强强联合的“升维”体验——全二维气相色谱-静电场轨道阱质谱

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不远的将来，5G技术大面积铺开应用，势必让我们的生活产生质的飞跃。为什么5G如此硬核，仅仅因为它的数据传输速率高达 20 Gbps，秒秒钟就下一部学（娱）习（乐）视频吗？不！5G带来的改变，不仅仅在于速度的提升，5G与人工智能、大数据相结合，将开启万物互联的全新时代。说5G为我们所处的三维世界加上一个新的维度，也不足为过。

在不同的领域，引入和结合新的技术，也往往也会带来类似的“升维”体验。我们熟知的色谱质谱世界经过近百年的发展，分析技术从色谱拓宽到色谱-质谱联用，从逐个色谱峰剪下称重到批量处理组学分析大样本数据，从几百分辨率进化到动则上百万分辨率的质谱，每次技术革新无一例外，都为我们展示了更复杂的数据维度和深度。

色谱质谱世界最著名的“维度”体验，莫过于多维色谱技术。

上世纪90年底初，Jorgenson和Phillips先后提出了全二维液相色谱和全二维气相色谱的方法。以气相色谱为例，全二维气相色谱（GC×GC）不同于普通的二维气相色谱（GC+GC）。GC+GC一般采用中心切割的方法，不能完全利用二维气相色谱的峰容量。而GC×GC通过调制器将两根不同极性的色谱柱以串联的形式连接，使得第一根色谱柱的馏出物在调制器内进行浓缩聚集，然后以周期性的脉冲方式释放到第二根色谱柱上继续分离，最终从第二根色谱柱进入检测器。

全二维GC×GC原理示意图

图片引自：Jens Dallüge, Beens J , Brinkman U A T . Comprehensive two-dimensional gas chromatography: a powerful and versatile analytical tool[J]. Journal of Chromatography A, 2003, 1000(1-2):69-108.

质谱分析结合全二维气相色谱（GC×GC），再次为化合物定性分析拓宽了维度，然而，GC×GC-MS至今未得到大范围的推广应用，除了传统的热调制器安装繁复，对操作人员的要求较高之外，最重要的原因在于：数据广度拓宽之余深度的挖掘不足。通常与GC×GC相联用的四极杆质谱或低分辨飞行时间质谱，无法提供足够的样品分析灵敏度和高质量、高分辨的精确质谱信息，致使GC×GC分离所得的色谱峰只有少部分得以定性确认。

高分辨静电场轨道阱气质联用仪（GC-Orbitrap/MS）自推出以来，以其出色的分辨率、灵敏度、质量精度、动态范围，在未知样品挥发性成分分析中展现出极大的优势。

那么，Orbitrap/MS与GC×GC的强强联合，是不是又可以带来一次GC-MS分析的 “升维”体验呢？

全二维GC×GC-Orbitrap/MS安装及原理示意图

我们对一个复杂的植物精油样品，分别采用一维GC-Orbitrap/MS和全二维GC×GC-Orbitrap/MS分析，并对比了二者的分析结果。一维GC-Orbitrap/MS数据通过高分辨解卷积软件处理，在样品中共分析得到挥发性化合物峰473个，共定性出化合物244个（HRF Score > 90, SI > 650, RSI > 650, ΔRI < 30）。全二维GC×GC-Orbitrap/MS数据解析得到有效色谱峰733个，定性挥发性化合物482个（SI > 650, RSI > 650, ΔRI < 30）。

精油样品一维GC-Orbitrap/MS分析总离子流图（TIC）

精油样品全二维GC×GC-Orbitrap/MS分析结果（3D视图）

有趣的是，这个精油样品的色谱图可以根据是否依赖二维分离定性，分割成两部分。

精油样品全二维GC×GC-Orbitrap/MS分析结果（2D视图）

一维保留指数（RI）小于1400部分的化合物，基本不存在一维保留时间完全重叠的色谱峰，可以通过高分辨解卷积对峰进行分离定性。以一维保留指数900 < RI < 1000的化合物为例，一维的GC-Orbitrap/MS分析共鉴定出挥发性化合物19个，而GC×GC-Orbitrap/MS仅定性出挥发性化合物10个。

对于一维RI > 1400部分的化合物，存在大量一维保留时间相同的化合物，以1420 < RI < 1830为例（下图），全二维气相色谱通过串联两根不同极性的色谱柱，一针进样实现以往双柱分离的效果，很大程度上简化了从复杂样品中鉴定未知化合物的流程。

一维保留指数1420 < RI < 1830段的化合物（全二维数据2D视图）

分析数据有“量”还远远不够，“质”才是评判质谱数据价值的标杆。

我们选取了TIC图中样品中峰面积最大的化合物—乙酸冰片酯（RT 36.43 min，TIC Area 2.07E11）和相对面积较小的化合物—丁香酚（RT 39.53 min，TIC Area 1.93E7），查看这两个化合物的精确质量数测量结果、测量偏差及同位素离子丰度比率（下图）。

Orbitrap/MS实测代表化合物的质量数、质量偏差及同位素离子丰度比率

对于一维GC-Orbitrap/MS数据而言，无论是高响应的乙酸冰片酯，还是低响应的丁香酚，实测特征离子m/z 95.0855 (C₇H₁₁⁺，乙酸冰片酯)，m/z 164.0832 (C₁₀H₁₂O₂⁺，丁香酚)及其M+1，M+2离子的质量偏差均小于2 ppm。而GC×GC-Orbitrap/MS的数据中，除了丰度极低的C₈^[13]C₂H₁₂O₂⁺离子质量偏差为7.6 ppm外，其余离子的质量偏差均小于3 ppm。无论是一维还是全二维的数据，均展示了与天然同位素丰度比率极为相似的同位素丰度值，可用于辅证化合物的定性结果。可见，即使为了GC×GC分离提高了Orbitrap/MS的扫描速度，也能得到高质量精度的质谱数据。

诞生于上世纪90年代的全二维气相色谱，极大程度地拓展了极端复杂未知样品（如油品、环境污染物、精油、烟气等）的分析广度。而静电场轨道阱质谱提供的高分辨、高灵敏度、高精度的数据为未知化合物定性分析提升了可挖掘深度。

新质谱技术在经典的色谱技术强势辅助下，实现了又一技术“升维”，为探索未知照亮一束光…

参考文献：

1、许国旺,叶芬,孔宏伟,路鑫,赵欣捷. 全二维气相色谱技术及其进展[J]. 色谱(2):132-136.  

2、Jens Dallüge, Beens J , Brinkman U A T . Comprehensive two-dimensional gas chromatography: a powerful and versatile analytical tool[J]. Journal of Chromatography A, 2003, 1000(1-2):69-108.