中心切割多維氣相色譜-質譜聯用技術在復雜基質分析中的應用進展

吳 云，黃超囡，石 磊，馬繼平，*

(1.青島理工大學 環境與市政工程學院，青島 266033；2.光大青島理工環境技術研究院，青島 266033)

一維氣相色譜對簡單樣品具有非常好的分離效果，是分離分析揮發性和半揮發性物質的最常用儀器。但是，一維氣相色譜難以分離含有幾百種甚至上千種物質的復雜樣品，存在目標物與干擾物質共同流出的問題，導致定性定量結果不準確[1]。

為了解決一維氣相色譜的局限性，研究人員通過將具有不同選擇性的2根或以上色譜柱串聯使用而發展了中心切割多維氣相色譜(Heart-Cutting Multidimensional Gas Chromatography，H/C MDGC，以下簡稱MDGC)。這種裝置的一維(1D)和二維(2D)系統都使用常規色譜柱(常用30 m長)，目標物可以實現充分分離后以質譜作為檢測器進行定性和定量分析，被廣泛應用于石油化工、食品分析、環境分析等領域[2-5]。NOLVACHAI Y等[1]闡述了MDGC與不同檢測器聯用的研究進展；ELBASHIR A A等[6]綜述了MDGC在多氯聯苯、香精和氨基酸等分析中的應用；TRANCHIDA P Q等[7]闡述了MDGC的結構、發展和應用，并對其未來發展方向和應用前景進行了展望。本文主要介紹多維氣相色譜-質譜聯用技術(Multidimensional Gas Chromatography-Mass Spectrometry，MDGC-MS)的結構和原理，并綜述其在復雜化合物分離分析中的應用。

1 中心切割多維氣相色譜的結構和原理

MDGC是將2根或者多根具有不同選擇性的常規色譜柱按照一定的順序連接起來而構成的分離分析系統[8]，1D與2D柱子之間設置有切換裝置，可以選擇性地將1D柱流出的組分轉移至2D色譜柱中進行再分離。由于柱子的極性不同，在1D色譜柱上未能分開的組分可以在2D柱子上充分分離，顯著提高目標化合物分析結果的準確性。根據耦合方式，MDGC分為直接轉移、并聯捕集阱及并聯色譜柱3種方式[9]，可以實現一次或者多次切割。第1種方式應用較為普遍，樣品首先在1D色譜柱中進行預分離，隨后通過機械或壓力驅動來控制餾分進入檢測器或者2D色譜柱，因此后續所述的多維氣相色譜均為第1種連接方式。

多維氣相色譜的關鍵技術是兩色譜分離系統之間的接口設備和技術，決定著切割效率和切割重復性，是多維氣相色譜領域的研究熱點。根據切割機理，切割系統分為機械閥和壓力控制切換閥系統。

1.1 機械閥

機械閥也被稱為回轉閥、滑閥，是通過旋轉切換來實現中心切割，常用的有二位四通閥、二位六通閥和二位十通閥[7]。一些公司相繼將機械閥應用于商品化MDGC儀器中，實現了穩定的中心切割功能。如IBM 9630 GC使用了1個二位四通閥來實現1D的餾分在1D檢測器和2D色譜柱之間切換，通過在1D檢測器之前加裝限流器來控制系統流量的穩定[10]。關亞風課題組[11]發明了1種二位四通閥，通過選擇合適的阻尼管來控制切割過程中1D色譜柱出口壓力不發生改變來保證1D色譜峰保留時間不發生漂移，從而能在一次進樣的色譜過程中進行多次切割。然而，機械閥還存在死體積大、切割時壓力不穩定、耐高溫性差、對閥體材料要求高、不易實現自動化等缺點，容易造成目標物的吸附或降解、分析重復性差等問題。

1.2 壓力控制切換閥

Deans將壓力控制切換閥(被稱為Deans Switch)引入到MDGC系統中，具有機械閥無可比擬的優勢，例如不受溫度限制、無記憶效應、樣品和閥的機械零件無直接接觸、峰展寬很小，奠定了現代MDGC發展的基礎。經過50多年的發展和改進，Deans Switch的制造、使用和操作系統都得到極大發展，被廣泛應用于商品化MDGC中[12]。島津公司開發了基于Deans Switch的雙柱箱MDGC，2D氣相色譜后端配備了四級桿質譜儀。中心切割裝置位于1D色譜的柱溫箱中，通過死體積小、熱穩定性好、化學惰性的不銹鋼接口實現2根色譜柱的連接[13]。Agilent公司采用毛細流技術制造了死體積小、無泄漏、耐高溫、化學惰性好的Deans Switch，可以實現旁通和中心切割2種操作模式。限流器的流量與2D色譜柱的流量相同，使得MDGC在2種操作模式下的1D色譜柱上的壓力降保持恒定，以保證組分在1D色譜上的保留時間穩定以及切割重復性[14]。

2 多維氣相色譜-質譜聯用技術的應用

2.1 植物樣品

2.1.1 煙草

香煙煙霧成分復雜，傳統的一維氣相色譜無法有效地測定煙草中的痕量化合物，因為重疊的峰會嚴重影響其檢測，而復雜的樣品制備步驟可能會失去部分目標或引入污染物。WANG X等[15]采用中心切割多維氣相色譜-質譜聯用法測定主流卷煙煙霧中的6種硝基烷化合物，1D柱為HP-INNOWAX(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)，2D柱為DB-17 MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)。以硝基甲烷為例，對比香煙煙霧樣品中的一維氣相色譜-質譜和多維氣相色譜-質譜(圖1)發現，多維氣相色譜-質譜的靈敏度比一維氣相色譜-質譜的靈敏度至少高1個數量級，并發現了一維氣相色譜-質譜未檢測到的組分，檢出限(Limit of Detection，LOD)為1.3～9.8 ng/支香煙，定量限(Limit of Quantification，LOQ)為4.3～32.6 ng/支香煙。

圖1 主流香煙煙霧樣品中硝基甲烷的提取離子色譜[15]

此外，DUMONT E等[16]利用中心切割多維氣相色譜儀和同位素比質譜儀，可準確測定6種煙草的煙葉提取物和煙氣冷凝物中單個化合物的δ13C和2H值。王曄等[17]采用溶劑萃取-中心切割多維氣相色譜-質譜技術在煙草中鑒定出12種中性香味成分，二氯甲烷中這些目標化合物的LOD為0.02～0.18 mg/L，LOQ為0.03～0.30 mg/L，回收率為80.0%～123.4%。史佳沁等[18]改進了多維氣相色譜的中點限流器，使得中心切割范圍更加準確，12種卷煙主流煙氣中的苯并[a]芘LOD為0.31 ng/支香煙，LOQ為1.03 ng/支香煙，RSD為1.94%，回收率為90.74%～101.86%。OCHIAI N等[19]基于10 μL煙草煙霧提取物的大體積進樣技術(LVI)開發了MDGC聯用混合四極桿飛行時間質譜儀(Q-TOF-MS)鑒定煙草煙霧提取物中硫化合物的方法，成功鑒定出30種含硫化合物分子，還獲得了11個未知硫化合物的分子式。

2.1.2 植物油和香氣香精

從植物中提取出來的油類、香精以及揮發出來的香氣種類眾多，這些物質所含組分非常豐富，并且有些組分存在多種異構體。意大利學者SCIARRONE D等[13]采用多維氣相色譜-質譜聯用技術和常規對映色譜法對茶樹油的質量進行了研究，實現了單柱分析無法洗脫的化合物的基線分離，所測化合物的LOD和LOQ相對量分別為0.005‰～0.010‰和0.015‰～0.030‰，大大低于標準報告限值，證明了MDGC-MS系統能夠在精油等復雜基質中對不同化學品準確定量。不僅如此，MDGC-MS還可用于鑒定茶樹、果皮等的揮發物，表1總結了MDGC-MS在植物樣品中對氣態化合物和揮發性物質的定性定量應用。

表1 MDGC-MS在植物樣品中對氣態化合物和揮發性物質的應用

2.2 動物樣品

MDGC-MS技術在動物樣品中的應用涉及農藥殘留、持久性有機物的定性定量以及氣味成分辨別等。李淑靜等[27]建立了在線凝膠滲透色譜-多維氣相色譜-質譜測定鯽魚樣品中的14種農藥殘留的方法。1D柱為DB-5 MS毛細管柱(15 m × 0.25 mm × 0.1 μm)，2D柱為DB-17 MS毛細管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)。該方法測得14種農藥標準樣品在0.01～0.9 mg/L的濃度范圍內線性關系良好，鯽魚實際樣品的加標回收率為83.0%～112.9%，RSD為3.2%～12.0%。CUNHA S C等[28]使用MDGC-MS快速(15 min)測定人尿液樣品中的雙酚A(BPA)和雙酚B(BPB)。在優化的條件下，RSD為7%～20%(n=6)。BPA和BPB的LOD分別為0.03和0.05 μg/L，LOQ均為0.1 μg/L。PUTZ M等[29]開發了一種中心切割多維氣相色譜-燃燒-同位素比質譜法(MDGC-C-IRMS)用于分析人體尿液中的固醇類物質，證明所提出的MDGC-C-IRMS方法適合于在摻雜控制分析中用作篩選方法的預期目的。SOSO S B等[30]開發了1種SPME與MDGC-MS-O聯用的方法對獅子的尿液和標記液MF進行化學和感官分析，成功鑒定了28種揮發性有機化合物，并且確定了MF釋放的8種VOCs對氣味有貢獻。

2.3 食物樣品

2.3.1 酒類

酒類中包括多種影響酒類香氣的揮發性有機化合物，MDGC能夠對香氣區域中選定的多種共洗脫化合物進行很好地分離，從而實現酒類揮發物的檢測。TU Q等[31]通過MDGC-MS定量分析葡萄酒中的氨基甲酸乙酯(Ethyl Carbamate，EC)，1D柱為DB-5 15 m × 0.32 mm × 1.0 μm(安捷倫J&W)，2D柱為DB-WAX 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm(安捷倫J&W)，由圖2可以看出經過中心切割后，有效避免了9-羥基呫噸對EC分析的干擾，得出EC的LOD和LOQ分別為0.02和0.10 μg/L，加標回收率為96.17%～99.25%。

圖2 葡萄酒樣品的色譜[31]

CAPOBIANGO M等[32]采用MDGC-MS/O結合GC×GC-FID首次報道了香蕉酒(Banana Terra Spirit)的香氣活性揮發物。通過中心切割MDGC-MS方法對未分離的1D色譜圖中的重疊峰進行有效分離。SCHMARR H G等[33]采用MDGC-MS/MS分析白葡萄酒中的2-氨基苯乙酮，LOD和LOQ分別為0.01和0.14 μg/L，還通過MDGC-MS對葡萄酒基質中的異味化合物進行了可靠的定量分析[34]。WEN Y等[35]使用多維氣相色譜-質譜分析葡萄酒中的3-異丙基-2-甲氧基吡嗪(IPMP)、3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪(SBMP)和3-異丁基-2-甲氧基吡嗪(IBMP)，LOD均低于0.08 ng/L，遠低于葡萄酒中這些化合物的嗅覺閾值。此外，BOTEZATU A等[36]開發的MDGC-MS方法對葡萄酒中4種MPs的回收率為98%～105%，RSD為1%～6%，均具有良好的線性關系，IPMP，SBMP和IBMP的LOD均為1～2 ng/L，2,5-二甲基-3-甲氧基吡嗪(DMMP)的LOD為5 ng/L。伊雄海等[37]使用多維氣相色譜-質譜聯用技術成功分離了在1D系統中與甲醇共流出的干擾物，甲醇的LOD為1 mg /L，LOQ為5 mg/L。CULLERé L等[38]使用固相萃取(SPE)結合中心切割多維氣相色譜-質譜分析葡萄酒中C8—C11脂肪醛，實現了C8—C11的低檢測限(<40 ng/L)和高重復性(RSD<5%)，并發現這些成分是某些白葡萄酒的柑橘類水果氣味的積極貢獻者。TOMASINO E等[39]使用HS-SPME-MDGC-MS成功分離了46種灰皮諾商業葡萄酒中的單萜異構體，這些化合物中濃度最高的為9.7 μg/L，濃度最低的為0.1 μg/L。

2.3.2 其他食物

MDGC-MS在農藥殘留量的檢測、食物摻假鑒定、風味組分分析、食物溯源分析等領域中應用同樣廣泛，表2總結了MDGC-MS在各種食品揮發性物質分析中的應用。

表2 MDGC-MS在食品中揮發性物質中的應用

2.4 環境樣品

環境樣品中VOCs可能的異構體數量十分龐大，且基質復雜，目標分析物常與其他物質共存。PONSIN V等[49]開發了一種將MDGC與同位素比率質量光譜儀(IRMS)聯用分析復雜環境樣品(地下水和氣相樣品)中苯、甲苯、乙苯和二甲苯(BTEX)中碳同位素的方法，使用1D的60 m CP Wax 52 CB極性色譜柱和2D的30 m DB-5非極性色譜柱成功地實現了BTEX的完全分離，并且BTEX的LOD為5 μg/L，對于苯和甲苯，濃度在5～20 μg/L之間時，精密度非常好(≤0.2‰)。SLABIZKI P等[50]通過MDGC-O結合MDGC-MS/MS及GC×GC-MS在發霉和酒窖狀的軟木塞中發現了土臭素(GSM)和2-甲基異莰醇(MIB)。LUONG J等[51]采用MDGC-MS實現了工業溶劑和潤滑劑中痕量乙二醇的表征，分析時間小于10 min，保留時間的重現性小于0.05%(n=20)，2-苯基-1,3,2-二氧雜硼烷的LOD為50 μg/kg，被測基質中分析物的平均加標回收率為93%～99%。

2.5 石油化工樣品

由于碳氫燃料等組成十分復雜，一維氣相色譜法的峰容量小，存在嚴重的峰重疊情況， 只能進行模糊定性定量。CHAINET F等[52]將MDGC-TOFMS首次用于直接表征輕質石油產品中痕量(μg/kg)的目標硅化合物樣品，使用DB-5 MS UI × Solgelwax的組合對汽油樣品進行分析，加標汽油中的硅化合物LOD為5～33 μg/kg。MITREVSKI B等[53]應用MDGC-qMS分離和鑒定了在高豐度和復雜基質(飽和物)存在下的燃料氧化降解產物，該方法可以無干擾地鑒定目標含氧化合物，各個組分保留時間的重現性極好，從冷凍樣品的釋放時間測量，保留范圍約為平均值的±(0.20%～0.25%)。此外，多維氣相色譜-質譜法還可參與化學試劑的研制。陳潔等[54]采用多維氣相色譜質譜法研制出純度為99.2%的丙酮，擴展不確定度為0.4%。

3 結束語

一維氣相色譜-質譜聯用技術雖然在氣態和揮發性化合物分析方面應用較廣，但對于一些具有復雜基質的實際樣品，使用一維氣相色譜-質譜聯用技術分析往往會發現譜圖中色譜峰嚴重重疊，分離效果不理想。多維氣相色譜-質譜聯用技術可以解決以上復雜基質化合物分析的問題，具有以下幾方面優勢：

1) 多維氣相色譜-質譜聯用技術使用2根不同極性的色譜柱，對于1D色譜柱中分離不好的色譜峰，在2D色譜柱上進行再分離，使得色譜峰容量增加，分辨率提高；

2) 由于多維氣相色譜-質譜聯用通常采用質量分析器，定性結果非常準確；

3) 由于多維氣質選擇性切割1D中的部分化合物，使干擾物質無法進入2D色譜柱，實現了在線凈化；

4) 對于樣品中目標化合物含量遠遠低于基質的情況，可以選擇切割低含量組分，提高分析靈敏度。

但是，多維氣相色譜-質譜聯用技術對操作人員的技術水平要求較高，要進行多次切割實驗才能確定最佳的儀器使用條件，因此目前普及程度還不夠高。隨著人們對復雜基質樣品及難分離化合物越來越多的關注，多維氣相色譜-質譜聯用技術將會得到越來越多的應用。