CN103197016A - 一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，确定待测组分在第一维气相色谱、第二维气相色谱任意温度点的容量因子；确定第一维气相色谱、第二维气相色谱在程序升温段中任意时刻的温度值；通过所述容量因子和所述温度值对待测组分保留时间进行预测。本发明运用待测组分在1stGC，2ndGC色谱柱上恒温条件下的保留时间，预测了两单独气相色谱仪通过中心切割技术串联到一起的多维气相联机仪器在程序升温条件下的保留时间。此预测方法操作简单，不仅减少了实验次数，降低工作量，节约分析时间，从预测结果得知，本方法可靠性强，预测精度高；还可以实现多维气相色谱条件的自动优化处理，为最佳分离条件的选择提供可行途径。

Description

一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法

技术领域

本发明涉及多维气相色谱领域，特别涉及一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法。

背景技术

目前，毛细管气相色谱是一种非常普遍而且高效的分离技术，但面对复杂多样的样品成分，传统的一维气相色谱不仅费时，而且由于峰容量不够，峰重叠十分严重，只能实现部分组分的分离，在准确定性上面临一定的困难。在用一根色谱柱难以完全分离的情况下，往往需要多维气相色谱（MDGC）技术来实现。如果能让复杂的样品先通过一根色谱柱得到初步的分离，然后将未完全分离的感兴趣组分导入（中心切割）另一根极性不同的色谱柱上进行二次分离，并通过质谱检测器（MS）检测，多维气相色谱是将两个气相色谱仪（1stGC和2ndGC）通过中心切割技术串联到一起，与普通的双柱串联所不同的是，两根不同极性的色谱柱在不同的柱温箱进行不同的程序升温，而且可以对1stGC气相中的组分进行选择性切割，既可以增强分离度，又可以消除基质干扰。该项技术在提高未知物定性的准确度、消除干扰方面有新的突破，成为近年来国际上研究的热点。

多维气相色谱增加了分离条件选择的复杂性，只有选择一个最优的色谱分离条件，才能到达最好的分析效果。通常实验人员会根据自己的经验来选择升温程序，这种经验式的操作模式往往带有偶然性，而且因为个人经验的不同，为得到一个相对满意的分析效果，他们所付出的代价会相差很大，很可能要做很多重复的工作。对于此联机仪器，第二维的分离条件要根据第一维的切割时间和组分而定，而第一维的分离条件要根据样品组分和进样量来选择。因此，为了在最短的时间内和原料消耗最少的条件下确定最适宜的分离条件，我们先利用塔板理论对化合物程序升温保留时间进行预测，最后确定最好的分离条件。目前，关于气相色谱保留时间预测的文献已有很多。虽然近年来多维气相色谱质谱法越来越广泛，但是关于保留时间的预测尚未见到报道。

发明内容

本发明提供了一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，本方法减少了实验次数、降低了工作量、节约了分析时间并且提高了预测精度，详见下文描述：

一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，所述方法包括以下步骤：

（1）确定待测组分在第一维气相色谱、第二维气相色谱任意温度点的容量因子；

（2）确定第一维气相色谱、第二维气相色谱在程序升温段中任意时刻的温度值；

（3）通过所述容量因子和所述温度值对待测组分保留时间进行预测。

所述确定待测组分在第一维气相色谱的容量因子的步骤具体为：

（1）设定第一维气相色谱任意温度点的虚拟死时间t_M1；

测定待测组分在预设温度点下的保留时间，确定最小保留时间，将小于最小保留时间的任意一个时间值作为虚拟死时间t_M1；

（2）通过保留时间和虚拟死时间t_M1得到待测组分在预设温度点下相应的各个容量因子k’₁；

（3）将容量因子k’₁与相应的温度值分别代入lnk’₁=AT³+BT²+CT+D中，得到未知系数A、B、C和D的值；

（4）通过A、B、C和D得到待测组分在1stGC上任意温度点的容量因子k’₁。

所述确定待测组分在第二维气相色谱的容量因子的步骤中保留时间的确定具体为：

将第二维气相色谱在40℃下保持预设时间，等待测组分全部进入柱子后以80℃/min的速度升到所需等温点，获取初始保留时间；

获取标准物2-乙基蒽醌分别在等温点、从40℃以80℃/min的速度升到等温点的保留时间值，获取保留时间差值，并对所述初始保留时间进行校正。

所述通过所述容量因子和所述温度值对待测组分保留时间进行预测的步骤具体为：

1）待测组分在第一维气相色谱柱上保留时间的预测；

（1)将第一维气相色谱确定的色谱柱温度T_i1代入容量因子与温度的关系式中，计算待测组分在温度T_i1时的容量因子k’₁；

（2）运用容量因子k’₁值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度：

k’₁×β₁=C_Sin1/C_Min1

C_Sin1+C_Min1=C_in1

β₁为第一维气相色谱色谱柱的相比，C_Sin1和C_Min1分别为流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中固定相和流动相中的浓度；C_in1为第一维气相色谱色谱柱流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中的总浓度；

流动相流到第i-1个、第i个和第i+1个等份距离时，在色谱柱最后一个等份距离即第N个等份距离上，待测化合物在流动相的浓度分别为C_MN(i-1)1、C_MNi1和C_MN(i+1)1，

当C_MN(i-1)1＜C_MNi1，且C_MNi1＞C_MN(i+1)1时，停止计算，计算等份距离数为i时，共需要的时间ti，该时间即为保留时间t_p1；

当不满足上述不等式时，继续重复上述计算，直至满足不等式为止，确定出保留时间t_p1；

2）待测组分经第一维气相色谱分离后在第二维气相色谱上保留时间的预测；

保留时间t_p1即为第二维气相色谱的进样时间，t_p1时刻的第二维气相色谱的仪器条件是第二维气相色谱保留时间预测的初始条件，将t_p1时刻作为第二维气相色谱的开始时间；运用温度T_i2对应容量因子值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度以及通过浓度比较确定保留时间t_p2；

3）保留时间的预测：总保留时间t_p=t_p1+t_p2。

本发明提供的技术方案的有益效果是：本发明运用待测组分在1stGC，2ndGC色谱柱上恒温条件下的保留时间，预测了两单独气相色谱仪通过中心切割技术串联到一起的多维气相联机仪器在程序升温条件下的保留时间。此预测方法操作简单，不仅减少了实验次数，降低工作量，节约分析时间，而且从预测结果得知，此方法可靠性强，预测精度高。此外，本发明还可以实现多维气相色谱条件的自动优化处理，为最佳分离条件的选择提供可行途径。

附图说明

图1为一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法的流程图；

图2为预测过程的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，以塔板理论和微积分理论为基础，针对MDGC/MS联机仪器，利用两柱的恒温保留时间，预测程序升温下此联机仪器的保留时间，参见图1和图2，包括以下过程：

101：确定待测组分在第一维气相色谱1stGC、第二维气相色谱2ndGC任意温度点的容量因子；

1）确定待测组分在1stGC任意温度点的容量因子k’₁；

（1）设定1stGC任意温度点的虚拟死时间t_M1；

在60-300℃范围内设定至少四个温度点，测定待测组分在这些温度点下的保留时间，确定最小保留时间，将小于最小保留时间的任意一个时间值作为虚拟死时间t_M1。

（2）将步骤（1）确定的保留时间和虚拟死时间t_M1分别代入式1中，得到待测组分在上述温度点下相应的各个容量因子：

k’₁=t_R1/t_M1-1          式1

式1中：t_R1为待测组分在对应温度点的保留时间；t_M1为选取的虚拟死时间；k’₁为待测组分在对应温度点的容量因子。

(3)将由式1计算得到的容量因子与相应的温度值分别代入式2中，得到一个方程组，通过解方程组，确定1stGC未知系数A、B、C和D的值：

lnk’₁=AT³+BT²+CT+D          式2

(4)将确定后的A、B、C和D再代入式2中，得到待测组分在1stGC上任意温度点的容量因子k’₁。

2)确定待测组分在2ndGC任意温度点的容量因子：

(1)在温度40-300℃范围内设定至少四个温度点；

(2)先将2ndGC在40℃下保持一段时间，等待测组分全部进入柱子后马上以80℃/min的速度升到所需等温点，获取初始保留时间；

获取标准物2-乙基蒽醌分别在等温点、从40℃以80℃/min的速度升到等温点时的保留时间，获取保留时间差值；利用保留时间差值对初始保留时间进行校正，确定2ndGC校正保留时间t_R2。

(3)虚拟死时间t_M2、容量因子k’₂及待测组分在2ndGC上任意温度点的容量因子确定过程与步骤1)相同，本发明实施例在此不做赘述。

102：确定1stGC、2ndGC在程序升温段中任意时刻的温度值；

1）确定1stGC在程序升温段中任意时刻的温度值；

（1）确定程序升温需要的总时间t_total；

当采用单阶程序升温时用式3确定程序升温需要的总时间t_total；

t_total=(T_f-T₀)/v          式3

式3中：T₀为起始温度；T_f为终止温度；v为升温速率；T₀和T_f的温度值根据实验和仪器要求设定；v的取值为0℃/min-30℃/min任意设定。

当采用多阶程序升温时用式4确定程序升温需要的总时间t_total；

t_total=t_h1+t₁+t_h2+t₂          式4

式4中：t_h1为起始温度保持时间，该值为0min-20min任意设定；t₁为第一阶段程序升温需要的时间，由式5确定：

t₁=(T₁-T₀)/v₁          式5

式5中：T₁为第一阶段程序的终止温度，v₁为第一阶段程序升温的升温速率；t_h2为第一阶段程序的终止温度保持时间；t₂为第二阶段程序升温需要的时间，由式6确定：

t₂=(T₂-T₁)/v₂          式6

式6中：T₂为第二阶段程序的终止温度；v₂为第二阶段程序升温的升温速率。

（2）确定1stGC中流动相走到第i个等份所经历的时间t_i1；

将设定的虚拟死时间t_M1微分成m等份，每等份为△t_M1

$t_{M1}=\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{t}_{M1}$ 式7

式7中：t_M1为虚拟死时间；m为时间间隔的等份数，设定值要足够大；△t_M1为每等份的时间，由等份数m决定。

由式8确定每等份的时间△t_M1内流动相走过的距离△l

△l=u×△t_M1          式8

式8中：u为流动相平均线速度，由式9确定

$u=\frac{3}{32\mathrm{L\η}}\frac{d_c^2}{4}\frac{p_i^2-p_0^2}{p_i^3-p_0^3}$ 式9

式9中：L为色谱柱长；d_c为色谱柱内径；P_i为流动相在色谱柱入口处的压力；P₀为流动相在色谱柱出口处的压力；η为流动相粘度；将每等份的时间△t_M1内流动相走过的距离△1进行积分，即流动相走过的距离等于色谱柱长L：

$L=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}1$ 式10

式10中：N为整根色谱柱含有的距离等份总数；流动相走到第i个等份所经历的时间t_i1：

t_i1=i·△t_M1          式11

式11中：i为时间等份数；△t_M1为每等份的时间，由式7确定。

（3）确定化合物随流动相流到第i个等份的时间时，色谱柱对应的温度T_i；

①对单阶程序升温：

当t_i<t_total时：T_i=v×t_i+T₀

当t_i>t_total时：T_i=T_f

②对多阶程序升温：

当t_i≤t_h1，T_i=T₀；

当t_h1<t_i<t_h1+t₁时：T_i=v₁×(t_i-t_h1)+T₀；

当t_h1+t₁≤t_i≤t_h1+t₁+t_h2，T_i=T₁；

当t_h1+t₁+t_h2<t_i<t_total，T_i=v₂×(t_i-t_h1-t₁-t_h2)+T₁；

当t_i≥t_total，T_i=T_f。

2）确定2ndGC在程序升温段中任意时刻的温度值。

该步骤中的程序升温需要的总时间t_total2，流过2ndGC整根色谱柱经历的时间t_i2以及化合物随流动相流到第i个等份的时间时，色谱柱对应的温度T_i2确定过程与步骤102中相同，本发明实施例在此不做赘述。

103：待测组分保留时间的预测。

1）待测组分在1stGC柱上保留时间的预测；

（1)将1stGC在步骤102中确定的色谱柱温度T_i1代入1stGC容量因子与温度的关系式中，计算待测组分在温度T_i1时的容量因子k’₁；

（2）运用容量因子k’₁值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度：

k’₁×β₁=C_Sin1/C_Min1          式12

C_Sin1+C_Min1=C_in1          式13

式12中：β₁为1stGC色谱柱的相比，C_Sin1和C_Min1分别为流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中固定相和流动相中的浓度。

式13中：C_in1为1stGC色谱柱流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中的总浓度，它由式14和式15确定：

C_in1=C_Si（n-1）1+C_{M（i-1）（n-1）1}          式14

C_M00=lug/ml          式15

式14、15中，C_M00为起始进样的浓度，C_Si（n-1）1为流动相流到第i个等份距离时，化合物在第n-1个等份距离固定相里的浓度，C_{M（i-1）（n-1）1}为流动相流到第i-1个等份距离时，化合物在第n-1个等份距离的流动相里的浓度；

由计算机计算得到流动相流到第i-1个、第i个和第i+1个等份距离时，在色谱柱最后一个等份距离即第N个等份距离上，待测化合物在流动相的浓度分别为C_MN(i-1)1、C_MNi1和C_MN(i+1)1，将三个浓度进行比较。

当C_MN(i-1)1＜C_MNi1，且C_MNi1＞C_MN(i+1)1时，停止计算，由式11计算等份距离数为i时，共需要的时间ti，该时间即为保留时间t_p1。

当不满足上述不等式C_MN(i-1)1＜C_MNi1，且C_MNi1＞C_MN(i+1)1时，则继续重复上述计算，直至达到满足不等式C_MN(i-1)1＜C_MNi1，且C_MNi1＞C_MN(i+1)1为止，确定出保留时间t_p1。

2）待测组分经1stGC分离后在2ndGC上保留时间的预测；

上述求得的保留时间t_p1即为2ndGC的进样时间，t_p1时刻的2ndGC的仪器条件才是2ndGC保留时间预测的初始条件，先将t_p1时刻作为2ndGC的开始时间。

2ndGC中待测组分在温度T_i2时的容量因子k’₂，运用温度T_i2对应容量因子值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度以及通过浓度比较确定保留时间t_p2的过程与待测组分在1stGC柱上保留时间t_p1的预测过程相同。

3）保留时间的预测：

总保留时间t_p=t_p1+t_p2；          式16

即根据上述步骤101-103，实现了对保留时间的预测，取得了较高的预测精度。

根据步骤102中确定的1stGC和2ndGC程序升温条件，测定待测组分在MDGC/MS上的保留时间t_R’，预测值的验证：

$\mathrm{RE}\%=\frac{t_p-t_R^{\&prime;}}{t_R^{\&prime;}}\&times;100\%$ 式17

经待测组分保留时间预测值tp减去待测组分实测的保留时间值t_R’，得到偏差值，用偏差值除以实测的保留时间值t_R’即为待测组分的保留时间相对偏差，以此来对预测结果进行验证。

下面以二个具体的实例详细描述本发明实施例提供的一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法的可行性：

实施例1

实验仪器：MDGC/MS-2010（日本岛津）

色谱柱：1stGC：DB-5[15m×0.25mm(i.d.)；膜厚0.1μm]毛细管柱；2ndGC：DB-17MS[30m×0.25mm(i.d.)；膜厚0.25μm]毛细管柱；

仪器条件：PTV进样口：290℃；压力：153.8kPa（恒压操作模式）；分流进样：10：1；载气：氦气；FID检测器（1stGC）：300℃；H2、空气、尾吹（He）流量：40.0、400.0、30.0ml/min；2ndGC柱头压120kPa（恒压操作模式）；质谱条件：EI源，离子源温度：200℃，接口温度：260℃；扫描方式：scan方式；扫描时间：16-58min；扫面范围：50-500。

程序升温条件：1stGC：60℃-10℃/min-300℃（5min）；

2ndGC：40℃（16.05min）-10℃/min-300℃（5min）

待测组分：氯唑磷

1．测定氯唑磷在1stGC DB-5毛细管柱140℃、160℃、180℃、200℃和250℃时的保留时间：氯唑磷对应温度点保留时间分别为30.613min、14.416min、8.401min、5.927min、4.1005min；选取3.5min为DB-5虚拟死时间。

2．测定氯唑磷在2ndGC DB-17MS毛细管柱160℃、180℃、200℃、250℃和280℃时的保留时间：氯唑磷对应温度点2-乙基蒽醌校正保留时间分别为29.065min、14.2085min、8.419min、4.5985min、4.2155min；选取3.6min为DB-17MS虚拟死时间。此保留时间是从2ndGC进样后开始计算的，即从组分在1stGC出峰后开始计时。由于从1stGC切割进入2ndGC色谱柱温度较高，组分出现了严重的谱带展宽现象，为了使峰形更尖锐，预测效果更准确，先将2ndGC在40℃下保持一段时间，待组分进入柱子后马上以80℃/min的速度升到所需等温点，然后再用标准物2-乙基蒽醌对保留时间进行校正，校正后的数据预测精度很高。

3．根据式1、2，利用上述测得的两柱在五个温度点下的保留时间和虚拟死时间来确定氯唑磷在两柱上容量因子与温度的关系：

氯唑磷DB-5：

y=-0.000068057x³+0.043453083x²-9.217356299x+655.991270944

DB-17MS：

y=-0.000040837x³+0.030220426x²-7.432235950x+610.372776537

4．1stGC单阶程序升温条件是60℃-10℃/min-300℃（5min），实际测得的保留时间t_R1=16.050min.2ndGC单阶升温程序条件为40℃（16.05min）-10℃/min-300℃（5min），测得的实际保留时间为t_R2=16.865min,t_R=t_R1+t_R2=32.915min.

5．将仪器参数、柱参数、上述单阶程序升温条件、两柱容量因子与温度关系输入程序中，程序按照第三步过程计算多维气相保留时间值tp=15.9145+16.8378min=32.7523min，相对偏差为-0.494%.

实施例2

本实施例的过程和条件与实施例1相同，不同的是：

程序升温条件：1stGC：60℃-15℃/min-300℃（5min）；

             2ndGC：40℃（12.265min）-20℃/min-300℃（5min）

在此程序升温条件下实际测得保留时间为t_R为22.139min。

将仪器参数、柱参数、程序升温条件以及两柱容量因子与温度关系输入程序中，程序按照第三步过程计算多维气相保留时间tp’为22.021，相对偏差为-0.533%。

通过上述实验证明，本方法取得了较高的预测精度，验证了本方法的可行性。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）确定待测组分在第一维气相色谱、第二维气相色谱任意温度点的容量因子；

（2）确定第一维气相色谱、第二维气相色谱在程序升温段中任意时刻的温度值；

（3）通过所述容量因子和所述温度值对待测组分保留时间进行预测。

2.根据权利请求1所述的一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，其特征在于，所述确定待测组分在第一维气相色谱的容量因子的步骤具体为：

（1）设定第一维气相色谱任意温度点的虚拟死时间t_M1；

测定待测组分在预设温度点下的保留时间，确定最小保留时间，将小于最小保留时间的任意一个时间值作为虚拟死时间t_M1；

（2）通过保留时间和虚拟死时间t_M1得到待测组分在预设温度点下相应的各个容量因子k’₁；

（3）将容量因子k’₁与相应的温度值分别代入lnk’₁=AT³+BT²+CT+D中，得到未知系数A、B、C和D的值；

（4）通过A、B、C和D得到待测组分在1stGC上任意温度点的容量因子k’₁。

3.根据权利请求1所述的一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，其特征在于，所述确定待测组分在第二维气相色谱的容量因子的步骤中保留时间的确定具体为：

将第二维气相色谱在40℃下保持预设时间，等待测组分全部进入柱子后以80℃/min的速度升到所需等温点，获取初始保留时间；

获取标准物2-乙基蒽醌分别在等温点、从40℃以80℃/min的速度升到等温点的保留时间值，获取保留时间差值，并对所述初始保留时间进行校正。

3、根据权利请求1所述的一种多维气相色谱质谱仪保留时间的预测方法，其特征在于，所述通过所述容量因子和所述温度值对待测组分保留时间进行预测的步骤具体为：

1）待测组分在第一维气相色谱柱上保留时间的预测；

（1)将第一维气相色谱确定的色谱柱温度T_i1代入容量因子与温度的关系式中，计算待测组分在温度T_i1时的容量因子k’₁；

（2）运用容量因子k’₁值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度：

k’₁×β₁=C_Sin1/C_Min1

C_Sin1+C_Min1=C_in1

β₁为第一维气相色谱色谱柱的相比，C_Sin1和C_Min1分别为流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中固定相和流动相中的浓度；C_in1为第一维气相色谱色谱柱流动相流到第i个等份距离时，待测化合物在第n个等份距离中的总浓度；

流动相流到第i-1个、第i个和第i+1个等份距离时，在色谱柱最后一个等份距离即第N个等份距离上，待测化合物在流动相的浓度分别为C_MN(i-1)1、C_MNi1和C_MN(i+1)1，

当C_MN(i-1)1＜C_MNi1，且C_MNi1＞C_MN(i+1)1时，停止计算，计算等份距离数为i时，共需要的时间ti，该时间即为保留时间t_p1；

当不满足上述不等式时，继续重复上述计算，直至满足不等式为止，确定出保留时间t_p1；

2）待测组分经第一维气相色谱分离后在第二维气相色谱上保留时间的预测；

保留时间t_p1即为第二维气相色谱的进样时间，t_p1时刻的第二维气相色谱的仪器条件是第二维气相色谱保留时间预测的初始条件，将t_p1时刻作为第二维气相色谱的开始时间；运用温度T_i2对应容量因子值，计算随流动相流到第i个等份距离时固定相和流动相的浓度以及通过浓度比较确定保留时间t_p2；

3）保留时间的预测：总保留时间t_p=t_p1+t_p2。

Images