二维气相色谱(GCxGC)用于常规实验室

摘要对复杂的环境、石化或生物样品进行一维气相色谱(1D-GC)分析，通常会得到含有大量未解析组分的色谱图。质谱法可以解决一些复杂的问题，但大的浓度差异和结构异构体会使光谱解释和数据分析复杂化。使用高效、长、窄孔的薄膜毛细管柱可以提高某些色谱分辨率，但增加分析时间和降低样品装载能力可能对具有复杂样品的高通量实验室没有吸引力。

多维气相色谱(MDGC或2D-GC)通过使用带有两种不同固定相的两种分离色谱柱来提高分辨率。千年发展目标的一种形式是痛心。在对样品进行初步评估后，部分无法解析的气相色谱流出液可以在检测前转移到不同的色谱柱。心形切割可以是一种简单的方法，以获得一个更好的分离复杂的混合物，但只有一部分一维分离可以改进与二维柱。综合二维气相色谱(GCxGC)利用高频调制器将整个一维流出物转移到二维色谱柱上。

由于每个峰都被转移到第2维色谱柱，因此优化分析不需要更早的分离知识(或缺乏分离知识)。探测器记录第一和第二维度保留时间和响应绘制生产色谱飞机(如等高线图)(图1)。色谱分离空间标准1 d-gc分析相比显著增加,产生潜在的峰容量大的飞跃。除了提高分辨率，得到的色谱图也是结构化的，以便相似的化合物在色谱平面上以成群的带洗脱。

结构和化学上相似的化合物的聚类为峰的识别提供了有用的线索。GCxGC分析的另一个积极的副作用是增加了化合物的检测能力。当调制器迅速捕获，然后“注入”主柱的流出物时，它在检测前几秒聚焦峰值。这个过程提高了信噪比(S/N)。

图1所示。GCxGC概述:从1^圣维度列输入2^nd通过调制器对柱进行尺寸标注。调节器迅速截留一级塔的流出物，并将流出物“注入”二级塔。快速探测器同时记录1^圣尺寸保持时间^nd维度保留时间。线性色谱图用于定量（例如，积分、峰面积、峰高、S/N），等高线图是一种地形类型表面，可用于数据审查和显示目的

像GCxGC这样突破性的技术飞跃在广泛采用之前可能需要一段时间。例如，常规方法从填充气相色谱向毛细管气相色谱的转变花了几十年的时间(有人可能会说这种转变仍在进行中!)1957年，通过对间二甲苯和对二甲苯的分离，首次证明了改进的毛细管气相色谱分析的分辨率^［1］．石油化学家是毛细管气相色谱的早期采用者，他们从复杂样品的峰容量(即分辨率)的增加中获益。尽管该技术优于填充柱，但由于使用方便和毛细管柱(玻璃)的坚固性，广泛采用的速度很慢。

1979年，随着熔融石英毛细管柱的引入，坚固性问题最终得以解决^[2]，但将常规的认证方法从填充技术转移到毛细管柱技术仍花了几十年时间。毛细管柱的好处是无可争辩的，并提高了许多样品的化学组成的知识。

就像从填充色谱柱到毛细管色谱柱的方法转移一样，在受监管的行业中，1D-GC到GCxGC的转移确实很慢。这项技术最初是在1991年展示的^[3]. 早期采用者发现，增加的峰值容量对于复杂的石化和环境样品是有用的。2002年，可使用热调制器的GCxGC仪器商业化^[4]促进了对应用领域（例如，石化、环境、代谢组学、香料、食品安全）的广泛研究。易用性和坚固性方面的类似障碍限制了GCxGC平台的采用。

方法开发和优化一直被认为是困难和费力的，而且只有经验丰富的分析员才能进行。近年来，这些障碍已被最小化，使其更易于在常规实验室中实施。有用的指南^［5］和工具^［6］已创建，以帮助用户开发GCxGC方法。流量调节器已商业化，供有兴趣以较低初始成本尝试GCxGC的用户使用。方法的坚固性已通过许多已发表的验证方法得到证明^[7-11]．

GCxGC目前正处于从学术炒作转向日常实际分析的过程中。在常规实验室中，全面的二维气相色谱分析可以通过将几个化合物类合并到一个分析中来帮助节省时间，并通过色谱分解基质干扰来缩短样品制备和清理的时间。当需要对样品进行完整的表征时，GCxGC分析将加速发现并提供其他色谱技术无法匹配的样品。对于常规分析，可以使用更经济的检测器(例如ECD、FID)来代替质谱仪来分解复杂混合物。

使用多类分析节省时间

在常规的高通量实验室中，时间就是金钱。例如，负责监测环境污染物的实验室正在经历运营预算减少、脏样本(例如，土壤、污泥、沉积物)和化学污染物混合物增加的情况。受污染的样品通常含有多种成分。溴化阻燃剂(BFRs)和多氯联苯(PCBs)等污染物是卤化化合物，通常使用ECD进行分析。ECD是一种非特异性检测器，因此，样品提取必须仔细分离，以防止干扰。在实现GCxGC方法时，可以减少或完全消除分馏步骤。通过利用第2维分离空间，可以在单个分析中检查多个类别的组件(图2)。

图2。使用GCxGC-μECD可在单次进样中分析多种卤化污染物。溴化阻燃剂(BFRs)和多氯联苯(PCBs)经常在同一样品提取物中发现。GCxGC减少了对分馏步骤的需要。

加拿大环境和气候变化部（MOECC）实验室服务处（安大略省多伦多市）定期使用三种经验证的GCxGC-μECD方法^{(12 - 14)}．为了满足认可要求，GCxGC方法不仅经过验证，而且还参与由外部组织提供的能力验证程序。其中两种方法已成功通过认证。2011年，MOECC首次采用GCxGC-μECD对土壤、沉积物和污泥中的多氯联苯、有机氯农药(OCPs)和氯苯(CBz)进行了单一分析^[8]．

微电子捕获检测器（μECD）因其低死体积、低操作成本和对卤化化合物的高灵敏度而非常适合于环境监测实验室。使用GCxGC-μECD，最多六次注射被一次针对118种化合物的分析所取代。除了缩短分析时间外，由于不再需要对提取物进行分馏，样品制备时间也缩短了。使用经认证的标准物质对该方法的性能进行了检查，并证明与认证值非常一致。欧洲杯足球竞彩

Aroclor计算仍然可以使用目标的82个PCB同类，允许进行历史比较。GCxGC-μECD分析的另一个重要优点是能够识别在一维分析中可能被遮挡的非目标卤化污染物。GCxGC色谱中未知化合物的位置有助于初步鉴定或化合物特异性分类(如多溴二苯醚、二恶英)。监测程序可以从筛选非目标分析物的能力中获益，这些分析物可以检测出新出现的污染物，或捕捉到不被注意的非法活动。

通过简化样品制备减少溶剂使用

食品和农业样品中农药残留分析样品制备时间较长。QuEChERS(快速、简单、廉价、有效、坚固、安全)样品制备方法是一种多残留通用提取和清除方法，在高通量食品安全实验室中为每个样品节省了时间。广泛的提取方法有利于同时进行多类残留分析;然而，共萃取的基质成分也存在于提取物中，并可能干扰目标分析物。a中的第2维分离空间GCxGC分析可用于色谱法去除感兴趣的农药的干扰，并减少广泛清除程序的负担(图3)。

图3。采用GCxGC-TOFMS对成品烟QuEChERS提取物进行分析。在一维气相色谱分析中，基质干扰可能会掩盖一种广泛使用的农药成分，胡椒酰丁醇的检测。在LECO ChromaTOF软件中自动找到的峰识别出了胡椒酰丁醇，文库相似性为876。

QuEChERS的样品制备方法已经过修改，适用于蔬菜和水果中农药残留范围以外的应用。通过修改萃取溶剂，QuEChERS方法可用于测定高脂肪动物饲料成分（例如，鱼油、棕榈油、菜籽油）中的BFR、PCBs和多环芳烃（PAHs）^[11]. 在气相色谱仪上进行进样之前，需要进行清理步骤，以去除提取物中存在的非挥发性脂质。凝胶渗透色谱法（GPC）通常用于去除共萃取脂质，但既需要溶剂，又需要时间。

使用硅胶固相萃取（SPE）柱进行简单清理也可用于在分析前去除大部分脂肪。尽管SPE清理可能无法提供GPC那样干净的提取物，但GCxGC分析可以通过色谱法解析干扰1D-GC分析的共萃取物。这种简化的样品制备方法（硅石SPE净化的QuEChERS萃取法）用于动物饲料和成分中多溴二苯醚、多氯联苯、新兴BFR和多环芳烃的有效筛选方法，使用GCxGC和飞行时间质谱仪（GCxGC-TOFMS）进行分析^[11]．

为每个化合物类别选择了几个标记化合物，并在规定的最高监管限（MRL）或以下检测到它们。验证方法以高置信度（95%）确定，筛选方法将适当标记不符合要求的样品，以供进一步确认。为了进一步扩大筛选方法的实用性，数据处理实现了自动化，以快速识别其他潜在的氯化或溴化污染物。此外，GCxGC TOFMS的综合分析提供了样本的完整记录，可用于回顾性数据挖掘。

通过自动峰值识别减少人工劳动

由于潜在化学污染物的数量增加(环境、人、食物、动物等)，常规非目标筛选方法的必要性也增加了。使用GCxGC的好处之一是可以在二维等高线图中对组分进行结构化洗脱。对于ECD或FID等非特异性检测器，等高线图可用于根据化合物的化学类别对其进行分组。当使用质谱仪(MS)作为检测器时，可以通过搜索质谱库(例如NIST)进一步识别未知峰。

在1D-GC分析中，当大量共溶物破坏质谱时，库匹配可能会变得复杂，从而导致质量较差的搜索结果。搜索的质量取决于所选光谱与参考质谱的相似性。GCxGC-TOFMS可以通过几种方式帮助识别未知峰。首先，GCxGC中的额外峰值容量意味着更多解析峰值。如果从周围干扰中更好地分辨出峰值，则更有可能具有较高的库匹配（前提是相关分析物在库中）。其次，TOFMS可以进行光谱反卷积，从数学上分离共洗脱分析物的光谱重叠。

这也起到了“净化”质谱的作用，以获得更好的库匹配(图4)。最后，由于这些因素，集成软件可以自动选择、搜索和识别未知峰，并生成峰表。尽管手动检查对于验证自动峰值查找的结果仍然是必要的，但是生成确定的峰值列表的总时间大大减少了。

图4。对同一宠物食品样品的GC-TOFMS和GCxGC-TOFMS分析进行并列比较。A） 在GC-TOFMS质谱中，调味化合物2-丙酰基噻唑的库相似性为660。光谱反褶积无法解析（或识别）峰真质谱中m/z 136的共洗脱化合物。B） 在GCxGC-TOFMS等高线图中，两种共洗脱化合物在第二维度进行色谱解析。2-丙酰基噻唑的库相似性提高到891，m/z 136的峰被鉴定为2-乙酰基-3-甲基吡嗪，库相似性为860（未显示）。图片由LECO公司Joe Binkley提供

通过增加峰值容量加速发现

GCxGC最好的(也是最夸张的)应用之一是分离并识别组成样本的所有单独组件。样品的特征可以是药物发现、法医调查和早期疾病诊断的基础。当GCxGC方法被开发以最大化色谱分辨率(即真峰容量增加)^{[5, 15]}_,可以获得样本的指纹，这有助于环境取证中的源解析。指示分子（即生物标记物）通常是气相色谱图中的小峰，在1D-GC分析中很容易模糊（图5）。

图5。GCxGC-TOFMS焦油球样品和可疑原油来源等高线图。提取的离子色谱图（XIC）被放大以显示两个样品之间的相似性。hopanes是耐风化的分子化石，是重要的生物标志物，有助于资源分配。在1D-GC分析中，由于受到后期洗脱碳氢化合物的干扰，藿香烷更难识别。

在代谢组学中，小分子已经被认为是疾病的敏感指标。这些生物标记物对于了解疾病并以治疗和预防为目标至关重要。经验证的GCxGC-TOFMS方法与GC-MS方法相比，在人血清样本中发现了11个在统计学上更重要的生物标志物^［10］. GCxGC分析分辨率的提高对于发现更多的生物标志物至关重要。此外，GCxGC系统的调制过程提供的额外灵敏度允许使用30:1的分次进样，而不是GC-MS方法中的无分次进样。分次进样有利于重现性和延长柱寿命（柱上沉积的非挥发性物质较少）。

使用经济型探测器省钱

为了量化复杂样品的次要成分，通过气相色谱仪或检测器提高分辨率是必不可少的。质谱是一种强大的检测器，能够光谱分解和识别许多共洗脱峰。在一个一维的gc - MS分析,大型co-eluting化合物浓度差异,结构同分异构体,或多个分析物洗脱同时可以减少女士一个方法的效用增加特异性的女士是使用串联质谱分析(MS / MS)或高分辨率质谱(,8经)。这两种探测器在分析实验室中有自己的位置，但它们的购买和操作都很昂贵。用GCxGC提高色谱分辨率可以减少昂贵的质谱检测器的需求。FID是一种坚固、经济、操作简单的检测器。

20个实验室参与了使用墨西哥湾原油标准物质(SRM 2779)进行的相互校准实验。欧洲杯足球竞彩实验室的任务是报告NIST认证标准材料中不同原油成分的水平(例如，芳烃、饱和烃、甾烷和藿烷生物标记物)^［16］．大部分实验室使用GC-MS进行分析，2个实验室使用GCxGC-FID, 3个实验室使用GC-MS/MS。总的来说，使用GCxGC-FID报告的值与NIST认证的参考值非常一致。

GCxGC-FID在正构烷烃测定中的性能与GC-MS相当^［17］．20个实验室中只有8个报告了一些藿烷和甾烷生物标记物的列表值，其中一个实验室配备了GCxGC-FID。使用FID代替质谱的另一个优点是易于定量，特别是碳氢化合物。FID可靠的检测器响应降低了实现准确定量所需的多个内标。

结论

任何技术上的飞跃都需要初期的资源投资。资本设备采购、仪2020欧洲杯下注官网器操作成本、员工培训都是投资GCxGC的因素。谨慎的买家可能会质疑这种技术在日常环境中是否可行，或者需要多长时间才能实现投资回报。本文中的示例让我们得以一窥GCxGC在常规实验室中的生存能力。

当采用GCxGC系统时，节省了样品制备、仪器分析和非目标数据审查的时间，可以立即获得回报。通过同时进行目标和非目标检测来分析广泛范围的复杂样品的能力是一个有吸引力的前景，可以在竞争环境中加以利用。全面的二维气相色谱不再仅仅是研究炒作;这确实是未来的分离科学。欧洲杯线上买球实验室准备好了吗?

参考资料及进一步阅读

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