基于兩次相平衡的靜態(tài)頂空-氣相色譜儀一體化性能確認(rèn)方法

張霞，徐淑浩，李國(guó)智，李勤書(shū)，龍雨蛟，朱雪峰，葉茵

(紅云紅河煙草(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 云南 昆明 650023)

0 引言

頂空進(jìn)樣具有適用范圍廣、樣品處理簡(jiǎn)便快捷、進(jìn)樣重現(xiàn)性好等特點(diǎn)，其與氣相色譜、液相色譜聯(lián)用技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境、食品、醫(yī)療衛(wèi)生等各領(lǐng)域產(chǎn)品質(zhì)量控制及科學(xué)研究之中[1-4].周建剛等[2]建立頂空單液滴微萃取法萃取富集水體中六氯苯，用高效液相色譜法進(jìn)行測(cè)定的分析方法.馬茜文等[3]將分子印跡涂層用于植物樣品中植物激素的頂空固相微萃取，并與氣相色譜聯(lián)用，建立茉莉酸類(lèi)植物激素的分離分析方法.胡為等[4]采用頂空全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜技術(shù)建立花生油中花生油香精摻偽鑒別方法.

目前，頂空與氣相色譜聯(lián)用技術(shù)得以廣泛應(yīng)用，使聯(lián)用儀器的整體質(zhì)量性能越來(lái)越受重視，對(duì)其性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證具有重要意義. JJG 700—2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》以氣相色譜直接進(jìn)樣模式對(duì)氣相色譜儀的性能進(jìn)行檢定[5].氣相色譜儀性能驗(yàn)證方法和儀器的維護(hù)保養(yǎng)已有一些研究[6-10]，而針對(duì)靜態(tài)頂空進(jìn)樣-氣相色譜-FID一體化性能確認(rèn)和檢測(cè)方法鮮見(jiàn)報(bào)道.在靜態(tài)頂空-氣相色譜儀性能及檢測(cè)方法確認(rèn)中，最大難點(diǎn)是如何測(cè)定由頂空進(jìn)樣器導(dǎo)入氣相色譜柱及檢測(cè)器的實(shí)際進(jìn)樣量.

馮雪等[11]結(jié)合生物制品行業(yè)儀器周期符合性檢驗(yàn)要求，建立氣相色譜-頂空自動(dòng)進(jìn)樣器性能確認(rèn)的檢測(cè)方法.趙迎晨等[12]采用排水收集氣體法，以氮?dú)庵械募淄樽鳛闃?biāo)準(zhǔn)物質(zhì)測(cè)定頂空-氣相色譜FID的檢出限和定量重復(fù)性,對(duì)推進(jìn)靜態(tài)頂空-氣相色譜-FID整機(jī)性能確認(rèn)研究發(fā)揮了重要作用.然而，該方法操作的專(zhuān)業(yè)性較強(qiáng)，對(duì)操作精準(zhǔn)度要求較高，所需材料設(shè)備不具普遍性.張艷[13]提到液上氣相色譜法測(cè)定氣液平衡，即用氣相色譜直接測(cè)定在密閉容器中達(dá)到氣液兩相平衡時(shí)氣相組成的方法.該方法由Wichter和Hala于1963年最先提出，在氣液平衡相關(guān)數(shù)據(jù)測(cè)定和溶液熱力學(xué)研究中得到很好應(yīng)用.王永華等[14]從恒溫密閉體系的質(zhì)量平衡出發(fā)，推導(dǎo)出氣、液等體積和非等體積條件下，靜態(tài)頂空的兩次相平衡和多次相平衡原理，其理論關(guān)系式應(yīng)用于水中氯代苯含量[15]和分配常數(shù)[16]的測(cè)定.

本研究基于靜態(tài)頂空相平衡基本原理[14-16]及YC/T267—2008《煙用白乳膠乙酸乙烯酯的測(cè)定 頂空-氣相色譜法》[17]技術(shù)方法，用兩次相平衡測(cè)定乙酸乙烯酯標(biāo)準(zhǔn)溶液在靜態(tài)頂空條件下的氣液分配常數(shù)，進(jìn)而確定由頂空導(dǎo)入氣相色譜柱的乙酸乙烯酯實(shí)際進(jìn)樣量，提出測(cè)定頂空實(shí)際進(jìn)樣量的新方法；參照J(rèn)JG 700—2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》技術(shù)要求[5]，對(duì)靜態(tài)頂空-氣相色譜-FID檢測(cè)限進(jìn)行確認(rèn).與文獻(xiàn)報(bào)道[5,11-12]相比較，該方法的操作簡(jiǎn)便，對(duì)材料設(shè)備要求具有普遍性，可行度較高；解決了準(zhǔn)確測(cè)定頂空實(shí)際進(jìn)樣量的難題，且所計(jì)算的FID檢測(cè)限考慮了頂空進(jìn)樣器影響因素，更符合實(shí)際的檢測(cè)狀態(tài)，為儀器設(shè)備維修、保養(yǎng)、搬遷后或周期核查及樣品檢測(cè)結(jié)果可靠性確認(rèn)提供參考.

1 靜態(tài)頂空兩次相平衡基本原理

在一定溫度下的密閉容器中，試樣中的揮發(fā)性組分在氣相(頂空)和基質(zhì)(液相或固相)之間存在分配平衡，將揮發(fā)性組分在氣液兩相中濃度之比定義為氣液分配常數(shù).根據(jù)質(zhì)量平衡方程、氣液分配常數(shù)及氣相色譜定量原理，可推導(dǎo)出氣液非等體積條件下靜態(tài)頂空分析的兩次相平衡原理[14]及氣液分配常數(shù)[16]基本關(guān)系式：

(1)

(2)

式(1)中：K為氣液分配常數(shù)；A1為第一次相平衡時(shí)，氣相色譜測(cè)定的氣相中揮發(fā)性組分峰面積；A2為第二次相平衡時(shí)，氣相色譜測(cè)定的氣相中揮發(fā)性組分峰面積；R為液氣相比，R=VL/Vg(VL、Vg為液、氣相體積).

式(2)中：K為氣液分配常數(shù)；Mg1為第一次相平衡時(shí)，氣相色譜測(cè)定的氣相中揮發(fā)性組分質(zhì)量；Mg2為第二次相平衡時(shí)，氣相色譜測(cè)定的氣相中揮發(fā)性組分質(zhì)量；R為液氣相比.

同理，還可推導(dǎo)出以下基本關(guān)系式：

(3)

(4)

式(3)中：C0為液相中揮發(fā)性組分的初始濃度；Cg1為第一次相平衡時(shí)氣相中揮發(fā)性組分濃度；K為氣液分配常數(shù)；R為液氣相比.

式(4)中：Mg1為第一次相平衡時(shí)氣相中揮發(fā)性組分質(zhì)量；M0為液相中揮發(fā)性組分初始質(zhì)量；K為氣液分配常數(shù)；R為液氣相比.

從式(1)～(4)可知，在同一平衡、色譜操作條件下，同一體系樣品通過(guò)兩次相平衡測(cè)定揮發(fā)性組分的氣液分配常數(shù)K，就可測(cè)定氣相中揮發(fā)性組分的濃度或質(zhì)量，最終確定由頂空導(dǎo)入氣相色譜檢測(cè)器的進(jìn)樣量及檢測(cè)限.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器及試劑G1888頂空進(jìn)樣器，20 mL頂空瓶，頂空瓶蓋啟壓器(美國(guó)安捷倫公司)，6890氣相色譜儀/FID及化學(xué)工作站(美國(guó)安捷倫公司).乙酸乙烯酯標(biāo)準(zhǔn)品，含量99.9%(德國(guó)埃倫斯托弗博士公司)；N,N-二甲基甲酰胺，含量99.8%，分析純(四川西隴化工有限公司).

2.2 頂空/氣相色譜/FID操作條件按YC/T 267—2008《煙用白乳膠乙酸乙烯酯的測(cè)定 頂空-氣相色譜法》執(zhí)行[17].靜態(tài)頂空條件：定量環(huán)體積3.0 mL，樣品平衡溫度80 ℃，樣品環(huán)溫度100 ℃，傳輸線溫度120 ℃，樣品平衡時(shí)間為低速振蕩30.0 min，樣品瓶加壓壓力138 kPa，加壓時(shí)間0.20 min，充氣時(shí)間0.20 min，樣品環(huán)平衡時(shí)間0.05 min，進(jìn)樣時(shí)間1.00 min.

氣相色譜儀條件：色譜柱為VOC柱(60 m×0.32 mm×1.8 μm)(美國(guó)Agilent科技有限公司).進(jìn)樣口溫度150 ℃；分流比20∶1；柱流速2.5 mL/min；程序升溫：100 ℃(保持8.00 min)，以15 ℃/min上升至180 ℃(保持10.00 min)；載氣為99.999 9%氦氣.FID檢測(cè)器條件：溫度250 ℃，氫氣40 mL/min，空氣450 mL/min，尾吹氣(氦氣)30 mL/min.

2.3 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)及溶液配制根據(jù)儀器常規(guī)檢測(cè)項(xiàng)目及YC/T 267—2008《煙用白乳膠乙酸乙烯酯的測(cè)定 頂空-氣相色譜法》技術(shù)要求，選擇乙酸乙烯酯標(biāo)準(zhǔn)品為儀器性能確認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，并以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑；制備乙酸乙烯酯濃度約為1.5 mg/L的N,N-二甲基甲酰胺溶液為標(biāo)準(zhǔn)溶液.

2.4 實(shí)驗(yàn)方法

2.4.1 氣液平衡常數(shù) 按照2.2頂空/氣相色譜/FID操作條件，準(zhǔn)確移取1.0 mL 乙酸乙烯酯濃度為1.5 mg/L的N,N-二甲基甲酰胺溶液于20 mL頂空瓶中，密封瓶口，制備7杯平行樣，依次進(jìn)行第一次頂空相平衡及氣相色譜/FID測(cè)定乙酸乙烯酯峰面積，連續(xù)測(cè)定7次；待第一次頂空相平衡氣相色譜測(cè)定完畢及頂空瓶溫度降至室溫后，重新更換頂空瓶蓋進(jìn)行第二次頂空相平衡及氣相色譜/FID測(cè)定乙酸乙烯酯峰面積；分別記錄每次頂空兩次相平衡氣相色譜/FID測(cè)得的乙酸乙烯酯峰面積，根據(jù)式(1)計(jì)算乙酸乙烯酯在頂空相平衡過(guò)程中的氣液分配常數(shù)K值，取7次平行測(cè)定結(jié)果的算術(shù)平均值為最終結(jié)果.

2.4.2 基線噪聲及基線漂移 按照2.2頂空/氣相色譜/FID操作條件，記錄基線30 min.選取乙酸乙烯酯出峰時(shí)間段(0～8 min)基線中噪聲最大峰-峰高對(duì)應(yīng)的信號(hào)值為儀器的基線噪聲；由于JJG 700—2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》氣相色譜儀的計(jì)量性能要求中基線漂移記錄的基線為30 min，故選取0～30 min基線偏離起始點(diǎn)最大響應(yīng)信號(hào)值為儀器信號(hào)漂移.

2.4.3 檢測(cè)限 按照實(shí)驗(yàn)方法2.4.1測(cè)定出氣液分配常數(shù)K值，然后代入式(3)或式(4)計(jì)算乙酸乙烯酯/N,N-二甲基甲酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液在頂空相平衡時(shí)氣相中乙酸乙烯酯的濃度Cg1或質(zhì)量Mg1.再根據(jù)頂空定量環(huán)3 mL、氣相色譜分流/不分流進(jìn)樣口分流比(1∶20)、頂空液氣相比R(1∶19)，計(jì)算由頂空導(dǎo)入FID檢測(cè)器的乙酸乙烯酯實(shí)際進(jìn)樣量，并按關(guān)系式(5)計(jì)算檢測(cè)限.

(5)

式(5)中：DFID為FID檢測(cè)限，g/s；N為基線噪聲，pA(或mV)；W為乙酸乙烯酯實(shí)際進(jìn)樣量，g；A為乙酸乙烯酯峰面積的算術(shù)平均值，pA·s(或mV·s).

3 結(jié)果與討論

3.1 氣液分配常數(shù)按照實(shí)驗(yàn)方法2.4.1，平行測(cè)定7次乙酸乙烯酯濃度為1.5 mg/L的N,N-二甲基甲酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液，記錄兩次相平衡后測(cè)得的乙酸乙烯酯峰面積并計(jì)算氣液分配常數(shù)K值.濃度為1.5 mg/L乙酸乙烯酯標(biāo)準(zhǔn)樣品的氣相色譜圖如圖1所示，兩次相平衡測(cè)定的乙酸乙烯酯峰面積和氣液分配常數(shù)K如表1所示.

圖1 乙酸乙烯酯氣相色譜圖

表1 兩次相平衡乙酸乙烯酯氣液分配常數(shù)測(cè)定結(jié)果

由圖1可知，乙酸乙烯酯色譜峰的保留時(shí)間為4.603 min，可與空氣峰有效分離，準(zhǔn)確定量色譜峰積分面積.由表1可知，乙酸乙烯酯在N,N-二甲基甲酰胺中氣液分配常數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.58%，測(cè)定方法的精密度較高、重復(fù)性較好，結(jié)果穩(wěn)定.

3.2 基線噪聲及基線漂移按照實(shí)驗(yàn)方法2.4.2，基線噪聲N及基線漂移測(cè)試色譜圖如圖2所示，基線噪聲N(0～8 min)及基線漂移(0～30 min)結(jié)果如表2所示.

圖2 基線噪聲及基線漂移測(cè)試色譜圖

表2 基線噪聲及基線漂移結(jié)果

由表2可知，基線噪聲和基線漂移的測(cè)試結(jié)果很好的滿足技術(shù)要求.

3.3 檢測(cè)限按照實(shí)驗(yàn)方法2.4.3，依次計(jì)算頂空進(jìn)樣量W及FID檢測(cè)限D(zhuǎn)FID，結(jié)果如表3所示.結(jié)果表明，頂空進(jìn)樣量W的算術(shù)平均值為1.44×10-9g；FID檢測(cè)限D(zhuǎn)FID的算術(shù)平均值為0.19 ng/s，小于0.5 ng/s，符合JJG 700—2016《氣相色譜儀檢定規(guī)程》技術(shù)要求，同時(shí)此臺(tái)頂空/氣相色譜/FID儀器靈敏度高，符合YC/T267—2008《煙用白乳膠乙酸乙烯酯的測(cè)定 頂空-氣相色譜法》技術(shù)要求.

表3 基線噪聲及基線漂移結(jié)果

3.4 重復(fù)性依照 YC/T267—2008《煙用白乳膠乙酸乙烯酯的測(cè)定 頂空-氣相色譜法》實(shí)驗(yàn)方法及JJG 700—2016 《氣相色譜儀檢定規(guī)程》技術(shù)要求，對(duì)乙酸乙烯酯濃度為1.5 mg/L的N,N-二甲基甲酰胺標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行7次平行測(cè)定，記錄乙酸乙烯酯色譜峰保留時(shí)間T和峰面積A；以乙酸乙烯酯保留時(shí)間的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為定性重復(fù)性，以乙酸乙烯酯峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為定量重復(fù)性，測(cè)定結(jié)果如表4所示.

表4 基線噪聲及基線漂移結(jié)果

由表4可知，定性重復(fù)性為0.06%，定量重復(fù)性為0.27%，符合JJG 700—2016 《氣相色譜儀檢定規(guī)程》技術(shù)要求，儀器的穩(wěn)定性較好.

4 結(jié)論

采用兩次相平衡方法，測(cè)定乙酸乙烯酯在N,N-二甲基甲酰胺中氣液分配常數(shù)、頂空實(shí)際進(jìn)樣量、基線噪聲、檢測(cè)限以及定性定量重復(fù)性，建立靜態(tài)頂空-氣相色譜-FID一體化性能確認(rèn)方法；操作簡(jiǎn)單，結(jié)果可靠.將該方法應(yīng)用于實(shí)際工作中的檢測(cè)儀器和項(xiàng)目，對(duì)儀器的一體化性能和乙酸乙烯酯的檢測(cè)方法進(jìn)行確認(rèn)，性能指標(biāo)完全符合JG 700—2016 《氣相色譜儀檢定規(guī)程》的技術(shù)要求.