吳 云，黃超囡，石 磊，馬繼平，*

(1.青島理工大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，青島 266033；2.光大青島理工環(huán)境技術(shù)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(fā)性和半揮發(fā)性物質(zhì)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(zhì)的復(fù)雜樣品，存在目標(biāo)物與干擾物質(zhì)共同流出的問題，導(dǎo)致定性定量結(jié)果不準(zhǔn)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(lián)使用而發(fā)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(tǒng)都使用常規(guī)色譜柱(常用30 m長)，目標(biāo)物可以實現(xiàn)充分分離后以質(zhì)譜作為檢測器進(jìn)行定性和定量分析，被廣泛應(yīng)用于石油化工、食品分析、環(huán)境分析等領(lǐng)域[2-5]。NOLVACHAI Y等[1]闡述了MDGC與不同檢測器聯(lián)用的研究進(jìn)展；ELBASHIR A A等[6]綜述了MDGC在多氯聯(lián)苯、香精和氨基酸等分析中的應(yīng)用；TRANCHIDA P Q等[7]闡述了MDGC的結(jié)構(gòu)、發(fā)展和應(yīng)用，并對其未來發(fā)展方向和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。本文主要介紹多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(Multidimensional Gas Chromatography-Mass Spectrometry，MDGC-MS)的結(jié)構(gòu)和原理，并綜述其在復(fù)雜化合物分離分析中的應(yīng)用。

1 中心切割多維氣相色譜的結(jié)構(gòu)和原理

MDGC是將2根或者多根具有不同選擇性的常規(guī)色譜柱按照一定的順序連接起來而構(gòu)成的分離分析系統(tǒng)[8]，1D與2D柱子之間設(shè)置有切換裝置，可以選擇性地將1D柱流出的組分轉(zhuǎn)移至2D色譜柱中進(jìn)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(biāo)化合物分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)耦合方式，MDGC分為直接轉(zhuǎn)移、并聯(lián)捕集阱及并聯(lián)色譜柱3種方式[9]，可以實現(xiàn)一次或者多次切割。第1種方式應(yīng)用較為普遍，樣品首先在1D色譜柱中進(jìn)行預(yù)分離，隨后通過機械或壓力驅(qū)動來控制餾分進(jìn)入檢測器或者2D色譜柱，因此后續(xù)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(guān)鍵技術(shù)是兩色譜分離系統(tǒng)之間的接口設(shè)備和技術(shù)，決定著切割效率和切割重復(fù)性，是多維氣相色譜領(lǐng)域的研究熱點。根據(jù)切割機理，切割系統(tǒng)分為機械閥和壓力控制切換閥系統(tǒng)。

1.1 機械閥

機械閥也被稱為回轉(zhuǎn)閥、滑閥，是通過旋轉(zhuǎn)切換來實現(xiàn)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(yīng)用于商品化MDGC儀器中，實現(xiàn)了穩(wěn)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(xiàn)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(tǒng)流量的穩(wěn)定[10]。關(guān)亞風(fēng)課題組[11]發(fā)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(fā)生改變來保證1D色譜峰保留時間不發(fā)生漂移，從而能在一次進(jìn)樣的色譜過程中進(jìn)行多次切割。然而，機械閥還存在死體積大、切割時壓力不穩(wěn)定、耐高溫性差、對閥體材料要求高、不易實現(xiàn)自動化等缺點，容易造成目標(biāo)物的吸附或降解、分析重復(fù)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(tǒng)中，具有機械閥無可比擬的優(yōu)勢，例如不受溫度限制、無記憶效應(yīng)、樣品和閥的機械零件無直接接觸、峰展寬很小，奠定了現(xiàn)代MDGC發(fā)展的基礎(chǔ)。經(jīng)過50多年的發(fā)展和改進(jìn)，Deans Switch的制造、使用和操作系統(tǒng)都得到極大發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于商品化MDGC中[12]。島津公司開發(fā)了基于Deans Switch的雙柱箱MDGC，2D氣相色譜后端配備了四級桿質(zhì)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(wěn)定性好、化學(xué)惰性的不銹鋼接口實現(xiàn)2根色譜柱的連接[13]。Agilent公司采用毛細(xì)流技術(shù)制造了死體積小、無泄漏、耐高溫、化學(xué)惰性好的Deans Switch，可以實現(xiàn)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(wěn)定以及切割重復(fù)性[14]。

2 多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)的應(yīng)用

2.1 植物樣品

2.1.1 煙草

香煙煙霧成分復(fù)雜，傳統(tǒng)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(yán)重影響其檢測，而復(fù)雜的樣品制備步驟可能會失去部分目標(biāo)或引入污染物。WANG X等[15]采用中心切割多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)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(zhì)譜和多維氣相色譜-質(zhì)譜(圖1)發(fā)現(xiàn)，多維氣相色譜-質(zhì)譜的靈敏度比一維氣相色譜-質(zhì)譜的靈敏度至少高1個數(shù)量級，并發(fā)現(xiàn)了一維氣相色譜-質(zhì)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(zhì)譜儀，可準(zhǔn)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(zhì)譜技術(shù)在煙草中鑒定出12種中性香味成分，二氯甲烷中這些目標(biāo)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(jìn)了多維氣相色譜的中點限流器，使得中心切割范圍更加準(zhǔn)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(jìn)樣技術(shù)(LVI)開發(fā)了MDGC聯(lián)用混合四極桿飛行時間質(zhì)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(fā)出來的香氣種類眾多，這些物質(zhì)所含組分非常豐富，并且有些組分存在多種異構(gòu)體。意大利學(xué)者SCIARRONE D等[13]采用多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)和常規(guī)對映色譜法對茶樹油的質(zhì)量進(jìn)行了研究，實現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)報告限值，證明了MDGC-MS系統(tǒng)能夠在精油等復(fù)雜基質(zhì)中對不同化學(xué)品準(zhǔn)確定量。不僅如此，MDGC-MS還可用于鑒定茶樹、果皮等的揮發(fā)物，表1總結(jié)了MDGC-MS在植物樣品中對氣態(tài)化合物和揮發(fā)性物質(zhì)的定性定量應(yīng)用。

表1 MDGC-MS在植物樣品中對氣態(tài)化合物和揮發(fā)性物質(zhì)的應(yīng)用

2.2 動物樣品

MDGC-MS技術(shù)在動物樣品中的應(yīng)用涉及農(nóng)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(zhì)譜測定鯽魚樣品中的14種農(nóng)藥殘留的方法。1D柱為DB-5 MS毛細(xì)管柱(15 m × 0.25 mm × 0.1 μm)，2D柱為DB-17 MS毛細(xì)管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)。該方法測得14種農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)樣品在0.01～0.9 mg/L的濃度范圍內(nèi)線性關(guān)系良好，鯽魚實際樣品的加標(biāo)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(yōu)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(fā)了一種中心切割多維氣相色譜-燃燒-同位素比質(zhì)譜法(MDGC-C-IRMS)用于分析人體尿液中的固醇類物質(zhì)，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(yù)期目的。SOSO S B等[30]開發(fā)了1種SPME與MDGC-MS-O聯(lián)用的方法對獅子的尿液和標(biāo)記液MF進(jìn)行化學(xué)和感官分析，成功鑒定了28種揮發(fā)性有機化合物，并且確定了MF釋放的8種VOCs對氣味有貢獻(xiàn)。

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(fā)性有機化合物，MDGC能夠?qū)ο銡鈪^(qū)域中選定的多種共洗脫化合物進(jìn)行很好地分離，從而實現(xiàn)酒類揮發(fā)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(jīng)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(biāo)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(jié)合GC×GC-FID首次報道了香蕉酒(Banana Terra Spirit)的香氣活性揮發(fā)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(jìn)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(zhì)中的異味化合物進(jìn)行了可靠的定量分析[34]。WEN Y等[35]使用多維氣相色譜-質(zhì)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(yuǎn)低于葡萄酒中這些化合物的嗅覺閾值。此外，BOTEZATU A等[36]開發(fā)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(guān)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(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)成功分離了在1D系統(tǒng)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(jié)合中心切割多維氣相色譜-質(zhì)譜分析葡萄酒中C8—C11脂肪醛，實現(xiàn)了C8—C11的低檢測限(<40 ng/L)和高重復(fù)性(RSD<5%)，并發(fā)現(xiàn)這些成分是某些白葡萄酒的柑橘類水果氣味的積極貢獻(xiàn)者。TOMASINO E等[39]使用HS-SPME-MDGC-MS成功分離了46種灰皮諾商業(yè)葡萄酒中的單萜異構(gòu)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(nóng)藥殘留量的檢測、食物摻假鑒定、風(fēng)味組分分析、食物溯源分析等領(lǐng)域中應(yīng)用同樣廣泛，表2總結(jié)了MDGC-MS在各種食品揮發(fā)性物質(zhì)分析中的應(yīng)用。

表2 MDGC-MS在食品中揮發(fā)性物質(zhì)中的應(yīng)用

2.4 環(huán)境樣品

環(huán)境樣品中VOCs可能的異構(gòu)體數(shù)量十分龐大，且基質(zhì)復(fù)雜，目標(biāo)分析物常與其他物質(zhì)共存。PONSIN V等[49]開發(fā)了一種將MDGC與同位素比率質(zhì)量光譜儀(IRMS)聯(lián)用分析復(fù)雜環(huán)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(xiàn)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(jié)合MDGC-MS/MS及GC×GC-MS在發(fā)霉和酒窖狀的軟木塞中發(fā)現(xiàn)了土臭素(GSM)和2-甲基異莰醇(MIB)。LUONG J等[51]采用MDGC-MS實現(xiàn)了工業(yè)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(xiàn)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(zhì)中分析物的平均加標(biāo)回收率為93%～99%。

2.5 石油化工樣品

由于碳?xì)淙剂系冉M成十分復(fù)雜，一維氣相色譜法的峰容量小，存在嚴(yán)重的峰重疊情況， 只能進(jìn)行模糊定性定量。CHAINET F等[52]將MDGC-TOFMS首次用于直接表征輕質(zhì)石油產(chǎn)品中痕量(μg/kg)的目標(biāo)硅化合物樣品，使用DB-5 MS UI × Solgelwax的組合對汽油樣品進(jìn)行分析，加標(biāo)汽油中的硅化合物L(fēng)OD為5～33 μg/kg。MITREVSKI B等[53]應(yīng)用MDGC-qMS分離和鑒定了在高豐度和復(fù)雜基質(zhì)(飽和物)存在下的燃料氧化降解產(chǎn)物，該方法可以無干擾地鑒定目標(biāo)含氧化合物，各個組分保留時間的重現(xiàn)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(zhì)譜法還可參與化學(xué)試劑的研制。陳潔等[54]采用多維氣相色譜質(zhì)譜法研制出純度為99.2%的丙酮，擴展不確定度為0.4%。

3 結(jié)束語

一維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)雖然在氣態(tài)和揮發(fā)性化合物分析方面應(yīng)用較廣，但對于一些具有復(fù)雜基質(zhì)的實際樣品，使用一維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)分析往往會發(fā)現(xiàn)譜圖中色譜峰嚴(yán)重重疊，分離效果不理想。多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)可以解決以上復(fù)雜基質(zhì)化合物分析的問題，具有以下幾方面優(yōu)勢：

1) 多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)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(jìn)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(zhì)譜聯(lián)用通常采用質(zhì)量分析器，定性結(jié)果非常準(zhǔn)確；

3) 由于多維氣質(zhì)選擇性切割1D中的部分化合物，使干擾物質(zhì)無法進(jìn)入2D色譜柱，實現(xiàn)了在線凈化；

4) 對于樣品中目標(biāo)化合物含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于基質(zhì)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(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)對操作人員的技術(shù)水平要求較高，要進(jìn)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(fù)雜基質(zhì)樣品及難分離化合物越來越多的關(guān)注，多維氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)將會得到越來越多的應(yīng)用。