GC-IMS基礎(chǔ)

GC-IMS儀器由兩個主要部件組成：氣相色譜儀和離子遷移譜儀。GC是根據(jù)樣品混合物的理化性質(zhì)對其組分進(jìn)行分離的方法。將樣品注入色譜儀，然后色譜儀根據(jù)其揮發(fā)性和固定相的親和力分離組分。這種色譜分離是解決復(fù)雜混合物的有力手段，可以進(jìn)行精確的化合物鑒定。然后將分離的組分在常壓下運(yùn)送到IMS工作，在電離后，根據(jù)其在電場下遷移氣體中的遷移率分離組分。

GC-IMS和GC-MS之間的選擇往往取決于具體的分析目標(biāo)和被分析樣品的性質(zhì)。GC-IMS特別適合于揮發(fā)性化合物的快速篩選和分析，而GC-MS擅長于提供詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息，更常用于需要精確識別復(fù)雜基質(zhì)中的化合物的應(yīng)用。這兩種儀器都提供了獨(dú)特的優(yōu)勢，它們之間的選擇取決于研究人員的分析要求和優(yōu)先級。圖1顯示了GC-IMS儀器的基本部件(這里是IMS遷移管，DTIMS)。

圖1 GC-IMS儀器原理圖

圖2顯示了不同的IMS分離機(jī)制。GC-IMS可與固相微萃取(SPME)或頂空(HS)取樣等其他技術(shù)相結(jié)合，以提高分析的靈敏度和選擇性。該技術(shù)靈敏度高，可檢測微量揮發(fā)性化合物，可用于食品分析、環(huán)境監(jiān)測和臨床診斷等多種應(yīng)用。

圖2 不同IMS機(jī)制示意圖 a)DTIMS, b)TWIMS, c)DMS, d)AIMS, e)DMA和f)TIMS

由于GC-IMS獲得的數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，預(yù)處理數(shù)據(jù)通常需要大量的數(shù)據(jù)處理和使用先進(jìn)的化學(xué)計(jì)量學(xué)。化學(xué)計(jì)量學(xué)是一門科學(xué)(藝術(shù))，通過應(yīng)用數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算方法，將化學(xué)系統(tǒng)或過程的測量與系統(tǒng)或過程的狀態(tài)聯(lián)系起來。在過去的幾十年里，化學(xué)計(jì)量學(xué)方法不斷發(fā)展，用于探索、建模和解釋大型數(shù)據(jù)集(如GC-IMS)中的重要模式。

表1顯示了GC-IMS數(shù)據(jù)分析中常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，包括常見的預(yù)處理技術(shù)、無監(jiān)督分類、監(jiān)督分類和回歸/分辨率技術(shù)。基于多變量數(shù)據(jù)分析和多線性和非線性模型的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法試圖探索、建模、識別和解釋不同數(shù)據(jù)陣列中存在的最重要模式。

表1  常用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法進(jìn)行GC-IMS數(shù)據(jù)分析

AsLS：不對稱最小二乘，WLS：加權(quán)最小二乘，SG：Savitzky-Golay,HCA：層次聚類分析，PCA：主成分分析，AHC：凝聚層次聚類，NMF：非負(fù)矩陣分解，CCA：典型聚類分析，LDA：線性判別分析，QDA：二次判別分析，PLS-DA：偏最小二乘-判別分析，OPLS-DA：正交投影到潛在結(jié)構(gòu)-判別分析，kNN：k近鄰;SVC：支持向量分類、ANN：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、PLSR：偏最小二乘回歸、MCR-ALS：多元曲線解析-交替最小二乘、RF：隨機(jī)森林、SVR：支持向量回歸、DL：深度學(xué)習(xí)。

GAC框架下的GC-IMS

在GAC原則背景下對GC-IMS的評價有助于評估其環(huán)境可持續(xù)性和效率。GC-IMS是一種具有巨大潛力的綠色分析技術(shù)，可以替代傳統(tǒng)的分析方法。就GAC的12個重要原則而言，GC-IMS可以幫助實(shí)現(xiàn)其中的許多目標(biāo)：

與其他一些分析方法相比，GC-IMS可以通過需要小樣本量和產(chǎn)生更少的消耗品來減少浪費(fèi)的產(chǎn)生；GC-IMS在分析時間和資源利用方面通常是高效的，因?yàn)樗梢蕴峁┛焖俚慕Y(jié)果，并且需要最少的樣品制備；根據(jù)其遷移率和化學(xué)性質(zhì)在區(qū)分化合物方面提供了良好的選擇性；具有高靈敏度，能夠檢測微量揮發(fā)性化合物；通常使用可用的惰性氣體，溶劑的使用最少或不存在，減少了分析過程中有害物質(zhì)的存在；GC-IMS儀器不需要粗抽泵或渦輪泵，通常需要更少的能源；利用可再生能源為GC-IMS儀器提供動力是可能的，堅(jiān)持利用可再生資源的原則；在通常情況下，頂空GC-IMS-based分析不需要樣品制備，不涉及使用溶劑孔，溶劑的使用都是最小的；其碳足跡更低，尤其是在使用可再生能源并為提高能源效率而設(shè)計(jì)時；GC-IMS通常對操作人員是安全的；可以與PAT系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(基于ims)或近實(shí)時(GC-IMS-based，2-5分鐘運(yùn)行時間)的監(jiān)測和控制，增強(qiáng)了其在各行業(yè)的適用性；評估GC-IMS程序的整個生命周期，包括樣品處理、分析和廢物處理，可以確定進(jìn)一步減少廢物和節(jié)約資源的機(jī)會。

總的來說，GC-IMS很好地符合GAC的幾個原則。它提供了選擇性、靈敏度、效率和自動化，從而減少了資源消耗、廢物產(chǎn)生和環(huán)境影響。

使用綠色測量工具比較GC-IMS和GC-MS

為了更好地比較GC-MS和GC-IMS兩種技術(shù)對環(huán)境的影響，使用AGREE軟件計(jì)算兩個例子的綠色度量。

第一個例子是使用臺式HS-GC-DTIMS和HSGC-QMS分析橄欖油的揮發(fā)性成分。圖3顯示了這兩種技術(shù)計(jì)算出的綠度評分。通過使用AGREE工具，可以量化給定分析方法對環(huán)境的影響，并確定需要改進(jìn)的領(lǐng)域。

圖3  AGREE分?jǐn)?shù)用于比較兩種情況下HS-GC-DTIMS、HS-GC-QMS和HS-SPME-GC-QMS的綠色測量

表2顯示了用于計(jì)算三種方法的AGREE分?jǐn)?shù)的詳細(xì)數(shù)據(jù)。

表2  不同方法的AGREE分?jǐn)?shù)

從圖3可以看出，HS-GC-IMS的AGREE評分(0.82)高于GC-MS(0.70)，因?yàn)樗臉颖玖扛伲瑯悠分苽渥钌?，近線裝置定位，小型化，分析通量更高，溶劑用量更少，能耗更低。此外，與GC-MS相比，HS-GC-IMS具有更高的靈敏度和峰值容量，可以更好地分離異構(gòu)體和等壓化合物。因此，在GC-IMS中可以檢測到更多的成分(例如，在這種情況下，HS-GC-IMS檢測到40個成分，HS-GC-MS檢測到10個成分)，從而導(dǎo)致更高的AGREE分?jǐn)?shù)。

GC-IMS的應(yīng)用

已經(jīng)證明，GC-IMS是一種定性和定量復(fù)雜混合物中揮發(fā)性和半揮發(fā)性有機(jī)化合物的強(qiáng)大分析技術(shù)。它在食品、臨床、環(huán)境、法醫(yī)、發(fā)酵過程和過程分析等多個領(lǐng)域都有應(yīng)用。

表3列出了GC-IMS與化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合在不同樣品矩陣中用于不同目的的一些典型應(yīng)用。

表3  GC-IMS在不同樣品矩陣中的最新應(yīng)用

正如前面提到的，化學(xué)計(jì)量技術(shù)可以提高GC-IMS分析的速度，從而減少氣體、能源和其他資源的消耗。此外，化學(xué)計(jì)量學(xué)可以促進(jìn)從GC-IMS數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，通過利用因子分析技術(shù)解決所獲得數(shù)據(jù)固有的缺乏選擇性的問題。

通過檢查GC-IMS在不同領(lǐng)域的應(yīng)用(表3)，GC-IMS相對于GCMS的主要優(yōu)勢是：(i)簡單；(ii)最少的樣品制備；(iii)能源效率。這與GAC的原則非常一致。更具體地說，與GC-MS相比，GC-IMS在分析食品中風(fēng)味和香氣的揮發(fā)性化合物時可能有更多的檢測峰。然而，GC-IMS中檢測到的峰的數(shù)量可能會因樣品類型、色譜條件和儀器靈敏度等因素而有很大差異。

此外，GC-IMS可以提供高分辨率的揮發(fā)性化合物分離和檢測，并可以對不同樣品基質(zhì)中的揮發(fā)性化合物進(jìn)行定量分析，包括靈敏度、準(zhǔn)確度、精密度和檢出限(LOD)。需要指出的是，用于定性和定量分析的AFOMs會受到儀器設(shè)計(jì)和操作條件的影響。在某些情況下，GC-IMS可能比GC-MS在速度、定量分析的易用性和更好的AFOMs(lod在每萬億分之一的體積范圍內(nèi)，pptv)方面具有優(yōu)勢，但具體的性能指標(biāo)可能因應(yīng)用而異。

在食品分析中，GC-IMS已被用于檢測和定量產(chǎn)生風(fēng)味和香氣的揮發(fā)性化合物，以及對食品進(jìn)行鑒定和鑒定。例如，表3報道了GC-IMS結(jié)合化學(xué)計(jì)量技術(shù)對橄欖油、蜂蜜、葡萄酒、柑橘類水果、肉類和中藥進(jìn)行分析的情況。

GC-IMS在食品風(fēng)味分析中的主要應(yīng)用包括：

(i) 建立用于食品認(rèn)證和摻假檢測的揮發(fā)性風(fēng)味指紋圖譜，

(ii) 評價食品的新鮮度和腐敗程度，

(iii) 檢測食品的異味，

(iv) 監(jiān)測食品加工過程中的揮發(fā)性代謝物，

(v) 揮發(fā)性成分在儲存過程中的變化。

GC-IMS和GC-MS技術(shù)都可以提供有價值的分析方法用于食品分析，例如能夠創(chuàng)建用于認(rèn)證的揮發(fā)性風(fēng)味指紋，檢測異味，以及監(jiān)測存儲和加工過程中揮發(fā)性成分的變化。GC-IMS和GC-IMS之間的選擇往往取決于研究的具體分析目標(biāo)和要求。

圖4比較了GC-IMS和GC-MS使用化學(xué)計(jì)量技術(shù)分析65種釀造啤酒花樣品的揮發(fā)性特征。

圖4   (a)酒花品種Citra的GC-IMS和(b)GC-MS色譜圖。單萜烯離子信號區(qū)域分別以白色突出顯示，倍半萜烯離子信號區(qū)域以紅色突出顯示。(C)GC-IMS二維PCA評分圖和(d)65個啤酒花樣本GC-MS數(shù)據(jù)。啤酒花樣品GC-IMS(e)和GC-MS(f)數(shù)據(jù)的PLSR回歸圖[49]。

GC-IMS和GC-MS色譜圖分別如圖4a和b所示。與EI-MS數(shù)據(jù)相比，來自IMS的數(shù)據(jù)顯得更加密集和復(fù)雜。這一觀察結(jié)果可歸因于兩個關(guān)鍵因素：首先，萜烯在EI條件下表現(xiàn)出明顯的廣泛片段化趨勢，導(dǎo)致不同異構(gòu)體或密切相關(guān)化合物產(chǎn)生非常相似的片段。因此，這種相似性有助于在單萜烯和倍萜類區(qū)域內(nèi)觀察到相似的模式。其次，IMS采用更溫和的電離過程，從而產(chǎn)生更穩(wěn)定的離子，根據(jù)它們的離子中性碰撞截面(CCS)值進(jìn)一步區(qū)分這些離子。因此，更環(huán)保的GC-IMS技術(shù)可以在本例中提供更多信息。在本研究中，PCA用于啤酒花樣品的非目標(biāo)篩選(圖4c和d)。此外，PLSR用于GC-IMS和GC-MS數(shù)據(jù)的多變量校準(zhǔn)，并研究觀察到的啤酒花揮發(fā)性特征與α-酸含量之間的相關(guān)性(圖4e和f)。從PLSR結(jié)果中可以看出，GC-IMS的校準(zhǔn)性能在回歸系數(shù)(R2)，預(yù)測均方根誤差方面優(yōu)于GC-MS(RMSEP)和相對誤差(RE)。這一有前景的揮發(fā)物分析方法清楚地顯示了HS-GC-MS-IMS與化學(xué)計(jì)量學(xué)相結(jié)合在提高啤酒花未來質(zhì)量保證方面的潛力。

在臨床分析中，GC-IMS已被用于檢測呼吸、血液和尿液樣本中的揮發(fā)性生物標(biāo)志物。在這種情況下，GC-IMS與化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)的主要應(yīng)用包括識別各種樣品中的生物標(biāo)志物，以便早期發(fā)現(xiàn)疾病。

例如測定COVID-19的揮發(fā)性生物標(biāo)志物、阿爾茨海默氏病的揮發(fā)性生物標(biāo)志物和微生物揮發(fā)性物鑒定(表3)。與GC-MS相比，GC-IMS在該領(lǐng)域的主要優(yōu)勢是樣品制備步驟最少或不需要樣品制備，由于靈敏度較高，檢測到的峰數(shù)更多，這對尋找導(dǎo)致特定疾病的生物標(biāo)志物非常重要。

表3詳細(xì)介紹了GC-IMS的其他應(yīng)用，包括環(huán)境分析、法醫(yī)調(diào)查、發(fā)酵監(jiān)測和PAT。在這些領(lǐng)域，GC-IMS優(yōu)于GC-MS，因?yàn)樗恍枰獜?fù)雜的樣品制備和衍生化過程，從而減少了資源利用率和分析時間。它具有溶劑使用最少、能源效率、成本效益、環(huán)境可持續(xù)性以及提供實(shí)時信息等優(yōu)勢，使其成為分析化學(xué)家更環(huán)保的技術(shù)。

在環(huán)境和法醫(yī)科學(xué)中，GC-IMS已被用于檢測和量化空氣中的污染物，監(jiān)測室內(nèi)空氣質(zhì)量中的揮發(fā)性有機(jī)化合物，檢測化學(xué)品泄漏，分析土壤污染，檢測煙草中的非法添加劑，分析火災(zāi)碎片，分析爆炸物，毒品和火災(zāi)碎片等不同材料的揮發(fā)性特征(表3)。

結(jié)論及未來展望

對環(huán)境問題的日益關(guān)注推動了分析化學(xué)領(lǐng)域的一致努力，以接受更環(huán)保的做法。本文從GAC的角度探討了GC-IMS的基本原理和屬性。由于其固有的低環(huán)境影響，GC-IMS成為一種值得關(guān)注的分析技術(shù)。

本文認(rèn)為，GC-IMS不僅是一種快速、高性能的分析平臺，而且是一種綠色的替代方案，特別是在以揮發(fā)物為中心的應(yīng)用中。GC-IMS在氣相分析(揮發(fā)物)方面具有一系列優(yōu)勢，在需要穩(wěn)定性、可重復(fù)性、自動化和高通量的科學(xué)研究和工業(yè)活動中都具有實(shí)用性。

其顯著的優(yōu)勢在于它能夠以直接、連續(xù)和實(shí)時的方式檢測和量化極低濃度(按體積計(jì)算的萬億分之一，pptv)的揮發(fā)物，同時保持卓越的質(zhì)量和時間分辨率。GC-IMS的時間分辨率極高，可以在線監(jiān)測動態(tài)過程，如跟蹤熱過程、食品發(fā)酵過程中揮發(fā)物的演變，或食品消費(fèi)過程中揮發(fā)物的釋放。同時，其高通量能力滿足了涉及廣泛采樣篩選的應(yīng)用需求，包括痕量性，質(zhì)量控制和表型。

必須強(qiáng)調(diào)的是，儀器特性使GC-IMS成為氣相色譜-質(zhì)譜分析揮發(fā)性化合物方法的補(bǔ)充工具，并且在需要速度、靈敏度和實(shí)時測量的情況下是一種有價值的技術(shù)。近年來，作為一種主流趨勢，適用于即時護(hù)理分析的分析方法或適用于此類場景的分析方法已獲得突出地位。