如何轻松掌握二维气相色谱GC×GC？

赵敏 0 2023-06-01

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气相色谱作为一种重要的分析挥发性和半挥发性有机化合物的工具，在对组分数多达几千的复杂体系进行分析时，传统的一维色谱不仅费时,而且由于峰容量不够，峰重叠十分严重等问题无法满足分离要求。于是就产生了全二维气相色谱，其目的就是为了解决重叠峰、共馏峰和分离不完全等一维气相色谱所存在的问题。

全二维气相色谱技术的发展历程大概分为3个阶段：

① 1991年至20世纪末，从全二维气相色谱技术被发明，到早期的气流调制和热调制器技术的研究，以及信号数据处理方法的研究与发展，全二维气相色谱技术逐渐被认识和认可。

② 本世纪前10年，由商业化的热调制器、数据处理软件和高采样率的飞行时间质谱构成的全二维系统进入多个行业分析领域，得到实际应用。

③ 2010年后到未来一段时间，更简便经济的热调制技术，尝试结合快速扫描单四极杆和飞行时间质谱，更新全二维气质技术。

GC×GC其主要原理：

把分离机理不同而又互相独立的两根以串联方式连接，中间装有一个调制器（Modulator）, 经第一根柱子分离后的所有馏出物在调制器内进行浓缩聚集后以周期性的脉冲形式释放到第二根柱子里进行继续分离，最后进入色谱检测器。这样在第一维没有完全分开的组分（共馏出物）在第二维进行进一步分离，达到了正交分离的效果。

在全二维气相色谱分离模式下，第一维色谱流出的所有物质经过调制器富集并再次进样到第二维进行二次分离。一维柱和二维柱的分离机制不同，从而使得第一维上共流出的化合物在第二维色谱上可以实现更完全的分离，从而极大提高气相色谱分辨率和峰容量。同时，由于全二维具备浓缩功能，在同样检测器的情况下，可以降低化合物的检出限，因此可以测得更低含量的目标化合物。

GC×GC工作原理

掌握全二维气相色谱GC×GC的关键就是要充分了解GC×GC的重点的部件。

GC×GC关键部件

1、调制器

在GC×GC中，第一根柱将样品分成大量小馏分，再在第二根柱分离，第二根柱的分离比第一根柱快得多，以使馏分区带较窄并保持第一根柱获得的分离。允许既小又窄的馏分从第一根柱进入第二根柱的关键部件是安装在两柱之间的调制器。调制器需满足的条件是：

（1）能定时浓缩从第一柱流出的分析物；

（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：

a、需要很高载气流速通过第二根柱，

b、样品中的大多数含量被放空，从第一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

这是在气相色谱中最常用的调制技术。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de Geus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。此设计的最重要优点是：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一的商品型，已令人满意地工作在几个，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）。第一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，从第一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，直到第一根柱分析的结束。

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

正如前述，GC×GC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200 ms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, GC×GC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GC×GC中使用, 如ECD。

质谱作为GC×GC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，以后将会有很多配备GC×GC-TOF-MS仪器。

GC×GC的数据处理

分析结果使用专业的全二维气相色谱数据处理软件GC Image进行处理。该软件可自动识别调制周期，自动完成峰检索和积分，支持族类化合物分析，质谱谱库搜索匹配以及定量分析工作等。此外，还可以使用化合物的保留指数对定性结果进行进一步筛查，提高定性准确性。

GC×GC数据处理过程

GC×GC分析优势

分辨率、峰容量：

在一个正交的GC×GC系统中，峰容量为其组成的两根柱子各自峰容量的乘积，分辨率为两根柱子各自分辨率平方加和的平方根。因此，利用GC×GC分析可以大大拓展峰容量和分辨率。

GC×GC灵敏度优势

灵敏度：

经第一支分离后，馏分在调制器聚焦，再以脉冲形式进样，图中的这个峰被调制了6次，信号强度比调制前放大了约20倍，因此，灵敏度可比通常调制前放大了约20-50倍。

定性：

GC×GC定性的可靠性比一维色谱强得多,但是其定性方法与一维色谱相比并没有本质的不同。一、大多数目标化合物和化合物组基线分离，减少了干扰；二、峰被分离成容易识别的模式，同系物成员在第二维具有类似的保留值，而异构体成员则形成“瓦片状”排列，形成“结构化”谱图。既可以根据各化合物或各化合物组在二维坐标中的保留时间并借助于参考标样来定性 ,也可以通过与高速质谱的联用来定性。

定量：

GC×GC 定量与一维色谱定量相比有以下几个优点：

（1）GC ×GC 由色谱峰重叠引起的干扰更小，更容易对各组分定量；

（2）组分通过GC×GC 第 2 柱的速度很快，相同量的某一组分在 1DGC 中需要几秒钟通过检测器，而在 GC ×GC 中该组分被分割成几块碎片，每一碎片通过检测器的时间仅为100ms 左右，因此GC ×GC 的峰形更尖税，灵敏度也更高；

（3）真正的基线分离，有利于准确的积分；

（4）调制器作用使信噪比大大提高。

责任编辑：展源

审　　核：何发

如何轻松掌握二维气相色谱GC×GC？

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