多維色譜技術

多維色譜技術是將同種色譜不同選擇性分離柱或不同類型色譜分離技術組合，構成聯用系統的技術。現在套用最多的是二維色譜，它是在單分離柱基礎上發展起來的，其技術關鍵是聯結兩色譜分離系統之間的接口設備和技術。通常由第一個或預分離柱和第二個或主分離柱串聯組成，兩柱之間通過切換閥或壓力平衡裝置作為接口，以改變流動相流路，部分在預柱未分離的組分，導入主柱進行第二次分離，從而大大提高系統分離能力。

基本介紹

• 中文名：多維色譜技術
• 外文名：multidimensionalgas chromatograph, MDGC
• 屬於：一種色譜分析方法
• 學科：儀器分析

前言

色譜作為複雜混合物的分離工具，對化合物的分離分析發揮了很大的作用。目前使用的大多數儀器為一維色譜，使用一根柱子，適合於含幾十至幾百個物質的樣品分析。當樣品更複雜時，就要用到多維色譜技術。

近年來,隨著色譜柱技術的發展,出現了一些對複雜化合物及難分離的樣品進行分離時分辨能力特別高的色譜柱。然而,世界上物質種類之多是無法計算的,而樣品的複雜性也是難以估量的。例如有人分析菸草煙霧,得到上千個色譜峰,可是經質譜定性表明,平均每個峰又含有二個組分 。類似這樣的石油化工、環境污染物、體液、食 品等複雜樣品,用常規 的單柱色譜分析,無論怎樣增加柱效,也無法得到滿意的分離結果 。況且許多樣品中還會含有沸點相近、極性相近、異構體等難分離物質對,這樣就有必要再加上一根或幾根並聯或串聯柱來進行分析。繼而就發展出了一種新型的色譜分析方法———多維色譜技術。

發展歷史

多維色譜最早起源於平面色譜，在研究紙色譜進行液-液分配，發現可以使用不同的洗脫劑在不同的方向上進行洗脫，因而Kirchner等早在上世紀50年代首先研究了二維薄層色譜，這一工作早於對薄層色譜的基礎性研究。有各種色譜-電泳技術的聯用，但是最重要的平面電泳分離是二維凝膠電泳，是O’Farrell於1975年報導的，用這種方法，即一個方向使用等電聚焦，另一個方向使用十二烷激硫酸鈉-聚丙烯醯胺凝膠電泳，可以從細菌培養液中分離出1000個蛋白質來，到目前二維凝膠電泳仍然用於蛋白質和DNA分離中。

在過去20年的發展中，更多地研究適合於自動化和進行定量分析的多柱色譜柱系統，1978年發表的一篇二維GC，近年有了更新，並在1991年Liu 和 Phillips 對全二維GC進行的進一步的開發，Grob 開發並推進了HPLC-GC 的聯用。

目前較成熟的技術是全二維氣相色譜（Comprehensive Two-dimensional Gas Chromatography，GC´GC），是上世紀90年代初出現的新方法。目前各大儀器公司基本實現了GC´GC儀器的商品化，已經處於實用階段。目前正在發展中的多維分離技術還有LC´LC，LC´CE，CE´CE，LC´GC等。商品化的多維製備液相色譜儀如Sepbox5000，一次最多可以處理5000 mg天然產物提取物，可以在24小時內得到576個餾分，許多餾分含有純度為90%到99%（ELSD）的單個組分。工業上廣泛使用的模擬移動床也是多維分離的典型套用。本質上來說，多維色譜就是簡單的一維色譜加複雜的閥切換技術。

多維色譜的組合方式

（1）同種色譜、不同選擇性色譜柱串聯：

• 二維氣相色譜（GC-GC）、
  
• 二維高效液相色譜（HPLC-HPLC）、
  
• 二維超臨界流體色譜（SFC-SFC）。
  

（2）不同類型色譜分離串聯：

• 高效液相-氣相二維色譜（HPLC-GC）、
  
• 高效液相-超臨界流體二維色譜（HPLC-SFC）、
  
• 高效液相-毛細管區帶電泳二維色譜（HPLC-CZE)。
  

多維色譜的特點

1、 利用兩個或更多的色譜柱對複雜樣品中的待分析組分進行分離；

2、在柱之間利用切換閥將經過初次分離的全部或部分組分選擇性地轉入另一根或多根不同類型的色譜柱中進一步分離；

3、與常規的單柱分離相比，更高的選擇性、更大的峰容量和更好的解析度。

典型的多維色譜技術

二維氣相色譜

多維氣相色譜(MDGC)是在氣相色譜基礎上發展起來的一項技術，它通過在技術上和設備上的改進，為中藥成分分析提供了較好的解析度，通過組合不同的分離模式構建多維系統有效地解決了複雜體系樣品的分析問題。目前， MDGC已在中藥化學、 石油化工、 菸草研究等諸多領域有著廣泛的套用。

20世紀90年代初Liu和PhillipS提出的全二維氣相色譜GC-GC方法提供了一種真正的正交分離系統 它是將分離機理不同而又互相獨立的兩支色譜柱以串連的方式結合成二維氣相色譜 經第1支色譜柱分離後的每一個餾分 經調製器聚焦後以脈衝方式進入第2 支色譜柱中進行進一步的分離 通過溫度和極性的改變實現氣相色譜分離特性的正交化，GC-GC具有峰容量大、分析速度快、解析度高、族分離等特點。因而該方法在複雜體系的分析方面具有其它方法無法比擬的優勢，越來越受到廣大色譜工作者的重視。

主要套用領域：

1、複雜基質中特定成分分析石油產品（汽油、輕油、煤油等）香味分析（食品、飲料等）

2、光學異構體的分析

3、精細化學品、原料中的雜質分析主成分中微量雜質分析· 環境樣品中有害成分分析

特點：

1、採用Multi Deans Switching技術，第一根色譜柱上的峰的保留時間即使經過多次切割也不會出現漂移

2、採用雙柱箱系統，第二根色譜柱的溫度程式可獨立地充分最佳化，使系統適用性大為增強

3、系統採用惰性組件連線，有效抑制組分分解和色譜峰拖尾

二維液相色譜

二維液相色譜（2D一LC）於1978年由Emi和Frei首次使用,之後 Jorgenson等於1990年實現了蛋白質的全二維液相色譜分離,第一次展現了多維液相色譜分離的巨大優勢。近年來2D一LC方法發展迅速,己成為複雜樣品分離分析的強有力工具,在蛋白質組學研究中得到了廣泛的套用，二維液相色譜技術具有峰容量大、解析度高和分離能力強等優點。

但由於其運行時間長,限制了它在常規實驗室的套用。目前己發展了多種方法,用於提高第二維分析的速度,如高溫液相色譜、整體柱和超高壓色譜，技術日趨成熟。

高效液相色譜與高效氣相色譜聯用

在某些特殊情況下，把高效液相色譜和高效氣相色譜結合在一起（HPLC-HRGC）就會體現出高選擇性的HPLC和高效、高靈敏度HRGC的完美匹配，會得到比較高的峰容量。

進行線上連線有許多好處：需要的樣品兩少；樣品不會被污染；無須把樣品蒸發或稀釋；樣品的前或後處理可以完全自動化。線上連線的缺點是：系統操作困難；初始設備費用高；接口比較複雜。LC-GC線上連線的主要問題是要解決大量的液體從LC轉移到GC中，GC和LC之間的物理狀態不同。研究了許多不同的方法，把大量溶劑從LC轉移到GC色譜柱中，這些方法中要解決如何把溶劑除去的技術，而使被分析組分形成一個窄的譜帶進入GC色譜柱進行分離。

HPLC-GC的二維色譜是進行樣品富集和樣品淨化很好的線上分析方法，近年有很多作者對這一技術做了綜述報告，對各種LC-GC轉移方法進行了闡述。對正相洗脫物主要的轉移方法是使用定量環型接口同向流動蒸發的方法。這一方法的主要缺點是溶質和溶劑一起蒸發，因而使易揮發組分會損失一些。要分析易於揮發的化合物從LC轉移到GC的最好方法是保留間隙管。由於上面所結實的溶劑效應，這一技術可以分析緊跟在溶劑後面的被分析化合物，這一方法恩人主要缺點是能轉移的容量很有限，因為未塗漬毛細管其容量比較小，比較大的餾份可以使用部分共同蒸發技術進行轉移，這樣仍可保留保留間隙管技術的優點。分析這類含水樣品使用間接進樣(LLE，SPE和OTT)是較好的選擇。

多維色譜套用

多維色譜作為一種分離技術與方法過去20多年裡其理論日趨成熟，其發展速度越來越快，套用領域也越來越廣泛。隨著科技的發展，色譜分離方法在石油化工行業、生物、醫藥、食品、衛生、商品檢測、法醫檢測、未知物質的剖析分析得到了廣泛的套用，並為這些學科的發展做出了巨大的貢獻。

多維色譜技術新進展

（1） 集成在微流控晶片上的二維液相色譜-毛細管電泳-電噴霧離子化系統

二維平板電泳（2D-PAGE）常用於蛋白質和多肽分析，但是該方法不僅費時、費力，而且不能與質譜線上聯用。美國北卡羅萊納州大學研究組構建了集成在微流控晶片上的二維液相色譜-毛細管電泳-電噴霧離子化系統(2D-LC-CE-ESI)。該系統將樣品捕集、液相通道、毛細管電泳通道和電噴霧噴口等多個功能單元集成到玻璃微流控晶片上，柱外效應明顯減小，保證了低流速下不會產生明顯的峰展寬。樣品在捕集區富集和脫鹽純化後在第一維液相色譜通道上分離，液相色譜通道流出物通過電動進樣模式轉移到電泳通道上繼續進行第二維電泳分析。電動進樣接口降低了分析系統的複雜性並且實現了從第一維液相色譜到第二維電泳的快速、納升級進樣。第二維電泳分析僅需要19s，保證了第一維的調製次數同時縮短了總的分析時間。一體化的電噴霧離子源與常規的外接納升噴針的方式相比，不僅柱後效應減小，而且靈敏度和穩定性都得到提高。該系統與質譜聯用成功用於牛血清蛋白和大腸桿菌酶解產物的分析， 在蛋白質組學和多肽組學分析中具有很好的套用前景。

（2） 等電點聚焦/十二烷基磺酸鈉(SDS)區帶二維毛細管電泳系統

在多維分離中，毛細管電泳具有分離效率高、樣品用量少、分析時間短、能夠自動化等特點，是發展多維電泳方法的理想選擇。二維毛細管電泳較二維凝膠電泳同樣具有分離效率高的特點，目前又是蛋白質組學研究的重要手段之一。

最近，美國華盛頓大學的Dovichi教授課題組對二維毛細管電泳模式進行了嘗試，構建了等電點聚焦/十二烷基磺酸鈉(SDS)區帶毛細管電泳系統。該系統的分離模式與傳統的二維凝膠電泳基本相近，第一維採用等電點聚焦分離模式，第二維採用SDS區帶電泳分離模式。在二維毛細管電泳中，蛋白質樣品首先經過等電點聚焦分離後，依次進入第二維SDS區帶電泳分離通道。該系統第一維等電點聚焦所需時間約為420 s，在第二維分離中每一餾分樣品轉移時間為6 S，分離時間為180 s。與傳統的二維凝膠電泳相比，二維毛細管電泳方法顯著地減少了分析時間和樣品用量。雖然目前該二維分離系統的峰容量遠低於傳統的二維凝膠電泳，但是我們相信二維毛細管電泳技術應該代表著多維電泳未來的發展方向。

（3） 新型二維液相色譜接口技術

最近，中國科學院大連物理化學研究所的關亞風教授課題組研製出一種新型二維液相色譜接口——真空輔助動態氣化接口。並將其成功地用予正/反兩相二維液相色譜系統。該接口設計簡單，由一個真空輔助氣化環組成。該氣化環與真空泵相連構成真空輔助氣化環境。在二維色譜過程中，正相色譜流出的流動相(有機溶劑)經過該接El時通過真空揮發除去，而分離組分能夠流人第二維色譜柱。他們對該接口的工作條件進行了最佳化並對其性能進行了考察。他們將構建的正相/反相二維液相色譜系統成功地用於原油和煤焦油複雜樣品的分離分析。我們相信這種新型的正相二維液相色譜系統在複雜體系分離分柵蛋白質組、天然藥物和生物流體具有潛在的套用前景。