CN102967681A - 一种多维离子色谱分析系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多维离子色谱分析系统，属于分析化学领域。为解决目前色谱技术对复杂样品中的多种有机酸、氨基酸、糖和醇等分子的分离度不足的难题，开发了一套多维离子色谱分析系统，该系统包括多个泵、一个或多个切换阀和多个检测器。利用目标组分在色谱柱上的分离机理不同和组分的保留时间差异，通过多个色谱柱切换富集和阀切换时间选择，根据分离目标组分的不同，可构建包括二维、三维、四维、五维及以上离子色谱连接系统，实现复杂样品的水溶性代谢物如有机酸、氨基酸、糖、醇等的同时分离分析。本发明的多维离子色谱分析系统能够对复杂样品进行快速、高效、精确的分离鉴定,消除了组分之间的相互干扰。
Description
技术领域
本发明属于化学中的分析化学技术领域，可广泛应用于生物能源研究、生命科学、食品科学、环境、石油化工等领域。
背景技术
氨基酸和糖是生物生长的主要氮源和碳源，他们在细胞代谢中起着重要的生理作用。对这些代谢物同时准确高效的分离检测对提高细胞体系能源组分的生产力工艺研究和代谢组学研究意义重大。在生命科学、食品科学、医学、农学和其他研究领域中，有机酸、氨基酸和糖、糖醇等相关组分的分析已经成为了一个热点。传统的高效液相色谱法（HPLC）检测需衍生化，且试剂具有化学毒性，操作复杂；示差检测器的灵敏度也有一定局限性。根据氨基酸和糖类化合物在强碱性溶液中，都可电离出阴离子的特性，可以通过阴离子交换色谱分离。Clark首次报道了不需任何衍生反应，用积分脉冲安培法，阴离子交换色谱法分析氨基酸和糖的技术，这项技术相比于HPLC具有更高的选择性和灵敏度。在糖的检测中，电化学检测器甚至能达到质谱检测器的灵敏度。利用离子色谱安培法测定氨基酸，糖、乙二醇、糖醇的研究已经有很多报道：如Petr Jandik提出了用双电位波形同时检测氨基酸和糖；Valoran等研究了一个宽范围的梯度洗脱程序用于氨基酸和糖的同时检测等。然而由于浓度和组分性质等影响，利用一维的单柱离子色谱在极端的洗脱条件下，某些氨基酸和糖仍然存在共淋洗的问题，如苏氨酸和葡萄糖、半乳糖；谷氨酰胺和木糖或果糖；缬氨酸和乳糖或异麦牙糖存在共淋洗，因此不可能准确同时对它们进行定量。由于一维的离子色谱的峰容量有限，特别是同时分离复杂的生物样品中的水溶性代谢物如氨基酸、糖、醇、有机酸等存在很大困难。组分共淋洗的干扰问题在高度复杂样品的分析中普遍存在，因此同时准确测定这些水溶性代谢物是代谢物组学研究领域中的一大难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题通过构建多维离子色谱分析系统，能够解决复杂样品的多种非极性物质如烃类，长链脂肪酸，蛋白，极性物质如有机酸、氨基酸、糖和醇等分子的分离度不足的难题。
一种多维离子色谱分析系统，包括进样器、进样阀、定量环、泵、废液瓶和由保护柱、分析柱、检测器依次连接成的离子色谱分离分析系统，构成一维离子色谱分析系统，其中进样阀上连接定量环、进样器、泵、废液瓶和保护柱，该系统还包括至少一个切换阀，连接在进样阀和离子色谱分离分析系统之间，切换阀上连接色谱柱和/或定量环，色谱柱和定量环均连接一个泵，色谱柱和定量环均可通过切换阀切换而连接到相应的离子色谱分离分析系统或下一维连接有色谱柱和/或定量环的切换阀，构成多维离子色谱分析系统。
所述色谱柱可以是阳离子交换色谱柱（阳离子捕集柱）、阴离子交换色谱柱（阴离子捕集柱）、离子排斥色谱柱、反相色谱柱等。
所述离子色谱分离分析系统由保护柱、分析柱和检测器依次连接而成。
所述的切换阀为色谱技术中常用的多通进样切换阀，可以是六通阀、八通阀、十通阀等。
所述的切换阀可以是一个，色谱柱和定量环分别连接在切换阀上，色谱柱和定量环均可通过切换阀切换而连接到相应的离子色谱分离分析系统。
所述一个切换阀可以是十通阀，连接可以采取如图2的方式，色谱柱连接在十通阀的位⑦和位④，定量环2连接在十通阀的位③和位⑩，十通阀的位⑧连接进样阀，十通阀的位⑨连接废液瓶，十通阀的位②和位⑤分别连接泵，位①和位⑥分别连接离子色谱分离分析系统。
所述的切换阀可以是两个，进样阀与切换阀1连接，切换阀1与切换阀2连接，切换阀1上连接色谱柱和泵，切换阀2上连接定量环、泵和废液瓶，切换阀1上的色谱柱和切换阀2上的定量环均可通过切换阀切换而分别连接到相应的离子色谱分离分析系统。
当切换阀为两个时，可以采取如图4的方式，为两个六通阀，色谱柱连接在切换阀1的位④和位①，切换阀1的位⑤连接进样阀，位⑥连接切换阀2，位③连接离子色谱分离分析系统，位②连接泵；定量环2连接在切换阀2的位④和位①，切换阀2的位⑤连接切换阀1，位⑥连接废液瓶，位③连接离子色谱分离分析系统，位②连接泵。
所述的切换阀可以是三个，进样阀与切换阀1连接，切换阀1上连接色谱柱、定量环和泵，切换阀2与切换阀1连接，切换阀2上连接色谱柱和/或定量环和/或保护柱和泵，切换阀3与切换阀1或切换阀2连接，切换阀3上连接色谱柱和/或定量环和/或保护柱和泵，最末一级的色谱柱、定量环、保护柱均可通过切换阀切换而分别连接相应的离子色谱分离分析系统。
所述最末一级的色谱柱、定量环、保护柱即后面未连接色谱柱、定量环、保护柱。
所述保护柱具有样品分离功能。
所述三个切换阀的连接可以采取如图12的方式，为一个十通阀和两个六通阀，色谱柱连接在切换阀1的位⑦和位④，定量环2连接在切换阀1的位③和位⑩，切换阀1的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑧、位⑨分别连接切换阀2、泵3、泵2、离子色谱分离分析系统、进样阀、废液瓶，保护柱连接在切换阀2的位④和位①，切换阀2的位②、位③、位⑤、位⑥分别连接离子色谱分离分析系统、泵5、切换阀1、切换阀3，定量环3连接在切换阀3的位④和位①，切换阀3的位②、位③、位⑤、位⑥分别连接离子色谱分离分析系统、泵4、切换阀2、废液瓶。
所述三个切换阀的连接可以采取如图13的方式，为两个十通阀和一个六通阀，色谱柱1连接在切换阀1的位⑦和位④，定量环2连接在切换阀1的位③和位⑩，切换阀1的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑧、位⑨分别连接切换阀3、泵3、泵2、切换阀2、进样阀、废液瓶，定量环3连接在切换阀2的位④和位①，切换阀2的位②、位③、位⑤、位⑥分别连接离子色谱分离分析系统、泵4、切换阀1、检测器，色谱柱2连接在切换阀3的位⑦和位④，定量环4连接在切换阀3的位③和位⑩，切换阀3的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑧、位⑨分别连接离子色谱分离分析系统、泵6、泵5、离子色谱分离分析系统、切换阀1、废液瓶。
利用本发明的多维离子色谱分析系统对样品进行分析检测的方法如下：
一种多维离子色谱分析系统的检测方法，利用目标组分如非极性组分和极性组分，极性组分中有机酸、氨基酸、糖和醇在不同色谱柱上的分离机理不同和组分的保留时间差异，通过至少一个色谱柱切换富集和阀切换时间选择，构建二维及二维以上离子色谱分析系统，实现样品中各组分的同时分离分析。第一维离子色谱，非极性组分如烃类，长链脂肪酸，蛋白被保留在反相色谱柱上，极性组分氨基酸、有机酸、阳离子、糖和醇不被保留，被定量环2截留；第二维离子色谱，非极性组分被有机溶剂去除或进入分离柱分离后检测，极性组分在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和有机酸不保留，被输送到定量环4中；第三维离子色谱，氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环3中，糖和有机酸被淋洗液带入阴离子捕集柱分离，糖先被洗脱，流入定量环5，有机酸则被保留在阴离子捕集柱；第四维离子色谱，氨基酸和阳离子分别被淋洗液从定量环3和阳离子捕集柱上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测；第五维离子色谱，糖和有机酸分别被淋洗液从定量环5和阴离子捕集柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测。
一种二维离子色谱分析系统的检测方法，第一维离子色谱，氨基酸在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖被输送到定量环2中；第二维离子色谱，氨基酸和糖分别被强碱性淋洗液洗脱到相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。具体步骤如下：
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1；
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液通过泵1将样品从定量环1注入阳离子捕集柱，同时检测器开始采集信号；氨基酸与阳离子捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖则被酸性淋洗液洗脱下来，洗脱下来的糖被截留在定量环2中；
（3）当糖被全部洗脱下来，切换阀从上样状态切换到进样状态，设切换阀从上样状态切换到进样状态的时间为t1，即t1为切换阀的切换时间；保留在阳离子捕集柱上的氨基酸被来自泵2的NaOH溶液洗脱，当氨基酸被全部洗下来，阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂由氢型全部转化为钠型，设切换阀处于进样状态的停留时间为t2；被洗脱的氨基酸继续在分析柱1上分离并在检测器1上检测；在此期间，来自泵3的NaOH溶液将截流在定量环2中的糖带入分析柱2分离并在检测器2上检测；
（4）氨基酸全部洗脱后，阳离子捕集柱中阳离子交换树脂转化为钠型，此时，切换阀从进样状态切换到上样状态，阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂逐渐转化为氢型，阳离子捕集柱逐渐恢复到初始状态，直到整个程序结束；设切换阀再次切换到上样状态到阳离子交换树脂完全转化为氢型的时间为t4；
所述的等度的酸性溶液为甲酸、乙酸或盐酸、硫酸、甲基磺酸，浓度为0.3～10mM；
所述的第一维淋洗液优选甲酸，浓度为3mM，流速为0.05～0.2ml/min；
所述t1为0.5～4min、t2为0.1～10min、t3为0.2～2min、t4为5～40min；
所述的t1、t2、t3、t4的具体取值，本领域技术人员可以根据用于连接的微管的管长及管径自行确定；
所述来自泵2的NaOH溶液浓度为5.5～75mM；
所述来自泵3的NaOH溶液浓度为7.5～75mM；
三个泵的流速分别为：泵1：0.01～1ml/min，泵2：0.1～3ml/min，泵3：0.1～3ml/min。
一种三维离子色谱分析系统的检测方法，第一维离子色谱，氨基酸在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和有机酸被输送到定量环2中；第二维离子色谱，氨基酸被洗脱下来并进入分析柱和检测器进行分离检测；糖和有机酸被洗脱至保护柱上分离，糖与保护柱结合度弱，流入定量环3，有机酸则被保留在保护柱；第三维离子色谱，糖和有机酸分别被淋洗液从定量环3和保护柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。具体步骤如下：
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1；
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液通过泵1将样品从定量环1注入阳离子捕集柱，同时检测器开始采集信号；氨基酸与阳离子捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖、有机酸则被酸性淋洗液洗脱下来，洗脱下来的糖和有机酸被截留在定量环2中；
（3）当糖和有机酸被全部洗脱下来，切换阀1从load状态切换到inject状态，保留在阳离子捕集柱上的氨基酸被来自泵2的溶液洗脱，直至氨基酸被全部洗下来在氨基酸分析柱上分离并在检测器1检测。在此期间，来自泵3的淋洗液将截流在定量环2中的糖和有机酸带入固定在切换阀2的保护柱AS11-HC Guard，糖的保留弱先流出，先流出的糖被切换阀3的定量环3截留。来自泵4的淋洗液将截流在定量环3中的糖带入糖分析柱分离并在检测器2上检测。在保护柱AS11-HC Guard强保留的有机酸被来自泵5的淋洗液洗脱，在有机酸分析柱上分离并在检测器3上检测。
（4）待系统平衡后，回到初始状态。
一种四维离子色谱分析系统的检测方法，第一维离子色谱，氨基酸和阳离子在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和醇被输送到定量环3中；第二维离子色谱，氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环2中；第三维离子色谱，氨基酸和阳离子分别被淋洗液从定量环2和阳离子捕集柱上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测，糖和醇被淋洗液带入阴离子捕集柱分离，醇先被洗脱，流入定量环4，糖则被保留在阴离子捕集柱；第四维离子色谱，醇和糖分别被淋洗液从定量环4和阴离子捕集柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。
一种五维离子色谱分析系统的检测方法，第一维离子色谱，非极性组分如烃类、长链脂肪酸和蛋白被保留在反相色谱柱上，极性组分氨基酸、有机酸、阳离子、糖和醇不被保留，被定量环2截留；第二维离子色谱，非极性组分被有机溶剂去除或进入分离柱分离后检测，极性组分在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和有机酸不保留，被输送到定量环4中；第三维离子色谱，氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环3中，糖和有机酸被淋洗液带入阴离子捕集柱分离，糖先被洗脱，流入定量环5，有机酸则被保留在阴离子捕集柱；第四维离子色谱，氨基酸和阳离子分别被淋洗液从定量环3和阳离子捕集柱上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测；第五维离子色谱，糖和有机酸分别被淋洗液从定量环5和阴离子捕集柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测。
本发明的设计原理是：采用多个切换阀、多个泵、多个色谱柱和多个检测器构建一套多维离子分析系统。利用目标组分在色谱柱上的分离机理不同和组分的保留时间差异，通过不同色谱柱富集和阀切换时间选择，实现复杂样品的非极性组分如烃类、长链脂肪酸和蛋白及极性组分如有机酸、氨基酸、阳离子、糖、醇等的同时分离分析。例如在酸性条件下，复杂样品通过阳离子交换色谱柱时，氨基酸等两性离子可形成阳离子从而被阳离子交换色谱柱保留，然后进一步被洗脱并通过分析柱与检测器进行分离检测。有机酸、糖和醇类化合物（即碳水化合物，是非常弱的酸，因此在酸性条件下非常稳定，与阳离子交换树脂相互作用很弱）等中性分子和阴离子则不被阳离子交换色谱柱保留，通过另一个定量环截留进入另一套分析柱和检测器系统进行分析。即第一维利用阳离子交换色谱柱技术将样品分成氨基酸等阳离子和糖、有机酸等中性分子及阴离子两个相对独立的部分，再分别在第二维用不同的分析柱和检测器将它们分离和检测，也可以在第二维将样品分开而进入第三维进行更精确的分离检测，样品成分越复杂时，可以更进一步进行四维、五维至更多维的分离检测。当基于不同的检测样品及色谱柱时，遵循同样的原理。
本发明的有益效果是：采用多个切换阀、多个泵和多个离子色谱分离分析系统构建一套多维离子分析系统，可以灵活应用于各种复杂样品的精确测定。当应用于复杂样品如有机酸、氨基酸、糖和醇等组分的同时分析时，该方法快速、高效、精确度高,在保证组分较大回收率前提下，消除了组分之间的相互干扰，确定了最佳的分离条件，可以实现了几十种组分的同时准确定量。此方法应用于实际细胞培养液样品的有机酸、氨基酸、糖和醇等组分的同时测定时，平均相对标准偏差小于3%，回收率80%-104%，表明了该技术用于生物样品中代谢组分或其他研究领域的组分分析是可行的。对于细胞培养液、食品等复杂样品中氨基酸和糖和木糖酸的同时分析具有很大的实际意义。
附图说明
图1现有技术离子色谱分析系统示意图
图2本发明二维离子色谱分析系统示意图
图3本发明二维离子色谱分析系统运行时二维阀切换的程序图
图4本发明实施例1装置图
图5本发明实施例1的阀切换的程序图（实线代表管路相通，虚线代表管路不通）
图6现有技术分离氨基酸和糖标准品的色谱图
图7本发明实施例1分离氨基酸和糖标准品的色谱图
图8本发明实施例2装置图
图9本发明实施例2的阀切换的程序图
图10现有技术分离含氨基酸和糖样品的色谱图
图11本发明实施例2分离含氨基酸和糖样品的色谱图
图12本发明实施例3装置图
图13本发明实施例4装置图
图6、7、10和11中：1-arginine精氨酸,2-lysine赖氨酸,3-asparagine天冬酰胺,4-glutamine谷氨酰胺,5-alanine丙氨酸,6-threonine苏氨酸,7-glycine甘氨酸,8-valine缬氨酸,9-serine丝氨酸,10-proline脯氨酸,11-isoleucine异亮氨酸,12-leucine亮氨酸,13-methionine蛋氨酸,14-histidine组氨酸,15-phenylalanine苯丙氨酸,16-glutamic acid谷氨酸,17-aspartic acid天冬氨酸,18-cystine半胱氨酸,19-tyrosine酪氨酸,20-tryptophan色氨酸,a-trehalose海藻糖,b-arabinose阿拉伯糖,c-galactose半乳糖,d-glucose葡萄糖,e-mannose甘露糖,f-fructose果糖,g-ribose核糖,h-lactose乳糖,i-cellobiose纤维二糖,j-panose潘糖
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例来进一步说明本发明，但不限制本发明。
实施例1
仪器设置：ICS-3000多功能色谱装置,包括双泵(DP)模块、检测器/色谱(DC)模块、自动进样器(AS)模块(美国Dionex公司)。双泵模块中包含两个分析型四元梯度泵（即图4中的泵2和泵3）,检测器/色谱模块放置三个六通阀（第一个为进样阀，后两个为切换阀）、两个定量环、CRC阳离子捕集柱(Dionex,2.0×15mm)、糖分析柱CarboPac PA20(4×250mm,Dionex)和保护柱CarboPac PA20Guard(4×50mm，Dionex)、氨基酸分析柱Amino Pac PA10(2×250mm,Dionex)和保护柱Amino Pac PA10Guard(2×50mm，Dionex)、两个电化学检测器。温度均设为30℃,安培检测器用金工作电极,pH-Ag/AgCl复合参比电极,钛对电极。P230高压恒流泵（即图4中的泵1，大连伊利特仪器公司）（参见图4）。
定量环1固定在进样阀的位①和位④，进样阀1的位⑤和位⑥分别连接进样器和废液瓶，位②与泵1连接。CRC阳离子捕集柱固定在切换阀1上，出口和进口分别连在切换阀1的位①和位④。200ul的定量环2连接在切换阀2的位①和位④，位⑤和位⑥分别与切换阀2的进样口和废液瓶连接。氨基酸和糖分析柱分别连接在切换阀1的位③和切换阀2的位③。泵2连接在切换阀2的位②，泵3连接在切换阀2的位②。连接管线的长度和尺寸分别为：管线1（T1）:13.7mm(连接在进样阀位③和切换阀1位⑤),管线2（T2）:5.5mm(连接CRC阳离子捕集柱进口和切换阀1位④),管线3（T3）:5.5mm(连接CRC阳离子捕集柱出口和切换阀位①),管线4（T4）:39.4mm(连接切换阀1位⑥和切换阀2位⑤),上述管线的内径为0.127mm，实验中的其他管路的内径为0.254mm（参见图4，阀切换参见图5）。
仪器连接完成后，运行二维程序实现氨基酸和糖的分组洗脱和分析：
分析的样品为含20种氨基酸标准品和10种糖标准品的混合液。
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1；0.3mM甲酸溶液平衡CRC阳离子捕集柱，以NaOH溶液的梯度初始浓度分别平衡分析柱1和分析柱2。
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液3mM甲酸通过泵1以0.15ml/min的流速将样品从定量环1注入CRC阳离子捕集柱，同时检测器开始采集信号。氨基酸与CRC阳离子捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖则被酸性淋洗液洗脱下来，同时切换阀1执行load程序。洗脱下来的糖被截留在定量环2中。
（3）当糖被全部洗脱下来，切换阀1从load状态切换到inject状态，切换阀1从load状态切换到inject状态的时间即切换阀1的切换时间t1为1.1min。保留在CRC阳离子捕集柱上的氨基酸被来自泵2的NaOH溶液洗脱，当氨基酸被全部洗下来，CRC阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂由氢型全部转化为钠型。切换阀1处于inject状态的停留时间t2为10.0min。被洗脱的氨基酸继续在氨基酸分析柱即上分离并在检测器1上检测。在此期间，切换阀2由load状态切换到inject状态，切换阀2的切换时间t3为0.9min。来自泵3的NaOH溶液将截流在定量环2中的糖带入糖分析柱分离并在检测器2上检测。
（4）氨基酸全部洗脱后，CRC阳离子捕集柱中阳离子交换树脂转化为钠型，此时，切换阀1从inject状态切换到load状态，CRC阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂逐渐转化为氢型，CRC阳离子捕集柱逐渐恢复到初始状态，直到整个程序结束。切换阀1再次切换到load状态到阳离子交换树脂完全转化为氢型的时间t4为30min。
本实施例中所有未提及的设置及相关参数均为本领域技术人员的公知技术。
分离同样的20种氨基酸和10种糖标准品，采用现有技术和本发明实施例1的色谱图比较：
采用如图1所示现有技术，即一维色谱分析，选用的分析柱为氨基酸分析柱Amino PacPA10。由图6可知，含有氨基酸和糖标准品的样品，b-arabinose阿拉伯糖、c-galactose半乳糖、d-glucose葡萄糖、e-mannose甘露糖，和4-glutamine谷氨酰胺、5-alanine丙氨酸、6-threonine苏氨酸，存在严重的共淋洗的问题。采用本发明实施例1的二维色谱分析方法，氨基酸和糖经过分离，在第二维的分析柱上分离的色谱图如图7所示，所有的氨基酸和糖都得到了很好的分离，互相不存在干扰，分离度得到显著提高。
实施例2
仪器设置：ICS-3000多功能色谱装置,包括双泵(DP)模块、检测器/色谱(DC)模块、自动进样器(AS)模块(美国Dionex公司)。双泵模块中包含两个分析型四元梯度泵（即图8中的泵2和泵3）,检测器/色谱模块放置一个六通阀（进样阀）、一个十通阀（切换阀）、两个定量环、阳离子交换分析柱(定做,2.1×150mm)、糖分析柱CarboPac PA20(4×250mm,Dionex)和保护柱CarboPac PA20Guard(4×50mm，Dionex)、电化学检测器。温度均设为30℃,安培检测器用金工作电极,pH-Ag/AgCl复合参比电极,钛对电极。P230高压恒流泵（即图8中的泵1，大连伊利特仪器公司）（参见图8）。
定量环1固定在进样阀的位①和位④，进样阀的位⑤和位⑥分别连接进样器和废液瓶，位③与泵1连接。阳离子交换分析柱固定在切换阀上，出口和进口分别连在切换阀的位④和位⑦。200ul的定量环2连接在切换阀的位③和位⑩。糖分析柱连接在切换阀的位①。泵2和泵3分别连接在十通阀的位⑤和位②（参见图8，阀切换参见图9）。
仪器连接完成后，运行二维程序实现氨基酸和糖的分组洗脱和分析：
分析的样品为含20种氨基酸标准品和10种糖标准品的混合液。
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1。平衡阳离子交换分析柱和糖分析柱。
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液3mM甲酸通过泵1以0.15ml/min的流速将样品从定量环1注入阳离子交换分析柱，同时检测器开始采集信号。氨基酸与阳离子交换分析柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖则被酸性淋洗液洗脱下来，同时切换阀执行load程序。洗脱下来的糖被截留在定量环2中。
（3）当糖被全部洗脱下来，切换阀从load状态切换到inject状态，切换阀的切换时间t1为1.1min。保留在阳离子交换分析柱上的氨基酸被来自泵2的溶液洗脱，直到氨基酸被全部洗下来。切换阀处于inject状态的停留时间t2为10.0min。来自泵3的NaOH溶液将截流在定量环2中的糖带入糖分析柱分离并在检测器2上检测。
本实施例中所有未提及的设置及相关参数均为本领域技术人员的公知技术。
分离同样的20种氨基酸标准品和10种糖标准品的混合液，现有技术和本发明实施例2的色谱图比较：
采用如图1所示现有技术，即一维色谱分析，选用的分析柱为糖分析柱CarboPac PA20。由图10可知，采用现有技术，氨基酸和糖标准品的混合物仅在糖分析柱CarboPac PA20上分离，苏氨酸和丝氨酸在糖的电位波形下也有很高的响应，在分析糖类化合物的过程中容易造成干扰，而给出假阳性结论。利用本发明实施例2的二维色谱分析方法分离相同样品，如图11所示，无氨基酸的假阳性干扰，糖得到很好的分离。
实施例3
仪器设置：ICS-3000多功能色谱装置,包括双泵(DP)模块、检测器/色谱(DC)模块、自动进样器(AS)模块(美国Dionex公司)。双泵模块中包含四个分析型四元梯度泵（即图12中的泵2、3、4和5）,检测器/色谱模块放置3个六通阀、1个十通阀、3个定量环、阳离子捕集柱、糖分析柱CarboPac PA20(4×250mm,Dionex)和保护柱CarboPac PA20Guard(4×50mm，Dionex)、氨基酸分析柱Amino Pac PA10(2×250mm,Dionex)和保护柱Amino Pac PA10Guard(2×50mm，Dionex)、有机酸分析柱AS11-HC(4×250mm,Dionex)和保护柱AS11-HC Guard(4×50mm，Dionex)、三个电化学检测器。温度均设为30℃,安培检测器用金工作电极,pH-Ag/AgCl复合参比电极,钛对电极。P230高压恒流泵（即图12中的泵1，大连伊利特仪器公司）（参见图12）。
色谱柱连接在切换阀1的位⑦和位④，定量环2连接在切换阀1的位③和位⑩，切换阀1的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑧、位⑨分别连接切换阀2、泵3、泵2、离子色谱分离分析系统、进样阀、废液瓶，保护柱连接在切换阀2的位④和位①，切换阀2的位②、位③、位⑤、位⑥分别连接离子色谱分离分析系统、泵5、切换阀1、切换阀3，定量环3连接在切换阀3的位④和位①，切换阀3的位②、位③、位⑤、位⑥分别连接离子色谱分离分析系统、泵4、切换阀2、废液瓶。
仪器按照图12连接完成后，运行切换程序实现混合物的洗脱和分析：
本实施例3主要用于样品中的氨基酸、糖和有机酸类化合物的同时分离测定。
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1。平衡阳离子捕集柱、氨基酸分析柱、糖分析柱和有机酸分析柱。
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液3mM甲酸通过泵1以0.05ml/min的流速将样品从定量环1注入阳离子捕集柱，同时检测器开始采集信号。氨基酸与阳离子捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖和有机酸则被淋洗液洗脱下来，同时切换阀1执行load程序。洗脱下来的糖和有机酸被截留在定量环2中。
（3）当糖和有机酸被全部洗脱下来，切换阀1从load状态切换到inject状态，保留在阳离子捕集柱上的氨基酸被来自泵2的溶液洗脱，直至氨基酸被全部洗下来在氨基酸分析柱上分离并在检测器1检测。在此期间，来自泵3的淋洗液将截流在定量环2中的糖和有机酸带入固定在切换阀2的保护柱AS11-HC Guard，糖的保留弱先流出，先流出的糖被切换阀3的定量环3截留。来自泵4的淋洗液将截流在定量环3中的糖带入糖分析柱分离并在检测器2上检测。在保护柱AS11-HC Guard强保留的有机酸被来自泵5的淋洗液洗脱，在有机酸分析柱上分离并在检测器3上检测。
（4）待系统平衡后，回到初始状态。
本实施例中所有未提及的设置及相关参数均为本领域技术人员的公知技术。
用本发明实施例3的三维色谱分析方法在同时分析氨基酸、糖和有机酸时分离效果显著优于现有技术一维色谱分析方法。
实施例4
仪器设置：ICS-3000和5000多功能色谱装置,包括双泵(DP)模块、检测器/色谱(DC)模块、自动进样器(AS)模块(美国Dionex公司)。共配置9个梯度泵，1个进样阀（六通阀），4个切换阀（十通阀），5个定量环，2个阳离子捕集柱、2个阴离子捕集柱、阳离子分析柱、阴离子分析柱、糖分析柱和保护柱、醇分析柱和保护柱、氨基酸分析柱和保护柱。3个电化学检测器和2个电导检测器。温度均设为30℃。（参见图13）。
阳离子捕集柱1连接在切换阀1的位⑦和位④，定量环2连接在切换阀1的位③和位⑩，切换阀1的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑧、位⑨分别连接切换阀3、泵3、泵2、切换阀2、进样阀、废液瓶，定量环3连接在切换阀2的位③和位⑩，阳离子捕集柱2连接在切换阀2的位⑦和位④，切换阀2的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑨分别连接氨基酸离子色谱分离分析系统、泵5、泵4、阳离子离子色谱分离分析系统、废液瓶。定量环4连接在切换阀3的位③和位⑩，阴离子捕集柱1连接在切换阀3的位⑦和位④，切换阀3的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑨分别连接切换阀4、泵7、泵6、有机酸离子色谱分离分析系统、废液瓶。定量环5连接在切换阀4的位③和位⑩，阴离子捕集柱2连接在切换阀4的位⑦和位④，切换阀4的位①、位②、位⑤、位⑥、位⑨分别连接醇离子色谱分离分析系统、泵9、泵8、糖离子色谱分离分析系统、废液瓶。
仪器按照图13连接完成后，运行相应的切换程序实现混合物的洗脱和分析：
本实施例中所有未提及的设置及相关参数均为本领域技术人员的公知技术。
本实施例4主要用于样品中的氨基酸、阳离子、有机酸、糖和醇类化合物的同时分离测定。
（1）上样（load），自动进样器将样品装满定量环1。
（2）进样（inject），第一维的酸性淋洗液3mM甲酸通过泵1以0.15ml/min的流速将样品从定量环1注入阳离子捕集柱1，同时检测器开始采集信号。氨基酸和阳离子与捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，有机酸、糖和醇则被淋洗液洗脱下来，同时切换阀1执行load程序。洗脱下来的有机酸、糖和醇被截留在定量环2中。
（3）当有机酸、糖和醇被全部洗脱下来，切换阀1从load状态切换到inject状态，保留在阳离子捕集柱1上的氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环3中后，阳离子被保留在阳离子捕集柱2上。切换阀2切换，氨基酸和阳离子分别被带入色谱柱分离检测。
（4）有机酸、糖和醇被淋洗液从定量环2带入阴离子捕集柱1分离，醇和糖先被洗脱，流入定量环4，有机酸则被保留在阴离子捕集柱1；切换阀3切换，有机酸被淋洗液从阴离子捕集柱1上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，电导检测器检测。
（5）糖和醇被带入阴离子捕集柱2，醇先被洗脱，被定量环5截留。当醇被完全截留，切换阀4切换，醇和糖分别被淋洗液从定量环5和阴离子捕集柱2上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。
（6）待系统平衡后，回到初始状态。
用本发明实施例4的四维色谱分析方法在同时分析氨基酸、阳离子、糖和醇时分离效果显著优于现有技术一维色谱分析方法。
Claims (10)
1.一种多维离子色谱分析系统，包括进样器、进样阀、定量环、泵、废液瓶和由保护柱、分析柱、检测器依次连接成的离子色谱分离分析系统，构成一维离子色谱分析系统，其中进样阀上连接定量环、进样器、泵、废液瓶和保护柱，其特征在于还包括至少一个切换阀，连接在进样阀和离子色谱分离分析系统之间，切换阀上连接色谱柱和/或定量环，色谱柱和定量环均连接一个泵，色谱柱和定量环均可通过切换阀切换而连接到相应的离子色谱分离分析系统或下一维连接有色谱柱和/或定量环的切换阀，构成多维离子色谱分析系统。
2.根据权利要求1所述的多维离子色谱分析系统，其特征在于所述的切换阀是一个，色谱柱和定量环分别连接在切换阀上，色谱柱和定量环均可通过切换阀切换而连接到相应的离子色谱分离分析系统。
3.根据权利要求1所述的多维离子色谱分析系统，其特征在于所述的切换阀是两个，进样阀与切换阀1连接，切换阀1与切换阀2连接，切换阀1上连接色谱柱和泵，切换阀2上连接定量环、泵和废液瓶，切换阀1上的色谱柱和切换阀2上的定量环均可通过切换阀切换而分别连接到相应的离子色谱分离分析系统。
4.根据权利要求1所述的多维离子色谱分析系统，其特征在于所述的切换阀是三个，进样阀与切换阀1连接，切换阀1上连接色谱柱、定量环和泵，切换阀2与切换阀1连接，切换阀2上连接色谱柱和/或定量环和/或保护柱和泵，切换阀3与切换阀1或切换阀2连接，切换阀3上连接色谱柱和/或定量环和/或保护柱和泵，最末一级的色谱柱、定量环、保护柱均可通过切换阀切换而分别连接相应的离子色谱分离分析系统。
5.根据权利要求1所述的多维离子色谱分析系统，其特征在于所述的切换阀是四个，进样阀与切换阀1连接，切换阀1上连接色谱柱、定量环和泵，切换阀2与切换阀1连接，切换阀2上连接色谱柱、定量环和泵，切换阀3与切换阀1连接，切换阀3上连接色谱柱、定量环和泵，切换阀4与切换阀3连接，切换阀4上连接色谱柱、定量环和泵，最末一级的色谱柱、定量环、保护柱均可通过切换阀切换而分别连接相应的离子色谱分离分析系统。
6.一种权利要求1-5任一项所述多维离子色谱分析系统的检测方法，其特征在于：利用目标组分如非极性组分和极性组分，极性组分中有机酸、氨基酸、糖和醇在不同色谱柱上的分离机理不同和组分的保留时间差异，通过至少一个色谱柱切换富集和阀切换时间选择，构建二维及二维以上离子色谱分析系统，实现样品中各组分的同时分离分析。
7.根据权利要求6所述多维离子色谱分析系统的检测方法，其特征在于为二维离子色谱分析系统检测方法，第一维离子色谱，氨基酸在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖被输送到定量环2中；第二维离子色谱，氨基酸和糖分别被NaOH强碱性淋洗液洗脱到相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测；具体步骤如下：
（1）上样，自动进样器将样品装满定量环1；
（2）进样，第一维的酸性淋洗液通过泵1将样品从定量环1注入阳离子捕集柱，同时检测器开始采集信号；氨基酸与阳离子捕集柱中的阳离子交换树脂结合保留在内，糖则被酸性淋洗液洗脱下来，洗脱下来的糖被截留在定量环2中；
（3）当糖被全部洗脱下来，切换阀从上样状态切换到进样状态，设切换阀从上样状态切换到进样状态的时间为t1，即t1为切换阀的切换时间；保留在阳离子捕集柱上的氨基酸被来自泵2的NaOH溶液洗脱，当氨基酸被全部洗下来，阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂由氢型全部转化为钠型，设切换阀处于进样状态的停留时间为t2；被洗脱的氨基酸继续在分析柱1上分离并在检测器1上检测；在此期间，来自泵3的NaOH溶液将截流在定量环2中的糖带入分析柱2分离并在检测器2上检测；
（4）氨基酸全部洗脱后，阳离子捕集柱中阳离子交换树脂转化为钠型，此时，切换阀从进样状态切换到上样状态，阳离子捕集柱里的阳离子交换树脂逐渐转化为氢型，阳离子捕集柱逐渐恢复到初始状态，直到整个程序结束；设切换阀再次切换到上样状态到阳离子交换树脂完全转化为氢型的时间为t4；
所述的等度的酸性溶液为甲酸、乙酸或盐酸、硫酸、甲基磺酸，浓度为0.3～10mM；
所述的第一维淋洗液优选甲酸，浓度为3mM，流速为0.05～0.2ml/min；
所述t1为0.5～4min、t2为0.1～10min：、t3为0.2～2min、t4为5～40min；
所述来自泵2的NaOH溶液浓度为5.5～75mM；
所述来自泵3的NaOH溶液浓度为7.5～75mM；
三个泵的流速分别为：泵1：0.01～1ml/min，泵2：0.1～3ml/min，泵3：0.1～3ml/min。
8.根据权利要求6所述多维离子色谱分析系统的检测方法，其特征在于为三维离子色谱分析系统检测方法，第一维离子色谱，氨基酸在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和有机酸被输送到定量环2中；第二维离子色谱，氨基酸被洗脱下来并进入分析柱和检测器进行分离检测；糖和有机酸被洗脱至保护柱上分离，糖与保护柱结合度弱，流入定量环3，有机酸则被保留在保护柱；第三维离子色谱，糖和有机酸分别被淋洗液从定量环3和保护柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。
9.根据权利要求6所述多维离子色谱分析系统的检测方法，其特征在于为四维离子色谱分析系统检测方法，第一维离子色谱，氨基酸和阳离子在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和醇被输送到定量环3中；第二维离子色谱，氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环2中；第三维离子色谱，氨基酸和阳离子分别被淋洗液从定量环2和阳离子捕集柱上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测，糖和醇被淋洗液带入阴离子捕集柱分离，醇先被洗脱，流入定量环4，糖则被保留在阴离子捕集柱；第四维离子色谱，醇和糖分别被淋洗液从定量环4和阴离子捕集柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器检测。
10.根据权利要求6所述多维离子色谱分析系统的检测方法，其特征在于为五维离子色谱分析系统检测方法，第一维离子色谱，非极性组分如烃类、长链脂肪酸和蛋白被保留在反相色谱柱上，极性组分氨基酸、有机酸、阳离子、糖和醇不被保留，被定量环2截留；第二维离子色谱，非极性组分被有机溶剂去除或进入分离柱分离后检测，极性组分在酸性溶液中被保留在阳离子捕集柱上，糖和有机酸不保留，被输送到定量环4中；第三维离子色谱，氨基酸先被洗脱下来并被截留在定量环3中，糖和有机酸被淋洗液带入阴离子捕集柱分离，糖先被洗脱，流入定量环5，有机酸则被保留在阴离子捕集柱；第四维离子色谱，氨基酸和阳离子分别被淋洗液从定量环3和阳离子捕集柱上洗脱下来，在相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测；第五维离子色谱，糖和有机酸分别被淋洗液从定量环5和阴离子捕集柱上洗脱下来，进入相应的分析柱上分离，分别用电化学检测器和电导检测器检测。
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