一种用于提高关键挥发性化合物分离效果的本地预测建模方法，结合了流量调节型全二维气相色谱技术

《Journal of Chromatography A》：A Local Predictive Modelling Approach for Enhanced Separation of Critical Volatile Compounds with Flow-Modulated Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography

【字体：大中小】 时间：2026年03月10日 来源：Journal of Chromatography A 4

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　　流调制二维气相色谱优化策略及复杂食品挥发性组分分析研究，采用Doehlert设计结合GLM模型，建立多响应优化框架提升共流出峰分离效率，成功应用于葡萄酒、蜂蜜等四种食品挥发性组分的分析。

奥尔加·维维乌尔斯卡（Olga Vyviurska）| 罗西奥·维达尔·佩莱格里诺（Rocio Vidal Pellegrino）| 弗朗蒂谢克·杜戈维奇（Franti?ek Dugovi?）| 多米尼卡·斯克莱纳罗娃（Dominika Sklenárová）| 伊万·什帕尼克（Ivan ?pánik）

斯洛伐克布拉迪斯拉发技术大学，化学与食品技术学院，分析化学研究所，81237，布拉迪斯拉发，斯洛伐克

摘要

近年来，流动调制型二维气相色谱（FM-GC × GC）的应用显著增加，尤其是在复杂食品挥发组分的分析中。然而，这项技术的全部潜力往往受到仪器优化复杂性的限制，而仪器优化对于实现多种样品中多种分析物的高分辨率分离至关重要。本研究通过开发一种预测策略来优化FM-GC × GC的条件，以分离各种挥发性化合物，从而应对这一挑战。基于峰参数的局部模型的效率在四种不同的色谱柱设置中进行了测试，并监测了其与22对共洗组分分离的相关性。利用Doehlert实验设计和广义线性模型（GLM）方法，建立了稳健的预测模型（R2 > 0.80）。尽管这些预测模型仅适用于所测试的实验范围，但其背后的方法和观察到的普遍行为为其他设置提供了可转移的框架。通过结合多响应优化策略和全局分辨率指标——分辨峰分数（FRP），成功改善了共洗组分的分离效果，尤其是在特定的色谱柱配置下。这一工作流程的有效性最终通过其在葡萄酒、蜂蜜、卡斯科拉咖啡茶和马萨拉茶等复杂挥发组分的分析中的应用得到了验证。

引言

低温调制仍然是二维气相色谱（GC × GC）中的主要方法，因为它能提供非常窄的峰宽，并且方法开发比流动调制更为简单[1]。然而，在过去五年中，流动调制型仪器（FM-GC × GC）的使用有所增加。这一趋势归因于其较低的成本、对广泛挥发性物质（C1-C40）的有效调制能力、降低的不完全脱附或穿透概率，以及无需使用低温剂[2,3]。近期文献主要关注FM-GC × GC在食品挥发组分的应用，特别是酒精饮料和橄榄油的研究。多项研究探讨了根据地理来源或生产技术区分葡萄酒的方法，例如白格利洛葡萄酒[4]和Botrytised葡萄酒[5,6]。此外，还利用先进分析技术（如SPME Arrow技术）对爱尔兰威士忌[7]进行了全面分析，以及使用高分辨率大气压质谱仪（带管式等离子体离子源）对苦艾酒[8]进行了分析。进一步的研究[9],[10],[11]基于地理来源对橄榄油进行了分类，特别关注意大利和巴西的橄榄油。虽然也有类似的研究针对葡萄品种[12]、脂肪酸谱型[10]、蔬菜中的多重农药残留[11]以及玉米青贮物的发酵[13]，但针对榛子（C. avellana）的研究采取了不同的方法[14]。在这里，所选技术被整合到数据融合策略中，用于非靶向和靶向代谢组学分析，以预测工业品质，考虑了收获地区、收获后条件、储存时间和温度等因素。

流动调制型GC × GC方法已成功应用于人初乳样本中脂肪酸的代谢组学分析[15]、总脂质组的评估、维生素D代谢物的定量[16]，以及呼出气体中代谢物的研究[17]。此外，环境评估还包括水中有机污染物的检测[18]、大气颗粒物中的有机成分[19]，以及野火样本中可燃液体的残留[20]。

近年来，专门的研究[13,21,22]集中在低温调制系统和流动调制系统之间的条件转换上，这些研究要求保持峰的洗脱顺序、峰容量和色谱分辨率。可转移的条件包括进样口、出样口以及中间点的压力和温度程序，这些参数通过空闲时间进行重新计算。所获得的FM-GC × GC-MS/FID方法的分析时间缩短了约78%，灵敏度与低温调制的GC × GC-TOFMS相当，尽管分离能力降低了约20%[21]。这些趋势，加上流动调制技术的低成本，将进一步推动FM-GC × GC在常规分析中的广泛应用。在这种情况下，对于不同类型样品的分析，需要最大化分离效率。

在本研究中，我们提出了一种系统的优化策略，针对FM-GC × GC的一组关键仪器参数（调制时间、一维流量、二维流量和限制器长度）进行优化，同时保持第一维色谱柱化学性质和温度程序不变。为了评估固定相选择性的影响，评估了四种不同的第二维色谱柱：中极性BPX-50、极性Stabilwax以及两种离子液体相（IL-59和IL-100）。这种做法旨在分离流动相关参数的影响，并在定义的实验范围内建立稳健的响应面方法。为了验证所提出策略的有效性，将优化后的条件应用于实际食品样本（葡萄酒、蜂蜜、卡斯科拉咖啡茶和马萨拉茶）。

化学物质、材料和样品

挥发性化合物混合物包含170个参考标准品（见表S1），由Sigma Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）和Supelco（美国宾夕法尼亚州贝尔方特）提供，这些标准品溶解在己烷和二氯甲烷的混合物中。氯化钠来自Chemapol（捷克共和国布拉格）。样品包括托卡伊葡萄酒（Tokaj & Co., 斯洛伐克）、金合欢蜂蜜（dm-Dauerpreis, 罗马尼亚）、卡斯科拉咖啡茶（Coffea arabica L., Carmen Estate Caturra, 巴拿马）和马萨拉茶（Everest Food）

评估关键共洗组分和不同色谱柱设置下的分离效果

使用Doehlert设计对第一维流量（1D）、第二维流量（2D）、限制器长度以及所选色谱柱设置（DB5 × BPX-50、DB5 × IL-59、DB5 × IL100和DB5 × Stabilwax）的调制周期进行了优化。Doehlert设计属于实验设计的一种，允许调整响应面方法中使用的二次函数[26]。该设计源自常规的k维单纯形，所需的计算量较少

结论

本研究开发并验证了一种系统化的、数据驱动的策略，用于优化流动调制型二维气相色谱（FM-GC × GC），重点关注调制时间、一维流量、二维流量和限制器长度，在固定的温度程序和第一维色谱柱化学条件下进行优化。利用Doehlert实验设计，同时调整了四种不同色谱柱配置（DB5 × BPX-50、DB5 × IL-59、DB5 × IL100、DB5 × Stabilwax）的参数。

CRediT作者贡献声明

奥尔加·维维乌尔斯卡（Olga Vyviurska）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、可视化、监督、方法论、研究、概念化。 罗西奥·维达尔·佩莱格里诺（Rocio Vidal Pellegrino）：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、验证、软件、方法论。 弗朗蒂谢克·杜戈维奇（Franti?ek Dugovi?）：研究、形式分析、数据管理。 多米尼卡·斯克莱纳罗娃（Dominika Sklenárová）：可视化、研究、形式分析、数据管理。 伊万·什帕尼克（Ivan ?pánik）：撰写——审阅与编辑、资源获取、项目管理、资金支持。