烟草科技/烟草化学T obacco Science &T echnology/T obacco Chemistry 2005年第3期(总第212期)
全二维气相色谱/质谱的原理及应用综述
鹿洪亮1, 赵明月1, 刘惠民1, 薄云川2
(1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院, 郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001;
2. 徐州卷烟厂技术中心, 江苏省徐州市环城路80号 221005)
关键词:色谱; 全二维气相色谱; 质谱; 烟叶; 化学成分
摘要:简要回顾了全二维气相色谱的发展史、工作原理、仪器构成、优越性及其在石化、食品、环保等领域的应用, 并讨论了该技术应用于烟草化学成分分析的可行性。
中图分类号:TS439.1 文献标识码:A 文章编号:1002-0861(2005) 03-0022-04Principle and Application of Comprehensive Tw o Dimensional G as Chrom atography 2Mass Spectroscopy :a R evie w
LU H ONG -LI ANG (1) , ZH AO MI NG -Y UE (1) , LI U H UI -MI N (1) , and BO Y UN-CH UAN (2) 1. Zhengzhou T obacco Research Institute of C NTC , Zhengzhou 450001, China 2. T echnology Center of Xuzhou Cigarette Factory , Xuzhou 221005, Jiangsu , China K eyw ords :Chromatography ; G C ×G C ; MS ; T obacco leaf ; Chemical constituent
Abstract :The history , w orking principle , makeup , advantages of com prehensive tw o dimensional gas chromatogra 2phy (G C ×G C ) and its applications in petrochemistry , food and environmental protection were reviewed. The prac 2ticability of applying G C ×G C/MS in the analysis of chemical constituents in tobacco was als o discussed.
现代毛细管气相色谱(G C ) 是一种高效分离技术,
但对于非常复杂的混合物(如石油样品) , 仅用一根色谱柱往往达不到完全分离的目的, 于是有人提出多根色谱柱联用来实现完全分离[1]。1984年, G iddings 阐述了传统二维色谱的基本理论[2]。1990年,Jorgens on 等[3]提出全二维液相色谱-毛细管电泳联用的方法, 强调了二维正交分离的重要性。1991年, Liu 和Phillips [3]利用其以前在快速气相色谱中用的调制器开发出全二维气相色谱法(G C ×G C ) 。1991年Phillips 开始对G C ×G C 进行研究, 解决了许多技术难题, 使该技术趋向成熟。1999年,Phillips 和Z eox 公司合作生产了第一台商品化的全二维气相色谱仪器———LEC O 。
全二维色谱技术是在传统二维技术的基础上发展
作者简介:鹿洪亮(1974-) , 学士, 中国烟草总公司郑州烟草研究院2002级在读硕士研究生。研究方向:烟草化学。E 2mail :
deardeer @126. com
起来的新技术, 具有峰容量大、分辨率高、族分离和瓦片效应等特点[4]。其分离方法有全二维气相色谱(G C ×G C ) 、全二维高效液相色谱-毛细管电泳(HP LC ×CE ) 和全二维毛细管电泳(CE ×CE ) 等。但迄今只有G C ×G C 发展得比较成熟, 达到了实用水平[5]。1 工作原理
全二维气相色谱(C om prehensive T w o -Dimensional G as Chromatography ,G C ×G C ) 是用一个调制器(或称调制解调器) 把含不同固定相的两根柱子(如非极性柱和极性柱或手性柱) 以串联方式联结在一起。调制器起捕集和再传送的作用, 从第一根(维) 色谱柱(柱1) 流出的每一个馏分, 都需先进入调制器进行聚焦, 然后再以脉冲方式送到第二根(维) 色谱柱(柱2) 进行进一步的分离[6]。在G C ×G C 色谱图中, 组分分布在一个保留值平面上, 而一维色谱是分布在一条保留值线上。把柱1的保留时间作为第一横坐标, 柱2的保留时间为第二横坐标, 信号强度为纵坐标, 就形成全二维独特
收稿日期:2004-07-05 修回日期:2004-10-18责任编辑:刘立全
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的立体三维色谱图。二维色谱图可由彩色画面表示, 颜色的深浅表示响应值大小, 浅蓝色表示背景, 用深蓝、洋红和白色表示强度的大小[7], 形成独特的二维轮廓图[3]。
G C ×G C 是气相色谱技术的一次革命性突破, 但并不局限于二维, 还可以根据需要将3根相互独立的色谱柱串联在一起组成G C ×G C ×G C 。但必须保证在连续的多维色谱中, 每一维的分离速度都要比前一维快。G C ×G C ×G C 在定量分析方面比G C ×G C/MS 更有吸引力[8]。2 仪器构成
G C ×G C 色谱仪主要由色谱柱、调制器和检测器
中, 每隔几秒, 调制器从T 位(捕集) 转换到R 位(释
放) 。在R 位, 由于冷却的毛细管开始由炉子气加热, 被捕集的馏分被立即释放, 同时, 从柱1流出的馏分被冷阱捕集, 避免了与前一周期中释放的组分在柱2中重叠。几秒(调制时间) 后, 这个过程将自动重复, 直到柱1分析结束[3]。该调制器的主要优点是只需将毛细管柱加热到正常的炉温即可使其待测馏分脱附, 从而使其比热调制器能处理更高沸点的样品。缺点是调制器中的固定相处于低达-50℃的状态[3]。2. 3 检测器
组成, 其中调制器是其核心部件, 也是G C ×G C 色谱有别于传统二维色谱之处, 目前大部分研究都集中于此。
2. 1 色谱柱
G C ×G C 色谱的柱1是涂有非极性固定相(如DB 21、DB 25) 的厚膜色谱柱, 产生的峰相对较宽; 柱2使用较短的涂有极性固定相(如OV 21701、OV 2101,BP 25) 的细孔径开管柱, 有助于获得最快的分析速度、最大柱效、最大峰容量, 同时分析时间最短。G C ×G C 色谱峰的峰宽较窄, 并且整个分析的持续时间(即混合物的复杂程度) 是由柱1决定的[9]。2. 2 调制器调制器的作用是捕集从柱1分离出的既小又窄的馏分, 然后再注入柱2。调制器实际上充当了柱2的进样器的作用。调制器的聚焦作用提高了峰的信噪比(S/N ) , 被调制过的信号(3S ) 周期比没调制过的信号强约20倍, 同时聚焦作用也使第二维的峰宽减小, 提高了柱2的柱效[5]。
调制器需满足的条件[3]是:①能连续收集、浓缩从柱1流出的分析物; ②按时间或体积聚焦收集馏分; ③能以窄脉冲形式将聚焦的馏分转移到柱2的柱头, 起柱2进样器的作用[10]; ④聚焦和再进样的操作应是自动重复的, 且是非歧视性的。
目前主要有三种调制器:阀调制器、热调制器和冷阱调制器。阀调制器有2个严重缺陷:①需要很高的载气流速通过柱2; ②样品中的大多数物质被放空[3]。热调制器是气相色谱最常用的调制技术。改变温度几乎可以使所有挥发性物质在固定相上吸附和脱附。Phillips [3]等设计了一个两段金属的毛细管, 用于对柱1流出溶质的富集和快速脱附。其主要缺点是调制器温度必须比炉温高100℃。冷阱调制器由移动冷阱组成, 柱1的谱带以很窄的区带宽度保留在冷阱调制器
由于G C ×G C 色谱中第二维分离速度非常快, 必须在脉冲周期内完成第二维的分离。否则, 前一脉冲的后流出组分可能会与后一脉冲的前面组分交叉或重叠, 引起混乱。因此检测器的响应速度应非常快, 数据处理器的采集速度至少应是100H z [3]。
质谱仪是G C ×G C 分离化合物的最好的鉴定工具, 能大幅度提高定性能力。传统的四极杆质谱扫描速度慢, 不能满足分析要求, 而飞行时间质谱(T OF -MS ) 每秒能产生≥50个谱的谱图(大一个峰约含10个谱) , 能精确处理快速G C 得到的窄峰[11], 是G C ×G C 最理想的检测器[12]。从实际应用角度考虑, 质谱和色谱联用是可以实现的。G C/MS 的二维分析可以延伸到G C ×G C/MS , 经G C ×G C 得到的分离程度更好的化合物进入MS 进行分析。3 优越性
3. 1 与经典一维色谱的比较
经过多年的发展, 经典一维气相色谱(1DG C ) 已经趋于成熟, 有各种色谱柱可供选择, 在分析领域中占有重要的地位。但在分析含有多于150～250种相关化合物的样品时, 单柱气相色谱的分离能力往往达不到实验要求[9]。要使分离度提高一倍, 就要求柱长增加4倍, 但柱长的增加又降低了分离速度, 使分析时间延长[13]。
与1DG C 相比, G C ×G C 是一种快速色谱[4], 而且两根柱子的分离效果比单根柱更好, 一个保留平面比一条保留线有更大的峰容量, 所以可分析更复杂的混合物。在二维谱图中, 每种物质有两个保留值, 使化合物的鉴定也更可靠[9]。该技术得到的峰的灵敏度比1DG C 高, 因此峰形质量更好, 且大部分峰能实现基线分离, 并可将在1DG C 上保留值相近而不能分离的峰分开。可见,G C ×G C 色谱有1DG C 无法比拟的优越性。3. 2 与普通二维色谱的比较
G C ×G C 不同于传统的二维色谱(G C +G C ) 。G C
23
+G C 一般采用中心切割法, 从第一根色谱柱预分离后
的部分馏分, 被再次进样到第二根色谱柱进一步分离, 但这样会使第二维的分辨率受到损失。在G C ×G C 中, 两根柱子的分离机理是正交的[8]。这是非常重要的, 因为:①可以有效利用分离空间, 得到比非正交分离更快的速度或更大的峰容量; ②其二维的保留值是由两个不同的、相互独立的分离机理决定的, 能提供两个相互独立的分子性质, 如分子挥发性或极性等[14]。显然, 非极性柱×极性柱得到的结果与极性柱×非极性柱、极性柱×极性柱不同。在后两种情况下,D1(第一根色谱柱) 分离是挥发性与极性共同作用的结果, 每一个馏分中组分的挥发性不同, 所以分子挥发性在D2(第二根色谱柱) 上还起作用, 在D1、D2上得到的结果不是正交的[10]。在一个设计合理的G C ×G C 色谱中, 两维上的保留时间是相互独立的, 产生的色谱图也是正交的。G C +G C 的峰容量是n 1+n 2, 而G C ×G C 的峰容量是n 1×n 2[10]。可见G C ×G C 色谱的峰容量比传统二维色谱大得多。G C +G C 不是一项全分离技术, 而理想的G C ×G C 能记录所有化合物的二维色谱信息[15]。3. 3 特点
记物的应用也推动了该技术的进步[10]。如1997年,
Xu J 和Dissertation [3]用涂全甲基羟丙基β2环糊精的色谱柱作柱2, 从煤油中分离出1万多个峰。1999年, G aines R B [3]用G C ×G C 寻找环境中溢出油的来源。1999年,Frysinger G S [9]从石油样品中分离出苯、甲苯、
乙苯和芳香类化合物。2004年, 路鑫、武建芳等[16]采用G C ×G C 研究了柴油馏分中含硫化合物和含氮化合物。4. 2 植物精油研究
1994年,K evin A K rock 等[13]用G C ×G C 对掺假的
桉树油进行鉴定, 鉴定结果非常好。1995年, G erhard Schomburg [17]用G C ×G C 进行手性分离研究, 如新薄荷醇和新异薄荷醇的分离。2000年, Philip Marriott [18]用配有冷阱调制器的G C ×G C 仪器分析了岩兰草精油的化学成分。2000年,Weyerstahl 等[6]更详细地研究了须芒草中性精油, 原先重叠在一起的144种成分得到了有效分离。2002年,R obert Shellie 等[12]比较了用G C -MS 和G C ×G C 分析熏衣草精油的结果, 指出G C ×G C 谱图因为有两个不同的保留值使定性更可靠。2002年, 阮春海[5]报道了该技术应用于中草药成分的分析研究。4. 3 环境样品分析
目前大多数环境化学都集中在分析环境样品中的单一成分而不是其所有成分, 如Xu J 和Schomburg G [10]采用G C ×G C 分离鉴定水中多氯联苯。1999年, Liu 等[5]采用G C ×G C 分析了人类血清中的农药残留
①分辨率高, 峰容量大。G C ×G C 的峰容量是其二根色谱柱峰容量的乘积(n 1×n 2) , 分辨率为二根色谱柱的各自分辨率平方和的平方根; ②灵敏度高, 比通常的一维色谱高20～50倍; ③分析时间短; ④定量可靠性大。因为大多数化合物可基线分离; ⑤定性的准确性高。因为每一种物质有两个保留值, 明显区别于其他物质[12]; ⑥可以实现族分离。由于G C ×G C 实现了正交分离, 两维的保留时间分别代表物质不同的性质, 而具有相近的两维性质的组分在二维平面上能聚成一族, 成为族分离[5]; ⑦可以了解分子的不同性质, 如分子立体构型、挥发性和极性; ⑧工作效率高。由于G C ×G C 可以提供高的峰容量和高分辨率, 故该法能完成原来几个AST M (美国材料试验协会) 方法才能完成的任务[3]。4 应用领域
量, 分析速度比1DG C 快得多。2002年, G lenn S
Frysinger [19]论述了用G C ×G C 为与环境有关的案件提供可靠证据。同年,Dalluge J [11]研究发现, G C ×G C/T OF 2MS 应用于农药分析具有很好的线性相关性和重
复性。2003年,K ueh A J [20]将G C ×G C 技术首次应用于兴奋剂检测。4. 4 快速扫描
G C ×G C 不仅最适合于分离复杂混合物, 又是相对简单的化合物的一种方便的快速分析方法。1998
μ年,Phillips R B [12]使用由100m 内径的短柱组成的G C
×G C 分析了香味成分。4. 5 烟草与烟气化学成分分析
G C ×G C 在烟草化学分析中的应用还比较少。2002年,Jens Dalluge [21]探讨了G C ×G C -T OF/MS 应用
当分析样品中的化合物数量多于100种时, 使用G C ×G C 的结果会比1DG C 好得多, 而且样品中的成分越多, 其优势越明显。4. 1 石油化工领域
石油产品是最常见的复杂混合物, 用1DG C 分离诸如柴油这样的复杂产品, 有峰容量不足的缺陷。G C ×G C 色谱已被广泛应用于石油化工产品, 石油生物标24
于烟气分析的实验条件, 包括自动谱图识别、族分离、调制时间、峰容量等。2003年, 路鑫与蔡君兰[22]从主流烟气冷凝物酸性组分中分离出1000多种化合物, 包括139种有机酸和150多种酚类物质, 信噪比(S/N ) ≥
100。2004年, 路鑫、赵明月等[23]从主流烟气冷凝物碱
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mensional high 2speed gas chromatography with chem ometric analy 2sis[J].Anal. Chem. ,1998, 70:2796-2804.
16 路鑫, 武建芳, 吴建华, 等. 全二维气相色谱/飞行时间质谱
性组分中分离出了377种含氮化合物, 包括155种吡啶类化合物、104种喹啉类化合物、56种吡嗪类化合物。目前, 还没有关于全二维技术分析烟叶化学成分的相关报道。5 应用前景
G C ×G C 技术还未在烟草行业中得到广泛应用。
烟草的化学成分极其复杂, 采用1DG C 技术分析, 有些成分可能分离不彻底, 甚至一个峰里包含几种成分, 而G C ×G C 可把1DG C 分不开的峰分离, 使我们能更清楚地了解究竟是哪些化合物对烟草香味有贡献。因此将G C ×G C/T OF -MS 广泛地应用于烟草化学成分分析, 对于我国烟草行业中式卷烟的研究开发、加香加料、降焦减害, 乃至吸烟与健康研究都具有重要意义。
致谢:本文得到了中国科学院大连化学物理研究所许国旺研究员、路鑫博士的大力支持与热忱指导, 在此表示感谢!
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(1. 中国烟草总公司郑州烟草研究院, 郑州高新技术产业开发区枫杨街2号 450001;
2. 徐州卷烟厂技术中心, 江苏省徐州市环城路80号 221005)
关键词:色谱; 全二维气相色谱; 质谱; 烟叶; 化学成分
摘要:简要回顾了全二维气相色谱的发展史、工作原理、仪器构成、优越性及其在石化、食品、环保等领域的应用, 并讨论了该技术应用于烟草化学成分分析的可行性。
中图分类号:TS439.1 文献标识码:A 文章编号:1002-0861(2005) 03-0022-04Principle and Application of Comprehensive Tw o Dimensional G as Chrom atography 2Mass Spectroscopy :a R evie w
LU H ONG -LI ANG (1) , ZH AO MI NG -Y UE (1) , LI U H UI -MI N (1) , and BO Y UN-CH UAN (2) 1. Zhengzhou T obacco Research Institute of C NTC , Zhengzhou 450001, China 2. T echnology Center of Xuzhou Cigarette Factory , Xuzhou 221005, Jiangsu , China K eyw ords :Chromatography ; G C ×G C ; MS ; T obacco leaf ; Chemical constituent
Abstract :The history , w orking principle , makeup , advantages of com prehensive tw o dimensional gas chromatogra 2phy (G C ×G C ) and its applications in petrochemistry , food and environmental protection were reviewed. The prac 2ticability of applying G C ×G C/MS in the analysis of chemical constituents in tobacco was als o discussed.
现代毛细管气相色谱(G C ) 是一种高效分离技术,
但对于非常复杂的混合物(如石油样品) , 仅用一根色谱柱往往达不到完全分离的目的, 于是有人提出多根色谱柱联用来实现完全分离[1]。1984年, G iddings 阐述了传统二维色谱的基本理论[2]。1990年,Jorgens on 等[3]提出全二维液相色谱-毛细管电泳联用的方法, 强调了二维正交分离的重要性。1991年, Liu 和Phillips [3]利用其以前在快速气相色谱中用的调制器开发出全二维气相色谱法(G C ×G C ) 。1991年Phillips 开始对G C ×G C 进行研究, 解决了许多技术难题, 使该技术趋向成熟。1999年,Phillips 和Z eox 公司合作生产了第一台商品化的全二维气相色谱仪器———LEC O 。
全二维色谱技术是在传统二维技术的基础上发展
作者简介:鹿洪亮(1974-) , 学士, 中国烟草总公司郑州烟草研究院2002级在读硕士研究生。研究方向:烟草化学。E 2mail :
deardeer @126. com
起来的新技术, 具有峰容量大、分辨率高、族分离和瓦片效应等特点[4]。其分离方法有全二维气相色谱(G C ×G C ) 、全二维高效液相色谱-毛细管电泳(HP LC ×CE ) 和全二维毛细管电泳(CE ×CE ) 等。但迄今只有G C ×G C 发展得比较成熟, 达到了实用水平[5]。1 工作原理
全二维气相色谱(C om prehensive T w o -Dimensional G as Chromatography ,G C ×G C ) 是用一个调制器(或称调制解调器) 把含不同固定相的两根柱子(如非极性柱和极性柱或手性柱) 以串联方式联结在一起。调制器起捕集和再传送的作用, 从第一根(维) 色谱柱(柱1) 流出的每一个馏分, 都需先进入调制器进行聚焦, 然后再以脉冲方式送到第二根(维) 色谱柱(柱2) 进行进一步的分离[6]。在G C ×G C 色谱图中, 组分分布在一个保留值平面上, 而一维色谱是分布在一条保留值线上。把柱1的保留时间作为第一横坐标, 柱2的保留时间为第二横坐标, 信号强度为纵坐标, 就形成全二维独特
收稿日期:2004-07-05 修回日期:2004-10-18责任编辑:刘立全
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的立体三维色谱图。二维色谱图可由彩色画面表示, 颜色的深浅表示响应值大小, 浅蓝色表示背景, 用深蓝、洋红和白色表示强度的大小[7], 形成独特的二维轮廓图[3]。
G C ×G C 是气相色谱技术的一次革命性突破, 但并不局限于二维, 还可以根据需要将3根相互独立的色谱柱串联在一起组成G C ×G C ×G C 。但必须保证在连续的多维色谱中, 每一维的分离速度都要比前一维快。G C ×G C ×G C 在定量分析方面比G C ×G C/MS 更有吸引力[8]。2 仪器构成
G C ×G C 色谱仪主要由色谱柱、调制器和检测器
中, 每隔几秒, 调制器从T 位(捕集) 转换到R 位(释
放) 。在R 位, 由于冷却的毛细管开始由炉子气加热, 被捕集的馏分被立即释放, 同时, 从柱1流出的馏分被冷阱捕集, 避免了与前一周期中释放的组分在柱2中重叠。几秒(调制时间) 后, 这个过程将自动重复, 直到柱1分析结束[3]。该调制器的主要优点是只需将毛细管柱加热到正常的炉温即可使其待测馏分脱附, 从而使其比热调制器能处理更高沸点的样品。缺点是调制器中的固定相处于低达-50℃的状态[3]。2. 3 检测器
组成, 其中调制器是其核心部件, 也是G C ×G C 色谱有别于传统二维色谱之处, 目前大部分研究都集中于此。
2. 1 色谱柱
G C ×G C 色谱的柱1是涂有非极性固定相(如DB 21、DB 25) 的厚膜色谱柱, 产生的峰相对较宽; 柱2使用较短的涂有极性固定相(如OV 21701、OV 2101,BP 25) 的细孔径开管柱, 有助于获得最快的分析速度、最大柱效、最大峰容量, 同时分析时间最短。G C ×G C 色谱峰的峰宽较窄, 并且整个分析的持续时间(即混合物的复杂程度) 是由柱1决定的[9]。2. 2 调制器调制器的作用是捕集从柱1分离出的既小又窄的馏分, 然后再注入柱2。调制器实际上充当了柱2的进样器的作用。调制器的聚焦作用提高了峰的信噪比(S/N ) , 被调制过的信号(3S ) 周期比没调制过的信号强约20倍, 同时聚焦作用也使第二维的峰宽减小, 提高了柱2的柱效[5]。
调制器需满足的条件[3]是:①能连续收集、浓缩从柱1流出的分析物; ②按时间或体积聚焦收集馏分; ③能以窄脉冲形式将聚焦的馏分转移到柱2的柱头, 起柱2进样器的作用[10]; ④聚焦和再进样的操作应是自动重复的, 且是非歧视性的。
目前主要有三种调制器:阀调制器、热调制器和冷阱调制器。阀调制器有2个严重缺陷:①需要很高的载气流速通过柱2; ②样品中的大多数物质被放空[3]。热调制器是气相色谱最常用的调制技术。改变温度几乎可以使所有挥发性物质在固定相上吸附和脱附。Phillips [3]等设计了一个两段金属的毛细管, 用于对柱1流出溶质的富集和快速脱附。其主要缺点是调制器温度必须比炉温高100℃。冷阱调制器由移动冷阱组成, 柱1的谱带以很窄的区带宽度保留在冷阱调制器
由于G C ×G C 色谱中第二维分离速度非常快, 必须在脉冲周期内完成第二维的分离。否则, 前一脉冲的后流出组分可能会与后一脉冲的前面组分交叉或重叠, 引起混乱。因此检测器的响应速度应非常快, 数据处理器的采集速度至少应是100H z [3]。
质谱仪是G C ×G C 分离化合物的最好的鉴定工具, 能大幅度提高定性能力。传统的四极杆质谱扫描速度慢, 不能满足分析要求, 而飞行时间质谱(T OF -MS ) 每秒能产生≥50个谱的谱图(大一个峰约含10个谱) , 能精确处理快速G C 得到的窄峰[11], 是G C ×G C 最理想的检测器[12]。从实际应用角度考虑, 质谱和色谱联用是可以实现的。G C/MS 的二维分析可以延伸到G C ×G C/MS , 经G C ×G C 得到的分离程度更好的化合物进入MS 进行分析。3 优越性
3. 1 与经典一维色谱的比较
经过多年的发展, 经典一维气相色谱(1DG C ) 已经趋于成熟, 有各种色谱柱可供选择, 在分析领域中占有重要的地位。但在分析含有多于150～250种相关化合物的样品时, 单柱气相色谱的分离能力往往达不到实验要求[9]。要使分离度提高一倍, 就要求柱长增加4倍, 但柱长的增加又降低了分离速度, 使分析时间延长[13]。
与1DG C 相比, G C ×G C 是一种快速色谱[4], 而且两根柱子的分离效果比单根柱更好, 一个保留平面比一条保留线有更大的峰容量, 所以可分析更复杂的混合物。在二维谱图中, 每种物质有两个保留值, 使化合物的鉴定也更可靠[9]。该技术得到的峰的灵敏度比1DG C 高, 因此峰形质量更好, 且大部分峰能实现基线分离, 并可将在1DG C 上保留值相近而不能分离的峰分开。可见,G C ×G C 色谱有1DG C 无法比拟的优越性。3. 2 与普通二维色谱的比较
G C ×G C 不同于传统的二维色谱(G C +G C ) 。G C
23
+G C 一般采用中心切割法, 从第一根色谱柱预分离后
的部分馏分, 被再次进样到第二根色谱柱进一步分离, 但这样会使第二维的分辨率受到损失。在G C ×G C 中, 两根柱子的分离机理是正交的[8]。这是非常重要的, 因为:①可以有效利用分离空间, 得到比非正交分离更快的速度或更大的峰容量; ②其二维的保留值是由两个不同的、相互独立的分离机理决定的, 能提供两个相互独立的分子性质, 如分子挥发性或极性等[14]。显然, 非极性柱×极性柱得到的结果与极性柱×非极性柱、极性柱×极性柱不同。在后两种情况下,D1(第一根色谱柱) 分离是挥发性与极性共同作用的结果, 每一个馏分中组分的挥发性不同, 所以分子挥发性在D2(第二根色谱柱) 上还起作用, 在D1、D2上得到的结果不是正交的[10]。在一个设计合理的G C ×G C 色谱中, 两维上的保留时间是相互独立的, 产生的色谱图也是正交的。G C +G C 的峰容量是n 1+n 2, 而G C ×G C 的峰容量是n 1×n 2[10]。可见G C ×G C 色谱的峰容量比传统二维色谱大得多。G C +G C 不是一项全分离技术, 而理想的G C ×G C 能记录所有化合物的二维色谱信息[15]。3. 3 特点
记物的应用也推动了该技术的进步[10]。如1997年,
Xu J 和Dissertation [3]用涂全甲基羟丙基β2环糊精的色谱柱作柱2, 从煤油中分离出1万多个峰。1999年, G aines R B [3]用G C ×G C 寻找环境中溢出油的来源。1999年,Frysinger G S [9]从石油样品中分离出苯、甲苯、
乙苯和芳香类化合物。2004年, 路鑫、武建芳等[16]采用G C ×G C 研究了柴油馏分中含硫化合物和含氮化合物。4. 2 植物精油研究
1994年,K evin A K rock 等[13]用G C ×G C 对掺假的
桉树油进行鉴定, 鉴定结果非常好。1995年, G erhard Schomburg [17]用G C ×G C 进行手性分离研究, 如新薄荷醇和新异薄荷醇的分离。2000年, Philip Marriott [18]用配有冷阱调制器的G C ×G C 仪器分析了岩兰草精油的化学成分。2000年,Weyerstahl 等[6]更详细地研究了须芒草中性精油, 原先重叠在一起的144种成分得到了有效分离。2002年,R obert Shellie 等[12]比较了用G C -MS 和G C ×G C 分析熏衣草精油的结果, 指出G C ×G C 谱图因为有两个不同的保留值使定性更可靠。2002年, 阮春海[5]报道了该技术应用于中草药成分的分析研究。4. 3 环境样品分析
目前大多数环境化学都集中在分析环境样品中的单一成分而不是其所有成分, 如Xu J 和Schomburg G [10]采用G C ×G C 分离鉴定水中多氯联苯。1999年, Liu 等[5]采用G C ×G C 分析了人类血清中的农药残留
①分辨率高, 峰容量大。G C ×G C 的峰容量是其二根色谱柱峰容量的乘积(n 1×n 2) , 分辨率为二根色谱柱的各自分辨率平方和的平方根; ②灵敏度高, 比通常的一维色谱高20～50倍; ③分析时间短; ④定量可靠性大。因为大多数化合物可基线分离; ⑤定性的准确性高。因为每一种物质有两个保留值, 明显区别于其他物质[12]; ⑥可以实现族分离。由于G C ×G C 实现了正交分离, 两维的保留时间分别代表物质不同的性质, 而具有相近的两维性质的组分在二维平面上能聚成一族, 成为族分离[5]; ⑦可以了解分子的不同性质, 如分子立体构型、挥发性和极性; ⑧工作效率高。由于G C ×G C 可以提供高的峰容量和高分辨率, 故该法能完成原来几个AST M (美国材料试验协会) 方法才能完成的任务[3]。4 应用领域
量, 分析速度比1DG C 快得多。2002年, G lenn S
Frysinger [19]论述了用G C ×G C 为与环境有关的案件提供可靠证据。同年,Dalluge J [11]研究发现, G C ×G C/T OF 2MS 应用于农药分析具有很好的线性相关性和重
复性。2003年,K ueh A J [20]将G C ×G C 技术首次应用于兴奋剂检测。4. 4 快速扫描
G C ×G C 不仅最适合于分离复杂混合物, 又是相对简单的化合物的一种方便的快速分析方法。1998
μ年,Phillips R B [12]使用由100m 内径的短柱组成的G C
×G C 分析了香味成分。4. 5 烟草与烟气化学成分分析
G C ×G C 在烟草化学分析中的应用还比较少。2002年,Jens Dalluge [21]探讨了G C ×G C -T OF/MS 应用
当分析样品中的化合物数量多于100种时, 使用G C ×G C 的结果会比1DG C 好得多, 而且样品中的成分越多, 其优势越明显。4. 1 石油化工领域
石油产品是最常见的复杂混合物, 用1DG C 分离诸如柴油这样的复杂产品, 有峰容量不足的缺陷。G C ×G C 色谱已被广泛应用于石油化工产品, 石油生物标24
于烟气分析的实验条件, 包括自动谱图识别、族分离、调制时间、峰容量等。2003年, 路鑫与蔡君兰[22]从主流烟气冷凝物酸性组分中分离出1000多种化合物, 包括139种有机酸和150多种酚类物质, 信噪比(S/N ) ≥
100。2004年, 路鑫、赵明月等[23]从主流烟气冷凝物碱
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13 K rock K A , Ragunathan N , Wilkins C L. Multidimensional gas
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16 路鑫, 武建芳, 吴建华, 等. 全二维气相色谱/飞行时间质谱
性组分中分离出了377种含氮化合物, 包括155种吡啶类化合物、104种喹啉类化合物、56种吡嗪类化合物。目前, 还没有关于全二维技术分析烟叶化学成分的相关报道。5 应用前景
G C ×G C 技术还未在烟草行业中得到广泛应用。
烟草的化学成分极其复杂, 采用1DG C 技术分析, 有些成分可能分离不彻底, 甚至一个峰里包含几种成分, 而G C ×G C 可把1DG C 分不开的峰分离, 使我们能更清楚地了解究竟是哪些化合物对烟草香味有贡献。因此将G C ×G C/T OF -MS 广泛地应用于烟草化学成分分析, 对于我国烟草行业中式卷烟的研究开发、加香加料、降焦减害, 乃至吸烟与健康研究都具有重要意义。
致谢:本文得到了中国科学院大连化学物理研究所许国旺研究员、路鑫博士的大力支持与热忱指导, 在此表示感谢!
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