顶空技术探究--不断提高分析灵敏度的顶空技术

顶空技术按其从汽化室中取样方式的不同可分为：静态顶空法（SHS）、动态顶空法（DHS）以及固相微萃取顶空法（HS-SPME）。静态顶空法的取样是单级式的方法：当分析溶质介于样品和汽化室之间的分配平衡建立起来，借助于密闭性良好的注射针管从汽化室中抽取一定量的气体样品，并注射到气相色谱（GC）的进样器中。由于只分取了汽化室中样品的一部分，进样器的样品小瓶中只有很少部分的分析溶质被注射进入到分析柱中，因此静态顶空法的灵敏度相对不足。为获得更高的灵敏度，需采用相应的富集步骤。

与静态顶空法不同，动态顶空法和固相微萃取顶空法需要通过一种适当的吸附材料对分析溶质进行富集。动态顶空法是采用惰性气体的气流连续地冲刷汽化室，继而导向吸附剂，分析溶质就此富集，同时其在样品小瓶中的总量则会成比例地降低。固相微萃取顶空法所选用的吸附剂虽具有较高的灵敏度，但其灵敏度仍会受到固相微萃取纤维的微小相容积的影响。由吸附剂所捕获富集的分析溶质将于适当的仪器中进行热解析，再导入GC系统的进样器中，或转入Gerstel热解析装置中，由此达到更高的灵敏度以及对高沸点物的更高回收率。

图1. 仪器结构示意图：其关键模块是Gerstel多功能进样器，既可用于顶空分析，也能够用于固相微萃取分析。

进样设计的问题

从本质上来说，动态顶空法的分析溶质几乎完全从顶空样品中被抽取出来并且得到富集，而静态顶空法和固相微萃取顶空法则需要若干富集步骤。静态顶空法所采用的富集是在GC的PTV（程序升温蒸发）进样器中通过冷阱聚焦进行的。实验表明，冷阱聚焦有一定的风险性，特别是涉及到高沸点分析溶质时，气态样品被注射到冷PTV进样器中时，会有一大部分凝聚在注射器的针尖之上，从而造成损失。应用固相微萃取顶空法时，分析溶质被富集于固相微萃取纤维之上，由于要求分析溶质进行分流式进样，因此抵消了一部分富集效应。通过对分析溶质的热解析，正如Gerstel K.K.公司的Nobuo Ochiai、Jun Tsunokawa 和Kikuo Sasamoto博士所描述的那样，由于在相应的仪器单元（Gerstel热脱附仪）中溶剂或水分的排出，以及其后的分析溶质在程序升温蒸发器中的冷阱聚焦，使得顶空富集和固相微萃取富集均能更有效和灵敏地进行。日本科学家不久前推出了HIT方法，其特点在于首次彻底地对顶空分析法加以推究，采用最简单的方式，有效地避免了由冷凝所造成的物质损失。同时，最大限度地保证了测定易挥发和难挥发化合物时的灵敏度。

图2. 用于固相微萃取分析的多功能进样器进样针座。

顶空分析的合理推论

HIT是热注射“Hot Injektion”和捕获“Trapping”各取其首字母的缩写。具体方法如下：Ochiai博士及其同事没有按照常规方式将样品注射到冷却的PTV进样器中，而是运用了一个加热至250℃的热脱附装置（Gerstel-TDU）。加热的TDU能够保证易挥发的化合物进样时以气态形式存在，因此不存在冷凝损失。第2步是冷阱聚焦，应用惰性气流将分析溶质从热解析单元中带出，继而进入Gerstel冷却系统（KAS）中的PTV进样器，此处进样可采用分流/不分流模式，开始时采用的是冷阱功能。分析溶质的富集是在KAS系统玻璃内衬中的吸附剂Tenax TA上进行的。Ochiai博士介绍：“通过对同一样品多次连续注射，提高了在KAS系统中的样品量，降低了检测限（LOD），明显提高了分析的灵敏度”。为了考察HIT技术对于高沸点化合物的检测限（LOD）、回收率、线性和测定重现性的效率，Ochiai博士及其同事分别对咖啡和绿茶等样品进行了研究。通过与传统的静态顶空法进行比较，得出了更多的结论。

图3. 咖啡分析总离子色谱图。a为SHS，具分流/不分流指示器，注射样品体积为1ml，分流比为1:10；b为HIT-HS,带冷进样系统（KAS），起始温度为-50℃，注射体积为1ml，分流比为1:1；C为HIT-HS，带KAS，起始温度为10℃，注射体积为2.5ml，4次共进样10ml，分流比为1:1。

应用HS和HIT-HS研究咖啡

按照1:10的分流比,以HS方式注射1ml样品后，HS色谱图上显示出仅略高于基线的微小信号，价值并不大。而采用HIT方式重复同样体积的注射，将分流比提高到1:1，再将分析溶质于-50℃的KAS系统中进行冷阱聚焦。“即便是易挥发的化合物（如甲醛）也能明确地得到验证。”Ochiai博士介绍道。第3步实验则将进样注射次数提高到4次，进样量增至2.5ml，并将KAS系统温度调至10℃，旨在运行有效的水管理以消除样品的湿气可能对色谱图所产生的负面影响。采用多次注射2.5ml的气相样品，可显著提高灵敏度，且蒸汽压较低，如甲基糠基二硫等化合物也可以得到明确的验证（见图3）。

图4. 绿茶分析总离子色谱图，以HIT-SPME进行测定，a为进样注射1次，b为进样注射6次。

应用HIT-SPME研究烘制绿茶

为进一步验证理论，Nobuo Ochiai博士及其同事们研究了HIT-SPME技术用于烘制绿茶中芳香化合物的测定。一次性的HIT-SPME注射所得到的只是一些重要组分的较小色谱峰，不足以充分证明理论；而采用6次HIT-SPME联合注射模式并进行GC/MS测定，则得到了显著提升的谱峰强度。

灵敏度显著提高

Jun Tsunokawa、 Kikuo Sasamoto和Nobuo Ochiai博士得出结论：将这种热的HS或SPME进样模式结合到TDU热脱附仪中，继而于KAS系统中对分析溶质进行冷阱聚焦，便能有效地提高灵敏度。本文所述的实验，已通过对芳香物质和异味物质如MIB（2-甲基异冰片）、土臭素以及三氯乙酸等加以证实。

良好的线性和回收率数据，以及在亚微克/升数量级的低检测限和对高沸点组分显著提升的回收率，都充分证明了方法的优势。Nobuo Ochiai博士最后总结：“如果将HIT方法与多维GC/MS耦合，则能更进一步提高分析效能。”

提高顶空技术的灵敏度

静态顶空法鉴于其技术条件相对而言是不够灵敏的。在动态顶空法和固相微萃取顶空法中，为了提高灵敏度而采用了富集步骤来浓缩分析溶质。而对于固相微萃取顶空法和静态顶空法，主要是在分析高沸点组分时，在250℃下热解析继而冷阱聚焦，可进一步提高灵敏度。