《Talanta》：Optimization and performance evaluation of a portable GC for the detection of volatile organic compounds and its compatibility with APCI-MS
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本研究评估便携式气相色谱仪（GC）检测20种挥发性有机物（VOCs）的性能及现场适用性，优化方法及重复性测试确定保留时间和Kovats指数，并通过大气压化学电离质谱（APCI-MS）兼容性研究提升化合物识别准确度，验证其在环境监测和法医领域的应用潜力。
Jiwon Park | Sun Jong Baek | Jeongkwon Kim
韩国忠南国立大学化学系，大田，34134
摘要
传统的气相色谱-质谱（GC-MS）系统通常体积庞大，不适合现场分析。在本研究中，我们评估了一种新开发的便携式GC仪器的性能和现场适用性。我们对20种挥发性有机化合物（VOCs）的检测方法进行了优化和重复性测试，并确定了它们的保留时间及其对应的Kovats保留指数。此外，还研究了该仪器与大气压化学电离质谱（APCI-MS）的兼容性，通过系统优化电离参数（如鞘气辅助的样品注入、最小辅助气体流量和可控放电电流）来确保VOCs的准确识别，从而提高灵敏度和稳定性。这种优化配置通过提供分子离子信息和结构特异性显著增强了色谱峰的验证能力，从而提高了化合物识别的准确性。结果表明，便携式GC-MS系统在环境和法医应用中对VOCs的有效现场分析具有潜力。
引言
挥发性有机化合物（VOCs）是一类多样的碳基化学物质，它们既来自自然来源也来自人为来源，并容易释放到大气中。它们广泛存在于各种环境中，在环境监测、职业安全、医学诊断和法医学等领域具有重要意义。许多VOCs对人体健康有害，会导致空气污染、室内空气质量恶化以及各种呼吸系统或神经系统疾病。因此，准确快速地检测VOCs对于许多科学和工业应用至关重要[1]。
在VOC分析中，传统分析平台如气相色谱-质谱（GC-MS）和液相色谱-质谱（LC-MS）具有出色的灵敏度和特异性。然而，由于它们的体积庞大、操作复杂且功耗高，限制了其在实验室环境中的使用，给需要实时现场监测（其中快速检测和决策至关重要）带来了重大障碍。为应对这些挑战，最近的技术进步使得紧凑型便携式分析设备的发展成为可能，包括便携式GC仪器[2]。这些便携式GC仪器能够在最少的基础设施条件下进行现场VOC分析，使其在环境现场调查、工业卫生评估和临床诊断中越来越具有吸引力[3,4]。其中，AccuGC? 100（Bioneer，韩国）是便携式VOC分析领域的一项显著创新。
在本研究中，我们评估了一种便携式GC仪器对20种代表性VOCs的检测和识别能力。所选VOCs是根据它们的物理和化学参数（包括沸点、分子量、化学结构和电离能）来选择的[5]。此外，还使用正烷烃标准物计算了Kovats保留指数，以提高化合物识别的可靠性并便于与现有参考数据进行比较。
此外，该便携式GC仪器配备了光电离检测器（PID），并与大气压化学电离质谱仪（APCI-MS）耦合使用，以克服PID的检测限制并提高化合物识别能力。APCI-MS是一种适用于热不稳定、半挥发性和中等极性化合物的大气压条件下的软电离技术[6]。与PID相比，APCI-MS提供了更高的分子特异性和结构信息，使其与基于GC的分析平台高度兼容[7]。尽管电子电离（EI）是GC-MS的标准电离方法，但在本研究中将APCI-MS与便携式GC结合使用，以补充PID检测器的局限性，并在大气压条件下提供分子离子信息，从而改善了现场VOC分析的峰识别能力。在未来的应用或比较分析中，也可以利用EI来获得详细的碎片化模式，并基于已建立的光谱库进行化合物识别。在本工作中，系统优化了关键电离参数（包括辅助气体流量、放电电流和蒸发温度），以实现稳定和灵敏的电离。通过确定这些最佳条件，我们旨在建立一种适用于现场VOC监测和法医分析的稳健的GC-MS配置[8]。与通常需要专用采样器或外部注入模块的台式GC-MS系统不同，当前的便携式配置专为直接实时空气采样设计，突显了其现场适用性。这种设计使得在现场环境中能够快速有效地进行VOC分析，解决了基于实验室仪器的关键限制。
化学物质和标准品
本研究中使用的所有VOCs均为分析级或更高级别，无需进一步纯化即可使用。本研究使用的VOC标准品包括：氯仿（产品编号650498-1L，Sigma-Aldrich，美国）、正己烷（产品代码500H0004，SAMCHUN，韩国）、1-丁醇（产品编号537993-1L，Sigma-Aldrich，德国）、苯（产品编号2017–4400，DAEJUNG，韩国）、3-戊酮（产品编号P0061，TGI，日本）、三乙胺（产品编号471283-100 ML，Sigma-Aldrich，美国）、庚烷（产品编号……）
VOC分析样品引入策略的选择
为了确定将VOCs引入便携式GC系统而不导致色谱图饱和的最合适方法，比较评估了三种不同的注入策略：直接气相注入、开瓶顶空直接注入和连续顶空稀释注入。详细程序见第2.3节。
直接气相注入方法对于BTEX混合物等气态标准品非常理想，能够提供快速稳定的信号响应。
结论
本研究系统地优化并评估了一种便携式气相色谱仪（GC）在检测和识别挥发性有机化合物（VOCs）方面的性能，特别强调了其与大气压化学电离质谱（APCI-MS）的集成。该便携式GC系统有效分离了代表性VOCs（包括苯、甲苯、乙苯和二甲苯（BTEX）），具有出色的重复性。
CRediT作者贡献声明
Jiwon Park：撰写——原始草稿、可视化、验证、方法学、研究、数据管理。
Sun Jong Baek：软件、资源、方法学。
Jeongkwon Kim：撰写——审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了韩国国家研究基金会（NRF）通过基础科学研究计划（Basic Science Research Program）的支持，该计划由教育部资助（RS-2024-00396940、RS-2023-0021971031482092640001和RS-2025-24523650）。作者还感谢BIONEER公司提供的技术支持和设备使用许可。
