气相色谱与离子迁移谱仪联用的研究

2014-06-30杨俊超曹树亚杨柳

现代仪器与医疗 2014年3期

杨俊超　曹树亚　杨柳

[摘要] 气相色谱（Gas Chromatography）与离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry）的联用技术利用GC突出的分离特点和IMS快速响应、高灵敏度的优势有效地解决了GC低鉴别能力和IMS对混合物进行检测时存在的交叉灵敏度（cross sensitivity）问题，最后得到保留时间、漂移时间和信号强度的三维谱图，使定性分析更加准确。重点介绍GC-IMS联用技术的原理和优势，接口实现方法和主要影响因素，早期发展情况，存在主要问题和研究现状。

[关键词] 高速气相色谱（HPGC）；离子迁移谱（IMS）；联用；混合物检测

中图分类号：O657 文献标识码：A 文章编号：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

在二十世纪七十年代发展起来的离子迁移谱（ion mobility spectrometry）技术，由于具有分析时间快，灵敏度高，能耗低并且工作在大气压下，结构简单易于小型化的特点，被广泛就用于对毒品[1]，爆炸物[2]和化学战剂[3]等有毒有害气体的检测和鉴定。但它对混合物检测时又存在交叉灵敏度问题。气相色谱与离子迁移谱的联用技术（GC-IMS）利用色谱突出的分离特点，对混合物进行预先分离，使混合物成为单一组分后再进入IMS检测器进行检测，这种联用技术能够大大提高混合物检测准确度。并且快速气相色谱分离时间与常规色谱相比大大缩小[4]，可以满足现场快速分析的需要。因此许多现场分析仪器都采用了快速气相色谱技术，如气相色谱与离子迁移谱仪联用（GC-IMS），气相色谱与不对称场离子谱仪联用（GC-DMS）等。

1 GC-IMS基本原理

GC-IMS的基本结构如图1所示，复杂混合物经过GC分离以单个组分的形式进入到IMS反应区与电离区电离产生的试剂离子反应形成产物离子，产物离子在离子门脉冲作用进入迁移区进行二维的分离，分离后离子最终到达法拉第盘被检测。

气相色谱用于化合物的检测最突出的特点是分离效率高，几乎能对所有化合物质进行分析[5]，但常规气相色谱的分析时间一般在分钟以上量级，不能满足现场分析的需要，因此需要对能够实现现场快速分离的快速气相色谱进行研究；其次GC的保留时间会随着固定相的使用时间等因素而变化，可重复性较差，仅依据保留值，难以对复杂未知物进行定性分析。而IMS的离子迁移率只与物质的本身有关，是绝对的，定性分析准确。并且IMS工作在大气压条件下，还有诸如对单一化合物检测限低（ppm甚至ppb级），分辨率高，装备简单，成本低，易于小型化，功耗低等许多优点，被广泛应用于对毒品、爆炸物和化学剂的检测和鉴定。但IMS 在单独作为检测仪器对混合物进行检测时，又存在交叉灵敏度的问题，主要有三种情况，一是几种化合物有非常相近的约化迁移率，如光气（碳酰氯，COCl2）等与二氯甲烷及1，2-二氯乙烷等的约化迁移率相同，都为2.625cm2/Vs，氯气与碘甲烷的的约化迁移率相同，都为2.388cm2/Vs，而现在商用IMS的分辨率只有30左右[6]，很难对这部分化合物进行区分；二是几种化合物的离子在电离区会互相湮灭，如苯，甲苯，二甲苯；三是有一种或几种化合物浓度非常大，会影响了其他化合物离子的生成，从而造成鉴定困难[7]。

在进入IMS之前，用具有高分离能力的GC中进行预先分离，可以很好地解决上述问题。IMS作为GC的检测器增强了GC对物质的鉴别能力。而GC的高效的分离特点，可以避免IMS对混合物检测时交叉灵敏度的问题。GC分离在分钟到秒量级，而IMS检测在毫秒量级，可以保证IMS对 GC分离出来的每个组分进行检测。进样之前先经过GC，还可有效降低湿度对IMS的影响。最后得到的保留时间、漂移时间和信号强度的三维谱图（图2所示），也使定性分析更加准确。并且GC与IMS都工作在大气压下，所以GC-IMS接口简单，成本低。这一切都为GC与IMS的结合提供了可能。

2 GC-IMS接口

转移线（Transfer line）是GC与IMS的接口的一个重要方面，有很多因素需要考虑，其中最主要是要维持足够的分辨率，实现样品的有效转移以及GC与IMS中流速的匹配[8]。Baim和Hill等报道[9]使用的离子迁移谱和GC的接口，通过减少中性分子在离子化区的损失来降低色谱分辨率损失。这些改进包括（a）单向气流；（b）封闭内气路循环的漂移管；（c）减小离子化区的体积；（d）引入样品于离子化区和离子门之间。

GC与IMS连接有两种方式，如图3所示，图3 （a）为边进样，即从IMS电离区的侧面进入，边进样方式需要色谱柱与电离区之间的气密性连接，因此结构相对复杂，并且对漂移管的安装和维修都带来不便。但这样做不会因为在离子源中距离的远近偏差，影响灵敏检测的响应，连接效果较好。图3（b）为轴进样，色谱柱以内管同心的方式垂直进入电离区，轴进样方式能消除接口连接线引起峰的展宽，中性分子能被迅速吹扫出检测器，但检测的灵敏度和分辨率会受毛细管柱在电离源中的位置的影响[10]。

3 研究现状

3.1 早期发展和研究现状

第一张经过GC分离的IMS谱图出现在1972年[11]，当时GC-IMS主要存在的问题是来自色谱的柱流失、残留溶剂和未分离的组分等因素的影响，其次是色谱柱内的吸附和扩散引起转移的效率和组分的分辨率的降低[8]。当时所用的色谱柱是在内径为1～2mm的玻璃或金属管内填充一些像硅藻土这样的涂敷着固定相薄膜的固体载体材料。一方面在合成高聚物材料的固定相时残留的少量杂质高温条件下会释放出来，会对分析造成不利的影响或干扰。另一方面，在某些情况下，固定相经历高温条件的时间太长时，涂敷在固体载体上的高聚物还会发生分解，会导致固定相的损失和分离柱性能的改变。少量杂质的释放或高聚物的分解，进入漂移管后会导致反应区离子反应的改变，并影响迁移谱仪的信号响应和分析结果的可靠性[12]，从而造成当时的填充柱分离效率极差。随后市场上出现了通过化学交联键合在熔融硅管的表面的高效毛细管柱的固定相，真正地消除了过去的固定相对IMS分析仪造成的污染。

键合相毛细管柱是GC-IMS技术的一项最根本进展，与填充柱中的流量为30mL/min～50mL/min不同，毛细管柱分离柱中的流量很小，且分离柱与漂移管之间的接口细节变得非常重要，管路不良等因素都可能导致由色谱峰分离以外的过程引起的峰展宽。

现代对GC-IMS的研究可以追溯到Baim和Hill的研究工作[13]，他们通过设计一种可以使从熔融石英管中分离出来的流出物直接进入漂移管的反应区的漂移管，并从检测器的一端引入流向反应区的单向漂移气体，这种单向气流可能将反应区中反应的样品气体从漂移管中快速吹扫出去，一方面可以使漂移管对从色谱柱快速流出的成分产生快速的信号响应，不会产生明显的峰宽扩展；另一方面，可以防止离子与中性分子之间在漂移区进行进一步的络合反应，从而保证样品在反应区的保留时间是可重复和已知的。Baim和Hill的工作有效地解决了漂移管中保留时间和峰宽扩展的问题，在GC-IMS技术的发展中具有十分重要的意义。Baim等人在负离子模式下，对氯化物离子和五种杀虫剂在100 pg cm3进行了检测[9]。另一些研究者在正离子模式下用GC-IMS对土壤中含有的2，4-二氯苯乙酸进行了检测[14]。DeBono等人[15]用GC-IMS技术实现了对麻醉剂，爆炸物和杀虫剂的分类分离检测。他们在另一个研究中还实现了对进口水果上杀虫剂的快速分析[16]。

由于常规气相色谱的分析在分钟以上量级，难以满足现场快速检测的需要，研究能够实现快速分离的快速气相色谱变得十分有必要，集束毛细管柱（MCC）可有效提高色谱的分析速度，是快速气相色谱研究的重要方向。近年来有将MCC应用于IMS预分离方面的研究。MCC分析速度快，能够使用高流速的载气，可与IMS直接相连，特别适合与IMS联用，Sielemann研究小组已在这一方面做了许多工作，将MCC与不同类型的IMS联用，测定了多种挥发性有机物[17-18]。

未来GC-IMS技术的发展的一个方面将在于2D-GC与离子迁移谱的联用，通过2D-GC-IMS和2D-GC-DMS可以得到待测物的四维信息（保留时间、离子强度、漂移时间、补偿电压），大量的信息对于即使是较难处理的基质中的复杂混合物也能够分析。

GC-IMS技术的另一处研究方向是手持/商用仪器的研制。早在1992-1994期间，已有文献报道使用手持/商用GC-IMS成功分离了复杂液体混合物的上方蒸汽[19-20]。它采用热分解进样系统，IMS工作在低常压下，载气的动力来自于进样口常压和IMS管内产生的压强差。这个手持式GC-IMS被成功应用于国际空间站，是迄今为止GC-IMS最成功的应用[21]。但此种模式下IMS工作在低气压下，小的气压浮动都会对IMS的检测性能产生影响。Wiley-VCH Verlag GmbH 和 Co. KGaA研制出一种IMS工作在大气压下的手持/商用GC-IMS，用于对38mL，1ppm V的TO-14混合物进行检测[22]，实现了很好的色谱分离，达到了较低的检测限，在不同操作条件下，实现了离子迁移数据的稳定性。对于现场检测的手持GC-IMS仪器，一方面IMS部分要加热以增加化合物的响应，减少湿度的影响和保持仪器的清洁；另一方面IMS部分要尽可能的大，以提高IMS的分辨率，减少离子在输运过程中在检测器壁上的损失。这都是以后研究应用于现场检测的手持GC-IMS需要考虑的。

GC-IMS技术拓宽了传统IMS的应用范围[23]。除了对毒品，爆炸物，化学战剂的检测，应用于反恐安全和环境监测等领域外，通过进样处理，GC-IMS 还可用于IMS无法检测的生物大分子，还可应用于对人体呼出的挥发性有机气体进行检测，以便对人体可能产生的疾病进行预防[24]，并成功应用于对国际空间站中挥发性有机物的检测。

3.2 几种新型的GC-IMS

3.2.1 MCC-IMS 多毛细管柱色谱与离子迁移谱联用（MCC-IMS）结构如图4所示，样品通过六通阀进样，经过多毛细管色谱柱分离，进入到IMS电离区，被电离成离子后，被IMS法拉第盘收集，产生离子信号。与单个毛细管柱相比，MCC能够在较高流速下实现样品分离，增加样品容量，并能在室温条件下以与IMS相匹配的流速得到分钟量级的保留时间信息。Vera Ruzsanyi等[25]用MCC-IMS对对人体呼出的有机物气体进行检测，检测限达到ng/L、pg/L。但是，MCC很短的柱长和很低的总分离柱效使得它只适合分离较简单的混合物样品。

3.2.2 GC-双极性IMS 如图5所示一种气相色谱和双极离子迁移谱联用装置，快速气相色谱与电离区连接，可以将混合物分离成单组分然后再用离子迁移谱检测，有效弥补了离子迁移谱在检测混合物方面的不足，还可以消除干扰物对检测样品的影响。而两个离子迁移谱仪共用一个电离区和反应区，在整个方向上加匀强电场可以实现正负离子模式的同时检测[26]。

3.2.3 Pyrolysis GC–IMS 如图6所示为热裂解GC-IMS，在进样时通过快速加热将固态样品气化后，经过GC将气态混合物分离成单一组分，之后进入IMS中根据各组分离子迁移率的不同将它们区别开来。热裂解系统主要是将生物大分子像蛋白质，细菌分子等分解成IMS可以检测的小分子[27]，以便实现对它们检测。2006年，R.P. Erickson等人比较了开放模式的Pyrolysis GC-IMS与封闭模式的固体微萃取SPME-GC-IMS对水中含有的化学战剂磷酸三丁酯进行检测，结果显示封闭模式的SPME-GC-IM的检测限要低两个数量级[28]，证明开放模式下的Pyrolysis GC-IMS适合于对气溶胶颗粒进行检测，而不适用于对液体样品进行检测。

3.2.4 GC-DMS 新型的非对称场离子迁移谱DMS（Differential ion mobility）是利用迁移管内电场增加到一定强度时，离子的迁移率将随着电场强度的变化而变化，而不在是一常数，通过在迁移电极接非对称射频方波电场，在一个周期内，离子会在垂直于极板的方向上有净距离的移动?h。因此，当离子经过个周期的迁移后，其在垂直于极板的方向上移动的距离为n?h。通过在迁移电极上施加小的扫描直流电压（即补偿电压），当补偿电压扫描到合适大小时，使要的检测离子在每个周期的垂直位移?h=0，该离子将进入检测区，形成电流信号输出（如图7所示）。最终得到离子补偿电压与检测电流信号强度的曲线，即为DMS的离子迁移谱[29]。

DMS由于不需要离子栅门，漂移环和孔栅，离子能够持续不断地进入迁移管，近年来引起了研究者的青睐。GC-DMS的研究也随之发展起来。Dr P. Rearden等人利用GC-DMS对苯系物（苯、甲苯和二甲苯）进行了分离检测[30]，英国的研究者R. A. Mill等还成功利用SPME-GC-DMS对英国表面水域的1，2，4-三氯代苯成功进行了检测[31]，GC-DMS还可用于对化石燃料的检测[32]。

4 结论与展望

本文回顾GC-IMS联用技术的原理和方法，接口影响因素，早期发展情况和存在问题，并对研究现状进行分析。未来GC-IMS技术要解决现在MCC与IMS联用存在的问题，发展全二维气相色谱与IMS/DMS的联用，以实现现场对复杂混合物的快速准确检测，并为GC-IMS联用技术探索新的应用领域。

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