顶空气相色谱分析

顶空气相色谱分析第1页/共59页概述色谱分析中60％的时间用于样品预处理，10～15％用于色谱分析，其它用于数据处理等。如何加快和简化样品预处理成为提高分析效率的关键。样品预处理的方法很多，如固相萃取（SPE）、固相微萃取（SPME）、超临界流体萃取（SFC）等。当我们只对挥发性成分感兴趣时，顶空气相色谱法是一种简单有效的方法。第2页/共59页1.什么是顶空色谱AHS—Autoheadspace1939年出现顶空分析1967年PE第一台用于GC的自动顶空进样器1958年顶空分析水中的氢气第3页/共59页所谓顶空（headspace)GC分析就是取样品基质（固体和液体）上方的气相部分进行色谱分析。也称之为液上色谱分析。顶空分析出现于1939年，比GC早。由于GC是专门用于气体或挥发性物质的，所以GC和HeadspaceAnalysis的结合是很自然的。1958年用顶空GC分析水中氢气含量，1962年出现商品化顶空进样器。现在，顶空GC已成为普遍使用的技术，它可以用于药物（中药或西药）中的溶剂残留、聚合材料中的残留溶剂和单体、废水中的挥发性有机物、食品中的气味成分、血液中的挥发性成分等的分析。第4页/共59页顶空GC分析基本原理理论依据：在一定条件下气相和凝聚相（液相或固相）之间存在着分配平衡。

一容积为V、装有体积为Vo浓度为Co的液体样品的密封容器,在一定温度下达到平衡时，气相体积为Vg，液相体积为Vs，气相样品浓度为Cg，液相中样品浓度为Cs,则：平衡常数K=Cs/Cg

相比β=Vg/VsV=Vs+Vg=Vo+Vg

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因为是密封容器，所以

CoVo=CoVs=CsVs+CgVg=KCgVs+CgVgCo=KCg+CgVg/Vs=KCg+βCg=Cg(K+β）

Cg=Co/(K+β）＝K'Co

因此，在平衡状态下，气相组成与样品原组成为正比关系。第6页/共59页顶空气相色谱分析的优点固相萃取和液相萃取时不可避免地带入共萃取物干扰分析。顶空分析可看成是气相萃取方法，大大减小样品基质对分析的干扰。顶空分析有不同的模式，可适合各种样品。顶空分析的灵敏度能满足法规的要求。与GC的定量分析能力相结合，顶空GC完全能够进行准确的定量分析。第7页/共59页顶空分析的特点简单方便污染小可自动化线性范围窄，在0.1%-1%以下优点：缺点：基体干扰小第8页/共59页顶空气相色谱样品放入第9页/共59页内部结构加热电磁阀压力调节第10页/共59页顶空气相色谱的分类顶空GC通常包括三个过程：取样、进样和GC分析。根据取样和进样方式不同，顶空分析可分为静态顶空GC分析和动态顶空GC分析。第11页/共59页顶空气相色谱的分类

静态顶空手动进样注射器进样（上海金凯德DJ-200T）

定量管进样自动进样装置注射器进样（岛津HSS-3A/2B）

压力平衡顶空进样（PE的HS-100)

压力控制定量管进样

动态顶空（吹扫-捕集）第12页/共59页注射器进样第13页/共59页定量管进样第14页/共59页注射器进样

与普通自动进样器类似，只是增加了加热功能，并且采用气密注射器。

第15页/共59页压力平衡顶空进样第16页/共59页压力控制定量管进样第17页/共59页吹扫-捕集第18页/共59页1.样品管2.玻璃筛板3.吸附捕集器4.吹扫气入口5.放空6.储液瓶7.六通阀8.GC载气9.可选择的除水装置和／或冷阱10.GC第19页/共59页静态与动态顶空分析过程第二步取样分析加热平衡第一步吹扫捕集第一步热解析-检测第二步清洗第三步静态顶空分析过程动态顶空分析过程第20页/共59页静态和动态顶空气相色谱分析的特点静态顶空气相色谱分析动态顶空气相色谱分析

两相间存在平衡的问题

不需要用气体吹扫

样品存在于平衡的气相中

样品用气密性注射器进样没有两相间存在平衡问题要用气体吹扫液相或固相用吸附剂吸附样品并浓缩（或用冷阱富集）样品从吸附剂上脱附进入色谱柱第21页/共59页

静态顶空VS动态顶空第22页/共59页静态顶空气相色谱静态顶空气相色谱分析：是将样品密封在一个容器中，在一定温度下放置一段时间，使两相达到平衡，然后取气相进行分析。工作原理：样品置于温度调节装置中，在预定温度下处理一定时间，使样品相与气相达到平衡，随后载气流将顶空气体的一个等分试样导入色谱柱，各挥发性成分在色谱中按常规方法被分离，由此可以确定原样品中各挥发性成分的种类及其浓度。第23页/共59页静态顶空制样装置1:恒温液出口；2:注射器入口；3:恒温器；

4:放置样品口；5:恒温液入口；6:样品第24页/共59页自动进样装置：

A:采用自动注射器取样进样

B:压力控制定量管进样:采用运载气体通过压力控制取样进样第25页/共59页静态顶空色谱的应用第26页/共59页特点：操作方便，简单，快速，清洁，易实现自动化。应用领域：⑴一般痕量分析HS-GC和DGC都可实现对超低浓度待分离成分的测定。对水中卤化氢的测定，含量在微克每升水平，可通过HS-GC完成测定（图9-6），啤酒中二元酮的测定，被鉴别出的两种化合物浓度都在12～25µg/L水平。第27页/共59页第28页/共59页

对于固体样品，可以加入液体改性剂来克服固体表面的强吸附性、减少平衡时间提高灵敏度，如对咖啡粉中1,2-二氯乙烯的浓度分析。第29页/共59页⑵超痕量分析解决待测样品浓度太低的办法是低温积聚法，即通过低温捕集将顶空样品中的待分离成分与大量气体分开，可在色谱柱前增加一个小低温捕集器，使挥发性成分被浓缩。第30页/共59页第31页/共59页清洁剂中挥发性化合物分析第32页/共59页⑶在样品瓶中反应在样品瓶顶空进行化学反应，是不挥发前体物质分子产生挥发性衍生物，或者消除其他可能干扰HS-GC分析的某些样品成分。应用：①应用低温积聚和减少样品成分的方法分析啤酒样品，在样品液中添加氢氧化钠溶液，可消除游离酸和酯的干扰。

第33页/共59页第34页/共59页②奶油巧克力中乳脂的测定。通过添加甲醇和甲醇钠，利用酯交换反应使甘油丁酸酯转为挥发性的丁酸甲酯。

第35页/共59页③泡菜中乳酸含量的测定，通过添加甲醇和硫酸氢钠，使其中的游离酸转化为挥发性甲酯。第36页/共59页⑷非平衡静态顶空气相色谱研究热敏性样品时，高温长时间平衡会导致成分发生变化，因此采用非平衡静态顶空法制样。如对生洋葱的特征性气味成分的分析。第37页/共59页⑸用HS-GC进行图样分析/指纹识别根据图谱的显著特性，识别特殊样品。如辨别优质薄荷油和变质薄荷油；生番茄、番茄汁和蔬菜汁（番茄汁为主要成分）的分析图谱区别。第38页/共59页第39页/共59页炸薯片的哈败程度第40页/共59页6.血液中乙醇含量测定a.标样b.酒后驾车司机的血样乙醇丙醇第41页/共59页7、聚苯乙烯中苯乙烯单体的分析苯乙烯内标第42页/共59页8、啤酒中挥发性成分分析1.乙醇；2.正丙醇；3.乙酸乙酯；4.异丁醇；5.正丁醇（内标）；6.3一甲基丁醇；7.2一甲基丁醇；8.乙酸异丁酯；9.丁酸乙酯；10.乙酸异戊酯；11.己酸乙酯；12.辛酸乙酯第43页/共59页9、原料药中溶剂残留分析限度要求：甲醇（≤0.3%）、乙醇（≤0.5%）、异丙醇（≤0.5%）、二氯甲烷（≤0.06%）、苯（≤0.0002%）、甲苯（≤0.089%）DMSO甲苯苯甲醇、乙醇、异丙醇、二氯甲烷第44页/共59页影响静态顶空气相色谱的因素样品的性质进样量平衡温度平衡时间与样品瓶有关的因素：样品瓶、密封垫第45页/共59页动态顶空技术

——吹扫－捕集动态顶空制样：样品经过惰性气体（吹扫气体）的连续吹扫，可使其中的挥发性成分完全进入气相。用流动的气体将样品中的挥发性成分“吹扫”出来，再用一个捕集器将吹扫出来的物质吸附下来，然后经热解吸将样品送入GC进行分析。因此称为吹扫－捕集（purge＆trap)进样技术。

第46页/共59页动态顶空气相色谱工作原理挥发性成分惰性气体流进入低温或者装有吸附剂的捕集器，待分析挥发性成分被收集在捕集器中，吸附结束后，快速加热捕集器，用载气将其中被浓缩的或者被吸附的待分析气体吹扫出来，直接进入气相色谱分析。

动态顶空萃取→吹扫捕集→热解吸→GC分析第47页/共59页第48页/共59页进样过程初始状态加压进样吹扫电磁阀电磁阀压力调节压力调节压力调节压力调节电磁阀电磁阀电磁阀电磁阀压力调节压力调节电磁阀电磁阀压力调节压力调节第49页/共59页操作参数/影响因素1.温度：样品吹扫温度、捕集器温度、连接管路温度2.吹扫流速和吹扫时间第50页/共59页特点及应用重现性非常好。应用于各个领域，如对水中挥发性有机化合物的测定，可检测到水中微克每升含量水平的挥发性成分。第51页/共59页水中有机物分析（EPA502.2)第52页/共59页顶空相关的标准SF/ZJD0107001-2010血液中乙醇的测定顶空气相色谱法YC/T207-2006卷烟条与盒包装纸中挥发性有机化合物的测定顶空-气相色谱法GB/T14943–94食品容器、包装材料用聚氯乙烯树脂及成型品中残留，1，1–二氯乙烷的分析方法GB/T4615-2008聚氯乙烯树脂残留氯乙烯单体含量的测定气相色谱法GA/T105-1995血、尿中乙醇、甲醇、正丙醇等的定量分析GB/T5750.8-2006生活饮用水标准检验方法YBB_0015-2003_偏二氯乙烯单体测定法第53页/共59页美国EPA方法EPA方法样品基质分析对象进样方式色谱柱检测器501饮用水三卤代甲烷吹扫-捕集直接进样静态顶空非极性大口径毛细柱ELCDECD502.28021饮用水、废水、固体废弃物挥发性有机物吹扫-捕集直接进样静态顶空弱极性或非极性大口径毛细柱ELCDPID524.1524.2624，80248260CLP饮用水废水固体废弃物挥发性有机物吹扫-捕集直接进样静态顶空弱极性或非极性大口径毛细柱MSD601饮用水、废水挥发性卤代烃吹扫-捕集静态顶空弱极性或非极性大口径毛细柱ELCDPIDECD602503.18020饮用水、废水固体废弃物挥发性芳烃和不饱和烃吹扫-捕集静态顶