二維氣相色譜技術(shù)及其在煙草行業(yè)中的應(yīng)用

陳玉 ，陸舍銘

（1.紅塔煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南玉溪 653100； 2.云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650091）

二維氣相色譜技術(shù)及其在煙草行業(yè)中的應(yīng)用

陳玉1，2，陸舍銘1

（1.紅塔煙草集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心，云南玉溪 653100； 2.云南大學(xué)化學(xué)科學(xué)與工程學(xué)院，昆明 650091）

二維氣相色譜的應(yīng)用大大提高了分析能力，而與飛行時(shí)間質(zhì)譜的聯(lián)用更使其達(dá)到一個(gè)新的高度。介紹了二維氣相色譜的原理、優(yōu)越性及不足，以及與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用的技術(shù)進(jìn)展。綜述了近年來該技術(shù)在各行業(yè)特別在煙草行業(yè)中的應(yīng)用，展望了二維氣相色譜在煙草行業(yè)中的應(yīng)用前景。

二維氣相色譜；飛行時(shí)間質(zhì)譜；煙草行業(yè)；應(yīng)用

氣相色譜（GC）技術(shù)因其獨(dú)特、高效、快速的分離特性，已成為物理、化學(xué)分析不可缺少的重要工具。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，氣相色譜已是一項(xiàng)十分成熟的技術(shù)，成為各個(gè)領(lǐng)域最為常用的化學(xué)分析方法，在石油、化工、環(huán)保、食品檢測等領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用［1-4］。

社會(huì)的發(fā)展使得越來越多的復(fù)雜體系樣品需要精確分析，在組分個(gè)數(shù)多達(dá)幾千時(shí)，傳統(tǒng)的一維色譜不僅費(fèi)時(shí)，而且由于峰容量不夠，峰重疊十分嚴(yán)重，只能實(shí)現(xiàn)部分組分的分離，無法對(duì)各組分進(jìn)行準(zhǔn)確的定性和定量。利用二維聯(lián)用技術(shù)，復(fù)雜的天然產(chǎn)物通過一根色譜柱并得到初步分離，未完全分離的目標(biāo)組分被切換到另一根極性不同的色譜柱上進(jìn)行二次分離，通過質(zhì)譜檢測器檢測。該項(xiàng)技術(shù)在消除干擾、提高未知物定性的準(zhǔn)確度方面有新的突破，成為近年來國際上研究的熱點(diǎn)［5-7］。

1 二維氣相色譜及與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用

1.1 二維氣相色譜

傳統(tǒng)二維氣相色譜（two-dimensional gas chromatography，GC-GC）通過使用中心切割（Deans Switch）技術(shù)，在色譜運(yùn)行過程中特定的時(shí)刻或特定的時(shí)間段將一根色譜柱的流出物轉(zhuǎn)移到第二根色譜柱上。轉(zhuǎn)移的色譜峰中目標(biāo)物和共流出雜質(zhì)在第二根色譜柱上獲得完全分離。當(dāng)?shù)诙V柱的固定相與第一根有顯著差異時(shí)，被切割餾分的分辨率得到顯著提高，從而可以測定復(fù)雜基質(zhì)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(gè)調(diào)制器（或稱調(diào)制解調(diào)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(lián)方式聯(lián)接在一起。經(jīng)過第一支色譜柱分離后的每一個(gè)餾分，都需先進(jìn)入調(diào)制器，進(jìn)行聚焦后再以脈沖方式送到第二支色譜柱進(jìn)行進(jìn)一步的分離，所有組分從第二支色譜柱進(jìn)入檢測器，信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理，得到以柱l保留時(shí)間為第一橫坐標(biāo)，柱2為第二橫坐標(biāo)，信號(hào)強(qiáng)度為縱坐標(biāo)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(guī)毛細(xì)管柱，二維分離能力高；對(duì)于復(fù)雜體系中的目標(biāo)成分具有更好的定性定量結(jié)果；對(duì)復(fù)雜體系中旋光物質(zhì)，采用常規(guī)手性GC柱，可得到理想的分離效果；對(duì)檢測器沒有任何特殊要求；不需要特別的數(shù)據(jù)處理技術(shù)。缺點(diǎn)是其樣品全分析需要多次進(jìn)樣，耗時(shí)較長；系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜；方法開發(fā)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(gè)不同的、相互獨(dú)立的分離機(jī)理決定的，能提供兩個(gè)相互獨(dú)立的分子性質(zhì)。全二維色譜技術(shù)是在傳統(tǒng)二維技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，具有峰容量大、分辨率高、族分離和瓦片效應(yīng)等特點(diǎn)［10，11］。但其二維柱只能是快速柱，對(duì)檢測器有一定的局限性，分離手性和高沸點(diǎn)成分不理想，對(duì)目標(biāo)物的分析不如 GC-GC 準(zhǔn)確［9］。

1.3 與飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用

二維氣相色譜的第二維分離非?？?，組分在調(diào)制周期內(nèi)完成第二維的分離。因此檢測器的反應(yīng)速率應(yīng)非常大。FID檢測器和SCD檢測器雖然數(shù)據(jù)采集頻率高，但是它們只能得到色譜峰信號(hào)的大小，而不能得到樣品結(jié)構(gòu)信息。若想得到結(jié)構(gòu)信息，必須與質(zhì)譜聯(lián)用［12，13］。

而TOF MS以其TOF MS譜圖、高采集頻率、高分辨率、響應(yīng)快、適于痕量分析等特點(diǎn)，使得二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用成為二維氣相色譜聯(lián)用系統(tǒng)中最突出的技術(shù)。

2 二維氣相色譜的應(yīng)用進(jìn)展

隨著二維氣相色譜技術(shù)的發(fā)展，近年已有一些二維氣相色譜文章發(fā)表，主要是二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜在實(shí)際分析中的應(yīng)用，例如在石油化工、中藥、環(huán)保及農(nóng)殘等方面的應(yīng)用。

阮春海等［11］對(duì)全二維氣相色譜（GC×GC）用于石油樣品分析的分離特性進(jìn)行了探討，并對(duì)一種石腦油產(chǎn)品進(jìn)行研究，一次進(jìn)樣實(shí)現(xiàn)了烷、環(huán)烷和芳烴（PNA）的族分離。將GC×GC與GC比較，發(fā)現(xiàn)GC×GC的正交分離、族分離、瓦片效應(yīng)等特性使其峰容量大、靈敏度高、定性更簡單準(zhǔn)確，適合復(fù)雜混合物體系的分析。

武建芳等［12］采用GC×GC／TOF MS技術(shù)對(duì)連翹揮發(fā)油鑒定出匹配度大于800的組分220種，其中66種體積分?jǐn)?shù)大于0.02%，且每一被鑒定的組分都包含第一維保留時(shí)間、第二維保留時(shí)間、結(jié)構(gòu)、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(qiáng)。

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

陳數(shù)兵等［14］研究探討了蔬菜中5種農(nóng)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(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)（r）為0.995 2～0.999 1，在0.010～0.050 mg／L濃度范圍內(nèi)，回收率為81.5%～91.8%，變異系數(shù)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(yè)中的應(yīng)用實(shí)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(biāo)物的檢測范圍較一維氣相色譜法寬，能將目標(biāo)物更好地分離、定量，鑒定更迅速、準(zhǔn)確［15-19］。

3 二維氣相色譜在煙草行業(yè)的應(yīng)用

煙草樣品成分復(fù)雜多樣，對(duì)其成分精確地分離分析，對(duì)卷煙開發(fā)、卷煙配方設(shè)計(jì)、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(nèi)煙草行業(yè)開始使用二維氣相色譜／飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用來提高分析結(jié)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(duì)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(jìn)行了表征。采用TOF MS譜圖庫檢索輔以“二維結(jié)構(gòu)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(huán)芳烴及其衍生物的組成，王祎等［22］對(duì)一種市售卷煙主流煙氣中的多環(huán)芳烴類化合物進(jìn)行定性分析，同時(shí)通過選擇相應(yīng)的質(zhì)量數(shù)對(duì)不同類型的多環(huán)芳烴化合物在二維氣相色譜上的分布模式進(jìn)行討論，初步鑒定出616種多環(huán)芳烴類化合物，其中多環(huán)芳烴及烷基取代多環(huán)芳烴448種，非烷基取代和雜環(huán)多環(huán)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(shí)間質(zhì)譜對(duì)薄荷型ESSE卷煙的核心香味成分進(jìn)行了定性分析，共鑒定了187種揮發(fā)性成分，其中對(duì)香氣有貢獻(xiàn)的成分118種。尚靜靜等［24］建立了環(huán)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(jié)果表明：（1）中心切割技術(shù)有效提高了色譜的分離能力，使得痕量硝基苯可以從復(fù)雜的煙氣基質(zhì)中分離出來，分離效果明顯優(yōu)于一維色譜；（2）方法的檢測限為1.28 mg／mL，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間質(zhì)譜（GC×GC／TOF MS）分析卷煙主流煙氣中中性化學(xué)成分的方法，對(duì)優(yōu)質(zhì)煙葉單料卷煙煙氣的中性成分進(jìn)行定性分析，經(jīng)過人工糾錯(cuò)等分析初步鑒定出匹配度大于700的1 464種成分，重點(diǎn)討論了中性香味羰基化合物全二維點(diǎn)陣的譜圖特征，為煙氣和復(fù)雜體系的深入研究提供了方法學(xué)基礎(chǔ)。

3.2 煙葉

李海峰等［26］建立了煙葉中酸性化合物（揮發(fā)性、半揮發(fā)性羧酸類和酚類）組成研究的GC×GC-TOF MS分析方法，并對(duì)香料煙中的酸性化合物進(jìn)行了表征，鑒定出香料煙中143種揮發(fā)性及半揮發(fā)性酸性組分，包括10種酸酐和呋喃二酮，43種有機(jī)酸和90種酚類化合物。李海峰等［27］對(duì)香料煙中堿性化合物進(jìn)行了表征，對(duì)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(zhì)譜方法共鑒定出45種堿性化合物，鑒定出香料煙中揮發(fā)性、半揮發(fā)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(duì)比定性分析煙草中揮發(fā)性、半揮發(fā)性酸性物質(zhì)。在相同條件下，GC-TOF MS只鑒定出煙葉中的有機(jī)酸24種，酚類4種，而GC×GC／TOF MS經(jīng)自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，最終定性出揮發(fā)性、半揮發(fā)性酸性成分共107種，其中有機(jī)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(fā)性、半揮發(fā)性中性化學(xué)成分分析的GC×GC／TOF MS方法。以云南楚雄產(chǎn)云煙85C3F煙葉為例，進(jìn)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(duì)比，結(jié)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(gè)峰，被GC×GC／TOF MS分離出8種成分，因此定量更加準(zhǔn)確；（3）C1、C2、C3、C4取代萘因性質(zhì)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(shù)對(duì)一種國產(chǎn)香煙中常用的煙用香精進(jìn)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?jǐn)?shù)僅為21種）。在與GC ×GC／TOFMS相同的分析條件下，利用多內(nèi)標(biāo)定量法，用GC-GC／氫火焰離子化檢測器（FID）進(jìn)一步對(duì)這些組分進(jìn)行了準(zhǔn)確定量。針對(duì)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(duì)煙用香精進(jìn)行了定性分析，優(yōu)化分析條件，并與一維色譜分析結(jié)果進(jìn)行比較。不同分析結(jié)果所得化學(xué)成分和評(píng)吸結(jié)果之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系比較表明，GC×GC／TOF MS比一維氣相色譜／質(zhì)譜（GC／MS）具有更強(qiáng)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(píng)吸結(jié)果。

李智宇等［32］建立了香紫蘇油的全二維氣相色譜-飛行時(shí)間質(zhì)譜指紋圖譜，根據(jù)質(zhì)譜庫檢索、保留指數(shù)驗(yàn)證，或參照標(biāo)準(zhǔn)化合物及文獻(xiàn)報(bào)道，共定性了183種物質(zhì)，占峰面積的96.75%。其中正構(gòu)烷烴、芳香環(huán)物質(zhì)和非芳香環(huán)物質(zhì)在DB-Petro×DB-17 ht柱系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)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(duì)于煙草行業(yè)中高度復(fù)雜樣品體系來說仍不能滿足分析要求（如煙草中已經(jīng)鑒定的化學(xué)成分達(dá)3 800多種，煙氣中已鑒定的成分達(dá)4 800多種）。在煙草行業(yè)已有的應(yīng)用中，二維氣相色譜／飛行時(shí)間質(zhì)譜聯(lián)用與GC／MS在分離能力、靈敏度和族分離等方面的對(duì)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(jié)構(gòu)譜圖”，能更迅速準(zhǔn)確地進(jìn)行定性［21-32］。這些特點(diǎn)使二維氣相色譜技術(shù)成為解決復(fù)雜體系分離、未知物剖析、非目標(biāo)物篩查等方面問題的有力工具，在煙草行業(yè)分析中將會(huì)有更廣泛的研究應(yīng)用。

作為一種全新的分析技術(shù)，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(lián)用、調(diào)制技術(shù)的進(jìn)一步提高及新方法的開發(fā)等，都有待于在今后的實(shí)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(lián)系人：陸舍銘； E-mail： lusheming@sohu.com

2012-05-11