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【摘要】 应用新技术后，气相色谱分析一个烟草样品的时间可从30～60min缩短至几分钟甚至几秒钟。分析速度的明显加快是以牺牲一定的分辨率和样品容量为代价的。讨论了快速气相色谱分析中常遇到的一些问题，如使用小的色谱柱引起样品柱容量的减小等。还研究了通过应用气相色谱分析中经常采用的不分流进样技术，提高快速气相色谱分析检测灵敏度的可能性。为解决不分流进样引起的溶剂峰加宽，对一种无溶剂进样技术—固相微萃取进行了评价。优化后的快速气相色谱法可用于烟碱、有机酸及其它烟草成分的分析。? “快速气相色谱分析”是指在常规的仪器设备上和通常的实验操作条件下，在较短的时间内完成气相色谱分析的实验过程。通常，气相色谱分析速度的明显加快可以通过调整实验参数获得，不过一般是以分辨率的降低和样品的柱负载量的下降为代价的。然而，通过选择合适的柱子和进样条件，可以使上述问题降至最小。在快速气相色谱分析中，常用的参数概括如下：? 柱长(短至4～10m)? 柱内径(小至50～250μm)? 柱子膜厚(薄至0.1～0.5μm)? 载气及流速(氦气或氢气，30～100cm/s)? 炉温(等温或以每分钟40℃快速升温)? 进样模式(最大分流比，高达1000∶1) ? 运用快速气相色谱法进行分析时，为了减小分辨率的下降，对基于理论计算和实验结果的上述参数进行了优化。根据实际需要(例如分析一个或多个目标物质)，快速气相色谱法分析一个样品(如烟草等)所需的时间从以前的30～60min可缩短到现在的几分钟甚至几秒钟。? 本文的任务是在对快速气相色谱分析优化的情况下提供一个评价，以确定快速气相色谱法如何应用于烟草分析。使用的仪器是常用的没有特殊改进的气相色谱仪(HP6890气相色谱仪)。市售的不同长度的毛细管柱(例如DB-5毛细管柱)用于气相色谱分离。为了保持一定的样品容量，没有使用小口径的毛细管柱。分析用的烟草样品是对肯塔基1R4F卷烟的烟丝进行水蒸气蒸馏，然后经过二氯甲烷萃取获得的。?? 1 分离速度、分辨率和柱容量的平衡 ? 1R4F卷烟的二氯甲烷萃取液的气相色谱分析使用的是DB-5毛细管柱(柱长，柱内径0.32mm，柱膜厚0.25μm)。炉温先在40℃保持3min，然后以10℃/min的速度升至280℃，再保持10min。气相色谱的分析时间为37min。许多主要的烟草化学成分出现在图谱的15～23min内。此区间的一些化学成分通过气相色谱/质谱联用仪进行了鉴定，并将它们作为气相色谱图中的标记和气相色谱分析的目标成分进行了优化和讨论。? 在接下来的实验中，气相色谱分析时间从37min缩短至7min。7min的气相色谱分析使用的是10m长、内径为0.18mm、液膜厚为0.4μm的DB-5毛细管柱。程序升温，先在120℃保持0.5min，然后以35℃/min的速度升至280℃。分流比不变以使进入柱子的量保持相同。载气线速度从30cm/s增加至40cm/s。所有的目标化合物都出现在2min区间范围的图谱中(即从3.3min至5.3min)。虽然有报道在分析其它类型样品时出现了色谱峰错位的现象，不过在本分析中没有观察到。快速气相色谱分析的另一个好处是，它不仅减少了80%的分析时间，而且几个峰的分辨率反而有所改善。这几个峰出现在先前使用的柱子时所得图谱的15.4、20.9和22.1min，但分辨不好。由这些结果可以确定，改变柱内径、柱长、载气线速度和程序升温等，加快气相色谱分析的速度是可能的。然而，这些优点仅在小范围内适用。例如，通过缩短柱长，可把气相色谱分析时间减小到3min，不过这将严重影响柱子的分辨率。? 更快速的气相色谱分析必须考虑分析速度、分辨率和样品容量之间的平衡，而且应当成为实验设计的一部分。另一个应当考虑的因素是数据采集速度与峰宽的比值。在上述气相色谱图中，峰宽可减小至0.3s，这时，在数据采集速度为20个点/s(这是大多数气相色谱采集的速度，如HP5890A等)的情况下，通过一个峰仅有6个点被采集到。对于要求比上述气相色谱分析速度更快的色谱分析，为采集更合理的峰形状和获得可靠的定量计算，所要求的速度应高于20Hz。? 为了探测快速气相色谱分析的分析速度，在100s内完成了对烟草中7个有机酸(即乳酸、草酸、丙二酸、琥珀酸、苹果酸、庚二酸和柠檬酸)衍生物的分析，在短至2s内完成了薄荷醇中乙醇和薄荷醇的快速扫描。 2 分流或不分流进样 快速气相色谱分析的最常用进样方式是高达1000∶1的分流比进样。虽然所期望的目标化合物的灵敏度可通过增加物质浓度，以增大快速洗脱产生的窄峰获得部分补偿，不过为了更显著地提高检测灵敏度，应当对不分流进样或低分流比的分流进样进行评价。然而低分流比进样(例如低于50∶1)或不分流进样可能引起峰加宽。由于柱子短、内径小、液膜薄，使得样品容量有限，因此快速气相色谱分析中的不分流进样是一个挑战。由于溶剂在毛细管柱中的挥发及冷凝，也出现分辨率问题。不分流进样的溶剂峰加宽至3min的气相色谱图的三分之一，且较早出现的色谱峰完全被溶剂峰所掩盖。? 在快速气相色谱分析中，峰加宽部分是由样品注入方式、进样口的结构、进样管的内径以及进样时载气流速等引起的。调整这些参数可以缩短进样谱带时间，从而减小峰宽，特别是解决不分流进样时引起的溶剂峰加宽等问题。对用2mm和1mm口径的进样管取代常用的4mm的进样管进行了测试。结果，溶剂峰宽度大大减小。先前被溶剂峰覆盖的色谱峰也显现出来，且峰形较好。后面流出的峰的宽度也有所改善。使用2mm口径的进样管取代4mm的进样管获得了明显的改进效果，而2mm口径的进样管与1mm口径的进样管相比差别不大。? 虽然小口径进样管的使用减小了溶剂峰的宽度，但是溶剂峰拖尾的问题仍然存在，甚至更加突出，结果引起一些目标化合物，如三乙酸甘油酯、烟碱和茄酮等，与溶剂峰的拖尾部分不能完全分开。一般认为拖尾是由进样量过多引起的。通过计算可知，1μl二氯甲烷在250℃及172.3kPa的柱头压的情况下，气化膨胀后的体积为240μl，与专门使用的2mm口径的进样管的体积225μl接近。这也可由气相色谱图中化合物的峰面积保持不变得到证实。进样时，暂时增大载气流速可有效压缩溶剂蒸气的体积，使溶剂峰稍稍变窄，不过它不能对溶剂峰拖尾现象进行有效的改善。载气从进样时的流速下降至正常操作时的流速，如果变化太快，突然的压力变化可能造成溶剂蒸气的反冲，从而引起第二个分辨不好的溶剂峰。可通过把起始温度从120℃降低到80℃，给溶剂峰提供一个较大的空间，或通过1∶1的分流进样减小进样量，部分解决溶剂峰拖尾的问题。? 另一个减少溶剂峰拖尾的办法去掉溶剂峰的拖尾部分。在所选择的气相色谱条件下，虽然溶剂峰持续的时间为0.55min，但99%的溶剂峰在开始的0.2min内已流出，拖尾的溶剂峰部分占据了其后的0.35min。当在0.2min引入时吹扫气，吹出了剩余的溶剂，溶剂峰的拖尾部分立即下降至与色谱图中的基线平齐，并且前面的色谱峰(如三乙酸甘油酯)也分离开来。由于仅损失了很少一部分样品蒸气，故灵敏度没有明显下降，大多数物质的色谱峰大小保持不变；不过一些较早流出的色谱峰变宽，这可能是由于起始温度升高至120℃时，引起微弱的“溶剂效应”所致，同时由于起始温度升高产生的热效应的再聚集作用，使后面流出的色谱峰变窄。?? 3 无溶剂不分流进样(固相微萃取技术，SPME) ? 如果使用固相微萃取技术制备烟草样品并进行气相色谱分析，就可消除溶剂峰拖尾所引起的一些问题。采用固相微萃取技术处理烟草样品，就是使用涂有一薄层聚合物的玻璃纤维吸附烟草的挥发性成分，然后在高温下的气相色谱进样口进行脱附进样。固相微萃取技术的无溶剂进样也消除了溶剂对峰宽的影响，特别是毛细管柱前部的再聚集效应。另一个影响峰宽和分辨率的因素是目标化合物在热脱附时的质量转移问题，它是由温度和玻璃纤维涂层的聚合物的厚度决定的。? 采用固相微萃取技术取样，既可在样品的顶空中吸附气态成分，也可把玻璃纤维插入水溶液中吸附目标物。本文使用手动的固相微萃取设备，把涂有聚合物的玻璃纤维插入未开封的装有1R4F卷烟的盒子里，停留5min，然后把玻璃纤维插入气相色谱进样口(内装有1mm进样管)中，气相色谱进样口的温度为250℃，在进样口脱附30s。虽然这种简单地从干样品的顶空中获取挥发性成分的量可能不充分，不过这种方法确实可快速进行定性分析。我们发现，采用固相微萃取进样时，使用小口径的进样管(例如1mm)，可使进样谱带时间变窄。同时还发现，玻璃纤维插入进样口的最佳位置为距毛细管柱口2mm。? 使用DB-5毛细管柱(柱长,柱内径0.32mm，膜厚0.25μm)获得1R4F卷烟有代表性的气相色谱图，进样模式为不分流进样，升温方式为，40℃保持3min，然后以10℃/min的速度升至280℃。为加快分析速度，使用了一种短的DB-1701毛细管柱(柱长5m,柱内径0.18mm，液膜厚0.4μm)。程序升温方式为，开始温度为50℃，然后以40℃/min的速度升至280℃。这样分析时间可以缩短至5min。当开始温度分别升至80℃和120℃时，分辨率随温度升高而下降的程度比以同样升温方式有溶剂不分流进样时更剧烈。在所使用的条件下，应用薄的7μm膜厚的玻璃纤维取代100μm膜厚的玻璃纤维，并没有取得明显的改善。? 另一个提高分辨率的方法是运用连接技术把固相微萃取装置和气相色谱分析仪连接起来，它是在进样口的右下方毛细管柱的管口安装一个小的冷阱，使得分析成分可在这里再次冷凝聚集起来。通过缩短进样谱带时间提高分辨率，已成为一些研究论文报道的一个方面。Sacks和他的同事用一个金属管将气相物质冷凝聚集起来，然后急剧加热使样品进入毛细管柱，从而把进样谱带时间缩短至10ms。Borgerding和Wilkerson使用一个涂有或未涂聚合物的石英毛细管柱绕成的容积较小的环(例如环长20cm，环内径50μm，容积为0.4μl)在低于室温的情况下收集气态样品，然后将环急剧加热至比柱温高10～30℃，样品在高速气流的带动下快速流入毛细管柱。如果固相微萃取采用这种样品(通过冷阱)冷凝聚集再急速升温脱附的进样方式，那么无溶剂进样就显出其突出的优点(这方面的实验正在进行中)。? 我们运用固相微萃取结合快速气相色谱分析技术对烟草中的烟碱进行了测试。将烟草样品放入1%三乙醇胺水溶液中声波萃取6min。接着将涂有100μm聚二甲基硅氧烷膜的固相微萃取玻璃纤维浸入烟草萃取液中5min，然 [1] |
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