六、大體積進樣系統：
GC檢測下限特別是配置常用的幾種檢測器，無論如何改善操作參數提高信噪比，大多數分析的進樣量很難達到10ˉ12g以下，為此必須對樣品進行濃縮。為了簡化和取消樣品濃縮步驟，設計了大體積進樣技術（LVI）。
大體積進樣是進樣量比常規進樣大幾十倍到幾百倍（5～500μL）的進樣方式，GC檢測下限可大大降低。無論是填充柱還是毛細管柱，柱容量總是有限的，進樣量大，很容易造成柱超載，致使柱性能變壞，峰形畸變。對于毛細管柱分析，稀樣品進樣量大的主要問題是溶劑超載問題。雖然常規不分流進樣和冷柱上進樣適合稀樣品的分析，但大量溶劑進入色譜柱會造成許多不利影響。于是，大體積進樣發展了冷柱上進樣實現大體積進樣和程序升溫氣化進樣實現大體積進樣，其實質是增加了可控制時間的溶劑放空技術。
1、冷柱上進樣實現大體積進樣：
進樣時，打開溶劑放空閥，控制柱溫使溶劑選擇性地氣化。由于溶劑放空出口的氣阻遠小于色譜柱的氣阻，大量溶劑氣體通過放空閥排出儀器系統。當大部分溶劑氣體放空后，關閉放空閥，同時升高柱溫，使殘留溶劑和待測樣品組分氣化進入色譜柱進行分離。
實際操作中，關鍵是溶劑放空時間的確定。放空時間短會造成色譜柱中溶劑超載，影響柱效。放空時間長會造成低沸點組分隨溶劑放空，影響分析精度，因此，放空時間要根據溶劑沸點、初始柱溫、進樣體積和載氣流量優化選擇。
2、程序升溫氣化進樣實現大體積進樣：
程序升溫氣化進樣用于大體積進樣時采用溶劑消除模式。
（1）進樣和溶劑放空：
進樣時，將柱前壓調為零，分流出口的流量設置為100～150mL/min。樣品以液體狀態進入冷襯管，溶劑和部分低沸點組分隨載氣從分流出口放空。當大部分溶劑揮發放空后，可進行第二次進樣，再重復以上溶劑放空過程。
為了提高濃縮倍數，可多次重復進樣，但應注意兩次進樣間隔時間。間隔時間太短，襯管內充滿液體樣品，液體樣品可能會被放空，導致峰小。間隔時間太長，揮發性組分（沸點低于C13沸點）會損失較多。
（2）不分流轉移樣品：
當zui后一次累積進樣的溶劑大部分放空后，關閉分流放空閥，同時將柱前壓調到分析所需值，然后開始進樣口程序升溫，直到溫度達到或接近待測樣品中zui重組分的沸點。在此過程中，樣品組分依次進入色譜柱。
（3）色譜分離：
當樣品進入色譜柱后，開始柱溫程序升溫分析。同時將分流放空出口氣流量恢復到30～50mL/min。
3、應用：
（1）冷柱上進樣實現大體積進樣適用于干凈樣品中痕量低沸點組分的分析。
（2）程序升溫氣化進樣實現大體積進樣適用于“臟”樣品中痕量高沸點組分的分析。
（3）低沸點“臟”樣品可采用低溫冷凍程序升溫氣化大體積進樣進行分析。
七、靜態頂空進樣：
氣相毛細管柱色譜儀分析中約60%的時間用于樣品預處理，10%～15%的時間用于色譜分析，其它時間用于數據處理等，如何加快和簡化樣品預處理是提高氣相毛細管柱色譜儀分析效率的關鍵。樣品預處理的方法很多，當只對復雜樣品中的揮發性組分感興趣時，靜態頂空進樣往往是一種非常簡便而有效的分析方法。
靜態頂空進樣是將液體或固體樣品溶液密封在一個容器中（平衡瓶即頂空樣品瓶），在一定溫度下（平衡溫度）加熱一段時間（平衡時間），使氣液或氣固兩相達到平衡，然后取氣相部分進入氣相毛細管柱色譜儀進行分析。靜態頂空進樣又稱平衡頂空進樣或一次氣相萃取進樣。
1、工作原理：
將液體或固體樣品溶液置于一個恒溫密封的頂空樣品瓶中，使其中的揮發性組分逸出，在達到氣液或氣固分配平衡后，定量采集取氣相部分進入氣相色譜儀進行分析，通過測定樣品基質上方的氣體成分來測定這些組分在原樣品中的含量。
設頂空樣品瓶中裝有的液體樣品的體積為V0，原始樣品濃度為C0。當在一定溫度下達到氣液平衡時，氣相體積為Vg，氣相中的樣品濃度為Cg；液相體積為Vl，液相中的樣品濃度為Cl。則：
平衡常數K = Cl/Cg
相比β = Vg/Vl
當在一定溫度下達到氣液平衡時，可以認為液體體積不變，即：
Vl = V0
由于頂空樣品瓶是密封的，樣品不會逸出，所以：
V0×C0 = Vl×C0
= Vg×Cg + Vl×Cl
= Vl×Cg×β + Vl×Cg×K
= Vl×Cg×（K + β）
C0 = Cg×（K + β）
對于一個給定的平衡系統，在一定條件下，K和β均為常數，故得：
Cg = C0×K′
式中：K′= 1/（K + β）也為常數。
這就是說，在平衡狀態下，氣相中的樣品濃度Cg與樣品的原始濃度C0成正比。當用氣相色譜儀分析得到Cg后，就可計算出C0。這就是氣相色譜儀靜態頂空進樣分析的理論依據。
2、進樣方式：
靜態頂空進樣有注射器進樣、平衡式加壓進樣和定量環加壓進樣等方式。
（1）注射器進樣：
由注射器取樣，為了減少揮發性組分在注射器中的冷凝，一般在注射器的外部套有溫度控制裝置。每次進樣前應用氣體清洗進樣器，盡可能消除系統的記憶效應。
1）特點：
適用性廣，易清洗。
壓力難以控制，進樣量準確度較差。
當加熱條件下頂空氣體的壓力太大時，在注射器拔出頂空樣品瓶的瞬間會造成揮發性組分損失。
適用于香精、香料和煙草等揮發性含量較大樣品的分析。
2）注意事項：
①注射器必須是可加熱的：
樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，其溫度不能發生改變。因此，注射器必須是可加熱的，否則將造成樣品在注射器內再冷凝。
②樣品揮發會影響重現性：
樣品由頂空樣品瓶吸出到氣相色譜儀進樣口的過程中，由于樣品在頂空樣品瓶內與常壓下存在壓力差，將造成樣品流失。因此，需將注射器的溫度設定的比頂空樣品瓶高，這樣可zui大限度的減少壓力差所帶來的誤差。
③交叉污染問題：
在兩次進樣之間持續通惰性氣體（氮氣或氦氣）吹洗注射器，可避免樣品之間的交叉污染，避免出現鬼峰。
④注射器與氣相色譜儀進樣口的對準：
通過精密的步進馬達和先進的位置記憶軟件系統，確保注射器與氣相色譜儀進樣口位置的準確定位。
（2）平衡式加壓進樣：
待樣品中的揮發性組分達到分配平衡時，對頂空樣品瓶內施加一定的氣壓將頂空氣體壓到載氣流中。
平衡式加壓進樣系統的死體積小。
平衡式加壓進樣靠時間程序來控制分析過程，很難計算出具體的進樣量，進樣誤差較大。
（3）定量環加壓進樣：
由定量環、壓力控制閥和氣體傳輸管路等組成，靠對頂空樣品瓶內施加一定的氣壓將頂空氣體壓到六通閥的定量環中，然后用載氣將定量環內的頂空氣體進到色譜柱中。
具有很好的重現性，適合定量分析。
由于系統管路較長，揮發性組分易在管壁上吸附，一般將管路加熱到較高的溫度。
3、特點：
（1）優點：
1）不需對樣品作復雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，大大減少了樣品基質對分析的干擾。
2）采用氣體進樣，分析速度快，靈敏度高。
3）無溶劑萃取，操作簡便。
4）有多種模式，適用于多種樣品形態。
（2）缺點：
有時必須進行大體積的氣體進樣，樣品的蒸氣體積過大，揮發性組分峰初始帶寬較大，影響分離效能。特別是對于組成復雜的樣品，蒸氣中的大量水分往往有損于色譜柱，限制了氣相色譜儀的使用。
4、影響靜態頂空進樣分析的因素：
影響靜態頂空進樣分析的因素有樣品性質、樣品量、平衡溫度、平衡時間、頂空樣品瓶和密封蓋等。
（1）樣品性質：
靜態頂空進樣分析zui大的優點是不需對樣品作復雜的處理，而直接取其頂空氣體進行分析，但樣品性質仍然對分析結果有直接影響。樣品是指置于頂空樣品瓶中的原樣品，而非進入氣相色譜儀的揮發物，因此，要考慮整個頂空樣品瓶中的樣品性質。
1）氣體樣品：
對于氣體樣品，頂空樣品瓶中只有氣相，沒有凝聚相（液相或固相），與普通氣相色譜分析沒有太大區別。氣體樣品的采樣溫度和樣品保存溫度可能不同，一般后者低于前者。在相對低溫下保存樣品時，有些組分可能會冷凝，分析時要在平衡溫度下放置一定時間，使樣品達到均勻的氣相，以消除部分組分冷凝帶來的誤差。
2）液體和固體樣品：
將液體樣品轉換為氣體需要一定時間，氣化不完全會使頂空樣品與原樣品的組成不同，從而影響分析結果的準確度，應在一定溫度下平衡足夠的時間。
對于液體和固體樣品，頂空樣品瓶中有氣液或氣固兩相，甚至氣液固三相共存。頂空氣體中各組分的含量既與其本身的揮發性有關，又與樣品基質有關，特別是在樣品基質中溶解度大的組分的基質效應更為明顯。頂空氣體的組成與原樣品的組成不同，對定量分析的影響尤為嚴重，標準樣品不能僅用待測物的標準品配制，還必須有與原樣品相同或相似的基質。
減少基質效應的方法有利用鹽析作用、在有機溶劑中加入水、調節溶液pH值、粉碎固體樣品和稀釋樣品等。
①利用鹽析作用：
鹽析是指在水溶液中加入無機鹽來改變揮發性組分的分配系數。實驗表明，鹽濃度小于5%時幾乎沒有作用。常用高濃度鹽甚至飽和鹽。
鹽析對極性組分的影響遠大于對非極性組分的影響。
②在有機溶劑中加入水：
在有機溶劑中加入水（水要與所用有機溶劑相溶），可減小有機物在有機溶劑中的溶解度，增大其在頂空氣體中的含量。
③調節溶液pH值：
對于酸和堿，通過控制溶液pH值可改變其解離度或使其它待測物的揮發性變得更大些。
④粉碎固體樣品：
物質在固體中的擴散系數比在液體中小，固體樣品中揮發物的擴散速度很慢，往往需要很長時間才能達到平衡，盡量用小顆粒的固體樣品有利于縮短平衡時間。
一般的粉碎方法會造成樣品損失，多用冷凍粉碎技術來制備固體樣品。
用水或有機溶劑浸潤樣品，可減小固體表面對待測物的吸附作用。
⑤稀釋樣品：
稀釋樣品是減小基質效應的常用方法，但會降低分析靈敏度。
（2）樣品量：
樣品量是指頂空樣品瓶中的樣品體積。樣品量直接決定相比，對分析結果影響很大。
樣品性質、分析目的和方法是決定樣品量的主要因素。
進樣量是通過進樣時間（壓力平衡系統）或定量管（壓力控制定量管系統）來控制的，它受溫度和壓力等因素的影響。事實上，進樣量沒有多大意義，重要的是進樣量的重現性，只要保證進樣條件重現，就能保證重現的進樣量。即使在定量分析中，一般也不需要知道進樣量。
靜態頂空進樣分析一般只從一個頂空樣品瓶中取樣一次。做平行實驗時，要制備幾份樣品分別置于不同的頂空樣品瓶中，每份樣品的體積是否重現會影響分析結果。待測組分的分配系數越小，樣品體積波動所造成的結果誤差越大。反之，分配系數越大，影響越小。實際工作中，樣品的分配系數往往是未知的，任何時候都應盡量使各份樣品的體積一致。
樣品體積還與頂空樣品瓶的容積有關。樣品體積的上限是頂空樣品瓶容積的80%，以使有足夠的頂空體積便于取樣。常以頂空樣品瓶容積的50%為樣品體積。
（3）平衡溫度：
樣品的平衡溫度與蒸氣壓有關，影響分配系數。一般來說，平衡溫度越高，蒸氣壓越高，頂空氣體的濃度越高，分析靈敏度越高。待測組分的沸點越低，對溫度越敏感。然而，在靜態頂空進樣分析中，溫度改變只影響分配系數，并不影響相比。對于給定的樣品體系，相比是常數。當分配系數>>相比時，溫度影響非常明顯。當分配系數<<相比時，溫度升高使分配系數減小，但分配系數和相比的變化很小，頂空氣體的濃度變化很小。
平衡溫度應根據分析對象選擇。實際工作中，一般在滿足分析靈敏度的條件下選擇較低的平衡溫度。溫度過高可能導致某些組分分解和氧化，使頂空氣體的壓力太高。頂空氣體壓力過高會對下一步加壓提出更高要求，可能引起系統漏氣。
靜態頂空進樣分析中必須保證溫度重現。除了平衡溫度，取樣管、定量環以及與氣相色譜儀的連接管路都要嚴格控制溫度，這些溫度一般要高于平衡溫度，以避免樣品的吸附和冷凝。
（4）平衡時間：
平衡時間一般比分析時間長，分析周期主要由平衡時間決定，縮短平衡時間是提高靜態頂空氣相色譜分析速度的關鍵。平衡時間本質上取決于待測組分分子從樣品基質到氣相的擴散速度。擴散速度越快，擴散系數越大，所需平衡時間越短。
1）平衡時間的確定：
由于樣品性質千差萬別，平衡時間很難預測，一般通過實驗來測定。在5～10個頂空樣品瓶中裝上同一樣品，每個頂空樣品瓶采用不同的平衡時間，然后進行氣相色譜分析，用待測物的峰面積對平衡時間作圖，可確定所需平衡時間。
平衡時間一般不小于30min，以保證樣品溶液的氣液或氣固兩相有足夠的時間達到平衡。平衡時間也不宜過長，一般不超過60min，否則可能使頂空樣品瓶的氣密性變差，導致定量準確性降低。
2）縮短平衡時間的方法：
①提高溫度：
分子擴散系數與分子尺寸、介質粘度和溫度有關。溫度越高，粘度越低，擴散系數越大，提高溫度可縮短平衡時間。
②減少樣品體積：
氣體樣品或可全部轉化為氣體的液體樣品所需平衡時間短些。液體樣品的平衡時間除了與樣品性質和溫度有關，還與樣品體積有關。樣品體積越大，所需平衡時間越長。而樣品體積又與分析靈敏度要求有關。對于分配系數小的組分，加大樣品體積可大大提高分析靈敏度，但所需平衡時間增加。對于分配系數大的組分，加大樣品體積對提高分析靈敏度甚微，可用小的樣品體積來達到縮短平衡時間的目的。
③采用重疊平衡：
自動頂空進樣器具有此功能，可預設時間程序進行自動分析。
④攪拌：
實驗表明，對于分配系數小的樣品，攪拌可使平衡時間縮短一半以上。但對于分配系數大的樣品，影響小的多。
固體樣品所需平衡時間長，除了提高溫度可縮短平衡時間，減小固體顆粒尺寸和增大比表面可有效縮短平衡時間。將固體樣品溶解在適當的溶劑中或用溶劑浸潤固體樣品，也可縮短平衡時間。
（5）頂空樣品瓶：
頂空樣品瓶大多采用硼硅玻璃材質，其惰性能滿足絕大部分樣品的分析。
1）頂空樣品瓶的要求：
①體積準確。
②能承受一定壓力。
③密封性能良好。
④對樣品無吸附作用等。
2）頂空樣品瓶真實體積的確定：
定量分析時要涉及到相比的準確值，這就要知道頂空樣品瓶的準確體積。簡單方法是先用天平稱量空瓶重量，然后充滿水再稱量，根據水在稱量溫度下的密度，可計算出頂空樣品瓶的準確體積。對同一批頂空樣品瓶，可準確測定其中5個的真實體積，用其平均體積作為該批頂空樣品瓶的真實體積。
3）頂空樣品瓶的選用：
頂空樣品瓶的體積有5～22mL多種。
①根據氣相色譜分析要求而定。
②根據樣品情況而定。液體樣品多用10mL左右的頂空樣品瓶，因為分析靈敏度取決于待測組分在頂空氣體中的濃度，而不是樣品量。固體樣品因為樣品本身的體積大，要用大些的頂空樣品瓶。
③根據色譜柱要求而定。填充柱或毛細管柱分流進樣時，進樣體積一般為0.5～2mL，要用大體積頂空樣品瓶。毛細管柱不分流進樣時，進樣體積一般不超過0.25mL，小體積的頂空樣品瓶足以滿足要求。
4）頂空樣品瓶的清洗：
頂空樣品瓶zui好只用一次。若反復使用，一定要清潔干凈。清洗方法是先用洗滌劑清洗，然后用蒸餾水清洗，再用純甲醇沖洗，zui后置于烘箱中烘干。