1、全二维气相色谱 -飞行时间质谱（GCGC-TOFMS）1 产品 .21.1 GC、GC+GC 、GCGC 简介 .21.1.1 气相色谱 .21.1.2 一维气相色谱（GC） .21.1.3 二维气相色谱(2D chromatography, GC+GC) .21.1.4 全二维气相色谱（Comprehensive 2D chromatography, GCGC） .21.1.5 GCGC VS GC+GC.21.1.6 GCGC VS GC.21.1.7 GCGC 发展历史 .21.1.8 GCGC 检测器 .21.1.9 GCGC 数据处理： .21.2 意大利 DANI GCGC-TOF
2、MS 介绍 .21.3 技术参数 .21.3.1 全二维气相色谱 .21.3.2 高分辨率飞行时间质谱 .21.4 产品比较 .22用户单位 .23应用 .21 产品1.1 GC、GC+GC、GCGC 简介1.1.1 气相色谱气相色谱主要适用于对挥发性、半挥发性化合物的分离分析。目前大多数气相色谱仪器为一维气相色谱，使用一根色谱柱，适合含几十几百个物质的样品分析。1.1.2 一维气相色谱（GC）对于复杂体系的分离分析，使用常规的一维色谱分析方法，仅仅靠提高柱效或提高柱选择性都难以得到满意的分析结果。由于组分重叠严重，影响定性、定量结果的准确性；即使是族组成分析也很难得到准确的分析结果。对峰重叠
3、有两个解决办法：一是使用选择性检测器；二是提高系统的峰容量。使用选择性检测器可以选择性地检测某些物质，所以要求互相重叠的峰在检测器上有不同的响应特性，才能发挥作用。对单柱系统来说，因为分辨率与柱长的平方根成正比，而分析时间却与柱长成正比地增加，因此靠提高柱长来提高分辨率是非常有限的。而且对痕量组分，使用长柱会使峰展宽而影响最低检测限。复杂体系的分离分析最好采用多维色谱技术。1.1.3 二维气相色谱(2D chromatography, GC+GC)一般采用中心切割法，从第一支色谱柱预分离后的部分馏分，被再次进样到第二支色谱柱，作进一步的分离，样品中的其它组分或被放空或也被中心切割。尽管可通过增
4、加中心切割的次数来实现对感兴趣组分的分离，但由于流出柱 1 进到柱 2 时组分的谱带已较宽，因此，第二维的分辨率会受到损失。这种方法第二维的分析速度一般较慢，不能完全利用二维气相色谱的峰容量，它只是把第一支色谱柱流出的部分馏分转移到第二支色谱柱上，进行进一步的分离。这对于仅对样品中少数组分感兴趣的情况非常适合，显然不能满足复杂样品全分析的需要因为传统的多维气相色谱从系统的峰容量而言，仅仅是几个分析柱峰容量的加和。1.1.4 全二维气相色谱（Comprehensive 2D chromatography, GCGC）是上个世纪九十年代发展起来的具有高分辨、高灵敏度、高峰容量等优势的多维色谱分离技
5、术。全二维气相色谱(GCGC)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，经第一支色谱柱（常规色谱柱，一般采用非极性/弱极性柱，大约 30-60m）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（短色谱柱，一般 2-5m 长，极性柱）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 保留时间为第一横坐标，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。1.1.5 GCGC VS GC+GC全二维气相色谱第一柱分离的全部组
6、分均被调制后转移到第二柱分析，而不仅仅是被中心切割的馏分（某一组分）转移到第二柱分析，因此这个系统被命名为全二维气相色谱，以区别传统的二维气相色谱。最大的区别就是全二维气相峰容量大（比如二维气相采用两根普通色谱柱峰容量可能是 1100+1100=2200；而全二维气相采用一根普通色谱柱和一根快速、短色谱柱可能是100035=385000） 、分辨率高（聚焦之后进入第二根色谱柱，峰尖窄） 、灵敏度高、分析时间短（第二柱一般只有 2-5m，分析速度快。1.1.6 GCGC VS GCA峰容量大：峰容量为两根柱子各自峰容量的乘积；B分辨率高：分辨率为二根柱子各自分辨率平方加和的平方根，美国 Sout
7、hern Illionis 大学已成功用此技术从煤中分出 1 万多个峰；Zoex 比传统一维色谱分辨率提高 10倍以上；C灵敏度高：经第一根柱分离后，馏分在调制器聚焦，再以脉冲形式进样，灵敏度大大提高，Zoex 灵敏度提高 5 倍以上；D分析时间短：使用 2 根柱子，样品更容易分开，总分析时间缩短；E定性可靠性大大增强：大多数目标物和目标物组可基线分离，较少干扰，另外，峰被分离成容易识别的模式，同系物在第二维具有类似保留值，而异构体则形成“瓦片状”排列。或则说双保留时间定性比单保留时间定性更准确。F相比一维，在样品筛选方面更具优势，提供更多信息G减少复杂样品前处理过程：分离能力强，能消除干扰H
8、定量可靠性大，因为大多数化合物可基线分离1.1.7 GCGC 发展历史1990 年 1 月 Bushey 和 Jorgensen 等最早提出用排阻色谱和反相 HPLC 实现全二维液相色谱,并首次提出了全二维色谱(Comprehensive chromatography)的概念。同年 5 月他们又用 HPLC 和毛细管电泳（CE ）第一次实现了全二维 HPLC/CE。1991 年 Phillips 和 Liu 用他们以前在快速色谱中使用的在线热调制器发展出了一种新的二维气相色谱系统全二维气相色谱。1992 年 Phillips 等申请了第一个有关全二维气相色谱的专利。由于最早报道的调制器采用的是
9、镀金箔毛细管柱，可靠性较差，不易操作，因此这个技术并未被迅速采用。1997 年，Marriott 和 Kinghorn 等提出了径向冷调制（LMCS）的全二维气相色谱，1998 年，Synovec 等首次报道了采用阀调制的全二维气相色谱。1999 年，美国 Zoex 公司开发了狭槽式热调制器并实现了全二维气相色谱的商品化。2000 年，Zoex 公司的 Ledofdr 等改进了狭槽式热调制器，建立了四喷口的冷喷调制器（KT-2001） ，第二代商品化全二维气相色谱。2000 年，Jan Beens 等开发了 CO2 双喷冷调制器，取代了径向冷调制。2002 年，Zoex 公司推出 KT-200
10、3 环形冷调制器2003 年，Adahchour 报道了一步单喷冷调制器之后基于 CO2 冷源和液氮冷源的调制器获得不断发展。 。 。1.1.8 GCGC 检测器GCGC 的第二维分离速度非常快，组分应在调制周期内完成第二维的分离，否则，前一脉冲的迟流出组分可能会与后一脉冲的前面组分交叉或重叠。通常典型的第二维峰底宽度为 100-600ms。对于峰宽很窄的色谱峰的检测需要快速检测器。快速检测器需要较小的内部体积，较短的响应时间和足够高的数据采集频率才能确保二维谱图的准确构建。现代 FID 检测器的内部体积几乎可以忽略不计，且采集频率高达 50-200Hz，是被最广泛采用的全二维气相色谱检测器。
11、有研究报导微电子捕获检测器（ECD）用于全二维气相色谱。它的内部体积约 30-150l，还是可能引起峰展宽。ECD 的采集频率可达 50Hz。许国旺研究员领导的课题组报导了硫化学发光检测器用于石油中硫化物的表征，也取得了比较满意的结果。传统的四极杆质谱采集速度慢，通常采集速度为 2 张全谱图/秒。目前商品化的四极杆质谱能达到的最快采集速度也只有 20 张全谱图/秒，而且使用最大采集频率时会牺牲检测灵敏度。显然与一维 GC 联用已非常成熟的四极杆质谱并不十分适合 GCGC 的检测。飞行时间质谱（TOFMS）有非常高的采集速度（最快可达 1000 次扫描/秒） ，是目前唯一可以与 GCGC 很好匹
12、配的质谱技术。1.1.9 GCGC 数据处理：经由检测器检测得到原始数据文件，原始的数据文件根据所用的调制周期和检测器的采集频率进行转换得到二维矩阵数据。在矩阵谱图中，不同调制周期的第二维谱图按周期数并肩排列。可视化是通过颜色、阴影或等高线图的方式将峰在二维平面上呈现出来，有时也用三维图形描述。在三维色谱图中，x 轴表示的是第一维柱的保留时间，y 轴表示的是第二维柱的保留时间，Z 轴表示的是色谱峰的强度。1.2 意大利 DANI GCGC-TOFMS 介绍意大利 DANI GC，美国 Zoex 两级热调制器，意大利 DANI TOF-MS1.3 技术参数1.3.1 气相色谱柱温箱温度范围：室温
13、以上 5C500C 升温速度：0.1C/min140 C/min 温度稳定性；程序升温：25 阶 26 平台；降温速度：从 300到 50小于 4 分钟。分流/不分流毛细管柱进样口，可编程设定压力、流速、分流比：最高使用温度450C。压力设定范围：0120psi，控制精度 0.01bar。流量设定范围：01000ml/min。流量控制：具有恒流，恒压，程序增加流速，程序升压等操作模式的电子气路控制。除柱箱外，可加热控温的区域应不少于 6 个，其最高温度可达 450C。保留时间 SD 0.0010 min。配 160 位液体自动进样器。可加配 NPD、 ECD、PID 、TCD 、FPD 、FI
14、D 检测器，最多可同时安装三个检测器。1.32 全二微调制解调器 调制解调器(ZX1) 二选一采样最新一代 ZX1 二级环形调制解调器，液氮作为制冷剂可以捕集低沸点化合物（C2-C55） 。最高控制温度为 475C，最低温度为-189 C。调制周期：1-32 秒。调制解调器(ZX2) 二选一采样最新一代 ZX2 二级环形调制解调器，循环冷凝系统制冷，无需液氮，可实现C7+化合物的捕集。最高控制温度为 475C，最低温度为-90 C。调制周期：1-32 秒。4.中低分辨率飞行时间质谱4.1 检测器类型：飞行时间质谱4.2 质量范围：5 to 1024 amu4.3* 扫描速度：最高 1000 张
15、谱图/秒 4.4*分辨率：不小于 20004.4 质量精确度：0.1amu4.5*灵敏度：1 pg 八氟萘 信噪比大于 1000:1 4.6 线性范围:1054.7 调谐模式一键式自动调谐和手动调谐4.8 离子源：EI 源4.9 离子源类型：惰性 EI 源4.10 最高离子源温度：250C4.11 检测器：电子倍增器4.12 灯丝：双灯丝设计4.13 最高传输线温度：350C4.14 真空系统：内置隔膜泵，两个分子涡轮泵（260L/s,70L/s ）4.15 离子源清洗拆卸简单，经过简单培训可以在 30 分钟内完成拆卸、清洗、安装步骤；4.16 体积：410x240x530 mm (高- 宽-
16、深) ，重量：30kg数据处理原厂集成产品，独立自主知识产权。操作系统: Microsoft Windows XP 或以上版本。Master Lab 软件，可在一个系统中同时实现对 GC 和 GCMS 的控制，并实现 2D 数据采集和数据处理。内置专用的解卷积算法，能够通过积分和解卷积将二维图重构成常规的一位色谱峰图，也可以采用斑点识别的新方法，直接从每个峰的质谱图生成斑点图，即使非常复杂的化合物也能得到可靠的色谱图，通过获得的质谱图与 NIST 谱库谱图进行匹配实现定性。1.4 产品比较DANI 普利泰科 力可 Thermo Agilent仪器组成 DANI GC环形调制器（最新）DANI
17、TOFMS7890A GC环形调制器（最新）SAI Kronus TOFMS7890A GCKT-2001 调制器Pegasus4D TOFMSTrace GCCO2 双喷冷调制器快速电子检测器(FFID)7890A GC微板流路调制器快速火焰离子化检测器（FID）调制原理 两级环形调制（液氮）两级环形调制（液氮）两级四喷口冷调制（液氮）CO2 双喷冷调制器微板流路调制器分辨率 2000(FWHM） 优于 1500 at m/z 500 (FWHM）1000(FWHM）MS 扫描速度1000 张全谱图/秒 200 scans/sec 500 张全谱图/秒软件 一次可自动解析大于 100000
18、个峰全自动峰识别 全自动峰识别自动去卷积峰解析 自动去卷积峰解析自动样品比较功能优点、缺点 相对于 KT-2001，结构简化，属于ZOEX 新一代的产品相对于 KT-2001，结构简化利用炉温进行解析脱附峰展宽，灵敏度和分辨率降低；被分流，并非全部进入色谱柱注：全自动峰识别（Automated Peak FindTM ） ：设定检索条件（信噪比、峰宽）后，自动找出样品中所有色谱峰，形成峰表信息并完成谱库比对。基线以下小峰亦可被自动找出。 自动去积卷解析功能（True Signal DeconvolutionTM） ：结合峰查寻，自动对共流化合物进行去卷积解析，抽出干净的质谱图。对保留时间相差
19、0.01 秒的色谱峰可完美分离。峰自动去积卷提高定性定量的准确性。自动样品比较功能（Compare ） ：样品间自动全组份比较，列出相同及差异峰表。适用于快速质量控制。环形调制器（Zoex KT-2003） LECO 四喷口冷调制原理（Zoex KT-2001）Thermo 双喷 CO2 调制原理 Agilent 微板流路调制原理不同调制器性能比较(国外文献报道)类型 捕集方式 第二维的进样带宽（ms）分析对象（沸点，）可靠性环形调制器 N2 冷调制 10 30-550 +四喷口冷喷调 N2 冷调制 10 30-550 +双喷冷调制 CO2 冷调制 10 100-550 +差分流路调制 阀调制
20、 50 0-300 +从捕集方式来看，其中阀捕集没有再聚焦作用。从第二维的进样带宽来看，采用冷捕集的调制技术的进样带宽均小于 10 ms，优于其它捕集方式。从分析对象的沸程范围来看，冷捕集分析对象的沸程上限最高可达 550，适合沸点较高的组分分析。阀调制更适合挥发性的分析对象，分析对象的沸点最低可至 0，但这种调制技术不适合沸点较高的组分，分析对象沸程的上限只有 300。从应用范围看，环形调制器适合的分析对象范围最宽（30-550 ） 。从可靠性来看，环形调制器的可靠性均较好。2用户名单中国石油大学（华东）GC-TOF 中山大学 GC-TOF 郑州大学 GC XGC-TOFMS天津市环境监测站
21、 GC XGC-TOFMS山西省疾控中心 GC-TOF 秦皇岛市环监站 SHS+GC xGC-TOFMS 内蒙古环监站 GC-TOF 郑州市环境监测站 GC XGC-TOFMS3应用当分析样品中的化合物数量多于 100 种时，使用 GCGC 的结果会比一维 GC 好得多，而且样品中的成分越多，其优势越明显。用一台简单的 GCGC 可覆盖 ASTM（美国材料实验学会）方法需 3 台仪器才能完成的工作石油和石油化工：原油、煤油、柴油、喷气燃料、汽油、烯烃、硫化物、苯系物、重汽油、重催裂解循环油、石脑油、轻质石油、中间馏分油等生物医学：呼吸气、血液（二恶英及类似物等） 、尿液、粪甾醇、药品溶剂残留代
22、谢组：农产品、药材产地溯源、黑麦草氨基酸和有机酸代谢物、糖尿病人血浆生物标志物、酵母菌、外链甲基杆菌代谢指纹分析、水稻代谢物、老鼠组织提取物代谢组分析、炭烧咖啡和:火焰榛子指纹分析食品：脂肪酸（鱼油、植物油、橄榄油） 、农药残留、多氯联苯（PCBs） 、氯二苯并对二恶英(PCDDs),多氯二苯并呋喃(PCDFs)、白酒、啤酒风味、红酒中白黎芦醇、氨基酸、毒杀芬、萘、卤代烃、动物饲料中农药和污染物、葡萄中农残、茶叶中农残卷烟：烟用香精、卷烟烟气、卷烟农药、香精香料：生姜香精油、牛至油、薄荷油、金枪鱼油、岩兰草精油、茶树油、熏衣草油、大蒜风味、连翘挥发油、黄油中风味等环境：PCBs、PCDDs、PCDFs、空气中挥发性有机物、氧化剂、芳香族化合物、农药、除草剂、持久性有机污染物、多环芳烃（PAHs）等刑事技术：火灾残留物中纵火促燃剂、毒化分析、现场遗留各类微量高聚物中微细结构特征物的分离与鉴别；爆炸现场微量爆炸残留物杂质与炸药组分的分离与分析；腐败生物检材中微量毒物的有效分离与分析；微量毒品代谢产物的有效分离与分析、毒品化学指纹分析、血清中麻醉剂和苯二氮分析仪器图片意大利 DANI 全二维气相色谱飞行时间质谱普利泰科全二维气相飞行时间质谱LECO Pegasus4D TOFMS 全二维气相色谱飞行时间质谱
