动态顶空技术及其在酒类样品中的应用

动态顶空 (Dynamic Headspace)是用惰性气体如氮气等对密闭容器中样品表面进行吹扫，不断带出样品顶空中的挥发性化合物，并使用吸附剂加以捕集，最后通过解析吸附剂，将化合物进样到气相色谱中的一种样品前处理技术。

由于吹扫的顶空体积可以无限大，并且有吸附剂对分析物进行富集浓缩，所以动态顶空的检测下限较静态顶空更低，故更灵敏，适合痕量化合物。不断重新吹入样品表面的载气，可以不断地打断气相和液相中分析物的分配平衡，从而带出样品中挥发性较低以及极性的化合物，而不需要对样品过度加热，故可以更全面的分析样品，歧视小。对于含水量高的样品（如液体样品），可以通过使用不亲水的Tenax TA来达到去水和甲醇等等有机溶剂的作用，保护气相色谱。

哲斯泰是最早对动态顶空技术成功进行自动化的公司，下图是我们的自动化动态顶空模块DHS的采样和热脱附流程图。

哲斯泰的动态顶空模块DHS的采样，干燥和进样示意图

只需将样品加入顶空瓶中，DHS模块就可以按照参数设定，自动对样品进行吹扫、捕集、浓缩。采样结束后，自动的对吸附剂进行解析从而释放被捕集的化合物。被释放出的化合物首先在冷阱中被冷聚焦浓缩，等待热脱附结束后，冷阱马上快速升温，使化合物以窄带的形式进入到气相色谱中进行分离和分析。我们的DHS模块还可以通过简单的吹扫一个干净的空顶空瓶，来达到去除吸附剂中水分的目的。

哲斯泰动态顶空模块DHS

动态顶空技术适合分析痕量化合物，对低挥发性化合物及极性化合物回收率高。被广泛应用于食品，饮料，烟酒的风味分析与成分研究，环境样品中VOC分析，日用消费品安全检测等，其中在食品饮料烟酒这块的应用占总应用的63%。在食品领域，有水果，蔬菜，食用油，海鲜，奶酪，大蒜，面包，蜂蜜蜂胶，大米，豆制品，松露等样品。饮料有咖啡 （包括咖啡豆，咖啡粉），茶（包括茶叶），果汁等样品。酒类有葡萄酒，威士忌，米酒，啤酒等。还有烟草及调味品如醋，酱油。下面我们会举几个例子来证明动态顶空技术的优势。

对咖啡粉的风味分析中，分别使用静态顶空HS，固相微萃取SPME以及动态顶空DHS对样品进行采样。样品孵化温度都在40度，采样时间 HS：30分钟，SPME：30分钟，DHS：10分钟; 进样 HS：1 mL, SPME: DVB/Carboxen/PMDS 50/30μm, DHS: Tenax。 把各个重要风味化合物使用不同采样手段的出锋大小来做比较， 可以看出使用DHS得到了最高的回收率，各个化合物的锋响应均为最高。故DHS对咖啡粉样品的顶空风味分析是最为灵敏的。 

同样是用DHS来分析陈年威士忌，并且和静态顶空法来做比较。样品都是在60度被孵化，一样的采样时间10分钟。使用动态顶空可以得到更多的化合物，特别是一些保留时间靠后的化合物，即低挥发性化合物，如峰号33-43。而且由于其灵敏度高，所以许多重要的痕量化合物（酯类，醛类）也被检测出来，如峰号22-28。但是由于所使用的Tenax TA 对易挥发性的小分子化合物捕集性差，所以1到5这些峰是有损失的，对于这些峰，静态顶空有其优势。但是由于我们关注的是陈年威士忌样品，所以挥发性低的以及痕量化合物更具有代表性，而不是所有酒类中普遍存在的乙酸乙酯等常见化合物。 之后我们会介绍“多管捕集”技术，可以使用不同的吸附剂来吸附不同挥发性的化合物，以弥补只使用一种吸附剂而无法避免的选择性。

动态顶空技术对中国茶的风味分析，是由中国农业大学食品科学与营养工程学、中国农业部果蔬加工重点实验室、国家果蔬加工工程研究中心的科学家们在2013年发表的。 其中对“对中国绿茶、红茶的高、中、低档风味进行了比较分析。感官分析表明，不同品级的茶叶之间存在显著差异，与茶叶品级分类的市场价格吻合较好。高品级茶叶的香气特性（纯净持久、麦芽味、甜味、柑橘味、果味、花香、清爽和海藻味）得分最高。共鉴定出3个品级绿茶和红茶中37种挥发性成分，其中己醛、α-萜品醇、水杨酸甲酯、香叶醇、芳樟醇及其氧化物是两个品级茶叶中含量最丰富的化合物。”

在多年的应用研究中，我们公司的应用化学家对顶空采样技术所遇到的瓶颈开发了两种高效的动态顶空扩展技术，分别来针对1. 样品的基质效应，和2. 使用单一吸附剂捕集对化合物的选择性。 这两种扩展技术是“完全蒸发动态顶空法（FE-DHS）”和“多管捕集法（多挥发物捕集MVM）”。 这里一一为大家介绍：

完全蒸发-动态顶空法（FE-DHS）-- 通过高温，完全蒸发样品以消除基质效应，提高对挥发性低的化合物以及极性化合物的回收率。

对于样品中的基质效应（即基质对一些化合物的回收率有干扰，有增强效应也有抑制效应，无法真实还原样品里各个组分的含量）可以使用完全蒸发法。这一方法是Markelov在1993年提出的，是一种无基质影响的顶空分析法。方法就是将少量的样品通过高温在顶空瓶中完全蒸发，然后取样分析。如完全蒸-动态顶空法来分析单一麦芽威士忌，只需在顶空瓶中注入100微升的样品，然后在80度高温下使其完全蒸发，再通过动态顶空来采样捕集和分析。得到以下的色谱图。

所得到的化合物，有些是饱和蒸汽压非常的低的，即挥发性很低的化合物，如香兰素，丁香。对其他的化合物也可以做到最真实的反映其在样品中的含量，无基质效应。 

多管捕集法（多挥发物捕集MVM）-- 使用多根捕集管，对整个挥发范围VVOC-SVOC，以及极性化合物进行全面捕集，在一个色谱图上得到样品的最全面信息。

由于吸附剂有选择性，我们很难通过一个方法和一个吸附剂来得到所有化合物的信息，即覆盖各个挥发性范围和极性范围。如上图所示，对同一个样品，如果用石墨化炭黑或碳分子筛吸附剂来附剂小分子易挥发的化合物，可以得到蓝色的化合物回收率。再使用Tenax TA做吸附剂， 在不加热样品的条件下，我们可以得到黄色的回收率，中段挥发性的化合物又被带出来很多。最后使用刚才所提到的完全蒸发法，就可以得到红色的化合物回收率，主要是高沸点的化合物。而如果我们可以把这三个结果结合，即把三根吸附剂一起进样到色谱柱上，那么我们就可以得到最全面的样品信息。 哲斯泰的热脱附可以通过逐一热解析每一根吸附管，并且冷阱在脱附完成前一直保持低温，做到收集三根脱附管里的所有化合物。 等三根吸附管解析完成后，再快速升高冷阱的温度，我们就能把所有的化合物一起送入GCMS中进行分析。

这里的绿茶应用，对1毫升的绿茶使用多管捕集法，可以得到以上的色谱图。 色谱图中的化合物挥发范围覆盖非常广，从极易挥发的二甲基硫醚（20度下饱和蒸汽压64 kpa）到中等挥发性的3-甲硫基丙醛（20度下饱和蒸汽压0.24 kpa），再到挥发性非常低的香兰素（20度下饱和蒸汽压0.000060 kpa），只有使用多管捕集才能如此全面的得到所有化合物的信息，没有歧视现象。此方法是分析风味物质的强大工具，一张色谱图得到所有信息。

哲斯泰为您提供全面的解决方案