樣品越是復雜，其組分的濃度跨度就越大，如何得到徹底分離和尖銳的峰型，是當今氣相色譜專家們面臨的巨大挑戰。本文介紹了借助多維氣相色譜處理這些色譜圖問題區段的方法。
氣味性物質、食品中的過敏性反應原、化妝品、保健品等此類物質的測定絕非易事：待測樣品的基體復雜，通常需采用復雜的樣品前處理步驟，還需要全自動的方式保證高效率、安全性和重現性。然而即便如此，往往還不能得到令人滿意的結果，因為有時并不能防止信號重疊。如果已經出現信號重疊，或者當一種氣味流入到嗅覺檢測器后卻沒有色譜信號，那就需另尋解密之術。在這種情況下，多維氣相色譜法可作為一種理想手段。
圖2. 布枯酮樣品的測定：（A）一維分離總離子譜圖，（B）從一維譜圖中第10~11 min區段截取的中心餾分物經由2D分離的譜圖，布枯酮的水溶液濃度為 0.1μg/ml。
替代常用體系
迄今為止，多維氣相色譜法通常要求應用互相聯合的兩臺氣相色譜儀，由此產生了高昂設備費用和低利用率，而且不能保證所有情況下都是有用的解決辦法。考慮替代的方法是在一臺儀器或一個系統上實現多維氣相色譜法，根據需要接入具有另一極性的第二根柱子，對可疑組分/色譜圖區段進行富集。此外，這種系統還應該在不更換硬件的前提下允許在所有維度上選擇性使用檢測器，同時允許連接其他檢測器。
這一目標業已借助“選擇性1D/2D-GC/MS”系統得到實現，采用這種分析體系可以根據需要在一臺儀器上實現一維、二維的分離，而這種轉換只需點擊一下鼠標即可。該系統的功能原理可簡述如下：1D-GC/MS測量顯示出不明區段，將此色譜圖區段切出中心餾分物并轉入第二根毛細管色譜柱上予以進一步分離。為使兩種柱子保持互相獨立，需設置不同的參數。為方便加熱和冷卻，并沒有將樣品置于GC內部的柱溫爐中，而是安裝于GC外，另外采用低熱慣性爐（LTM），可以使二者互相獨立地快速加熱和冷卻，既不中斷GC過程，也不會停止色譜圖記錄。
圖3. 桃香樣品的測定：（A）一維分離總離子譜圖；（B）從一維譜圖第10~11 min區段截取的中心餾分物經由2D分離的總離子譜圖。
第二根柱子所分離的中心餾分物采用同一個檢測器檢測，或者同一類檢測器如質譜檢測器、氣味檢測器或者脈沖火焰光度檢測器（PFPD）直接于1D-GC分離后進行。必要時可將分離過程中的可疑區段任意多次注射到連通的冷卻阱（Gerstel Cryo Trap System）進行收集和富集。當系統的第二維最后被活化時，便可獲得有價值的定性、定量分析結果。
樣品前處理
為了考察“選擇性1D/2D-GC/MS系統”的工作效率，將其按照常規條件應用到芳香性和氣味性物質實驗室中。這類實驗室常涉及復雜的樣品基體，需要多維氣相色譜法的分析應用，如共淋洗組成的鑒定，對流入氣味檢測器但色譜圖上未能顯示足夠信號強度的氣味性物質的闡明等。已經成功鑒定的物質，包括作為桃香香料主要成分的布枯酮、杜松子酒等。
圖4. 顯著提高的靈敏度：兩種1D/2D分離的比較，（A）桃香樣品采用Gerstel固相萃取磁子萃取，無富集，（B）通過在Gerstel低溫捕獲系統中富集（5次固相萃取磁子萃取，5次GC流程）。
“選擇性1D/2D-GC/MS 系統”主要由如下組件構成：一臺帶有Gerstel冷加樣系統（KAS），作為無損樣品進樣單元的GC-7890；兩個LTM模塊；一個5975 C 惰氣 XL MSD 質譜檢測器（Agilent）；一個帶有進樣器TDSA 或Gerstel熱解析單元（TDU），與Gerstel多用性進樣器（MPS）連接的Gerstel熱解析系統（TDS），Gerstel- CTS 低溫捕獲系統。桃香香料和杜松子酒的分析中，溶質萃取采用了攪拌棒吸附萃取法（SBSE），稱為Gerstel固相萃取磁子。
SBSE的樣品處理方法如下：對桃香香料樣品采取標準加入法使布枯酮的濃度達到 1 μg/ml，從該樣品中用移液槍分取200 μl加入到內裝有9.8 ml水的可旋動頂空進樣瓶中，瓶中布枯酮的濃度降低到 0.02 μg/ml。對杜松子酒樣品則移取0.5 ml樣品于頂空進樣瓶中，沖入4.5 ml水混合。色譜峰的鑒定與定量采取標準溶液比較法。這些樣品瓶各裝配一個條件化了的Gerstel固相萃取磁子，密封后于室溫下混合1h（萃取），然后將固相萃取磁子從樣品瓶中取出，擦干，轉移到條件化了的熱解析系統TDS小管中，待將襯墊放置到 TDSA 上之后便完成了全部手動式樣品前處理。此后其他步驟自動進行。
圖5. 靈敏度提高可能性的證明：兩種1D/2D-分離的比較，（A）杜松子酒樣品采用Gerstel固相萃取磁子萃取，無富集；（B）通過在Gerstel低溫捕獲系統中富集（5次固相萃取磁子萃取，5次GC-流程）。
實際應用卓有成效
首先是分析標準水溶液，布枯酮在1D色譜圖中出現于第10~11 min，將這一區段的中心餾分物轉到第二根柱子（2D），出現眾多的共淋洗組分，這是在一維色譜情況下難以被發現的（圖2）。以相似的方式對桃香香料樣品進行分析：中心餾分物位于第10~11 min，轉入到第二根柱子時，即可將重疊的信號予以分離和鑒定。為了防止其他溶質妨礙2D柱子上的分離過程以及可能的信號重疊，在第一根柱子上采用反沖法將殘留物沖出來。不過對于布枯酮而言則無此必要，這是因為不會有一維分離中的組分與二維分離組分發生共淋洗的情況（圖3）。若中心餾分物分析仍不能獲得滿意的結果，可以將這一區段通過中間轉換閥匯集于冷卻阱加以富集。為檢驗這種樣品富集方式的有效性，將截取的5次中心餾分物一起加到柱子上，通過與采用固相萃取磁子法測量結果的比較，證實了這種富集方法，同時也顯現出“選擇性1D/2D-GC/MS 系統”的高效性（圖4）。
圖6. 采用“選擇性1D/2D-GC/MS 系統”研究的杜松子酒樣品1D總離子譜圖。
對杜松子酒樣品的分析也取得了滿意的結果。從總的離子色譜圖（ TIC）（圖6）中將位于第9.36~10.35 min的中心餾分物分離出來（圖7），然后轉移到第二根柱子上。通過這種 CTS 系統中的5次旋轉萃取法，所得到的富集物全部轉移到第二根柱子上，大大提高了方法的靈敏度（圖5）。
圖7. 杜松子酒樣品中心餾分物（9.36~10.35 min）的1D分離和2D分離的聯合。
結語
迄今為止，這種“選擇性1D/2D-GC/MS 系統”已成功應用于很多領域，包括香料和氣味分析、食品、護理品以及化妝品等。這種系統通過將兩種不同極性的毛細管智能化地結合于一個GC系統中，保證了高分離能力的同時，也降低了高效多維氣相色譜儀的購置成本。此外，中心餾分物的分析溶質在第二根柱子（2D）上，可采用與一維分離時所用的同一檢測器進行檢測，還可根據需要同時應用多個檢測器進行檢測，安裝無需特殊技術，而不必像FID 檢測器那樣對柱子有轉換要求。第一維分離進程產生的總離子色譜圖為其后的第二維分離建立了良好的數據基礎。