大体积进样技术

大体积进样技术《气相色谱方法及应用》一、提高分析灵敏度的方法提高分析灵敏度几乎是分析化学的一个永恒话题。

就GC分析来说，仪器制造者和分析工作者总是设法制造高灵敏度的仪器和开发高灵敬度的方法。

尤其在环境分析、药物分析和食品分析方面,有关法规方法对灵敏度有很高的要求正是这种要求促进了仪器的发展，而仪器的发展有使法规制定者提出更高的检测灵敏度要求，这种互动是循环往复的。

那么在GC 分析中有哪典提高灵敏度的方法呢?1. 样品浓缩样品浓度低于仪器检测限时，采用浓缩方法往往是提高分析灵敏度的有效途径。

比如分析水和食品中的残留农药时，其浓度常常是ppb（10-9g/ml）到ppt（10-12g/ml）级，即使采用不分流进样注射5μL样品。

单一组分的绝对进样量也难达到10-12g。

一般GC检测器是达不到这一检测限的。

所以必须对样品进行浓缩.常用的方法有：（1）液-液萃取之后挥发溶剂，然后再定容；（2）用固相萃取（SPE）进行浓缩。

这两种方法均可使样品浓缩几个数量级，因而广泛应用于实际分析中(参见《色谱分析样品处理》分册)。

但这种浓缩方法的明显缺点是费时、费溶剂、有可能损失样品、以及污染环境。

近几年迅速发展起来的超临界流体苯取（SFE）和固相微萃取（SPME）技术越来越多地应用于色谱分析中。

尤其后者被认为是无溶剂萃取方法，它可与GC直接联用。

实现自动分析。

采用聚硅氧烷涂渍的萃取探头，用于GC/MS分析。

可检侧到水中1～20pg多环芳烃。

这是一种很有用的样品制备方法，目前已有几种极性和非极性探头涂层。

2. 使用选择性高灵敏度检侧器这也是色谱工作者提高分析灵敏度的常用方法。

如分析含卤素化合物时采用ECD，分析含氮和含磷化合物时采用NPD，分析含硫和含磷化合物时用FPD等。

还可用AED、MSD 等较高灵敏度的通用型检侧器(参见《气相色谱检侧方法》分册)。

3. 降低仪器系统噪声仪器系统噪声通常来自两个方面。

一是仪器本身。

如检测器噪声、电路噪声、色谱住固定相流失等；二是样品基质。

如食品萃取物中含有很多杂质。

前者可以通过采用选择性检渊器和低流失色谱柱来实现抑制。

后者则需要对样品进行纯化。

如采用SPE技术.但这同样有费时和样品损失的问题。

另外。

还可以采用顶空进样来消除样品基质的干扰，但这些方法只能很有限地提高灵敏度。

4. 改进进样方式前面已经介绍过不分流进样、冷柱头上进样和程序升温进样技术，它们都可在一定程度上提高分析灵敏度，同时简化样品处理步骤，近年发展起来的大体积进样（LVI）技术更是一种有效提高灵敏度的方法采用比常规GC大几十到几百倍的进样量（5～500μL）就可提高灵敏度一到两个数量级。

目前，很多商品仪器提供这种功能，下面我们就讨论LVI技术及其应用。

二、实现大体积进样的方式涉及到毛细管GC时，人们都会强调柱容量问题。

进样量大时很容易造成超载，从而减低分离度、使峰形畸变，影响柱性能。

但是对于浓度很低的样品，超载问题只与溶剂有关。

所以，只要有效地消除溶剂，不让过多的样品进入色谱柱，就可以加大进样量，以提高灵敏度。

这就是所谓LVI技术。

有些仪器可配置专门设计的LVI进样口，而另一些则是基于已有的进样口设计，附加一些配件来实现LVI。

无论何种配置，其原理都是相同的，一是基于冷柱上进样，.二是基于FTV技术。

(一)用冷柱上进样口实现大体积进样在讨论冷柱上进样口时我们强调它适合于分析热不稳定样品。

当用于LVI时，需要增加溶剂放空装置。

图4-7所示为典型的用冷柱上进样口实现LVI的仪器配置。

其中保留间隙管用于实现样品的溶剂聚焦，预柱则用来进行固定相聚焦。

放空阀开启时，仍有一小的气流通过阻尼管放空，这主要是为了防止放空管中的溶剂气体反扩散进入分析柱。

实际分析中若进样量不大，可不用溶剂放空装置。

保留间隙管直接与分析柱相连，这就是冷柱上进样分析。

当进样量大时，若无溶剂放空装置，保留间隙管和预柱就会超载。

图4-8就说明了这一点。

当进样量小于20μL时[图4-8(a)和(b)]，分离结果良好。

而当进样量达到25μL时[图4-8(c)]，峰形就严重畸变。

故用冷柱上进样口进行LVI分析时，最好连接溶剂放空装置，这样做的另一个好处是有利于降低溶剂敏感型检侧器(如ECD和NPD等〕的背景噪声，进一步提高分析灵敏度。

用配备溶剂放空装置的冷柱上进样口实现LVI的分析过程如下：进样时和进样后，打开溶剂放空阀，控制柱箱温度使溶剂选择性地汽化。

由于溶剂放空出口的气阻远小于分析柱的气阻，所以大量的济剂气体道过放空阀被排出仪器系统。

当大部分溶剂气体放空后，关闭放空阀，同时开始升高柱温，使残留溶剂和待测样品组分汽化进入分析柱进行分离，GC基木操作条件的优化类似于冷柱上进样。

用带溶剂放空装置的冷柱上进样口实现LVI时重要操作参数是溶剂放空阀的关闭时间。

时间太短会造成分析柱中溶剂超载，影响分离效果；时间太长又会造成低沸点样品组分随溶剂放空，影响分析准确度。

故此参数需要根据所用溶剂的性质(沸点)、初始柱温、载气流速和进样体积进行优化设置。

现在有一种计算机软件可根据相关系数自动计算出合理的溶剂放空时间，简化了用带溶剂放空装置的冷柱上进样口实现LVI时的方法开发。

与冷柱上进样类似，上述LVI技术适合于分析较低沸点样品组分，这是因为通过选择性溶剂挥发可使沸点接近于溶刘的组分保留在预柱中。

此外，这种LVI技术要求样品相对干净(如饮用水提取物等)，“脏”的样品(如废水萃取物、食品提取物等)会很快污染保留间隙管和预柱，从而影响后续分析工作。

解决的办法是经常更换保留间隙管和预柱(降低了工作效率，提高了分析成本)，二是下面介绍的利用PTV进样口实现LVI。

图4-8 采用冷柱上进样口实现LVI时不用溶剂放空装置的分析结果比较(二)用PTV进样口实现大体积进样前面介绍PTV进样口时。

我们就指出它适合于LVI分析。

事实上，文献报道的LVI应用多数是采用PTV的。

这主要是因为PTV进样时是在衬管中汽化的，不挥发物滞留在衬管中可以保护色谱柱不被污染，故很适合分析“脏”的样品。

尤其是环境污染物，如农药和多环芳烃等。

PTV用于LVI时采用溶剂消除模式，可以用手动进样，也可以用自动进样器进样。

为保证进样的重现性，最好采用自动进样器进样。

配备50μL往射器的普通自动进样器一次可进样25μL。

如果需要更大体积的进样量，可采用分次累积进样方法。

还有一种可变速大体积自动进样器，更适合于LVI分析。

但在具备普通自动进样器的条件下再买一台可变速自功进样器显然会增加分析成本。

采用PTV进样口，用普通自动进样器进行LVI分析的步操如下:第一步，进样和溶剂放空。

进样过程中将柱前压调节为零，以避免或减小柱内载气流速（防止大量溶剂进人色谱柱)。

此时柱温较低，不会发生固定相降解的问题。

而如果使用MSD时柱内仍有一定的载气流量。

与此同时，将分流出口的流最设置为100～150mL/min。

样品以液体状态进入冷的衬管，溶剂及部分低沸点组分随载气从分流出口放空(这与样品浓缩时在液氮吹扫下挥发溶剂的过程相同)。

当大部分溶剂挥发放空后，可进行第二次进样，再重复以上溶剂放空过程口直到完成所需进样最后，衬管中累积了足够的待测物。

注意，待测物的沸点应比溶剂的沸点高100℃以上，否则部分待测物会随溶剂放空。

用分次累积进样时、两次进样之间的时间差对分析结果影响很大。

时间差太小，即进样太快时，衬管内会充满液体，液体样品可能会随载气被故空，导致分析结果偏低。

图4-9(b)就反映了这种情况。

反之。

如果进样间隔太长，挥发性组分就会损失史多，导致分析回收率降低[如图4-9(c)]。

所以，开发一个新的方法时，需要根据溶剂性质，分流出口流量和进样口的初始温度来优化确定进样间隔。

第二步，不分流转移样品。

当最后一次累积进样的溶剂大部分放空后，关闭分流放空阀。

同时将柱前压调节到分析所需值，然后开始进样口程序升温，直到温度达到或接近待测物中最重组分的沸点。

在此过程中，样品组分依次汽化进人色谱柱。

进样口升温速率的快慢主要取决于样品的性质，热不稳定的样品需要较慢的升温速率，以保证待测物不发生热分解口对于热稳定的样品，则最好用最快的升温速率，以使样品组分进人色谱柱的初始谱带尽可能地窄。

在转移样品过程中。

柱箱温度一般设置在低于溶剂沸点30度到高了溶剂沸点20度之间。

如果要测定低沸点组分，则柱箱温度低一些有利于实现其溶剂聚焦;反之，箱温度高一些有利于缩短分析时间.第三步，色谱分离。

当样品转移到色谱柱后。

就开始柱箱程序升温分析。

与此同时，将分流放空出口气流恢复到30～50ml/min。

必要时可以在色谱柱箱升温之前，将分流出口流量调节到1000ml/min，进样口温度升至最高，用2min左右的时间把滞留在衬管中的高沸点残留物汽化放空，以避免其对后续分析的影响。

之后，将分流出门气流恢复到3-50m1/min。

同时开始柱箱程序升很完成GC分析。

在用PTV进行LVI分析时，还应考虑进样口衬管和隔垫问题。

进样口衬管首先要惰性好，以避免样品组分的吸附和分解。

其次是容积要小。

有利于减小样品初始谱带宽度。

第二是比表面要大，足以承受LVI，并加快升温过程中样品组分的汽化速度。

图3-7中I所T衬管是比较适合PTV进样的。

若要分析较低沸点组分，衬管内可填充适量经硅烷化处理的石英玻璃毛或其他填料，以保留低沸点组分。

防止其随溶剂放空而损失。

图4-10就证明了这种效果。

当用空衬管时，十八烷(C18)以前的组分均有损失[图4-10(a) ];当用填充玻璃毛的衬管时，十四烷（C14）也可获得接近100％的回收率。

然而，分析极性化合物时，填充物的活性是一个应该注意的问题。

如果对样品组分的保留作用很强，转移样品进人色潜柱时进样口温度就要更高一些。

用PTV进样口多次累积进样时，隔垫、包括样品瓶的密封垫经多次穿刺后很容易漏气，还可使隔垫碎屑进入汽化室，造成干扰[如图4-10(a)所示]。

故分析过程中要注意检查隔垫并及时更换。

采用无隔垫进样口应该是一个更好的选择。

图4-10 衬管内有无填充物对PTV-LVI分析的影响(a)空衬管；(b)填充优玻璃毛的衬管。