一維及全二維氣-質聯用技術的應用研究綜述

陳然然，王 辛，龍成生

(公安部南京警犬研究所，江蘇 南京 210012)

氣質聯用技術(GC/MS)在我國已有40年的發展歷史，因其分離效能高、分析速度快、進樣量少、適用范圍廣和檢測效果顯著等優點，吸引了越來越多的科研工作者投入該技術的研究中，推進了GC/MS技術的應用與發展，使其成為目前應用最為廣泛的檢測技術[1]。氣相色譜法具有分析和分離兩種功能，可以排除復雜混合物各組分間的相互干擾，并將各組分逐個進行定性和定量分析，但是對未知化合物的定性能力較差；而質譜對未知化合物具有較強的鑒別能力，幾乎能將全部組分檢出，并給出相應的結構信息；在混合物的檢測分析過程中，GC/MS發揮了氣相色譜的高效分離特長和質譜的高分辨能力，實現了多組分混合物的一次性定性、定量分析[2]。

全二維氣相色譜(comprehensive two dimensional gas chromatography,GC×GC)是20世紀90年代發展起來的多維色譜分析新技術[3]，具有峰容量大、分辨率高、靈敏度高等特點[4-5]，是目前分辨率最高的分離技術，已廣泛用于復雜環境污染物的分析[6]；其強大的分離能力不僅可以很好的將目標物分離，而且可以很好的分離分析物與基質干擾物和同系物[7]。飛行時間質譜( time of flight mass spectrometry,TOFMS)是自20世紀90年代以來應用最廣的質譜分析技術之一，其利用動能相同而質荷比不同的離子在恒定電場經過恒定距離所需時間的不同而對物質成分或結構進行測定[8]；其具有很高的采集頻率，能夠很好的檢測全二維氣相色譜流出的信號[9]；另外，其自帶的具備自動峰識別以及圖譜去卷積解析功能的高性能處理軟件，大大提高了檢測分析的靈敏度[10-11]。GC×GC/TOFMS聯用技術利用特殊的二維正交色譜柱系統進行分離，利用飛行時間質譜定性識別化合物的結構信息，解決了復雜混合物不易被分辨和難分離化合物的分離和鑒定難題[12]。

鑒于以上所述，本文重點論述了GC/MS、GC×GC/TOFMS技術在各個領域的應用研究進展，并將GC/MS與GC×GC/TOFMS技術進行了比較，為一維及全二維氣質聯用技術的應用與發展提供借鑒，同時為復雜混合物的分離分析提供新思路。

1 GC/MS技術在各個領域的應用研究

1.1 石油化工領域

祝馨怡等[13]利用GC/MS法進行了柴油和減壓瓦斯油餾分烴類組成分析的研究，開發了通用的質譜法石油餾分烴類組成分析軟件，建立了相應的行業標準，并建立了寬沸點范圍微反液體產品中柴油和減壓瓦斯油餾分的烴類組成分析方法，該方法適用于各類微反裝置的液體產品分析。任緒金等[14]建立了基于氣相色譜串聯飛行時間質譜直接測定深度加氫柴油中苯并噻吩類化合物(BTs)的方法，該法具有較高的重復性和準確性。徐興恩等[15]建立了油田化學劑中揮發性有機氯化合物的GC/MS定性與定量方法，該方法可以鑒定出25種揮發性有機氯化物。

1.2 環境樣品分析

李越建立了吹掃捕集GC/MS法分析檢測飲用水中的揮發性有機物，結果顯示該方法具有較高的靈敏度及良好的回收率，可有效檢測飲用水的水質[16]。趙海波等[17]建立了快速分析空氣中24種揮發性有機物(VOCs)的熱脫附-氣相色譜-質譜法，為空氣中VOCs的檢測提供了技術支持。顧駿等[18]采用GC/MS法篩查分析了土壤中的147種半揮發性有機物，結果顯示該方法快速、穩定。吳麗蘋等[19]建立了人參中6種有機氮農藥殘留量的SPME-GC/MS檢測方法，該方法準確度高、精密度好、檢出限低，縮短了農藥檢測時間，提高了農藥分析效率，滿足人參中農藥殘留檢測的要求。

1.3 食品檢驗及成分分析

鄭軍科等[20]采用GC/MS法在選擇離子監測模式下測定了罐頭食品中的六種鄰苯二甲酯，結果顯示該方法簡單快捷、環保安全、實驗結果準確度高。張雅琪等[21]建立了一種SPME-GC/MS法檢測腐乳中的氨基甲酸乙酯，結果顯示該方法提取效果好，能夠有效去除干擾物質，檢測靈敏度和準確度高，均滿足檢測工作要求。何仲強等[22]建立了采用GC/MS同時測定嬰幼兒米粉中5種甾醇的方法，該方法靈敏度高、重現性和準確性好，具有科學性及可操作性，適用于嬰幼兒配方米粉中甾醇的檢測。魏樹偉等[23]采用GC/MS法分析了魯杏5號成熟期果實果肉中的揮發性物質。

1.4 醫藥領域

王瑋等[24]利用GC/MS法檢測人體全血中的13種揮發性有機物，該方法靈敏度高，準確性好，滿足人血中揮發性有機物的檢測要求，可用于人血的監測和評估揮發性有機物非職業性暴露的流行病學研究。朱麗等[25]采用GC/MS法分析了中草藥白前及蜜炙白前揮發性成分的差異。陳凌霄等[26]采用GC/MS法評價市售功能糖的質量。鄺濤等[27]利用GC/MS法檢測了類風濕關節炎患者的血清代謝物，初步篩選出3-羥基丁酸、磷酸、異亮氨酸、甘露糖和十六烷酸等有潛在臨床應用價值的代謝物。王瑞花等[28]采用固相萃取-氣相色譜-質譜法檢驗人血漿中的右美托咪定。唐建平等[29]將GC/MS技術用于新生兒遺傳性代謝病的診斷。

1.5 酒類成分分析

孫小杰等[30]建立了白酒中對苯二甲酸二辛酯的GC/MS分析方法，結果顯示，該方法適用于白酒中對苯二甲酸二辛酯的測定，并且簡單快捷、準確、靈敏。劉敬科等[31]利用GC/MS法對小米黃酒風味成分的構成和氣味特征進行了研究。Aznar[32]采用GC/MS技術分析了葡萄酒中的芳香揮發性物質。Farina[33]建立了葡萄酒中4-乙基苯酚的GC/MS定性定量檢測方法。

1.6 人體氣味分析

Ellin等(1974年)[34]和Knada等(1990年)[35]采用GC/MS法分別對人體氣味進行了分析，分析結果表明人體氣味中含有木醇、酮、酷、酸等。George Preti等[36]使用GC/MS法定量分析了男性和女性腋窩分泌物中的幾種類固醇。Bernier等利用GC/MS法分析了吸引蚊子的人體發散物成分[37-38]，并比較了不同個體的皮膚發散物的成分[39]。Haze等[40]利用GC/MS法分析了不同年齡的人體氣味。Ostrovskaya等[41]使用固相微萃取結合GC/MS法研究了人體皮膚的揮發性成分。Zhang等[42]使用SPME-GC/MS法分析了人體發散物的成分，以探究人體發散物中有無可能存在生物標記。吳德華等采用SPME-GC/MS法對人體腋窩部[]43和手部[44]氣味進行了分析，并建立了根據色譜指紋圖譜區別不同個體腋窩氣味的新方法。

2 GC×GC/TOFMS技術在各個領域的應用研究

2.1 石油化工領域

辛利等[45]利用GC×GC/TOFMS法對催化裂化汽油進行定性與定量分析，該法能夠為催化裂化汽油進行精確表征。牛魯娜等將GC×GC/TOFMS技術用于研究焦化柴油中飽和烴的組成[46]和柴油餾分中烯烴的組成[47]。押淼磊等[48]將GC×GC/TOFMS技術用于研究93號和97號汽油、0號柴油和重柴油中典型烷烴和芳烴的異同，對深入研究燃料油泄露和燃燒對環境產生的潛在影響有重要作用。王云玉等[49]建立了汽油中14種微量含氧化合物的GC×GC/TOFMS測定方法。王匯彤等[50]利用GC×GC/TOFMS分析方法對典型石油樣品中的飽和烴組分進行了定性分析。蔡新恒等[51]采用GC×GC/TOFMS法對渣油接觸裂化液體產物中的含硫化合物進行了分子水平表征。馬媛媛等[52]利用GC×GC/TOFMS技術鑒定了原油有機酸化合物組成，為石油酸組分的精細地球化學剖析提供了新的分析手段。

2.2 環境樣品分析

何曉蕾等[53]建立了GC×GC/TOFMS快速定性分析飛灰樣品中17種二噁英的方法，能在42.5min內快速分離和定性。張紅慶等[54]建立了地下水中多環芳烴及其衍生物的GC×GC/TOFMS檢測方法，該方法已用于河北地區6個地下水樣中多環芳烴及其衍生物的檢測。郭亞偉等人利用GC×GC/TOFMS法用于測定環境空氣中的有機硫化物[55]和監測環境空氣中的VOCs[56]，測定有機硫化物的方法比《空氣和廢氣監測分析方法》(第4版)推薦的方法更加優異。Dalluge J[57]分析農藥時發現，GC×GC/TOFMS法對于農藥分析具有很好的線性相關性和重復性。

2.3 食品檢驗及成分分析

汪洋等[58]建立了篩查魚肉組織中含鹵有機污染物的GC×GC/TOFMS定性和定量分析方法。陳琦等[59]建立了快速定性篩查食品樣品中19種防腐劑和抗氧化劑、13種超范圍使用的非法添加物的GC×GC/TOFMS方法。姜俊等[60]建立了快速檢測蔬菜中64種農藥殘留的GC×GC/TOFMS測定方法。李楠等[61]利用GC×GC/TOFMS法鑒定了熟制中華絨螯蟹揮發性風味成分。趙方方等[62]利用GC×GC/TOFMS對油菜籽和花生中的揮發油進行了分析。

2.4 中藥揮發油成分分析

王楠等[63]利用GC×GC/TOFMS法建立了川芎揮發油的指紋圖譜，并結合聚類分析評價了川芎藥材的質量。鹿洪亮等[64]應用GC×GC/TOFMS法分析了藥材杭白菊揮發油的化學成分。武建芳等將GC×GC/TOFMS技術用于分析中藥莪術揮發油[65]和連翹揮發油的化學成分[66]。

2.5 酒類成分分析

周慶伍等[67]采用GC×GC/TOFMS分析技術同時測定白酒中的10種吡嗪類物質，結果顯示該方法分析結果準確，適用于白酒中吡嗪類物質的定性與定量分析。李安軍等[68]應用GC×GC/TOFMS技術對古井貢酒的健康功能成分進行了研究。許和強等[69]建立了露酒微量成分的GC×GC/TOFMS定性分析方法。陳雙等[70]采用頂空固相微萃取結合GC×GC/TOFMS技術分析了芝麻香型白酒中揮發性組分特征。

2.6 卷煙煙氣成分分析

張權等[71]建立了超低溫溶劑提取結合GC×GC/TOFMS測定卷煙主流煙氣中有機酸類成分的方法。李海鋒等將GC×GC/TOFMS技術用于煙葉中揮發、半揮發性堿性化合物組成的研究[72]和煙葉中酸性成分的分離與分析[73]，研究結果表明，該技術的高分辨率和特有的定性手段適合于煙葉這類復雜植物體系的化學組成研究。朱書奎等[74]將GC×GC/TOFMS法用于煙用香精化學組分的分析。路鑫等[75]利用GC×GC/TOFMS法研究了卷煙主流煙氣粒相物中酚類化合物的組成。Jens Dalluge[76]對GC×GC/TOFMS應用于煙氣分析的實驗條件進行了研究。

3 GC×GC/TOFMS與GC/MS的比較

經過多年的發展，一維氣相色譜技術(GC)已經趨于成熟，可供選擇的色譜柱的種類繁多，在化合物分析領域具有重要的地位[6]；然而單個色譜柱的分離能力達不到成分多于150～250種的樣品的實驗分析要求[77]，如果要提高一倍的分離度，柱長就需要增加四倍，但是柱長的增加會降低分離速度，進而延長分析時間[78]。1984年，Giddings闡述了傳統二維色譜的基本原理[79]；Jorgenson于1990年強調了二維正交分離的重要性，Liu和Phillips在1991年開發出全二維氣相色譜法(GC×GC)，目前GC×GC技術已經趨向成熟[12]。GC×GC通過調制解調器把分離機理不同而又相互獨立的兩根色譜柱以串聯的方式結合成二維氣相色譜，使樣品中所有組分在二維平面達到正交分離并分布在一個保留值平面上[80-81]，一維色譜是分布在一條保留值線上；調制解調器起到捕集和再傳送的作用，從一維色譜柱流出的每一個餾分，進入解調器聚集后，再以脈沖的方式送到二維色譜柱進行進一步的分離[82]；與GC相比，GC×GC具有分辨率高、靈敏度高、峰容量大、分離速度快等特點，能夠有效彌補GC分離效果差、峰容量不足和共流干擾問題嚴重的缺陷[80]。飛行時間質譜(TOFMS)具有很高的采集頻率，極大的增強了GC×GC的定性能力[69]；TOFMS理論上對測定對象沒有質量范圍的限制，具有極快的響應速度及較高的靈敏度[8]。GC×GC/TOFMS實現了二維色譜系統與高通量質譜的最佳配合，GC×GC具有比GC高幾十到幾百倍的靈敏度，可通過選擇不同的柱系統，實現具有不同極性化合物的分離、分類，色譜峰解析的準確度大大增強了[83]；GC×GC分離的色譜峰更純凈，背景干擾極大地降低，Chroma TOF 軟件一次解析的色譜峰大于100000個，質譜峰解析的可靠性大大提高了[48]；GC×GC/TOFMS既能用于單維分析又能用于全二維分析，性能超過GC/MS[69]。

Zhu等[84]采用氣質聯用技術分析煙草精油成分的結果表明，GC×GC/TOFMS比GC/MS分離出更多的化合物。朱蔭等[85]在西湖龍井茶香氣成分的研究中發現，GC×GC/TOFMS分離得到的色譜峰數量遠高于GC/MS，并且GC/MS分離得到的色譜峰存在嚴重的"包峰"現象，而GC×GC/TOFMS在分離性能上顯示出強大的優越性，彌補了GC/MS分析的缺陷。周慶伍等[86]分析古井貢酒中的風味成分時發現，樣品前處理方式相同的情況下，GC×GC/TOFMS法鑒定出800余種揮發性風味成分，而GC/MS法只鑒定出400余種，這說明GC×GC/TOFMS相比于GC/MS具有一定的優越性。武建芳等[87]在莪術揮發油的研究中，對比了GC×GC與GC的分離特性和GC×GC/TOFMS與GC/MS的定性能力，結果顯示，相同條件下，GC分離出87個峰，GC×GC分出約500個峰，GC/MS和GC×GC/TOFMS鑒定出匹配度大于800的組分分別為46種和227種；此外，GC×GC/TOFMS法可給出每一個組分的三維定性信息，定性可靠性大大提高；這些結果說明了GC×GC/TOFMS技術在一些方面優于GC/MS技術。

4 總結

GC/MS和GC×GC/TOFMS技術目前已成為被人們廣泛使用的檢測技術，都具有分離效能高、分析速度快和樣品用量少等優點；GC×GC相比于GC具有分辨率高、靈敏度高、峰容量大、分離速度快等特點，能夠有效彌補GC分離效果差、峰容量不足和共流干擾問題嚴重的缺陷。它們在石油化工、食品、環境、醫藥等領域的應用研究均已取得了很有價值的成果，吸引了越來越多的科研工作者投入到GC/MS和GC×GC/TOFMS技術的應用研究中，氣相色譜和質譜的聯用技術也將得到不斷的優化和更新，適用的領域也會越來越廣，進而推動人類社會的不斷進步。