低挥发性样品中各组分含量检测方案(自动进样器)

[CA-05] 使用高温程序升温蒸发（PTV）进样器分析低挥发性样品组分 1. 引言 对分析化学家来说选择合适的色谱技术解决分离问题是很具挑战性的。用气相色谱，液相色谱，超临界流体色谱法,还是依靠诸多参数的一种新的电泳方法解决这个问题还待商榷。但是有人认为使用毛细管气相色谱法可能比其它技术更好。 毛细管气相色谱法能够提供其它色谱方法无法提供的分辨能力和分离速度。过去只能用液相色谱和超临界流体色谱法进行分析的样品，现在毛细管气相色谱法对这种样品的分析能力已经取得了令人满意的效果。有关高温气相色谱的定义并不统一。在这篇文章中在柱温低于325℃下进行的分离成为“正常的”GC分离。这种形式的GC被限制在分析具有相对挥发性的物质上（MW大概为600道尔顿）。高温GC应该延伸到分子量为1500道尔顿的物质。目前高温GC使用的最高温度为450℃。当然使用这种分离方法，分离过程中组分首先应该具有热稳定性。然而，在一个完全惰性的系统中，如熔融石英柱，惰性载气和高纯度的固定相，有机化合物的热稳定性要高于一般情况下所能接受的程度。 随着高温GC的发展，GC在大分子量物质分析中的应用得到了提高。这些物质包括石油，甘油三酸酯，聚合物添加剂，表面活性剂，聚合芳烃化合物等。但是，高温GC的进样十分困难。用于辨别高沸点组分的传统的热分流或不分流进样方式在这种技术中并不适用。目前适用于高温GC系统的进样方法为柱头进样。在高温情况下，柱头进样方式远比其它进样技术要先进的多。柱头进样可以忽略热作用，并且可以对微量和痕量样品进行分析。但实际应用中，柱头进样也有很多缺陷。这种技术很难自动化，并且容易在柱头处产生污染，对极性溶剂也不适用。为了解决溶剂极性的限制和柱头污染的问题，推荐使用一段短的拦截预柱。但是在柱头连上一段短的拦截预柱并不是一件容易的事。泄露是很难避免，并且高温会对柱子产生损害。同时短的拦截预柱很容易损坏。对一个正常温度下使用的GC系统来说，程序升温进样对很多样品来说都是很好的。把通常的热柱头进样和通过控制汽化的冷进样方法连用可以避免很多重大的缺陷。当分析组分的分子量低于600道尔顿时，热歧视效应将不会出现。样品在衬管进样器柱头处为液体，在柱内转化为气态。为了能够在高温GC系统中使用，PTV进样器应该能承受500-600℃的高温。只有在这个温度下，高分子量的物质才能在足够的蒸汽压下定量的被转入到柱头。较低的转入温度会导致样品谱带的展宽，以及高沸点组分的热歧视效应产生。在这篇文章中，对PTV高温进样在高温GC系统中的应用进行检测。评价了PTV的最终温度对GC系统的影响。对PTV高温进样在定量方面，如重复性和峰面积，以及该技术的准确度和精密度进行了评价。柱头进样作为一个参考框架。 2. 仪器 高温GC系统需要最高柱温要能达到450℃的GC仪器，目前的这个最高温度是在二甲基硅树脂作为固定相时才能运行。很多厂家生产的仪器都能适应这个温度。现在研究的高温PTV进样器由 OPTIC进样器与配有FID检测器的HP 5890-A GC系统组成的。柱头进样作为参照实验也使用该种进样器。实验中代替进样器分离衬管的是嵌入一种特别的柱来完成的。由于柱头实验和高温PTV进样实验是在相同的条件下完成的，所以二者还是具有可比性的。实验中所用的色谱柱为长8米，内径为320μm的Chrompack Sim Dit柱。检测器的温度为400℃，也是这个仪器能承受的最高温度。氮气为载气。GC柱温从40℃（保持1min）以20℃/min，程序升温至400℃。如果没有特别要求，OPTIC进样器从35℃以8℃/s程序升温至599℃。 配有PTV进样的高温GC系统的应用 在常规GC系统，PTV进样可以最终温度为400-450℃被使用,是一种很好的进样技术。使用传统的GC系统分析的组分，在最终温度为400-450℃下,PTV进样器可以实现快速,定量将样品从衬管转入GC柱。在高温GC系统中需要更高一些的温度来完成组分被定量转入色谱柱。 3. 聚合物添加剂 图1，通过在高温GC系统中使用PTV进样，对聚合物添加剂进行了分析。实验表明，高温对PTV进样的重要性。进样器最终温度599℃处可以观察到一个对称的尖峰Irgonax 1010。图1B是分析相同物质，但PTV最终温度只有400℃的色谱图。在这种条件下可以看到尖峰Irgonax 1010没有出现。显然400℃时蒸气压太低，组分无法转入到柱头,而且聚合物添加剂中这个组分并没有发生分解的现象。但是对其他的添加剂如irgafos 168可能会在PTV进样的过程中,或者在使用低活性的毛细管色谱柱进行分析过程中发生分解。图 2 显示的是使用两种不同的进样方法对聚合物添加剂进行分析的情况。图2A使用的是柱头进样，图2B使用的是高温PTV进样。从这两个图上可以看出二者至少在定量方面是可以比较的。 表1列出了使用高温PTV进样获得的保留时间和相对峰面积。如果使用手动进样，高温PTV（HT-PTV）进样获得的保留时间的重现性也要比手动进样的重现性（0.2%）要高。相对峰面积的重现性，从Irgonax 1076的0.28%到DSTDP的4.04%。比较柱头进样所得到的相对峰面积重现性要稍微优于PTV进样所得到的。柱头进样相对峰面积的相对标准偏差（RSD）为2.0%。在分析组分有比较完整的峰面积时，可以看出二者存在很大的差异，HT-PTV 的RSD值大约为24%，而柱头进样的RSD值只有5%。在日常分析中完整的峰面积的重现性起的作用很小，相对峰面积的重现性要重要的多。这个参数是高温PTV进样与柱头进样比较所产生的。 与柱头进样相比,高温PTV进样的一个突出优点是分析过程中PTV进样相对不易受高分子量的组分的影响。聚合物的提取物中通常包含相当量的低聚物，即使在最高的操作温度下这些低聚物也不能从柱中流出。这些物质的存在必须在柱头上连接一段短的拦截预柱来消除对分析的影响，尤其是在分析样品很多的情况下，否则,柱头很快就会被低挥发物质污染，导致峰变宽或者保留时间变长。将没有涂层的低活性的柱与逆流的分析柱联用可以解决这个问题，但是增加仪器操作的复杂性。除了接口处存在泄露的问题以外，样品中含有高浓度的高分子量的杂质也阻碍了柱头进样的使用。如果使用高温PTV进样的话，高浓度的高分子量的杂质将被留在衬管中。显然清洗和更换衬管要比连接一段短的拦截预柱要简单的多。 4. 石蜡 高温PTV进样的另一个应用是用于分析含碳氢的石蜡。文献上记载的含碳至C120的石蜡均可以从涂渍有二甲基硅树脂膜的短毛细管柱中分离出。到现在为止，这些分离都是用柱头进样来分析的。为了研究对这种高分子量的样品使用高温PTV进样的可行性，将高温PTV进样与柱头进样进行了比较。图3列出了高温PTV进样最终温度对聚合石蜡655的分离情况。当高温PTV进样最高温度为400℃时，可以观察到后流出的很宽的色谱峰。将组分在400℃下，从衬管中定量转入到GC柱头是很慢的。即使在再富集步骤中，从GC柱中流出的组分的峰仍然很宽。只有使用更高的PTV进样温度，才能加快样品转入速度，并得到窄峰。 图4列出了高温PTV进样和柱头进样所得的定量数据的比较。这些数据显示了不同分子量的样品在高温PTV进样和柱头进样的分布情况，其中相对峰面积是碳个数的函数。从高温PTV进样和柱头进样可以得出一致的结果，即使分析的样品的分子量很大（含碳个数至少80个）的情况下高温PTV进样也容易辨析。图5显示的是对聚合石蜡1000的分析，这种石蜡的平均分子量为1000道尔顿。这种化合物显示了含碳个数超过100的色谱峰。 5. 甘油三酸酯 高温PTV进样和毛细管超临界流体色谱(SFC)都被提出用于甘油三酸酯的分析。在很多不同的领域内对甘油三酸酯的分析是一个很重要的课题，例如对自然产物的描述，食物和细菌的辨析。但是在高温GC系统中甘油三酸酯的热分解和聚合效应使得定量结果不稳定。最近的研究指出除了不饱和的甘油三酸酯以外，多数石油组分及脂肪均可以用高温GC系统得到很好的分析效果。GC系统给出的分辨率远比毛细管SFC要好得多。现在,高温GC系统通常用于自然的产物和食物的分析。典型的应用实例就是巧克力工业的质量控制，这可以通过测量POP，POS，SOS甘油三酸酯的相对浓度来确定巧克力是否含有人工制造的可可产物。图6显示的是在高温GC系统中利用PTV进样，分析牛奶巧克力的提取物所得的色谱图。发现三种组分的相对浓度分别为19.3%，47.29%，33.37%。这些浓度值与使用柱头进样所得的值完全一致，说明巧克力中不含有人工制造的可可产物。对该样品使用柱头进样时同样需要安装一段短的拦截预柱，因为在提取甘油三酸酯的同时高浓度的高分子量的物质也一起被提取出来。但是使用高温PTV进样时就可以不用安装短的拦截预柱，比起柱头进样来说使用高温PTV进样时可以减少分析物质的保留时间。 6. 表面活性剂 乙氧基酒精是工业上使用的一种很重要的表面活性剂。对乙氧基化合物来说分子量一般低于1500道尔顿，可以使用高温GC系统进行分析。其中Triton X100表面活性剂，是乙氧基酒精包含2-20个单体的低聚物组成；Tergitol，生产集成电路的过程中使用的一种表面活性剂。Triton X100已经被广泛用于证明使用毛细管SFC分析低挥发性样品的可能性，Sandra等证明了这种物质同样可以用高温GC系统进行分析。作者同时还指出没必要使用TMS对样品进行衍生化处理。图7显示的是在高温GC系统中利用PTV进样对Triton X100进行分析所得的色谱图。这张色谱图显示了不同的低聚物的高斯分布。分布的最高值出现在10单体处与使用SFC分离所得的的数据一致性很好。 7. 结论 分析分子量不超过1500的稳定的低聚物，高温毛细管GC技术是一种很好的分析技术。在高温GC系统中进样技术是分析过程中最难的一步。直到现在，在HT-GC系统中仍然使用柱头进样技术引入样品。引进最高温度可以达到600℃的高温PTV进样技术，扩展了高温PTV进样技术的应用范围，使自由辨析样品中的高分子量化合物成为可能。通过柱头进样和高温PTV进样获得的相对峰面积具有相当的可比性。高温PTV进样的一个主要的优点就是与柱头进样相比更容易自动化。此外，不必在分析柱子安装一段短的拦截预柱，可以避免柱子的污染。柱子不再会被高分子量的组分污染，因为这些杂质均被留在了进样器的衬管中。很容易就可以更换或者清洗污染的衬管，从而缩短了时间，减少了维修的成本。