一种多功能快速切换的多维气相色谱系统论文和设计-向章敏

全文摘要

本实用新型公开了一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，包括进样口、一维色谱柱、微板流路控制器、调制器、全二维色谱柱、中心切割二维色谱柱、四端口分流器、高分辨质谱仪和氢火焰检测器；进样口经一维色谱柱与微板流路控制器的进口相连，微板流路控制器的第一出口经调制器、全二维色谱柱与四端口分流器的D进口相连，微板流路控制器的第二出口经中心切割二维色谱柱与四端口分流器的A进口相连，四端口分流器的C出口与高分辨质谱仪相连，四端口分流器的B出口与氢火焰检测器相连。本实用新型可在一台仪器上实现多种不同色谱分离方式的多维气相色谱系统，包括一维、全二维、中心切割二维以及它们之间的交互使用，操作简单便捷，切换方便快速。

主设计要求

1.一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：包括进样口(1)、一维色谱柱(2)、微板流路控制器(3)、调制器(4)、全二维色谱柱(5)、中心切割二维色谱柱(6)、四端口分流器(7)、高分辨质谱仪(8)和氢火焰检测器(9)；进样口(1)与一维色谱柱(2)的进口相连，一维色谱柱(2)的出口与微板流路控制器(3)的进口相连，微板流路控制器(3)的第一出口与调制器(4)的进口相连，调制器(4)的出口与全二维色谱柱(5)的进口相连，全二维色谱柱(5)的出口与四端口分流器(7)的D进口相连，微板流路控制器(3)的第二出口与中心切割二维色谱柱(6)的进口相连，中心切割二维色谱柱(6)的出口与四端口分流器(7)的A进口相连，四端口分流器(7)的C出口与高分辨质谱仪(8)相连，四端口分流器(7)的B出口与氢火焰检测器(9)相连。

设计方案

2.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的进样口(1)采用分流\/不分流毛细管柱进样口。

3.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的一维色谱柱(2)采用非极性毛细管柱。

4.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的全二维色谱柱(5)采用中等极性毛细管柱。

5.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的中心切割二维色谱柱(6)采用脱活的熔融石英管以及手性或强极性毛细管柱。

6.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的四端口分流器(7)采用脱活的无阻力不锈钢四端口分流器。

7.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的调制器(4)采用便携式固态热调制器。

8.根据权利要求1所述的一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，其特征在于：所述的高分辨质谱仪(8)采用四级杆-飞行时间质谱联用仪。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及色谱分离与分析技术领域，具体涉及一种多功能快速切换的多维气相色谱系统。

背景技术

目前使用的多数气相色谱仪或气质联用为一维色谱，只能使用一根色谱柱，仅适合于含几十至几百种物质的样品分析。然而，当样品的组成较为复杂，基质干扰较为严重时，仅仅采用一根色谱柱分离往往达不到理想的分析效果，常出现色谱峰重叠、干扰严重、峰容量小等缺点。其次，在复杂基质样品分析中，特别是一些天然产物样品，含量差异较为明显，横跨3-5个数量级别，在分析低浓度组分时会受到高浓度组分的干扰，并包含很多种异构体，即使使用高分辨质谱，也难以进行有效的检测与分析，这就要用到多维色谱技术(Gerhard Schomburg，1995)。多维气相色谱通常包括中心切割二维气相色谱(GC+GC)和全二维气相色谱(GC×GC)，前者主要通过微板流路控制器来切换，使第一根色谱柱的流出组分部分经过第二根色谱柱进行二次分离，而全二维气相色谱是通过调制器来切换，是20世纪90年代初出现的新方法(Bushey&Jorgenson，1990)，全二维气相技术在定性、定量检测方面比一维气相色谱更具有优势(Reichenbach et al.,2011，许国旺等，2001&2011)，比如在烟草(Lu et al.,2003&2004)、石油(花瑞香等，2002)、白酒(季克良等，2007)、中药(武建芳等，2004；王楠等，2010)等多个领域的应用。同时也可以和高分辨质谱进行联用，如糟带鱼(谢诚等， 2014)、绿茶(Zhang，et al.,2013)、烟草(Xiang,et al.,2014)等方面的检测与分析。此外，在酒类食品风味物质分析也普遍报道，如古井贡酒(周庆伍等，2016)、剑南春(徐占成等， 2009)、啤酒(粟学俐，2007)、茅台(Zhu,et al.,2007)、酱香型白酒(李俊等，2016)等也有一些报道。

然而，上述文献以及之前的一些相关专利(CN87105123.0；CN02203194.4；CN200410024723.1；CN200920209607.5；CN201220023206.2)都只能采用某种单一的色谱分离方式，一台仪器仅能实现一种色谱分离方式。此外，中心切割二维色谱和全二维色谱都具有各自的局限性，比如全二维气相色谱的第二根色谱柱通常较短，很多组分也难以达到理想的分离效果，而中心切割二维气相色谱又只能对部分组分进行切割，且不能一次与一维分离使用同一个检测器来检测，很难做到实现不同维度的气相色谱同时分离与同步检测。如果要实现不同维度的色谱分离，只能更换硬件系统，这对于一次性获取多种组分准确的定性、定量信息仍不够完善，特别是含量差异较大、异构体较多、杂质干扰较为严重的复杂组分，往往难以达到理想的分离效果，而且操作较为繁琐。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，在一台仪器上可实现一维、全二维、中心切割二维的快速切换以及它们的联合使用，操作简单、便捷。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，包括进样口、一维色谱柱、微板流路控制器、调制器、全二维色谱柱、中心切割二维色谱柱、四端口分流器、高分辨质谱仪和氢火焰检测器；进样口与一维色谱柱的进口相连，一维色谱柱的出口与微板流路控制器的进口相连，微板流路控制器的第一出口与调制器的进口相连，调制器的出口与全二维色谱柱的进口相连，全二维色谱柱的出口与四端口分流器的D进口相连，微板流路控制器的第二出口与中心切割二维色谱柱的进口相连，中心切割二维色谱柱的出口与四端口分流器的A进口相连，四端口分流器的C出口与高分辨质谱仪相连，四端口分流器的B出口与氢火焰检测器相连。

优选地，所述的进样口采用分流\/不分流毛细管柱进样口。

优选地，所述的一维色谱柱采用非极性毛细管柱，规格为：30m×0.25mm、0.25μm。

进一步优选地，所述的全二维色谱柱采用中等极性毛细管柱，规格为：1.5m×0.15mm、 0.15μm。

进一步优选地，所述的中心切割二维气相色谱柱采用脱活的熔融石英管，规格为：0.77 m×0.1mm。

进一步优选地，所述的中心切割二维气相色谱柱采用手性或强极性毛细管柱，规格为： 30m×0.25mm、0.25μm。

优选地，所述的调制器采用便携式固态热调制器，无需制冷剂即可实现全二维调制。

优选地，所述的高分辨质谱仪采用四级杆-飞行时间质谱联用仪，主要用于定性分析。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的多维气相色谱系统，在一台仪器上可实现多种不同维度气相色谱分离方式的快速切换，包括一维、全二维、中心切割二维以及它们之间的交互使用，具有操作简单、便捷的优点，较好地解决了复杂样品中多组分多次分离的技术难题，使得低含量物质、对映异构等关键化学成分被不断发现。

本实用新型的多维气相色谱系统，能较好地应用于天然产物、食品、药品、生命科学、环境等领域的检测与分析，使得相应的分析结果更快速、准确，为精准测试提供技术保障。

附图说明

图1是本实用新型多维气相色谱系统的结构示意图；

图2是结合本实用新型一维和全二维分离系统在植物独活精油分析上的应用；

图3是结合本实用新型一维、中心切割二维和全二维分离系统在大果紫檀挥发油分析上的应用；

图4是结合本实用新型中心切割二维和全二维分离系统在香橙低含量香气成分分析上的应用；

附图标记说明：1-进样口；2-一维色谱柱；3-微板流路控制器；4-调制器；5-全二维色谱柱；6-中心切割二维色谱柱；7-四端口分流器；8-高分辨质谱仪；9-氢火焰检测器。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，一种多功能快速切换的多维气相色谱系统，包括仪器的进样口1、一维色谱柱2、微板流路控制器3、调制器4、全二维色谱柱5、中心切割二维色谱柱6、四端口分流器7、高分辨质谱仪8和氢火焰检测器9。

进样口1与一维色谱柱2的进口相连，一维色谱柱2的出口与微板流路控制器3的进口相连，微板流路控制器3的第一出口与调制器4的进口相连，调制器4的出口与全二维色谱柱5的进口相连，全二维色谱柱5的出口与四端口分流器7的D进口相连，微板流路控制器 3的第二出口与中心切割二维色谱柱6的进口相连，中心切割二维色谱柱6的出口与四端口分流器7的A进口相连，四端口分流器7的C出口与高分辨质谱仪8相连，四端口分流器7 的B出口与氢火焰检测器9相连。

进样口1采用分流\/不分流毛细管柱进样口。一维色谱柱2采用非极性毛细管柱(30m×0.25 mm，0.25μm)。微板流路控制器3采用Agilent(安捷伦)生产的Deans Switch(中心切割器)，将流路分为①流路和②流路，其中，①流路为与第一出口连接的调制器4、全二维色谱柱5 和四端口分流器7，②流路为与第二出口连接的中心切割二维色谱柱6和四端口分流器7，操作时无需手动更换，由系统控制其组分流向，实现一维与二维的快速切换。调制器4采用雪景科技生产的便携式固态热调制器(SSM 1800)，无需制冷剂即可实现全二维调制。全二维色谱柱5采用中等极性毛细管柱(1.5m×0.15mm，0.15μm)。中心切割二维色谱柱6根据需要可采用脱活的熔融石英管(0.77m×0.1mm)或\/和手性或强极性毛细管柱(30m×0.25mm， 0.25μm)。四端口分流器7采用SGE公司生产的4-port微流路模块，可将A进口和D进口同时分流至B出口和C出口。高分辨质谱仪8采用Agilent公司生产的四级杆-飞行时间质谱联用仪，主要用于定性分析，氢火焰检测器9主要用于定量分析。

下面对本实用新型的多维气相色谱系统的工作原理进行说明，主要分为以下几点：

1、一维与全二维色谱分离与切换：

一维：中心切割二维色谱柱6采用脱活的熔融石英管，一维色谱柱2流出的组分全部经过微板流路控制器3的第二出口流入中心切割二维色谱柱6，最后经过四端口分流器7到达检测器(高分辨质谱仪8或\/和氢火焰检测器9)进行检测。由于脱活的熔融石英管没有色谱分离能力，所以仅能通过一维色谱柱2进行分离，然后直接达到检测器进行检测。因此，这个流路仅能实现一维色谱分离，适合于复杂程度不高，化学成分单一样品的物质分析。

全二维：一维色谱柱2流出的组分全部经过微板流路控制器3的第一出口进入到调制器 4进行全二维调制，目的在于使一维色谱柱2分离后的每个组分都经过全二维色谱柱5进行二次分离，最后经过四端口分流器7到达检测器(高分辨质谱仪8和氢火焰检测器9)进行进行定性定量分析。因此，这个流路实现了全二维气相色谱分离，适合于样品基质复杂、成分较多、同系物明显的全二维气相色谱分离，以及共流出峰的检测与分析。

2、中心切割二维与全二维色谱分离与切换：中心切割二维色谱柱6采用手性或强极性毛细管柱，组分首先经一维色谱柱2分离，找出共流出组分，并分流至微板流路控制器3的第二出口进入到中心切割二维色谱柱6进行二次分离，剩余组分经过微板流路控制器3的第一出口进入到调制器4进行冷冻截留，待中心切割二维色谱柱6二次分离后组分通过四端口分流器7到达检测器检测完成后，再打开调制器4调制释放出被冷冻截留的组分。因此，这个流路实现了中心切割二维色谱与全二维色谱分离交互使用，比单独的中心切割二维技术更具实用性。同时，相比单一的全二维色谱分离，中心切割二维色谱柱更长，部分在全二维色谱上也难分离组分样品可以使用本实用新型系统进行分离，形成优势互补。

3、微板流路控制器3的作用：用于一维色谱柱2流出组分流向的分配，无需更换流路，在系统软件中即可设置流出部分的流向(①或②)，也可在分析过程中根据实际情况随意切换两路流向，从而实现多维气相色谱系统的快速切换。

4、调制器4的作用：调制器4不仅在全二维气相色谱系统中起到调制一维组分的作用，也可在中心切割二维气相色谱系统中用于一维组分冷冻截留的作用，可以一次性得到完整的中心切割二维气相色谱数据，改变了传统中心切割二维需要多次更换才能得到的完整二维色谱分离数据。

5、四端口分流器7的作用：四端口分流器7连接有两路进口端(A进口和D进口)，同时连接了两路出口端(B出口和C出口)，可使来自于两路色谱分离的组分在两个不同检测器上同时进行响应，其中可用高分辨质谱仪8信号进行定性分析，可用氢火焰检测器9信号进行定量分析，且如果只使用一个检测器进行检测样品时，另一个检测器关闭即可。通常可以通过高分辨质谱仪8定性分析完成后，可以使用具有稳定信号的氢火焰检测器9对大量进行检测与分析，无需打开质谱系统，节省费用的同时更有利于方法的转移。

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步地说明。

实施例1：

以植物独活精油化学成分检测为例，进一步说明利用一维与全二维气相分离系统在复杂体系色谱分离与检测分析中的应用。实验采用同时蒸馏萃取方法获得植物独活的精油成分，然后根据本实用新型设置不同流路和分流系统进行多维气相色谱分离，再采用高分辨质谱进行检测与分析。

首先，一维色谱柱2采用非极性的毛细管柱(HP-5MS，30m×0.25mm，0.25μm)，全二维色谱柱5采用中等极性毛细管柱(DB-17MS，1.5m×0.15mm，0.15μm)，中心切割二维色谱柱6采用脱活的熔融石英管(Agilent，0.77m×0.1mm)。其次，让一维色谱柱2分离流出的组分全部经过微板流路控制器3的第二出口流入脱活的熔融石英管中，最后直接经过四端口分流器7到达QTOFMS检测器(高分辨质谱仪8)进行检测，从而实现一维色谱分离与分析。随后，让一维色谱柱2分离流出的全部组分经过微板流路控制器3的第一出口进入到调制器4进行全二维调制，设定相应的调制器参数，使一维色谱柱2分离后的每份组分都经过全二维色谱柱5进行二次分离，并经过四端口分流器7到达QTOFMS检测器进行检测与分析。因此，经过上述多维色谱分离后，其一维色谱分离(GC)与全二维色谱分离(GC×GC) 的分离效果如图2所示。

由图2可知，独活精油样品经过一维色谱分离与全二维色谱分离都保证色谱图的完整性和一致性。经最终鉴定，一维气相色谱只检测到了67种化学成分，而全二维气相色谱共检测到了207种化学成分。从图中的部分区域(26.0-27.0min)也可看出，独活精油在一维只检测到3个物质，即三甲基-3-环己烯-1-醛(1)、4-羟基-3-甲基苯乙酮(2)和乙酸龙脑酯(3)，而全二维色谱系统中共检测到了10种化学成分，除上述三种物质外，还包括了香芹酚(4)、 2-蒈烯-10-醛(5)、对-甲基异丙基苯-7-醇(6)、4-甲基环己基-3-亚氨基乙醛(7)、桃金娘烯醇(8)、2-甲基-3-异丙基-2,4-二烯己酸甲酯(9)和十一醛(10)。可看出利用一维色谱进行分离，存在很多峰共流出的现象，严重干扰了结果的准确度和可靠性。因此，通过本实用新型内容，对复杂体系化学成分的分离可同时选择一维和全二维进行对比分析，从而发现更多有价值的化学信息。

实施例2：

以红木大果紫檀挥发油检测为例，进一步说明利用中心切割气相分离系统能对一维和全二维气相都无法分离的化学成分进行分离与检测。实验采用同时蒸馏萃取方法获得红木大果紫檀的挥发油成分，然后根据本实用新型设置不同流路和切换系统进行多维气相色谱分离，再采用高分辨质谱进行检测与分析。

首先，一维色谱柱2采用非极性的毛细管柱(HP-5MS，30m×0.25mm，0.25μm)，全二维色谱柱5采用中等极性毛细管柱(DB-17MS，1.5m×0.15mm，0.15μm)，中心切割二维色谱柱6分别安装有脱活的熔融石英管(Agilent，0.77m×0.1mm)短柱以及不同极性固定相的二维色谱长柱(30m×0.25mm，0.25μm)，包括HP-Chiral、DB-200和DB-Wax三种。其次，让一维色谱柱2分离后的全部组分，经过微板流路控制器3的第一出口进入到调制器4 进行全二维调制，然后经全二维色谱柱5进行全二维色谱分离。经上述分离后，如果发现部分组分在全二维色谱柱5也无法进行有效分离，可将这部分组分再次进样时进微板流路控制器3的第二出口进入中心切割色谱柱6进行第三次分离。结果发现大果紫檀挥发油中的主要化学成分伞花烃(1，Cymene)、柠檬烯(2，Limonene)和桉叶油素(3，Eucalyptol)三种物质在不同分离系统中其分离效果差异明显，其一维(GC)、全二维色谱分离(GC)与中心切割二维色谱分离(GC+GC)的分离效果如图3所示。

由图3可知，红木大果紫檀挥发油主要的三种物质伞花烃、柠檬烯和桉叶油素在一维色谱上(GC)未达到完全分离，同时在全二维色谱上(GC×GC)也未达到完全的色谱分离效果。如果仅通过一维气相和全二维气相是无法对这三种主要成分进行有效的分离与检测。因此，需要用到本实用新型的中心切割二维色谱分离系统再次进行有效的色谱分离。通过比较三种不同极性固定相的中心切割二维色谱柱的分离，发现用HP-Chiral和DB-200色谱柱均无法对伞花烃(1，Cymene)和柠檬烯(2，Limonene)进行有效分离，而采用DB-Wax色谱柱却能将大果紫檀挥发油中三种主要化学成分进行有效的完全分离，从而有利于进一步的定性定量检测。因此，对于部分复杂分离体系，当出现一维和全二维气相色谱均无法分离的情况下，利用本实用新型的多维色谱快速切换系统能很快解决这一问题。

实施例3：

根据本实用新型，除了解决上述复杂化学成分的气相色谱分离之外，也可解决复杂体系中高含量物质对低含量物质检测限干扰的问题，从而有利于提高低含量物质的检测限。以香橙挥发性香气成分检测为例，利用本实用新型的多维气相色谱分离系统对香橙中低含量的香气化学成分进行分离与检测。实验采用固相微萃取方法检测香橙挥发性香气成分，然后根据本实用新型对系统设置不同流路和冷冻切割技术进行多维气相色谱分离，再采用高分辨质谱进行检测与分析。

首先，一维色谱柱2采用非极性的毛细管柱(HP-5MS，30m×0.25mm，0.25μm)，全二维色谱柱5采用中等极性毛细管柱(DB-17MS，1.5m×0.15mm，0.15μm)，中心切割二维色谱柱6采用脱活的熔融石英管(Agilent，0.77m×0.1mm)。其次，让一维色谱柱2分离流出的组分先经微板流路控制器3的第二出口流入脱活的熔融石英管中，实现一维色谱分离，找出含量较高物质的出峰时间。随后，将高含量组分在第二次进样时经微板流路控制器3的第一出口流入到调制器4进行冷冻(不调制)，此时的调制器4起到把高含量组分进行冷冻截留的作用，而其余低含量组分继续进行二维气相分离，并经过四端口分流器7到检测器进行检测与分析。最后，等待测组分全部流入高分辨质谱仪8检测完成后，再将高含量组分从调制器4中释放出来。因此，本方法通过提高进样量及进样浓度，从而提高对低含量物质的响应，以达到相应的定性定量检测目的。此外，这种方法可以排除高含量物质过度饱和对离子化效应和高分辨质量偏差的影响，以及对离子源和质谱仪器的污染。通过上述方法，对香橙挥发性香气成分中低含量成分进行了检测与分析，特别是含量较低且较为重要的萜烯类物质，其分析结果如图4所示。

由图4可知，将一维保留时间17.0-18.0min的高含量成分通过本实用新型的多维色谱系统切割(cut away)至全二维调制器中进行冷冻截留(cold)，然后等待测组分全部流出之后，通过加热调制(hot)再释放出其主要成分。本实验通过逐步提高香橙样品的进样浓度(高浓度C _{L<\/sub>、中浓度C_{M<\/sub>和低浓度C_{S<\/sub>)，从而使香橙中低含量的挥发性香气成分被检出(S\/N>3)，包括杜松-3,5-二烯(1)、α-律草烯(2)、巴伦西亚橘烯(3)、1,2,3,4,6,8a-六氢-1-异丙基-4,7- 二甲基-萘(4)、去二氢菖蒲烯(5)等重要的萜烯类物质，其高浓度(C _{L<\/sub>)进样时，相应的信噪比(S\/N)分别为11.1、12.5、9.2、7.7、5.9，完全可以达到定性定量检测的目的。因此，利用本实用新型的多维气相色谱系统，既可以实现不同色谱分离系统的快速切换和复杂化合物的分离，也可解决一些复杂体系中低含量物质检测限较低的问题。通过本实例，进一步验证了本实用新型灵活多变的应用。}}}}

上列详细说明是针对本实用新型可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本实用新型的专利范围，凡未脱离本实用新型所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

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一种多功能快速切换的多维气相色谱系统论文和设计

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