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气相色谱的程序升温蒸发中大体积进样技术

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摘 要 PTV大体积进样是气相色谱中新近发展出来的一个辅助技术,对环境污染物分析生化物质分析及一般有机痕量分析很有应用价值。该文就其原理、基本技术和应用范围作了介绍,并列举了一些应用范例。
关键词 PTV大体积进样 气相色谱 有机痕量分析

    所谓PTV大体积进样是指利用可快速程序升温设计的进样器实施大体积进样,这是近年来应生化和环境样品的分析需要而发展出来的一项新技术,是有机痕量分析的新进展。如所周知,生化样品和环境样品的分析是复杂系统中的痕量分析课题。尽管近代色谱技术,由于其高效、快速和选择性好,并易于与质谱联机,形成融分离-定性-定量于一体的联机技术,已经得到广泛的应用,其中气相色谱,特别是毛细柱气相色谱最为广泛应用,但是毛细柱气相色谱的样品容量很小,仅能接受微升级(一般≤1μL)的进样量,无论是采用柱上进样方式(on-column injection)还是分流不分流方式(splitsplitless injection),稍大的进样量,都会严重影响定性或定量分析效果。为此,生化样品或环境样品在色谱分析前都需要有严格的样品前处理工作,包括待测物的富集和净化。样品前处理工作主要有液液萃取、固相萃取,索氏抽提和超临界提取等,大多数方法都是设法把待测物与基体和干扰物质分开,并最终把待测物集中到合适的有机溶剂中,经过浓缩,取少量浓缩液进行色谱分析。前处理步骤冗长,特别是其中的浓缩一步极易导致待测物损失和引入外来干扰,由于色谱进样量只能取浓缩样品的11000或更少,因此检测能力也大受限制。大体积进样就是设法把色谱进样量增加一百倍或更多(>=100μL),既节省大量的人力物力和时间,又大大提高了检测能力和分析精度。

     Grob K于1980年在发展液相色谱――气相色谱的联机分析技术中研究了柱上进样方式的大体积进样,但柱上进样方式对复杂系统的样品不甚适用,因为样品中存在的非挥发性组分(基体)会损害色谱分析柱的效能。分流不分流进样方式可以接受比较“脏”的样品,其中程序升温蒸发(ProgrammedTemperatureVaporization)(PTV)设计是实现大体积进样的关键。利用可以快速程序升温的进样器设计,以~10℃/s的升温速度,从初温升到300℃,使样品中的绝大部分溶剂(99%)先气化排空,仅允许痕量的待测物转移并进入色谱分析系统。

    近年来,PTV大体积进样有不少新的发展,并已在实践中证明对复杂系统中痕量物质的分析起到了令人注目的积极的推动作用,不少成就值得我们借鉴和参考。
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1 原理和基本技术
    PTV进样器的基本结构和常规的分流不分流进样器一致,上端是注样口和载气入口,下端与毛细色谱柱相连接,下端旁侧是分流阀。进样器内置有衬垫管(liner),衬垫管的内径自1mm到4mm,供不同进样量用,前者适用于10-25μL,后者适用于100-150μL,PTV的基本结构示于图1。

    PTV大体积进样在样品注入后涉及溶剂放空、不分流转移和色谱三个阶段(图1)在样品注入后(时),分流阀打开(图1分流阀工作以虚线表示开,实线表示关),PTV进样器先保持在低于所用溶剂的沸点温度(0-50℃),此时在大流量的载气冲吹下,溶剂蒸气大部分放空,自分流阀逸出,高沸点的待测物则留在衬垫管上;然后分流阀关闭PTV进样器快速升温,留在衬垫管上的待测物被全部转移到色谱柱的顶端。转移结束后分流阀再度打开,以除去进样器内残留的溶剂和一些非(难)挥发的基体杂质,此时,色谱柱也开始程序升温,“聚焦”于柱顶端的待测物开始进入色谱工作状态。在进样时,一定要保证全部液体样品留存在衬垫管里,不然部分样品会被放空,导致待测物的回收率降低。不同口径的衬垫所能容纳最大的样品量(Vmax)如下:



    所谓Vmax是指在快速进样(进样时间1-2s)下,能进入最大的而不造成溢流的进样量。溶剂的放空时间是PTV大体积进样的一个重要实验参数。确定放空时间的典型办法是快速注入Vmax量的溶剂,PTV的温度设在始温(例如~30℃),分流速250mlmin,此时99%的溶剂以蒸气形式通过分流阀放空。然后约1%进入分析柱系统,直到衬垫管上的溶剂被蒸发逸尽为止。此时从色谱图上(图2),根据溶剂峰的峰宽即可确定溶剂的放空时间,一般约30s-2min,如果样品中含有挥发性组分,放空时间宜适当缩短。


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    如果进样量超过Vmax,可考虑采用多次进样或控速进样的进样方式。在多次进样方式中,每两次进样间应间隔相应的放空时间。控速进样方式是将进样速度放慢,控制进样速度稍大或相等于溶剂的蒸发速度,既不使低沸点待测物损失,又不致使样品在衬垫管上溢出,造成样品损失;进样结束后,还需要一定的额外放空时间,以除去残留在衬垫管上的溶剂。在控速进样方式中,进样速度和最后的放空时间都需要找到最佳的条件。PTV进样器中衬垫管的装填物对大体积进样的效果有很重要的影响。它不仅用来贮留液体样品,而且还用来防止难(不)挥发的基体组分漏到色谱分析柱上。一般在衬垫管的底端熔焊有玻璃滤芯板。衬垫管和装填物的材料均要求惰性,对待测物不发生不可逆或强烈吸附和热降解作用。衬垫管一般以石英或玻璃制成,并经硅烷化去活;装填物以取低比表面积,惰性处理(酸洗,硅烷化)的硅藻土为宜,例如Mol等在环境样品的分析中采用涂渍有Dexsil的Chomosorb750(80-100目)或未涂渍的Supelcoport(60-80目)为装填物。Dexsil是聚碳硼甲基硅氧烷耐高温(~400℃)Chromosorb750和Supelcoport都是比较惰性并经酸洗和硅烷化的硅藻土材料。若待测物是挥发性物质,则可改用多孔高聚物材料,如具有聚苯醚结构的Tenax或聚苯乙烯-二乙烯苯结构的RLRP-S。

    为防止待测物在PTV进样器内发生热降解,可考虑采用程序调控压力的办法。先采用较高的进口压力,使减少待测物在衬垫管中处于高温时的“停留”时间,在完成转移后,再恢复到分析的最佳柱压条件。

衬垫管的长度一般约25-30mm。

2 适用范围
    在PTV的大体积进样中,只要待测物有比较低的蒸气压,在溶剂放空的过程中,将可定量地贮留在衬垫管里,不受损失。衬垫管的起始温度应低于待测物之沸点约200-250℃,例如,若要贮留正十三烷(b.p234℃),PTV的起始温度可设在30℃。由于溶剂对待测物有溶剂化作用(Solvation),所以能贮留的对象范围要比想像的广得多,而且由于在衬垫管内的蒸发点因溶剂蒸发吸热使实际温度要低于原设计的起始温度,使贮留的程度也得以加强,例如在PTV进样器的起始温度设为0℃时,只要妥善调节好放空时间,正己烷中的正壬烷(b.p.151℃)也可定量贮留[7]。在主溶剂中加入适量(~10%)的辅助溶剂(co-solvent),辅助溶剂的沸点稍高于主溶剂(例如在正己烷加入正辛烷),当主溶剂被气化后,待测物能贮留在辅助溶剂上,这样可减缓待测物中挥发性组成的气化蒸发过程,减少损失。若把衬垫管中的装填物改用具有强疏水吸附作用的多孔高分子材料(例如Tenax),也可减少挥发性组分的损失,但是由于其强疏水性,对于高沸点的组分就难以保证得到定量的转移。

    在多次进样和控速进样方式中,由于在溶剂放空阶段,在衬垫管内的溶剂化效应要弱得多,因此这两种进样方式不太适用于挥发性待测物的分析。

    对于热不稳定或强吸附性的待测物,宜采用无填装物的空衬垫管,管径可较小,当然也可考虑采用程序改变进样压力的方式或柱上进样方式。


3 应用范例
    PTV大体积进样最明显的优点是提高了色谱的检出灵敏度。早期,在河水中多氯联苯和毒杀芬的监测中,水样经固相萃取后,作大体积进样(10Ll),经毛细柱气相色谱――电子捕获检测,检测限达10ng/L,比常规进样的灵敏度提高了10-25倍。Mol等针对河水中的有机氯农药和多氯联苯,对照了1μL(50ng/ml)的冷无分流进样和100μL(0.5ng/ml)的快速PTV进样,放空时间30s,两者的结果完全一致;在多次进样方式中,0.17ng/ml的样品重复进样三次,每次100μL,每次间隔30s和在控速进样同样浓度样品300μL,进样速度300μL /min,进样结束,再继续放空30s,所得结果也较满意,但发现可能由于溶剂中的杂质,多出了几个杂质峰,对少数待测物的定量带来了干扰。


 



    在常规的气相色谱分析中,曾发现有些含磷或含氮农药,如甲胺磷、速灭磷、敌敌畏、磷胺、砜吸磷、乐果和蚜灭多等都易在进样器中受热降解,导致回收率降低。在Mol等的实验中,河水经固相萃取后,取60μL乙酸乙酯提取液作PTV大体积进样,衬垫管的填装物是Dexsil-Chromosob750,发现只有三个农药(磷胺、砜吸磷和蚜灭多)仍有明显的降解外,其余农药(作者一共试验了32个含磷和含氮农药)的回收率均大有改善,符合定量分析要求,说明在PTV的大体积进样条件下,有利于减缓热不稳定性物质的热降解,究其原因,可能是在大体积进样时,提取液中残留的基体杂质,如腐殖酸等在进样器的衬垫管装填物上发生了吸附屏蔽作用,减少了样品的热降解机会。此法的检测限达0.03-1ng/ml(河水)(氮磷检测器,NPD)。Linkerhanger等应用PTV大体积进样,测定了人体脂肪组织中残留的硝基麝香物(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,常用为化妆品和洗涤剂的香味添加物,结合原子发射检测器(AED),检测限达到ng/g水平,大大提高了痕量分析的检测能力。从另一角度来看,如果允许保持原有的检测能力,采用了PTV大体积进样技术,就可大大减少样品用量,例如在环境水样的分析中,原来需要取样1-10L,现在只需取10-100ml,甚至1ml就足够了。

    采用PTV大体积进样的另一特点是可以简化原来的样品前处理步骤。在河沉渍物(底泥)中多环芳烃的测定中,老方法是先将沉渍物经索氏抽提,再将抽提液经K-D浓缩,再经氨基柱净化,洗脱液在吹N2下浓缩,最后取1Ll浓缩液进行色谱分析。当采用PTV大体积进样时,这两个浓缩步骤均可省略,最后取50Ll洗脱液进行色谱分析。沉渍物的用量都是10g,老方法中的1μL采样相当于5mg沉渍物,而后者的50μL取样相当于2.7mg沉渍物。多数化合物的检测限为0.75ng/g(沉渍物),其中萘的回收率偏低(34%),但重现性可以接受。在这个方法中用MS-SIM进行检测,RSD优于5%。

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    Vreuls报导了用PTV进样器直接注入含水样品,分析对象是水中的氯苯和酚,进样量为100μL,并把这个方法命名为固相萃取-热脱附法(SPETD)。Mol曾比较了SPETD和其他大体积进样方式,认为前者适用于非极性物质,后者适用于极性物质。Műller直接在PTV进样器注入自来水(500μL),以测定其中的残留农药。衬垫管的填充是Tenax,发现对若干化学和热不稳定性的待测物(如乐果、甲胺磷等),回收率仅及50%。其实,如前所述,在这类装填物上,高沸点的待测物都存在低回收率的缺点,看来直接进水样进行分折尚存在不少困难,技术尚未成熟。

  将PTV进样器作为在线固相萃取与色谱分析系统的接口,组成完整的自动在线分析系统,其间以自动切换阀相连,例如Staniewski以聚苯乙烯-二乙烯苯多孔树脂(RLRP-S)为固相萃取预柱,以装有去活化玻璃小珠为PTV进样器衬垫管的填充物。进1ml水样,固相萃取的洗脱液(乙酸乙酯)50μL引入毛细柱色谱系统,检测限为μg/L水平(氢焰离子化检测器,FID)。Mol等以聚甲基硅氧烷涂层的毛细柱为萃取柱(2m×0.50内径)(液膜厚度5μm),然后用正己烷洗脱(100μL),检测水中的有机氯农药,若洗脱液量超过PTV进样器的Vmax,则可采用控速进样(150-200μL/min)。

  实践已经证明,PTV大体积进样是毛细柱气相色谱非常重要的辅助技术,对有机痕量分析(如环境中有机有害物的监测)起到了一定的推动作用,其成功的关键在于对主要实验参数的优化。到目前为止,在对付挥发性待测物方面和水样直接分析方面尚存在一些薄弱环节。至于对热不稳定性物和极性特强或大分子量物质,气相色谱本身就有所限制,所以应以发展其他方法为上策。今后PTV进样器的设计、衬垫管填装物的选择、优化步骤和应用范围等将继续有所发展,达到更完善的地步。

 

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