氣相色譜的程序升溫蒸發(fā)中大體積進(jìn)樣技術(shù)

摘要PTV大體積進(jìn)樣是氣相色譜中新近發(fā)展出來的一個(gè)輔助技術(shù)對(duì)環(huán)境污染物分析生化物質(zhì)分析及一般有機(jī)痕量分析很有應(yīng)用價(jià)值。該文就其原理、基本技術(shù)和應(yīng)用范圍作了介紹,并列舉了一些應(yīng)用范例。關(guān)鍵詞PTV大體積進(jìn)樣氣相色譜有機(jī)痕量分析所謂PTV大體積進(jìn)樣是指利用可快速程序升溫設(shè)計(jì)的進(jìn)樣器實(shí)施大體積進(jìn)樣，這是近年來應(yīng)生化和環(huán)境樣品的分析需要而發(fā)展出來的一項(xiàng)新技術(shù)，是有機(jī)痕量分析的新進(jìn)展。如所周知，生化樣品和環(huán)境樣品的分析是復(fù)雜系統(tǒng)中的痕量分析課題。盡管近代色譜技術(shù)由于其高效、快速和選擇性好，并易于與質(zhì)譜聯(lián)機(jī)，形成融分離-定性-定量于一體的聯(lián)機(jī)技術(shù),已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，其中氣相色譜，特別是毛細(xì)柱氣相色譜最為廣泛應(yīng)用，但是毛細(xì)柱氣相色譜的樣品容量很小，僅能接受微升級(jí)(一般W川L)的進(jìn)樣量，無論是采用柱上進(jìn)樣方式(on-columninjection)還是分流不分流方式(splitsplitlessinjection)，稍大的進(jìn)樣量，都會(huì)嚴(yán)重影響定性或定量分析效果。為此，生化樣品或環(huán)境樣品在色譜分析前都需要有嚴(yán)格的樣品前處理工作，包括待測物的富集和凈化。樣品前處理工作主要有液液萃取、固相萃取，索氏抽提和超臨界提取等,大多數(shù)方法都是設(shè)法把待測物與基體和干擾物質(zhì)分開,并最終把待測物集中到合適的有機(jī)溶劑中，經(jīng)過濃縮,取少量濃縮液進(jìn)行色譜分析。前處理步驟冗長,特別是其中的濃縮一步極易導(dǎo)致待測物損失和引入外來干擾,由于色譜進(jìn)樣量只能取濃縮樣品的11000或更少，因此檢測能力也大受限制。大體積進(jìn)樣就是設(shè)法把色譜進(jìn)樣量增加一百倍或更多(>=100pL),既節(jié)省大量的人力物力和時(shí)間，又大大提高了檢測能力和分析精度。GrobK于1980年在發(fā)展液相色譜——?dú)庀嗌V的聯(lián)機(jī)分析技術(shù)中研究了柱上進(jìn)樣方式的大體積進(jìn)樣，但柱上進(jìn)樣方式對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的樣品不甚適用，因?yàn)闃悠分写嬖诘姆菗]發(fā)性組分(基體)會(huì)損害色譜分析柱的效能。分流不分流進(jìn)樣方式可以接受比較“臟”的樣品，其中程序升溫蒸發(fā)(ProgrammedTemperatureVaporization)(PTV設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)大體積進(jìn)樣的關(guān)鍵。利用可以快速程序升溫的進(jìn)樣器設(shè)計(jì)，以?10°c/s的升溫速度，從初溫升到300r,使樣品中的絕大部分溶劑(99%)先氣化排空,僅允許痕量的待測物轉(zhuǎn)移并進(jìn)入色譜分析系統(tǒng)。近年來,PTV大體積進(jìn)樣有不少新的發(fā)展，并已在實(shí)踐中證明對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中痕量物質(zhì)的分析起到了令人注目的積極的推動(dòng)作用，不少成就值得我們借鑒和參考。1原理和基本技術(shù)PTV進(jìn)樣器的基本結(jié)構(gòu)和常規(guī)的分流不分流進(jìn)樣器一致上端是注樣口和載氣入口，下端與毛細(xì)色譜柱相連接，下端旁側(cè)是分流閥。進(jìn)樣器內(nèi)置有襯墊管(liner)，襯墊管的內(nèi)徑自1mm到4mm,供不同進(jìn)樣量用，前者適用于10-25pL,后者適用于100-150pL,PTV的基本結(jié)構(gòu)示于圖1。

進(jìn)樣PTV大體積進(jìn)樣在樣品注入后涉及溶劑放空、不分流轉(zhuǎn)移和色譜三個(gè)階段（圖1）在樣品注入后（時(shí)），分流閥打開（圖1分流閥工作以虛線表示開，實(shí)線表示關(guān)）,PTV進(jìn)樣器先保持在低于所用溶劑的沸點(diǎn)溫度（0-50°C），此時(shí)在大流量的載氣沖吹下，溶劑蒸氣大部分放空,自分流閥逸出,高沸點(diǎn)的待測物則留在襯墊管上;然后分流閥關(guān)閉PTV進(jìn)樣器快速升溫，留在襯墊管上的待測物被全部轉(zhuǎn)移到色譜柱的頂端。轉(zhuǎn)移結(jié)束后分流閥再度打開,以除去進(jìn)樣器內(nèi)殘留的溶劑和一些非（難）揮發(fā)的基體雜質(zhì),此時(shí),色譜柱也開始程序升溫，“聚焦”于柱頂端的待測物開始進(jìn)入色譜工作狀態(tài)。在進(jìn)樣時(shí),一定要保證全部液體樣品留存在襯墊管里，不然部分樣品會(huì)被放空，導(dǎo)致待測物的回收率降低。不同口徑的襯墊所能容納最大的樣品量Wmax）如下：內(nèi)徑（mm）\r-nid.i(/J])填充襯墊管]10-25填充襯墊管4JOO-]5O空心襯墊管IV<5所謂Vmax是指在快速進(jìn)樣（進(jìn)樣時(shí)間1-2s）下，能進(jìn)入最大的而不造成溢流的進(jìn)樣量。溶劑的放空時(shí)間是PTV大體積進(jìn)樣的一個(gè)重要實(shí)驗(yàn)參數(shù)。確定放空時(shí)間的典型辦法是快速注入Vmax量的溶劑,PTV的溫度設(shè)在始溫（例如?30C）,分流速250mlmin,此時(shí)99%的溶劑以蒸氣形式通過分流閥放空。然后約1%進(jìn)入分析柱系統(tǒng)，直到襯墊管上的溶劑被蒸發(fā)逸盡為止。此時(shí)從色譜圖上（圖2）,根據(jù)溶劑峰的峰寬即可確定溶劑的放空時(shí)間,一般約30s-2min,如果樣品中含有揮發(fā)性組分，放空時(shí)間宜適當(dāng)縮短。溶劑放積0 12 3minffl2溶劑蒸發(fā)時(shí)間（放空時(shí)間,tv）的確定進(jìn)樣B60L1乙酸乙醍PTV溫度如也分流速.25口ml/min；GC柱溫花1如果進(jìn)樣量超過Vmax，可考慮采用多次進(jìn)樣或控速進(jìn)樣的進(jìn)樣方式。在多次進(jìn)樣方式中，每兩次進(jìn)樣間應(yīng)間隔相應(yīng)的放空時(shí)間?？厮龠M(jìn)樣方式是將進(jìn)樣速度放慢，控制進(jìn)樣速度稍大或相等于溶劑的蒸發(fā)速度，既不使低沸點(diǎn)待測物損失，又不致使樣品在襯墊管上溢出，造成樣品損失;進(jìn)樣結(jié)束后,還需要一定的額外放空時(shí)間，以除去殘留在襯墊管上的溶劑。在控速進(jìn)樣方式中，進(jìn)樣速度和最后的放空時(shí)間都需要找到最佳的條件。PTV進(jìn)樣器中襯墊管的裝填物對(duì)大體積進(jìn)樣的效果有很重要的影響。它不僅用來貯留液體樣品，而且還用來防止難（不）揮發(fā)的基體組分漏到色譜分析柱上。一般在襯墊管的底端熔焊有玻璃濾芯板。襯墊管和裝填物的材料均要求惰性，對(duì)待測物不發(fā)生不可逆或強(qiáng)烈吸附和熱降解作用。襯墊管一般以石英或玻璃制成，并經(jīng)硅烷化去活;裝填物以取低比表面積，惰性處理（酸洗，硅烷化）的硅藻土為宜，例如Mol等在環(huán)境樣品的分析中采用涂漬有Dexsil的Chomosorb750（80-100目）或未涂漬的Supelcoport（60-80目）為裝填物。Dexsil是聚碳硼甲基硅氧烷耐高溫（?400°C）Chromosorb750和Supelcoport都是比較惰性并經(jīng)酸洗和硅烷化的硅藻土材料。若待測物是揮發(fā)性物質(zhì)則可改用多孔高聚物材料，如具有聚苯醚結(jié)構(gòu)的Tenax或聚苯乙烯-二乙烯苯結(jié)構(gòu)的RLRP-S。為防止待測物在PTV進(jìn)樣器內(nèi)發(fā)生熱降解，可考慮采用程序調(diào)控壓力的辦法。先采用較高的進(jìn)口壓力，使減少待測物在襯墊管中處于高溫時(shí)的“停留”時(shí)間在完成轉(zhuǎn)移后，再恢復(fù)到分析的最佳柱壓條件。襯墊管的長度一般約25-30mm。2適用范圍在PTV的大體積進(jìn)樣中，只要待測物有比較低的蒸氣壓,在溶劑放空的過程中，將可定量地貯留在襯墊管里，不受損失。襯墊管的起始溫度應(yīng)低于待測物之沸點(diǎn)約200-250C，例如，若要貯留正十三烷（b.p234C），PTV的起始溫度可設(shè)在30C。由于溶劑對(duì)待測物有溶劑化作用（Solvation），所以能貯留的對(duì)象范圍要比想像的廣得多，而且由于在襯墊管內(nèi)的蒸發(fā)點(diǎn)因溶劑蒸發(fā)吸熱使實(shí)際溫度要低于原設(shè)計(jì)的起始溫度,使貯留的程度也得以加強(qiáng),例如在PTV進(jìn)樣器的起始溫度設(shè)為0C時(shí)，只要妥善調(diào)節(jié)好放空時(shí)間，正己烷中的正壬烷（b.p.151C）也可定量貯留［7］。在主溶劑中加入適量（?10%）的輔助溶劑（co-solvent），輔助溶劑的沸點(diǎn)稍高于主溶劑（例如在正己烷加入正辛烷）,當(dāng)主溶劑被氣化后,待測物能貯留在輔助溶劑上，這樣可減緩待測物中揮發(fā)性組成的氣化蒸發(fā)過程，減少損失。若把襯墊管中的裝填物改用具有強(qiáng)疏水吸附作用的多孔高分子材料（例如Tenax），也可減少揮發(fā)性組分的損失，但是由于其強(qiáng)疏水性,對(duì)于高沸點(diǎn)的組分就難以保證得到定量的轉(zhuǎn)移。在多次進(jìn)樣和控速進(jìn)樣方式中,由于在溶劑放空階段，在襯墊管內(nèi)的溶劑化效應(yīng)要弱得多,因此這兩種進(jìn)樣方式不太適用于揮發(fā)性待測物的分析。對(duì)于熱不穩(wěn)定或強(qiáng)吸附性的待測物，宜采用無填裝物的空襯墊管，管徑可較小，當(dāng)然也可考慮采用程序改變進(jìn)樣壓力的方式或柱上進(jìn)樣方式。一般待洲物揮發(fā)悝待劇物進(jìn)樣盈局<100-150 >100-襯墊管內(nèi)in)41-41填裝有任￡進(jìn)算方式快速蕓次或控速快速應(yīng)用范圍X?PTV始溫(03應(yīng)用范例PTV大體積進(jìn)樣最明顯的優(yōu)點(diǎn)是提高了色譜的檢出靈敏度。早期，在河水中多氯聯(lián)苯和毒殺芬的監(jiān)測中,水樣經(jīng)固相萃取后,作大體積進(jìn)樣(10L1)，經(jīng)毛細(xì)柱氣相色譜一一電子捕獲檢測，檢測限達(dá)10ng/L,比常規(guī)進(jìn)樣的靈敏度提高了10-25倍。Mol等針對(duì)河水中的有機(jī)氯農(nóng)藥和多氯聯(lián)苯，對(duì)照了川L(50ng/m1)的冷無分流進(jìn)樣和100pL(0.5ng/m1)的快速PTV進(jìn)樣，放空時(shí)間30s，兩者的結(jié)果完全一致;在多次進(jìn)樣方式中,0.17ng/m1的樣品重復(fù)進(jìn)樣三次，每次100pL,每次間隔30s和在控速進(jìn)樣同樣濃度樣品300pL,進(jìn)樣速度300pL/min，進(jìn)樣結(jié)束,再繼續(xù)放空30s,所得結(jié)果也較滿意，但發(fā)現(xiàn)可能由于溶劑中的雜質(zhì)，多出了幾個(gè)雜質(zhì)峰,對(duì)少數(shù)待測物的定量帶來了干擾。在常規(guī)的氣相色譜分析中,曾發(fā)現(xiàn)有些含磷或含氮農(nóng)藥，如甲胺磷、速滅磷、敵敵畏、磷胺、颯吸磷、樂果和蚜滅多等都易在進(jìn)樣器中受熱降解，導(dǎo)致回收率降低。在Mol等的實(shí)驗(yàn)中，河水經(jīng)固相萃取后，取60pL乙酸乙酯提取液作PTV大體積進(jìn)樣，襯墊管的填裝物是Dexsi1-Chromosob750,發(fā)現(xiàn)只有三個(gè)農(nóng)藥(磷胺、颯吸磷和蚜滅多)仍有明顯的降解外,其余農(nóng)藥(作者一共試驗(yàn)了32個(gè)含磷和含氮農(nóng)藥)的回收率均大有改善，符合定量分析要求，說明在PTV的大體積進(jìn)樣條件下，有利于減緩熱不穩(wěn)定性物質(zhì)的熱降解，究其原因，可能是在大體積進(jìn)樣時(shí)，提取液中殘留的基體雜質(zhì)，如腐殖酸等在進(jìn)樣器的襯墊管裝填物上發(fā)生了吸附屏蔽作用，減少了樣品的熱降解機(jī)會(huì)。此法的檢測限達(dá) 0.03-1ng/m1(河水)(氮磷檢測器,NPD)。Linkerhanger等應(yīng)用PTV大體積進(jìn)樣，測定了人體脂肪組織中殘留的硝基麝香物(Nitromusk)。硝基麝香是一系列多硝基的芳香化合物，包括二甲苯麝香，葵子麝香、麝香酮、西芷麝香等,常用為化妝品和洗滌劑的香味添加物,結(jié)合原子發(fā)射檢測器(AED)，檢測限達(dá)到ng/g水平，大大提高了痕量分析的檢測能力。從另一角度來看，如果允許保持原有的檢測能力，采用了PTV大體積進(jìn)樣技術(shù)，就可大大減少樣品用量，例如在環(huán)境水樣的分析中，原來需要取樣1-10L,現(xiàn)在只需取10-100ml，甚至1ml就足夠了。采用PTV大體積進(jìn)樣的另一特點(diǎn)是可以簡化原來的樣品前處理步驟。在河沉漬物（底泥）中多環(huán)芳烴的測定中，老方法是先將沉漬物經(jīng)索氏抽提，再將抽提液經(jīng)K-D濃縮，再經(jīng)氨基柱凈化,洗脫液在吹N2下濃縮，最后取1L1濃縮液進(jìn)行色譜分析。當(dāng)采用PTV大體積進(jìn)樣時(shí),這兩個(gè)濃縮步驟均可省略,最后取50L1洗脫液進(jìn)行色譜分析。沉漬物的用量都是10g，老方法中的川L采樣相當(dāng)于5mg沉漬物，而后者的50pL取樣相當(dāng)于2.7mg沉漬物。多數(shù)化合物的檢測限為0.75ng/g（沉漬物）,其中萘的回收率偏低（34%），但重現(xiàn)性可以接受。在這個(gè)方法中用MS-SIM進(jìn)行檢測,RSD優(yōu)于5%。Vreuls報(bào)導(dǎo)了用PTV進(jìn)樣器直接注入含水樣品,分析對(duì)象是水中的氯苯和酚，進(jìn)樣量為100gL,并把這個(gè)方法命名為固相萃取-熱脫附法（SPETD）。Mol曾比較了SPETD和其他大體積進(jìn)樣方式,認(rèn)為前者適用于非極性物質(zhì)，后者適用于極性物質(zhì)。Muller直接在PTV進(jìn)樣器注入自來水（500pL），以測定其中的殘留農(nóng)藥。襯墊管的填充是Tenax,發(fā)現(xiàn)對(duì)若干化學(xué)和熱不穩(wěn)定性的待測物（如樂果、甲胺磷等），回收率僅及50%。其實(shí)，如前所述，在這類裝填物上,高沸點(diǎn)的待測物都存在低回收率的缺點(diǎn),看來直接進(jìn)水樣進(jìn)行分折尚存在不少困難，技術(shù)尚未成熟。將PTV進(jìn)樣器作為在線固相萃取與色譜分析系統(tǒng)的接口，組成完整的自動(dòng)在線分析系統(tǒng),其間以自動(dòng)切換閥相連，例如Staniewski以聚苯乙烯-二乙烯苯多孔樹脂（RLRP-S）為固相萃取預(yù)柱，以裝有去活化玻璃小珠為PTV進(jìn)樣器襯墊管的填充物。進(jìn)1ml水樣,固相萃取的洗脫液（乙酸乙酯）50pL引入毛細(xì)柱色譜系統(tǒng)，檢測限為pg/L水平（氫焰離子化檢測器,FID）。Mol等以聚甲基硅氧烷涂層的毛細(xì)柱為萃取柱（2mX0.50內(nèi)徑）（液膜厚度5pm）,然后用正己烷洗脫（100pL）,檢測水中的有機(jī)氯農(nóng)藥