靜態(tài)頂空技術(shù)

1、靜態(tài)頂空技術(shù)1. 靜態(tài)頂空方法的進(jìn)展    靜態(tài)頂空分析技術(shù)比氣相色譜技術(shù)出世要早，在20世紀(jì)30年代時(shí)就有學(xué)者提出了通過分析液體上方蒸氣的方法來測定水溶液中和尿中的乙醇的含量。在1956-1958 年期間，某些學(xué)者研究了溶液的頂空分析問題。頂空采樣技術(shù)與氣相色譜聯(lián)用方面的第一篇論文出現(xiàn)在1958年阿姆斯特丹的專題討論會上，內(nèi)容是關(guān)于連續(xù)監(jiān)測高壓發(fā)電站水中的氫氣。1960年有學(xué)者也使用頂空采樣技術(shù)，氣相色譜測定一密封容器中彈性材料樣品上方氣體中的氧氣含量。據(jù)認(rèn)為，這是學(xué)者第一次使用“頂空”一詞發(fā)表在論文中，也是第一次使用1ml醫(yī)用注射器并刺破一密閉的容器抽取頂空氣

2、體樣品進(jìn)行色譜測定。自此之后，Beckman儀器公司生產(chǎn)了專門用于采集樣品容器內(nèi)頂空樣品中氧氣含量的頂空采樣器（Head Space Samper），設(shè)計(jì)此系統(tǒng)與Beckman儀器公司的極譜法氧傳感器聯(lián)用，當(dāng)然也可用于測定氣體樣品的氣相色譜法或者分光光度法。    食品中揮發(fā)性有機(jī)物的分析測定是頂空技術(shù)應(yīng)用的重要方面，1959年就有學(xué)者使用氣密性注射器直接抽取袋裝的炸土豆片中哈喇味氣體進(jìn)行氣相色譜分析測定。1962年有學(xué)者發(fā)表了關(guān)于水果、蜂蜜等食品中某些有機(jī)物的靜態(tài)頂空 - 氣相色譜的分析測定方法。    靜態(tài)頂空 - 氣相色譜方法首

3、先用于血液中乙醇的測定。1967年，PE公司生產(chǎn)了第一臺用于氣相色譜分析的自動頂空進(jìn)樣系統(tǒng)F-40 型，主要用于法庭分析實(shí)驗(yàn)室中血液乙醇含量測定。此方法替代了傳統(tǒng)的Widmark測定方法。此后，頂空技術(shù)逐步地應(yīng)用于其他領(lǐng)域并成為氣相色譜分析的重要樣品處理技術(shù)之一。    2. 頂空系統(tǒng)中組分的分布    在頂空分析條件下，可以根據(jù)常規(guī)的熱動力學(xué)平衡（Henry定律常數(shù)的相反數(shù)）或者根據(jù)系統(tǒng)中溶質(zhì)的質(zhì)量平衡定義系統(tǒng)中溶質(zhì)的分布系數(shù)。所以，分布系數(shù)Ki就是濃縮相和氣相中溶質(zhì)平衡時(shí)的比值：    &#

4、160;             當(dāng)分布系數(shù)的數(shù)值和體積為已知時(shí)，可通過氣相色譜測定出氣相中組分 i 的平衡濃度CiG，所以可以計(jì)算出系統(tǒng)中組分i的總量。    但是，在實(shí)際樣品分析測定中這些數(shù)據(jù)是未知的和難以測定的，為了分析測定出頂空樣品中欲測定物質(zhì)的濃度，通常使用兩種模擬方法。第一種方法是使用一個(gè)參照系統(tǒng)，此參照系統(tǒng)中與樣品系統(tǒng)相比較在分析條件和欲測定組分組成及其含量上應(yīng)當(dāng)保持一致。那么，在這兩個(gè)系統(tǒng)中（KiVL+VG）數(shù)值是一致的，并且具有如下的關(guān)系

5、：                         式中，帶有星號標(biāo)記的是參照系統(tǒng)中的變量。    此方法的缺點(diǎn)是必須保持參照系統(tǒng)和欲測定系統(tǒng)的分析測定條件恒定。因?yàn)閰⒄障到y(tǒng)中水相中組分組成是能夠準(zhǔn)確地制備的，但是它不可能模擬到與未知的欲測定水樣品中所有組分及其濃度水平保持準(zhǔn)確和一致。第二種方法是假設(shè)將少量的欲測定物質(zhì)i添加到樣

6、品（樣品系統(tǒng)中已經(jīng)含有物質(zhì)i）中不會引起系統(tǒng)的熱力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，那么，比值VL:VG也不會改變，就可以測定出系統(tǒng)中（Wi）物質(zhì)組分i的總量，并測定出在添加物質(zhì)! 的前后氣相中物i 的含量。這也叫做標(biāo)準(zhǔn)加入法。在整個(gè)計(jì)算中排除了系統(tǒng)中（KiVL+VG）的數(shù)值。                     式中，Ws是添加的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)i的質(zhì)量；i是原始樣品中物質(zhì)i的質(zhì)量，通常i遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Ws。此方法可用于相

7、反的情況，通過降低CiG數(shù)值測定i的數(shù)值，結(jié)果重復(fù)具有和分析氣相中已知的樣品。使用類似的方式進(jìn)行計(jì)算。    3. 靜態(tài)頂空中溫度的影響    如圖10-2-31 所示，提高樣品溫度不是對體系中所有的化合物都會產(chǎn)生靈敏度的增加的。當(dāng)溫度升高時(shí)，其中乙醇和甲乙酮的靈敏度增加的幅度較大，而甲苯、正己烷和四氯乙烯的靈敏度增加的幅度很小或者沒有變化。因此，在選擇頂空的萃取溫度時(shí)應(yīng)當(dāng)注意以下問題：             &#

8、160;   升高頂空體系溫度對某些樣品可能是靈敏的，但是，樣品中某些組分也可能會發(fā)生熱分解或者被頂空瓶中的空氣氧化。    頂空瓶中的蒸氣壓是樣品中所有物質(zhì)的分壓之和。如果樣品是液體，那么溶劑的蒸氣壓決定了頂空瓶中的壓力，而溶解的溶質(zhì)的蒸氣壓（分壓）是非常小，與溶劑的蒸氣壓相比可以忽略。特別是，如果溶劑的沸點(diǎn)比較低時(shí)，它在頂空瓶中的壓力就更大。所以，在選擇溶劑時(shí)應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮那些沸點(diǎn)較高的溶劑。    如果頂空瓶中的蒸氣壓過大，會對分析儀器產(chǎn)生麻煩。例如，使用注射器抽取一個(gè)等份的樣品時(shí)就會遇到困難，不會得到較好的重

9、復(fù)性并會產(chǎn)生很大的測定誤差。除此之外，頂空瓶中的蒸氣壓過大，可能會引起樣品泄漏或者頂空瓶損壞。    4.靜態(tài)頂空中樣品體積的影響    同一樣品的體積增大，測定的靈敏度增加。但是，如果樣品中的組成發(fā)生改變時(shí)，可能會對這一樣品中的某些組分的靈敏度產(chǎn)生影響。如表10-2-7所示，5.0ml體積的同一樣品的測定結(jié)果表明，加入2g 氯化鈉的樣品中二氧雜環(huán)己烷的測定靈敏度增高，而環(huán)己烷的靈敏度基本沒有改變。 表10-2-7    樣品體積對頂空測定靈敏度的影響    5.

10、靜態(tài)頂空分析的線性    在理論上，假設(shè)頂空氣相色譜在測定的范圍內(nèi)欲測定物質(zhì)的分布和活性是不變的，并且與這些物質(zhì)的濃度無關(guān)。這樣，頂空分析的線性與樣品中欲測定物質(zhì)的濃度和在頂空中所抽取等份樣品中它們的濃度之間的線性有關(guān)。    在實(shí)際分析測定中，線性范圍取決于欲測定物質(zhì)在樣品中的溶解性和活性。通常，使用頂空氣相色譜分析的線性范圍都在0.1%-1%的濃度以下。使用GC-FID方法測定氯仿、三氯乙烯和四氯化碳時(shí)，可測定的最低濃度是千萬分之一至千萬分之五，而使用GC-ECD方法測定時(shí)或者測定的樣品體積增大時(shí)就會獲得較大的線性范圍，使測定下限

11、的濃度更低。在某些情況下，頂空氣相色譜可測定的線性范圍可擴(kuò)展到較高的濃度。例如，分析乙醇溶液樣品時(shí)可以將乙醇的測定線性測定范圍擴(kuò)展到25%-30%的濃度。這也說明可以使用頂空氣相色譜直接測定血液中或者葡萄酒中的乙醇含量。另一方面，在測定烈性酒（例如，白蘭地、杜松子酒、伏特加酒和威士忌等）中的乙醇時(shí)，需要先將樣品進(jìn)行稀釋之后再進(jìn)行測定。使用頂空氣相色譜方法測定已知的化合物樣品，實(shí)際上是不能預(yù)測出它們的線性范圍的，必須通過實(shí)際的測定之后得出。    6. 靜態(tài)頂空分析用的樣品瓶在手動操作中，可以使用小的容器裝填樣品。早期的研究者曾使用實(shí)驗(yàn)室的錐形燒瓶作為樣品瓶，使用血

12、漿蓋密封。今天，分析化學(xué)家都使用標(biāo)準(zhǔn)化的硼硅玻璃制成的樣品瓶，容積一般為5-22ml，都有商品出售。自動頂空進(jìn)樣器使用的頂空瓶都是專用的，一般地不能用其他途徑得到的樣品瓶替換。    頂空分析要求頂空瓶的質(zhì)量要足夠好，瓶體積要準(zhǔn)確恒定，瓶口及其邊緣要平并且沒有刮痕和溝槽，密封墊及其鋁帽要有足夠的密封性能。    頂空分析使用的樣品瓶體積尺寸比較多，商品儀器通常都使用自己配套的專用尺寸。樣品瓶體積的選擇通?？梢罁?jù)分析樣品的濃度范圍、使用儀器的靈敏度和使用分離柱的柱容量來決定。例如，在測定印刷品中殘存的有機(jī)溶劑時(shí)，一般要選擇體積較大的頂空

13、瓶，這樣才能獲得較多次的整分樣品的分析結(jié)果，并保證了測定的代表性和精密度。另一方面，液體樣品的頂空分析通常使用的樣品瓶體積較小，樣品量比較小可縮短平衡時(shí)間。頂空分析的靈敏度主要取決于樣品瓶氣相中欲測定物質(zhì)的濃度，而不是樣品的體積或瓶體積。頂空瓶中樣品與樣品上方的氣體體積的比值（相比）決定了頂空分析的靈敏度。例如，一個(gè)10ml 的樣品瓶內(nèi)裝填2.5ml液體樣品的頂空體系與一個(gè)20ml 的樣品瓶內(nèi)裝填5ml 液體樣品的頂空體系具有同樣的靈敏度。    一般地，使用填充柱氣相色譜允許的進(jìn)樣量為0.5-2ml，所以應(yīng)當(dāng)使用較大的頂空瓶；使用毛細(xì)管氣相色譜允許的進(jìn)樣量為25

14、-250l，使用較小的頂空瓶就足夠了。    市售的頂空樣品瓶已經(jīng)足夠干凈，通常不需要清洗。在某些實(shí)驗(yàn)中需要對頂空瓶清洗的話，通常先使用清潔劑溶液清洗，再使用蒸餾水沖洗，然后放入烘箱中烘干。但應(yīng)注意，清洗過程可能會給頂空瓶引進(jìn)雜質(zhì)。實(shí)際上，空白頂空瓶分析結(jié)果表明，雜質(zhì)污染一般不是瓶內(nèi)表面引進(jìn)的，而可能是密封墊流失或者瓶內(nèi)空氣引起的。有研究表明，由于環(huán)境大氣中含有鹵代烴污染物充填了頂空瓶而導(dǎo)致了樣品的污染。因此，在頂空瓶取樣之前，應(yīng)先使用高純氮?dú)獯祾邩悠菲炕蛘邔㈨斂掌看娣旁诳諝飧蓛舻氖覂?nèi)保存。    頂空玻璃瓶內(nèi)壁可能會對樣品中某些物質(zhì)

15、產(chǎn)生吸附作用，這可以通過多次頂空萃取曲線的非線性的實(shí)驗(yàn)測定出來。通常，如果頂空瓶中的樣品沒有損失時(shí)，多次頂空萃取曲線應(yīng)當(dāng)具有很好的線性。頂空瓶是通過密封墊和壓緊或旋緊的瓶蓋來完成密封的。如果密封不好，就會引起樣品泄漏而損失。頂空瓶內(nèi)承受的壓力是一個(gè)應(yīng)當(dāng)引起注意的重要問題。現(xiàn)代的自動頂空進(jìn)樣器可使頂空瓶加熱超過100，所以必須防止頂空瓶內(nèi)產(chǎn)生過壓問題。因?yàn)檫@可能會引起玻璃瓶爆炸和泄漏，使操作者受傷和造成儀器的損壞。頂空瓶可以承受的壓力通常在103kPa，在比較高的頂空瓶操作溫度下應(yīng)選擇厚壁的頂空瓶，同時(shí)，操作者必須認(rèn)真，仔細(xì)，不能失誤。例如，在80條件下的頂空瓶內(nèi)水樣品的蒸氣壓只有47kPa，如

16、果在180條件下，瓶內(nèi)的水蒸氣壓將達(dá)到103kPa，這對于頂空瓶是非常危險(xiǎn)的。    頂空瓶使用的彈性密封墊有許多種，表10-2-8列出了其中的一部分。低價(jià)格的丁基橡膠密封墊的應(yīng)用有限，因?yàn)樗鼘Ψ菢O性化合物具有吸附作用，使用的溫度范圍也較低。此外，它對乙醇這樣的極性化合物也有作用。加氟丁基橡膠密封墊和加氟硅橡膠墊使用的較為普遍，它們的使用溫度范圍也較寬。加鋁的硅橡膠墊具有很好的惰性，但是使用的最高溫度通常為120。    在密封墊內(nèi)部都會殘存某些低沸點(diǎn)化合物，它們可能來自生產(chǎn)過程，也可能來自貯存或使用期間的吸附作用。在使用高靈敏度檢測

17、器時(shí)，密封墊中的這些化合物就會被測定出來，約為!"1 !%的濃度水平。所以，應(yīng)當(dāng)在頂空分析中同時(shí)測定密封墊的空白樣品。為了避免和防止來自密封墊流失的污染，應(yīng)當(dāng)選擇熱穩(wěn)定性好的密封墊，或者對這些密封墊進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理方法有：在一個(gè)玻璃容器中加熱這些被污染的密封墊，同時(shí)使用惰性氣體連續(xù)地進(jìn)行吹掃，最好在最高的溫度下吹掃幾天；將污染的密封墊放在沸水中，使用惰性氣體進(jìn)行吹掃；將密封墊分散攤開，存放在一個(gè)清潔的環(huán)境中數(shù)周時(shí)間，直到其中的污染物自發(fā)地釋放干凈。表10-2-8   頂空瓶密封墊的特性    7. 靜態(tài)頂空分析的平衡時(shí)間    頂空分析中，樣品瓶中的兩相必須達(dá)到平衡時(shí)才能進(jìn)入氣相色譜測定。兩相之間達(dá)到平衡時(shí)所需要的時(shí)間取決于揮發(fā)性組分在兩相之間的擴(kuò)散速率。雖然有某些經(jīng)驗(yàn)說明了某些樣品達(dá)到平衡可能需要的時(shí)間，但是樣品兩相達(dá)到平衡的時(shí)間是不能事先預(yù)測的。所以，對于一個(gè)未知的樣品，需要對平衡時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究：首先將這個(gè)樣品制備成一系列的相同的頂空樣品，在相同的條件下將它