מבוא ל-Two-Dimensional Chromatography

מעבדות אנליטיות מודרניות מתמודדות באופן שגרתי את האתגר של אפיון תערובת מורכבות מאוד.בין אם ב ניטור סביבתי, פיתוח תרופות, בדיקות בטיחות מזון או metabolomics, דגימות מכילות לעתים קרובות מאות או אפילו אלפי ישויות כימיות נפרדות המשתרעות על טווח ריכוז רחב.

chromatography דו-ממדית (2D chromatography) התפתחה כפתרון טרנספורמטיבי לאתגרים אלה. על ידי הפיכה של שני מנגנוני הפרדה עצמאיים ברצף, טכניקה זו מגדילה באופן דרמטי את הכוח הפתור הזמין לאנליסטים.היכולת של מערכת דו-ממדית מקיפה היא בערך תוצר של יכולות השיא של כל ממד בודד, מניב כוח הפרדה שיכול להיות סדר של גודל גדול יותר מאשר גישות חד-ממדיות.

הרעיון הבסיסי הוא פשוט אלגנטי: מדגם ראשון עובר הפרדה בעמודה ראשית המבוססת על נכס כימי אחד, כגון נקודה רותחת או קוטביות. שברירי נבחרים מועברים אז בעמודה משנית שמפרידה על בסיס רכוש שונה, אוטגוני, כגון קטבקט או גודל. גישה זו מבטיחה כי תרכובות coelute בממד הראשון הן במימד השני, כולל מתן מידע חד פעמי כדי להשיג שיטת הפרדה אחת.

עקרונות של Chromatography

מושגים בסיסיים ו Terminology

chromatography דו-ממדית כוללת שני מצבי פעולה עיקריים: chromatography דו-ממדית מקיפה (LCxLC, GCxGC) ו-Taking לב (LC-LC, GC-GC) ב- 2D chromatography, כל הפעוט של העמודה העיקרית הוא מדגם ברציפות מועבר לעמודה משנית במרווחים קבועים.

הפרמטר הקריטי השולט ביעילות של כל הפרדה 2D הוא אורטוקיונאליות. שני ממדים נפרדים נחשבים אוטגוניים כאשר הם מנצלים מנגנוני שימור עצמאיים.לדוגמה, הפיכה לאחור של chromatography נוזלי (הבדל על ידי הידרופוביות) עם כרומוזומטוגרפיה בגודל של גודל-exclusion (הבדל בגודל מולקולרי) יוצרת רמה גבוהה או גבוהה של מערכת זמן מקסימלית שיכולה להבטיח את הדרגה הסופית של 2 של קיבולת חלקית או חלקית של זמן נתון באופן ישיר או חלקית.

אדריכלות: Instrumentation Architecture

יישום 2D chromatography דורש מכשיר מתוחכם. רכיבי חומרה הליבה כוללים שני עמודות chromatographic, ממשק או מכשיר מודולציה בין הממדים, וגלאי מהירות גבוהה המסוגל ללכוד את האותות המהירים שנוצרו על ידי הפרדה בין שני-dimension השני.המודולטור הוא המרכיב הקריטי ביותר, אחראי על איסוף, מיקוד, וזרקת חלקיקים מן הממד השני ליתר דיוק.

במערכות GCGC, מודטורים תרמיים באמצעות מלכודות Cryogenic או מנגנונים גורפים מחומם הם נפוצים.אלה מלכודות התקנים פענוח מן העמודה הראשונה בטמפרטורות Cryogenic, ולאחר מכן לחמם במהירות את השבריר לכוד לתוך העמודה השנייה. - יישום נוזל-phase כגון LCxLC בדרך כלל להשתמש החלפת שסתום עם דגימות או מלכודות מוצקות להעברה של שבריר.

Detectors for 2D chromatography חייב להיות שיעורי רכישה מהירה כדי מדגם כראוי את השיאים הצרים המיוצרים על ידי הממד השני. Flame ion גלאי (FID) ו-Time-of- Flight Mass spectrometers (TOF-MS) הם סטנדרטיים עבור מערכות GCxGC, בעוד גלאי קלטות UV-מונים מסה נפוצים עבור LC.

פיתוח שיטות ואופטימיזציה

בחירת מידות הפרדה

עיצוב שיטה כרומוזומטולוגית יעילה 2D מתחיל עם בחירת שני מנגנוני הפרדה להיות יחד.הבחירה תלויה בטבע הכימי של הדגימה ואת המטרות האנליטיות. עבור GCxGC, הצמד הנפוץ ביותר מעסיק ממד לא קוטבי ראשון (בדרך כלל 100% די מתילסקסואלי) שמפריד בעיקר על ידי נקודה מרתקת, בשילוב עם ממד שני קוטבי זה עובד טוב מולקולרית או מתואם במיוחד עבור מטבולית, כגון מטבולית, או מטבולית, או ממזגת ייחודית.

עבור LC ×LC, אפשרויות רבות קיימות.מערכות × לאחורd-phase ניתן להשתמש כאשר רמות pH שונות או יצירות שלב נייד ליצור הבדלים מספיקים של שימור.בדרך כלל, הפוך-phase הוא יחד עם hydrophilic אינטראקציה נוזל chromatography (HILIC), שינוי ion-שינוי, או הפרדה בגודל-clusion להשגת מציאות אמיתית או התאבדותית, כמו גם שלב העיוות של ההפרעה הניידת, כמו גם יכול לשקול רזולוציה של העיוותים או הסתברות של ההפרעה.

מטבוליזם משתנה ותדירות הנפיחות

המודולציה הנכונה היא חיונית לשימור ההפרדה שהושגה במימד הראשון תוך מיקסום החלטה שנייה-ממדית. תקופת המודולציה קובעת באיזו תדירות שבריריות מסומנות מהמד הראשון. מדריך משותף מציע שכל שיא של משקעים ראשון צריך להיות מדגימה לפחות שלוש עד ארבע פעמים כדי לשמור על שלמות ההפרדה הראשונה.

ההפרדה השנייה-ממדית חייבת להסתיים בכל תקופת המודולציה. דרישה זו יוצרת דרישות משמעותיות על הממד השני, אשר חייב לפעול במהירות גבוהה ללא קביעת החלטה קצרה, בעמודות צרות עם גדלים חלקיקים קטנים (sub-2 μm for LC, או עמודות דק-סרט עבור GC) מועסקות בדרך כלל כדי להשיג הפרדה מהירה.

רכישת נתונים ועיבוד

chromatography דו-ממדית מייצרת נתונים גדולים, מורכבים הדורשים תוכנה מיוחדת עבור הדמיה ופרשנות. אותות הגלאי Raw מומרים בדרך כלל לתוך מגרשי קוטור דו-ממדיים או עלות משטח, שבו x-axis מייצג זמן שימור של דחיסה ראשונה, y-axis מייצג זמן שימור של שני-ממדי, ואת הצבע או עוצמת אותות מעידים על גודל.

כלי עיבוד נתונים מתקדמים מאפשרים זיהוי שיא, אינטגרציה וזיהוי קוונטי. פסגות Chromatographic מופיעים כנפיחות או כתמים במטוס הדו-ממדי ולא את השיאים החד-ממדיים המוכרים. אלגוריתמים סופיסטם מבצעים תיקון בסיס, שיא, גילוי, פירוק תכונות חפיפות, והיערכות על פני מספר רב של פונקציות.חוסר פורמטים סטנדרטיים של נתונים ועיבוד עבודה נשאר אתגר, אבל תוכנה ייעודית מפלטפורמות ומפתחות מיצרנים ומפתחים כדי לשפר את הפלטפורמות צד שלישי כדי לשפר את היצרנים.

יישומים ב-Complex Sample

ניתוח סביבתי

דגימות סביבתיות מדורגות בין המסטרים המורכבים ביותר נתקלו בכימיה אנליטית.Soil לחלץ, דגימות מים, חומר מבודד אוויריטיס אווירי, ורקמות ביולוגיות מכילות כיתות שונות של אבקה כולל הידרוקרבנים ארומטיים פוליציקליים (PAHs), פוליצ'ורידידים מעוגלים (PCB), חומרי הדברה, פרמצבטיים, תרכובות של פירוק רעלים, ומוצרים רבים שלהם הם בעלי רקע אורגני (משותף) בתוך רקע אורגני (מדומים) נמוך יותר (מדומים) או חומרים אחרים (מפרקים) בתוך רקע אורגני).

GCxGC יחד עם TOF-MS הוכיחה חזקה במיוחד עבור סיווג סביבתי של contaminants.ההפרדה המשופרת מגלה פרופילים מפורטים של IH isomers, שרבים מהם בעלי תכונות רעילות נפרדות עדיין קשה לפתור עם GC חד-ממדית. בדומה, ניתוח מקיף של אתרי נפט-contaminated יכול להבחין בין מצבי מזג אוויר שונים וחומרים מקור.

ניתוח לא פתור, שבו המטרה היא לזהות תרכובות לא ידועות ללא ידע קודם של מה הוא נוכח, מסתמך במידה רבה על הכוח לפתרון של 2D chromatography. על ידי הפרדת תערובת מורכבות לרכיבים בודדים ולספק ציון המוני באיכות גבוהה עבור כל, GCxGC-TOF-MS ו LC-MS מאפשר גילוי של contaminants ומוצרים כי אחרת יהיה מסוגלות סביבתית חשובה יותר ויותר עבור ניטור סביבתי.

ניתוח תרופות וביוטכנולוגיה

תעשיית התרופות מעסיקה 2D chromatography נרחב עבור תרופות הסתברות מזהמים, בדיקות יציבות וזיהוי metabolite. . Regulatory קווים דורשים חומרים ומוצרים להיות מאופיין ביסודיות ביחס לאומות, מוצרים השפלה, ו פותרים שאריות. אחת-ממדית שיטות יכול למנוע זיהומים דומים מבניים של המרכיב הפעיל (API), במיוחד כאשר התחלואה היא הנוכחית ברמות שונות ל- API השני הוא לחץ על ידי לחץ דם הוא לחץ דם.

טיפול חלבון חוזר, נוגדנים מונוקלאליים, נוגדנים נגד סרטן, ומקרים ביו-פרמצבטיים אחרים מציגים מורכבות אנליטית גדולה יותר.מולקולות גדולות אלה מציגות מיקרו-הטרוגניות שמקורה בשינויים לאחר-טרנסלציה, דפוסים של גליקופטרציה, חמצון, oxidation, ו aggregationic. 2- chromatization שיטות שילוב של גודל אחידה 2D-Digseated עם יכולת ניתוח יחיד.

Metabolomics ו- Lipidomics מחקרים נהנים מאוד מן ההחלטה של מערכות 2D chromatography. מטבוליות ביולוגיות מכילות אלפי metabolites עם תכונות כימיות מגוונות המשתרעות על טווח ריכוז רחב.ve מערכות LC-MS רחבות יכולות להפריד ולזהות מאות עד אלפי תכונות metabolite, המאפשרות פרופיל מטבולי מפורט התומכים בגילוי ביולוגי, מחקרים תרופתיים, וחקרי ביולוגיה.

בטיחות מזון ובקרה איכות

מטבוליטים מזון הם מורכבים לשמצה, המכילים מרכיבים טבעיים כגון חלבונים, לימפונים, פחמימות, פיגמנטים, ומטבוליטים משניים, יחד עם חומרים פוטנציאליים כולל חומרי הדברה, mycotoxins, שאריות סמים וטרינריים, עיבוד contaminants, ואריזות מהגרים.ve ניתוח מקיף של דגימות מזון דורש הפרדה 2D chromatography ייחודי מספק.

בניתוח שאריות חומרי הדברה, GCGC-TOF-MS מאפשר נחישות בו זמנית של מאות חומרי הדברה המשתרעים על פני כיתות כימיות מגוונות בהזרקה אחת.ההפרדה המשופרת פותרת את אבני היעד של רכיבי מריצה ממושכים שיכולים לגרום לדיכוי או שיפור בזיהוי ספקטרומטריה המונית.יכולת זו משפרת את הדיוק של זיהוי הקוונטי ומפחיתה את הצורך בדגימה נרחבת, עלייה במעבדה באמצעות חישוב.

ניתוח פלאפור ובושם מסתמכים רבות על GGC עבור סיווג מפורט של פרופילים תנודתיים.טכניקה מגלה את ההרכב המלא של מזונות, משקאות, מוצרים טבעיים, זיהוי תרכובות ריחות מפתח ובשריהם. יישומים נעים מהערכה איכותית של שמנים חיוניים ואותנטיות של מוצרים כמו יין ודבש כדי לפקח על ממעבדים מעובדים.

אימות מזון וגילוי הונאה תועלת מהיכולות הסינון של 2D chromatography. metabolomic טביעת אצבע של דגימות מזון באמצעות שיטות chromatographic מקיף יכול להפלות בין מקורות גיאוגרפיים, שיטות ייצור, וזנים המבוססים על הבדלים חד-צדדיים. גישות אלה מספקות כלים חזקים לאכיפת תקנות תוויות ולחימה בהזדקנות מזון.

ניתוח דלק ופטרוכימי

תעשיית הנפט הייתה אימוץ מוקדם של טכנולוגיית GCxGC, ההכרה בערכו לאפיון המורכבות יוצאת הדופן של שמנים גולמיים ומוצרים מעודן. שמן גולמי טיפוסי מכיל עשרות אלפי פחמימנים בודדים המשתרעים על פני טווח רחב של רתיחה וכולל מגוון עצום של אנמרים מבניים.ve שני כרומוזומטוגרפיה גזית דו-ממדית מספקת את הפרופילים המפורטים ביותר זמין, המאפשרת סיווג של פחמן ומספר פחמן, על ידי מספר רב של פחמן, צינורות מבניים, וזיהומים (Polenols), , מזהמים, מזהמים).

ניתוח הידרופחמן מפורט תומך יישומים רבים כולל גיאוכימיה המאגר, אופטימיזציה של תהליך הזיקוק, ונוסחאות מוצר.הבנת ההפצה המורכבת של sulfur בשמנים גסים דלק הוא קריטי עבור עיצוב תהליך desulfurization וציות עם מפרטים דלק סביבתי. GCxC עם גלאיים sulfur-selective מספק מידע קבוצתי ומורכב בודדים כי שיטות חד-ממדיות אחת לא יכול להשיג.

יתרונות ומגבלות

היתרונות העיקריים של 2D Chromatography

  • (FLT:0) באופן דרמטי יכולת שיא משופרת: FIRLT:1) ההשפעה הרב-פליבית של שילוב שני מנגנוני הפרדה אורטוקונים מספקת פתרון הרבה מעבר למה שכל שיטה אחת יכולה להשיג. פסגות יכולות מעל 10,000 מדווחים באופן שגרתי על מערכות GCXC מקיפים, בהשוואה למאות עבור GC חד-ממדי.
  • (FLT:0)Imroved זיהוי רגישות: FLT:1 תהליך המודולציה ב GCxGC ו LC ×LC מתמקד ומרכז להקות אנאליות, ומייצרת שיאים צרים עם יחס גבוה יותר של אותות לרעש. S שיפורים רגישות של 3-10 קפל נצפות בדרך כלל, המאפשר זיהוי של רכיבים ברמת העקב.
  • (FLT:0) חומרים chromatograms עבור זיהוי מורכב:FLT:1 סידור הורה של תרכובות בצ'אולגרמה דו-ממדית מספק מידע על מעמד כימי ומבנה. Homologous סדרה ותרכובות הקשורות מבנית יוצרים דפוסים לזיהוי, המאפשר זיהוי אפילו בהיעדר סטנדרטים טהורים.
  • (FLT:0) מדגם מדגם הסימוליזציה: ההרחבה 1 (FLT:1) היכולת לזהות ולכון מאות עד אלפי תרכובות בניתוח יחיד מספק תמונה מלאה של יצירת דגימות, תמיכה בניתוח לא פתור ומחקר מונחה על ידי גילוי.
  • (FLT:0) הסיכון לשילוב ולהזדהות: 1) ההסתברות של שני תרכובות שונות, הדבקות בשני הממדים בו זמנית נמוכה מאוד, הגדלת האמון בזיהוי ובכמתווה.

אתגרים ושיקולים מעשיים

למרות היכולות יוצאות הדופן שלה, 2D chromatography עומד בפני מגבלות מעשיות כי אנליסטים חייבים לשקול. instrument עלויות באופן משמעותי מעל אלה של מערכות chromatographic קונבנציונליות, המייצג מכשול לאימוץ עבור מעבדות רבות.מורכבות של פיתוח שיטה דורש הכשרה וניסיון מיוחדים, כמו יחסי פרמטרים רבים חייב להיות מותאם בו זמנית.

זמני ניתוח, בעוד מקובל על אופי מפורט, יכול להיות ארוך יותר מאשר שיטות חד-ממדיות, במיוחד עבור מודות מקיף.ספירות נתונים הם מסיבי, לעתים קרובות מעל כמה ג'יגהביטים לרוץ, ניכוי משאבים חישוביים חזקים ויכולת אחסון משמעותית. עיבוד נתונים ופירוש נשאר צווארי בקבוק, כמו זיהוי אוטומטי וזיהוי קוונטי ב chromatograms דו-ממדי עדיין דורש אימות ידני כדי להבטיח דיוק.

העברת שיטות בין מכשירים ומעבדות מציגה אתגרים בשל הבדלים עדינים בתצורה חומרה וביצועים בעמודה. מאמצי סטנדרטיזציה נמשכים אך עדיין לא השיגו את בגרותם של שיטות חד-ממדיות.מתרגלים חייבים להיות מוכנים להשקיע בפיתוח מומחיות בתוך ביתית ושיטות אופטימיזציה ליישומים הספציפיים שלהם.

כיוונים עתידיים ומגמות מתפתחות

התקדמות ב Instrumentation and Hardware

יצרני Instrument ממשיכים לחדד עיצובים מודולטור לשיפור האמינות, להפחית את התחזוקה, ומאפשרים מחזורי מודולציה מהירים יותר. Solid-state Modulators ללא חלקים נעים מתעוררים עבור GCxGC, המציעים ניתוח חזק מתאים לשימוש במעבדה. ממשקים מיקרו-קלימיים עבור LCxLC מפותחים כדי למזער את הרחבת ולהגדיל את יעילות העברת הדגימה בין ממדים.

השילוב של ספקטרום ניידות ion (IMS) כמד שלישי של הפרדה הוא צובר מתחים. GC-IMS-MS ו LC-IMS-MS-MS-MS-MS מוסיפים הפרדה של גז-phase בהתבסס על גודל וצורה, מתן מימד אורטוקוני אחר שמשלים הפרדה chromatographic הקיימת.

המיניוריזציה של מערכות כרומוזומטוגרפיה 2D עבור יישומים הניתנים לתחום היא תחום מחקר פעיל, המונע על ידי הצרכים ניטור סביבתי, בטיחות מזון, ובדיקת אבטחה. הפחתה בגודל וצריכת חשמל, בשילוב עם אוטומציה חזקה, יכול להביא את הכוח של הפרדה מקיפה ליישומים של נקודה-של צורך.

מדע נתונים ואוטומציה

המורכבות והנפח של נתונים של 2D chromatography דורשים גישות חישוביות מתקדמות לניתוח יעיל. Machine Learning ושיטות בינה מלאכותית מפותחות לגילוי שיא אוטומטי, זיהוי דפוס, וזיהוי מורכב ב chromatograms דו-ממדיים.מודלים למידה עמוקה מאומן על נתונים גדולים של כרונוגרפים מחוסנים מראים הבטחה לסיווג מהיר של דגימות וגילוי של anomas.

פלטפורמות פיתוח שיטות אוטומטיות שמייעלות באופן שיטתי את תנאי ההפרדה באמצעות גישות עיצוב-of-experiments משוב בזמן אמת מתעוררות.מערכות אלה להפחית את המומחיות הנדרשת כדי לפתח שיטות 2D יעילות להאיץ את המעבר מפיתוח שיטה ליישום שגרתי.שילוב של חומרה אוטומטית ותוכנה חכמה הופך 2D chromat לנגיש יותר למעבדות ללא מדעני הפרדה מיוחדים.

[הטרפליטה של 2D chromatography מצביעה על נגישות גדולה יותר, אוטומציה ושילוב עם טכניקות אנליטיות משלימים.כפי שעלויות חומרה יורדות, יכולות תוכנה מתרחבות, ושיטות סטנדרטיות מתכוונות, אימוץ של 2D chromatography ימשיך לגדול על פני מעבדות.עבור מיפוי של דגימות מורכבות באמת, הטכנולוגיה מייצגת יכולת חיונית שהופכת את הבעיות האנליטיות לפתרונות נוספים על ידי שימוש באסטרטגיות GCFARD:2GRUSCR.

מסקנה

chromatography דו-ממדית ביססה את עצמה כטכניקה חיונית לניתוח של דגימות מורכבות על פני תחומים מדעיים ותעשייתיים. על ידי מינוף מנגנוני הפרדה אוטוקונים, היא משיגה רמות של רזולוציה ויכולת שיא שאינם ניתנים להשגה עם שיטות חד-ממדיות קונבנציונליות.היכולת להפריד, לזהות, לזהות מאות או אלפי רכיבים בודדים בניתוח יחיד יש יכולות סביבתיות מתקדמות ניטור, ביו-רפואי ובקרת איכות חיים, ניתוח איכות חיים ובקרת.

הטכניקה ממשיכה להתפתח במהירות, מונעת על ידי חידושים במכשור, טכנולוגיית עמודה, ממשקי מודולציה, ותוכנה לעיבוד נתונים. מגמות מתפתחות כולל miniaturization, שילוב עם ספקטרום ניידות ion, יישום של הבטחת למידת מכונה להרחיב עוד יותר את הנגישות והתועלת של 2D chromatography. בעוד ההשקעה הנדרשת במונחים של ציוד, הדרכה, פיתוח נשאר משמעותי, לחזור במונחים של כוח אנליטי ומחויבות חיוני עבור נתונים מקיפה רק עבור יישומים חיוניים.

מאחר שסטנדרטים רגולטוריים הופכים להיות תובעניים יותר ושאלות מדעיות לגדול יותר, התפקיד של כרומוזומטולוגיה 2D במעבדות אנליטיות מודרניות רק להגדיל.ארגונים המבקשים להשיג את הרמות הגבוהות ביותר של אמון אנליטי עבור דגימות מורכבות צריך לשקול לבנות את היכולות הדרושות כדי לפרוס את מדע ההפרדה החזק הזה.עבור אלה מוכנים ליישם שיטות אלה, משאבים מארגונים כגון FLT:0Separation ScienceLTFerative Professional וספקים חברות הכשרה רבות, יישומים מוצלחים.