色谱技术在烟业的运用

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本文作者：陈玉1,2陆舍铭1作者单位：1.红塔烟草集团有限责任公司技术中心2.云南大学化学科学与工程学院

气相色谱（GC）技术因其独特、高效、快速的分离特性，已成为物理、化学分析不可缺少的重要工具。经过半个多世纪的发展，气相色谱已是一项十分成熟的技术，成为各个领域最为常用的化学分析方法，在石油、化工、环保、食品检测等领域中得到了广泛的应用［1–4］。社会的发展使得越来越多的复杂体系样品需要精确分析，在组分个数多达几千时，传统的一维色谱不仅费时，而且由于峰容量不够，峰重叠十分严重，只能实现部分组分的分离，无法对各组分进行准确的定性和定量。利用二维联用技术，复杂的天然产物通过一根色谱柱并得到初步分离，未完全分离的目标组分被切换到另一根极性不同的色谱柱上进行二次分离，通过质谱检测器检测。该项技术在消除干扰、提高未知物定性的准确度方面有新的突破，成为近年来国际上研究的热点［5–7］。

1二维气相色谱及与飞行时间质谱联用

1.1二维气相色谱

传统二维气相色谱（GC–GC）通过使用中心切割技术，在色谱运行过程中特定的时刻或特定的时间段将一根色谱柱的流出物转移到第二根色谱柱上。转移的色谱峰中目标物和共流出杂质在第二根色谱柱上获得完全分离。当第二根色谱柱的固定相与第一根有显著差异时，被切割馏分的分辨率得到显著提高，从而可以测定复杂基质中的痕量组分，提高GC的分离效能。全二维气相色谱（GC×GC）是用一个调制器（或称调制解调器）把含有不同固定相的两根色谱柱（如非极性柱和极性柱或手性柱）以串联方式联接在一起。经过第一支色谱柱分离后的每一个馏分，都需先进入调制器，进行聚焦后再以脉冲方式送到第二支色谱柱进行进一步的分离，所有组分从第二支色谱柱进入检测器，信号经数据处理系统处理，得到以柱l保留时间为第一横坐标，柱2为第二横坐标，信号强度为纵坐标的二维轮廓图或三维立体色谱图［8］。

1.2GC–GC与GC×GC的比较

GC–GC的二维柱为常规毛细管柱，二维分离能力高；对于复杂体系中的目标成分具有更好的定性定量结果；对复杂体系中旋光物质，采用常规手性GC柱，可得到理想的分离效果；对检测器没有任何特殊要求；不需要特别的数据处理技术。缺点是其样品全分析需要多次进样，耗时较长；系统构造复杂；方法开发过程繁琐［9］。GC×GC可有效利用分离空间，得到比非正交分离更快的速度或更大的峰容量；其二维的保留值是由两个不同的、相互独立的分离机理决定的，能提供两个相互独立的分子性质。全二维色谱技术是在传统二维技术的基础上发展起来的新技术，具有峰容量大、分辨率高、族分离和瓦片效应等特点［10，11］。但其二维柱只能是快速柱，对检测器有一定的局限性，分离手性和高沸点成分不理想，对目标物的分析不如GC–GC准确［9］。

1.3与飞行时间质谱联用

二维气相色谱的第二维分离非常快，组分在调制周期内完成第二维的分离。因此检测器的反应速率应非常大。FID检测器和SCD检测器虽然数据采集频率高，但是它们只能得到色谱峰信号的大小，而不能得到样品结构信息。若想得到结构信息，必须与质谱联用［12，13］。而TOFMS以其TOFMS谱图、高采集频率、高分辨率、响应快、适于痕量分析等特点，使得二维气相色谱–飞行时间质谱联用成为二维气相色谱联用系统中最突出的技术。

2二维气相色谱的应用进展

随着二维气相色谱技术的发展，近年已有一些二维气相色谱文章发表，主要是二维气相色谱–飞行时间质谱在实际分析中的应用，例如在石油化工、中药、环保及农残等方面的应用。阮春海等［11］对全二维气相色谱（GC×GC）用于石油样品分析的分离特性进行了探讨，并对一种石脑油产品进行研究，一次进样实现了烷、环烷和芳烃（PNA）的族分离。将GC×GC与GC比较，发现GC×GC的正交分离、族分离、瓦片效应等特性使其峰容量大、灵敏度高、定性更简单准确，适合复杂混合物体系的分析。武建芳等［12］采用GC×GC／TOFMS技术对连翘挥发油鉴定出匹配度大于800的组分220种，其中66种体积分数大于0.02%，且每一被鉴定的组分都包含第一维保留时间、第二维保留时间、结构、相似度、反相似度、可能性等信息，使得定性的可靠性大大加强。王木林等［13］用二维毛细管柱气相色谱法测定了大气中的挥发性烃类（VHCs）C3～C10共57种化合物。该方法峰面积的相对标准偏差小于20%，用外标法定量，线性相关系数r2分别为0.9990和0.9997，分析周期为48min。陈数兵等［14］研究探讨了蔬菜中5种农药（β-六六六、p，p′-DDE、乙草胺、氟乐灵、毒死蜱）残留的提取、净化和二维气相色谱定量的分析条件。5种农药标准曲线的相关系数（r）为0.9952～0.9991，在0.010～0.050mg／L浓度范围内，回收率为81.5%～91.8%，变异系数为5.7%～11.2%，检测限为0.010～0.055mg／L。二维气相色谱在以上行业中的应用实践表明，许多在普通一维色谱分析中不能分离或分离效果不佳的共馏化合物通过二维气相色谱得到了很好的分离，目标物的检测范围较一维气相色谱法宽，能将目标物更好地分离、定量，鉴定更迅速、准确［15–19］。

3二维气相色谱在烟草行业的应用

烟草样品成分复杂多样，对其成分精确地分离分析，对卷烟开发、卷烟配方设计、增香保润、减害降焦乃至吸烟与健康等方面具有重要意义［20］。近年来国内烟草行业开始使用二维气相色谱／飞行时间质谱联用来提高分析结果，主要集中在烟气、烟叶、烟草香精香料等方面。

3.1烟气

许国旺等［21］探讨了卷烟主流烟气粒相物中酚类化合物组成研究的GC×GC／TOFMS方法，并用该方法对一种市售混合型卷烟主流烟气粒相物中的酚类馏分组成进行了表征。采用TOFMS谱图库检索辅以“二维结构谱图”的定性手段，初步鉴定出其中250种酚类化合物。这些酚类化合物包括66种烷基苯酚、47种烯基苯酚、57种萘酚、17种苯基苯酚、32种甲氧基苯酚、9种酚酮和15种酚醛化合物。为了解卷烟主流烟气粒相物中多环芳烃及其衍生物的组成，王祎等［22］对一种市售卷烟主流烟气中的多环芳烃类化合物进行定性分析，同时通过选择相应的质量数对不同类型的多环芳烃化合物在二维气相色谱上的分布模式进行讨论，初步鉴定出616种多环芳烃类化合物，其中多环芳烃及烷基取代多环芳烃448种，非烷基取代和杂环多环芳烃衍生物168种。郑晓云等［23］利用固相微萃取–全二维气相色谱／飞行时间质谱对薄荷型ESSE卷烟的核心香味成分进行了定性分析，共鉴定了187种挥发性成分，其中对香气有贡献的成分118种。尚静静等［24］建立了环己烷萃取、硅胶固相萃取柱净化和中心切割二维气相色谱法测定卷烟主流烟气粒相物中硝基苯的方法，并采用该法测定了6种卷烟样品主流烟气中的硝基苯释放量。结果表明（：1）中心切割技术有效提高了色谱的分离能力，使得痕量硝基苯可以从复杂的烟气基质中分离出来，分离效果明显优于一维色谱；（2）方法的检测限为1.28mg／mL，相对标准偏差（RSD）为6.82%，回收率为87.6%（；3）6种卷烟主流烟气中硝基苯的释放量为0.091～1.66ng／支。杨菁等［25］建立了全二维气相色谱–飞行时间质谱（GC×GC／TOFMS）分析卷烟主流烟气中中性化学成分的方法，对优质烟叶单料卷烟烟气的中性成分进行定性分析，经过人工纠错等分析初步鉴定出匹配度大于700的1464种成分，重点讨论了中性香味羰基化合物全二维点阵的谱图特征，为烟气和复杂体系的深入研究提供了方法学基础。

3.2烟叶

李海峰等［26］建立了烟叶中酸性化合物（挥发性、半挥发性羧酸类和酚类）组成研究的GC×GC–TOFMS分析方法，并对香料烟中的酸性化合物进行了表征，鉴定出香料烟中143种挥发性及半挥发性酸性组分，包括10种酸酐和呋喃二酮，43种有机酸和90种酚类化合物。李海峰等［27］对香料烟中碱性化合物进行了表征，对比了一维气相色谱和全二维色谱方法用于烟叶碱性组分组成分析的效果。一维色谱质谱方法共鉴定出45种碱性化合物，鉴定出香料烟中挥发性、半挥发性碱性组分共92种（包括吡咯类化合物6种，吡啶类化合物39种，吡嗪类化合物10种，苯胺类化合物11种，喹啉类化合物11种，吲哚类4种和其它类化合物11种）。李莉等［28］采用GC×GC／TOFMS和GC／TOFMS对比定性分析烟草中挥发性、半挥发性酸性物质。在相同条件下，GC–TOFMS只鉴定出烟叶中的有机酸24种，酚类4种，而GC×GC／TOFMS经自动数据处理，最终定性出挥发性、半挥发性酸性成分共107种，其中有机酸有82种，酚类25种。鹿洪亮等［29］分别用GC×GC／TOFMS和GC／MS分析蒸馏萃取得到的烤烟中性组分，建立了烟草挥发性、半挥发性中性化学成分分析的GC×GC／TOFMS方法。以云南楚雄产云烟85C3F烟叶为例，进行了GC×GC／TOFMS与GC／MS在分离能力、灵敏度和族分离方面的对比，结果显示（：1）GC×GC–TOFMS的灵敏度提高了10～82倍（；2）GC×GC／TOFMS的分离能力大大提高，在GC／MS上峰形很好的一个峰，被GC×GC／TOFMS分离出8种成分，因此定量更加准确（；3）C1、C2、C3、C4取代萘因性质不同而在全二维谱图上明显地分为不同的族。

3.3烟用香精香料

朱书奎等［30］采用GC×GC／TOFMS技术对一种国产香烟中常用的烟用香精进行了分析，共鉴定出相似度和反相似度分别大于800和900的化合物有84种（在相同条件下，GC／MS鉴定出的组分数仅为21种）。在与GC×GC／TOFMS相同的分析条件下，利用多内标定量法，用GC–GC／氢火焰离子化检测器（FID）进一步对这些组分进行了准确定量。针对在一维色谱上分离峰太少或色谱图中有明显重叠峰的烟用香精，熊国玺等［31］采用GC×GC／TOFMS对烟用香精进行了定性分析，优化分析条件，并与一维色谱分析结果进行比较。不同分析结果所得化学成分和评吸结果之间的对应关系比较表明，GC×GC／TOFMS比一维气相色谱／质谱（GC／MS）具有更强的分离能力，可定性的组分明显多于一维GC／MS，并且更符合该香精的评吸结果。李智宇等［32］建立了香紫苏油的全二维气相色谱–飞行时间质谱指纹图谱，根据质谱库检索、保留指数验证，或参照标准化合物及文献报道，共定性了183种物质，占峰面积的96．75%。其中正构烷烃、芳香环物质和非芳香环物质在DB–Petro×DB-17ht柱系统上实现了明显的族组分分离，主要成分为乙酸芳樟酯（15．11%）、芳樟醇（9．32%）、乙酸橙花酯（6．02%）、橙花醇（5．89%）、香紫苏醇（4．85%）、顺式-β-罗勒烯（4．14%）、α-月桂烯（3．52%）等。

4展望

尽管气相色谱分离能力很高，但对于烟草行业中高度复杂样品体系来说仍不能满足分析要求（如烟草中已经鉴定的化学成分达3800多种，烟气中已鉴定的成分达4800多种）。在烟草行业已有的应用中，二维气相色谱／飞行时间质谱联用与GC／MS在分离能力、灵敏度和族分离等方面的对比显示：二维气相色谱较一维气相色谱，其灵敏度和分离能力大大提高，且采用TOFMS谱图库检索辅以“二维结构谱图”，能更迅速准确地进行定性［21–32］。这些特点使二维气相色谱技术成为解决复杂体系分离、未知物剖析、非目标物筛查等方面问题的有力工具，在烟草行业分析中将会有更广泛的研究应用。作为一种全新的分析技术，二维气相色谱仍然存在着不一些不足之处，比如更多检测器的联用、调制技术的进一步提高及新方法的开发等，都有待于在今后的实践中去探索。