主题：【资料】多维色谱技术(45讲 待续)

  多维色谱技术（22）
第2章  高效液相色谱与高效气相色谱联用
（参考上一讲）
2.5.2 液-液萃取
      这一方法是基于在线用有机溶剂从水样中把有机化合物萃取出来，在自动液-液萃取中有机溶剂通过一个小段毛细管注入水样中，水样流过一个小内径熔融毛细管，使用半渗透PTFE膜进行相分离[1–3]，或利用三明治形式相分离。在前一种情况 [1]如图2.14所示，用HPLC泵、注射泵或加压的烧瓶把水样注入，然后用正戊烷萃取，用半渗透PTFE膜分离器把两相分离开 (图 2.15)，这种膜对不同相有不同的湿润性，这一系统用于水中石脑油的分析，在水中加入200 ppb的石脑油进行测试(图 2.16)。



图 2.14 使用在线连续流动萃取-毛细管气相色谱的示意图: (A) 1 和 4 HPLC 泵; 2, 注射泵; 3, 装有水样的加压烧瓶; 5,萃取溶剂加入三通管（segmentor）; 6,熔融石英毛细管; 7,相分离器; 8,针阀;9, 六通阀; 10, 定量样品管; 11, 空的预柱; 12, gc 柱; 13, gc柱箱; 14,记录仪/积分仪; A,water sample1样; B,高压氮气,C,被萃取的水样; D,萃取物管; E, 载气: (B) I, 样品; O, 样品管; W, 纯竟水流; S, 萃取溶剂加入三通管（segmentor）


图 2.15 相分离器的示意图:(A) 1,硅橡胶O-型圈槽; 2, 不锈钢压片; 3, 熔融石英管; 4,不锈钢本体;5, 铝环: (B) 分离器底部视图(当溶剂的密度小于水时为顶视图): (C) 分离器腔放大视图; 1,氟橡胶膜; 2, 不锈钢筛板; 3, 氟橡胶垫圈; 4, 有机相腔(直径 4 mm; 深度 0.1 mm).



图 2.16  用戊烷连续流萃取含有 200 ppb 石脑油水样的色谱:(a) 用一个加压烧瓶作为样品递送系统组成连续流萃取样品系统; (b) 分批萃取样品

文献
[1]  J. Roeraade, ‘Automated monitoring of organic trace components in water. I. Continuous  flow extraction together with on-line capillary gas chromatography’,J. Chromatogr.330:263–274 (1985).
[2] E. Fogelqvist, M. Krysell and L-G. Danielsson, ‘On-line liquid–liquid extraction in a segmented flow directly coupled to on-column injection into a gas chromatograph’,Anal.Chem.58:1516–1520 (1986).
[3] E. C. Goosens, R. G. Bunschoten, V. Engelen, D. de Jong and J. H. M. van den Berg,‘Determination of hexachlorocyclohexanes in ground water by coupled liquid–liquid extraction and capillary gas chromatography’,J. High Resolut. Chromatogr.13:438–441(1990).


文献来源：L.MONDELLO, A.C. LEWIS, K. D. BARTLE,” Multidimensional
Chromatography”, John Wiley & Sons Ltd, 2002

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2.5.2 液-液萃取

    另外一个方法是在三明治分离器的结构材料不使用分离膜(36)，在这一结构中水样用薄膜泵送（1 ml/min)到系统里,有机相（异辛烷）用另外一个薄膜泵送入系统，（流速也是1 ml/min)，萃取盘管为6.4 m长的PTFE管，相分离使用三明治形式分离器(图 2.17) (36,37)，100 μL异辛烷同步注入，使用这一系统水中0.1 pg/L的六氯环己烷(图 2.18)




图 2.18 (a) 水中各种六氯环己烷(HCHs)标准溶液的色谱。用异辛烷在线萃取： 1,α-HCH; 2,β-HCH; 3,- γHCH; 4, δ-HCH. (b) 参考空白（蒸馏水）进行同样的在线液-液萃取得到的色谱

    另外一种类似的在线液-液萃取系统是装配有在线衍生化系统，例如Brinkman等人曾介绍了这样一种自动化在线LLE并对有机酸进行烷基化(38)。最近有些研究者把这一类系统和原子发射检测器(AED)结合在一起分析水中的含氮、含氯、和含硫农药(39)如图2.19所示。



图 19 在线液-液萃取-GC/AED系统

文献
[36] E. C. Goosens, R. G. Bunschoten, V. Engelen, D. de Jong and J. H. M. van den Berg,‘Determination of hexachlorocyclohexanes in ground water by coupled liquid–liquid extraction and capillary gas chromatography’,J. High Resolut. Chromatogr.13:438–441(1990).
[37] C. de Ruiter, J. H. Wolf, U. A. Th Brinkman and R. W. Frei, ‘Design and evaluation of a sandwich phase separator for on-line liquid/liquid extraction’, Anal. Chim. Acta 192:267–275 (1987).
[38] E. C. Goosens, M. H. Broekman, M. H. Wolters, R. E. Strrijker, D. de Jong and G. J. de Jong, ‘A continuous two-phase reaction system coupled on-line with capillary chromatography for the determination of polar solutes in water’,J. High Resolut. Chromatogr.15:242–248 (1992).

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Chromatography”, John Wiley & Sons Ltd, 2002

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2.5.3 开管毛细管色谱柱捕集

    从水样[1]中分析有机化合物也可以使用开管毛细管捕集柱(OTT)，萃取步骤包括从水样中把被分析物吸附到开管毛细管色谱柱(5 m 0.53 mm id)的固定相上，固定相是CP-Sil-5CB（5μm 膜厚)，然后用氮气把水分吹干，再用有机溶剂(75 μL)解析被分析物。在进入GC柱之前要消除溶剂，使用PTV进样和多维色谱系统来实现溶剂的驱除（图 2.20)。图 2.21是 2.25 ml 水中加入5 ppb 14 种有机污染物[1]样品以在线萃取的方式得到气相色谱图。针对这一研究，作者认为壁涂毛细管捕集（厚膜聚硅氧烷固定相）可以用来在线萃取水样中的有机化合物。但是，当使用溶胀性溶剂时如戊烷，非极性被分析物可以定量地被捕集，对于极性化合物氯仿是最合适的溶剂。


图 2.20  用于在线萃取-气相色谱设备示意图：:V1 和 V2,阀; P1 和 P2,注射泵; L,样品环; CC flow,逆流流动; CT,冷阱.


图 2.21  在河水中加入5 ppb  量污染物的色谱：
  1, 甲苯; 2,乙苯; 3, 甲氧基苯; 4, p-氯苯; 5,二甲酚; 6, 二甲基苯  胺; 7, 氯苯胺; 8, 吲哚; 9,二氯苄腈; 10, 三氯酚; 11,二硝基苯; 12,trifluranil; 13, 阿特拉津; 14, 菲.

2.6 小结

    HPLC-GC的二维色谱是进行样品富集和样品净化很好的在线分析方法，近年有很多作者对这一技术做了综述报告，对各种LC-GC转移方法进行了阐述 。对正相洗脱物主要的转移方法是使用定量环型接口同向流动蒸发的方法。这一方法的主要缺点是溶质和溶剂一起蒸发，因而使易挥发组分会损失一些。要分析易于挥发的化合物从LC转移到GC的最好方法是保留间隙管. 由于上面所结实的溶剂效应，这一技术可以分析紧跟在溶剂后面的被分析化合物，这一方法恩人主要缺点是能转移的容量很有限，因为未涂渍毛细管其容量比较小，比较大的馏份可以使用部分共同蒸发技术进行转移，这样仍可保留保留间隙管技术的优点。分析这类含水样品使用间接进样(LLE, SPE和OTT)是较好的选择。但是通过蒸发室/预柱溶剂分流/排除气体接口的直接进样，似乎是转移反相洗脱物有希望的方法。

文献
[1] H. G. J. Mol, H.-G. Janssen and C. A. Cramers, ‘Use of open-tubular trapping columns for on-line extraction–capillary gas chromatography of aqueous samples’, J. High Resolut. Chromatogr.16:413–418 (1993).

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3.1 前言

      在工业和环境分析的许多领域中把气相色谱柱结合在一起形成多维气相色谱分离有很多报道，多维气相色谱的应用主要着眼于两个方面：（1）增加分离系统的峰容量；和（2）提高分离系统的分离速度。其中也许前者是早期对二为气相色谱感兴趣的主要推动力，知道现在仍然是重要因素。尽管GC仍然是一种不断发展中的技术，二维气相色谱系统早在上世纪60年代末就用于原油和精炼厂产品的分析[1]，这些早期的应用主要使用两支色谱柱系统进行较高程度的反卷积来表征原料油和精炼产品的性能，而且这一方法成为过去30年二维气相色谱反复使用的技术。
    一般上讲多维分离中的二维气相色谱有一个要求，就是目标分析物要经受两次或两次以上相互独立的分离步骤，而且分离开的组分在完成全部分离过程之前要保持被分离的状态，主要的方式是从第个色谱柱流出的组成，再进入第二个有不同固定相的色谱柱进行选择性的分离。常常因为增加分析系统峰容量是串联两支色谱柱的主要目的，所以两支色谱柱一维分离的峰容量之间的关系很重要。Giddings 概要地描述了峰容量积的概念及其功能，导致它对二维气相色谱分离具有十分重要的意义。
      本章将不着重讨论重叠峰和复杂混合物的去卷积的统计理论，这一问题在第一章已经详细地研究过了，但是要记住所有的分离方法是要解决复杂的混合物的，而气相色谱是用来分离更为复杂的混合物的，在气相色谱方面具有更高的峰容量，例如理论塔板数为10的色谱柱会有高于1000的峰容量[3]，但是即使对一个不算复杂的汽油样品，它仍然不能完全地分离这一混合物，分析化学家最常用的方法是改进单一色谱柱的物理性能，既增加色谱柱的长度、减小色谱柱的直径，或者把二者结合起来，对更为复杂的混合物，改变上述参数对典型目标混合物的分离略有好转，他们可能是异构体或对映体，有一个大家熟知的理论，即色谱柱长度增加一倍，有效理论塔板数只增加1.414倍。常常需要的不是简单地增加色谱柱的理论塔板数，而是提高第二支串联色谱柱的选择性，多维气相色谱分离增加峰容量，和每支色谱柱固定相的正交情况有关，所以，对任一具体的应用，单一色谱柱的方法是依靠其柱效率，而二维色谱则依靠其固定相的选择性。
二维气相色谱开始是应用在工业和工艺过程，以便提高分析速度，在这一领域的应用需要在线高速分析单一或很少数几个目标化合物，在这一模式下，第一支GC色谱柱类似于LC-GC中的第一支色谱柱，其中，第一支色谱柱更多的是为了样品的预分离，而不是高分离度的分离。通过这种预分离柱和反吹，二维色谱的强大功能使其得到多方面的应用，可以用于在高分子量复杂混合物中易挥发化合物的快速分析。

文献

[1]. L. A. Luke and J. V. Brunnock, ‘Separation of naphthenic and paraffinic hydrocarbons up to C11 from hydrocarbon mixtures by gas chromatography on faujasite molecular sieves’,Ger. Offen. 1968，1908：418().
[2]. J. C. Giddings,‘Maximum number of components resolvable by gel filtration and other elution chromatographic methods’,Anal. Chem. 196739:1027–1028
[3]. T. A. Berger, ‘Separation of a gasoline on an open tubular column with 1.3 million effective plates’,Chromatographia，1996，42:63–71

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3.2 实际的二维气相色谱

3.2 实际中应用的二维气相色谱

      在许多应用中，把 gc 色谱柱结合在一起是有益的，从实验角度讲没有什么限制，所有被分析混合物应该是可以混溶的，什么样的色谱柱可以相互结合在一起会有很多模式，但是所有这些过程的共同点是：从第一支色谱柱流出的组分进入具有不同选择性固定相的第二支色谱柱。结合方法的差别主要在于从第一支色谱柱进入第二支色谱柱（或多支色谱柱）的接口类型。

      从上世纪60年代末到90年代文献中的报道，大多数研究的二维气相色谱，它们所用的色谱柱之间的结合，主要是把为数不多的离散型组分从第一支标准型色谱柱转移到第二支色谱柱里。在早期的二维色谱中所结合的色谱柱主要是填充柱，至少有一维是填充柱，可是现代文献的报道，所结合的是两支或多支毛细管柱。
在文献中所报道的模式常常是“中心”切割，或线性结合。因为两支色谱柱的峰容量大致相等，每一支色谱柱的分析时间相对与另一支色谱柱有很大的影响，这就是说第一支色谱柱只有一组流出物进入第二支色谱柱，进行选择性分离，这样自然影响到这一方法的应用，也就是说二维色谱只有一小部分组成得到完全的分离。当然不是说这一技术没有用处，就像后面二维气相色谱的实例所显示的那样。

      但是经过努力中心切割的二维气相色谱扩展了它的应用范围，在文献中报道的二维气相色谱方法中，有并列几个微型捕集阱作接口，把第一个色谱柱流出的组分捕集贮存起来，然后平行地进入第二支色谱柱上进行分离。

      二维气相色谱的根本性扩展是在上世纪90年代初开始的[1]，包括把第一支色谱柱的流出物在第二支色谱柱上进行全面的分离，为此，第二支色谱柱的峰容量比第一支色谱柱要小很多，这样可以在一定时间里完成分离，而这一部分馏分在第一个色谱柱上分离的时间没有关系。

文献
[1]. Z. Liu and J. B. Phillips, ‘Comprehensive two-dimensional gas chromatography using an on-column thermal modulator interface’,J. Chromatogr. Sci.29:227–231 (1991).


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  3.2 实际中应用的二维气相色谱
3.2.1 实验部件的配置

      gc 色谱柱的联结最常用的分类是离线还是在线接口，离线接口是手动收集第一支色谱柱的流出物，再注入第二支色谱柱。这样的结合很容易实现，但是在处理挥发性组分是比较麻烦，这种方式重复性也不好。在线联结和色谱柱之间的馏分转移是在封闭系统之间进行的，实际上，色谱流出物的转移是自动地通过机械或压力驱动切换阀来完成的，这样大大增加了自动化程度和重现性，并可免除使用化学品内标物。

      图 3.1 展示几个重要的在线二维gc操作模式，这些结合证明HRgc–HRgc可完成从第一支色谱柱到第二支色谱柱的各种模式，可用于单一中心切割、多中心切割、多个中间捕集阱、以及中心切割到多个平行色谱柱的配置。
    虽然二维gc的分离系统可以大大增加峰容量，同时它还有一些附带的优点也会在这些方法中体现。


图 3.1  三个重要的在线二维gc操作模式

文献来源：L.MONDELLO, A.C. LEWIS, K. D. BARTLE,” Multidimensional
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3.2 实际中应用的二维气相色谱

3.2.1 实验部件的配置（2）

单支或二维色谱的使用涉及下面两个重要因素：

1 分析时间

      如果只能使用在一支色谱柱上分离一个复杂的混合物，因为需要很长的色谱柱，这样就需要很长的时间才能完成，但是要把两支色谱柱结合使用，常常仍然有同样的峰容量，但是分析时间却可以大大缩短，这种情况下，如果要分离的对象只限于少数化合物，选择这样一来的分析模式是合理的，它可以省去大量的分析时间。

2  样品容量
      通常为了缩短分析时间，在一个复杂的混合物中要分离出一个测试对象，如果只用单一色谱柱，常使用细内径色谱柱。也有可能使用大体积进样技术往色谱柱中引入大量样品[1, 2]，而分析对象是在一个很复杂的基提中时这就受到限制，在这种情况下，色谱柱就会被干扰物过载，因为色谱柱的样品容量q要受到色谱柱直径的影响，有下列的关系



(3.1)

      式中Cm是溶质在流动相中的溶解度，dc 是色谱柱的直径，k是容量因子，L是色谱柱的长度，h是色谱柱的理论塔板高度，从式中可以看出色谱柱容量随柱直径下降会急剧下降，要解决这一问题有两种方案，一种是把干扰物分离出去，另一种是采用具有相同柱容量的两支大内径色谱柱的二维色谱。

文献
[1]. K. Grob, Split and Splitless Injection in Capillary GC,W. Bertsch,W. G. Jennings and P. Sandra (Series Eds),Hüthig,Heidelberg,Germany (1991).
[2]. E. Boselli,B. Grolimund,K. Grob,G. Lercker and R. Amadò,‘Solvent trapping during large volume injection with an early vapor exit. Part 1: description of the flooding process’,J. High Resolut. Chromatogr.21:355–362 (1998).

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Chromatography”, John Wiley & Sons Ltd, 2002

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第3章  多维高分辨气相色谱

3.2 实际中应用的二维气相色谱

3.2.2 二维色谱的设备

3.2.2-1 二维色谱的设备（1）

      所有三种二维GC色谱的配置如图3.1所示，在第一支色谱柱和第二支色谱柱之间的连接要靠适合的接口，为了达到这一目的所用仪器的类型，从简单的手动阀到比较复杂的用计算机控制流动和压力的系统，这一机构在图中没有表示出来，自然另外一个操作参数是两个基本点色谱柱是在一个柱箱中，还是在多个柱箱中进行温度控制，使用那一种能使结构更简单，两支色谱柱放在一个柱箱中时，使用一个机械阀进行连接，从第一支柱在分离到适当的时候流到第二支柱中，在此情况下从第一支色谱柱流出峰的峰宽必须要小于从第二支柱流出峰的峰宽，否则必须进行再一次聚焦或谱带压缩，在毛细管色谱中，典型的流出峰宽为10 s，但是，自然如果进样时间为10 s（进样时间多少对两支色谱柱之间连接所产生的影响是很重要的）那就太多了。实际上，有许多机构可以实现流出物在转移接口处进行聚焦或谱带压缩，从冷聚焦、微型化学捕集阱，到低温柱箱下以相比率（phase ratio）再聚焦，也就是第二支色谱柱的柱箱温度要独立于第一支色谱柱的柱箱。这一简单的二维色谱系统除去色谱峰的扩展以外，还有样品要和阀的金属或塑料表面接触，并且在两支色谱柱管路系统中会有大的压力降，另外还要考虑流速的匹配、清扫系统中的死体积、以及从第一支色谱柱通向第二支色谱柱的瞬间转移的精确性。切换过程本身不应该扰乱气体得大于失流动，或者不会影响整个系统或检测器的稳定性。

      对这些问题有解决方案，现在机械工程中的阀死体积很小，可以找到把谱带加宽降到最小的商品阀。同样转子材料的惰性使金属体管到的密封性大大提高，使用现代阀很好地解决了谱带加宽和阀的惰性问题，也许可以从文献中二维色谱的研究报告得到证明。


图3.1 三种二维GC色谱的配置

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3.2 实际应用的二维气相色谱

3.2.2 二维色谱的设备

3.2.2 二维色谱的设备（2）

      1985 对活性组分进行了Deans 气流切换和机械阀切换性能的比较性研究，但是没有得到明确的结论[1]，近年Mills和Guise 进行了游离酸和酸酐、用阀作接口的二维GC分析，获得很好的结果[2]，没有出现什么问题。但是也有些矛盾的说法，比如 Adam [3] 对某些化合物如醛和醇（比如乙缩醛和乙醛）可以成功地分离分析，而对天然呋喃酮则有很大的问题[4]。所以对待特殊的化合物使用机械阀作接口是要很小心，不过现代的各种去活技术，如进行硅烷化处理不锈钢色谱柱，以及去活技术和高温稳定性处理的发展会有助于这一问题的解决，图3.2是用于中心切割和分析/监测点二维气相色谱所用的阀。在分析位置时从第一支色谱柱流出的组分通过双位切换阀并进入第一个检测器，这样对第一次分离过程进行检测，在进行转移时阀的位置从第一支柱直接切换到第二支色谱柱，在完成中心切换时阀恢复到原来的位置，进行第二次分离使用第二个检测器进行检测。


谱

文献
[1]. B. M. Gordon,C. E. Rix and M. F. Borgerding,‘Comparison of state-of-the-art column switching techniques in high resolution gas chromatography’, J. Chromatogr. Sci. 23:1–10 (1985).

[2]. P. L. Mills and W. E. Guise,‘A multidimensional gas chromatographic method for analysis of n-butane oxidation reaction products’,J. Chromatogr. Sci.14:431–459 (1996).

[3]. S. T. Adam, ‘Quality test of a mechanical switching valve for two-dimensional open tubular gas chromatography’, J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 11:85–89 (1988).

[4]. K. Shiomi,‘Determination of acetaldehyde,acetal and other volatile congeners in alcoholic beverages using multidimensional capillary gas chromatography’, J. High Resolut. Chromatogr. Chromatogr. Commun. 14:136–137 (1991).

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3.2.3 Deans切换（1）

      二维GC中，在两个色谱柱之间进行非插入式载气流的控制具有突出的优点，特别是在色谱柱之间用压力驱动的切换不会引起色谱流出峰的特殊加宽。在 1968年Deans [1]提出一种用压力驱动切换的基本原理，此后广泛地用于二维系统的中心切割、放空、和反吹操作。操作原理如图3-3所示，这是Bertsch [2]早期综述中的简易的描述。


图 3-3-1  Deans切换中的第一阶段流程图（Survey Run）

      分离过程有明显不同的三个阶段，即测量或预分离，样品转移和一维柱的反吹，方法的基本点是在交叉点使用压力使流路转移，流向每一个交叉点的载气用电磁阀进行控制，导入压力的大小决定于相互作用装置及其对气流的阻力，Deans 切换过程有三个阶段：
(a) 在“Survey Run”位置的预分离操作如图3.3-1所示，在此压力达到平衡，这样第一支色谱柱出来的载气从色谱柱交汇点（标志A）转移到检测器 1，这一压力设置阻止样品进入第二支色谱柱，但是对第二支色谱柱也没有载气进入，这是由于在交汇点A有过高的压力。

文献
[1] R. R. Deans, ‘A new technique for heart cutting in gas chromatography’, Chromatographia 1968，1:18–22
[2] W. Bertsch, ‘Multidimensional gas chromatography’, in Multidimensional Chromatography. Techniques and applications, H. J. Cortes (Ed.), Chromatographic Science Series,Vol. 50, Marcel Dekker, New York, pp. 74–144 (1990).

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Chromatography”, John Wiley & Sons Ltd, 2002