通讯单位：清华大学环境学院
论 DOI：10.1016/j.hazl.2021.100013
图片摘要
成果简介
近日，清华大学环境学院蒋靖坤教授团队同英国伯明翰大学时宗波教授和Roy Harrison教授、美国圣路易斯华盛顿大学Brent Williams教授合作在环境领域学术期刊Journal of Hazardous Materials Letters上发表了题为“Frontier review on comprehensive two-dimensional gas chromatography for measuring organic aerosol”的评述论 。 章分析了全二维气相色谱（GC×GC）在测量大气有机气溶胶和源排放气溶胶的发展和应用。GC×GC与质谱联用提供了多种新颖的分析方案，包括靶向分析、非靶向分析和族类分析，证明了GC×GC分析复杂有机气溶胶样品的能力。特别是，近年来在线GC×GC技术的发展有助于捕捉源排放、大气二次生成和气象因素变化引起的大气有机气溶胶的动态变化。
全 速览
气相色谱（GC）结合质谱检测技术能够根据有机组分的挥发性或极性在分子水平上分离和检测有机组分，从而提供了有机气溶胶的重要化学组分信息。然而，传统的一维气相色谱在检测复杂的样品时，往往因为分离度不够，导致组分共流出现象。
全二维气相色谱（GC×GC）是一种多维气相色谱技术，大约三十多年前由Liu和Phillips提出，它在揭示大气中复杂有机化合物成分方面具有优势。两根不同极性的色谱柱（一维柱和二维柱）通过调制器串联，用于GC×GC分离。调制器周期性地将分析物从一维柱转移到二维柱进行分离。在一维柱中共流出的组分将有机会在二维柱中得到分离。与一维气相色谱相比，GC×GC具有化学分辨率高、峰容量大、有机族类分布规则等优点。
GC×GC与质谱联用可以实现各种分析方案，包括靶向分析、非靶向分析和族类分析。后两者由于一维气相色谱峰容量不足，很少应用于一维气相色谱。靶向分析通常用于对已知的有标准物质组分的定量分析。非靶向分析用于获得对样品的全面了解，包括识别、分类和定量。族类分析用于指纹特定的有机类。这些数据处理方法已应用于有机气溶胶的测量。
章首先介绍了实现GC×GC分析的关键装置—调制器和有机气溶胶GC×GC分析的流程（图1）。有机气溶胶的测量多采用热调制器，通过冷捕集、热释放的方式实现对组分的调制。传统的热调制器需要使用大量的制冷剂（如液氮等）来进行制冷，不利于大气中有机气溶胶外场观测。近年来，无消耗的热调制器的研发和应用为大气有机气溶胶测量提供了便利。
随后， 章介绍了离线GC×GC在大气和源排放气溶胶测量中的应用。GC×GC已被应用于测量城市、森林和道路站点的大气有机气溶胶，测量对象包括总悬浮颗粒物、PM2.5、PM1、超细颗粒物和分粒径的颗粒物等。在大气有机气溶胶中已检测到数千种化合物，在结构化的二维色谱图中有机族类的位置在不同研究中具有显著的相似性。如图2所示，化合物基于挥发性和极性可被划分为脂肪族和芳香族区域。具有相似性质的同系物或化合物在二维色谱图中呈条带状区域。随着极性的逐渐增大，不同有机族类在二维上的相对位置逐渐增大。因此，仅凭二维色谱图的结构就可以粗略地描述化合物的种类。与一维气相色谱相比，GC×GC使检测到的化合物数量增加了一个数量级以上，其中大部分峰在一维气相色谱中存在共流出，导致分析困难。如图3所示，超过86%的一维气相色谱峰具有显著的共流出。
GC×GC解决了一维气相色谱共流出引起的高估，可显著提高靶向化合物定量的准确性。利用外标法或者内标法进行目标分析已被广泛应用于大气有机气溶胶化学组分的定量研究。靶向有机组分包括烷烃、醛酮类、多环芳烃、氧化多环芳烃等。非靶向分析已被用于识别和定量大气有机气溶胶中的未知化合物。在不同的大气环境中，大气有机气溶胶的化学组成是不同的。森林气溶胶包含了许多来自于生物源的组分，而城市有机气溶胶鉴定出一些来自道路交通、工业和消费品的组分。另外，在城市有机气溶胶中发现了大量含氮化合物。对非靶向筛查出的化合物进行定量也是可以实现的，这种方式将能够识别和鉴定的化合物的范围扩大到整个色谱图。有机族类的可视化展示能够提高对未知样品的认知。基于质谱的碎片模式和GC×GC的一维和二维保留时间能够提取目标族类。具有特定有机族类、特定元素和官能团的化合物，包括烷烃、烯烃和环烷烃、脂肪酸和各种芳香族化合物，可以被高精度的自动提取和分类。此外，GC×GC还被用于分析各种排放源的气溶胶，如生物质燃烧、机动车尾气和香烟燃烧气溶胶。
图 导读
图1 使用全二维气相色谱系统在线或离线分析有机气溶胶的示意图
图2 （a） 大气有机气溶胶全二维色谱示意图；（b）北京大气PM2.5的典型二维色谱图
图3 通过GC×GC分析确定的一维气相色谱中不同数量共流出峰的百分比。图中所用的北京大气PM2.5样本采集于2018年3月16日
小结
全二维气相色谱是测量有机气溶胶化学组分的利器。与一维气相色谱相比，GC×GC可检测出数千个峰，峰容量增加一个数量级以上。GC×GC能够识别多种脂肪族和芳香族化合物，包括许多由于共流出无法在一维气相色谱中检测到的化合物。对于靶向分析，GC×GC因减少了一维气相色谱共流出引起的高估而实现更准确的定量。非靶向分析和族类分析提供了对未知样品的快速有效的特征解析。用不同的数据处理方法解析的有机气溶胶的化学组分表明了GC×GC在复杂气溶胶样品分析中的优越性。在线GC×GC技术是一种有效的有机气溶胶化学组分原位测量方法，其时间分辨率为1.5-2小时。应用在线GC×GC技术使得有机气溶胶在线测量结合非靶向分析成为可能。
展望未来，GC×GC将得到进一步的改进和提高，并广泛应用于在线和离线有机气溶胶的测量。这同时需要快速而稳健的分析方法来处理大量的数据。传统的目标数据处理方法费时费力，机器学习等新技术有助于解决这些挑战。
蒋靖坤:教授，任清华大学环境学院副院长、环境模拟与污染控制国家重点实验室清华大学分室主任。从事气溶胶测量和颗粒物成因研究。承担了基金委重大项目、国家重大科研仪器设备研制专项等任务，主持建设北京怀柔科学城空地一体环境感知与智能响应研究平台。发表SCI论 140余篇，授权发明专利10余项。入选教育部长江学者特聘教授，获国际气溶胶领域Smoluchowski奖和亚洲青年气溶胶科学家奖。任Aerosol Sci Technol副主编和ES&T Letters编委。
因为 平台更改了推送规则，如果不想错过环境工程的 章，请记得读完点一下“赞”“在看”，这样每次新 章推送才会第一时间出现在您的订阅列表里。
人生总会有遗漏，但是不要忘记点“在看”～
环保面前 没有旁观者
声明：本站部分 章内容系出于传递信息之目的源自于第三方 站转载，行业企业、终端用户投稿。若对稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与本 站联系，本 站将迅速给予回应并第一时间做出处理（联系邮箱：jinwei@zod.com.cn）。