全二维气相色谱中氢气载气方法转换用于可持续非靶向分析

《Analytical Chemistry》：Hydrogen Carrier Gas Method Translation in Comprehensive Two-Dimensional Gas Chromatography for Sustainable Nontargeted Analysis

　　

载气的选择和控制是影响一维气相色谱（1D GC）和全二维气相色谱（GC×GC）性能的关键因素。氦气因其惰性而被广泛使用，但其成本增加、供应有限以及依赖化石燃料开采引发了可持续性担忧。氢气作为一种可行的替代方案，具有更快的优化线速度以达到相当的效率，并通过依赖水电解的生成器实现更可持续的生产。尽管存在将1D GC方法从氦气转换为氢气的工具，但这些工具在GC×GC中的应用尚未得到充分确立，尤其是针对多维分离特有的参数。本研究介绍了将氦气转换为氢气载气用于低温调制GC×GC-MS的方法。研究人员评估了从一维工具衍生出的三种转换方法，并结合调制周期使用标准混合物进行了评估，随后在法医应用中通过真实指纹残留样品进行了验证。转换选项采用流量和温度调整的组合，使氦气和氢气之间的柱效率匹配，提供了相当的峰容量，以及可接受的S/N、拖尾因子和关键峰对之间的分辨率。调制周期可减少50%，为方法转换提供了实用指南。氢气将总运行时间减少了高达60%，提高了样品通量并降低了每个样品的能耗。尽管可持续性比较是微妙的，但氢气在整体上表现出更好的绿色化学一致性，这得益于更高的可持续性指标评分以及效率和资源利用方面的提升。

**论文解读文章**

**研究背景与问题**
载气是气相色谱分离中的关键因素。在一维气相色谱（1D GC）和全二维气相色谱（GC×GC）中，氦气因其惰性而被广泛使用。然而，氦气是一种有限资源，来源于天然气提取，伴随CO₂排放和潜在水污染等环境影响。此外，氦气的提取、运输和高压钢瓶处理增加了成本。随着氦气储量下降和需求增加，价格上涨，限制了常规或偏远实验室的可及性，并造成应用间的差异。尽管有经验的用户可利用高级知识和工具将方法从氦气转换为氢气，但简化工作流程以支持终端用户进行这一转换的需求日益增长。

氢气作为载气相比氦气具有明显优势。根据van Deemter方程，氢气因其较低的粘度和较高的扩散性，可在更快的优化线速度下达到与氦气相当的效率，从而缩短分析时间而不损失效率。氢气可通过水电解现场生成，减少不可再生化石燃料衍生的生产，消除气体运输成本，并降低钢瓶储存的易燃风险。然而，氢气可能与样品中的分析物发生反应（如含氧基团的还原或芳香/乙烯基双键的氢化），尤其是在非靶向分析中，需监测分析物鉴定。

目前，存在将1D GC方法转换为氢气的工具，但尚无针对GC×GC的既定方法。现有的一维转换方法未考虑GC×GC分离中额外的可编程参数（如调制器和快速第二维分离），导致在优化氢气载气用于GC×GC-MS分离方面存在空白。本研究的目的是开发并评估一种将低温调制GC×GC-MS系统从氦气转换为氢气载气的方法。

**研究内容与结论**
研究人员使用化学标准品（52组分室内空气标准、Grob标准、C7–C30饱和直链烷烃混合物）和一种一维转换工具（Pro EZGC Method Translator，Restek Corporation），评估了控制第二维分离和色谱性能的参数。该工具提供了三种转换选项：translate（转换）、efficiency（效率）和speed（速度）。随后，研究人员在真实指纹残留样品（来源：威廉与玛丽学院IRB批准方案PHSC-2024-03-05-16929-kaperrault）上验证了该方法，作为法医非靶向分析应用。

研究表明，translate选项（结合流量和温度调整以匹配柱效率）在所有标准品中表现出最佳的色谱空间利用和最低的峰拖尾，同时将运行时间减少60%。调制周期可减少50%，为GC×GC载气转换提供了首个保留时间减少比率的指导原则。氢气载气将总运行时间减少高达60%，使样品通量几乎翻倍，并降低每个样品的能耗（2636 W）。绿色化学指标评估（BAGI、MoGAPI、AGREE）显示，氢气在整体上获得更高的可持续性评分，尽管在安全性方面因可燃性受到惩罚，但通过现场生成（水电解）获得了可再生性优势。

在真实指纹残留样品中，translate选项同样表现最佳，具有最小的峰拖尾和良好的重现性。所有分析物在两种载气下均能成功鉴定，未观察到氢气干扰质谱碎裂模式。研究还发现，氢气载气下第二维保留时间减少约2:1，调节周期可相应减少50%。

**意义**
该研究首次提出了在低温调制GC×GC-TOFMS系统中将氦气方法转换为氢气方法的保留时间减少比率。氢气载气可实现更快的分析，符合绿色化学的能效原则，并可应用于常规高通量实验室（如法医、食品控制实验室）。该发现为其他非靶向分析应用提供了可复制的工作流程。

**主要关键技术方法**
研究人员使用Pro EZGC Method Translator（Restek Corporation）将氦气方法转换为氢气方法，提供translate、efficiency和speed三种选项。采用低温调制GC×GC-TOFMS系统（Pegasus BT 4D，LECO Corporation），配备双级四喷射低温调制器。柱系统为30 m × 0.25 mm × 0.25 μm Rxi-5 ms（第一维）和0.90 m × 0.25 mm × 0.25 μm Rxi-17Sil MS（第二维）。氢气由NM Plus 600氢气发生器（纯度99.9996%，VICI DBS）现场供应。样品包括标准混合物和真实指纹残留样品（来自5名志愿者，按威廉与玛丽学院IRB批准方案收集）。绿色化学评估使用BAGI、MoGAPI和AGREE指标。

**研究结果**

**1. 氢气方法转换——标准品**
通过ProEZGC方法转换器，translate选项使运行时间减少约1.66倍，efficiency选项减少约1.96倍，speed选项减少约2.36倍。translate选项在所有标准品中表现出最佳的色谱空间利用和最低的峰拖尾因子（如β-蒎烯拖尾因子1.38 vs 效率选项1.45和速度选项1.54）。峰面积和信噪比（S/N）分析显示translate选项最有利，尽管不同分析物趋势不一致。关键峰对（如苯乙烯与对二甲苯）的分辨率在translate选项下与氦气相当。氢气使运行时间减少60%，同时保持足够的分离度。

**2. 调制周期调整**
氢气在第二维中产生更快的分离，第二维保留时间减少约2:1，表明调制周期可减少约50%（例如室内空气标准从2.0 s降至1.0 s）。这是首次报道的GC×GC载气转换中调制周期调整的比率。每峰调制次数在氦气和氢气间保持一致。

**3. 绿色化学评估**
氢气方法在BAGI指标中获得更高分数（因样品通量增加），MoGAPI指标中氢气在溶剂来源（现场生成）得分更高，但安全性（可燃性）得分较低；AGREE指标中氢气在可再生性（水电解）得分更高，安全性得分较低。氢气使每个样品能耗降低2636 W，每日样品通量从约31个增至约52个。

**4. 指纹残留应用**
七种分析物（脂肪酸和酯）的测试表明，translate选项在峰拖尾和重现性方面优于其他选项。在真实指纹样品中，translate选项显示出最小的峰拖尾（图6A–C），适合定量分析。调制周期减少50%避免了包裹峰。所有分析物在两种载气下均成功鉴定，未发现氢气引起的反应性鉴定问题。

**总结讨论与结论**
研究结论部分指出：氦气长期以来是GC-MS的标准载气，但已变得昂贵且难以获取。氢气因其较低的粘度和较高的扩散性，可在更宽的线速度范围内保持相当的色谱效率，从而支持更快的分离。本研究使用分析标准品开发了从氦气到三种氢气方法的转换工作流程，并应用于低温调制GC×GC-TOFMS。translate选项在峰形和重现性上优于speed或efficiency选项。与氦气相比，氢气使运行时间减少60%，调制周期减少50%。该转换在指纹标准品和真实指纹样品中成功验证。这是首次提出在低温调制GC×GC-TOFMS中从氦气方法转换为氢气方法的保留时间减少比率。

使用氢气载气的更快分析符合绿色化学的能效原则。更短的运行时间降低每个样品的电力消耗并提高总体通量。氢气方法在降低每运行能耗的同时几乎翻倍了每小时样品通量，为常规高通量实验室提供了明确优势。氢气通过现场电解生成具有可持续性潜力，与氦气的不可再生来源形成对比。总体可持续性影响反映了能源使用、气体来源、安全性和操作效率的平衡。研究结果在真实指纹样品中得以复制，使其适用于其他使用GC×GC-TOFMS分析的真实样品。