EPA TO-17 校准:用于吸附管和热脱附的气相标准气

要点:EPA TO-17 方法通过主动采样将 VOC(挥发性有机物)采集到吸附管上,再经热脱附(TD)GC–MS 分析。可靠的定量取决于以气相方式加载到吸附管上的校准标准气,因为气相正是现场样品所处的物理状态。GasMix 和 LiqMix 动态稀释系统可按需生成这类基质匹配的多点标准气,覆盖 ng 至 µg 级。该方法已在经同行评审的研究中得到验证(比勒陀利亚大学与 SASOL,MethodsX,2025):研究使用 Markes TD 管,R² 最高达 0.9955,与有证标准物质的一致性达 99%。

什么是 EPA TO-17 方法?

TO-17 是美国 EPA 方法汇编中用于测定环境空气中挥发性有机物的方法:以主动采样方式将样品采集到吸附管上,再进行热脱附和 GC–MS 分析。用泵抽取空气通过填装一种或多种吸附剂的吸附管,目标物被保留下来,随后经热脱附、在冷阱上再聚焦,最后进样至 GC 色谱柱。

与基于采样罐的 TO-15 方法相比,TO-17 适用于挥发性范围很宽的化合物和痕量(亚 ppb 级)分析,也适合不便使用采样罐的现场采样任务。不过,其准确度完全取决于校准标准气如何制备、又如何引入吸附剂。

为什么 TO-17 需要基质匹配的气相标准气

要使校准在 TO-17 框架下有效,标准气到达吸附剂的方式应与样品相同:以具有代表性的流速,从气相中被吸附。将标准物加载到吸附管上有两种方式:

  • 液体加标(例如使用校准溶液加载装置):将液体标准物注入吸附管,再由载气吹扫至吸附剂上。TO-17 允许采用这种方式,但要求使用高纯溶剂,且溶剂的挥发性最好远高于目标物,以减少溶剂伪峰和共流出。
  • 动态稀释气相加载:让受控的气相标准气沿采样流路通过吸附管。目标物在吸附床上的吸附过程与现场样品完全相同,从而实现真正的基质匹配校准,且不受进样溶剂的影响。

第二种方式更为严谨,而这正是 GasMix 和 LiqMix 所提供的。

GasMix 和 LiqMix 如何校准吸附管

GasMix 平台通过软件控制的动态稀释配制定制的校准混合气,再以模拟主动采样的计量流量使其通过吸附管:

  • GasMix 利用质量流量控制器对压缩气源(气瓶、渗透管)进行稀释,自动生成多点浓度系列。
  • LiqMix 直接由液体标准物生成气相标准气:科里奥利质量流量控制器将液体定量送入温控汽化器,液体在其中蒸发进入载气,并可再与最多四路气体通道混合。对于没有气瓶标准气的化合物,这是理想的方案。
  • Cascade(两级级联选项)将两级稀释串联,每级稀释倍数最高 10⁴,可达到低 ppb(nL/L)浓度,满足环境空气水平的 TO-17 分析。所有管路均加热至输送点,防止较重目标物再冷凝。

由于混合气按需生成,实验室可以免去气瓶标准气的费用、交货周期和高压危险,还能配制无法储存的活性或不稳定混合气。

满足 TO-17 质量控制要求

TO-17 沿用 TO-15/TO-15A 方法的 GC–MS 校准框架,并增加了针对吸附剂的采样控制要求。动态稀释对这两方面均可提供支持:

TO-17 要求判定标准GasMix / LiqMix 如何支持
初始校准(ICAL)≥ 5 个浓度点;平均 RRF 的 RSD ≤ 30%,或线性/二次回归 R² ≥ 0.995;各浓度点与理论值的偏差在 ±30% 以内按需生成 ≥ 5 个精确、可溯源的浓度点
每日/连续校准核查(CCV)标准气测定值在理论值的 ±30% 以内每天复现同一标准气
穿透后备段上的目标物 < 总量的 5%可通过串联的吸附管 + 后备管加载,直接进行验证
安全采样体积(SSV)≈ 穿透体积的 2/3受控的流量/体积加载,便于开展吸附管加载研究
分布体积对以不同采样体积的成对吸附管确认样品完整性每支吸附管的加载体积可重复、可编程
精密度≤ 25% RPD(重复样/平行样)加载吸附管实测 RSD 为 3–4%

独立验证:Markes TD 管上的 BTEX

在 Leakwe et al.(MethodsX,2025)的研究中,LiqMix Cascade 生成了 BTEX(苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯)气相标准气,并将其加载到装于 Markes 热脱附管中的 Radiello 石墨化碳吸附芯(Carbograph 4)上,随后热脱附至 Tenax 聚焦阱,再经 GC–MS 分析。研究还在其后串联了一支相同的后备吸附芯,用于监测穿透,这正是 TO-17 质量控制在实际中的做法。

主要结果:

  • 热脱附后的线性:在代表环境空气采样的 ng 级加载量范围内(例如苯为 10–690 ng),R² 分别为 0.9941(苯)、0.9899(甲苯)、0.9917(乙苯)和 0.9955(邻二甲苯)。
  • 精密度:加载吸附管的 %RSD 为 3.2–4.2%,远优于 ≤ 25% RPD 的精密度要求。
  • 正确度:与 Restek BTEX 有证标准物质的平均一致性为 99%,证实其在计量上与气瓶 CRM 等效。
  • 范围:同一平台还通过溶剂解吸管覆盖了 µg 级的职业卫生加载量(R² 最高 0.9998),一套系统即可涵盖从环境空气到职业接触的浓度范围。

关于校准模型的实用说明:部分热脱附 R² 值(0.9899–0.9955)略低于严格的 R² ≥ 0.995 回归阈值,因此应以平均 RRF 模型作为合规依据。该模型为 TO-15A 明确允许,并在 TO-17 中采用;实测 3–4% 的 RSD 也轻松满足其 ≤ 30% 的限值。

参考文献:N.M. Leakwe, W. Welthagen, P.B.C. Forbes, “Production of in situ mixed gas phase volatile organic compound standards for sorbent tube applications,” MethodsX 15 (2025) 103705. https://doi.org/10.1016/j.mex.2025.103705

以气相方式将已知量的目标物加载到吸附管上。动态稀释发生装置以接近采样的流速,使受控的气相标准气通过吸附管,形成与现场样品采集方式一致的多点基质匹配校准。
可以,而且这是更严谨的方案。气相加载完全再现了现场采样的机理,可避免液体加标可能带来的溶剂伪峰和共流出问题。
当后备吸附段上的目标物超过前后两段采集总量的 5% 时,即发生穿透。验证方法是让采样气流通过串联的吸附管和后备管。
SSV 是不发生穿透时可采集的最大空气体积,TO-17 中取目标物在该吸附剂上实测穿透体积的约三分之二。
可以。Cascade 两级稀释选项可稀释至低 ppb(nL/L)水平;上文引用的研究证明,在代表环境空气被动采样和主动采样的 ng 级质量加载范围内,响应呈线性。
验证中使用的是装于 Markes TD 管内的 Radiello Carbograph 4 吸附芯,配合 Tenax 聚焦阱;但该方法同样适用于常规主动采样吸附剂和任何 TD-GC-MS 配置。
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