二維氣相色譜技術及其在煙草行業中的應用

陳玉 ，陸舍銘

（1.紅塔煙草集團有限責任公司技術中心，云南玉溪 653100； 2.云南大學化學科學與工程學院，昆明 650091）

二維氣相色譜技術及其在煙草行業中的應用

陳玉1，2，陸舍銘1

（1.紅塔煙草集團有限責任公司技術中心，云南玉溪 653100； 2.云南大學化學科學與工程學院，昆明 650091）

二維氣相色譜的應用大大提高了分析能力，而與飛行時間質譜的聯用更使其達到一個新的高度。介紹了二維氣相色譜的原理、優越性及不足，以及與飛行時間質譜聯用的技術進展。綜述了近年來該技術在各行業特別在煙草行業中的應用，展望了二維氣相色譜在煙草行業中的應用前景。

二維氣相色譜；飛行時間質譜；煙草行業；應用

氣相色譜（GC）技術因其獨特、高效、快速的分離特性，已成為物理、化學分析不可缺少的重要工具。經過半個多世紀的發展，氣相色譜已是一項十分成熟的技術，成為各個領域最為常用的化學分析方法，在石油、化工、環保、食品檢測等領域中得到了廣泛的應用［1-4］。

社會的發展使得越來越多的復雜體系樣品需要精確分析，在組分個數多達幾千時，傳統的一維色譜不僅費時，而且由于峰容量不夠，峰重疊十分嚴重，只能實現部分組分的分離，無法對各組分進行準確的定性和定量。利用二維聯用技術，復雜的天然產物通過一根色譜柱并得到初步分離，未完全分離的目標組分被切換到另一根極性不同的色譜柱上進行二次分離，通過質譜檢測器檢測。該項技術在消除干擾、提高未知物定性的準確度方面有新的突破，成為近年來國際上研究的熱點［5-7］。

1 二維氣相色譜及與飛行時間質譜聯用

1.1 二維氣相色譜

傳統二維氣相色譜（two-dimensional gas chromatography，GC-GC）通過使用中心切割（Deans Switch）技術，在色譜運行過程中特定的時刻或特定的時間段將一根色譜柱的流出物轉移到第二根色譜柱上。轉移的色譜峰中目標物和共流出雜質在第二根色譜柱上獲得完全分離。當第二根色譜柱的固定相與第一根有顯著差異時，被切割餾分的分辨率得到顯著提高，從而可以測定復雜基質中的痕量組分，提高GC的分離效能。

全二維氣相色譜（comprehensive two-dimensional gas chromatography，GC×GC）是用一個調制器（或稱調制解調器）把含有不同固定相的兩根色譜柱（如非極性柱和極性柱或手性柱）以串聯方式聯接在一起。經過第一支色譜柱分離后的每一個餾分，都需先進入調制器，進行聚焦后再以脈沖方式送到第二支色譜柱進行進一步的分離，所有組分從第二支色譜柱進入檢測器，信號經數據處理系統處理，得到以柱l保留時間為第一橫坐標，柱2為第二橫坐標，信號強度為縱坐標的二維輪廓圖或三維立體色譜圖［8］。

1.2 GC-GC與GC×GC的比較

GC-GC的二維柱為常規毛細管柱，二維分離能力高；對于復雜體系中的目標成分具有更好的定性定量結果；對復雜體系中旋光物質，采用常規手性GC柱，可得到理想的分離效果；對檢測器沒有任何特殊要求；不需要特別的數據處理技術。缺點是其樣品全分析需要多次進樣，耗時較長；系統構造復雜；方法開發過程繁瑣［9］。

GC×GC可有效利用分離空間，得到比非正交分離更快的速度或更大的峰容量；其二維的保留值是由兩個不同的、相互獨立的分離機理決定的，能提供兩個相互獨立的分子性質。全二維色譜技術是在傳統二維技術的基礎上發展起來的新技術，具有峰容量大、分辨率高、族分離和瓦片效應等特點［10，11］。但其二維柱只能是快速柱，對檢測器有一定的局限性，分離手性和高沸點成分不理想，對目標物的分析不如 GC-GC 準確［9］。

1.3 與飛行時間質譜聯用

二維氣相色譜的第二維分離非常快，組分在調制周期內完成第二維的分離。因此檢測器的反應速率應非常大。FID檢測器和SCD檢測器雖然數據采集頻率高，但是它們只能得到色譜峰信號的大小，而不能得到樣品結構信息。若想得到結構信息，必須與質譜聯用［12，13］。

而TOF MS以其TOF MS譜圖、高采集頻率、高分辨率、響應快、適于痕量分析等特點，使得二維氣相色譜-飛行時間質譜聯用成為二維氣相色譜聯用系統中最突出的技術。

2 二維氣相色譜的應用進展

隨著二維氣相色譜技術的發展，近年已有一些二維氣相色譜文章發表，主要是二維氣相色譜-飛行時間質譜在實際分析中的應用，例如在石油化工、中藥、環保及農殘等方面的應用。

阮春海等［11］對全二維氣相色譜（GC×GC）用于石油樣品分析的分離特性進行了探討，并對一種石腦油產品進行研究，一次進樣實現了烷、環烷和芳烴（PNA）的族分離。將GC×GC與GC比較，發現GC×GC的正交分離、族分離、瓦片效應等特性使其峰容量大、靈敏度高、定性更簡單準確，適合復雜混合物體系的分析。

武建芳等［12］采用GC×GC／TOF MS技術對連翹揮發油鑒定出匹配度大于800的組分220種，其中66種體積分數大于0.02%，且每一被鑒定的組分都包含第一維保留時間、第二維保留時間、結構、相似度、反相似度、可能性等信息，使得定性的可靠性大大加強。

王木林等［13］用二維毛細管柱氣相色譜法測定了大氣中的揮發性烴類（VHCs）C3～C10共57種化合物。該方法峰面積的相對標準偏差小于20%，用外標法定量，線性相關系數r2分別為0.999 0和0.999 7，分析周期為48 min。

陳數兵等［14］研究探討了蔬菜中5種農藥（β-六六六、p，p′-DDE、乙草胺、氟樂靈、毒死蜱）殘留的提取、凈化和二維氣相色譜定量的分析條件。5種農藥標準曲線的相關系數（r）為0.995 2～0.999 1，在0.010～0.050 mg／L濃度范圍內，回收率為81.5%～91.8%，變異系數為5.7%～11.2%，檢測限為 0.010～0.055 mg／L。

二維氣相色譜在以上行業中的應用實踐表明，許多在普通一維色譜分析中不能分離或分離效果不佳的共餾化合物通過二維氣相色譜得到了很好的分離，目標物的檢測范圍較一維氣相色譜法寬，能將目標物更好地分離、定量，鑒定更迅速、準確［15-19］。

3 二維氣相色譜在煙草行業的應用

煙草樣品成分復雜多樣，對其成分精確地分離分析，對卷煙開發、卷煙配方設計、增香保潤、減害降焦乃至吸煙與健康等方面具有重要意義［20］。

近年來國內煙草行業開始使用二維氣相色譜／飛行時間質譜聯用來提高分析結果，主要集中在煙氣、煙葉、煙草香精香料等方面。

3.1 煙氣

許國旺等［21］探討了卷煙主流煙氣粒相物中酚類化合物組成研究的GC×GC／TOF MS方法，并用該方法對一種市售混合型卷煙主流煙氣粒相物中的酚類餾分組成進行了表征。采用TOF MS譜圖庫檢索輔以“二維結構譜圖”的定性手段，初步鑒定出其中250種酚類化合物。這些酚類化合物包括66種烷基苯酚、47種烯基苯酚、57種萘酚、17種苯基苯酚、32種甲氧基苯酚、9種酚酮和15種酚醛化合物。為了解卷煙主流煙氣粒相物中多環芳烴及其衍生物的組成，王祎等［22］對一種市售卷煙主流煙氣中的多環芳烴類化合物進行定性分析，同時通過選擇相應的質量數對不同類型的多環芳烴化合物在二維氣相色譜上的分布模式進行討論，初步鑒定出616種多環芳烴類化合物，其中多環芳烴及烷基取代多環芳烴448種，非烷基取代和雜環多環芳烴衍生物168種。

鄭曉云等［23］利用固相微萃取-全二維氣相色譜／飛行時間質譜對薄荷型ESSE卷煙的核心香味成分進行了定性分析，共鑒定了187種揮發性成分，其中對香氣有貢獻的成分118種。尚靜靜等［24］建立了環己烷萃取、硅膠固相萃取柱凈化和中心切割二維氣相色譜法測定卷煙主流煙氣粒相物中硝基苯的方法，并采用該法測定了6種卷煙樣品主流煙氣中的硝基苯釋放量。結果表明：（1）中心切割技術有效提高了色譜的分離能力，使得痕量硝基苯可以從復雜的煙氣基質中分離出來，分離效果明顯優于一維色譜；（2）方法的檢測限為1.28 mg／mL，相對標準偏差（RSD）為6.82%，回收率為87.6%；（3）6種卷煙主流煙氣中硝基苯的釋放量為0.091～1.66 ng／支。

楊菁等［25］建立了全二維氣相色譜-飛行時間質譜（GC×GC／TOF MS）分析卷煙主流煙氣中中性化學成分的方法，對優質煙葉單料卷煙煙氣的中性成分進行定性分析，經過人工糾錯等分析初步鑒定出匹配度大于700的1 464種成分，重點討論了中性香味羰基化合物全二維點陣的譜圖特征，為煙氣和復雜體系的深入研究提供了方法學基礎。

3.2 煙葉

李海峰等［26］建立了煙葉中酸性化合物（揮發性、半揮發性羧酸類和酚類）組成研究的GC×GC-TOF MS分析方法，并對香料煙中的酸性化合物進行了表征，鑒定出香料煙中143種揮發性及半揮發性酸性組分，包括10種酸酐和呋喃二酮，43種有機酸和90種酚類化合物。李海峰等［27］對香料煙中堿性化合物進行了表征，對比了一維氣相色譜和全二維色譜方法用于煙葉堿性組分組成分析的效果。一維色譜質譜方法共鑒定出45種堿性化合物，鑒定出香料煙中揮發性、半揮發性堿性組分共92種（包括吡咯類化合物6種，吡啶類化合物39種，吡嗪類化合物10種，苯胺類化合物11種，喹啉類化合物11種，吲哚類4種和其它類化合物11種）。

李莉等［28］采用GC×GC／TOF MS和GC／TOF MS對比定性分析煙草中揮發性、半揮發性酸性物質。在相同條件下，GC-TOF MS只鑒定出煙葉中的有機酸24種，酚類4種，而GC×GC／TOF MS經自動數據處理，最終定性出揮發性、半揮發性酸性成分共107種，其中有機酸有82種，酚類25種。

鹿洪亮等［29］分別用GC×GC／TOF MS和GC／MS分析蒸餾萃取得到的烤煙中性組分，建立了煙草揮發性、半揮發性中性化學成分分析的GC×GC／TOF MS方法。以云南楚雄產云煙85C3F煙葉為例，進行了GC×GC／TOF MS與GC／MS在分離能力、靈敏度和族分離方面的對比，結果顯示：（1）GC×GC-TOFMS 的靈敏度提高了 10～82 倍；（2）GC×GC／TOF MS的分離能力大大提高，在GC／MS上峰形很好的一個峰，被GC×GC／TOF MS分離出8種成分，因此定量更加準確；（3）C1、C2、C3、C4取代萘因性質不同而在全二維譜圖上明顯地分為不同的族。

3.3 煙用香精香料

朱書奎等［30］采用GC×GC／TOF MS技術對一種國產香煙中常用的煙用香精進行了分析，共鑒定出相似度和反相似度分別大于800和900的化合物有84種（在相同條件下，GC／MS鑒定出的組分數僅為21種）。在與GC ×GC／TOFMS相同的分析條件下，利用多內標定量法，用GC-GC／氫火焰離子化檢測器（FID）進一步對這些組分進行了準確定量。針對在一維色譜上分離峰太少或色譜圖中有明顯重疊峰的煙用香精，熊國璽等［31］采用GC×GC／TOF MS對煙用香精進行了定性分析，優化分析條件，并與一維色譜分析結果進行比較。不同分析結果所得化學成分和評吸結果之間的對應關系比較表明，GC×GC／TOF MS比一維氣相色譜／質譜（GC／MS）具有更強的分離能力，可定性的組分明顯多于一維GC／MS，并且更符合該香精的評吸結果。

李智宇等［32］建立了香紫蘇油的全二維氣相色譜-飛行時間質譜指紋圖譜，根據質譜庫檢索、保留指數驗證，或參照標準化合物及文獻報道，共定性了183種物質，占峰面積的96.75%。其中正構烷烴、芳香環物質和非芳香環物質在DB-Petro×DB-17 ht柱系統上實現了明顯的族組分分離，主要成分為乙酸芳樟酯（15.11%）、芳樟醇（9.32%）、乙酸橙花酯（6.02%）、橙花醇（5.89%）、香紫蘇醇（4.85%）、順式-β-羅勒烯（4.14%）、α-月桂烯（3.52%）等。

4 展望

盡管氣相色譜分離能力很高，但對于煙草行業中高度復雜樣品體系來說仍不能滿足分析要求（如煙草中已經鑒定的化學成分達3 800多種，煙氣中已鑒定的成分達4 800多種）。在煙草行業已有的應用中，二維氣相色譜／飛行時間質譜聯用與GC／MS在分離能力、靈敏度和族分離等方面的對比顯示：二維氣相色譜較一維氣相色譜，其靈敏度和分離能力大大提高，且采用TOF MS譜圖庫檢索輔以“二維結構譜圖”，能更迅速準確地進行定性［21-32］。這些特點使二維氣相色譜技術成為解決復雜體系分離、未知物剖析、非目標物篩查等方面問題的有力工具，在煙草行業分析中將會有更廣泛的研究應用。

作為一種全新的分析技術，二維氣相色譜仍然存在著不一些不足之處，比如更多檢測器的聯用、調制技術的進一步提高及新方法的開發等，都有待于在今后的實踐中去探索。

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Technology of Two-dimensional Gas Chromatography and Its Application in Tobacco Industry

Chen Yu1，2， Lu Sheming1
（1. R & D Center of Hongta Tobacco Group Co. Ltd., Yuxi 653100， China; 2. School of Chemistry Science and Technology of Yunnan University， Kunming 650091， China）

The analysis ability was greatly improved by the application of two-dimensional chromatogram，especially a high level was reached as two-dimensional chromatogram combined with time-of-flight mass spectrometer（TOF MS）.The principle，advantages and disadvantages of two-dimensional gas chromatography were discribed as well as the process of technology combined with time-of-flight mass spectrometry. The appliction of the technology in industries，especially in tobacco industry in recent years was summarized，and the application prospect of two-dimensional gas chromatogram in tobacco industry was looked ahead.

two-dimensional gas chromatography; time-of-flight mass spectrometer; tobacco industry; application

O657.63

A

1008-6145（2012）04-0098-04

10.3969／j.issn.1008-6145.2012.04.031

聯系人：陸舍銘； E-mail： lusheming@sohu.com

2012-05-11