5~10)裝上同一樣品,每個(gè)樣品瓶采用不同的平衡時(shí)間,然后進(jìn)行GC分析。用待測(cè)物的峰面積A對(duì)平衡時(shí)間t作圖,就可確定所需平衡時(shí)間。如圖6-5所示,當(dāng)平衡時(shí)間超過(guò)te,時(shí),峰面積基本不再增加,證明樣品達(dá)到了平衡。
平衡時(shí)間往往要比分析時(shí)間長(zhǎng),換言之,頂空GC的分析周期往往是由平衡時(shí)間決定的。故縮短平衡時(shí)間是提高頂空GC分析速度的關(guān)鍵二從儀器來(lái)講,可以采用重疊平衡功能來(lái)提高工作效率。比如一個(gè)樣品的平衡時(shí)間為40min,而GC分析時(shí)間為15min。我們可以在*個(gè)樣品平衡15 min后開(kāi)始第二個(gè)樣品的平衡。這樣,當(dāng)*個(gè)樣品分析完成后,第二個(gè)樣品正好達(dá)到平衡,可立即開(kāi)始進(jìn)樣分析。依此類推,當(dāng)有多個(gè)樣品需要分析時(shí),就能有效地提高工作效率。自動(dòng)頂空進(jìn)樣器均有此項(xiàng)功能,用戶可預(yù)設(shè)置時(shí)間程序進(jìn)行自動(dòng)分析。
氣體樣品或可全部轉(zhuǎn)化為氣體的液體樣品所需平衡時(shí)間要短一些 (氣體分子擴(kuò)散系數(shù)是液體分子擴(kuò)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(fù)雜一些,除了與樣品性質(zhì)、溫度有關(guān)外,平衡時(shí)間還取決于樣品體積。體積越大,所需平衡時(shí)間越長(zhǎng)。而樣品體積又與分析靈敏度要求有關(guān)。如前所述,對(duì)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(shí)間相應(yīng)增加。對(duì)于分配系數(shù)大的組分,加大樣品體積對(duì)提高靈敏度作用甚微,故可用小的樣品體積來(lái)達(dá)到縮短平衡時(shí)間的目的。
縮短液體樣品平衡時(shí)間的另一個(gè)有效辦法是采用攪拌技術(shù)。現(xiàn)代儀器一般具備此功能,或者是機(jī)械振動(dòng)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(lái)選擇。實(shí)驗(yàn)證明,對(duì)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(shí)間縮短一半以上。但對(duì)于分配系數(shù)大的樣品,影響相對(duì)小得多。
固體樣品所需平衡時(shí)間更長(zhǎng)。除了提高溫度可以縮短平衡時(shí)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(shí)間。此外,將固體樣品溶解在適當(dāng)?shù)娜軇┲?/span>.或用溶劑浸潤(rùn)固體樣品,都是實(shí)際工作中常用的方法。
(五)與樣品瓶有關(guān)的因素 1.樣品瓶頂空GC樣品瓶的要求是體積準(zhǔn)確、能承受一定的壓力、密封性能良好、對(duì)樣品無(wú)吸附作用。雖然過(guò)去人們也曾用過(guò)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(shí),要涉及到相比β的準(zhǔn)確值,這就要求我們知道樣品瓶的準(zhǔn)確體積(容積),而不應(yīng)簡(jiǎn)單地采樣生產(chǎn)廠家的標(biāo)稱體積。一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)為0.9971g/L)即可計(jì)算出樣品瓶的準(zhǔn)確體積。實(shí)驗(yàn)證明,市售的頂空樣品瓶其標(biāo)稱體積與真實(shí)體積之間有1%左右的誤差。對(duì)同一批樣品瓶,可以準(zhǔn)確測(cè)定其中5個(gè)的真實(shí)體積,使用其平均體積作為一該批樣品瓶的真實(shí)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?yàn)榉治鲮`敏度是取決于待測(cè)組分在頂空氣體中的濃度,或者說(shuō)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(huì)改善。固體樣品因?yàn)闃悠繁旧淼捏w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(gè)要考慮的因素是色譜柱。填充柱、大口徑柱、或毛細(xì)管柱分流進(jìn)樣時(shí),進(jìn)樣體積一般為0.5~2mL,這時(shí)需要大體積樣品瓶。而用毛細(xì)管柱不分流進(jìn)樣時(shí),進(jìn)樣體積往往不會(huì)超過(guò)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(fù)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(duì)于新購(gòu)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(yù)。如果是*次使用一個(gè)新的供貨商的產(chǎn)品,先作一次空白分析,以證實(shí)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?,F(xiàn)在自動(dòng)化儀器多采用一次性使用的鋁質(zhì)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(jià)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(duì)樣品組分的吸附,現(xiàn)在多用內(nèi)襯聚四氟乙烯或鋁的密封墊,選用時(shí)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(jià)格低的丁基橡膠墊,痕量分析則用有內(nèi)襯的硅橡膠墊。必要時(shí),通過(guò)空白分析來(lái)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(huì)漏氣,而且內(nèi)襯墊扎穿之后就失去了保護(hù)作用,橡膠基體有可能吸附樣品組分。所以,需要從一個(gè)樣品瓶多次進(jìn)樣時(shí),連續(xù)進(jìn)行,不要把扎穿過(guò)密封墊的樣品瓶放置一段時(shí)間后再用。相應(yīng)地,在制備樣品時(shí),要將樣品全部加入后再密封。比如加內(nèi)標(biāo)物時(shí),若密封好再往瓶中加,就要扎穿密封墊,這對(duì)分析是不利的。