多维色谱简介

多维色谱简介利用多根色谱柱和多个检测器联用，采用切换的方法进行随心所欲的组合，从而达到设计目的的实验方法。2/3/20231分离分析-多维色谱问题的提出很多色谱分析实验中会遇到靠一根柱子无法得到良好分离结果的情况，可采用多维色谱方法进行处理。为了解决大量存在的复杂样品和痕量组分的定量测定问题,许多色谱工作者都进行了多维色谱的研究,不仅提出了多维色谱理论,且发展了多种多维色谱手段，解决了大量的难题。2/3/20232分离分析-多维色谱问题的提出多维色谱是在通用型色谱的基础上发展起来的，与双流路色谱及多级色谱不同。它不仅仅是使用二根或两套以上的色谱柱及两个以上检测器，还要使用多通阀或用改变串联双柱前后压力的方法来改变流动相在柱内的流向，从而提高分离能力。本节主要介绍多维气相色谱的相关情况。2/3/20233分离分析-多维色谱为了实现智能化色谱操作控制自动化、方法条件的最佳化及谱图分析的计算机化要求，必须使色谱分析或色谱仪的硬件——柱系统成为可变的（即柱选择性和操作方式可变）和高效的（分离度好、分析时间短）以适应智能化发展的要求。2/3/20234分离分析-多维色谱由于一维气相色谱的分离度随柱长的平方根增加，而载气的最佳流速又因柱长增加而被限制在很小的范围内（这要求色谱系统有足够的稳定性），同时分析时间也随之迅速增加。因此单纯增加柱长的办法来提高分离度是有限的。这使一维气相色谱的发展受到限制。2/3/20235分离分析-多维色谱多维切换（MDSS）流程是一种可变的、可以提供更多信息的流程。因为样品组成虽然复杂，但采用MDSS可以在样品进入主柱之前实现选择性进样，排除不感兴趣组分的干扰，并通过两根柱或多根柱选择性上的差异使难分离组分得到很好的分离。实践证明：MDSS的分离效能远大于单维系统。这是因为单柱的分离效能仅是柱长的贡献，而MDSS的分离效能是柱长和固定相极性差异的共同贡献。2/3/20236分离分析-多维色谱例板数为5×103的两根不同极性的填充柱组合其分离效能可大于105塔片数的单根毛细管柱。要分辨ΔI=1的两个化合物，毛细管柱的柱效必须大于6.5×105，这是很困难的。而103与2×104塔片数的普通填充柱和普通毛细管柱匹配就可以圆满完成此分离。2/3/20237分离分析-多维色谱在OV－17柱中，苯一丁醇的ΔI=2，其分离需1.5×105塔片数的高效毛细管柱。在Carbowax20M柱中，戊酮与nC10的ΔI=3，其分离也需105塔片数的毛细管柱。而分别采用3600和2700塔片数的OV－17和Carbowax20M的普通填充柱，通过中心切割两柱分离谱图：2/3/20238分离分析-多维色谱一、两维气相色谱的定义Bertsch给两维气相色谱下了一个较为适当的定义：①两根选择性不同的柱子各与一个能确定保留指数的装置（如积分仪、计算机等）相连接；②两根选择性不同的柱子与一功能元件（如切换阀、冷阱、无阀切换装置等）相连接，可以把一次色谱分析的某一部分（或几部分）选择性地由一根柱传输到另一根柱上。2/3/20239分离分析-多维色谱一、两维气相色谱的定义由此可见两维气相色谱的关键是两根选择性不同的柱子和一个可以利用柱子选择性差异的装置，所以两维气相色谱的分离性能不仅仅取决于两根柱子柱效之和；更主要是这样差异性的贡献。如何选择和充

分利用这差异性就是色谱工作者的主要工作。2/3/202310分离分析-多维色谱二、两维气相色谱切换技术

1．有阀切换和无阀切换

在两维切换系统中，为了实现各功能元件（柱、冷阱、检测器等）之间的切换，可以采用两种技术：有阀切换或无阀切换。有阀切换就是用阀来连接各元件，依靠阀件的移动改善气路的通道，因为样品流经阀体，所以对阀的化学惰性，死体积、耐热性、吸附性、密封性等都有严格要求，尤其在使用毛细管柱系统时。此阀虽然价格昂贵，但操作直观，调试方便。2/3/202311分离分析-多维色谱1965年D.R.Deans对阀切换技术进行了改进，建立了无阀切换系统，柱内的流动状态变化是由柱两端压力不同实现的，而压力的变化是通过电磁阀来控制，由于样品不流经阀件，所以不受阀的干扰，整个装置在化学惰性、死体积、耐热性、密封性和响应速度等方面都优于有阀切换，主要不足是操作不直观、调试麻烦。2/3/202312分离分析-多维色谱2/3/202313分离分析-多维色谱2．切换操作的基本工作状态（1）

反吹在直通状态下，压力P1＞P2，两根柱载气流向相同，样品连续通过两柱，在反吹状态下，P1=0，P2不变，预柱流向相反，未流出预柱的组分反向流动，最后放空，而主柱流向不变，进入主柱的各组分进一步分离。2/3/202314分离分析-多维色谱中心切割在直通状态下，切换开关T的上端压力稍高于下端，此时和图6－5直通状态相同。在切割状态下，T的下端压力稍高于上端，开关T中气体流向与柱C1，C2相反，此时由C1来的组分由T带着从旁路放空，已时入C2的组分继续进一步分离。2/3/202315分离分析-多维色谱溶剂切割如果使系统依次处于切割——直通——切割，就可以选择性地将预柱流出的某一谱带区间切入主柱，这样就完成一次中心切割；如果使系统依次处于切割——直通，就可以把溶剂峰从旁路放空，仅让溶剂峰后的组分进入主柱，这就是溶剂切割。2/3/202316分离分析-多维色谱中间富集

中间富集如图6－7所示，直通与切割状态如图6－6所示。富集状态就是让冷却剂迅速通过冷阱，将C1冲出的谱带浓缩在冷阱中；再进样就是在直通状态下迅速加热冷阱，使冷阱中样品迅速汽化并立刻冲入C2柱。2/3/202317分离分析-多维色谱

三、切换技术的应用

1．溶剂切割采用切割与直通操作相结合，就可以将预柱流出的大部分溶剂峰从两柱间的旁路放空，仅一小部分溶剂及其它组分进入主柱。这特别适用于稀溶液分析及检测器受大量溶剂峰干扰的情况。2/3/202318分离分析-多维色谱2．分离主峰掩盖下的微量杂质采用切割与直接操作相结合，可以将大峰中的主要部分放空，只把峰尾感兴趣的组分转移到冷阱或主柱，将感兴趣的组分从残留溶剂峰中分离出来，由图中可以看出杂质苯从正已烷中完全分离出来。这方法常用于试剂纯度分析，这方法的特点是所测微量组分与主组分保留时间很相近，主组分又在前面出峰。2/3/202319分离分析-多维色谱3．一次分析中有限部分的中心切割。在宽沸程的样品中，往往感兴趣的仅是前面一小部分，采用反吹操作可以在感兴趣组

分进入主柱后，把其余部分反吹。因为石脑油进样45秒后的谱图，石脑油中CS2的分析采用毛细管柱需1个多小时，而采用一根10cm的短柱与1米普通柱结合只用1分多就完成一个样品的分析。由于两柱选择性差异大，（预柱为GDX—102，主柱为五聚苯醚）通过切换使CS2在所有烃之后出峰，排除了烃类对CS2检测的干扰，CS2的最低检测浓度为10ng/ml。2/3/202320分离分析-多维色谱2/3/202321分离分析-多维色谱从上可以看出反吹不仅可以缩短分析时间，防止主组分或有害组分进入检测器或柱子（尤其是毛细管柱）而且在充分利用双柱选择性的情况下，还可以减少组分间的干扰，提高分辨能力。此例还说明，吸附柱和分配柱联用组合有很大生命力，可由于不同分配原理相互补充而使系统获得很高的分离效能。2/3/202322分离分析-多维色谱4．在一次分离中转移某一谱带利用中心切割可以把一次进样分一个或几个谱带依次进入主柱，见图6－11，从图6-11可以看出中心切割可以大大提高系统的分辨能力，常用于解决一些难分离物质对和复杂样品的分析。A：6ft的PEG—20M柱2/3/202323分离分析-多维色谱4．在一次分离中转移某一谱带B：25M的OV—柱1、2、3为中心切割区间A：6ft的PEG—20M柱2/3/202324分离分析-多维色谱5．痕量组分的分析通过预柱多次进样实现，并允许预柱每次进样都超载，每次进样后通过中心切割把感兴趣组分从预柱切到冷阱，在多次富集后再一次性冲入主柱，其图谱见图6－12。由于多次进样，使冷阱中的痕量组分的绝对量增加，大大提高了检测能力，因此富集操作不仅能简化样品的预处理，降低对仪器灵敏度的要求，而且主柱的高分辨性也可以排除无关组分的干扰，提高了定量分析的精度，这对痕量组分的分析是很重要的，如农药残毒、药物残留等。由于预柱的峰扩张可以被中间冷阱的热聚作用（thermalfocusing）消除，为主柱分离最大可能被优化提供了条件。2/3/202325分离分析-多维色谱2/3/202326分离分析-多维色谱7.把分析方法标准化从分析方法上看，预