浅谈岛津全二维GC×GC-MS系统

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使用全二维的时候，一定要弄明白，全二维到底是如何工作的？在使用过程中该如何操作？又有哪些关键点需要注意？本文主要介绍岛津全二维GC×GC-MS的工作机理、调制解调器及其工作原理、制冷单元的选择与可应用的领域、喷射气气源的选择；硬件操作的关键步骤及注意事项。相信通过阅读此推文，一定能够对大家全面了解和使用全二维有所帮助。

岛津全二维GC×GC-MS工作机理

GC×GC色谱技术是20世纪90年代发展起来的一种全新的分离复杂混合物的色谱技术手段，也是迄今为止最高分离能力的多维色谱技术；岛津全二维GC×GC-MS是把分离机理不同而又相互独立的两根色谱柱（通常情况下，一根非极性色谱柱和一根极性色谱柱）以串联的方式连接于调制解调器，通过设置一定的调制时间（调制周期）将一维色谱柱流出物捕集、聚焦后以脉冲方式释放到二维色谱柱，进行进一步分离，通过MS检测器采集图谱，再通过专用数据处理软件将色谱峰转化成以一维色谱柱保留时间为X轴，二维色谱柱保留时间为Y轴，信号强度为Z轴的3D图谱，如图1所示，同时质谱图（M/Z）分布在X-Y平面的每一个采集点上，构成了四维数据结构，可以进行定性、定量分析。

图1：全二维3D图谱

调制解调器及其工作原理

通过以上全二维GC×GC-MS工作机理的介绍，大家对全二维已经有了一个整体的概念，下面为大家介绍岛津全二维GC×GC-MS调制解调器及其工作原理：

1 ►调制解调器：

岛津采用Zoex第二代热调制解调器，使用环形设计，在第二根色谱柱上作标记点，通常在距第一根色谱柱的0.5m，1.5m处作标记点，调制环部分长度为1m。然后将调制环缠绕到柱支架上，使两个标记点重合，再将第一根色谱柱与第二根色谱柱使用金属双通进行串联，置于喷射装置中，如图2所示。

图2：环形调制解调器

（专利环形技术，仅需一个冷喷嘴和一个热喷嘴）

2 ►调制解调器工作原理：

当热喷射气打开时，被聚焦在“调制环”中的样品化合物被重新加热释放，离开下游冷点，进入二维色谱柱进行分离；一维色谱柱中的样品化合物离开上游冷点，进入“调制环”在下游冷点重新聚焦；图3为调制解调器工作原理示意图。

图3：岛津全二维GC×GC-MS调制解调器工作原理示意图

通过冷聚焦，脉冲热释放的调制方式，能够将一维色谱柱中分离的样品化合物，在经过调制解调器时峰被切片，在二维色谱柱中快速分离，形成极尖锐的峰，分离度和灵敏度均提高，如图4、图5所示。

图4：调制解调器作用的效果图

图5：岛津全二维GC×GCMS采集的TIC图（峰宽0.18s）

制冷单元的选择

岛津全二维GC×GC-MS系统依据制冷单元的不同，分为一代调制器和二代调制器，分别为ZX1和ZX2。

1 ►ZX1调制器需要使用液氮制冷，温度更低，最低温度-189℃，可以捕集到C3组分，主要用于石化、香精香料领域，图6为岛津GC×GC-MS一代ZX1结构图与外观图。

图6：岛津GC×GC-MS一代ZX1结构图与外观图

2 ►ZX2调制器使用电子制冷，由冷却系统自动制冷，最低温度-90℃，适用于C7以上组分，对于全二维绝大部分的应用来说，ZX2调制器即可满足要求，且不需使用液氮，使用更方便。用于除石化、香精香料外的其它领域。图7为岛津GC×GC-MS二代ZX2结构图与外观图）。

图7：岛津GC×GC-MS二代ZX2结构图与外观图

喷射气气源的选择

喷射气气源的要求：①喷射气在使用中约在10-20L/min之间调节，建议配置至少30L/min的供气量，以免运行时超负荷。②供给压力要求300-700kPa。③露点温度要求-40℃以下。

依据以上的三点要求，有三种气源可以根据实验室情况进行选择：

1 ► 液氮罐：要求是高压罐，XL180型或XL240型，气体出口配置减压阀，减压阀出口配1/4英寸软管接头。液氮罐的好处是，露点足够，不需要除水装置，直接使用即可；缺点是，灌一罐液氮使用时间大约10-15天，需要频繁灌液氮。

2 ►氮气发生器：氮气发生器的好处是一次购买，可连续使用，像大家常用的PEAK氮气发生器供气量以及露点都有达到要求的型号，可直接使用，不需要配置干燥器进行除水。缺点是价格较贵。

3 ►空气发生器：同氮气发生器一样，一次购买，连续使用，优点是价格相对较便宜。缺点是露点不够，需要加配空气干燥器，干燥器也需要定期更换，否则露点温度不够，容易造成制冷单元结冰，喷射气流量变小或为零，无法正常使用。

操作的关键步骤及注意事项

1 ►全二维色谱柱的安装及注意事项：

首先将调制环柱支架置于喷射装置上，并通过调整调制环半圆大小，使调制环半圆末端与热喷嘴以及冷喷嘴中心对齐；然后，将一维色谱柱入口连接到进样口端，二维色谱柱末端连接到MS接口；最后，依次安装色谱柱保护板、色谱柱于色谱柱柱箱支架上，如图8所示。全二维色谱柱安装的关键点如图9所示。

图8：全二维色谱柱安装示例图

图9：全二维色谱柱安装关键点

2 ►喷射气的开启与关闭以及注意事项：

喷射气的开启与关闭有两种操作方式可实现

第一种操作方式：

见图10，在GC控制面板上进入主画面，按[功能]-[快捷操作]进入快捷操作画面，按下[----]输入数字3,再按下[运行]打开冷喷气；再次按下[----]输入数字2,按下[运行]打开热喷气。关闭冷喷气与热喷气分别对应数字-3和-2。

图10：喷射气开启与关闭方法一

第二种操作方式：

见图11，在主画面按[可选设备]-[继电器控制]进入继电器控制画面，按V3和V2的on和off即可打开和关闭冷喷气和热喷气。V3对应冷喷气阀，V2对应热喷气阀。

图11：喷射气开启与关闭方法二

 喷射气开启与关闭时的注意事项

① 在启动制冷装置之前，先行打开喷射气约15分钟，以交换冷却单元中可能存在的湿气，防止冷却管冰结，造成气路阻塞。

② 使用ZX2电子制冷时，关闭制冷单元后，调节冷喷气流量1L/min，并保持喷射气开启状态约3至4小时。

③ 使用ZX1液氮制冷时，关闭液位控制器充氮，调节冷喷气流量不小于1L/min，保持喷射气开启状态约12小时，当冷喷气恢复正常温度，在调制环上不在结霜时，再关闭冷喷气。

④ 在关闭制冷单元时，如果停止喷射气供应，外部空气会反流回制冷交换管，造成结冰，阻塞气路。

总 结

岛津全二维GC×GC-MS系统，可应用于石油化工、天然产物、香精香料、环境化学、药物代谢、公安刑侦、食品与风味物质等领域的复杂混合物分析。两种调制器ZX1和ZX2，不仅可以与岛津的四极杆气质联用仪（单四极杆、三重四极杆气质联用仪）组合成全二维GC×GC-MS系统，同时也可以搭载气相检测器FID、ECD使用，可以满足不同复杂混合物样品分析的需求。篇幅有限，先为大家介绍到这里，下期继续介绍ZX1液氮制冷的操作，调制周期设定，以及软件配置与方法设定等方面的相关内容，感兴趣的朋友，请继续关注岛津售后服务公众号。