林 平， 傅曉欽， 錢飛中， 劉文涵

(1.浙江醫(yī)藥高等?？茖W校基礎部，浙江寧波 315100;2.寧波市環(huán)境監(jiān)測中心，浙江寧波 315012;3.浙江工業(yè)大學 化學與材料學院，浙江杭州 310014)

0 引言

靜態(tài)頂空氣相色譜法具有操作方便、基質干擾少、信噪比和精密度好、檢測結果準確的優(yōu)點，已被廣泛用于環(huán)境化學［1-2］、生物化學［3］、食品化學［4］、化妝品［5］、包裝材料［6］、藥物分析［7-8］等領域測定痕量揮發(fā)性物質，在實際應用中注重考察測定條件、開發(fā)測定方法，未見對該方法進行熱力學、動力學系統研究的文獻。然而，從熱力學、動力學揭示頂空加熱溫度、頂空加熱時間對色譜峰面積的作用規(guī)律及其內在機理、建立它們相互作用的數學模式，是優(yōu)化靜態(tài)頂空氣相色譜法測定條件的關鍵。

各國藥典［9-13］均規(guī)定或推薦采用靜態(tài)頂空氣相色譜法測定藥物中的殘留溶劑，為此筆者以枸櫞酸托瑞米芬［7］中殘留溶劑丙酮、四氫呋喃、乙酸乙酯、甲苯和鹽酸格拉司瓊［8］中殘留溶劑四氫呋喃、甲醇為例，采用靜態(tài)頂空氣相色譜法從熱力學角度揭示了揮發(fā)性有機物的色譜峰面積A隨頂空加熱溫度T改變而變化的規(guī)律、從動力學角度研究了A隨頂空加熱時間t改變而變化的規(guī)律，經數據擬合后建立了A與T、t的二元函數方程并據此預測了在不同T、t條件下各有機物的A，同時對預測結果進行了實驗驗證。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

氣相色譜儀:Agilent HP6890型，配有氫火焰離子化檢測器(FID)，美國Agilent公司;自動頂空進樣器:PE Tubromatrix HS-40型，美國PerkinElmer公司;純水機:Milli-Q Gadient型，美國Millipore公司，電阻率18.2 MΩ·cm(25℃)。

苯、甲醇、丙酮、乙酸乙酯和甲苯:色譜純(含量≥99.9%)，美國TEDIA公司;四氫呋喃:色譜純(含量≥99.93%)，國藥集團太倉化學試劑有限公司;二甲亞砜:分析純(含量≥99.8%)，杭州雙林試劑廠。

1.2 溶液的制備

精密稱取21.34 g四氫呋喃、56.35 g甲醇，用超純水定容至100 mL，作儲備液a。用超純水稀釋1 000倍后得標準溶液a。

精密稱取2.638 mg苯，用二甲亞砜稀定容至100 mL，作內標溶液。

精密稱取丙酮 6.318 g、四氫呋喃 4.443 g、乙酸乙酯 8.104 g、甲苯 8.659 g，用內標液定容至 100 mL，作儲備液b。用二甲亞砜稀釋1 000倍后得標準溶液b，屬非水體系，溶液基質為二甲亞砜。

上述各溶液均在4℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 色譜條件和頂空條件

聚乙二醇鍵合彈性石英交聯毛細管柱(HPINNOWAX):柱長為 30.0 m，內徑為 530 μm，膜厚為1.0 μm;載氣:氮氣，平均線流速:36 cm/sec，流量:4.5 mL/min，壓力:23.2 kPa;進樣口壓力為21.7 kPa;分流比為2∶1;進樣口溫度為120℃，保持2 min;FID檢測器溫度為250℃，氫氣流量:40.0 mL/min，空氣流量:450 mL/min。

標準溶液a的柱溫:程序升溫，初溫50℃(1 min)以10℃/min升溫至80℃再以30℃/min升溫至150℃(1 min);標準溶液b的柱溫:程序升溫，初溫40℃(2 min)以5℃/min升溫至60℃ 再以25℃/min升溫至210℃(1 min)。

頂空條件:標準溶液a，進樣針溫度105℃，傳輸線溫度110℃，進樣針停留時間0.20 min，進樣時間1.0 min，壓力時間 1.0 min;標準溶液 b:進樣針溫度105℃，傳輸線溫度120℃，進樣針停留時間0.20 min，進樣時間 1.0 min，壓力時間 1.0 min。頂空壓力均 55.1 kPa。

2 結果與分析

色譜圖分別見圖1、圖2。

圖1 標準溶液a的頂空平衡氣相色譜

圖2 標準溶液b的頂空平衡氣相色譜

2.1 頂空加熱溫度對色譜峰面積的影響結果

測定結果發(fā)現:標準溶液a中甲醇和四氫呋喃在30 min后氣液兩相平衡、A衡定，它們在t相同時A與T的關系見表1。標準溶液b中丙酮、四氫呋喃、乙酸乙酯、甲苯在17.5 min后A衡定，t相同時它們的A與T關系見表2。

從表1、表2可見:lgA=－k1/T+b1，相關系數r2≥0.991 2，故擬合良好。

表1 水溶液中各有機物峰面積A與頂空加熱溫度T的關系

表2 非水體系中各有機物峰面積A與頂空加熱溫度T的關系

2.2 頂空加熱時間對色譜峰面積的影響結果

標準溶液a在30 min后、標準溶液b在17.5 min后氣液兩相平衡，以最小二乘法對t=5～30 min時標準溶液a和t=5～17.5 min時標準溶液b中各有機物的A與t進行數據回歸，結果見表3、表4。

由表3、表4可見:A=k2lnt+b2，相關系數r2≥0.991 1，擬合良好。

2.3 熱力學函數的建立

對表1、表2中各有機物在不同T的k1、b1數據進行整理，結果見表5、表6。從表5、6發(fā)現，各有機物的k1、b1均與t的對數呈線性關系，即:k1=a1lnt+a2、b1=a3lnt+a4，其中a1、a2、a3、a4均為常數。對k1、b1與T進行回歸，結果見表7。

從表7可見:各有機物的A與T、t的二元函數表達式為:A=［a1lnt－a2］/T+a3lnt+a4。

2.4 熱力學函數的應用

利用該二元函數表達式，分別在T=333～348 K、t=20～30 min條件下預測了水溶液中四氫呋喃、甲醇的A，同時在T=348～363 K、t=15～20 min條件下預測了非水體系中丙酮、四氫呋喃、乙酸乙酯、甲苯的A，并進行了實驗測定，結果見表8、表9。測定結果表明:理論計算值與實際測定值吻合很好。

3 討論

3.1 熱力學原理

本研究在20 mL頂空瓶中加入10.00 mL的樣品溶液，故:Vl=Vg=10 mL，相比 β=Vg/Vl=1，分配系數K=Cl/Cg，組分的原始質量

表3 非水體系中各有機物峰面積A與頂空加熱時間t的關系

表4 水溶液中各有機物峰面積A與頂空加熱時間t的關系

表5 水溶液中各有機物的k1、b1與頂空加熱時間t的關系

表6 非水體系中各有機物的k1、b1與頂空加熱時間t的關系

表7 各有機物的A與T、t的二元函數

表8 水溶液中各有機物峰面積的預測

因為原始濃度C0=m0/Vl，故Cg=C0/(K+1)。因為組分的A∝氣相中的濃度Cg，故

表9 非水體系中各有機物峰面積的預測

各有機物K的大小與揮發(fā)度、揮發(fā)速度有關，沸點越低、相對揮發(fā)度越高或揮發(fā)速度越快，則在相同頂空加熱溫度T、時間t下則Cs越小、Cg越大，K越小;同一種物質的相對揮發(fā)度受T的影響很小，但其揮發(fā)速度明顯受T、t的影響，T越高、t越長，則Cs越小、Cg越大，K越小。兩種揮發(fā)性有機物的溶劑揮發(fā)出總量90%的時間t90、溶劑揮發(fā)到膜層所達到的最低溫度Tmin相近，則相同條件下的K接近。

從文獻［14-15］中，有:已知K乙醇＞200、K乙酸乙酯＞17.5，丙酮、四氫呋喃的t90、Tmin和乙酸乙酯相近，甲醇、甲苯的t90、Tmin和乙醇相當。故四氫呋喃、甲醇、丙酮、乙酸乙酯、甲苯的分配系數K遠比1大，那么K+1≈K。代入式1，則:A∝C0/K，可見:峰面積A直接取決于K，T越高則頂空靈敏度越高，故:

式中，X為常數。

對組分i而言:將道爾頓的定律pi=p總xi(g)代入拉烏爾定律

其中，γi為i組分的活度系數。

亨利定律pi=Hxi，在理想溶液中

式中，M為常數。

氣液兩相平衡時純物質在氣相中的蒸氣壓與溫度成指數關系:其中B和C是物質的特定常數;T是絕對溫度，將其代入式(3)，得

式(4)代入式(2)得:

其中，常數b1=X+C'，B=k1，故:lgA與1/T成線性關系，而A還與t有關。

3.2 動力學原理

靜態(tài)頂空技術是在一個封閉體系中進行的蒸發(fā)過程，通過加熱使有機物從液相揮發(fā)進入氣相，在氣、液兩相之間存在熱量交換、物質交換和動量交換的物化過程。相同T時加熱樣品溶液時，根據安托因方程得知:隨著t增加，樣品溫度逐漸升高，p總隨之增大，組分的pi越大則A越大。所以未達到氣液兩相平衡前，t越長則A越大。但隨著t的延長，持續(xù)到某一時刻，各組分在樣品相的蒸發(fā)速率會與其在頂空相中的冷凝速率相等，此時氣液兩相達到動態(tài)平衡，組分的Cg恒定、A不再隨t改變而變化。各有機物分子從樣品溶液蒸發(fā)擴散到氣相的速率各不相同，在相等T、t條件下相同濃度的不同揮發(fā)性組分的pi各不相同，因此A也不同。

3.3 預測結果存在誤差的原因

(1)隨著T的升高和t的增加，樣品相體積Vs、相比β恒定不變。

(2)忽略活度系數γi在不同頂空加熱溫度、時間的差異，將其理想化為1。

(3)分配系數K+1近似處理為K。

4 結語

(1)本研究以水或二甲亞砜作樣品基質、采用靜態(tài)頂空氣相色譜法測定溶劑的色譜峰面積A隨頂空加熱時間t、頂空加熱溫度T改變而變化的規(guī)律時發(fā)現:A與T的關系是lnA=－k1/T+b1;各有機物達到氣液兩相平衡前A與t的關系是A=k2lnt+b2，平衡后A恒定、與t無關。同時，建立了各有機物在氣液兩相平衡前A與t、T的二元函數表達式:A=［a1lnta2］/T+a3lnt+a4，氣液兩相平衡后 lnA=－k1/T+b1。

(2)在蒸發(fā)速率與其冷凝速率相等前各有機物的A與T、t的二元函數表達式為:A=［a1lnt－a2］/T+a3lnt+a4。因各有機物的揮發(fā)速度不同，故a1、a2、a3、a4均不同;同一種揮發(fā)性物質在不同基質中的揮發(fā)速度不同，故相同有機物在不同基質中的a1、a2、a3、a4也不同。

［1］馬興華，何 潔.HS-GC/MS聯用技術測定水環(huán)境中的二甲胺和二乙胺［J］.環(huán)境科學研究，2010，23(1):112-115.

MA Xing-Hua，HE Jie，et al.Headspace-gas Chromatography/Mass Spectrometry Analys is for Dimethylamine and Diethylamine in Water Environment［J］.Research of Environmental Sciences，2010，23(1):112-115.

［2］高 玲，楊 元.水中54種揮發(fā)性有機物的頂空-氣相色譜法研究［J］.中國衛(wèi)生檢驗雜志，2010，20(7):1645-1648.

GAO Ling，YANG Yuan.Study on Method for 54 kinds of Volatile Organic Compounds in Water using Static Headspace Analysis in Gas Chromatography/Mass Spectrometer［J］.Chinese Journal of Health Laboratory Technology，2010，20(7):1645-1648.

［3］朱鳳英，虞愛娜.膀胱癌病人尿液中的特征物質研究［J］.分析化學，2007，35(8):1132-1136.

ZHU Feng-ying，YU Ai-na.Study on the Characteristic Components in the Human Urine with Bladder Cancer［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，2010，20(7):1645-1648.

［4］劉江勛，黎錫流.頂空氣相色譜法測深色酒中微量甲醇［J］.釀酒，2002，29(1):91-92.

LIU Jiang-xun，LI Xi-liu.Determination of Trace Methanol in Alcoholic Drink with Color by Headspace-Gas Chromatography［J］.Liquor-making，2002，29(1):91-92.

［5］高建民，高建國.自動頂空氣相色譜法測定化妝品中的甲醇［J］.化學分析計量，2003，12(3):7-10.

GAO Jian-min，GAO Jian-guo.Determination ofMethanolin Cosmetics by Headspace Gas Chromatography［J］.Chemical Analysis and Meterage，2003，12(3):7-10.

［6］黃崇杏，王志偉.頂空氣相色譜法測定包裝紙中有機污染物在紙和空氣間的分配系數［J］.分析化學，2008，36(10):1396-1398.

HUANG Chong-xing， WANG Zhi-wei. Headspace Gas Chromatographic Method for the Determination of Partition Coefficient of Organic Surrogates Between Paperboard Packaging Materials and Air［J］.Chinese Journal of Analytical Chemistry，2008，36(10):1396-1398.

［7］林 平，傅曉欽.頂空氣相色譜法測定枸櫞酸托瑞米芬原料藥中溶劑殘留量［J］.中國藥房，2011，22(1):47-49.

LIN Ping，FU Xiao-qin.Content Determination of Residual Organic Solvents in Toremifene Citrate by Headspace Gas Chromatography［J］.China Pharmacy，2011，22(1):47-49.

［8］林 平，傅曉欽.頂空毛細管氣相色譜法測定鹽酸格拉司瓊中殘留溶劑［J］.中國藥師，2011，14(1):15-17.

LIN Ping，FU Xiao-qin.Determination of Residual Organic Solvents in Granisetron Hydrochloride by Headspace Capillary Gas Chromatography［J］.China Pharmacist，2011，14(1):15-17.

［9］中國藥典2010版二部［S］.北京:中國醫(yī)藥科技出版社，2010:附錄ⅧP，殘留溶劑測定法:附錄61-65.

［10］European Pharmacopoeia 6th Edition［M］2.4.Limit tests.2.4.24.Identification and control of residual solvents:121-126.

［11］The United States Pharmacopoeia(USP32)［M］:Chemical Tests/〈467〉Residual Solvents:163-175.

［12］British Pharmacopoeia(BP2009)［M］.Appendix Ⅷ L.Residual Solvents:A249-A254.

［13］The Japanese Pharmacopoeia(JP ⅹⅣ)［M］.General Test 51.Residual Solvents Test:85.

［14］Bruno Kolb， Leslie S. Ettre. Sstsastsic Headspace-Gas Chromatography:Theory and Practice(Second Edition)［M］.Hoboken，New Jersey:John Wiley ＆ Sons，Inc.，2005.

［15］王永華.頂空氣相色譜分析原理與技術［J］.中國環(huán)境監(jiān)測，2006，22(2):7-13.

WANG Yong-hua.TheoryandTechnologyofHeadspaceGas Chromatograph Analysis［J］.Environmental Monitoring In China，2006，22(2):7-13.