氣相色譜與離子遷移譜儀聯用的研究

2014-06-30 16:49:55楊俊超曹樹亞楊柳

現代儀器與醫療 2014年3期

楊俊超　曹樹亞　楊柳

[摘要] 氣相色譜（Gas Chromatography）與離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry）的聯用技術利用GC突出的分離特點和IMS快速響應、高靈敏度的優勢有效地解決了GC低鑒別能力和IMS對混合物進行檢測時存在的交叉靈敏度（cross sensitivity）問題，最后得到保留時間、漂移時間和信號強度的三維譜圖，使定性分析更加準確。重點介紹GC-IMS聯用技術的原理和優勢，接口實現方法和主要影響因素，早期發展情況，存在主要問題和研究現狀。

[關鍵詞] 高速氣相色譜（HPGC）；離子遷移譜（IMS）；聯用；混合物檢測

中圖分類號：O657 文獻標識碼：A 文章編號：2095-5200（2014）03-020-05

[Abstract] Hyphenated technique of the gas chromatography and ion mobility spectrometry has the high separation characteristic of GC and the fast response， high sensitivity of IMS. GC-IMS technique solves the low resolution capability of GC and the cross sensitivity problem when IMS was used to detect mixtures. The three dimensional spectrum results contain the retention time， drift time and signal intensity， which make the qualitative analysis more accurate. This paper mainly introduced the GC-IMS detection principle and advantages the interface implementation method and main factors，the early development problems and research status.

[Key words] high speed gas chromatography；ion mobility spectrometry；hyphenated technique；mixture detection

在二十世紀七十年代發展起來的離子遷移譜（ion mobility spectrometry）技術，由于具有分析時間快，靈敏度高，能耗低并且工作在大氣壓下，結構簡單易于小型化的特點，被廣泛就用于對毒品[1]，爆炸物[2]和化學戰劑[3]等有毒有害氣體的檢測和鑒定。但它對混合物檢測時又存在交叉靈敏度問題。氣相色譜與離子遷移譜的聯用技術（GC-IMS）利用色譜突出的分離特點，對混合物進行預先分離，使混合物成為單一組分后再進入IMS檢測器進行檢測，這種聯用技術能夠大大提高混合物檢測準確度。并且快速氣相色譜分離時間與常規色譜相比大大縮小[4]，可以滿足現場快速分析的需要。因此許多現場分析儀器都采用了快速氣相色譜技術，如氣相色譜與離子遷移譜儀聯用（GC-IMS），氣相色譜與不對稱場離子譜儀聯用（GC-DMS）等。

1 GC-IMS基本原理

GC-IMS的基本結構如圖1所示，復雜混合物經過GC分離以單個組分的形式進入到IMS反應區與電離區電離產生的試劑離子反應形成產物離子，產物離子在離子門脈沖作用進入遷移區進行二維的分離，分離后離子最終到達法拉第盤被檢測。

氣相色譜用于化合物的檢測最突出的特點是分離效率高，幾乎能對所有化合物質進行分析[5]，但常規氣相色譜的分析時間一般在分鐘以上量級，不能滿足現場分析的需要，因此需要對能夠實現現場快速分離的快速氣相色譜進行研究；其次GC的保留時間會隨著固定相的使用時間等因素而變化，可重復性較差，僅依據保留值，難以對復雜未知物進行定性分析。而IMS的離子遷移率只與物質的本身有關，是絕對的，定性分析準確。并且IMS工作在大氣壓條件下，還有諸如對單一化合物檢測限低（ppm甚至ppb級），分辨率高，裝備簡單，成本低，易于小型化，功耗低等許多優點，被廣泛應用于對毒品、爆炸物和化學劑的檢測和鑒定。但IMS 在單獨作為檢測儀器對混合物進行檢測時，又存在交叉靈敏度的問題，主要有三種情況，一是幾種化合物有非常相近的約化遷移率，如光氣（碳酰氯，COCl2）等與二氯甲烷及1，2-二氯乙烷等的約化遷移率相同，都為2.625cm2/Vs，氯氣與碘甲烷的的約化遷移率相同，都為2.388cm2/Vs，而現在商用IMS的分辨率只有30左右[6]，很難對這部分化合物進行區分；二是幾種化合物的離子在電離區會互相湮滅，如苯，甲苯，二甲苯；三是有一種或幾種化合物濃度非常大，會影響了其他化合物離子的生成，從而造成鑒定困難[7]。

在進入IMS之前，用具有高分離能力的GC中進行預先分離，可以很好地解決上述問題。IMS作為GC的檢測器增強了GC對物質的鑒別能力。而GC的高效的分離特點，可以避免IMS對混合物檢測時交叉靈敏度的問題。GC分離在分鐘到秒量級，而IMS檢測在毫秒量級，可以保證IMS對 GC分離出來的每個組分進行檢測。進樣之前先經過GC，還可有效降低濕度對IMS的影響。最后得到的保留時間、漂移時間和信號強度的三維譜圖（圖2所示），也使定性分析更加準確。并且GC與IMS都工作在大氣壓下，所以GC-IMS接口簡單，成本低。這一切都為GC與IMS的結合提供了可能。

2 GC-IMS接口

轉移線（Transfer line）是GC與IMS的接口的一個重要方面，有很多因素需要考慮，其中最主要是要維持足夠的分辨率，實現樣品的有效轉移以及GC與IMS中流速的匹配[8]。Baim和Hill等報道[9]使用的離子遷移譜和GC的接口，通過減少中性分子在離子化區的損失來降低色譜分辨率損失。這些改進包括（a）單向氣流；（b）封閉內氣路循環的漂移管；（c）減小離子化區的體積；（d）引入樣品于離子化區和離子門之間。

GC與IMS連接有兩種方式，如圖3所示，圖3 （a）為邊進樣，即從IMS電離區的側面進入，邊進樣方式需要色譜柱與電離區之間的氣密性連接，因此結構相對復雜，并且對漂移管的安裝和維修都帶來不便。但這樣做不會因為在離子源中距離的遠近偏差，影響靈敏檢測的響應，連接效果較好。圖3（b）為軸進樣，色譜柱以內管同心的方式垂直進入電離區，軸進樣方式能消除接口連接線引起峰的展寬，中性分子能被迅速吹掃出檢測器，但檢測的靈敏度和分辨率會受毛細管柱在電離源中的位置的影響[10]。

3 研究現狀

3.1 早期發展和研究現狀

第一張經過GC分離的IMS譜圖出現在1972年[11]，當時GC-IMS主要存在的問題是來自色譜的柱流失、殘留溶劑和未分離的組分等因素的影響，其次是色譜柱內的吸附和擴散引起轉移的效率和組分的分辨率的降低[8]。當時所用的色譜柱是在內徑為1～2mm的玻璃或金屬管內填充一些像硅藻土這樣的涂敷著固定相薄膜的固體載體材料。一方面在合成高聚物材料的固定相時殘留的少量雜質高溫條件下會釋放出來，會對分析造成不利的影響或干擾。另一方面，在某些情況下，固定相經歷高溫條件的時間太長時，涂敷在固體載體上的高聚物還會發生分解，會導致固定相的損失和分離柱性能的改變。少量雜質的釋放或高聚物的分解，進入漂移管后會導致反應區離子反應的改變，并影響遷移譜儀的信號響應和分析結果的可靠性[12]，從而造成當時的填充柱分離效率極差。隨后市場上出現了通過化學交聯鍵合在熔融硅管的表面的高效毛細管柱的固定相，真正地消除了過去的固定相對IMS分析儀造成的污染。

鍵合相毛細管柱是GC-IMS技術的一項最根本進展，與填充柱中的流量為30mL/min～50mL/min不同，毛細管柱分離柱中的流量很小，且分離柱與漂移管之間的接口細節變得非常重要，管路不良等因素都可能導致由色譜峰分離以外的過程引起的峰展寬。

現代對GC-IMS的研究可以追溯到Baim和Hill的研究工作[13]，他們通過設計一種可以使從熔融石英管中分離出來的流出物直接進入漂移管的反應區的漂移管，并從檢測器的一端引入流向反應區的單向漂移氣體，這種單向氣流可能將反應區中反應的樣品氣體從漂移管中快速吹掃出去，一方面可以使漂移管對從色譜柱快速流出的成分產生快速的信號響應，不會產生明顯的峰寬擴展；另一方面，可以防止離子與中性分子之間在漂移區進行進一步的絡合反應，從而保證樣品在反應區的保留時間是可重復和已知的。Baim和Hill的工作有效地解決了漂移管中保留時間和峰寬擴展的問題，在GC-IMS技術的發展中具有十分重要的意義。Baim等人在負離子模式下，對氯化物離子和五種殺蟲劑在100 pg cm3進行了檢測[9]。另一些研究者在正離子模式下用GC-IMS對土壤中含有的2，4-二氯苯乙酸進行了檢測[14]。DeBono等人[15]用GC-IMS技術實現了對麻醉劑，爆炸物和殺蟲劑的分類分離檢測。他們在另一個研究中還實現了對進口水果上殺蟲劑的快速分析[16]。

由于常規氣相色譜的分析在分鐘以上量級，難以滿足現場快速檢測的需要，研究能夠實現快速分離的快速氣相色譜變得十分有必要，集束毛細管柱（MCC）可有效提高色譜的分析速度，是快速氣相色譜研究的重要方向。近年來有將MCC應用于IMS預分離方面的研究。MCC分析速度快，能夠使用高流速的載氣，可與IMS直接相連，特別適合與IMS聯用，Sielemann研究小組已在這一方面做了許多工作，將MCC與不同類型的IMS聯用，測定了多種揮發性有機物[17-18]。

未來GC-IMS技術的發展的一個方面將在于2D-GC與離子遷移譜的聯用，通過2D-GC-IMS和2D-GC-DMS可以得到待測物的四維信息（保留時間、離子強度、漂移時間、補償電壓），大量的信息對于即使是較難處理的基質中的復雜混合物也能夠分析。

GC-IMS技術的另一處研究方向是手持/商用儀器的研制。早在1992-1994期間，已有文獻報道使用手持/商用GC-IMS成功分離了復雜液體混合物的上方蒸汽[19-20]。它采用熱分解進樣系統，IMS工作在低常壓下，載氣的動力來自于進樣口常壓和IMS管內產生的壓強差。這個手持式GC-IMS被成功應用于國際空間站，是迄今為止GC-IMS最成功的應用[21]。但此種模式下IMS工作在低氣壓下，小的氣壓浮動都會對IMS的檢測性能產生影響。Wiley-VCH Verlag GmbH 和 Co. KGaA研制出一種IMS工作在大氣壓下的手持/商用GC-IMS，用于對38mL，1ppm V的TO-14混合物進行檢測[22]，實現了很好的色譜分離，達到了較低的檢測限，在不同操作條件下，實現了離子遷移數據的穩定性。對于現場檢測的手持GC-IMS儀器，一方面IMS部分要加熱以增加化合物的響應，減少濕度的影響和保持儀器的清潔；另一方面IMS部分要盡可能的大，以提高IMS的分辨率，減少離子在輸運過程中在檢測器壁上的損失。這都是以后研究應用于現場檢測的手持GC-IMS需要考慮的。

GC-IMS技術拓寬了傳統IMS的應用范圍[23]。除了對毒品，爆炸物，化學戰劑的檢測，應用于反恐安全和環境監測等領域外，通過進樣處理，GC-IMS 還可用于IMS無法檢測的生物大分子，還可應用于對人體呼出的揮發性有機氣體進行檢測，以便對人體可能產生的疾病進行預防[24]，并成功應用于對國際空間站中揮發性有機物的檢測。

3.2 幾種新型的GC-IMS

3.2.1 MCC-IMS 多毛細管柱色譜與離子遷移譜聯用（MCC-IMS）結構如圖4所示，樣品通過六通閥進樣，經過多毛細管色譜柱分離，進入到IMS電離區，被電離成離子后，被IMS法拉第盤收集，產生離子信號。與單個毛細管柱相比，MCC能夠在較高流速下實現樣品分離，增加樣品容量，并能在室溫條件下以與IMS相匹配的流速得到分鐘量級的保留時間信息。Vera Ruzsanyi等[25]用MCC-IMS對對人體呼出的有機物氣體進行檢測，檢測限達到ng/L、pg/L。但是，MCC很短的柱長和很低的總分離柱效使得它只適合分離較簡單的混合物樣品。

3.2.2 GC-雙極性IMS 如圖5所示一種氣相色譜和雙極離子遷移譜聯用裝置，快速氣相色譜與電離區連接，可以將混合物分離成單組分然后再用離子遷移譜檢測，有效彌補了離子遷移譜在檢測混合物方面的不足，還可以消除干擾物對檢測樣品的影響。而兩個離子遷移譜儀共用一個電離區和反應區，在整個方向上加勻強電場可以實現正負離子模式的同時檢測[26]。

3.2.3 Pyrolysis GC–IMS 如圖6所示為熱裂解GC-IMS，在進樣時通過快速加熱將固態樣品氣化后，經過GC將氣態混合物分離成單一組分，之后進入IMS中根據各組分離子遷移率的不同將它們區別開來。熱裂解系統主要是將生物大分子像蛋白質，細菌分子等分解成IMS可以檢測的小分子[27]，以便實現對它們檢測。2006年，R.P. Erickson等人比較了開放模式的Pyrolysis GC-IMS與封閉模式的固體微萃取SPME-GC-IMS對水中含有的化學戰劑磷酸三丁酯進行檢測，結果顯示封閉模式的SPME-GC-IM的檢測限要低兩個數量級[28]，證明開放模式下的Pyrolysis GC-IMS適合于對氣溶膠顆粒進行檢測，而不適用于對液體樣品進行檢測。

3.2.4 GC-DMS 新型的非對稱場離子遷移譜DMS（Differential ion mobility）是利用遷移管內電場增加到一定強度時，離子的遷移率將隨著電場強度的變化而變化，而不在是一常數，通過在遷移電極接非對稱射頻方波電場，在一個周期內，離子會在垂直于極板的方向上有凈距離的移動?h。因此，當離子經過個周期的遷移后，其在垂直于極板的方向上移動的距離為n?h。通過在遷移電極上施加小的掃描直流電壓（即補償電壓），當補償電壓掃描到合適大小時，使要的檢測離子在每個周期的垂直位移?h=0，該離子將進入檢測區，形成電流信號輸出（如圖7所示）。最終得到離子補償電壓與檢測電流信號強度的曲線，即為DMS的離子遷移譜[29]。

DMS由于不需要離子柵門，漂移環和孔柵，離子能夠持續不斷地進入遷移管，近年來引起了研究者的青睞。GC-DMS的研究也隨之發展起來。Dr P. Rearden等人利用GC-DMS對苯系物（苯、甲苯和二甲苯）進行了分離檢測[30]，英國的研究者R. A. Mill等還成功利用SPME-GC-DMS對英國表面水域的1，2，4-三氯代苯成功進行了檢測[31]，GC-DMS還可用于對化石燃料的檢測[32]。

4 結論與展望

本文回顧GC-IMS聯用技術的原理和方法，接口影響因素，早期發展情況和存在問題，并對研究現狀進行分析。未來GC-IMS技術要解決現在MCC與IMS聯用存在的問題，發展全二維氣相色譜與IMS/DMS的聯用，以實現現場對復雜混合物的快速準確檢測，并為GC-IMS聯用技術探索新的應用領域。

參考文獻

[1] Karpas Z. Ion mobility spectrometry： a personal retrospective [J]. International journal for ion mobility spectrometry， 2012，15（1）：1-8.

[2] Ewing R G， Atkinson D A， Eiceman G A， et al. A critical review of ion mobility spectrometry for the detection of explosives and explosive related compounds[J].Talanta， 2001，54（3）：515-529.

[3] Makinen M A， Anttalainen O A， Sillanpa M E T. Ion Mobility Spectrometry and Its Applications in Detection of Chemical Warfare Agents [J]. Analytical Chemistry. 2010， 82 （23）：9594–9600.

[4] 彭夫敏，王俊德，李海洋，等.快速氣相色譜研究[J].化學進展，2006，18（7）：974-986.

[5] 李浩春.分析化學手冊第五分冊-氣相色譜分析[M]. （第二版）.北京：化學工業出版社，1999.

[6] Abu. B K Herbert H.H. Ion mobility spectrometry： recent developments and novel applications[J].Spectrometry techniques，2004，15（2）：125-136.

[7] Mohammad T J， Mohammad S， Hossein S. Design for gas chromatography-corona discharge-ion mobilityspectrometry[J]. Analytical chemistry， 2012， 84（22）：10077-10084.

[8] Kanu A B， Hill H H. Ion mobility spectrometry detection for gas chromatography[J]. Journal of Chromatography A. 2008， 1177 （1）：12-27.

[9] Baim M A， Hill H H. Halogenated compound response in an oxygen doped ion mobility detector for capillary gas chromatography [J]. Journal of high resol chromatography. 1983， 6（1）：4-10.

[10] St Louis R G， Siems W G， Hill H H. Evaluation of direct axial sample introduction for ion mobility detection after capillary gas capillary gas chromatography[J]. Journal of chromatography. 1989， 479（2）：221-231.

[11] Karasek F W， Keller R A. Field detection of bacillus spore aerosols with stand-alone pyrolysis-gas chromatography and ion mobility spectrometry [J]. Field Analytical Chemistry & Technology， 1999， 3（4-5）： 315-326.

[12] Ramstad T， Nestrick T J；，Tou J C. Studies of the effects of volatile components from gas chromatographic liquid phases on plasma chromatographic performance[J]. Journal of chromatography science. 1978，16（6）：240-245.

[13] Baim M A， Hill H H. Tunable selective detection for capillary gas chromatography by ion mobility monitoring [J]. Analytical Chemistry. 1982， 54 （1）：38-43.

[14] Baim M A， Hill H H. Determination of 2，4-Dichloro-phenoxyacetic Acid in Soils by Capillary Gas Chromatography with Ion Mobility Detection[J].Journal of Chromatography，1983，279 （2）：631-642.

[15] DeBono R， Grigoriev A， Jackson R， et al. Detection of drugs， explosives and pesticides using GC/IMS[J].International journal for Ion Mobility Spectrometry. 2002， 5（1）： 194-204.

[16] DeBono R， Grigoriev A， Jackson R， et al. Rapid analysis of pesticides on imported fruits by GC-IONSCAN[J].International journal for Ion Mobility Spectrometry. 2001， 4 （2）：16-19.

[17] Sielemann S， Baumbach J I， Schmidt H. IMS with non radioactive ion-ization sources suitable to detect chemical warfare agent simulation substance[J]. International journal for Ion Mobility Spectrometry， 2002， 5（3）：143-152.

[18] Sielemann S， Xie Z， Schmidt H， et al. Determination of MTBE next to benzene，toluene and xylene within 90s using GC/IMS with multi-capillary column[J]. International journal for Ion Mobility Spectrometry， 2001， 4（1）：69-75.

[19] Snyder A P， Harden C S， Brittain A H， et al. Design considerations in field-portable GC-based hyphenated instrumentation[J].American Laboratory， 1992， 24（5）：32B-32H.

[20] Snyder A P， Harden C S， Brittain A H， et al. Portable hand-held gas chromatography/ion mobility spectrometry device[J]. Analytical Chemistry， 1993， 65（1）：299-306.

[21] Limero T. Selection & Development of GC–IMS Technology to Measure Targeted Volatile Organic Compounds in Spacecraft Habitable Volumes[C]. Proceedings of the 5th International Workshop on Ion Mobility Spectrometry， Jackson， WY， 1996.

[22] G. Simpson， M. Klasmeier， H.H. Hill， et al. Evaluation of Gas Chromatography Coupled with Ion Mobility Spectrometry for Monitoring Vinyl Chloride and Other Chlorinated and Aromatic Compounds in Air Samples[J]. Journal of High Resolution Chromatography， 1996， 19 （6）：301-312.

[23] Kwan C， Erickson R P， Smith P A， et al. Chemical agent detection using GC-IMS： a comparative study [C]. IEEE sensor journal， 2010， 10（3）：451-460.

[24] Baumbach J I. Ion mobility spectrometry coupled with multi-capillary columns for metabolic profiling of human breath[J]. Journal of breath research，2009，3（3）：1 -16.

[25] Ruzsanyi V， Baumbach J I， Sieleman S， et al. Detection of human metabolites using multi-capillary columns coupled to ion mobility spectrometers[J]. Journal of Chromatography A， 2005， 1084 （1-2）： 145–151.

[26] 倉懷文，周慶華，李海洋等. 一種氣相色譜和雙極離子遷移譜聯用裝置[P]. 201917559 U， 2011.

[27] Dworzansky J P， McClennen W H， Cole P A， et al. Field‐portable， automated pyrolysis‐GC/IMS system for rapid biomarker detection in aerosols： A feasibility study [J]. Field Analytical Chemistry & Technology， 1997， 1（5）： 95-305.

[28] Erickson R P， Tripathi A . Closed tube sample introduction for gas chromatography-ion mobility spectrometry analysis of water contaminated with a chemical warfare agent surrogate compound[J]. Analytica Chimica Acta， 2006， 556 （2）：455-461.

[29] Borsdorf H， Mayer T， Eiceman G A，et al. Recent developments in ion mobility spectrometry[J].Applied Spectroscopy Reviews， 2011，46（2）：472–521，

[30] Eiceman G A， Krylov， E V， Tadjikov， B. et al. Differential mobility spectrometry of chlorocarbons with a micro-fabricated drift tube [J]. The Analyst， 2004， 129（4）：297-304

[31] Miller R A， Nazarov E G， Zapata A， et al. Systems for differential ion mobility analysis [P]. US Patent， 051719，2005.

[32] Rearden P， Harrington P B， Karnes J J. et al. Fuzzy Rule-Building Expert System Classification of Fuel Using Solid-Phase Microextraction Two-Way Gas Chromatography Differential Mobility Spectrometric Data [J]. Analytical Chemistry. 2007， 79 （4）：1485-1491.