HK40076216B - 具有固定相厚度梯度的色谱柱 - Google Patents

Description

具有固定相厚度梯度的色谱柱

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年11月25日提交的美国临时申请号62/940,038的权益。上述临时申请的全部公开内容通过引用合并于此。

政府支持

本发明是由疾病控制中心授予的OH011082以及由美国空军、空军物资委员会授予的FA8650-17-C-9106政府支持下完成的。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

本公开涉及一种气相色谱装置，该气相色谱装置包括具有带正厚度梯度的固定相的色谱柱、以增强峰聚焦。

背景技术

本部分提供与本公开有关的背景信息，该背景信息不必然是现有技术。

气相色谱法(Gas chromatography，GC)是一种经由分离柱来分离气相化合物的分析方法，该方法允许用于靶标样品中的化合物的分析和鉴定。GC在许多行业中广泛用于分离和鉴定靶标分析物，诸如挥发性有机化合物或半挥发性有机化合物。GC特别适用于分析具有需要单独检测的多种靶标分析物(target analytes)的复杂样品。GC通过观察通过分离柱的化学物质的“峰”来工作。因此，将具有不同化学物质或靶标分析物的样品经由进样器引入柱中。柱包括被认为是固定相的内部材料。样品的不同部分以不同的速率(由于每种化学物质与柱中所含材料的物理和化学相互作用)通过柱。随着靶标分析物从柱中洗脱和离开，检测器可以基于分析物通过柱的速率来区分随时间洗脱的物质。可以在检测期间或检测之后以电子方式识别和/或量化这些分析物。改进色谱柱内的分离以提高性能和GC检测能力是期望的。

发明内容

本部分提供了本公开的一般概述，并不是对本公开的全部范围或本公开的所有特征的全面公开。

在某些方面，本公开涉及一种用于一种或更多种靶标分析物的峰聚焦(peakfocusing)的气相色谱装置。色谱柱具有入口和出口，其中入口接收样品，该样品包含在出口处离开柱的一种或更多种靶标分析物。固定相沉积在色谱柱内部且具有正厚度梯度。固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。

一方面，第一厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约10微米，且第二厚度为大于或等于约30nm至小于或等于约30微米。

一方面，第二厚度大于或等于第一厚度至少约100％。

一方面，第二厚度大于或等于第一厚度至少约300％。

一方面，色谱柱是微气相色谱柱(microgas chromatographic column)。

一方面，固定相包含硅氧烷聚合物。

又一方面，硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，该烷基或芳基包括1至30个碳原子。

一方面，色谱柱的截面形状选自由以下构成的组：圆形、椭圆形、矩形和三角形。

本公开还涉及一种在气相色谱装置中的峰聚焦的方法。该方法包括将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中，该色谱柱包括沉积在色谱柱内部、且具有正厚度梯度的固定相。固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。该方法还包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物。该方法还包括从色谱柱的出口洗脱两种或更多种靶标分析物。

一方面，两种或更多种靶标分析物是挥发性有机化合物(volatile organiccompound，VOC)。

一方面，两种或更多种靶标分析物中的至少一种包含芳族化合物，并且用于芳族化合物的总峰聚焦率(overall peak focusing rate)大于或等于约25％。

一方面，两种或更多种靶标分析物中的至少一种包含烷烃化合物，并且用于烷烃化合物的总峰聚焦率大于或等于约10％。

一方面，第一厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约10微米，并且第二厚度为大于或等于约30nm至小于或等于约30微米。

一方面，第二厚度大于或等于第一厚度至少约300％。

一方面，色谱柱是微气相色谱柱。

又一方面，固定相包括硅氧烷聚合物，该硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，该烷基或芳基包括1至30个碳原子。

一方面，色谱柱的截面形状选自由以下构成的组：圆形、椭圆形、矩形和三角形。

本公开还涉及一种验证气相色谱装置中峰聚焦的方法。该方法包括通过将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中来执行正向操作(forward operation)，该色谱柱包括沉积在色谱柱内部且具有正厚度梯度的固定相。固定相从入口延伸至出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。正向操作包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物、并从色谱柱的出口洗脱两种或更多种靶标分析物。该方法还包括通过将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的出口来执行反向操作(reverse operation)，该色谱柱包括固定相。反向操作包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物、并从色谱柱的入口洗脱两种或更多种靶标分析物。该方法还包括比较来自正向操作和反向操作的色谱分辨率(chromatographicresolution)，其中用于来自两种靶标分析物的至少一对对应的两个峰的峰聚焦率大于5％。

本公开还进一步涉及一种制造气相色谱装置的方法，该气相色谱装置具有带正厚度梯度的色谱柱。该方法包括将前体液体至色谱柱中。前体液体包括固定相前体和低沸点溶剂，该低沸点溶剂沿色谱柱的长度挥发以在固定相前体沿色谱柱移动时、增加固定相前体的浓度，从而产生固定相厚度梯度。该方法还包括使固定相前体反应或交联以形成正厚度梯度固定相，该固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱入口处的第一厚度以及在色谱柱出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。

一方面，在引入前体液体之前，使色谱柱的内表面硅烷化。

一方面，硅烷化包括使气相中的反应性硅烷通过柱。

一方面，色谱柱包括入口和出口，并且引入、和反应或交联包括：通过用前体液体部分地填充色谱柱、在入口处施加压力以使迫使前体液体沿色谱柱的长度向下、以及在出口处施加真空以蒸发低沸点溶剂来动态地涂覆色谱柱的内表面。

一方面，第一厚度为大于或等于约10nm至小于或等于约10微米，且第二厚度为大于或等于约30nm至小于或等于约30微米。

一方面，第二厚度大于或等于第一厚度至少约100％。

一方面，第二厚度大于或等于第一厚度至少约300％。

一方面，色谱柱是微气相色谱柱。

一方面，固定相包含硅氧烷聚合物。

又一方面，硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，该烷基或芳基包括1至30个碳原子。

从本文提供的描述中，其他适用领域将变得显而易见。本概述中的描述和具体实施例旨在仅用于说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于选定实施方案而非所有可能的实现方式的说明性目的，并且不旨在限制本公开的范围。

图1显示了气相色谱装置系统的示例实施方案。

图2显示了根据本公开的某些方面的色谱柱的截面图，该色谱柱具有带正厚度梯度以增强峰聚焦的固定相。

图3A-图3C是根据本公开的某些方面通过膜厚度梯度柱(film thicknessgradient column，FTGC)进行的峰聚焦的描绘。如图3A所示，当分析物沿柱行进时，较薄到较厚的膜在聚焦分析物峰。图3B是用于柱性能评估的设置的图示。图3C是正向操作模式和逆向操作模式(backward operation mode)/反向操作模式的图示。

图4A-图4C。图4A是FTGC涂层设置的图示。柱通过用涂层溶液塞部分地填充、且随后以5psi的压力推动混合物离开而动态地涂覆。在推动溶液离开的情况下，向出口施加-2psi的真空压力以蒸发溶剂。图4B是靠近柱入口的SEM图像，膜厚为34nm。图4C是靠近柱出口的SEM图像，膜厚为241nm。

图5A-图5D。图5A是在正向操作模式中分离C₇至C₁₆烷烃混合物的图。图5B是在相同参数逆向或反向操作模式中分离C₇至C₁₆烷烃混合物的图。图5C是在等时逆向模式(equaltime backward mode)中分离C₇至C₁₆烷烃混合物的图。图5D是使用均匀厚度柱分离C₇至C₁₆烷烃混合物的图。

图6图示了用于C₇至C₁₆烷烃的正向模式、与相同参数模式和等时逆向/反向模式以及均匀厚度柱之间的分辨率差异。

图7A-图7D。图7A是在正向模式中分离芳族化合物混合物的图。图7B是在相同参数中分离芳族化合物混合物的图。图7C是在等时逆向/反向模型中分离芳族化合物混合物的图。图7D是在具有均匀厚度柱的对比柱中分离芳族化合物混合物的图。峰1、2、3、4和5分别对应于苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯和1,3-二氯苯。

图8图示了芳族化合物分离的正向模式、与相同参数模式和等时逆向模式以及均匀厚度柱之间的分辨率差异。

图9A-图9C。图9A为在正向模式中C₅和C₆的室温等温分离的图。图9B为在相同参数反向/逆向模式中C₅和C₆的室温等温分离的图。图9C为使用均匀厚度柱中C₅和C₆的室温等温分离的图。

贯穿附图的若干视图，相应的附图标记表示相应的部件。

具体实施方式

提供示例实施方案使得本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述了许多具体细节，例如具体组合物、组件、装置和方法的示例，以提供对本公开的实施方案的彻底理解。对本领域技术人员将显而易见的是，不需要采用具体细节，示例实施方案可以以许多不同的形式体现且均不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例实施方案中，不详细描述公知的工艺、众公知的装置结构和公知的技术。

本文中使用的术语仅为了描述特定示例实施方案的目的，且不旨在是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一个”、“一种”和“所述”也可以旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包括(comprises，comprising)”、“包含(including)”和“具有”为开放性的，且因此特指所述特征、元件、组合物、步骤、整数、操作和/或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组的存在或添加。尽管开放式术语“包括”应被理解为用于描述和要求本文中阐述的各种实施方式的非限制性术语，但在某些方面，该术语可以替代地被理解为更具限制性和约束性的术语，例如“由……组成”或“基本上由……组成”。因此，对于列举组合物、材料、组分、元素、特征、整数、操作和/或过程步骤的任何给定实施方案，本公开还具体地包括由或基本上由这些列举的组合物、材料、组分、元素、特征、整数、操作和/或过程步骤组成的实施方案。在“由……组成”的情况下，替代的实施方案排除了任何附加的组成、材料、组分、元素、特征、整数、操作和/或过程步骤，而在“基本上由……组成”的情况下，实质上影响基本特性和新颖特性的任何附加的成分、材料、组分、元素、特征、整数、操作和/或过程步骤被排除在该实施方案之外，但是实质上不影响基本特性和新颖特性的任何组成、材料、组分、元素、特征、整数、操作和/或过程步骤可以包括在该实施方案中。

除非具体标识为执行顺序，否则本文描述的方法步骤、过程和操作不应被解释为必然要求它们以所讨论或图示的特定顺序执行。还应当理解的是，除非另有指示，否则可以采用附加的或替代的步骤。

当一个组件、元件或层被称为“在另一个元件或层之上”，“啮合到另一个元件或层”、“连接到另一个元件或层”或“耦合到另一个元件或层”时，该组件、元件或层可以直接在另一个组件、元件或层之上，啮合到另一个组件、元件或层，连接到另一个组件、元件或层，或耦合到另一个组件、元件或层，或可能存在中间元件或层。相反地，当元件被称为“直接在另一元件或层之上”、“直接啮合到另一元件或层”、“直接连接到另一元件或层”或“直接耦合到另一元件或层”时，可能不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他词应当以类似的方式(例如，“介于”与“直接介于”、“相邻”与“直接相邻”等)进行解释。如本文所用，术语“和/或”包括相关所列项目中的一个或多个的任何和所有组合。

尽管术语第一、第二、第三等可以在本文中用于描述各种步骤、元件、组件、区域、层和/或部分，但是除非另有指示，否则这些步骤、元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语的限制。这些术语可能仅用于将一个步骤、元件、组件、区域、层或部分与另一步骤、元件、组件、区域、层或部分区分开来。除非上下文明确指示，否则当在本文中使用时诸如“第一”、“第二”和其他数字术语的术语不暗示顺序或次序。因此，在不脱离示例实施方案的教导的情况下，下面讨论的第一步骤、元件、组件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、组件、区域、层或部分。

空间相对术语或临时相对术语，诸如“之前”、“之后”、“内部”、“外部”、“之下”、“下方”、“下面”、“上方”、“上面”等，在本文中可以用于描述的方便以如图所示地描述一个元件或特征与另一个元件或特征的关系。除了图中所描绘的取向之外，空间相对术语或临时相对术语可以旨在涵盖装置或系统在使用或操作中的不同取向。

在整个本公开中，数值代表对范围的近似测量或限制，以涵盖与给定值、大约具有所提到的值的实施方案以及精确地具有所提到的值的实施方案的微小偏差。除了在具体描述的末尾处提供的工作实施例之外，该说明书(包括所附权利要求书)中的所有参数的数值(例如，数量或条件的数值)应被理解为在所有情况下都被术语“约”修改，无论“约”实际上是否出现在数值之前。“约”表示所述数值允许有一些轻微的不精确性(通过某种方法接近值的准确性；近似或合理地接近该值；几乎)。如果“约”提供的不精确性在本领域中没有以这种普通含义理解，那么本文所用的“约”至少表示由测量和使用这些参数的普通方法可能产生的变化。例如，“约”可以包括小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％，任选地小于或等于0.5％，并且在某些方面，任选地小于或等于0.1％。

此外，范围的公开包括所有值的公开以及整个范围内的进一步划分的范围，包括针对范围给出的端点和子范围。

现在将参考附图更完全地描述示例实施方案。

在各个方面，本教导属于气相色谱法。如图1所示，气相色谱系统20的简化图示典型地具有至少五个组件：(1)载气源22；(2)样品进样系统24；(3)一个或多个气相色谱柱30；(4)检测器32；以及(5)数据处理系统34。作为载气源22(也称为流动相)引入的载气是高纯度和相对惰性的气体，例如氦气、氢气、氮气、氩气或空气。传统系统中的载气与待测试的样品流体同时流过色谱柱30(在整个分离过程中)。样品进样系统24通过将包括一种或多种待测试的靶标分析物(例如，气态形式的)的预定体积的样品混合物与来自载气源22的流动载气组合而引入色谱柱30中。因此，载气和样品(可能具有一种或多种靶标分析物)被引入一个或多个色谱柱30。样品与来自载气源22的共注入的载气一起移动通过。

来自样品的靶标分析物种类被分离且通过色谱柱30输送，因此从柱中洗脱。应当注意的是，根据相应靶标分析物种类在它们通过色谱柱30并由色谱柱分离时的延迟，具有一种或多种靶标分析物的洗脱样品可以以部分级分从色谱柱30洗脱。此外，从色谱柱30洗脱的样品级分可以任选地被捕获并在下游重新注入。

典型地，在色谱柱30内实现分离，因为柱的内表面涂覆有(或柱的内部填充有)用作固定相的材料。术语“柱”的使用旨在广泛地包括流体可以流过的各种流动路径，诸如来自限定在一个或多个基板中的微特征的图案化流场或本领域技术人员所认识到的其它流体流动路径。固定相不同程度地吸附样品混合物中的不同靶标分析物。吸附的差异导致不同化学种类在它们沿色谱柱向下行进时延迟的不同和以此方式而导致迁移率的不同，从而影响样品混合物中靶标分析物的物理分离。在一些变型中，色谱柱是微气相色谱柱。如本文所使用的，“微尺寸”是指具有小于约500μm、任选地小于约400μm、任选地小于约300μm、任选地小于约200μm、任选地小于约150μm的至少一个尺寸的结构，并且在某些变体中，具有任选地小于约100μm的尺寸的结构，该尺寸也可以涵盖纳米级特征。如本文所使用的，提及的微尺寸、微通道、微流体通道或微结构涵盖更小的结构，诸如等效的纳米尺度结构。还应注意的是，虽然一个维度(诸如，直径)可能落在微尺寸范围内，但其他维度(诸如，长度)可能会超出微尺寸范围。

各种分离的组分从色谱柱30洗脱以进入用于分析的一个或多个检测器32。因此，一个或多个检测器32位于一个或多个色谱柱30的端部处。因此，检测器32用于检测在不同时间从色谱柱30出现或洗脱的样品中的各种化学物质或靶标分析物。这种检测器32典型地在气相色谱系统中通过对洗脱级分的破坏性分析而运行。检测器32的典型地非限制性示例包括质谱仪(mass spectrometer，MS)(例如、飞行时间质谱仪(time-of-flight massspectrometer，TOFMS))、火焰离子化检测器(flame ionization detector、FID)、光离子化检测器(photoionization detector、PID)、电子捕获检测器(electron capturedetector、ECD)、热导检测器(thermal conductivity detector、TCD)等。数据处理系统34典型地还与检测器32通信，以便典型地能够存储、处理和记录分离测试结果。

在壁涂覆毛细管色谱柱中，气相与涂覆在毛细管壁上的固定相之间的蒸汽相互作用使分析物的保留成为可能。在分析物沿色谱柱行进时，它们会遇到纵向和横向传质，这会导致峰变宽，降低GC分辨率并增加共洗脱的可能性。典型地，色谱柱内固定相的正确选择(以使足够的分析物相互作用和保留成为可能)、程序升温曲线的应用以及分流/无分流样品注入使提高色谱分离和分辨率成为可能。然而，在某些情况下，这些方法不足以实现期望的分离。例如，在便携式GC中，有限的载气供应阻止了分流注入的使用，而对升温程序的精细控制既困难又受系统功率容量的限制。此外，即使对于专门的分离(例如，通过多孔层开管柱(porous layer open tubular columns)分离高挥发性化合物)，也可能难以完全分离所有相关化合物。因此，用于改进色谱柱分离的额外方法是可取的。

负温度梯度分离(Negative temperature gradient separation，NTGS)是一种用于通过锐化洗脱峰来提高色谱柱性能的方法。在NTGS中，加热色谱柱入口，并经由与周围环境的热交换产生温度梯度。由于朝向色谱柱出口的温度较低，峰前部比其尾部行进的更慢，从而导致整体峰聚焦。这种效果可以通过沿色谱柱调整不同的温度分布来优化，从而使在不同条件下的高度多功能性成为可能。然而，由于NTGS对热交换的依赖，聚焦随环境温度、湿度、空气对流率和填充材料的热导率而变化，从而降低了可重复性和可预测性(尤其是在使用复杂温度分布的情况下)。复杂的热控制模块可以用于稳定温度梯度，但会增加GC装置的额外尺寸、重量、复杂性和成本。此外，由于上述热交换而造成的能量损失对于资源有限的系统(例如，微GC装置)来说是一个相关的损害。此外，高挥发性化合物的分离通常需要接近环境温度，因此可以温度梯度的产生将被避免或最小化，从而抑制NTGS效应。因此，尽管通用且可调，但NTGS对某些应用的使用(例如,便携式GC)可能是有限的且具有挑战性的。

本公开提供了一种用于气相色谱法期间的峰聚焦的新方法。在某些方面，用于一种或多种靶标分析物的峰聚焦的气相色谱装置包括具有入口和出口的色谱柱。入口接收样品，该样品包括在出口处离开色谱柱的一种或多种靶标分析物。固定相设置且沉积在色谱柱内、并且具有正厚度梯度。固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度。如将在下文进一步描述的，其中第二厚度比第一厚度大至少约10％。以这种方式，正固定相厚度梯度是固定相膜厚度从入口朝向出口增加的梯度。随着朝向出口固定相厚度的增加，峰前部比其尾部行进的更慢，从而使得整体峰聚焦。

图2显示了根据本公开的某些方面制备的色谱柱50的示例，该色谱柱能够使一种或多种靶标分析物的峰聚焦。在某些方面，一种或多种靶标分析物可以是挥发性有机化合物(VOC)，该挥发性有机化合物在色谱柱50内使用的温度和压力下具有相对高的蒸气压并因此而具有低沸点。VOC靶标分析物可以包括烷烃或芳族化合物。

色谱柱50由壁60限定。因此，色谱柱50的壁60可以限定具有中空内部区域52的结构，该中空内部区域可以至少部分地由固定相64占据。色谱柱50的截面形状可以选自由以下构成的组：圆形、椭圆形、矩形和三角形。在某些方面，色谱柱50由金属、二氧化硅或玻璃、或聚合物形成。色谱柱50限定入口70和出口72。如图2所示，壁60具有恒定的厚度。因此，壁60在入口70处由“T₁”表示的第一厚度与在出口72处由“T₂”表示的第二厚度相同。

如上所述，在样品/载体流动相中的一种或更多种靶标化合物的混合物和固定相64通过色谱柱时，该混合物与固定相相互作用。各靶标分析物以不同程度或以不同速率与固定相64相互作用。与固定相64相互作用最少的分析物将首先从色谱柱50离开或洗脱。通常，与固定相64相互作用最多的靶标分析物以最慢的速率行进通过色谱柱50并因此而最后离开。通过改变流动相(载体和样品)和固定相64的特性，可以分离靶标分析物的不同混合物。如下文将描述的，本技术上下文中的固定相64具有正厚度梯度，该正厚度梯度能够使一种或多种靶标分析物的峰聚焦，这通常意味着分析物峰随着其从色谱柱50的入口70行进到出口72而聚焦。

在某些变体中，固定相64可以包括硅，诸如二氧化硅或硅氧烷聚合物。多种硅氧烷类聚合物可以形成固定相64。通常，硅氧烷聚合物是交联聚合物，该交联聚合物具有硅和氧的基本骨架、以及可以相同或不同的侧构基(side constituent group)，通常由结构重复单元(-O-SiRR'-)_n描述，其中R和R'可以是相同或不同的侧基，并且“n”可以是大于2的任何值。二氧化硅或硅氧烷的表面官能化可以在与不同的短链有机硅烷的单体或聚合反应中执行，从而与硅烷醇基反应。虽然靶标分析物的保留机制保持不变，但不同固定相表面化学性质的差异会导致对不同靶标分析物的选择性发生变化。硅氧烷聚合物可以包括聚杂硅氧烷(polyheterosiloxanes)，其中侧基或重复单元可以不同。合适的侧基的示例可以是至少一个未取代或取代的、包含1至30个碳原子的烷基或芳基，例如，包括但不限于：甲基、乙基、丙基、丁基、戊基、己基、庚基、辛基、壬基、癸基、苯基、烷基苯基等。

在各个方面，固定相64沉积在壁60的内表面66上并限定正厚度梯度。在某些变型中，如将在下文进一步描述的，可以首先使内表面66硅烷化，例如，将内表面66暴露至六甲基二硅氮烷(hexamethyldisilazane，HMDS)蒸气、以形成含硅烷或含硅烷醇的表面涂层。然后，可以注入且反应硅氧烷聚合物的前体(诸如，硅树脂OV-1、可以作为OV-1 6001或硅树脂OV-17从俄亥俄河谷专业公司(Ohio Valley Specialty Company)商购的乙烯基改性的100％二甲基硅氧烷、可以作为OV-1 6017从俄亥俄河谷专业公司商购的乙烯基改性的50％苯基硅氧烷-50％甲基硅氧烷)、以形成固定相。交联剂(诸如，Dow SYLGARD^TM184试剂B(15％w/w，交联剂))也可以与前体一起添加以促进交联。明显地，固定相64不限于这样的材料，并且这些仅作为用于气相色谱柱的合适示例来提供。

如图所示，固定相64沿壁60的内表面66从入口70延伸到出口72。固定相64因此而在内表面66上形成连续涂层或膜。固定相64在入口70处具有由“t₁”表示的第一厚度。固定相64在出口72处还限定了由“t₂”表示的第二厚度。第二厚度(t₂)比第一厚度(t₁)大至少约10％。因此，固定相64沿色谱柱50的长度限定了正梯度厚度。以这种方式，内部区域52在入口70处具有由固定相64的第一厚度“t₁”限定的第一直径(d₁)。内部区域52在出口72处具有由固定相64的第二厚度“t₂”限定的第二直径(d₂)。第一直径(d₁)大于第二直径(d₂)。以这种方式，固定相64在色谱柱50内限定了正厚度梯度。

在某些方面，厚度梯度在第一厚度(t₁)与第二厚度(t₂)之间、沿色谱柱50的长度逐渐增加。固定相64的厚度变化可以是恒定的或沿色谱柱50的长度而变化的，但厚度从入口70到出口72增加。

在某些变体中，第二厚度(t₂)比第一厚度(t₁)大至少约50％，任选地比第一厚度(t₁)大至少约100％、任选地比第一厚度(t₁)大至少约150％、任选地比第一厚度(t₁)大至少约200％、任选地比第一厚度(t₁)大至少约250％，以及在某些变体中，任选地第二厚度(t₂)比第一厚度(t₁)大至少约300％。第一厚度(t₁)任选地可以为大于或等于约10nm至小于或等于约10微米，且第二厚度(t₂)为大于或等于约30nm至小于或等于约30微米。在一个变体中，第一厚度(t₁)为约30nm，第二厚度(t₂)为约30微米。

图3A-3C是根据本公开的某些方面通过采用正膜厚度梯度(在本文中也称为膜厚度梯度柱(FTGC))进行的峰聚焦的描述。如图3A所示，对于给定的分析物80，随着分析物80沿色谱柱84向下行进，分析物峰82变得越来越聚焦，该色谱柱具有带从色谱柱84的入口88延伸到出口90的正厚度梯度的固定相86。如图3A所示，当分析物在方框箭头方向上沿色谱柱行进时，固定相86膜厚度从较薄到较厚(在从入口88到出口90的方向上)以此方式而使分析物峰82聚焦。图3B是用于色谱柱性能评估的设置的图示。色谱柱84安装成与配备有火焰离子化检测器(FID)98的安捷伦(Agilent)6890台式GC 96的进样器94流体连通。图3C是正向(顶部)操作模式和逆向/反向(底部)操作模式的图示。换而言之，包含至少两种靶标分析物的样品以正向模式(顶部)从入口88引入，并且在方框箭头的方向上朝向色谱柱84的出口90行进。在逆向或反向模式(底部)中，将包含至少两种靶标分析物的样品引入至色谱柱84的出口90，然后在方框箭头的方向上朝向入口88行进。

在某些方面，本公开考虑了一种在气相色谱装置中进行峰聚焦的方法。该方法可以包括将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中，该色谱柱包括沉积在色谱柱内且具有正厚度梯度的固定相。固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。固定相可以是前面描述的任何一种。该方法包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物。此外，然后从色谱柱的出口洗脱两种或更多种靶标分析物。

在某些方面，两种或更多种靶标分析物是挥发性有机化合物(volatile organiccompound，VOC)。在一方面，两种或更多种靶标分析物中的至少一种包含芳族化合物，并且用于芳族化合物的总峰聚焦率大于或等于约25％，例如，可以大于或等于约26％、任选地大于或等于约27％，并且在某些变体中，任选地大于或等于约28％。

在另一方面，两种或更多种靶标分析物中的至少一种包含烷烃化合物，并且用于烷烃化合物的总峰聚焦率大于或等于约10％，在某些变体中，任选地大于或等于约11％。

在又一方面，本公开考虑了一种验证气相色谱装置中峰聚焦的方法。该方法包括通过将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中来执行正向操作，该色谱柱包括沉积在色谱柱内且具有正厚度梯度的固定相。固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱的入口处的第一厚度以及在色谱柱的出口处的第二厚度，其中第二厚度比第一厚度大至少约10％。固定相可以具有前面描述的任何设计和组成。正向操作包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物，随后从色谱柱的出口洗脱两种或更多种靶标分析物。然后，通过将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱中的出口来执行反向操作，该色谱柱包括固定相。反向操作还包括分离色谱柱中的两种或更多种靶标分析物、并且从色谱柱的入口洗脱两种或更多种靶标分析物。该方法还包括比较来自正向操作和反向操作的色谱分辨率，其中来自两种靶标分析物的至少一对对应的两个峰的峰聚焦率大于5％、且任选地大于或等于约10％。

本公开还考虑一种制造气相色谱装置的方法，该气相色谱装置具有带正厚度梯度的色谱柱。该方法包括将前体液体引入色谱柱中。前驱液体包括固定相前体和低沸点溶剂，该低沸点溶剂沿色谱柱的长度挥发，从而在固定相前体沿色谱柱移动时增加固定相前体的浓度、且因此产生固定相厚度梯度。该方法还包括使固定相前体反应或交联、以形成正厚度梯度固定相，该正厚度梯度固定相从入口延伸到出口，并且具有在色谱柱入口处的第一厚度以及在色谱柱出口处的第二厚度。第二厚度比第一厚度大至少约10％。

在某些方面，在引入前体液体之前，使色谱柱的内表面硅烷化。硅烷化可以包括使气相中的反应性硅烷通过色谱柱。在一实施例中，反应性硅烷可以是六甲基二硅氮烷(HMDS)蒸气，该HMDS蒸汽在内表面上形成含硅烷的表面涂层。在某些变体中，反应性硅烷可以多次通过色谱柱。

然后，可以注入且反应硅氧烷聚合物的前体(诸如，硅树脂OV-1、可以作为OV-16001或硅树脂OV-17从俄亥俄河谷专业公司商购的乙烯基改性的100％二甲基硅氧烷、可以作为OV-1 6017从俄亥俄河谷专业公司商购的乙烯基改性的50％苯基硅氧烷-50％甲基硅氧烷)、以形成固定相。交联剂(诸如，Dow SYLGARD^TM184试剂B(15％w/w，交联剂))也可以与前体一起添加以促进交联。明显地，固定相不限于这样的材料并且这些仅作为气相色谱柱的合适示例提供。

色谱柱包括入口和出口，并且引入和反应(或交联)可以包括动态地涂覆色谱柱的内表面。这可以通过用前体液体部分填充色谱柱、在入口处施加压力以迫使前体液体沿色谱柱的长度向下、以及在出口处施加真空以蒸发低沸点溶剂来实现。例如，可以通过在入口处施加5psi的压力来推动前体液体塞通过色谱柱。可以向出口施加–2psi的真空压力以蒸发低沸点溶剂。

实施例

固定相厚度梯度气相色谱(GC)柱能够使分析物峰聚焦并改善分离分辨率。理论分析和模拟表明经由正厚度梯度(即，固定相厚度)的聚焦沿柱增加。峰聚焦通过涂覆5m长的毛细管柱进行实验验证，该毛细管柱具有的膜厚从柱入口处的34nm变化到柱出口处的241nm。该柱使用C₅至C₁₆的烷烃和芳族化合物、以正向(从薄到厚)模式和逆向(从厚到薄)模式进行分析，并与具有131nm厚度的均匀厚度柱进行比较。

正向模式与均匀厚度柱的分辨率比较表明，对烷烃的总聚焦率(即，峰容量的改善)为11.7％，对芳族化合物的总聚焦率为28.2％。

对于高挥发性化合物的等温室温分离和具有不同升温速率的程序升温分离而言，也证明了聚焦效应。在所有情况下，来自正向模式分离的峰容量均高于来自其他模式的峰容量，表明了正厚度梯度能够聚焦分析物峰。因此，作为用于提高GC分离性能的一般方法，这种厚度梯度技术可以广泛应用于各种固定相和柱类型。

测试设置

FTGC安装在配备火焰离子化检测器(FID，参见图3B)的安捷伦6890台式GC中。使用超高纯度氦气作为载气。如图3C所示，用从较薄涂层端(正向模式，即，从较薄薄膜行进至较薄膜)或较厚涂层端(逆向模式，即，从较厚薄膜行进至较薄的薄膜)注入的分析物，来执行峰聚焦效应的评估。还使用相同的设置评估均匀厚度柱(膜厚度与平均厚度相同)、以用于比较。所有实验均使用恒压升温程序来执行。表1中提供了程序升温方法和压头。

材料

分析标准级C₅至C₁₆、苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、1,3-二氯苯、硝基苯和二氯甲烷购自西格玛-奥德里奇(Sigma-Aldrich)(圣路易斯，密苏里州)。乙烯基改性OV-1(P/N 6001)和OV-17(P/N 6017)购自俄亥俄河谷专业公司(玛丽埃塔，俄亥俄州)。陶氏SYLGARD^TM184试剂B购自埃尔斯沃斯粘结剂(Ellsworth Adhesive)(日耳曼敦，威斯康星州)。失活的熔融石英管(P/N 10010，250μm内径)和RTX-5柱(P/N 10205，长度为5m，内径为250μm，膜厚为0.1μm)购自Restek(瑞思泰康)(柏芳特，宾夕法尼亚州)。DB-1MS柱(P/N 122-0162，长度为5m，内径为250μm，膜厚为0.25μm)购自安捷伦(圣克拉拉，加利福尼亚州)。所有材料均按购买时使用，无需进一步纯化或修改。

色谱柱涂层

将OV-1(75％w/w)、OV-17(10％w/w)和陶氏SYLGARD^TM184试剂B(15％w/w，交联剂)溶解在二氯甲烷中，以生成2％(w/w)涂层溶液(有效的5％苯基固定相)。5m长的毛细管柱(250μm i.d.)在通过8次重复注入六甲基二硅氮烷(HMDS)蒸气的涂覆前进行硅烷化。随后，经由注射泵(syringe pump)将80μL涂覆溶液从柱入口装载至毛细管100中(图4A)。从入口施加5-psi正压以驱使涂覆溶液流向出口。将负2-psi真空压力110通过1m虚拟柱(250μmi.d.)而施加至出口，这确保了恒定的涂层塞速度。在涂覆期间，少量低沸点二氯甲烷在真空下迅速蒸发，随着涂覆溶液塞从柱入口移动至出口，涂覆溶液浓度逐渐增加，因此膜厚度增加。涂覆后，干燥空气连续流过柱2小时，然后在80℃另外交联2小时，随后使用HMDS去活化。然后柱在0.5mL/min的氦气流量下在230℃老化3小时。使用相同的方法，使用1％(w/w)的涂覆溶液(与上述相同的成分，但已稀释)对具有均匀厚度膜的柱进行涂覆，并从入口施加5-psi正压以驱使涂覆溶液流向出口(不施加真空)。

模拟设置

C₈至C₁₅分离的模拟在正向模式和逆向模式以及使用与平均梯度膜厚度等效的均匀厚度中执行(表1中的分离条件)。对于5m柱，膜厚度从34nm至241nm变化(正向模式为入口至出口，逆向模式为出口至入口)。值得注意的是，保留因子k(x,t)的计算需要分配系数K(t)的值(Eq.(2))，这是基于参考文献[22]中的值估计的(参见部分S3-模拟参数和补充资料中的结果(Simulation parameters and results in Supporting Information))。表2提供了模拟保留时间和FWHM，并且表3提供了分辨率。

均匀厚度控制

Restek RTX-5柱用于以正向模式和逆向模式中C7至C16烷烃的分离作为对照，预期了分离没有差异。分离条件提供在表1中。用于保留时间和FWHM(超过5次运行)的p值是使用配对“学生”t检验计算的，并将得到的T分数转换为p值。在p＝0.05时是显著的；对于任何分析物峰，未观察到正向模式与逆向模式之间的显著差异(参见部分S4-在补充资料中使用Restek RTX-5柱的控制实验(Control experiment using an a Restek RTX-5column inSupporting Information))。同样地，对于C₇-C₁₅而言，当使用5m长的安捷伦DB-1MS柱(数据未显示)时，正向模式与逆向模式之间没有显著差异。

固定相表征

为了表征固定相的厚度，首先将FTGC在液氮中进行冷冻，然后切下几片。在靠近柱入口(较薄膜)和出口(较厚膜)处拍摄扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy，SEM)图像。图2(B)和(C)示出了从入口至出口，膜厚度从34nm增加至241nm，梯度约为41nm/m。均匀厚度柱也在入口和出口处进行表征，柱两端处的膜厚均为131nm。

用于峰值聚焦的理论解释如下：

在位置x(与色谱柱入口的距离)处分析物的有效速度u_eff(x,t)和给定时间t通过下式开始：

其中，u_M(x,t)是流动相的速度，并且k(x,t)是保留因子：

分配系数K(t)定义为

其中，R是通用气体常数，并且T(x,t)是在位置x处时间依赖性柱温。ΔG是与从固定相移动至流动相的分析物相关的吉布斯自由能(Gibbs free energy)变化，并且可以从分析物焓的变化(ΔH)和分析物熵的变化(ΔS)中计算出来

ΔG＝ΔH-TΔS。(4)

相位比β由以下定义

其中，d_i和d_f(x)分别是柱内径和膜厚。因此，等式(2)可以表示为

其中，A是用于给定柱的常数。沿柱变化的保留因子δk(x,t)可以写成(参见补充资料中的衍生)

等式(7)表明沿距离δx的柱的保留因子δk/k的微量增加有两个贡献：第一项给出的负温度梯度和第二项给出的正膜厚度梯度。该保留因子梯度(δk/k)与等式(1)中的速度梯度有关；因此，负温度梯度和正膜厚度梯度都会导致带的前部与尾部之间的速度差，从而允许带聚焦(例如，分析物的空间分布经历空间变化的速度梯度)。在出口处，该带在洗脱过程中被观察为随时间变化的峰，该峰可能比来自未聚焦的带的相应峰更窄。换句话说，峰聚焦(可观察的量)作为柱内带聚焦的结果存在。这两个梯度的等价性可以表示为

与传统的基于温度梯度类峰聚焦相比，膜厚度梯度具有几个优点。首先，膜厚梯度与柱温无关，这允许在任何操作温度下的任何挥发性分析物的聚焦。尤其是难以用NTGS聚焦的高挥发性化合物，可以根据本发明的技术(例如，用FTGC色谱装置和工艺)来完成聚焦。其次，虽然温度梯度可能随加热器和环境条件(诸如，加热器布置、散热、柱尺寸/重量、柱通道布置、以及环境温度和气流)而变化，但膜厚梯度始终是恒定的，并且允许更可靠且可重复的GC操作(不易受环境影响)。最后，根据本公开的某些方面的FTGC可以在没有另外附件(诸如，NTGS所需的加热器或冷却器)的情况下使用，这显著降低了用于未来集成的装置复杂性。然而，尽管有这些优点，但在一些方面，基于膜厚度梯度的分离可能不如NTGS通用，因为梯度是固定的，而温度梯度可以通过改变热源和/或排液(drain)来调节。此外，朝向柱出口增加的膜厚度可能会导致慢的质量传递，从而可能抵消峰聚焦效应。在以下模拟中检查了质量传递效果。

对于这个模拟，没有考虑温度梯度(即，NTGS)；仅分析膜厚度梯度。沿柱行进的分析物峰的时间依赖性浓度c通过求解瞬态对流-扩散方程来确定

其中，u_eff(x,t)在等式(1)中给出。有效扩散系数u_eff(x,t)可以由局部扩散D和保留因子k(x,t)来计算

d_f作为膜厚度，并且D_M作为流动相扩散常数。值得注意的是，D包括纵向和横向质量传递/扩散。D_M(x,t)可以表示为

扩散常数D_C(取决于分析物和流动相分子的摩尔重量、和原子与结构扩散体积)和D_S作为固定相扩散常数。局部压力p(x)由入口和出口压力p_in和p_out确定

L是柱的长度。u_M是流动相中的速度，其由下式给出

粘度η提供为在温度T₀和气体类型相关指数α_n下参考粘度η₀的函数：

在等式(12)中，值得注意的是，假设在给定时间t内沿柱的温度保持不变，则温度T(x,t)提供为T(t)。等式(9)可以通过将有限差分模型应用于离散时间(t)和位置(i)向量来求解

Δx和Δt是模拟距离和时间步长。结合这些得到

等式(19)的解产生分析物峰沿柱的时间依赖性运动。

模拟等式(19)，必须设定几个边界条件。首先，在t＝0，注入峰具有高斯峰形，即

其中σ是初始扩散。值得注意的是，时间t＝0处的初始峰位于x＝3σ处。在柱入口处，在初始注入后，没有额外的分析物注入至柱中：

C(0,t)＝0。 (21)

在柱出口处，最后目数浓度与左边的目数浓度近似相同(因为它不能由等式(16)计算)，即

C(L,t)＝C(L-Δx,t)。 (22)

通过观察，使用等式(19)，可以在柱出口处(即，x＝L)测量峰保留时间和半峰全宽(full widths at half maxima，FWHM，空间变化浓度用于构建随位置和时间变化的二维浓度矩阵。例如，C₈至C₁₅化合物的分离可以用正(即，从薄至厚，或“正向”模式)和负(即，从厚至薄，或“逆向”模式)膜厚度梯度。还进行了均匀厚度(厚度等于平均正向/逆向模式的膜厚度)膜的模拟作为对照。温度以30℃/min的速率从40℃上升至240℃。压头设定为3.45psi(出口设定为环境压力，即，1个大气压)。对于5m柱而言，膜厚度从34nm变化至241nm(正向模式从入口至出口，逆向模式从出口至入口)。通过观察沿第二维(即，在时间上)的浓度，可以得到浓度随时间变化的向量，其与出口处从检测器获得的信号相对应。最大值(随时间变化)与洗脱/保留时间相对应，并且FWHM可以通过观察峰值一半的时间处的浓度来测量。相邻峰之间的分辨率(R)可以额外使用公式计算

其中t₁和t₂是两个峰的保留时间，且w₁和w₂是相应的FWHM。

峰保留时间和半峰全宽(FWHM)可以在柱出口(即，x＝L)处测量，且提供在表1中。表1示出了用于模拟、均匀厚度控制、烷烃C₇至C₁₆的分离、芳族化合物的分离和高挥发性烷烃(C₅和C₆)的分离的程序升温分布和压头。

表1

表2示出了在正向模式和逆向模式中用于C₈至C₁₅的模拟保留时间(retentiontime，RT)和半峰全宽(FWHM)。还提供了用于均匀涂层厚度的RT和FWHM以供参考。温度以30℃/min的速率从40℃上升，压头为3.45psi。柱长为5m。所有值都以分钟为单位来提供。表3中提供了其他分析。

表2

	<![CDATA[RT<sub>fwd</sub>]]>	<![CDATA[FWHM<sub>fwd</sub>]]>	<![CDATA[RT<sub>uni</sub>]]>	<![CDATA[FWHM<sub>uni</sub>]]>	<![CDATA[RT<sub>bkwd</sub>]]>	<![CDATA[FWHM<sub>bkwd</sub>]]>
							<![CDATA[C<sub>8</sub>]]>	0.460	0.0382	0.449	0.0519	0.439	0.0684
<![CDATA[C<sub>9</sub>]]>	0.731	0.0473	0.714	0.0704	0.697	0.0995
							<![CDATA[C<sub>10</sub>]]>	1.157	0.0574	1.136	0.0885	1.113	0.1296
<![CDATA[C<sub>11</sub>]]>	1.639	0.0656	1.615	0.1005	1.560	0.1487
							<![CDATA[C<sub>12</sub>]]>	2.106	0.0713	2.082	0.1073	2.055	0.1584
<![CDATA[C<sub>13</sub>]]>	2.591	0.0763	2.568	0.1120	2.541	0.1640
							<![CDATA[C<sub>14</sub>]]>	3.050	0.0807	3.027	0.1158	3.001	0.1679
<![CDATA[C<sub>15</sub>]]>	3.460	0.0842	3.437	0.1186	3.411	0.1708

表3示出了正向模式和逆向模式中以及均匀厚度中用于C₈至C₁₅的相邻峰之间的模拟分辨率(R)。正向模式分辨率均大于逆向模式和均匀厚度分辨率。分辨率的差异定义为R_diff＝R_fwd-R_bkwd。

表3

表1示出了在不同时间、以正向模式和逆向模式洗脱的分析物峰；这是因为给定分析物的分离条件在两种模式之间是不同的。在正向模式中，分析物首先在低温下暴露至较薄膜，然后在高温下到达较厚膜，这与分析物在逆向模式下的经历完全相反。因此，在评价柱性能时，这两种模式下用于分析物的保留时间不同，半峰全宽(FWHM)无法直接比较。相反地，在两个峰之间使用分辨率R以分析分离性能(见表2)，这由等式23给出。

表2表明，与逆向模式相比时，正向模式在相邻峰之间产生更高的分辨率，这意味着在相同的时间间隔内，正向模式可以包含比逆向模式更多的峰。均匀厚度分辨率大于逆向模式分辨率，但始终小于正向模式分辨率，因此表明在正向模式中实现峰聚焦。对相邻峰分辨率的进一步分析表明，正向模式于逆向模式之间分辨率的差异(即，R_差值＝R_正向-R_逆向)随着分析物保留的增加而减少。这可能是由于在较厚膜区域中较慢的质量传递(即，横向扩散)——这对于较重的化合物来说更为明显。在正向模式中，这种效应使较低挥发性化合物越靠近柱出口越宽，从而抵消由柱提供的聚焦。相反地，在逆向模式中，出口处的较薄膜导致较小变宽，这抵消了来自逆向梯度的散焦。因此，对于较低挥发性化合物而言，正向模式与逆向模式之间的分辨率差异减小。

对烷烃混合物进行峰聚焦。FTGC的峰聚焦能力通过分离C₇至C₁₆烷烃混合物来评估。0.025μL的液体用于以5:1的分流比注入。将相同的分离条件用于正向模式、均匀厚度柱和逆向模式(表示为“相同参数逆向模式”，参见表1–烷烃混合物)。示例色谱图在图5A-5D中示出。

图6显示了，对于均匀厚度柱而言，以正向模式和相同参数的逆向模式、在不同时间洗脱的分析物峰，这与模拟一致(表2)。这是因为给定分析物的分离条件在两种模式之间是不同的，这进而又与均匀厚度柱不同。在正向模式中，分析物首先在低温下暴露至较薄膜，然后在高温下到达较厚膜，这与分析物在逆向模式下的经历完全相反。在均匀厚度柱中，分析物在所有温度下都经历相同的膜厚。因此，在评价柱性能时，在这两种模式和均匀柱中，用于分析物的保留时间不同，半峰全宽(FWHM)无法直接比较。相反地，相邻峰之间的分辨率(例如，C₇和C₈、C₈和C₉等)用以分析分离性能。相同参数逆向模式的分辨率以及均匀柱的分辨率被从正向模式中的相应分辨率减去；所有相邻峰对之间(5次运行的平均值)的分辨率差异(即，R_正向-R_{相同参数逆向}或R_正向-R_均匀)绘制在图6中。用于分辨率差异的p值使用配对的“学生”t检验进行计算(在正向模式和相同参数逆向模式以及均匀柱中的5次运行)，并且将得到的T得分转换为p值(参见表3)。在p＝0.05时具有显著性，这表明与相同参数的逆向模式相比，正向模式在相邻的所有对峰之间具有显著更高的分辨率。模拟证实了这一点(表3)，该模拟还表明了正向模式下的更高分辨率，这意味着在相同的时间间隔内，正向模式可以包含比逆向模式更多的峰。均匀厚度柱分辨率低于高达C₁₀/C₁₁的正向模式分辨率，但对于C₁₅/C₁对而言，均匀分辨率更高。下面提供了整体性能分析。

表4示出了针对C₇至C₁₆烷烃分离的正向模式与均匀厚度、与相同参数(identicalparameter，IP)逆向模式、以及与等时(equal time，ET)逆向模式之间的p值。在p＝0.05时具有显著性。所有p值在正向模式与IP逆向模式之间为显著的，而对于ET逆向模式而言，C₇至C₁₃的p值具有显著性。正向模式分辨率的显著性直到C₁₀/C₁₁时，都高于均匀厚度分辨率，而对于C₁₅/C₁₆而言，均匀厚度分辨率的显著性更高。

表4

为了进一步解释保留时间之间的差异，通过降低逆向模式升温速率来获得第二组色谱图，以确保C₁₆(最后洗脱的分析物)与正向模式同时洗脱(这表示为“等时逆向模式”，参见表1-分离条件，图5A-5D色谱图，图6-分辨率差异，表4–p值)。同样地，正向模式针对C₇与C₁₃之间的烷烃对提供了显著更高的分辨率(由5次运行中获得的结果)，但针对C₁₃至C₁₆执行类似于等时逆向模式。虽然对与所有局部分辨率(即，在相邻烷烃对之间)而言、正向模式并不优于等时逆向模式(或均匀厚度柱)，但是与所有其他模式相比，正向模式具有显著更高的峰容量(peak capacity，PC)，该峰容量定义为所有分辨率的总和

(表5)。聚焦率分析，定义为

这表明在与均匀厚度柱、相同参数逆向模式和等时逆向模式相比时，正向模式表明了总聚焦率分别约为11.7％、26.8％和29.8％。

表5

正向峰容量	49.34±0.841
		逆向峰值容量(IP)	38.90±0.831
p值	1.73e-4
		聚焦率(IP)	26.84％
逆向峰容量(ET)	38.02±2.400
		p值(ET)	4.62e-4
聚焦率(ET)	29.76％
		均匀峰容量	44.18±0.483
p值(均匀)	1.63e-4
		聚焦率(均匀)	11.67％

表5。对于图5A-图5D中的C₇至C₁₆烷烃分离而言，正向模式、与相同参数(IP)逆向模式、与等时(ET)逆向模式、以及与均匀厚度之间的峰容量、总分辨率、p值和聚焦率。在p＝0.05时具有显著性。正向模式中的峰容量显著优于所有其他模式的峰容量。

对芳族化合物混合物的峰聚焦

FTGC峰聚焦还分析了对含有苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯和1,3-二氯苯的芳族化合物混合物的分离。以5:1的分流比注入0.025μL的混合液体(分离条件提供在表1–芳族化合物混合物中)。示例色谱图在图7A-图7D中示出，并且分辨率差异在图8中示出。表6中提供了局部分辨率差异p值(由5次运行计算)。表7中提供了峰容量、p值和聚焦率，示出了正向模式与所有其他模式相比具有显著更高的峰容量。因此，无论分离参数是保持恒定(并且分析物在相同参数的逆向模式下洗脱更快)还是改变来确保最后的化合物同时洗脱(在正向模式和等时逆向模式下)，正向模式下的分离性能是总是比任何一种逆向模式都好。正向模式也优于均匀厚度柱，表明聚焦率为28.2％(表7)。因此，总体而言，正向模式(即，正膜厚梯度)表明了提高分离峰容量的能力。

表6示出了用于芳族化合物分离的正向模式与均匀厚度、相同参数(identicalparameter，IP)逆向模式以及等时(equal time，ET)逆向模式之间的p值。对于洗脱顺序和缩写，参见图7A–图7D。在p＝0.05时具有显著性。所有p值都显示出正向模式下显著提高的分辨率。

表6

p值	p值(IP)	p值(ET)	p值(均匀)
				B/T	3.08e-7	5.56e-7	1.83e-5
T/E	3.84e-7	9.28e-7	4.20e-6
				E/X	9.32e-6	8.28e-5	0.012
X/DCB	5.95e-6	2.06e-5	2.28e-5

表7示出了对于图7A-图7D中用于芳族化合物分离的正向模式、与相同参数(IP)逆向模式和等时(ET)逆向模式以及均匀厚度之间的峰容量、p值和聚焦率。在p＝0.05时具有显著性。正向模式的分离显著优于所有其他模式的分离。

表7

正向峰容量	13.47±0.089
		逆向峰值容量(IP)	9.59±0.060
p值	1.60e-7
		聚焦率(IP)	40.35％
逆向峰容量(ET)	9.85±0.093
		p值(ET)	1.56e-6
聚焦率(ET)	36.73％
		均匀峰容量	10.50±0.146
p值(均匀)	1.13e-5
		聚焦率(均匀)	28.22％

升温效应

为了表明升温速率如何影响峰聚焦，在正向模式、相同参数逆向模式和使用均匀厚度柱中执行用四种不同的升温速率(0、10、20和30℃/min，从60℃升温而不保持)的C₇至C₁₀的分离。压力为3.45psi(60℃时为2.7mL/min)，且所有分离的分流比为15:1(注入0.025μL的混合液体)。空白时间是通过甲烷注入来测量的、且发现所有升温速率为0.36分钟。表8中提供了用于各温度分布的分辨率和聚焦率(作为5次运行的平均值提供的值)。在正向模式下，在较高的升温速率下，分析物在到达更靠近柱出口的较厚固定相时、会遇到相对较高的温度。因此，分析物在较厚膜中花费的时间更少，也减少了峰变宽。在逆向模式中，分析物首先在较低温度下遇到较厚固定相，然后在较高温度下流向较薄固定相。来自低厚度固定相的峰变宽已经很低；因此，在逆向模式中，由于温度升高而导致的峰变宽总体地减小。因此，聚焦率随着温度上升速率的增加而增加，以30℃/min的速率、与正向和逆向模式相比聚焦率高达61.9％并且与正向模式和均匀厚度相比聚焦率高达68.1％。

表8显示了在不同升温速率下用于C7至C10分离的正向模式、逆向模式以及均匀厚度的分辨率(R)、峰容量(PC)和聚焦率。用于所有分离的初始温度为60℃，载气压头为3.45psi(60℃时为2.7mL/mi)。使用15:1的分流比注入0.025μL混合液体。

表8

用于高挥发性化合物的聚焦

与NTGS不同，FTGC梯度能够在难以产生温度梯度的低温下聚焦峰(只要这些峰在这些温度下合理地保留)。为了证明这一点，执行C₅和C₆的室温等温分离(表1)(图9A-图9C)。表9中提供了分辨率、p值和聚焦率(5次运行的平均值)。聚焦率达到40.2％，平均正向模式分辨率为2.97，均匀厚度分辨率为2.12。对于NTGS值得注意的是，高挥发性化合物难以实现相同的峰聚焦效果，因为在低工作温度下只能产生很小的温度梯度。

表9示出了用于室温(26℃)下C₅和C₆分离的正向模式、逆向模式和均匀厚度的分辨率、p值和聚焦率。在p＝0.05时具有显著性。

表9

正向分辨率	2.97±0.140
		逆向分辨率	1.85±0.055
p值(逆向)	1.17e-4
		聚焦率(逆向)	60.4％
均匀分辨率	2.12±0.049
		p值(均匀)	4.87e-4
聚焦率(均匀)	40.2％

本文中详细介绍了能够实现峰聚焦的固定相厚度梯度柱技术的开发和评估。实验结果由理论分析和模拟所证实，表明了在正向模式下各种化合物分离性能的增加，包括在室温下对高挥发性化合物的聚焦分离。与NTGS相比，FTGC具有适用温度和化合物挥发度范围较大、操作简单而无需辅助设备、对环境条件依赖小、以及致密性较好的优势。这种固定相厚度梯度技术可以轻易地应用于广泛的GC应用，并且可以用于任何材料或厚度的固定相，只要可以产生梯度即可。此外，它既适用于规则圆形截面的毛细管柱，且也适用于矩形截面的微型柱。为了说明和描述的目的，已经提供了实施方案的前述描述。该描述并非旨在是详尽的或限制本公开。特定实施方案的各个元件或特征通常不限于该特定实施方案，而是在适用的情况下，即使没有具体示出或描述，也是可互换的并且可以在选定实施方案中使用。相同的部分也可以以多种方式变化。这些变化不应被视为背离本公开，并且所有这些修改旨在包括在本公开的范围内。

Claims (28)

1.一种气相色谱装置，所述气相色谱装置用于一种或更多种靶标分析物的峰聚焦，所述气相色谱装置包括：

色谱柱，所述色谱柱具有入口和出口，其中，所述入口接收样品，所述样品包括在所述出口处离开所述色谱柱的一种或更多种靶标分析物；以及

固定相，所述固定相沉积在所述色谱柱内并具有正厚度梯度，其中，所述固定相从所述入口延伸至所述出口、并且具有在所述色谱柱的所述入口处的第一厚度以及在所述色谱柱的所述出口处的第二厚度，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少10％。

2.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述第一厚度为大于或等于10nm至小于或等于10微米，并且所述第二厚度为大于或等于30nm至小于或等于30微米。

3.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述第二厚度大于或等于所述第一厚度至少100％。

4.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述第二厚度大于或等于所述第一厚度至少300％。

5.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述色谱柱为微气相色谱柱。

6.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述固定相包括硅氧烷聚合物。

7.根据权利要求6所述的气相色谱装置，其中，所述硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，所述烷基或所述芳基包括1至30个碳原子。

8.根据权利要求1所述的气相色谱装置，其中，所述色谱柱的截面形状选自由以下构成的组：圆形、椭圆形、矩形和三角形。

9.一种在气相色谱装置中的峰聚焦方法，所述方法包括：

将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中，所述色谱柱包括：固定相，所述固定相沉积在所述色谱柱内部、且具有正厚度梯度，其中，所述固定相从所述入口延伸至出口、并且具有在所述色谱柱的所述入口处的第一厚度以及在所述色谱柱的所述出口处的第二厚度，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少10％；

分离所述色谱柱中的所述两种或更多种靶标分析物；以及

从所述色谱柱的所述出口洗脱所述两种或更多种靶标分析物。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述两种或更多种靶标分析物是挥发性有机化合物VOC。

11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述两种或更多种靶标分析物中的至少一种包括芳族化合物，并且用于所述芳族化合物的总峰聚焦率大于或等于25％。

12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述两种或更多种靶标分析物中的至少一种包括烷烃化合物，并且用于所述烷烃化合物的总峰聚焦率大于或等于10％。

13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一厚度为大于或等于10nm至小于或等于10微米，并且所述第二厚度为大于或等于30nm至小于或等于30微米。

14.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二厚度大于或等于所述第一厚度至少300％。

15.根据权利要求9所述的方法，其中，所述色谱柱为微气相色谱柱。

16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述固定相包括硅氧烷聚合物，所述硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，所述烷基或所述芳基包括1至30个碳原子。

17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述色谱柱的截面形状选自由以下构成的组：圆形、椭圆形、矩形和三角形。

18.一种验证气相色谱装置中峰聚焦的方法，所述方法包括：

通过将两种或更多种靶标分析物引入至色谱柱的入口中来进行正向操作，所述色谱柱包括：固定相，所述固定相沉积在所述色谱柱内部且具有正厚度梯度，其中所述固定相从所述色谱柱的所述入口延伸至出口、并且具有在所述色谱柱的所述入口处的第一厚度以及在所述色谱柱的所述出口处的第二厚度，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少10％；

分离所述色谱柱中的所述两种或更多种靶标分析物；

从所述色谱柱的所述出口洗脱所述两种或更多种靶标分析物；

通过将所述两种或更多种靶标分析物引入所述色谱柱的所述出口中来进行反向操作，所述色谱柱包括固定相；

分离所述色谱柱中的所述两种或更多种靶标分析物；

从所述色谱柱的所述入口洗脱所述两种或更多种靶标分析物；以及

比较来自所述正向操作和所述反向操作的色谱分辨率，其中来自两种靶标分析物的至少一对对应的两个峰的峰聚焦率大于5％。

19.一种制造气相色谱装置的方法，所述气相色谱装置具有色谱柱，所述色谱柱具有正厚度梯度，所述方法包括：

将前体液体引入至所述色谱柱中，其中所述前体液体包含固定相前体和低沸点溶剂，所述低沸点溶剂沿所述色谱柱的长度挥发以在所述固定相前体沿所述色谱柱移动时、增加所述固定相前体的浓度；以及

使所述固定相前体反应或交联、以形成所述正厚度梯度固定相，所述正厚度梯度固定相从所述色谱柱的入口延伸至所述色谱柱的出口、并且具有在所述色谱柱的所述入口处的第一厚度以及在所述色谱柱的所述出口处的第二厚度，其中，所述第二厚度比所述第一厚度大至少10％。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，在引入所述前体液体之前，使所述色谱柱的内表面硅烷化。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述硅烷化包括使气相中的反应性硅烷通过所述色谱柱。

22.根据权利要求19所述的方法，其中，所述色谱柱包括入口和出口，并且所述引入、和反应或交联包括：通过用所述前体液体部分地填充所述色谱柱、在所述入口处施加压力以迫使所述前体液体沿所述色谱柱的长度向下、以及在所述出口处施加真空以蒸发所述低沸点溶剂来动态地涂覆所述色谱柱的内表面。

23.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第一厚度为大于或等于10nm至小于或等于10微米，并且所述第二厚度为大于或等于30nm至小于或等于30微米。

24.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二厚度大于或等于所述第一厚度至少100％。

25.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二厚度大于或等于所述第一厚度至少300％。

26.根据权利要求19所述的方法，其中，所述色谱柱为微气相色谱柱。

27.根据权利要求19所述的方法，其中，所述正厚度梯度固定相包含硅氧烷聚合物。

28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述硅氧烷聚合物包括至少一个烷基或芳基，所述烷基或所述芳基包括1至30个碳原子。