顶空进样基础知识

什么是顶空？

气相色谱顶空进样 — 基础知识

顶空进样是气相色谱 (GC) 和气质联用系统 (GC/MS) 的一种进样技术。顶空技术分析的是气体层或样品瓶中样品上方的顶空，而不是从样品层中吸取样品（图 1）。顶空分析要求目标化合物具有易挥发性，而样品的其余部分则不易挥发或为非挥发性物质。当样品类型为固体、粘性液体、血液或药物时，该技术是费时费力的提取方法的理想替代选择。

顶空样品瓶通常比许多液体进样系统中使用的 2 mL 样品瓶的体积更大。常用容量为 10、20 或 22 mL。大样品瓶可容纳较大的样品体积和/或样品上方较大的顶空。由于顶空技术非常适用于挥发性化合物，使用高质量样品瓶和瓶盖形成严密密封对于成功分析至关重要。

图 1：样品瓶中样品和顶空的示意图

气相色谱顶空的优势

顶空进样为气相色谱分析提供了多种优势。

与几乎所有基质兼容。样品本身不必挥发或溶解于适合气相色谱的液体中。
仅需极少样品前处理或无需样品前处理。由于样品前处理可能会向整个工作流程中引入错误，因此该技术可提高结果的重现性。
溶剂峰较小。在许多应用中，引入气相色谱仪的溶剂量明显少于液体进样中的溶剂量。在这些情况下，溶剂峰较小，不太可能干扰目标分析物。
仪器正常运行时间延长。使用更清洁的样品减少了气相色谱进样口、色谱柱、检测器或质谱仪离子源的维护需求。
提供更出色的灵敏度、精度和线性。

顶空进样器的关键部件

阀与定量环顶空进样系统（例如 Agilent 7697A 和 8697 型号）使用以下部件。

在气相色谱开始运行之前，温控柱温箱提供恒定的样品孵育温度。
进样探针穿刺样品瓶，允许样品瓶内形成以下两种条件：1) 添加气体以增大样品瓶压力，以及 2) 将样品从样品瓶转移至顶空定量环。
加热样品定量环包含固定体积的样品，用于重复进样。
加热进样阀支持两个独立的通道，可减少交叉污染，并确保通往气相色谱仪的载气流不会出现中断。
加热传输线创建了一个温控通道，将样品内容物从顶空进样器转移到气相色谱仪进行分析。

顶空进样流程

将样品转移到适合顶空分析的样品瓶中，并立即加盖，尽可能减少挥发性组分的损失。顶空样品瓶加盖后，这些低沸点化合物开始在样品和顶空层之间转移，最终达到平衡（图 2）。建立平衡所需的时间具有样品依赖性，由实验确定。通过在柱温箱或其他温控环境中孵育样品瓶来优化这一时间。

图 2：挥发性内容物从样品层逸出并在样品和顶空之间建立平衡的示意图

一旦建立了平衡，就可以开始进样过程。阀与定量环设计（图 3）包括三个基本步骤。

第 1 步通过注入额外的气体增大样品瓶内的压力。
第 2 步释放样品瓶内的部分压力，有效地用样品气相回填样品定量环。
第 3 步转动进样阀，通过传输线将样品注入气相色谱进样口进行分析。

现代顶空仪器采用全自动进样过程，提供适用于多种情况的工具来帮助实验确定特定样品类型的理想时间和压力。

图 3：阀与定量环工作原理三步示意图

成功顶空分析的重要因素

顶空浓度与气相色谱检测器响应关系的数学表达式为：

A ∝ C_G = C₀/(K + β)

该方程表明，检测器得到的峰面积 (A) 与样品瓶气相中的分析物浓度成正比。浓度 (C_G) 定义为加入的样品浓度 (C₀) 除以两个样品特定项之和：分配系数 (K) 和相比例 (β)。为了大幅提高检测器响应，选择 K 和 β 的条件时应使两者之和尽可能减小，从而增大样品气相中挥发性目标分析物的比例。通过优化样品体积和分析物的溶解度可以实现这一目标。

样品体积。相比例 (β) 定义为样品瓶内气相和液相的相对体积（图 4）。相比例受样品瓶尺寸和样品体积的影响。在优化相比例时，最佳做法是在样品瓶中保留至少 50% 的顶空。因此，使用 20 mL 样品瓶代替 10 mL 样品瓶可以获得更大的样品体积（图 5）。同样，在相同尺寸的样品瓶中增加样品体积也会使 β 值减小（图 6）。

图 4：相比例为样品瓶内顶空与样品的体积之比

图 5：为了显示相比例对结果的影响，在 10 mL 和 20 mL 样品瓶中制备的相同 4 mL 样品的叠加色谱图

图 6：显示 10 mL 样品瓶中不同样品体积的影响的叠加色谱图

样品溶解度。从化学角度而言，如果分析物能够从样品中逸出并进入顶空，则可以获得理想的顶空结果。相应的参数称为分配系数 (K)，是样品浓度 (C_S) 和气相浓度 (C_G) 的温度依赖性表达式。这一比较如图 7 所示。在液体样品中，调整溶剂或加入非挥发性盐可能是影响 K 的重要因素。在固体样品中，有时少量的溶剂可以帮助在分析中产生更有利的 K 值。

图 7：通过比较样品中特定化合物的浓度与顶空中相同分析物的浓度来定义分配系数

为了展示温度对 K 的影响，图 8 显示了在不同温度下平衡 20 分钟的样品色谱图。在较高的温度下运行获得了较高的检测器响应，表明气相中存在更多的分析物。例如，在 40 °C 时，乙醇水溶液的 K 值约为 1350。在 80 °C 时，K 值降至约 330。在某温度设定值处，检测器响应不会随着温度的升高而进一步增大，表明 K 已降至最低。注意，最高柱温箱温度应保持在溶剂沸点以下 20 °C 左右。

图 8：在不同温度下平衡 20 分钟的重复试样叠加色谱图

其他顶空参数也会影响检测器响应。平衡时间、样品瓶振荡、样品定量环体积和样品定量环压力等设置可以提高分析的一致性和重现性。有关这些因素以及可能影响顶空分析的其他因素的更完整概述，请观看此网络研讨会。

使用多次顶空萃取提高准确度

上述顶空进样过程为每个样品瓶进行一次萃取。然而，当存在干扰基质或无法制备具有相同基质组成的校准标样时，定量结果可能不准确。多次顶空萃取 (MHE) 使用同一个样品瓶进行一系列循环进样。对样品加压，从顶空取样并进样至气相色谱仪。多次重复这一过程以获得最终结果。多次顶空浓缩 (MHC) 与 MHE 相同，但每次顶空取样后并非直接进样至气相色谱仪，而是在气相色谱进样口中使用冷阱对样品进行浓缩。