基于标准化合成混合物的全二维气相色谱系统选择性比较研究

《Journal of Chromatography Open》：Selectivity Comparisons of Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography Systems Through the Use of a Standardized Synthetic Mixture

　　

研究人员开发了一种用于比较全二维气相色谱(GC?×?GC)系统的标准化方法。GC?×?GC系统可根据三个核心组件进行分类：调制器（低温或基于流）、色谱柱组（正交或反正交）及检测器（质谱或非质谱）。该方法采用名为Century Mix的合成化学品混合物，通过获取各系统中组分相对保留坐标的指纹图谱实现比较。这些保留坐标通过温度程序保留指数(Temperature Programmed Retention Indexing, TPRI)进行归一化处理，通过比较不同系统间的TPRI值可确定其相似程度。研究人员引入保留指数相关性(Retention Index Correlation, RIC)指标来衡量系统间拟合优度。项目第一阶段，研究人员考察了流速、升温速率和调制周期等操作参数的变化对单台仪器TPRI值重现性的影响。第二阶段，研究人员在11种不同的GC?×?GC系统上生成了Century Mix指纹图谱，相同固定相组合的低温与基于流系统之间的两两比较显示，RIC图的r2值均高于0.999。此外，研究人员还应用主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)、树状图和热力图等先进数据处理技术，对二维保留图谱集合进行了表征和分类。该方法成功实现了对不同系统间显著差异的区分，最终将有助于在更大规模研究中建立有效的系统间比较。

该研究发表于《Journal of Chromatography Open》，针对全二维气相色谱(GC?×?GC)系统缺乏统一评价标准的问题展开。自1994年商业化以来，GC?×?GC技术已发展出低温与基于流两类调制机制，但目前不同实验室的系统配置差异巨大，导致数据难以跨平台比对。尤其在非靶向分析(NTA)和可疑筛选分析(SSA)中，由于缺乏标准化的保留指数数据库，阻碍了跨实验室数据的互认与整合。为解决这一问题，研究人员开发了Century Mix标准化测试混合物，旨在建立一套通用的系统选择性评价方法。

研究人员通过开展两项关键研究解决了上述问题。首先在单台仪器上评估了操作参数对保留指数重现性的影响，随后在跨实验室的11种不同GC?×?GC平台上验证了方法的普适性。研究结果表明，基于原始色谱迹线计算的温度程序保留指数(TPRI)能有效消除仪器参数波动带来的偏差。通过引入保留指数相关性(RIC)这一量化指标，研究人员发现即使是不同类型的调制器（低温与基于流），只要固定相组合一致，其保留行为也具有极高的相关性(r²>0.999)。此外，研究首次明确了升温速率是影响保留指数的最主要因素，而调制周期和数据采集速率的影响微乎其微。这项工作为建立GC?×?GC领域的标准化保留指数数据库奠定了方法论基础。

关键技术方法方面，研究人员设计了包含100种涵盖不同官能团化合物的Century Mix标准品。实验分为两部分：第一部分为单系统内部研究，在单一低温调制系统上改变流速(0.5-2.0 mL/min)、升温速率(2-20 °C/min)、调制周期(1-16秒)和数据采集速率(20-200 Hz)，评估参数波动对TPRI重现性的影响；第二部分为跨系统研究，在位于5个不同地点的11个实验室使用不同厂商（LECO、Zoex、SepSolve）的仪器进行测试，涵盖低温调制（四喷式、佩尔捷）和基于流调制（Insight FFF、Paradigm）两种机制，以及正交、反正交和混合型三种色谱柱组配置。数据处理采用改进的van Den Dool插值法计算TPRI，并利用MetaboAnalyst 5.0软件进行主成分分析和聚类分析。

研究结果部分，在3.1节“TPRI比较指标的建立”中，研究人员提出了基于原始色谱迹线的保留指数计算新方法。传统GC?×?GC保留指数依赖于二维平面的等挥发度曲线，受峰包裹影响大且适用范围窄。研究人员发现化合物在GC?×?GC中绝大部分保留时间集中在第一维色谱柱，因此将一维和二维保留时间求和作为总保留时间进行索引。通过System 1（Rxi-5 MS/Rxi-17）验证，该方法计算的TPRI与一维非极性色谱柱（DB-5）的相关系数r²达0.9994，证明其主要受第一维固定相主导。同时定义了相对极性因子(RPF)用于衡量不同系统间的极性差异。

在3.2节“GC?×?GC系统内变化”中，研究人员系统评估了操作参数的影响。3.2.1节关于标准条件下的重现性研究表明，6次重复进样的平均保留指数偏差仅为1个指数单位，证明了方法的稳定性。3.2.2节关于流速的研究显示，0.5至2.0 mL/min范围内的流速变化对相对保留几乎没有影响。3.2.3节关于数据采集速率的研究表明，20至200 Hz的变化不影响保留指数。3.2.4节关于调制周期的研究最为关键，结果显示即使在1秒的极短调制周期下发生严重峰包裹，TPRI值依然保持稳定（r²=0.9998），这打破了必须避免峰包裹的传统认知。3.2.5节关于升温速率的研究指出，当升温速率差超过10 °C/min时，芳香族化合物的保留指数偏差会显著增大，建议跨平台比较时应控制升温速率差异在10 °C/min以内。

在3.3节“GC?×?GC系统间变化”中，研究人员进行了广泛的跨平台验证。3.3.1节的成对比较显示，相同固定相组合的不同调制器（低温vs基于流）之间RIC r²高达0.9997；而正接（非极性/半极性）与反接（半极性/非极性）色谱柱组的r²仅为0.9325，表明固定相组合是决定选择性的关键因素。3.3.2节基于第二维洗脱顺序对色谱柱组进行了分类，发现了除常规正/反正交外的“混合正交”模式，即两维均为半极性固定相的组合，其烷烃既不最先也不最后流出。3.3.3节利用主成分分析和树状图对所有系统进行了无监督聚类，结果清晰地按第一维固定相性质将系统分开，进一步证实了第一维色谱柱在决定整体选择性中的主导地位。

讨论与结论部分，研究人员总结了基于原始迹线的TPRI计算方法的有效性，并指出RIC r²是评估系统相似性的有效量化工具。研究证实流速、数据采集速率和调制周期对相对保留影响不大，而升温速率是主要变量。跨系统比较显示，低温与基于流调制系统在相同固定相下具有高度可比性。研究成功建立了Century Mix的标准指纹图谱，能够区分正/反/混合正交色谱柱组。该标准化方法不仅有助于优化现有GC?×?GC方法，还将支持建立跨实验室的非靶向分析数据库，推动高分辨分离科学在法规监管和标准制定中的应用。