基于区块化 F-ratio 组学比对,告别手动找峰:批量石油样品 GC×GC-TOFMS 全组分精准解析

2026-04-23 09:52:25 美国力可公司


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该研究介绍了一种利用全二维气道色谱-飞行时间质谱 (GCxGC-TOFMS) 分析石油样本的新型化学计量学方法。

研究人员改进了传统的平铺式 Fisher 比率 (F-ratio) 分析,使其从仅识别样本间差异物转变为能发现所有可检测分析物的工具。通过将色谱图划分为平铺网格并结合仪器空白对照进行统计学 p-检验,该流程成功构建了一个包含 715 种化合物的主峰表 (MPT)。

这种方法有效解决了保留时间漂移带来的数据对齐难题,能够更精准地量化包括痕量组分在内的复杂分析物。此外,该技术还被用于生成九种石油样品的模拟蒸馏曲线,揭示了即便在主要成分相似的情况下,不同样品在微量化学组成上仍存在显著差异。最终,这项工作为复杂多组分样本的全非靶向分析提供了一个更稳健、自动化的数据处理框架。

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研究背景

建议升级基于区块Tile技术的ChromaTOF软件处理全二维高通量飞行时间质谱(GCxGC-TOFMS)原因如下:

  • 峰数量巨大、手动分析不可行;

  • 保留时间漂移、峰重叠严重;

  • 传统峰识别软件漏检大量痕量组分;

  • 传统 Tile‑based F‑ratio 只用来找 “差异峰”,浪费了全组分检出能力。



基于此,本研究创新性的将传统基于区块(tile)的Fisher比率分析,拓展为复杂样品全组分非靶向筛查工具,建立基于tile-Fisher"全峰查找+空白对照P-test统计验证+MPT总峰表+SSPT单样本峰表一体化流程不再只关注高显著性差异峰,而是完整捕获所有可检出代谢物,解决保留时间漂移、峰重叠、批量样本峰表无法对齐等行业痛点,大幅提升分析效率。

ChromaTOF Tile 软件以区块分析解决漂移、以高灵敏度解决漏峰、以统一列表解决对齐,让 GC×GC-TOFMS 复杂石油样品的全组分非靶向分析从 “难以实现” 变成 “稳定可重复”!



2

研究思路&结果

01

样本设计

选取 9 种代表性石油样品:2 种加氢油(轻石脑油H11、H18)、2 种重整油(R11、R18)、4 种石脑油(N007、N008、N009、N010)、1 种重汽油(FCC),覆盖不同馏程与组成。同时设置仪器空白作为背景对照。

02

仪器与数据采集

使用 GCxGC-TOFMS,非极性柱Rxi-1 + 极性柱Rxi-17MS二维分离,优化升温程序与调制周期,保证高分离度与宽覆盖。所有样品3 次重复进样,保证统计可靠性

仪器信息

仪器型号:Pegasus BT4D(GCxGC-TOFMS)

厂家:美国LECO力可公司

调制器两阶四喷口热调制器

色谱柱系统:1D:Rxi-1(30m x 0.25mm x 0.25μm);2D:Rxi-17MS(2.0 m x 0.18mm x 0.20μm)

载气:氦气He

载气流速:2 mL/min

调制周期:6s

升温程序:起始温度40℃,4℃/min升高到240℃

二维柱温箱和调制器补偿温度:+10℃和+18℃

质谱采集范围:40-334 amu

离子源温度:225℃

传输线温度:285℃

飞行时间质谱采集速率:200张谱图/秒(全二维色谱联用必要条件)

全二维质谱数据处理软件:ChromaTOF

数据分析

差异比对组学软件:ChromaTOF Tile

采用ChromaTOF Tile软件对 9 类石油样品 + 1 组空白(各 3 次重复,共 30 张图谱)进行Tile-Fisher 比率分析,以8 s×120 ms为Tile区块大小,对S/N>10的信号逐块计算 F-ratio 并依据最高 F-ratio 对应的质荷比对检出峰进行排序。经人工剔除冗余峰与柱流失等无用峰后,将初始 1407 个峰精简为719 个有效峰

Tile-based F-Ratio

P-test

为确定特定分析物信号在样本中的存在是否具有统计学显著性,以10 s×120 ms区块范围累加信号,用99% 置信区间 对累加信号峰进行p检验(空白 ±2.33 倍标准差)判定峰是否存在,最终得到715 种可靠待测物,并构建总峰表 MPT。再衍生出单样品专属峰表(SSPT),天然实现保留时间对齐,仅260 种为所有样品共有,样品差异显著。按一维保留时间累加总离子流信号,自动生成模拟蒸馏曲线,分析主组分与痕量组分分布。

两种典型的MPT命中化合物(1,2,4-三甲基苯和1-甲基萘)如下图所示。

  • 1,2,4-三甲基苯在所有石油样品中均高丰度存在,信号远高于空白阈值,全部通过 p‑test,峰形清晰、无干扰,代表样品中高含量共有组分的典型检出结果

  • 1‑甲基萘低丰度、非共有组分,仅在部分样品中明显存在;经 99% 置信区间阈值判定,可准确区分 “真实存在” 与 “空白噪声”,有效避免低含量峰的误判,体现方法对痕量、非共有组分的精准鉴别能力。

模拟蒸馏结果显示(下图),9 种石油样品在前 25 min 即可累积 99% 总离子流信号,仅 1% 信号对应大量晚流出痕量组分。样品越重、组分越复杂,达到 99% 信号所需时间越长。

上图左 Y轴 为 TIC 累积占比,右 Y 轴为组分数,横坐标为一维保留时间;虚线标记 99% TIC 对应的时间与峰数,直观呈现主组分与痕量组分的出峰分布。

上图为关联散点图,展示总组分数、99% TIC 组分数、占比与99% TIC 对应流出时间的正相关关系,说明样品越重、组分越复杂,主组分完全流出越晚。

总结:

  • 所有样品99% 的总信号来自前 25 min 出峰组分(总运行 50 min)。

  • 剩余约 1% 信号对应大量晚出峰微量组分,是石油样品的重要特征。

  • 样品越重、组分越多,达到 99% 信号所需的一维保留时间越长。

03

Tile软件的突出优势

Tile 软件是整套方法能成功、能稳定、能高效的核心支撑,它的作用贯穿从数据解析到结果输出全流程,是传统像素级分析无法替代的。

1. 抗保留时间漂移,实现多样品天然对齐

  • 采用区块(tile) 而非单像素计算,大幅降低保留时间轻微偏移带来的干扰。

  • 自动把所有样品的峰按区块位置统一索引,无需手动校正、无需峰匹配,直接生成跨样品对齐的总峰表

2. 超高灵敏度,检出更多真实组分(远超普通峰找法)

  • 可识别色谱重叠峰、低丰度痕量峰、基线附近弱信号(S/N>10 即可检出)。

  • 9 个石油样品共检出715 种组分,远多于常规峰识别软件,解决复杂基质 “漏峰” 问题

3. 一站式生成全面 hit list,支撑总峰表 MPT 构建

  • 一次性输出所有可检测组分的综合列表,不丢弃低 F-ratio 但真实存在的峰

  • 直接提供峰位置、最佳定量 m/z、信号强度,为后续统计检验与定量提供标准化输入。

4. 降低背景干扰,提升结果可靠性

  • 内置基线校正与噪声阈值判断,结合区块信号统计,减少柱流失、基质干扰造成的假阳性。

  • 配合空白 p-test,实现 “弱信号也能准确判定是否存在”。

5. 适配批量复杂样品,大幅提升分析效率

  • 一次运算即可处理9 类样品 + 空白共 30 张图谱

  • 自动输出总峰表→一键生成各样品专属峰表,把原本数周的手动对齐工作缩短到可流程化完成

4

Tile软件功能展示

Q

这种模拟蒸馏方法与常规色谱方法在检测痕量组分方面相比有哪些核心优势?这种基于分区块的Fisher比率分析法如何提升石油样品分析的准确性?

  • 精准揭示被常规方法漏检的痕量组分

    常规的色谱方法在未经过专门设计时,往往难以捕捉到极低浓度或较晚洗脱的成分。而该模拟蒸馏工作流程能够深入揭示石油材料中那些仅占总成分约1%、在较长保留时间才洗脱出来的痕量微量成分

  • 突破色谱峰重叠限制,识别出海量真实分析物

    在常规的寻峰算法中,由于不可避免的色谱重叠现象,系统识别出的峰数量总是少于实际存在的分析物数量。该方法结合了飞行时间质谱(TOFMS)的极佳选择性和分区块Fisher比率计算,能够轻松攻克极低分离度的难题,所发现的分析物数量远超标准寻峰软件,甚至能揭示几乎所有被检测到的化合物

  • 精准到“单像素”的信号提取,大幅提高定量准确性

    在计算模拟蒸馏所需的总离子流(TIC)信号时,该方法并非对整个信号分块区域进行求和,而是极其精确地提取分析物命中“针脚”位置(即单个像素)的TIC信号。这种精细的操作最大程度地排除了相邻分析物的信号干扰,从而最大化了定量计算的准确度

  • 天然克服保留时间偏移,实现样本间的完美对齐

    过去依赖于为每个色谱图单独建立峰表的常规方法,无法妥善解决色谱图之间的保留时间偏移和其他仪器变异问题。该方法依赖底层分块技术,不仅能有效降低对保留时间偏移的敏感度,还能自动生成“主峰表(MPT)”,从而在不同样品和复本之间实现分析物的自然对齐与横向比较。

  • 自适应信噪比阈值与基线校正

    该方法充分利用了底层的分块逻辑,天然具备处理基线校正的能力,并结合信噪比限制条件。只要信号在所有样品中表现出相对于基线噪声足够高的信噪比(例如S/N > 10),该痕量分析物就会被判定为可检测并产生Fisher比。这种机制确保了只要高于定量限(LOQ)的微量成分都能被无遗漏地捕捉到主峰表(MPT)中

A

Q

为什么要在模拟蒸馏中结合TOFMS和FID检测?

在模拟蒸馏中建议结合使用飞行时间质谱(TOFMS)和火焰离子化检测器(FID),核心是为了获得更加精确的模拟蒸馏曲线。

虽然该研究证明了利用单像素精确位置处的TOFMS总离子流(TIC)信号可以作为分析物相对定量的有效估算手段,但FID的信号响应能够更容易、更直接地根据分析物的实际浓度进行校准。因此,将具有极佳化学选择性(能够发现所有痕量分析物)的TOFMS与更易于实现精确浓度定量的FID结合使用,可以进一步提升整体定量分析的准确度。

A

Q

为什么分区块Fisher比率分析比标准寻峰软件发现的分析物更多?

Tile-based F-ratio分析比标准寻峰软件能够发现更多分析物,核心原因在于其突破了色谱峰重叠的物理限制,并充分利用了飞行时间质谱极佳的化学选择性。

  • 常规寻峰算法受限于色谱峰重叠

    标准的寻峰软件主要是基于色谱图上的物理峰来进行识别的。然而,在复杂样品中,多个不同的化合物经常会在相近的时间洗脱,导致色谱峰不可避免地发生重叠。因此,受限于这种物理重叠,常规寻峰算法识别出的可见“峰”的数量,总是少于或等于实际存在的“分析物”数量

  • 分区块Fisher比率分析结合TOFMS提取隐蔽信号

    分区块Fisher比率分析法并没有单纯依赖物理峰的形态,而是借助了TOFMS极其出色的质量通道(m/z)选择性。该软件在对信号进行分块处理时,会对每一个表现出足够信噪比(S/N > 10)的质量通道独立计算信号。这种极高的选择性使得该方法能够在色谱分离度极低(即峰严重重叠)的情况下,依然精准提取并揭示出几乎所有被仪器检测到的独立分析物。

A

Q

如主峰表(MPT)与样本特定峰表(SSPT)有何关系?

主峰表(MPT)与样本特定峰表(SSPT)是全局基础→样本衍生的层级关系,核心逻辑三点:

  1. 生成关系

    先通过分区块 F‑ratio 分析汇总所有样本信号,构建全局统一的主峰表(MPT);再以 MPT 为基础,为每个样本 / 进样复本生成专属样本特定峰表(SSPT)

  2. 筛选机制

    由 MPT 到 SSPT 的关键过滤是p 检验(99% 置信区间):以空白为参照,仅将统计学显著、高于空白的分析物,从 MPT 中提取至对应样本的 SSPT。

  3. 核心优势

    所有 SSPT 源自同一 MPT,基于相同分块索引与精确定位,天然实现跨样本保留时间对齐,无需逐张峰表校正,彻底解决保留时间偏移问题。

A



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