顶空气相分析技术及其应用
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摘要：综述了现代顶空分析方法的分类及其应用。顶空气相色谱法（HS-GC）是测定样品中痕量易挥发化合物的重要分析方法，近年快速发展。是一项有着广阔应用前景的技术。
关键词：顶空分析；顶空固相微萃取法；膜萃取技术
中图分类号：O657.7文献标识码：A文章编号：1672-979X(2007)10-0047-04
Headspace Analysis Technology and Application
GUO Wei, WANG Shao-yun
(Institute of Pharmaceutical Analysis, School of Pharmaceutical Sciences, Shandong University, Jinan 250012, China)
Abstract：The classification and application of modern headspace analysis are reviewed. Headspace gas chromatography (HS-GC), which is an important method designed for the analysis of volatile components with trace quantity in samples, is developing fast. HS-GC is a technology with wide application prospect.
Key words：headspace analysis; headspace solid-phase microextraction; membrane extraction technology
顶空气相色谱法（HS-GC）、通过对样品基质上方的气体成分进行气相色谱分析来测定这些组分在原样品中的含量，是一种重要的分离分析方法。现代顶空分析法已经有了较完善的分析体系，分为静态顶空分析法（static headspace analysis）、动态顶空分析法或吹扫捕集分析法（dynamic headspace analysis or purge and trap analysis）和顶空固相微萃取提取法（headspace solid phase micro extraction analysis）。HS-GC法采用气体直接进样方式，无需有机溶剂提取，大量消除了基体的干扰，对色谱柱污染小，得到的谱图简单，在痕量挥发性组分的分析研究领域中发挥着重要的作用。随着现代仪器的不断发展，操作简单快捷的新型顶空进样器被开发出来并得到广泛应用；一些新技术的应用，如固相微萃取、膜萃取、顶空溶剂微萃取等，在样品分析前实现了在线萃取与富集，克服了顶空分析检测灵敏度低的不足。顶空气相色谱法在环境、医药、天然产物、生物等领域将有新的应用前景。
1 现代顶空分析方法
1.1静态顶空分析
静态顶空气相色谱是将适量样品密封在留有充分空间的容器中，在一定温度下放置一段时间使气液（或气固）两相达到平衡，取容器上方的气体进行GC分析。按达到气液（或气固）平衡的次数可分为一次顶空进样法和多次顶空进样法。按仪器模式可分为顶空气体直接进样模式、平衡加压采样模式和加压定容采样进样模式[1]。基于静态顶空的分离特点，它具有适用性广和易清洗的优点，主要缺点是灵敏度低，有时必须大体积进样，导致峰宽较大，分离度达不到要求。但如果样品中待测组分的含量不是很低，较少的气体进样量就可满足分析需要时，静态顶空仍是一种非常简便有效的分析方法。由于气液体积比，样品基体成分，平衡温度与时间等因素影响分析的准确性与重现性，定量分析时须保持操作条件一致。
静态顶空主要用于分析沸点在200 ℃以下的组分，以及较难进行前处理的样品，对于不易挥发的物质宜先进行化学衍生化。静态顶空普遍用于分析天然产物、食品、生物样品、烟草中的有机挥发物。Bolanda等[2]用静态顶空分析法测定果胶和动物胶中草莓味化合物的气/胶分配系数。 Chalier等[3]用静态和动态顶空研究了全部甘露糖蛋白和分离后的甘露糖蛋白中4种芳香化合物之间的相互作用。
1.2动态顶空分析
动态顶空气相色谱是在未达到气液平衡状况下进行多次取样，直至样品的挥发性组分完全萃取出来为止，因此又称气相连续萃取。常用的方法是向样品中不断通入惰性气体（气体萃取剂），挥发性成分即随萃取气体从样品溢出，然后由吸附装置（捕集器）收集，解吸后进入GC仪分析，这种动态顶空GC通常称为吹扫-捕集顶空气相。动态顶空分析根据捕集模式可以分为吸附剂捕集模式和冷阱捕集模式[1]。动态顶空不仅适用于复杂基质中挥发性较高的组分，对较难挥发及浓度较低的组分也同样有效，一般用于测定沸点低于200 ℃，溶解度小于2%的挥发性或半挥发性有机物。由于气体的吹扫破坏了密闭容器中的两相平衡，在液相顶部挥发组分分压趋于零，能使更多的挥发性组分逸出，与静态顶空和顶空固相微萃取相比，动态顶空分析有更高的灵敏度。
动态顶空分析可用于研究食用油中相似的挥发性组分[4]，牛奶中的萜类化合物[5]，芳香化合物的结构与味觉的关系[6]，土壤中有机挥发物的测定[7]等。Juteau等[8]用静态顶空和动态顶空两种方法对影响香味释放的因素进行了研究，测定了动力学和热动学参数，结果表明，动态分析可更好地模拟体内对味觉的感知过程，静态分析则在参数测定方面准确度更高。
1.3顶空固相微萃取法
1993年首次提出顶空固相微萃取法，发展迅速且日趋成熟。由于该技术集提取、净化、浓缩、进样为一体，以无溶剂污染、方便、快速等优势在许多领域得到广泛应用。
固相微萃取是基于气固吸附和液固吸附平衡的原理，利用待测物对活性固体表面有一定的吸附亲和力而达到分离富集的目的。固相微萃取装置类似色谱进样器，由手柄和萃取头构成。在一根熔融的石英纤维表面涂渍各种不同的色谱固定相或吸附材料构成萃取头，其基本功能表现为提取浓缩和色谱进样[9]，前者实际上是组分在复杂基质中的分离过程。顶空固相微萃取与气相色谱联用后，样品分析过程如下：顶空固相微萃取纤维头置于待测物样品的上部空间，将分析物萃取出，在GC的气化室中，温度上升时，分析物对纤维的亲和力下降而被释放，气化室较小的体积能够保证解吸下来的分析物由载气迅速转入色谱柱。一般解吸时间为2 min。影响解吸时间的因素有气化室的温度、载气流速等。通常气化室的温度设定在可保持纤维涂层稳定的最大温度，解吸温度越高，分析物的滞留时间越短。目前，与顶固相微萃取联用的检测器多为质谱（MS）和氢火焰检测器（FID）。该方法适用于挥发性特别强的样品，由于样品处理为顶空萃取，可以减少复杂基质的干扰。这项技术现已自动化，并可用于分析浓度低于十亿分之一的样品。
近年，研究人员应用顶空固相微萃取法解决了环境、医药、食品、天然产物分析中的诸多问题。
1.3.1 在环境中的应用顶空固相微萃取技术可用于测定水中苯系物（BTEX）的LOD值 [10]，测定水及沉积物中的有机锡 [11]、四乙基铅、有机汞、氯乙醚、二甲基次砷酸等的含量。
1.3.2在医药中的应用顶空固相微萃取技术可从毛发中提取用于止痛的化合物 [12,13]。Camarasu等[14]利用顶空固相微萃取法测定药物中的有机溶剂残留，灵敏性好，准确度高，RSD在2％～3％之间。与静态顶空技术相比，在有机挥发物的测定方面表现了更好的保留行为。
1.3.3在天然产物中的应用顶空固相微萃取技术可用于分析不同种类蜂的有毒挥发性组分 [15]，松果体韧皮部的挥发性组分 [16]。Wajs等[17]利用顶空固相微萃取技术测定了松木中的有机挥发物，提取了100多种挥发性和半挥发性有机物。结果表明，此法的提取效率高于动态顶空分析法。
1.3.4 在食品中的应用顶空固相微萃取技术在食品中可用于研究葡萄汁及葡萄酒中3-烷基-2-甲氧沙林的含量[18]，乳酪中的挥发性化合物[19]，白酒中的挥发性组分[20]。有人用顶空固相微萃取技术分析啤酒中12种醇和酯，确定了聚丙烯酸酯萃取头的固相微萃取分析参数，并与静态顶空方法相比较。顶空固相微萃取技术的检测限一般都低于静态顶空方法，两种方法都有很好的重复性及线性，所得结果高度相关，表明了在分析啤酒中高级醇和酯时以廉价的顶空固相微萃取技术取代自动静态顶空方法的可能性[21]。
2 新顶空技术及其应用
随着静态、动态、顶空固相微萃取技术的日趋成熟，一些新技术逐渐得到研究者的重视。新技术主要包括膜萃取技术和顶空溶剂微萃取技术，以下主要介绍顶空膜萃取技术。
2.1顶空膜萃取技术的分类
膜萃取（membrane extraction）是用膜将目标分析物从样品溶液（给体）萃取到萃取剂（受体）中。处理样品时，应使系统到达平衡时间，将目标分析物充分地从给体转移到受体上。膜萃取可与反相-液相色谱（RP-HPLC）、GC和毛细管电泳（CE）等在线联用。与顶空技术联用时，称为顶空膜萃取技术。以下主要介绍5种顶空膜系统：薄层顶空（the thin-film head-space，THFS）、气体发生器（a bubble sparger）、平板微孔聚四氟乙烯膜（a flat microporous polytetrafluoroethylene membrane）、中空纤维微孔聚丙烯膜（a hollow fiber microporous polypropylene membrane）和中空二甲硅膜（a hollow silicone membrane）。
2.1.1薄层顶空[22]样品沿管向下流动，洗脱气与样品的流动方向相反，两者只是发生物理性接触，挥发性的有机化合物从水相扩散到气相。
2.1.2气体发生器气体发生器的原理与TFHS相似，也是在两相直接接触时，有机挥发物从水相转移到气相。这一萃取系统被认为是两相萃取系统，其萃取效率主要取决于有机挥发物在水相和气相的分配系数。但是易产生气泡，尤其是流体中有表面活性剂存在时。
2.1.3板式微孔膜板式微孔膜系统采用微孔聚四氟乙烯膜，将有机挥发物从水相转移到洗脱气。整个膜装置有两层不锈钢板组成，中间隔一层聚四氟乙烯膜（孔径为0.2μm），接触面积大约50 cm2。易挥发的有机物处于膜的一侧，通过膜孔扩散进入洗脱气。
2.1.4中空纤维膜中空纤维膜装置是一个管状结构（一般为长20 cm，内径12.7 cm的不锈钢管），其中常填30目微孔聚丙烯中空纤维（孔径0.2μm，内径400μm），通常样品流入纤维孔，洗脱气在孔外逆流而上，以使挥发性有机物最大限度地从样品进入洗脱气。这一装置与前面所述的装置相比，更易插入进样。但若用于在线分析，对过滤的要求比较高。中空纤维膜系统与平面膜系统相比，由于膜孔径小，液体流动的剪切力增加，过滤时不易产生浓差极化，提高了过滤效果。
2.1.5中空二甲硅膜样品从容器的底部流入，顶部流出（搅拌器用于混匀样品溶液），洗脱气在二甲硅管内自上而下进行洗脱。整个探针装置由一个1.83 m的中空二甲硅管（内径0.3 mm，外径0.64 mm）嵌入线性棒的凹槽（保护内管免受磨损）中组成。被分析的物质先溶于二甲硅，然后通过二甲硅膜孔气化进入洗脱气。
2.2顶空膜萃取技术的应用
膜萃取技术与顶空联用，主要应用于环境及工艺流程监测。Kaykhaii等[23]利用GC-MS和顶空膜萃取技术结合连续测定不同温度时聚丙烯腈聚合物中热降解产物，该系统简单、快速，可靠性强，集提取、浓缩、测定为一体，可测定挥发性和半挥发性的降解产物。Ciucanu 等[24]开发了一种户外便携的装置，基于吸附剂界面的膜萃取原理，用于连续测定空气质量。Ojala等[25]将膜萃取与动态顶空联用分析土壤解析的有机挥发物，其检测限范围取决于土壤类型，线性关系良好（相关系数大于0.990），因此，该方法适合测定土壤中的有机挥发物。Kou等[26]将膜萃取与气相色谱联用，将液体样品以气体形式直接进样，大大减少了界面层的形成，总体扩散系数增加了7倍，消除了渗透过程中产生的拖尾现象，并且快速，易于操作。Luo等 [27]利用带有吸附剂的膜萃取装置（Cap-MESI）进行液体样品的在线处理，具有可水下检测的优势。样品的磁力搅拌和顶空气体的循环可加速物质的相间分配系数，提高萃取率。用于水上检测时，线性关系好，检测限低，精确度高。研究表明，Cap-MESI是一种有效的用于野外顶空检测有机挥发物的装置。
3小结
随着分析仪器的发展和分析技术的提高，顶空气相色谱的应用越来越广泛。静态顶空分析是一种方便简单的样品制备和导入方法；动态顶空的检测限低，最低可达静态顶空检测限的0.1%，可用于分析痕量挥发性物质；顶空固相微萃取技术提供了最为简单快捷的进样方法。一些新技术比如顶空膜萃取作为可在线提取的分析方法，由于简单、环保和有高速、灵敏等特点越来越受到分析者的青睐。GC-MS技术的实现和不断优化，使顶空气相色谱有了更广阔的发展前景。顶空气相色谱可快速测定复杂基质中的有机挥发物，并将在挥发物成分的分析中发挥重要的作用。
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