全二维气相色谱仪的原理、发展及应用

　　全二维气相色谱仪(GC´GC)是把分离机理不同而又互相独立的两支色谱柱以串联方式结合成二维气相色谱，在这两支色谱柱之间装有一个调制器，起捕集再传送的作用，经diyi支色谱柱分离后的每一个馏分，都需先进入调制器，进行聚焦后再以脉冲方式送到第二支色谱柱进行进一步的分离，所有组分从第二支色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统处理，得到以柱1保留时间为diyi横坐标，柱2保留时间为第二横坐标，信号强度为纵坐标的三维色谱图，或二维轮廓图。这个技术自90年代初出现以来，已得到很大发展，深受石油、环保等领域的重视。

全二维气相色谱仪的发展历史和特点

　　传统的多维气相色谱发展到今天，无论在理论上还是应用上，均已相当成熟，而全二维气相色谱则是90年代初出现的新方法。首先，Jorgenson等于1990年提出全二维液相色谱-毛细管电泳联用的方法，强调二维正交分离的重要性。其后，Liu和Phillips利用他们以前在快速气相色谱中使用的在线热解析调制器开发出全二维气相色谱法。在该方法中，柱1为非极性柱，柱2为极性柱，通过极性和温度的改变实现气相色谱分离特性的正、交化。在柱1上流出的组分按保留大小依次进入调制器进行聚焦，然后通过快速加热的方法把聚焦后的组分快速发送到柱2中进行再分离。由于发送频率很高，从外观来看，好象是从diyi根柱流出的峰被剁碎成一个一个的碎片，聚焦后再往第二根柱发送。连接柱1和柱2的桥梁可以是一支厚膜毛细管，也可以是一支冷阱控制的空毛细管。这个技术的关键部件是调制器。

　　1991年从Phillips开始全二维气相色谱仪研究至目前为止，包括作者实验室在内的很多实验室正在参与此技术的研究开发，由Phillips和Zoex公司合作于1999年正式实现了仪器的商品化。该仪器有如下特点：

　　①分辨率高、峰容量大。其峰容量为组成它的二根柱子各自峰容量的乘积，分辨率为二柱各自分辨率平方加和的平方根。

　　②灵敏度高，可比通常的一维色谱提高20~50倍。

　　③分析时间短。由于样品更容易分开，总分析时间反而比一维色谱短。

　　④定性可靠性大大增强。三个因素对此起作用，diyi，大多数目标化合物和化合物组可基线分离，减少了干扰。第二，峰被分离成容易识别的模式。第三，一个峰相对于同族的其它成员来说，在每次运行中其位置是稳定的。

　　⑤由于系统能提供的高峰容量和好的分辨率，一个方法可覆盖原来要几个ASTM方法才能做的任务。比如，为用ASTM方法定量汽油中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)及总芳，需要三台仪器。而一台简单的全二维气相色谱仪可基线分辨ASTM限定的所有目标化合物和族，甲基叔丁基醚(MTBE)也被分开。

　　可以说，全二维气相色谱仪是气相色谱技术的一次革命性突破(关键部件是调制器)，将在复杂样品分离中发挥积极作用，是一种十分诱人的分离分析工具。

全二维气相色谱仪的结构

　　1、调制器

　　在全二维气相色谱仪中，diyi根柱将样品分成大量小馏分，再在第二根柱分离，第二根柱的分离比diyi根柱快得多，以使馏分区带较窄并保持diyi根柱获得的分离。允许既小又窄的馏分从diyi根柱进入第二根柱的关键部件是按装在两柱之间的调制器。调制器需满足的条件是：①能定时浓缩从diyi柱流出的分析物;②能转移很窄的区带到第二柱的柱头，起第二维的进样器的作用;③聚焦和再进样的操作应是再现的，且非歧视性的。

　　有多种方式可实现上述目的.至目前为止，主要的在研或在用的调制方式有阀调制和热调制二类。

　　(1)阀调制器

　　此法有二个严重缺陷：

　　①需要很高载气流速通过第二根柱，

　　②样品中的大多数含量被放空，从diyi根柱流出的仅一小部分馏分被注射进第二根柱，其余的被废弃。

　　尽管它已用于研究用化学计量学处理GC×GC数据，但此法不适于实际的应用。

　　(2)热调制器

　　这是在气相色谱中Z常用的调制技术。改变温度，可以使几乎所有挥发性物质在固定相上吸附和脱附。Phillips等设计了一个两段涂金属的毛细管，用于对柱1流出溶质的富集和快速热脱附。尽管应用这个调制器获得了一些好的结果，由于涂层常被烧坏，不得不经常替换。类似的结果也已由deGeus等获得，他们使用紧密缠绕在毛细管外表面的铜线来加热调制器中的毛细管。

　　为了克服金属涂层二段调制器的缺陷，Ledford和Phillips设计了一种基于移动加热技术的调制器，它使用一个步进电机带动各加热元件(“扫帚”)运动通过毛细管来达到局部加热的目的。此设计的Z重要优点是：该加热器热质足够大，可提供一个稳定的很好控制的温度.

　　这个热脱附调制器作为唯yi的商品型，已令人满意地工作在几个实验室，主要缺点是调制器温度必须比炉温高100℃。

　　(3)冷阱调制器

　　与热调制器不一样，冷阱系统也被用做调制器。调制器由移动冷阱组成，做成径向调制冷阱系统(LMCS)。diyi根柱的谱带以很窄的区带宽度保留在冷阱调制器中，每隔几秒，调制器从T位(捕集)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，以很窄的区带在第二根柱的柱头开始色谱分析，同时，从diyi根柱流出的馏分被冷阱捕集，避免了与前一周期中被释放组分在第二柱的重叠。几秒(调制时间)后，这个过程将重复，直到diyi根柱分析的结束。

　　这个方法的主要好处是调制器中的毛细管必须加热到正常的炉温即可使其脱附，使系统比“扫帚”系统能处理更高沸点的样品。明显缺点是：调制器中的固定相处于低达-50℃的状态。

　　2、柱子

　　一般来说，diyi根柱子是非极性厚膜固定相柱，将产生一个相对较宽的峰。在第二维中使用细孔径开管柱有助于获得Z快的分析速度、Zda峰容量，同时分析时间Z短。第二根柱通常采用的固定相是OV-1701，BPX50和各种环糊精。

　　3、全二维气相色谱仪检测器

　　正如前述，全二维气相色谱仪中第二维分离非常快，应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。在第二柱的柱头，调制脉冲的典型宽度为60ms。流出第二柱的峰宽在100到200ms数量级。因此，检测器的响应时间应非常快，数据处理机的采集速度至少应是100HZ。尽管直到现在，全二维气相色谱仪分析主要使用FID作检测器，但可以预料，所有具备FID特征的气相色谱检测器，均可在全二维气相色谱仪中使用，如ECD。

　　质谱作为全二维气相色谱仪的检测器将很大地增强定性能力，但仅飞行时间质谱(TOF-MS)能以高速扫描(≥100次扫描/秒)。可以预料，以后将会有很多实验室配备GC´GC-TOF-MS仪器。

全二维气相色谱仪应用及发展展望

　　到目前为止，已有很多全二维气相色谱仪应用的例子。其有用性正逐渐被人们所认识，可能的应用领域会比已开展的广泛的多。一般来说，当样品中物质的个数多于100时，使用全二维气相色谱仪会比一维GC好得多。当柱系统选择得当时，此种技术更适于需族分离的复杂样品分析。即使样品中物质个数在30~100间，全二维气相色谱仪也会具显著优越性。

　　1、石油样品

　　石油样品是Z常见的复杂混合物，它一般是由2~4族化合物组成的复杂混合物。在C10~C25范围(类似于柴油的碳数分布)，大约有4×10^7饱和烃异构体有可能存在。尽管只有其中的一小部分实际存在于这些样品中，十分明显的是，单柱GC来分离诸如柴油这样复杂的样品，有峰容量不足的严重缺陷。

　　Blomberg等应用全二维气相色谱仪对石油产品的分析已做了大量的工作，重汽油、重催化裂解循环油等均得到了很好的分离。Frysinger等分离了汽油中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)及总烃，并用全二维气相色谱仪与四极质谱联用来分析海中的柴油燃料。全二维气相色谱仪也被Gaines等作为用来识别溢油来源的Z好工具。Xu等在全二维气相色谱仪中用全甲基羟丙基β-环糊精作第二维柱子，从煤油中分出了1万多个峰。Synovec等则使用全二维气相色谱仪分离了汽油中的甲苯、乙苯、间，对-二甲苯和丙苯混合物，并研究了GRAM方法在定量中的有用性。Kinghorn等用煤油作样品来测试冷阱调制器的有用性和可靠性。相同的小组也将此技术用于原油样品的分析，其轮廓图与应用热调制方式得到的相当类似。

　　2、环境样品

　　无论是天然的，还是人类影响，环境中存在极端复杂的样品。如果我们要了解环境，就要了解这些复杂混合物的化学。而这需要详细的分离和分析。

　　对环境中持久的卤化物的分析一直具有相当的兴趣。多氯联苯(PCBs)、氯化硼 烷和氯化莰烯的分析，对分析化学家具有Zda的挑战性。PCBs共有209个氯代联苯化合物，仅150个在商用产品中出现。尽管自1977年后PCBs的生产已停止，但对PCBs的关注将会持续下去。不同PCB有不同的毒性、生物积累行为和分解路径等，只测总量意义不大，需要对感兴趣单组分进行逐个分析。气相色谱法由于其GX分离的特性，成为shou选的方法。到目前为止，尽管已进行相当多的工作，但尚不能发现一个单柱条件可以分离所有感兴趣的PCBs。deGeus等使用半-GC´GC分离了非-邻位氯苯CBs 77、126和169及一个工艺PCB混合物Aroclor 1254。结果表明，一次分离可分析所有感兴趣组分，而用通常的ZX切割-多维色谱法则需要很多次运行。Xu等也发展了一个方法以使相同氯原子数的PCBs在全二维气相色谱仪平面上得以分离。

　　毒杀芬也是一组含氯物质，由几百个化合物组成，大约197个为硼 烷和莰烯衍生物。与氯代二恶英和氯代苯并呋喃一样，都是环境关注的化合物。可以预料，全二维气相色谱仪对它们的分离分析也将发挥积极作用。

　　农药分析是另一个相当常规的领域。食品和环境中均要对其进行监测。Liu等应用全二维气相色谱仪分析了人血清中的农药。尽管这是一个简单的样品，但使用GCxGC二维色谱容易解决干扰问题，分析速度也得以加速。

　　除上述工作外，Gaines等使用全二维气相色谱仪测定了水样中的痕量含氧化合物和芳烃，并使用全二维气相色谱仪来识别表面水中轻微风化的柴油燃料的溢出源。

　　3、其它应用及发展展望

　　可以想象，由于全二维气相色谱仪的高度峰容量和分辨率，这个技术将会在复杂体系的分离分析中占据越来越重要的地位。这些典型的复杂样品包括：阻燃剂如多氯联苯(PCBs)、多溴二苯醚和联苯(PBDEs和PBBs)，氯代烷(PCAs)，多氯萘(PCNs)，香气如多环麝香化合物，氯代二恶英和呋喃，农药和除草剂如毒杀芬和多氯三苯(PCTs)，石化产品、精油及食用油等。复杂体系中的手性物质的分离，全二维气相色谱仪技术也会发挥很大作用。对咱们ZG来说，传统中草药中挥发性化合物的分析和传统名白酒中香味成分的分析也是此种技术发挥作用的地方。

　　应该指出，尽管全二维气相色谱仪Z适合于分离复杂混合物，但它也适用于对相对简单的混合物进行快速扫描分析。

　　由于全二维气相色谱仪作为一个技术还很年青，现仅有一种商品仪器。许多深入研究有待进行。如果在一台仪器上同时具有热调制和冷调制的功能，对全二维气相色谱仪扩展样品分析的范围将非常有帮助。同时，全自动的、用户友好的、能处理由全二维气相色谱仪检测器产生的大量数据的软件程序(工作站)尚需进一步的发展、完善。化学计量学如模式识别有助于快速识别轮廓图中的化合物组成。全二维气相色谱仪与选择性检测器的联用将进一步增强其有用性，减少样品制备的时间。TOF-MS与全二维气相色谱仪联用对二维色谱的定性分析将非常有帮助。完全可以说，全二维气相色谱仪技术的将来是非常明亮的。