高品質立體彈性填料生產廠家全二維氣相色譜測量有機氣溶膠前沿評述

　　高品質立體彈性填料廠家全二維氣相色譜測量有機氣溶膠前沿評述。本文分析了全二維氣相色譜(GC×GC)在測量大氣有機氣溶膠和源排放氣溶膠的發展和應用。GC×GC與質譜聯用提供了多種新穎的分析方案，包括靶向分析、非靶向分析和族類分析，證明了GC×GC分析復雜有機氣溶膠樣品的能力。特別是，近年來在線GC×GC技術的發展有助于捕捉源排放、大氣二次生成和氣象因素變化引起的大氣有機氣溶膠的動態變化。

　　圖片摘要

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　　大氣氣溶膠影響空氣質量、氣候變化和人類健康，其中有機物可占總氣溶膠質量的一半以上。測量大氣有機氣溶膠的化學組成有助于揭示其來源和環境影響。有機氣溶膠組分測量是一個挑戰。在一個樣品中可能存在成千上萬種不同的化合物，并且這些化合物具有廣泛的分子大小和官能團多樣性，以及寬揮發性和極性范圍。此外，由于排放源強、大氣轉化和氣象條件的可變性而引入的動態變化也增加了其挑戰。因此，有機氣溶膠的測量需要高化學分辨率和高時間分辨率的方法。

　　氣相色譜(GC)結合質譜檢測技術能夠根據有機組分的揮發性或極性在分子水平上分離和檢測有機組分，從而提供了有機氣溶膠的重要化學組分信息。然而，傳統的一維氣相色譜在檢測復雜的樣品時，往往因為分離度不夠，導致組分共流出現象。

　　全二維氣相色譜(GC×GC)是一種多維氣相色譜技術，大約三十多年前由Liu和Phillips提出，它在揭示大氣中復雜有機化合物成分方面具有優勢。兩根不同極性的色譜柱(一維柱和二維柱)通過調制器串聯，用于GC×GC分離。調制器周期性地將分析物從一維柱轉移到二維柱進行分離。在一維柱中共流出的組分將有機會在二維柱中得到分離。與一維氣相色譜相比，GC×GC具有化學分辨率高、峰容量大、有機族類分布規則等優點。

　　GC×GC與質譜聯用可以實現各種分析方案，包括靶向分析、非靶向分析和族類分析。后兩者由于一維氣相色譜峰容量不足，很少應用于一維氣相色譜。靶向分析通常用于對已知的有標準物質組分的定量分析。非靶向分析用于獲得對樣品的全面了解，包括識別、分類和定量。族類分析用于指紋特定的有機類。這些數據處理方法已應用于有機氣溶膠的測量。

　　文章首先介紹了實現GC×GC分析的關鍵裝置—調制器和有機氣溶膠GC×GC分析的流程(圖1)。有機氣溶膠的測量多采用熱調制器，通過冷捕集、熱釋放的方式實現對組分的調制。傳統的熱調制器需要使用大量的制冷劑(如液氮等)來進行制冷，不利于大氣中有機氣溶膠外場觀測。近年來，無消耗的熱調制器的研發和應用為大氣有機氣溶膠測量提供了便利。

　　隨后，文章介紹了離線GC×GC在大氣和源排放氣溶膠測量中的應用。GC×GC已被應用于測量城市、森林和道路站點的大氣有機氣溶膠，測量對象包括總懸浮顆粒物、PM2.5、PM1、超細顆粒物和分粒徑的顆粒物等。在大氣有機氣溶膠中已檢測到數千種化合物，在結構化的二維色譜圖中有機族類的位置在不同研究中具有顯著的相似性。如圖2所示，化合物基于揮發性和極性可被劃分為脂肪族和芳香族區域。具有相似性質的同系物或化合物在二維色譜圖中呈條帶狀區域。隨著極性的逐漸增大，不同有機族類在二維上的相對位置逐漸增大。因此，僅憑二維色譜圖的結構就可以粗略地描述化合物的種類。與一維氣相色譜相比，GC×GC使檢測到的化合物數量增加了一個數量級以上，其中大部分峰在一維氣相色譜中存在共流出，導致分析困難。如圖3所示，超過86%的一維氣相色譜峰具有顯著的共流出。

　　GC×GC解決了一維氣相色譜共流出引起的高估，可顯著提高靶向化合物定量的準確性。利用外標法或者內標法進行目標分析已被廣泛應用于大氣有機氣溶膠化學組分的定量研究。靶向有機組分包括烷烴、醛酮類、多環芳烴、氧化多環芳烴等。非靶向分析已被用于識別和定量大氣有機氣溶膠中的未知化合物。在不同的大氣環境中，大氣有機氣溶膠的化學組成是不同的。森林氣溶膠包含了許多來自于生物源的組分，而城市有機氣溶膠鑒定出一些來自道路交通、工業和消費品的組分。另外，在城市有機氣溶膠中發現了大量含氮化合物。對非靶向篩查出的化合物進行定量也是可以實現的，這種方式將能夠識別和鑒定的化合物的范圍擴大到整個色譜圖。有機族類的可視化展示能夠提高對未知樣品的認知。基于質譜的碎片模式和GC×GC的一維和二維保留時間能夠提取目標族類。具有特定有機族類、特定元素和官能團的化合物，包括烷烴、烯烴和環烷烴、脂肪酸和各種芳香族化合物，可以被高精度的自動提取和分類。此外，GC×GC還被用于分析各種排放源的氣溶膠，如生物質燃燒、機動車尾氣和香煙燃燒氣溶膠。

　　近年來，在線GC×GC技術的發展幫助實現了大氣有機氣溶膠化學組分的高時間分辨率測量。在線GC×GC技術采用無消耗的熱調制器，體積小巧便攜，便于外場觀測。氣溶膠通過預切割、溶蝕器等預處理裝置后，進入收集和熱脫附一體化裝置實現原位氣溶膠采集和熱脫附，再進入GC×GC進行分離。在線GC×GC技術已用于大氣有機氣溶膠和實驗室發生的氣溶膠的現場測量。高時間分辨率(1.5-2小時)的測量獲得了C13-C40正構烷烴濃度的日變化和排放源的相對貢獻，提供了更精確的來源和大氣轉化過程的跟蹤。在線GC×GC技術還被用于測量長葉烯臭氧分解產物的演變和揮發性分布。另外，改進的在線GC×GC技術(使用較短的色譜柱)增加了未衍生化的含氧有機物的通過效率，結合高分辨質譜和正定矩陣因子分解法拓展了有機氣溶膠的多維分離和識別。

　　圖文導讀

　　圖1 使用全二維氣相色譜系統在線或離線分析有機氣溶膠的示意圖

　　圖2 (a) 大氣有機氣溶膠全二維色譜示意圖;(b)北京大氣PM2.5的典型二維色譜圖

　　圖3 通過GC×GC分析確定的一維氣相色譜中不同數量共流出峰的百分比。圖中所用的北京大氣PM2.5樣本采集于2018年3月16日

　　小結

　　全二維氣相色譜是測量有機氣溶膠化學組分的利器。與一維氣相色譜相比，GC×GC可檢測出數千個峰，峰容量增加一個數量級以上。GC×GC能夠識別多種脂肪族和芳香族化合物，包括許多由于共流出無法在一維氣相色譜中檢測到的化合物。對于靶向分析，GC×GC因減少了一維氣相色譜共流出引起的高估而實現更準確的定量。非靶向分析和族類分析提供了對未知樣品的快速有效的特征解析。用不同的數據處理方法解析的有機氣溶膠的化學組分表明了GC×GC在復雜氣溶膠樣品分析中的優越性。在線GC×GC技術是一種有效的有機氣溶膠化學組分原位測量方法，其時間分辨率為1.5-2小時。應用在線GC×GC技術使得有機氣溶膠在線測量結合非靶向分析成為可能。

　　展望未來，GC×GC將得到進一步的改進和提高，并廣泛應用于在線和離線有機氣溶膠的測量。這同時需要快速而穩健的分析方法來處理大量的數據。傳統的目標數據處理方法費時費力，機器學習等新技術有助于解決這些挑戰。

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