關於多維氣相色譜,你以為你以為的就是你以為的嗎???

色譜學堂2018-12-29 04:46:23

Connie、石文波/翻譯

色譜學堂/校正

多維分析確實已經被使用了很長一段時間!但凡使用過多維分析技術的人,或多或少都會贊同這個説法。


提到多維分析,我們通常是指將兩種各具優勢卻又截然不同的分析方法聯合,以共同分析化合物。


最為人們所知的多維分析技術是氣相色譜-質譜聯用技術

圖片來源:色譜學堂GCMS01


包括了氣相色譜維度,即能夠形成一連串保留時間不同或潛在有分子結構差異的成分;

圖片來源:色譜學堂GCMS05


以及質譜維度,能夠測量一些通過分子裂解得到的特異性離子碎片的質量。

圖片來源:色譜學堂GCMS01


總的來説,通過色譜將一個樣品的化學組分分離,通過質譜對分離的組分進行檢測,使得氣質聯用準確度高,重現性好,靈敏度高。


顯然,氣相色譜缺乏分子特異性,因為它只能提供樣品中每一種成分的色譜峯的響應值。

圖片來源:色譜學堂GC01


如果我們能夠給某個特定的成分賦予相應的響應值,那麼氣相色譜就能夠提供可靠的分子信息。


因此,氣質作為一種既能篩查,又能分析具體的目標化合物的方法被使用,我們既能得到完整樣品的組成成分的“快照”,又能分析一種特定的成分。

圖片來源:色譜學堂GCMS01


這種方法可以被接受,但也存在一些重要的問題。對於單一的成分,質譜能發揮其特長,給出成分的組成信息和含量。但質譜有兩個基本的問題:質譜可能不能完全準確地鑑定成分,對於樣品中含有多種成分,且成分可能互相重疊的情況,質譜給出的是所有重疊化合物的綜合結果。


第一個問題是質譜不可避免的缺陷:很多化合物都有着相似的質譜數據(比如同分異構體),因此導致質譜缺乏特異性。在這種情況下,化合物的在氣相色譜中的保留特性也許能為更進一步的鑑定提供幫助。

圖片來源:色譜學堂GCMS01


對於第二個問題,解卷積或二級質譜也許能夠剝離相互重疊的化合物,根據母離子和碎片的特定比例確認特定的化合物。


另一種多維分析是指多維分離。在氣相出現不久後就被提出,並且隨微流控切換技術得到很好的推廣,如今多維氣相已經很成熟了,有大量的生產商能提供自己版本的設備,並得到軟件開發的支持。


多維氣相色譜本質上只需要一個驅動器,通過熱切換把第一根色譜柱沒有分離的部分轉移到第二根具有不同分離機制的色譜柱中繼續分離——對於氣相,這種不同的分離機制就是需要轉移到不同極性的色譜柱上。

圖片來源:色譜學堂GC12


其中一個很重要的應用是對手性化合物的分析,在非手性柱未被分離的對映體,可被轉移到另一根適合對映選擇性的二維柱中。


通常來説,這些方法一般基於傳統長度的一維色譜柱和二維色譜柱,因此化合物在後一根色譜柱上洗脱並不會太快,並且通常也只有一小部分被篩選的成分被切換到二維色譜柱。

圖片來源:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021967315008833


這種方法有一個明顯的侷限性。對於一個在整個洗脱範圍都存在重疊組分的樣品來説,要分離整個樣品中的組分,就要求同時利用兩根色譜柱各自的分離優勢。這種情況下,就沒有必要針對一小部分做柱切換,而是應該源源不斷地進樣


Giddings提出了一個解決方案:使樣品通過一維色譜柱分離,但是確保進樣過程中那些在一維色譜柱已經實現分離的部分不會減少。要達到上述的結果,就要求二維色譜柱上的洗脱時間應該比一維色譜柱上的出峯時間更短,二維色譜柱應該足夠短以至於能在一維色譜柱進樣的同時完成分析。這個想法由Phillips實現了,他是二維氣相色譜全面發展的開創者。

圖片來源:色譜學堂GC10


儘管大多數二維氣相色譜的支持者所研究的樣本都具有高複雜性,以及在整個洗脱範圍具有極高的分辨率,GCxGC上的損耗遠低於對於這類樣品分析過程中可預期的。


GC×GC具有一項獨特卻幾乎很少被用到的特性,就是其所生成的二維圖像空間 ,相較於1D和2D的洗脱時間的結果,堪稱一個非常精準的化學屬性“地圖”。於是,在二維圖中,基於自身的物理化學特性,化合物可以被定位在一個特定的位置。這些特性是指沸點,及在設定温度時和每個固定相之間特定的相互作用機制。

圖片來源:https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=15110


因此, 常見的説法是GC×GC在二度空間中體現出化合物結構,比如化合物相應位於反映其相關屬性的區域。在低極性二維柱上,烷烴將被洗脱得最晚; 若採用高極性二維色譜柱,烷烴將被最先洗脱。

圖片來源:色譜學堂GC10


最新研究方面,有人提議對1D進行壓力調諧,對雙柱系統而言,這是一個能夠有效地改變第一級柱分離當中極性的過程。意味着樣本中出峯相對位置可以調整,並且可能有助於優化實驗的二維正交性和簡化方法開發。

圖片來源:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.6b02017


多維度已經進一步延伸到高級的多維色譜分析的產品設計上,包括以簡單的方式連接的多根色譜柱,各種流量切換裝置和低温捕獲程序,這樣就允許在高級的多維分析上發展一系列新的運用。


其中包括一種全三維應用(GC×GC×GC),和混合的GC×GC-GC方法,即結合GC×GC,再熱切換到第三根色譜柱上洗脱。

圖片來源:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac300429y


這個技術最近又被應用在一個四色譜柱GC×GC-GC×GC的實驗,用來研究肟的E/Z和R/S異構體的分離。

圖片來源:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.7b00853


每一種異構體在第三根色譜柱上發生化學轉化,到第四根色譜柱上測量同分異構體的丰度。這種新型的混合型GC設計和應用無法在傳統GC配置中進行。


這種多維分析的優勢已經超越了概念層面,變成了現實並且還在不斷優化中,這是色譜分析人員無法通過一維和二維實現的。毫無疑問,這些先進的多維分析技術,能夠更好的解決高度複雜樣品(最好是溶質能夠完全溶解)的分析問題,提供更多的信息,以達到分析者的期望。


原文:Philip J. Marriott, Yong Foo Wong. Haven't We Been Doing Multidimensional GC Analysis Forever? So, What Is New? LCGC Volume 35, Issue 8, Aug 01, 2017.


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