气相色谱的程序升温蒸发中大体积进样技术

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。

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。

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