全二维气相色谱技术及其进展

许国旺, 叶芬, 孔宏伟, 路鑫, 赵欣捷
(中国科学院大连化学物理研究所国家色谱研究分析中心, 大连116011)

许多分析问题需要比一维色谱技术能提供的更高的分辨率。分离能力可通过使用多种分离技术或机制的组合来增强。此时，样品被分散在不同的时间维,终的分辨率强烈地依赖于这些维间分离特性的差异。当它们间没有关联，也即相互间正交时，系统可获得高的分辨率。全二维气相色谱(GC×GC)提供了一个真正的正交分离系统。它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。它的峰容量为组成它的各自峰容量的乘积。本文介绍了GC×GC的技术和仪器，比较了现阶段GC×GC系统的三种设计。也引证了在石化和环保领域GC×GC的许多应用。GC×GC将来的发展前景被简单地讨论。

关键词: 全二维气相色谱 正交分离 综述 气相色谱 调制器 油品分析GC×GC

1．概论
气相色谱作为复杂混合物的分离工具，已对挥发性化合物的分离分析发挥了很大的作用。目前使用的大多数仪器为一维色谱, 使用一根柱子，适合于含几十~几百个物质的样品分析. 当样品更复杂时，就要用到多维色谱技术[1]。全二维气相色谱（Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatography, GC×GC)是多维色谱的一种，但它不同于通常的二维色谱(GC+GC)。GC+GC一般采用中心切割法，从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。
全二维气相色谱(GC×GC) [2-3]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[4]。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，本文综述其新发展。

2．全二维气相色谱的发展历史和特点
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[5]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[2，6]。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[7]。由于发送频率很高，从外观来看，好象是从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。
从Phillips1991年开始GC×GC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。美国Southern Illinois大学已成功地用此技术一次进样从煤油中分出一万多个峰[8]。
2)、灵敏度高, 可比通常的一维色谱提高20~50倍[9,10]。
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，，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（图1）。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GC×GC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(图1)[24]。
可以说，GC×GC 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。

图 1 柴油的GC×GC色谱分离.
大约2000个峰被获得, 以化合物类型的谱带或结构异构体的子谱带排列。很好分布的谱带简化了解析。只有2米柱用于这个分析，用时60分钟。柱 1: 1m×0.1mm×3.0μm 007-1, 调制毛细管: 0.1m×0.1mm×3.0μm 007-1, 柱 2: 1.0m×0.1mm×0.1μm 007-1701. 柱温: 35℃,5min, at 5℃/min to 250℃. 谱图来自于Shell International Chemicals, Thornton, UK.
Fig.1 GC´GC chromatogram of gas oil.
The chromatogram exhibits about 2000 peaks arranged in bands of compound classes, and sub-bands of structural isomers. The orderly peak arrangement simplifies interpretation. Only two meters of column were used in this analysis, which lasted 60 minutes. Column 1: 1m×0.1mm×3.0μm 007-1, modulator 0.1m×0.1mm×3.0μm 007-1, column 2: 1.0m×0.1mm×0.1μm 007-1701. Column temperature: 35℃,5min, at 5℃/min to 250℃. The chromatogram from Shell International Chemicals, Thornton, UK.

3．GC×GC仪器
3.1调制器
在GC×GC中，根柱将样品分成大量小馏分，再在第二根柱分离，第二根柱的分离比根柱快得多，以使馏分区带较窄并保持根柱获得的分离。允许既小又窄的馏分从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[11]
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[12、13]，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[14], 由于涂层常被烧坏，不得不经常替换[7]。类似的结果也已由de Geus等[16]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[7]，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[17-19]
与热调制器不一样，冷阱系统也被用做调制器[17]。调制器由移动冷阱组成，做成径向调制冷阱系统（LMCS）。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，直到根柱分析的结束[18-19]。
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。
3.2 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[16]。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[15]。
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，以后将会有很多实验室配备GC×GC-TOF-MS仪器。

4．应用及发展展望
到目前为止，已有很多GC´GC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GC´GC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，GC´GC也会具显著优越性。
4.1石油样品
石油样品是常见的复杂混合物，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4×107饱和烃异构体有可能存在[21]。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GC´GC对石油产品的分析已做了大量的工作[4，9，22，16，23]，重汽油、重催化裂解循环油等均得到了很好的分离。从图1可知， 饱和烃、环烷烃、单芳、二环芳烃、三环芳烃等被分成非常明显的独立区域，它是烃类型详细分析的好方法和谱图。Frysinger等[24]分离了汽油中的苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）及总烃，并用GC×GC与四极质谱联用来分析海中的柴油燃料[25]。GC×GC也被Gaines等[26]作为用来识别溢油来源的好工具。Xu等在GC×GC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[8]。Synovec等[11]则使用GC×GC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[18]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[19]，其轮廓图与应用热调制方式得到的相当类似。

4.2 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，对分析化学家具有大的挑战性。PCBs共有209个氯代联苯化合物，仅150个在商用产品中出现[27]。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。气相色谱法由于其高效分离的特性，成为的方法。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[28]。de Geus等[15]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，而用通常的中心切割-多维色谱法则需要很多次运行[29]。Xu等[8，30] 也发展了一个方法以使相同氯原子数的PCBs在GC×GC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，GC×GC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[31]应用GC×GC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[32]使用GC×GC测定了水样中的痕量含氧化合物和芳烃，并使用GC×GC来识别表面水中轻微风化的柴油燃料的溢出源[26]。
4.3 其它应用及发展展望
可以想象，由于GC×GC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，GC×GC技术也会发挥很大作用。对咱们中国来说，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GC×GC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[32]。
由于GC×GC作为一个技术还很年青，现仅有一种商品仪器（Zoex公司）。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GC×GC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GC×GC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。GC×GC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GC×GC联用对二维色谱的定性分析将非常有帮助。完全可以说，GC×GC技术的将来是非常明亮的。

参考文献

[1] G.Schomburg. J. Chromatogr. A. 1995,703:309-325
[2] Z. Liu, J. B. Phillips, J. Chromatogr. Sci., 1991,29:227-231
[3] C. J. Venkatramani, J. Xu, J. B. Phillips, Anal. Chem., 1996,68:1486-1492
[4] J. Blomberg, P. J. Schoenmakers, J. Beens, R. Tijssen, J. HRC&CC. 1997,20:539-544
[5] M. M. Bushey, J. W. Jorgenson, Anal. Chem. 1990,62:161-167
[6] J. B. Phillips, D. Luu, J. B. Pawliszyn, G. C. Carle, Anal. Chem. 1985,57,2779-2787
[7] John B. Phillips, R. B. Gaines, J. Blomberg, et al. J. HRC&CC. 1999,22:3-10
[8] J. Xu, Ph. D. Dissertation, Southern Illinois University,1997
[9] J.Beens, H Boelens, R. Tijssen, J. Blomberg, J. HRC& CC.1998, 21:47-54
[10] H. de Geus, J. De Boer, J. B. Phillips, E. B. Ledford, Jr., U. A. Th. Brinkman, J. HRC&CC. 1998,21:411-413
[11] C. A. Bruckner, B. J. Prazen, R. E. Synovec, Anal. Chem. 1998,70:796-2804
[12] J. B. Phillips, Z. Liu, United States Patent,5,196,039, 1993.
[13] J. B. Phillips, Z. Liu, United States Patent,5,135,,549, 1992
[14] J. B. Phillips, J.Xu, J. Chromtogr. A, 1995,703:327-334
[15] H. De Geus, J. De Boer, U. A. Th. Brinkman,J. Chromatogr. A,1997,767:137-151
[16] J. Beens, J. Blomberg, R. Tijssen, J. Chromatogr. A,1998,882:233-251
[17] P. J. Marriott, R. M. Kinghorn, Anal. Chem. 1997,69:2582-2588
[18] R. M. Kinghorn, P. J. Marriott, J.HRC&CC.1998,21:620-622
[19] R. M. Kinghorn, P. J. Marriott, J.HRC&CC. 1999,22:235-238
[20] R. M. Kinghorn, P. J. Marriott, J.HRC&CC. 1998,32-38
[21] H. J. Neumann, B. Paczynska-Lahme, D. Severin, Compositional Properties of Petroleum, Ferdinand Enke Publ., Stuttgart, Germany, 1981.
[22] J. Beens, Ph.D. Dissertation, University of Amsterdam, 1998
[23] J. Beens, R. Tijssen, J. Blomberg, J. HRC. & CC., 1998, 21:63-65
[24] G.S. Frysinger, R.B.Gaines, E.B. Ledford Jr., J. HRC. & CC., 1999, 22:195-200
[25] G.S. Frysinger, R. B. Gaines, J. HRC. & CC., 1999, 22:251-255
[26] R.B. Gaines, G.S. Frysinger, M.S. Hendrick-Smith, J.D.Stuart, Environ. Sci. Technol., 1999, 33:2106-2108
[27] G. fr[x]ame, Anal. Chem., 1997, 69:468A-475A
[28] G. M. fr[x]ame, Fresenius Z. Anal. Chem., 1997, 357:701-713
[29] H. –J de Geus, J. de Boer and U.A.Th. Brinkman, TRAC, 1996, 5:398-408
[30] J.B. Phillips, J. Xu, Organohalogen Compounds, 1997, 31:199-201
[31] Z. Liu, S.R.Sirimanne, D.G.Patterson Jr., L.L.Needham, J.B.Phillips, Anal. Chem., 1994, 66:3086-3092
[32] R.B. Gaines, E.B. Ledford Jr., J.D. Stuart, J. Microcol. Sep., 1998, 10:597-600

Technique and Advance of
Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography

Xu Guowang, Ye Fe, Kong Hongwei, Lu Xin, Zhao Xinjie
(National Chromatographic R. & A. Center, Dalian Institute of Chemical Physics, Chinese Academy of Sciences, Dalian 116011, China)

Many analytical problems require more resolution than the conventional single column chromatographic technique can provide. In such cases the separation power can be enhanced by using more than one separation technique or mechanism. The sample is then dispersed in different time dimensions. The resolution obtained depends strongly on the difference between these dimensions. The highest resolution is gained when there is no correlation between the separations, the dimensions being orthogonal to each other. Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC´GC) provides a true orthogonal separation system in which a modulator serially couples two columns containing dissimilar stationary phases. It focuses and subsequently reinjects components eluting from the first column into the second one. The system generates a peak capacity that is approximately equal to the product of the peak capacities of the two individual separation systems. In this paper, technique and instrumental considerations of GC´GC are discussed. The three designs of contemporary GC´GC systems are presented and compared. A number of typical applications on complex samples such as petroleum products and environmental pollutants are also cited. Finally, the future perspectives of GC´GC are simply discussed.

Key words: comprehensive two-dimensional gas chromatography, orthogonal separations, review, gas chromatography, modulators, petroleum analysis, GC´GC

(注: 英文摘要的中译文同中文摘要.)