中心切割多维气相色谱-质谱联用技术在复杂基质分析中的应用进展

2021-09-03黄超囡马继平

青岛理工大学学报 2021年4期

吴云，黄超囡，石磊，马继平，*

(1.青岛理工大学环境与市政工程学院，青岛 266033；2.光大青岛理工环境技术研究院，青岛 266033)

一维气相色谱对简单样品具有非常好的分离效果，是分离分析挥发性和半挥发性物质的最常用仪器。但是，一维气相色谱难以分离含有几百种甚至上千种物质的复杂样品，存在目标物与干扰物质共同流出的问题，导致定性定量结果不准确[1]。

为了解决一维气相色谱的局限性，研究人员通过将具有不同选择性的2根或以上色谱柱串联使用而发展了中心切割多维气相色谱(Heart-Cutting Multidimensional Gas Chromatography，H/C MDGC，以下简称MDGC)。这种装置的一维(1D)和二维(2D)系统都使用常规色谱柱(常用30 m长)，目标物可以实现充分分离后以质谱作为检测器进行定性和定量分析，被广泛应用于石油化工、食品分析、环境分析等领域[2-5]。NOLVACHAI Y等[1]阐述了MDGC与不同检测器联用的研究进展；ELBASHIR A A等[6]综述了MDGC在多氯联苯、香精和氨基酸等分析中的应用；TRANCHIDA P Q等[7]阐述了MDGC的结构、发展和应用，并对其未来发展方向和应用前景进行了展望。本文主要介绍多维气相色谱-质谱联用技术(Multidimensional Gas Chromatography-Mass Spectrometry，MDGC-MS)的结构和原理，并综述其在复杂化合物分离分析中的应用。

1 中心切割多维气相色谱的结构和原理

MDGC是将2根或者多根具有不同选择性的常规色谱柱按照一定的顺序连接起来而构成的分离分析系统[8]，1D与2D柱子之间设置有切换装置，可以选择性地将1D柱流出的组分转移至2D色谱柱中进行再分离。由于柱子的极性不同，在1D色谱柱上未能分开的组分可以在2D柱子上充分分离，显著提高目标化合物分析结果的准确性。根据耦合方式，MDGC分为直接转移、并联捕集阱及并联色谱柱3种方式[9]，可以实现一次或者多次切割。第1种方式应用较为普遍，样品首先在1D色谱柱中进行预分离，随后通过机械或压力驱动来控制馏分进入检测器或者2D色谱柱，因此后续所述的多维气相色谱均为第1种连接方式。

多维气相色谱的关键技术是两色谱分离系统之间的接口设备和技术，决定着切割效率和切割重复性，是多维气相色谱领域的研究热点。根据切割机理，切割系统分为机械阀和压力控制切换阀系统。

1.1 机械阀

机械阀也被称为回转阀、滑阀，是通过旋转切换来实现中心切割，常用的有二位四通阀、二位六通阀和二位十通阀[7]。一些公司相继将机械阀应用于商品化MDGC仪器中，实现了稳定的中心切割功能。如IBM 9630 GC使用了1个二位四通阀来实现1D的馏分在1D检测器和2D色谱柱之间切换，通过在1D检测器之前加装限流器来控制系统流量的稳定[10]。关亚风课题组[11]发明了1种二位四通阀，通过选择合适的阻尼管来控制切割过程中1D色谱柱出口压力不发生改变来保证1D色谱峰保留时间不发生漂移，从而能在一次进样的色谱过程中进行多次切割。然而，机械阀还存在死体积大、切割时压力不稳定、耐高温性差、对阀体材料要求高、不易实现自动化等缺点，容易造成目标物的吸附或降解、分析重复性差等问题。

1.2 压力控制切换阀

Deans将压力控制切换阀(被称为Deans Switch)引入到MDGC系统中，具有机械阀无可比拟的优势，例如不受温度限制、无记忆效应、样品和阀的机械零件无直接接触、峰展宽很小，奠定了现代MDGC发展的基础。经过50多年的发展和改进，Deans Switch的制造、使用和操作系统都得到极大发展，被广泛应用于商品化MDGC中[12]。岛津公司开发了基于Deans Switch的双柱箱MDGC，2D气相色谱后端配备了四级杆质谱仪。中心切割装置位于1D色谱的柱温箱中，通过死体积小、热稳定性好、化学惰性的不锈钢接口实现2根色谱柱的连接[13]。Agilent公司采用毛细流技术制造了死体积小、无泄漏、耐高温、化学惰性好的Deans Switch，可以实现旁通和中心切割2种操作模式。限流器的流量与2D色谱柱的流量相同，使得MDGC在2种操作模式下的1D色谱柱上的压力降保持恒定，以保证组分在1D色谱上的保留时间稳定以及切割重复性[14]。

2 多维气相色谱-质谱联用技术的应用

2.1 植物样品

2.1.1 烟草

香烟烟雾成分复杂，传统的一维气相色谱无法有效地测定烟草中的痕量化合物，因为重叠的峰会严重影响其检测，而复杂的样品制备步骤可能会失去部分目标或引入污染物。WANG X等[15]采用中心切割多维气相色谱-质谱联用法测定主流卷烟烟雾中的6种硝基烷化合物，1D柱为HP-INNOWAX(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)，2D柱为DB-17 MS(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)。以硝基甲烷为例，对比香烟烟雾样品中的一维气相色谱-质谱和多维气相色谱-质谱(图1)发现，多维气相色谱-质谱的灵敏度比一维气相色谱-质谱的灵敏度至少高1个数量级，并发现了一维气相色谱-质谱未检测到的组分，检出限(Limit of Detection，LOD)为1.3～9.8 ng/支香烟，定量限(Limit of Quantification，LOQ)为4.3～32.6 ng/支香烟。

图1 主流香烟烟雾样品中硝基甲烷的提取离子色谱[15]

此外，DUMONT E等[16]利用中心切割多维气相色谱仪和同位素比质谱仪，可准确测定6种烟草的烟叶提取物和烟气冷凝物中单个化合物的δ13C和2H值。王晔等[17]采用溶剂萃取-中心切割多维气相色谱-质谱技术在烟草中鉴定出12种中性香味成分，二氯甲烷中这些目标化合物的LOD为0.02～0.18 mg/L，LOQ为0.03～0.30 mg/L，回收率为80.0%～123.4%。史佳沁等[18]改进了多维气相色谱的中点限流器，使得中心切割范围更加准确，12种卷烟主流烟气中的苯并[a]芘LOD为0.31 ng/支香烟，LOQ为1.03 ng/支香烟，RSD为1.94%，回收率为90.74%～101.86%。OCHIAI N等[19]基于10 μL烟草烟雾提取物的大体积进样技术(LVI)开发了MDGC联用混合四极杆飞行时间质谱仪(Q-TOF-MS)鉴定烟草烟雾提取物中硫化合物的方法，成功鉴定出30种含硫化合物分子，还获得了11个未知硫化合物的分子式。

2.1.2 植物油和香气香精

从植物中提取出来的油类、香精以及挥发出来的香气种类众多，这些物质所含组分非常丰富，并且有些组分存在多种异构体。意大利学者SCIARRONE D等[13]采用多维气相色谱-质谱联用技术和常规对映色谱法对茶树油的质量进行了研究，实现了单柱分析无法洗脱的化合物的基线分离，所测化合物的LOD和LOQ相对量分别为0.005‰～0.010‰和0.015‰～0.030‰，大大低于标准报告限值，证明了MDGC-MS系统能够在精油等复杂基质中对不同化学品准确定量。不仅如此，MDGC-MS还可用于鉴定茶树、果皮等的挥发物，表1总结了MDGC-MS在植物样品中对气态化合物和挥发性物质的定性定量应用。

表1 MDGC-MS在植物样品中对气态化合物和挥发性物质的应用

2.2 动物样品

MDGC-MS技术在动物样品中的应用涉及农药残留、持久性有机物的定性定量以及气味成分辨别等。李淑静等[27]建立了在线凝胶渗透色谱-多维气相色谱-质谱测定鲫鱼样品中的14种农药残留的方法。1D柱为DB-5 MS毛细管柱(15 m × 0.25 mm × 0.1 μm)，2D柱为DB-17 MS毛细管柱(30 m × 0.25 mm × 0.25 μm)。该方法测得14种农药标准样品在0.01～0.9 mg/L的浓度范围内线性关系良好，鲫鱼实际样品的加标回收率为83.0%～112.9%，RSD为3.2%～12.0%。CUNHA S C等[28]使用MDGC-MS快速(15 min)测定人尿液样品中的双酚A(BPA)和双酚B(BPB)。在优化的条件下，RSD为7%～20%(n=6)。BPA和BPB的LOD分别为0.03和0.05 μg/L，LOQ均为0.1 μg/L。PUTZ M等[29]开发了一种中心切割多维气相色谱-燃烧-同位素比质谱法(MDGC-C-IRMS)用于分析人体尿液中的固醇类物质，证明所提出的MDGC-C-IRMS方法适合于在掺杂控制分析中用作筛选方法的预期目的。SOSO S B等[30]开发了1种SPME与MDGC-MS-O联用的方法对狮子的尿液和标记液MF进行化学和感官分析，成功鉴定了28种挥发性有机化合物，并且确定了MF释放的8种VOCs对气味有贡献。

2.3 食物样品

2.3.1 酒类

酒类中包括多种影响酒类香气的挥发性有机化合物，MDGC能够对香气区域中选定的多种共洗脱化合物进行很好地分离，从而实现酒类挥发物的检测。TU Q等[31]通过MDGC-MS定量分析葡萄酒中的氨基甲酸乙酯(Ethyl Carbamate，EC)，1D柱为DB-5 15 m × 0.32 mm × 1.0 μm(安捷伦J&W)，2D柱为DB-WAX 30 m × 0.25 mm × 0.25 μm(安捷伦J&W)，由图2可以看出经过中心切割后，有效避免了9-羟基呫吨对EC分析的干扰，得出EC的LOD和LOQ分别为0.02和0.10 μg/L，加标回收率为96.17%～99.25%。

图2 葡萄酒样品的色谱[31]

CAPOBIANGO M等[32]采用MDGC-MS/O结合GC×GC-FID首次报道了香蕉酒(Banana Terra Spirit)的香气活性挥发物。通过中心切割MDGC-MS方法对未分离的1D色谱图中的重叠峰进行有效分离。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分别为0.01和0.14 μg/L，还通过MDGC-MS对葡萄酒基质中的异味化合物进行了可靠的定量分析[34]。WEN Y等[35]使用多维气相色谱-质谱分析葡萄酒中的3-异丙基-2-甲氧基吡嗪(IPMP)、3-仲丁基-2-甲氧基吡嗪(SBMP)和3-异丁基-2-甲氧基吡嗪(IBMP)，LOD均低于0.08 ng/L，远低于葡萄酒中这些化合物的嗅觉阈值。此外，BOTEZATU A等[36]开发的MDGC-MS方法对葡萄酒中4种MPs的回收率为98%～105%，RSD为1%～6%，均具有良好的线性关系，IPMP，SBMP和IBMP的LOD均为1～2 ng/L，2,5-二甲基-3-甲氧基吡嗪(DMMP)的LOD为5 ng/L。伊雄海等[37]使用多维气相色谱-质谱联用技术成功分离了在1D系统中与甲醇共流出的干扰物，甲醇的LOD为1 mg /L，LOQ为5 mg/L。CULLERÉ L等[38]使用固相萃取(SPE)结合中心切割多维气相色谱-质谱分析葡萄酒中C8—C11脂肪醛，实现了C8—C11的低检测限(<40 ng/L)和高重复性(RSD<5%)，并发现这些成分是某些白葡萄酒的柑橘类水果气味的积极贡献者。TOMASINO E等[39]使用HS-SPME-MDGC-MS成功分离了46种灰皮诺商业葡萄酒中的单萜异构体，这些化合物中浓度最高的为9.7 μg/L，浓度最低的为0.1 μg/L。

2.3.2 其他食物

MDGC-MS在农药残留量的检测、食物掺假鉴定、风味组分分析、食物溯源分析等领域中应用同样广泛，表2总结了MDGC-MS在各种食品挥发性物质分析中的应用。

表2 MDGC-MS在食品中挥发性物质中的应用

2.4 环境样品

环境样品中VOCs可能的异构体数量十分庞大，且基质复杂，目标分析物常与其他物质共存。PONSIN V等[49]开发了一种将MDGC与同位素比率质量光谱仪(IRMS)联用分析复杂环境样品(地下水和气相样品)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极性色谱柱和2D的30 m DB-5非极性色谱柱成功地实现了BTEX的完全分离，并且BTEX的LOD为5 μg/L，对于苯和甲苯，浓度在5～20 μg/L之间时，精密度非常好(≤0.2‰)。SLABIZKI P等[50]通过MDGC-O结合MDGC-MS/MS及GC×GC-MS在发霉和酒窖状的软木塞中发现了土臭素(GSM)和2-甲基异莰醇(MIB)。LUONG J等[51]采用MDGC-MS实现了工业溶剂和润滑剂中痕量乙二醇的表征，分析时间小于10 min，保留时间的重现性小于0.05%(n=20)，2-苯基-1,3,2-二氧杂硼烷的LOD为50 μg/kg，被测基质中分析物的平均加标回收率为93%～99%。

2.5 石油化工样品

由于碳氢燃料等组成十分复杂，一维气相色谱法的峰容量小，存在严重的峰重叠情况，只能进行模糊定性定量。CHAINET F等[52]将MDGC-TOFMS首次用于直接表征轻质石油产品中痕量(μg/kg)的目标硅化合物样品，使用DB-5 MS UI × Solgelwax的组合对汽油样品进行分析，加标汽油中的硅化合物LOD为5～33 μg/kg。MITREVSKI B等[53]应用MDGC-qMS分离和鉴定了在高丰度和复杂基质(饱和物)存在下的燃料氧化降解产物，该方法可以无干扰地鉴定目标含氧化合物，各个组分保留时间的重现性极好，从冷冻样品的释放时间测量，保留范围约为平均值的±(0.20%～0.25%)。此外，多维气相色谱-质谱法还可参与化学试剂的研制。陈洁等[54]采用多维气相色谱质谱法研制出纯度为99.2%的丙酮，扩展不确定度为0.4%。