动态顶空（吹扫&捕集）技术.docx

动态顶空（吹扫&捕集）技术1. 方法简介 20 世纪60年代虽然出现了连续气体萃取技术（动态顶空分析），但是并没有被色谱分析人员认可。直到20世纪70年代，才有某些学者使用连续气体萃取技术分析呼吸气体中和尿液中的挥发性有机物。他们使用吹扫气体掠过液体样品表面，然后通过冷冻的方法将吹扫出来的挥发性有机物捕集。连续气体萃取技术的真正广泛应用是在Tenax GC 色谱固定相的引进之后，1973年有学者建议使用Tenax GC作为捕集阱的吸附阱，使用惰性气体直接吹扫液体样品并通过鼓泡方式将样品中挥发性有机物吹扫出来，然后经过吸附阱捕集阱浓缩，再通过热解吸进行气相色谱分析测定。吹扫/捕集 - 气相色谱分析方法的早期应用有挥发性尿代谢产物的分析测定、血浆中痕量挥发性有机物的分析测定、空气和水样中挥发性有机物污染物分析测定等等。 应用气相色谱方法测定挥发性有机物时常常利用吹扫和捕集技术对样品进行预处理。在吹扫和捕集技术中，目前的主要改进是浓缩技术的应用，其已成为整个分析过程中关键所在。包括：可处理一系列样品能力的硬件和方法，可减少样品基体引进的干扰，可将浓缩的样品有效地输送到气相色谱仪器并进行分离和测定。目前的发展趋势是：吹扫和捕集技术的优化问题、如何确定样品的浓缩倍数、如何选择有效的捕集吸附剂、气相色谱进样的接口技术问题、如何选择分析测定用的分离柱等，上述的每一个问题都是非常重要的，成为此项技术应用所必须的。吹扫和捕集技术可减少运行的时间并且可与窄孔毛细管柱匹配使用，导致了此项技术在分析化学实验室中的进一步普及应用。 在环境有机化学中，应用吹扫和捕集技术分析挥发性有机物可能是应用最广泛的痕量分析方法。主要的原因就是它可用于各种样品中多种有机物的分析测定，迄今为止，它仍然是高灵敏度的分析方法之一。 吹扫和捕集方法可用于许多种样品基质分析，诸如：人血液中、消费商品中、原油生产过程近海废气中挥发性有机物的分析。此技术还可用于测定药品中残存溶剂，分析瓶装饮用水中有机物。此技术是水中主要污染物分析的最常用的方法。美国EPA合同实验室应用吹扫和捕集技术测定公共饮用水中和各种环境样品中挥发性有机物。 吹扫和捕集方法在测定挥发性有机物方面简单、适用、易于普及推广，在早期的实验室中都有配备，这是它成为测定水中挥发性有机物的标准分析方法的立法原因之一。 吹扫/捕集技术主要可以分成三个阶段（三步）：第一步，将等份的样品注入到一个可密封的玻璃样品瓶中，通常注入的样品量为5ml 就可以获得足够的测定灵敏度，如果想要获得更低的检出限可以注入25ml 样品。使用高纯氦气或者氮气以一恒定的流量、温度和时间对样品进行吹扫，从样品基质中吹扫出来的挥发性物质被吹扫气体输送到捕集阱中。捕集阱主要由吸附管和制冷剂组成，通常是在常温条件下进行捕集。吸附管内可填充一定量的吸附材料，例如Tenax Carbotrap，活性炭等。吹扫气体通过捕集阱时，其中的挥发性物质被吸附管捕集浓缩，而吹扫气体流过吸附管并排空。第二步，在吹扫和捕集之后，通过快速加热吸附管将其中的挥发性物质热解吸出来并输送进入气相色谱分离柱中。此过程中要求加热速度快、热解吸温度应当足够高、热解吸的时间足够长、吹扫捕集阱的载气流速和流量应当适当，它们的综合效果应当使解吸的物质在柱前可形成一个窄的注射带（与注射器注入样品的状况一样）。此时，气相色谱开始对样品中挥发性物质进行分离和测定，通常使用的检测器是质谱（MS）、光离子化检测器（PID）或者电子捕获检测器（ECD）等。第三步，为了对下一个样品进行吹扫和捕集处理，捕集管需要进行清洗以排除由于样品可能有残存而引进测定误差。通常采用升高温度和高纯载气吹扫的方法对吸附捕集管进行清洗，载气的流动方向与热解吸时的流动方向相反。此步骤叫做“烘烤”，可在色谱测定样品的过程中同时进行。这三步可以通过图10-2-33表示。 过去，曾经是通过已有的、在严格的和一整套的固定操作条件下应用标准分析方法和仪器设备获得可接受的分析测定结果。在20世纪80代后期，大部分的环境实验室都遵守并执行这些标准方法。但是到了20 世纪90 年代，实验室已经在寻找任何可能的在较短的时间内完成更多工作的分析测定方法。 为了采用等效方法完成分析挥发性物质的测定工作，许多环境实验室对新的和已有的分析技术进行实验研究，这样就培养了健康的竞争机制，就会导致使用最有效的分析测试技术对挥发性物质进行测定。由此，为了完成今天的环境实验室工作，已经对已有的吹扫和捕集方法进行了许多改进。 通常，测定挥发性有机物的分析系统包括吹扫和捕集浓缩器、气相色谱仪器、分离柱和柱接口、一个检测器或一套检测器、数据处理系统等。 2. 吹扫# 捕集浓缩器 最简单的吹扫/捕集浓缩器由填装样品的容器、捕集装置、连接管路和阀门等组成。有许多自制的吹扫/捕集装置在组成上都装有必要的浓缩组件，但是在功能上，商品的样品浓缩器在测定的可靠性和重复性上具有较大的改善。使用吹扫/捕集方法对样品中挥发性物质进行气体萃取，欲测定物质的萃取效率可由下式计算出： 在恒定的萃取体积、样品体积和苹取温度条件下，应用Henry定律常数可以预测某一欲测定物质的萃取效率。大部分欲测定物质的萃取都服从一阶动力学，与氢键或者物理性质无关，诸如物质的沸点、水溶性等。吹扫/捕集的萃取效率计算的改变主要与两个因素相关：样品温度和萃取的总体积。萃取的总体积，或者在萃取状态下吹扫气体通过样品的总量可通过吹扫数据与吹扫流量计算得到。诸如，早期的吹扫/捕集方法使用的吹扫气体流量为40ml/min)，规定吹扫时间为11min，那么，萃取的总体积就是440ml。理论上，已经规定了这些流量是从样品基质中萃取挥发性物质（特别是极性小的物质）的最佳流量，也是在浓缩器中吸附阱捕集欲测定物质的最佳流量。在实际测定中，常常使用的最佳的吹扫流量是在一系列的标准样品中和在已知的条件下通过实验获得的，但是往往很少有人这样做。如果在样品中添加极性大的物质时，吹扫气体流量的作用会变得很明显。最近，在美国EPD的GC-MS方法524.2中，可测定的有机物从60种增加84 种。如图10-2-34 所示，使用吹扫$捕集方法分析欲测定物质时，根据这些物质的状况基本可以分成四类。应当兼顾吹扫效率和捕集效率。难于吹扫的那些物质的萃取可以通过增加吹扫气体的总体积以改善吹扫效率。在恒定的流速下，可以通过增加吹扫气体的流量或者增加吹扫时间以获得较大的回收率。增加吹扫气体流量可以改善那些沸点在35以下的气体分子的吹扫效率，但是，这些气体分子可能会因为吹扫气体流量的增加而通过捕集阱，捕集效率会降低。 在美国EPA方法52 中.2，已经说明了吹扫流量和样品温度对饮用水中某些化合物萃取的作用。通常，吹扫时间超过了规定的11min 时，大部分可吹扫化合物的回收率会降低，这是因为吹扫气体超过了规定的200-600ml 的总体积范围而使捕集管穿透所致。EPA 方法524.2中新添加了一些极性较大的物质，与EPA 方法524.2 相比这些物质的回收率在吹扫气体超过了规定的200-600ml 的总体积范围时可以获得明显的改善。因此，需要综合考虑吹扫时间和流量的影响，兼顾所有的可吹扫化合物的回收率。 在实验研究的吹扫$捕集分析过程中，很少有关于样品温度对萃取过程影响方面的资料。在美国EPA 对固体废弃物的分析方法（SW-8468000 系列）中规定样品应当加热到40，这样可以改善像土壤、淤泥和固体废弃物等样品中挥发性物质的回收率。但是在过去，对饮用水样品加热会导致更多的水蒸气进入浓缩器的捕集管中，通过传输再进入到气相色谱中而引起检测器火焰熄火等问题。现在，由于在吹扫!捕集技术中引入了除水系统，样品经加热而增加的水蒸气会完全被除去。当加热样品到85 时，吹扫气体引进到气相色谱中的水分低于0.25l。此外，实验室温度也会干扰吹扫) 捕集过程，有研究指出实验室环境温度的波动可能会导致分析的相对标准偏差达到50%。在20世纪90年代，引入了搅拌装置对土壤和其他的固体样品进行吹扫和捕集萃取。通过对固体样品的搅拌可以使样品更均匀一致，可提高挥发性物质的吹扫!捕集萃取效率。 3. 捕集过程 捕集效率与被测定的化合物和使用的吸附材料有关，诸如：化合物的蒸气压、吸附材料的比表面积、被测定化合物与吸附材料之间的作用等。通常在较低的温度下，吸附材料对化合物的吸附捕集效率会得到改善。为了减少和防止吸附管穿透，浓缩捕集以的温度应当保持在252，不能超过30。在常温条件下捕集某些化合物时，有时需要冷却装置，例如EPA方法SW-846要求使用液氮或者液体二氧化碳制冷剂降低吸附阱的温度。由于使用了制冷装置，吹扫和捕集系统就变得复杂化，操作也会变得繁琐，分析费用也会增加。 在早期的吸附管内填充的吸附材料是等量的Tenax、硅球和活性炭。Tenax可吸附捕集常温是液体的化合物、硅球可吸附捕集常温是气体的化合物，活性炭可吸附捕集卤代烃（例如二氯二氯乙烷）。虽然现在已经出现了许多种吸附材料，但是由于上述的吸附材料具有很好的吸附捕集效率，目前一直在使用着。但是，样品中水蒸气对硅球和活性炭产生干扰非常明显，特别是使用气相色谱 - 质谱和色谱选择性检测器测定时引起的干扰很大。在吹扫/捕集分析过程，样品中的水与挥发性有机物一起被捕集并热解吸进入气相色谱，水会影响色谱的分离和测定。过量的水会引起分离往往效下降、导致检测器失灵、升高了测定的检出限、增加了维修的费用等。在20世纪80年代后期，在吹扫) 捕集系统中使用疏水的吸附材料替代硅球和活性炭，诸如合成的碳分子筛。疏水的吸附材料在吹扫) 捕集过程中只吸附很少的水，大部分的水都被排空，这样热解吸时引入气相色谱中的少量水就达到了可接受的水平。在捕集系统中选择合适的吸附材料时，应当既考虑吸附剂的疏水性又考虑吸附剂的吸附能力。 4. 热解吸过程 与萃取过程一样。热解吸过程与吹扫气体流量和热解吸温度相关。解吸的目的是将样品瞬间地引进到分离柱中并且使样品在柱中集中形成“样品塞子”传输。当色谱中使用的是填充柱时，吹扫气体流量通常大于30,l/min，可以将热解吸的样品从捕集阱中直接输送到分离柱中。当色谱中使用的是毛细管分离柱时，载气的流量通常只有1-10ml/min，吹扫气体的流量通常是30ml/min以上，这就与毛细管气相色谱分析系统产生了载气流量的匹配问题。 增加捕集阱的加热速率可以改善与毛细管气相色谱分析系统的连接效果。使用管式炉直接加热吸附管可获得800/min的捕集阱升温速率。但是使用带加热套的加热方式很难获得较大的加热速率。捕集附加热速率越快，从吸附管解吸出来的物质就越快，在一少量的载气中解吸出来的物质就越多。这种快速加热技术的结果使得解吸物质形成一个极窄的注射带进入分离柱中。捕集阱的快速加热技术减少了样品解吸的时间，减少了解吸样品输送到气相色谱的时间，其结果也减少了载气、水和二氧化碳在解吸过程中进入气相色谱中的量。因此，改善了色谱测定结果的峰形状，峰宽变窄，测定的灵敏度增加。 在美国EPA方法624和方法8260中，使用分流注入口的方式与吹扫/捕集装置连接的接口对样品中挥发性有机物进行预处理和分析测定。使用这种接口方式，增加载气的流量有助于欲测定物质在捕集阱中的解吸过程，并且可以在气相色谱的注入口分流并与毛细管分离柱和检测器的载气流量达到匹配。为了吹扫/捕集萃取更大体积的样品，降低色谱的检出限，通常使用的接口技术是在色谱注入口安装二次冷聚焦装置。由捕集阱中热解吸出来的样品经过二次冷聚焦装置时，欲测定物质被二次浓缩而载气通过，然后，再热解吸出它们直接进入毛细管分离柱和检测器进行分析测定。二次冷聚焦解决了吹扫/捕集技术与毛细管气相色谱的直接连接问题，可获得很好的分析测定结果，但是，这也增加了装置及其操作的复杂性、需要较多的液氮并增加了分析测定费用。此外，目前多采用吹扫/微捕集技术与毛细管气相色谱联用分析测定低浓度水平的挥发性有机物。由于采用微捕集技术。使处理的样品减少，样品中水和其他的干扰物质的影响也减少，捕集阱经热解吸出来的样品也减少，从而可以将吹扫/捕集系统直接与毛细管气相色谱在线联用。 5.$ 烘烤清洗 捕集阱中的吸附剂对挥发性有机物具有可逆的吸附作用，因此，可通过吸附和热解吸的过程重复使用浓缩器中的吸附管。为了将热解吸后的吸附管中可能残存的物质清除出去，在色谱进行热解吸物质的分离和测定的期间内，对解吸后的吸附管再一次加热清洗，以便使吸附管准备好进行下一次的吹扫 捕集萃取，此过程叫做“烘烤清洗”。烘烤清洗过程与热解吸物质的色谱分析测定过程可以同时进行，这样可以减少吹扫!捕集萃取与色谱测定的时间，提高样品的处理和分析测定效率。烘烤清洗时的载气流动方向多采用与热解吸时载气流动的方向相反，一般烘烤时间为5min以上；如果烘烤时采用载气的流动方向与热解吸时载气流动的方向相同，那么就需要在较高的温度下烘烤较长的时间。烘烤时间的长短视吸附管内吸附材料的性质及其填充量、吸附材料被动污的程度（管内残存物质的种类和数量）等，烘烤清洗结果可通过在线色谱监测出来。 选择一种高效的吸附材料非常重要，要求它既具有较大的吸附容量又具有较高的热解吸效率。但是，这样的吸附材料不容易做到。可通过减少吸附剂的填充量和减少处理的样品量，并且使用高灵敏度的检测器来有效地完成低浓度样品的吹扫/捕集萃取。吹扫/微捕集萃取就是其中的有效技术之一。 6. 吹扫/捕集方法的改进技术 吹扫/捕集系统中浓缩器所使用的材料是近年来最重大的改进。在装置内样品流经的路径上，若欲测定物质具有反应活性大或者具有在管壁内表面易于冷凝的特点，就会使样品在处理过程中有损失或转化成其他物质而使分析测定结果产生误差。许多研究结果表明：在80时，不锈钢材料对卤代烃具有反应活性；聚四氟乙烯材料具有很好的温度特性和非常好的分析惰性，但是小分子的卤代烃（例如二氯甲烷）对聚四氟乙烯具有渗透性；高纯镍管已经被证明是一种惰性好的材料，但是它只能被限制在某些部分使用，因为它不能暴露在高于,100时和水共存的情况下使用。在镍材料表面上的水经高温可以产生活化点，会对溴化物产生明显的影响。 弹性硅材料制成的管线具有很好的去活性，但它的脆性较大。如果将它内衬在不锈钢管中使用就成为吹扫和捕集技术中最好的材料，具有很好的去活性、耐用性、热稳定性等特点。所以，样品不会在这样的管内壁产生残存而损失。有研究结果表明，早期的吹扫/捕集系统中的浓缩器不能从样品中回收2010-12 ,-浓度的物质，但是现在使用新材料制成的浓缩器在吹扫/捕集萃取20010-12,-浓度的物质时，测定时回收率高于99%。 在吹扫/捕集分析中，由于使用气相色谱 - 质谱方法越来越普遍，对萃取过程的除水要求也越来越高。除水技术主要有渗透和冷凝两种过程。渗透对样品中的水和极性物质的去除是非常有效的。但是，现在使用吹扫和捕集技术要求测定样品中许多极性物质，诸如酮化合物，因此就不能使用渗透方法除水。冷凝是目前普遍使用的除水技术，它不会影响极性化合物的回收。1988 年以来，在吹扫/捕集中使用简单的风扇和电冷却方法除去样品处理过程中的水分。除水的结果可以使捕集吸附时的水含量只有0.063l/min。图10-2-35是使用冷凝方法进行除水的结果。由于在萃取过程中水分的进一步降低，使得气相色谱 - 质谱分析条件得到改善，可获得更好的测定结果。 在吹扫/捕集过程中，样品发泡现象是最让分析人员头痛的事。通常，样品发泡现象会污染吹扫/捕集系统。使用抗发泡剂可以抑制样品发泡，但是它可能会改变样品基体的性质，使分析结果产生未知的误差而不能接受。将惰性的玻璃微球充填在吹扫气体通道中，可以起一种预防发泡的阻碍作用。使用泡沫过滤器不仅不能防止发泡，而且容易引进测定误差，是一种不能接受的方法。 7. 分离柱和吹扫/捕集之间接口技术的进展 将热解吸出来的欲测定物质全部输送到色谱分离柱中的过程与样品的吹扫 - 捕集过程一样重要。这一个过程通常称作吹扫 - 捕集装置与气相色谱仪器之间的接口技术。早期的接口只是一段很短的填充柱。因为浓缩器中的吸附管与此接口在管直径尺寸、吹扫气体的流量上都是一致的，其长度约为5cm的不锈钢管并且外衬加热套，直接与色谱的注入口垂直连接。在吸附管解吸过程中，欲测定物质通过注入口上方的接口直接进入分离柱。此种接口与填充柱连接具有许多操作的灵活性，既具有简单的安装操作特点，又可以使用注射器进行非吹扫 - 捕集萃取的直接进样方式，并且一旦出现故障即可方便地进行检查维修。但是，如果与毛细管气相色谱仪器连接时，使用这样的接口是不合适的。 因为毛细管分离柱使用较低的载气流量（1-10ml/min），热解吸出来的欲测定物质就会在注入口内形成较长时间的停留并直接暴露在热金属表面的不利的环境中。 由于在较低的毛细管流量下，欲测定物质缓慢地通过样品传输管路进入毛细管分离柱，形成了较长的峰带致使毛细管柱的分辨变差。 比较成功和适用的吹扫 - 捕集与大孔毛细管柱的连接方式是将一个死体积较小的专用接口装置安装在已有的气相色谱注入口体内，或者是一个专门设计的与气相色谱注入口类似的吹扫-捕集注入口。后者是一个带有加热器的独立单元并具有样品浓缩功能。 这两种接口内部都有一个体积最小化的和去活性的玻璃管或弹性石英管，这样可以与内径0.53mm 毛细管柱直接连接并有利于低流量输送热解吸的样品。上述两种接口都可以很方便地安装在通用的气相色谱仪器或者气相色谱 - 质谱仪器上。 在吹扫 - 捕集技术与气相色谱 - 质谱仪器的联用中，如果离子源前部带有喷射分离器，那么它们之间的接口就比较容易匹配。因为喷射分离器可适应较宽范围的样品流量，热解吸样品流经喷射分离器时实际上又经历了一次样品浓缩和聚集。但是，目前生产的台式气相色谱- 质谱仪器大都没有喷射分离器，分离柱直接插入到离子源内，所以，样品进入毛细管分离柱后也直接进入质谱的离子源内。 如果气相色谱的载气流量低于5ml/min，那么使用低温冷阱对热解吸样品进行二次冷聚焦是非常必要的。冷聚焦注入口接口通常使用压缩泵将液氮直接输送到聚焦毛细管外壁上的区域，可使温度降低到-160。聚焦毛细管通常是一根去活性的弹性石英毛细管空心柱，直接与常用的气相色谱仪器或者气相色谱 - 质谱仪器的注入口连接。 当热解吸样品流经冷聚焦接口时，欲测定物质被全部地二次浓缩而载气直接通过接口，完成浓缩后停止输送液氮并快速升高（1000/min）接口的温度将浓缩的物质解吸出来直接进入色谱的毛细管分离柱。因为浓缩的样品全部被集中地注入到分析柱中并在柱头内形成一段紧凑的“样品塞”，所以这种接口是目前分析低浓度挥发性有机物最有效的技术之一。 当然，如果样品中欲测定物质的浓度分布很宽，诸如在5ml 0.5-200ng/L 样品中，那么，毛细管分离柱就会由于样品量过大而超载并使检测器达到饱和，使分析测定结果变差。 图10-2-36, 是一种由吹扫 - 捕集分析直接与气相色谱仪器连接流路的简单图示。恒定流量的载气流经带有样品浓缩器的六通阀，此气体将热解吸的样品从捕集管中吹扫出来经过加热的输送管路到达死体积小的接口并直接进入色谱的毛细管分流注入口。使用0.25mm内径的毛细管分离柱和0.5-1.5ml/min 流量的载气流，如果注入口出现残存物可通过分流出口将它们清洗和排除。这种接口装置具有许多优点：可与内径为0.18mm 的毛细管柱匹配使用，并且可将吸附管流出的较大流量的欲测定物质经接口减少到最佳的色谱分离要求的流量。 通过调节载气流量或者分流比，使接口达到最佳的状态以适应色谱分析高水平或低水平的样品。特别是，此装置不使用二次冷聚焦即可完成挥发性物质的分析测定。由于接口装置保留了注射器进样的功能，分流注射接口可在同一根毛细管柱上同时完成样品中挥发性和半挥发性物质的分析测定工作。 综上所述，吹扫/捕集技术虽然是一种成熟的技术，但是随着科学和技术的进步，它也在不断地更新。吹扫3捕前集技术是一种普及型的，可应用于多种样品形态的，重复性好和灵敏度高的无溶剂萃取技术。 但是，吹扫/捕集技术在定量测定方面，是一件比较耗时和费力的工作。总之，吹扫/捕集技术与色谱联用是一种广泛使用的可靠和有效的分析测定技术。