全二维色谱图中的玄机

全二维色谱图中的玄机

没有接触过全二维的人第一次看到全二维谱图，会觉得花花绿绿的很漂亮，但却不知道怎么看，也不清楚谱图里面包含哪些内容。这次我们就来聊聊全二维色谱图中那些隐藏信息。

在全二维谱图中，每一个化合物都用一个不同颜色的斑点表示。要看懂一张全二维色谱图，也就是要知道化合物在色谱图上的分布情况。比如，对于正向配置来说，一维柱是非极性的，化合物在一维上根据沸点排列；二维柱是极性的（或中极性），化合物在二维上根据极性排列。所以呢，从左到右随着一维保留增加，沸点越来越高，从下到上随着二维保留增加，极性越来越大。

知道了这个基本知识，我们来看看最简单的情况。一系列正构烷烃组成的标样，它的全二维色谱图是怎样的呢？

如果是恒温分析（柱温保持不变），那我们知道，正构烷烃在一维上随着碳数大小依次出峰；而在二维极性柱上，正构烷烃的极性基本是一样的（基本没有极性），但是即使是极性柱，也是对沸点高低进行分离的（在极性基本相同的情况下），所以在二维上，所有的烷烃也是随着碳数大小，保留时间越来越大。所以出来的谱图是这样的，正构烷烃形成一条有斜率的直线。

这样的话呢，正构烷烃下面的空间基本就没法利用了，因为很少有比正构烷烃极性更小的物质。其他有极性的物质都应该分布在这条直线上方，而在高沸点区域，上方的空间有限，势必造成极性物质保留时间超过调制周期而造成峰迂回（wrap-around）。为了充分利用二维分离空间，我们需要尽量减小这条直线的斜率。那应该怎么做呢？

一个最常用的办法是使用升温程序。

如果柱箱的温度时逐渐上升的，那正构烷烃在一维柱上还是根据碳数依次出峰，沸点低的早流出，沸点高的晚流出。而晚流出的峰在进入二维柱的时候，柱温已经提高了。由于二维分离时间极短，可以认为在这一段时间内柱箱处于恒温。对于高沸点的物质，它在二维柱上分离时所经历的温度要比低沸点的物质要高，于是降低了高沸点物质在二维上的保留。这样，这条斜线会被比之前要更平一些。随着升温程序的提高，这条线会越来越平，最终会形成一条和横轴平行的线，这样一来，烷烃上方的大片空间都可以留出来给极性更大的化合物，二维空间得到最好利用，这是最理想的状态。

要实现这种理想状态，关键在于选择合适的升温程序和流速，使得这些不同碳数的正构烷烃在流出一维柱到达二维柱时的温度正好让这些不同碳数的烷烃在二维柱上的保留时间基本相同。

经过很多色谱工作者的尝试和理论推算，可以得到这样一个规律。

如果一维柱和二维柱的径膜比（柱内径和膜厚的比值）相同，只要满足一维死时间（hold-up time）和升温速率的乘积约等于10°C，得到的正构烷烃在谱图上基本是一条直线。

这就是著名的“10度规则”。当然在实际操作中，这只是一个大概指导原则，在该数值上下可以适当调整，并非需要绝对遵循。

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比如在这样一个全二维系统（依次输入一维柱、调制柱、二维柱的柱长和规格，以及柱箱温度和检测器信息），自动计算得到其一维死时间为1.588 min（红圈中数字）

要满足“10度规则”，需要选择的升温程序大约是6.3°C/min

真实正构烷烃C8-C25样品在上述色谱条件下进样后，得到的谱图如下所示。正构烷烃的确形成一条（基本）水平的直线。（实际条件采用8°C/min）

如果针对真实样品，比如各种石化产品，主要含有不同碳数依次排列的正构烷烃，以及少量异构烷烃，此外根据产品种类不同，还含有数量不等的芳香烃，甚至包括含氧化合物等。这样在沸点分离和极性分离的双重作用下，在二维谱图上形成了极有规律性的化合物族类。

这些不同类别的化合物分布在特定的区域，而在同一种化合物类别内（以芳香烃最为典型），随着取代碳链的增加形成非常明显的散点族分布，由于取代基越多其同分异构体数量呈指数级增加，每个散点族中含有峰的数量也迅速增加（如把上图中双环芳香烃类谱图放大后得到下图）。

这种随着碳链增加形成的规律性排布被形象地称为“瓦片效应”，这也是全二维谱图中最有特色的优势。

接下来，我们重点看一下非芳香烃部分。如果把一个典型费托合成油样品的部分谱图放大（基本不含芳香烃），我们可以发现一些几乎一致的重复单元反复出现 [1]。根据前人的文献报道和质谱定性结果，我们知道这些重复单元的具体化学结构信息。而有了这些信息，即使不用质谱，也可以对这些石油样品作出大致的定性分析。

全二维色谱这种谱图分布特点对于复杂样品的族类分析和初步定性提供了非常可靠和简单的方法，甚至某些石化产品的在线自动化检测就可以用全二维气相色谱完成。这方面的内容我们将在下一期给大家介绍。

[1] Colombe Vendeuvre, Fabrice Bertoncini, Laurent Duval, Jean-Luc Duplan, Didier Thiébaut, Marie-Claire Hennion, Journal of Chromatography A, 1056, 155, (2004)

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