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雪景科技:让全二维气相色谱变得人人可用

2017.3.03

  【导语】当我们走进电影院,更多的3D影像技术给我们带来更丰富逼真的体验。对气相色谱工作者来说,当我们使用全二维气相色谱时,在壮观的3D分离图像之中,我们体会到“分离更清晰”的无比快感。不过阻碍数十万气相色谱工作者体验这种快感的最后屏障是什么?如何才能让全二维气相色谱变得人人可用?不久前,分析测试百科网编辑采访了雪景科技的两位创始人赵之骏博士和官晓胜博士,他们将为我们介绍一项重要的中国原始创新技术,有望推倒这最后的屏障,在广大的气相色谱爱好者面前铺展开一条熠熠生辉的道路……

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雪景科技赵之骏(左)官晓胜合影(右)为用户安装设备

全二维气相色谱两大关键技术:热调制技术、二维数据处理软件

  全二维气相色谱被誉为毛细色谱柱之后气相色谱领域最重要的发明,对全二维技术前景的看好,与拓宽其应用广度的创新激情,促使曾在安捷伦从事气相色谱研发工作的赵之骏和官晓胜成为“中国合伙人”,他们于2015年创办了雪景科技(J&X Technologies)。赵之骏博士首先介绍了全二维气相色谱涉及的两大关键技术:调制器和二维数据处理软件。

  固态热调制器 对液氮说“拜拜”

  调制器是全二维系统的核心,它以一定频率将所有一维色谱柱流出的物质,依次收集并快速进样到二维色谱柱。一维与二维色谱柱的分离机制不同,因此样品整体可获得某种意义的正交分离,得到比传统一维色谱更高的分离度和更高维度的全局性化学信息。

  全二维气相色谱可通过气流调制或热调制两种方式实现,其中热调制因其独特的浓缩聚焦作用,成为主流的调制技术;但是,目前成熟的商业热调制器,需要消耗大量的液氮,严重阻碍了它的普及。因此雪景科技研发并推出了新一代固态热调制器,不消耗任何制冷气体,有望极大地降低全二维气相色谱的使用门槛,让更多分析工作者能够接触并使用上这项先进的分离技术。

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调制器示意图

  具体到热调制器,它通过急速冷却一小段毛细柱到足够低的温度,捕集并浓缩一般几秒时间的一维流出物,然后再急速加热到足够高的温度,将这些物质重新气化并随载气送入到二维柱。这种温度切换一般要求在数十到数百毫秒内完成,并在样品的色谱分析过程中按一定频率进行成百上千次。在雪景科技推出固态热调制器之前,业界普遍采用液氮、液体二氧化碳或者制冷机产生的冷空气,和电加热产生的热空气,通过交替喷气的方式实现上述温度切换。这种全二维系统附属设备较多,操作维护复杂,初次投资和运营费用高昂,很难从高端科研机构向普通实验室推广。从仪器开发的角度,热调制技术的改进和创新可以说是全二维系统里最困难,但也是最有意义的部分。

  简洁、直观、高效的数据处理软件,快速提取有效信息

  全二维色谱在检测器端产生的是经过调制的信号,无法用普通一维数据处理软件解读,因此还需要专门的软件将原始一维信号转化成全二维色谱图,实现数据的可视化;软件还应提供二维色谱峰的积分,定量和定性分析,甚至是族类分析,主成份分析,样品间差异性分析等定制化的化学信息学分析。全二维最终应用的实现离不开全二维数据处理软件,因此它也是关键的技术环节。全二维气相或气质产生的数据量非常大,雪景科技也推出了自己的数据处理软件,从底层算法到用户界面,都秉承简洁、直观和高效的原则,帮助用户从复杂的数据中快速提取出有效的信息,将更多精力放在应用上,而不是软件工具本身。

全二维气相色谱的优势

   全二维气相色谱的优点在于其卓越的分离能力(即色谱分辨率),理论上峰容量是传统一维气相色谱的10倍左右。所以非常适合于分析常规一维气相色谱难以分开的复杂样品,包括组分繁多的,基质复杂的,干扰物多的样品。对样品组分更好的分离可以得到更纯净的分析目标色谱峰,排除同系物或基底的干扰,显著提高定性和定量准确性(包括目标物分析和未知物分析)。

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柴油分离全二维色谱图(上图)和一维色谱图(下图)的对比,全二维色谱图能直观清晰地展现样品的化合物族类信息

  另外全二维气相色谱特有的同类物质按规律在二维图上分布排列(参考上面柴油的一维和全二维色谱图比较),能直观清晰地展现样品的化合物族类信息,方便对同一类化合物进行分析和计算;同类样品具有相似的化合物族类分布模式,因此全二维图谱也可以作为样品的特征指纹,在样品分类、真伪鉴定或溯源等高级应用上,产生巨大的价值。典型的应用包括石油石化行业中的油品分析、质量控制、杂质检测;环境领域的大气、颗粒物、水和土壤中的挥发性和半挥发性有机物、持久性有机物分析;食品和香精香料行业中的风味分析、有效组分分析等。随着新一代固态热调制技术的推出,相信全二维气相色谱技术能更快地进入更多的科研甚至常规分析领域,从而产生更丰富的应用。

全二维气相色谱的“三段式”发展史

  全二维气相色谱的技术发展历程大概分为三个阶段:

  第一个阶段是上世纪最后二十年,从被发明,到随后一系列色谱学基础性研究,到各种早期的气流调制和热调制器技术的发展,以及数据处理方法的提出与开发,全二维气相色谱技术逐渐被认识、认可和完善。

  第二个阶段是本世纪头十年,由商业化的热调制器、数据处理软件,和高采样率的飞行时间质谱构成的全二维系统在市场上获得成功,进入到各个行业的分析领域得到实际应用。全二维气相色谱已成为针对复杂样品的重要甚至首选分析手段。

  第三个阶段是2010年后到未来的一段时间,通过对文献和学术会议的追踪,发现人们一直在探索更加简便经济的热调制技术(参看下面的GCxGC热调制技术发展史图例,其中也包括了由雪景科技研发并率先商业化成功的固态热调制器)。结合业界不断推出快速扫描单四极杆和飞行时间质谱(SHIMADZU,LECO,MARKES,JEOL,广州禾信)进入全二维气质领域,预计这些合力终将带动全二维气相和气质走出高端小众的科研市场,在普通实验室,甚至移动或在线分析领域得到普及应用。

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  GC×GC热调制技术发展史:

  •   1991年,Philips和Liu首次提出热调制技术并申请了ZL;

  •   1997年,Marriott发明了纵向调制冷却系统(LMCS),真正将GC×GC技术推向实用;

  •   2000年,Ledford采用双冷热喷嘴,利用液态CO2和热空气进行调制;

  •   21世纪初,利用冷热喷嘴的热调制技术得到快速发展并实现商业化,逐渐成为GC×GC的主流调制技术;

  •   2010年,使用制冷机进行制冷,出现了不使用液氦(但需要压缩空气)的喷嘴式热调制器并实现商业化;

  •   2010年,第一个微型固态热调制器诞生,在硅晶片上利用脉冲式电阻加热和一块半导体制冷元件实现热调制,但由于微加工工艺难度大和成本过高,未能实现商业化;

  •   2011年,涡旋管冷却技术首次用于热调制器,改进后可以实现不消耗制冷剂对有限范围内的化合物进行热调制;

  •   2012年,在微型热调制器的技术基础上发展出不需要微加工工艺的固态热调制器,彻底摆脱制冷剂的使用;

  •   2015年,固态热调制器商业化并投入市场,为GC×GC的普及创造了条件。

雪景科技新一代固态热调制器SSM

  雪景科技推出的新一代固态热调制器(SSM,Solid State Modulator),相比于目前市场上的喷气热调制器而言,主要有三个鲜明的特点:(一)对用户来说,采用半导体制冷,只需通电,毋需消耗任何制冷剂以及随之而来的各种后勤保障麻烦,简单而又安全;(二)从核心技术来说,SSM是对独立于柱箱之外的一段特殊的调制毛细柱进行高效热传导式温度切换。调制柱内部固定相的选择和涂敷方式可经过优化,保证在半导体制冷温度下对低沸点物质的有效捕集,避免了使用蛮力即液氮制冷到极端低温;(三)以上两个特点又帮助SSM成功实现了设备集成化和小型化,可在不同地点的色谱仪,甚至多个不同品牌的色谱仪之间,快速灵活地完成安装和拆卸。

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雪景科技 固态热调制器

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搭载不同色谱平台的雪景科技全二维气相色谱系统

  简单、小巧、无需液氮、便于普及

  新一代固态热调制器SSM的优势是,显著减少了全二维系统的设备复杂度、占地空间和能耗,降低了操作与维护的难度和麻烦,省去了对液氮罐等设备的额外投资和维持运行的液氮费用,是一款简捷、高效、便携、经济的模块化全二维气相色谱热调制器。SSM可实现全二维系统在普通实验室的使用,甚至还可以配合便携式或在线式仪器,让全二维色谱技术进入到实验室外的分析应用。

  一维的气相/气质“秒变”二维,就是这么简单!

  从前,全二维气相色谱技术是高端实验室的专有工具,对广大用户来说“可望不可及”;而SSM更实惠的价格、更简单的操作、更方便的维护,可使广大气相色谱用户快速应用上这项先进的色谱分离技术。无论是进行最前沿的科学研究,对样品进行最精细的分离分析;还是针对特定需求开发更高效的分析方法,新一代固态热调制全二维气相色谱技术都能帮助用户提高效率、降低成本。

   固态热调制器SSM可以配合GC,GC-QMS,GC-TOF/QTOF等多种气相气质平台,只需要在气相色谱仪器上增加雪景科技的调制器模块,就能将已有的一维气相或气质系统升级成全二维系统。雪景科技的产品原则上支持市场上绝大多数色谱型号,并已成功地安装使用在包括安捷伦、岛津、天美等品牌的色谱仪上。雪景科技特别关注将全二维气相色谱技术普及至普通实验室,为此开发了大量配合GC和GC-QMS(单四级杆质谱)的全二维应用,希望更多地利用常规仪器平台,发挥全二维的特点,全面提升分析能力。

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  随心选购:调制器+软件,或全二维全套系统

  已有GC/GCMS,准备升级——如果客户已经有常规的气相或气质平台(GC或GC-QMS),希望改装升级到全二维系统,可以向雪景科技咨询。用户只需一台气相即可实现全二维色谱,不需要第二台。

  接口和空间满足安装需求——如果基本条件满足,比如有足够的色谱柱箱顶部安装空间,未被阀箱或其它设备占用,可从雪景科技购置一个固态调制器和全二维色谱处理软件,完成升级;且固态热调制器与气相之间无需特殊的接口装置。

  购买全二维整机——客户也可以通过雪景科技或者雪景科技合作的仪器厂商购置整套全二维系统。如果用户已有其它厂商或自己的调制器或软件产品,也可以单独购买雪景科技的软件或调制器。

  售后与维修:硬件一年免费维修,软件终身免费升级

  用户购买雪景科技的产品后,一般提供一年的硬件免费维护维修,软件提供终身免费升级,同时也会为客户定期进行相关的技术支持和培训。固态热调制器平时的维护需求很少,主要是每6-12个月需要更换一根调制柱。但是,全二维系统能否满足用户的应用需求,往往还涉及到全二维方法的开发,包括一二维色谱柱的选择,温升程序和流量设置,多检测器的联用等等。雪景科技将竭尽全力为客户提供专业建议和经验,包括必要的定制化服务,帮助客户用好全二维系统,真正发挥其效力。

好评如潮 有图有真相

  陶氏化学

  雪景科技在陶氏化学加拿大分析测试中心安装有一台固态热调制全二维系统,已经正常运行了三年。该中心主任——色谱届知名的专家Jim Luong博士对雪景科技的产品评价道:“我相信SSM全二维产品对于全二维技术的推广应用能做出重大的贡献。不仅如此,它对于一般意义上的色谱分析也有积极作用。”Jim Luong博士还在《分析化学》杂志上对第一代固态热调制器的原理、构造和性能进行了介绍,有兴趣的读者可参考文献:Anal. Chem. 88 (2016) 17, 8428-8432。以下图片展示的是Jim Luong博士分析的石油裂解气样品GCxGC-FID色谱图。

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  北京大学环境学院

  北京大学环境学院已安装雪景科技一台全二维固态热调制器及全二维色谱数据分析软件,主要进行环境大气和废气样品中挥发性和半挥发性有机物的分析检测。固态热调制器安装在一台岛津GCMS上,二维出口分流到一个单四级杆质谱和一个FID,进行双检测器检测,同时完成定性和定量工作。下图是在该全二维系统上完成的SVOC标样和真实汽车尾气样品的全二维图谱。

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  另外,雪景科技的固态热调制器用户和合作单位还包括中石化、清华大学环境学院、中科合成油、上海嘉定区环境监测站、天美仪器等。

请支持中国的原始创新

  赵之骏表示,近期雪景科技最大的挑战在于市场推广。固态热调制器作为公司纯原创的产品,颠覆了专业人员对于全二维气相色谱技术的认识,刚推向市场时,既有对雪景科技的产品表示赞赏和欢迎的声音,也有一些质疑的声音,觉得半导体制冷怎么可能实现液氮的效果?通过一年多的宣传和合作(包括试用),越来越多的用户开始相信,全二维气相色谱技术可以变得如此方便简捷,并非一定要用到复杂的设备。

  但作为研发型的初创公司,推广力度还是很有限的。赵之骏表示,今后希望同各气相厂家、仪器代理商集成商、有影响力的用户,以及像分析测试百科网这样的单位开展合作,将这项技术更快更好地推广到更多的应用领域中,为更多的客户提供服务。

  在此笔者也呼吁:首先,请支持中国的原始创新;其次,如果您的实验室已经有气相色谱,何不考虑装配如此简单的一个调制器,充分感受全二维气相色谱带给您的3D分离体验!

追逐理想,寻求合作

  理想是支持创新和进步的动力。两位博士这样描绘自己的理想:雪景科技成立时的理想是——成为领先的全二维色谱或多维色谱技术的创新者和普及者。在可预见的未来,公司将专注于这个领域,对硬件和软件做持续的改进、升级和更新。特别希望通过合作等方式,针对石化和环保等行业开发出典型的具体应用,以形成可被推广的专用型全二维系统解决方案。另外,基于雪景科技产品的特点和优势,公司还期望将全二维气相色谱技术拓展至在线式或便携式应用领域,希望进一步发挥全二维强大的分离能力。

  附:人物简介

  赵之骏博士

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赵之骏

  2003年毕业于复旦大学环境科学与工程系,后在美国佐治亚理工学院攻读博士学位,大气科学方向。在佐治亚大学继续两年博士后工作后, 2011年回国加入安捷伦科技,就职于安捷伦实验室,主要从事高端色谱技术开发工作。2015年与同事合伙创立雪景科技,致力于普及和推广方便易用的全二维气相色谱技术,主要负责市场推广和客户支持工作。

  官晓胜博士

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官晓胜

  1994年毕业于清华大学工程热物理专业,1997年留学美国康涅狄格大学,2002年底获得机械系博士学位。2004回国后,加入博奥生物,从事生物芯片微流控技术的研发,逐渐转入分析领域。2007年加入安捷伦实验室,从事气相色谱以及气质联用技术的研发。2015年与同事一起创立雪景科技,致力于新一代全二维气相技术的推广,目前在公司主要负责技术研发。

  关于雪景科技

  雪景电子科技(上海)有限公司致力于领先的多维气相色谱技术的产品研发、销售、推广及相关咨询服务。针对环境,食品安全,香精香料,能源化工,刑侦,以及生物医疗等领域的复杂样品分析、痕量物质分析,快速分析,以及便携式分析,我们愿竭诚为客户提供卓越的解决方案。

  核心产品和服务包括:

  用于改善气体进样(顶空、吹扫捕集、热脱附、固相微萃取)和二次进样(中心切割二维气相色谱)的固态毛细柱冷阱;

  独创的全二维气相色谱(GC×GC)固态热调制器;

  全二维气相色谱应用的方法开发、优化和数据处理;

  气相色谱分析检测相关的技术咨询和项目合作,包括软硬件开发,特殊分析应用,数据处理与分析,重大科研项目等。

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