主题：【资料】多维色谱技术(45讲 待续)

多维色谱技术（42）

                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（8）——环境污染物的分析

3.3.2 典型环境污染物的分析

      有少量的源于燃料有机物排放到环境中，二维GC在环境分析中的应用主要是含卤持久性有机污染物(POPs)，这种污染物广泛性的分类如多氯联苯（PCBs），多氯戴奥辛，多氯呋喃，毒杀芬以及其他有机氯化合物分子人为地释放到环境中，这类污染物可以列出很多如农药绝缘油。这些化合物有害健康并在环境中能长时间存在，所以是分析的热门对象。PCBs的分析具有极大的挑战性，这是由于它们具有很大的多样性（在150个工业产品中含有209个多氯联苯同族物），而且在环境中（如空）气含量很低（pg～ng/m3）POPs的分析具有特殊的困难，测定总体的POPs没有意义，因为各个不同的同族物有不同的毒性，需要测定单独的同族物。分析的困难之处不仅是目的物本身复杂，而被测样品主体的复杂性也给分析带来困难。在土壤和大气两种样品中压倒多数的有机物背景是具有毒性的脂肪族组分，要把有机氯化合物从这些背景物分离出来需要使用有效的样品制备技术，以及有选择性的检测方法相结合（常常使用电子捕获检测器或质谱检测器），同时要有很好的分离。理想的情况下使用一支色谱柱能把要进行分析的同族物分离开，但是经过多年的努力没有实现，有很多实验室对所有同族物在各种固定相上保留行为的研究 指出在单一色谱柱上是不可能把所有这些同族物全部分离开来，进行了许多去卷积的方法，包括：

1．使用平行色谱柱提高至少在一支色谱柱上的分离能力
2．使用MS去卷积
3．串联色谱柱
4．使用二维GC

      但是使用二维GC需要更多的设备以及更多的开发时间，但是这时候现今最可靠的方法。Kinghorn的研究证明二维GC可以分离PCB，Aroclor 1254，这一方法使用非极性柱作为第一维色谱柱，用手性色谱柱作为第二维柱,这一系统使用Deans切换做一、二维色谱柱之间的接口，中间连接一支冷冻的毛细管柱让第一支色谱柱流出物进行再聚焦，在第一支色谱柱上分离不好的峰在第二支柱上得到很好的分离。只有同族物138例外，它必须在极性很强的氰丙基色谱柱或者是液晶柱上才能分离开。图42是二维GC分析PCB的色谱图。


图

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

多维色谱技术（43）

                  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（9）——环境污染物的分析

      在209个多氯联苯（PCB）中有78个是手性化合物，但是它们不是基于中心碳不对称取代基形成的对映体，而是由于对非平面构型苯环不对称取代基造成的轴向不对称异构体，所有这些化合物的结构转换能比较低，能够通过C–C键的旋转进行互相转换，形成混旋的混合物，但是有十个三或四邻位取代PCB的旋转能量势力垒很高，足以形成稳定的构型，不能够形成混旋化合物，这些化合物叫做阻转异构体（围绕单键旋转受阻，具有较高的旋转能垒，可以分离开成两个立体异构体，如手性联苯型、手性把手化合物、手性环芳烃等均属于阻转异构体。它们的旋转能垒高于100kJ/mol，可以分离出在常温下稳定的构型异构体）。现代研究证明在某些条件下，对PCB的生物降解适合于某一种构型的异构体，从而测定他们的异构体含量的比例可用于研究这一现象（因为物理化学和转变性能不会影响异构体的比例）。到现在为止二维气相色谱是研究这一现象绝好的分析方法，使用手性选择性固定相，特别是环糊精衍生物做第二支色谱柱的固定相，在第一支柱上分离非极性化合物，在第二支柱上分离阻转异构体。有文献报道使用二维气相色谱成功地分离几种重要的阻转异构体对[1]，还可以进行定量分析，因为使用简单的性能优良的检测器，如ECD，同时阻转异构体对可以达到基线分离。近来也有使用二维气相色谱坚定河水和海水中非消旋PCBs的分布的报告[2]。
      在环境中发现的所有持久性有机化合物中氯代二氧六环和苯并呋喃是毒性最大的化合物，但是他们的毒性并非所有这类化合物都有，在显然类似的分子之间有很大的差别，达到几个数量级。由于这一特点，分析必须具有可以区别它们的能力。这一类化合物普遍存在的问题是样品基体烃类化合物的浓度太高，为了简化分离方法，就要对样品进行很好的净化，这样有助于即使在一支色谱柱上也可以得到分离。在使用二维色谱时，可以减轻脱机净化样品的步骤，以便除去干扰物，这样一来可以减少对样品的处理，提高产率。
      上世纪80年代中期的研究工作证明二维分离可以分离一些多氯二苯并-p-二氧六环同族物(PCDDs)，也说明如何把中心切割的时段进行转移是很严格的，以便使第二个色谱图得到基线分离。另外由于一些原因ECDs广泛地用于PCDDs 和 PCBs的分析，这是由于它便宜、易于定量分析，而且灵敏度高，这些都优于使用MS。但是由于要单独用保留指数定性，一维色谱的切割时间要很准确，现在使用的电子压力和流量控制大大地提高了可靠性。
莰烯和莰烷的氯化物（一般指八氯莰烯，即毒杀芬）是另外一类持久性有机污染物[58],据研究在自然界，有200多个衍生物是手性化合物，合成出的这些化合物在环境中呈现为消旋化合物，但是它们可被微生物降解成为非消旋物质，这一现象用于降解代谢过程的研究。
      和PCBs类似，也是既需要测定它们的异构体和对映体，二维气相色谱曾用于海中哺乳动物样品中的毒杀芬，第一维是非极性柱，第二维是手性柱。图3.8是从第一维色谱柱上几次中心切割得到的色谱图，证明经代谢降解后得到的非消旋对映体混合物可以用二维气相色谱进行分离。


图3.8  从一维色谱柱上几次中心切割得到的色谱图

文献
[1] E.  Benická, R. Novakovsky, J. Hrouzek, J. Krupcík, P. Sandra and J. de Zeeuw,
‘Multidimensional gas chromatographic separation of selected PCB atropisomers in
technical formulations and sediments’, J. High Resolut. Chromatogr. 1996，19:95–98

[2]. G. P. Blanch, A. Glausch, V. Schurig, R. Serrano and M. J. Gonzalez, ‘Quantification and determination of enantiomeric ratios of chiral PCB 95, PCB 132 and PCB 149 in shark liver samples (C. coelolepis) from the Atlantic ocean’, J. High Resolut.Chromatogr.1996， 19:392–396 
文献来源：L.MONDELLO, A.C. LEWIS, K. D.      BARTLE,” Multidimensional
Chromatography”, John Wiley & Sons Ltd, 2002

多维色谱技术（44）

第4章  全二维气相色谱

4.1 多维气相色谱

序言（1）

    上一章讨论了一般二维气相色谱的问题。这一章讨论全二维气相色谱的问题。
多维气相色谱（MDGC）分离是两个或多支气相色谱柱进行分离的过程，但是简单地把两支色谱柱连接在一起不能满足MDGC过程最高的要求，直接把两支不同性质色谱柱连接在一起——叫做多色谱（multichromatography）——可以提高分离能力，但是和混合固定相的色谱柱一样，可提高分离的选择性，（在图4.1中是两支色谱柱结合处的接口或者是阀），这样没有增加分离的容量，（可用于分离的总理论板数），只是改变了峰的相对保留值，但是在两支色谱柱之间装了一个阀，使柱中间的压力发生变化（启动阀的驱动力是压力），这叫做压力-调制，通过压力控制使两支色谱柱进行分离操作，因此会出现不同的保留因子，通过图4-1偶合色谱柱系统的示意一个激活的T-性形连接，复杂的多端口阀，或者热或冷冻的调制系统做接口，接口的开通可以是阀的切换，通过压力平衡让气流通过二维柱，增加一个气路用以进行压力的调协，或用机械驱动调制器，通到检测器1的管路一般没有色谱柱的保留，在两个柱箱的系统里，一维和二维色谱柱放在不同的柱箱中，点划线表示是不同的加热区。



图 4-1  偶合色谱柱系统的示图


    优化压力和其他实验参数设定，可以使所研究混合物的色谱分离得到优化。这一方法还不能叫做多维气相色谱（MDGC），MDGC的定义必须使MDGC的实验条件和上述结合的色谱柱是不同的，其分离过程必须是第一支色谱柱（一维柱）的分离流出谱带进入第二支色谱柱（二维柱），这样一定包括有超柱效应的接合，但是由于现代技术的发展可以排除这种超柱效应的接合缺点，这样最简单的MDGC安排是使用阀做接口的切换系统，它可以把一维柱的流出谱带转入二维柱。有关这一方法在上一章已经做了阐述。本章讨论全二维气相色谱的问题。



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

多维色谱技术（45）

              第4章  全二维气相色谱

4.1 多维气相色谱

序言（2）


图4-1偶合色谱柱系统的示意图
   
    在图4.1的系统里，接口是一个机械驱动的阀，或者是压力切换阀，它可以把一维柱中的流出物转移到二维柱中，或者使用电磁阀。也可以用压力平衡方法进行切换，不进入二维柱中的流出物就在一维柱末通过检测器。

      图4-2（a）是一维柱的1–4部分流出物如何从一维柱转移到二维柱的示意图，它是以所谓中心切割的方式进行操作的，在这种简单的模式下，二维柱的工作方式是从一维柱进入流出的谱带进入之后立刻进行分离，或者用冷冻或冷却方式聚焦在二维柱的柱头出，然后再进行分离，二维柱置于第二个柱箱中，如图4-1中用虚线分割的两个温度不同的柱箱。



图 4-2 多维气相色谱分离的安排示意图
(a)中心切割谱带1-4转移到二维柱上，并在此柱上一起进行分离，在这一选择性好的柱上谱带得到更好的分离。
(b) 如果从一维柱上继续有谱带进入二维柱，就会出现峰的重叠，这样一来就会像是全部样品全在第二支色谱柱上分离一样了。
(c) 连续流出的谱带1–5转移到分别的捕集阱中，每一个谱带都可以在第二维柱上进行单独地分析，这样就会得到五个二维色谱图，
(d) 如果我们从一维柱上的右面相邻的谱带进行调制操作，这种调制过程所需的时间要快于峰宽的时间，1D和2D之间更有利于峰的压缩，在第二维柱上形成快速GC的条件，这样一来我们就得到了GCxGC的效果。

      在一维柱中分离开的谱带在二维柱中得到进一步的分离，这样一来在一维柱中分离不开的混合物在二维柱中得到分离，二维柱是具有特殊的选择性，是针对特有组分的分离，由于两支色谱柱加在一起理论板数（或分离峰）增加了。从一维柱进入二维柱的谱带还是有重叠，这样就会降低总的分离度。如果我们避免各个谱带在二维柱上的重叠。就可能减少这种分离度的降低。如果上述的峰重叠很小，我们可以得到图4.2(b)的情况，这里从一维出来的每一个小的谱带都切割到二维柱，最终的结果相当于在第二维柱上进行分离（或者等同于多色谱方法，multichromatography），因此用中心切割方法的MDGC具有内在的弱点，许多在一维柱分离的部分分析人员希望把它们在第二维柱上得到分离。通常的MDGC实验主要是有局限性的多维分离方法，使用MDGC的优点仅在于解决一部分组分的分离。这样，我们可以做出结论：MDGC可以用于相对简单样品的分离，或者只用于一个小的复杂谱带的分离，所以没有达到多维气相色谱的分析的目的，除非分析人员只对一部分谱带目标物有特殊的兴趣。这也立刻会让人作出结论：全部样品用MDGC得到分析，由于在单一柱上组分没有足够的分离度，或者说全部组分都使用MDGC可以得到比较好的分析，而通常的MDGC达不到分离能力的要求。Wilkins等人为了解决这一问题，使用多个捕集阱(5, 6)，用以从一支色谱柱上把石油中相邻的组分捕集到不同的捕集阱里，如图4-2(c)所示。图下面是每一个单独的捕集阱可以进行再分析，得到5个二维色谱图。

    很明显，捕集阱的数目是有限制的，我们认为Wilkin的工作是创新性的转移方法，它的局限性有待于进一步开发新的系统，是MDGC的分离能力达到最大。从这一概念出发，设想把色谱柱分离物快速切成很多小片，进行转移，但是不使用无数个捕集阱，这些小片通过某种机构转移到第二维色谱柱中。



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

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辛苦了。楼主

（46讲）4.2 GCXGC 的出现和发展



4-2-1 全二维气相色谱的出现



      全二维气相色谱（Comprehensive two-dimensional gas chromatography）（GC x GC）是近20年发展起来的十分诱人的气相色谱技术，GCXGC具有峰容量大、分析速度快、提高检测的灵敏度等优点，成为分析多成分复杂混合物的极为有效的方法，颇受石油、石油化工和环境科学领域的重视。GCXGC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接口，起到捕集、聚焦再传送的作用，称作调制器。经第一支色谱柱分离后的每一个组分，都要先进入调制器，进行聚焦后在以脉冲方式送到第支二色谱柱进行近一步的分离，各个组分从第二色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统的处理，得到以柱1保留时间为纵坐标、以柱2保留时间为横坐标的平面二维图。


4-2-2 全二维气相色谱的优点和发展



      多维气相色谱已经有多年的历史，在实际应用和理论上相当成熟。而全二维气相色谱是90年代初出现的新方法，1990年 Liu 和Phillip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方法。

全二维气相色谱是把分离机理不同、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接口，起到捕集再传送的作用，称作调制毛细管。经第一支色谱柱分离后的每一个组分，都要先进入调制毛细管，进行聚焦后在以脉冲方式送到第支二色谱柱进行近一步的分离，各个组分从第二色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统的处理，得到以柱1保留时间为纵坐标、以柱2保留时间为横坐标的平面二维图。



全二维气相色谱的优点：  这种全二维气相色谱有下列一些优点：



（1） 峰容量大  一般的二维气相色谱峰容量为二柱峰容量之和，而全二维气相色谱的峰容量是二柱峰容量之乘积。例如：用一支10m的SE-30毛细管做第一柱，用一支30m的γ-环糊精做第二柱，分离煤油成分。柱1的峰容量为200，第二柱的峰容量为100，用他们组成的全二维气相色谱系统的峰容量为2000，试验得到的二维图上有4000个峰。

    （2） 分析速度快  如在本文的（上）篇^[1]曾援引了Liu的报告，利用全二维气相色谱方法可以在4min内分离15个农药组分 ^.

    (3)  组分在流出第一支色谱柱之后，经过调制器（或冷阱）聚焦后，提高了在检测器上的浓度,因而可以提高检测的灵敏度。

    （4）  选择不同保留机理的二维气相色谱柱，可以协助进行定性分析的参考信息。

    （5）  全二维气相色谱可以进行定量分析。

4.2 全二维气相色谱(GCXGC )的出现和发展



4.2．3 全二维气相色谱近年的发展



      全二维气相色谱是 20 世纪 90 年代初出现的新方法。首先Phillips等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 ,第 1 支柱为非极性柱 ,第二支柱为极性柱,通过极性和温度的改变实现气相色谱分离特性的正交化。从第一支柱中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第二支柱中进行再分离。。由于发送频率很高 ,从外观来看 ,好像是从第一根柱流出的峰被切成一个一个的碎片 ,聚焦后再往第 2 根柱发送。连接两支柱的桥梁可以是 1支厚膜毛细管 ,也可以是 1 支冷阱控制的空毛细管。全二维气相色谱技术的关键部件是调制器。



      所以近十年来有大量GCXGC的文章发表，开始时主要是有关GCXGC的原理和实验装置，近年主要涉及使用TOF-MS做检测器及对分析物进行定性及定量分析的策略，最近重点转移到GCXGC在实际生活中的应用，例如食品、环境、和食油化工等方面 。有关GCXGC的发展近年国外有一些很详细全面的发表综述文章。

多维色谱技术（47））
第4章  全二维气相色谱



4.2 GCXGC 的出现和发展



4.2．3 全二维气相色谱近年的发展


    国内从本世纪初，许国旺教授的研究组开始了全二维气相色谱的研究，有多篇综述和开发性研究的报告，把GCXGC用于各个领域，之后有其他一些研究者加入全二维气相色谱的研究行列，下表就是他（她）们的研究文章+



国内从本世纪初也有不少全二维气相色谱的综述和应用文章

多维色谱技术（48）
第4章  全二维气相色谱



4.3 GCXGC 的调制器



4.3.1 热调制器

    在热扫帚调制器开发以前是Liu等最初开发的热解析调制器^[8]，它是一段毛细管，外涂一层适当厚度的含金导电涂料（电阻114Ω）,在两端和中间接入导线，可施加脉冲电流，中间一点接地，形成两个阶段的脉冲加热系统，每一阶段加热持续20ms的时间，两个阶段间隔200ms。 由于含金导电涂层制备和使用中的困难，一些研究者研究了可旋转的槽形热解析调制器（扫帚调制器），这一装置可以在计算机控制下定时地旋转到接口毛细管的设定位置上,把聚焦捕集到的组分蒸发到第二个色谱柱上进行快速分离。如Geus^[20]使用的槽形热解析调制器。接口毛细管柱是一支8cm x 100μm i.d.的毛细管，管内涂渍3μm膜厚的聚甲基硅氧烷作固定相，在这一热解析调制管后连接一支14 cm x 100μm i.d.的弹性石英毛细管空柱接到检测器FID上，在热解析调管前是一支500cm x 150μm i.d.的毛细管柱，固定相是OV-1701。槽形旋转加热器在热解析调制管上以0.21转/秒速度转动，这样形成5 cm/s的扫过速度。而载气的流速大于30 cm/s，最后槽形旋转加热器在热解析调管末端停留0.3s。这种调制器为了尽可能靠近接口毛细管要十分小心地移动，同时为了能尽快地让被捕集的分析物蒸发出来，调制器的温度要高于被捕集分析物沸点100℃，因此第一支色谱柱的柱温就要低一些，比如不能高于230℃，而且其他一些参数也要进行优化，比如扫过的速度、停留的时间、柱温、毛细管柱的液膜厚度等等，因此确定一个方法要很长时间。所以现在人们已经摒弃了这种调制器。



图中C1, C2 和 C3是色谱柱连接头，C2 要足够的细以便让热扫帚（S）槽调制器能够通过它，富集柱A保留从一维（D1）色谱柱转入的分析物，热扫帚扫过A时把分析物赶到没有涂渍固定相的空柱（P）（叫猪尾巴），然后它把积聚的窄分析物进入第二维（D2）色谱柱。M是放在柱箱外面的电机。


4.3 GCXGC 的调制器



4．3．1．1热调制器在石油样品分析中的应用



        这里摘要介绍许国旺教授研究组所进行的研究[1]

石油产品是很复杂混合物,中等馏程的油品(沸点从 150～370 ℃) 含有 10 ,000 多种成分。传统的一维气相色谱由于峰容量不够 ,重叠十分严重,定性定量很不准确。中心切割式二维色谱拓展了一维色谱的分离能力 ,解决了部分感兴趣组分的分离问题。但由于没有聚焦使第二维峰展宽降低了分离效果 ,一些在第一维已经分开的峰在第二维的重新混合也降低了第一维的分离度。

    许国旺教授的研究组以石油样品作对象（石脑油产自大庆林源炼油厂,大部分轻组分已自然挥发掉。轻柴油从茂名乙烯获得 。标样由一系列正构正烷烃、 单环芳烃和双环芳烃配制 ,均为分析纯。他们研究了 GC×GC的正交分离、 族分离等特性以及在复杂混合物分离定性方面的优势。与传统的 1DGC比较 ,GC×GC是分离复杂混合物及分析复杂基体中目标化合物的有效手段。

        GC×GC系统由 HP6890色谱仪(安捷伦中国公司)和热调制器 KT2000 (美国 Zoex公司)组成。用GC×GCz2.0V1. 6控制、采集数据 ,100Hz。

1DGC为 GC-17A(日本岛津公司) ,C2R7A工作站采集数据。



柱系统和操作条件：

GC×GC柱系统,柱 ①:10 m×0.25mm× 0.25μm DB-1 ;柱 ②:0.7 m× 0.1 mm×0.10μm DB-1701。

操作条件:柱 ①:25 ℃,保持5 min ,2℃/min到180℃;柱 ②:比第一维高5℃;调制器温度比第一柱高 100 ℃,

汽化室温度:250 ℃,FID:250 ℃。

一维GC柱系统: 50 m×0. 2 mm ×0. 5μm DB-1。

操作条件: 35 ℃,保持 15 min ,1. 5 ℃/min 到 70℃; 3℃/min到130 ℃,保持15 min。汽化室温度:250 ℃,FID:250 ℃。




注:第一维保留时间(s) =坐标×周期=坐标× 6. 5

                        第二维保留时间(s) =坐标/采集频率(Hz) =坐标/100



GC×GC与传统1DGC的比较



        与传统的1DGC相比 ,GC×GC是一种快速色谱。在第一维只需要按沸点大小分离 ,在第二维柱上则按极性分离。用 GC×GC分析石脑油样品 ,不到40 min得到近2000个峰(图3) 。而相同样品用1DGC分别超过1 h ,且只能得到近100个峰 ,重叠现象十分严重。GC×GC在 n2C11 (峰5)位置出了7个峰 ,而在1DGC中只有一个峰 ,对 n2C11峰的定量结果偏高 ,被 n2C11掩盖的组分不能被检出。用相同的柱系统 ,稍微改变两维的温度程序(两维的温度差加大以使更多的族能出现在同一周期中)就可分析轻柴油 ,至少5000个峰得以分离。