雪景科技：讓全二維氣相色譜變得人人可用

　　【導語】當我們走進電影院，更多的3D影像技術給我們帶來更豐富逼真的體驗。對氣相色譜工作者來說，當我們使用全二維氣相色譜時，在壯觀的3D分離圖像之中，我們體會到“分離更清晰”的無比快感。不過阻礙數十萬氣相色譜工作者體驗這種快感的最后屏障是什么？如何才能讓全二維氣相色譜變得人人可用？不久前，分析測試百科網編輯采訪了雪景科技的兩位創始人趙之駿博士和官曉勝博士，他們將為我們介紹一項重要的中國原始創新技術，有望推倒這最后的屏障，在廣大的氣相色譜愛好者面前鋪展開一條熠熠生輝的道路……

雪景科技趙之駿（左）官曉勝合影（右）為用戶安裝設備

全二維氣相色譜兩大關鍵技術：熱調制技術、二維數據處理軟件

　　全二維氣相色譜被譽為毛細色譜柱之后氣相色譜領域最重要的發明，對全二維技術前景的看好，與拓寬其應用廣度的創新激情，促使曾在安捷倫從事氣相色譜研發工作的趙之駿和官曉勝成為“中國合伙人”，他們于2015年創辦了雪景科技（J&X Technologies）。趙之駿博士首先介紹了全二維氣相色譜涉及的兩大關鍵技術：調制器和二維數據處理軟件。

　　固態熱調制器 對液氮說“拜拜”

　　調制器是全二維系統的核心，它以一定頻率將所有一維色譜柱流出的物質，依次收集并快速進樣到二維色譜柱。一維與二維色譜柱的分離機制不同，因此樣品整體可獲得某種意義的正交分離，得到比傳統一維色譜更高的分離度和更高維度的全局性化學信息。

　　全二維氣相色譜可通過氣流調制或熱調制兩種方式實現，其中熱調制因其獨特的濃縮聚焦作用，成為主流的調制技術；但是，目前成熟的商業熱調制器，需要消耗大量的液氮，嚴重阻礙了它的普及。因此雪景科技研發并推出了新一代固態熱調制器，不消耗任何制冷氣體，有望極大地降低全二維氣相色譜的使用門檻，讓更多分析工作者能夠接觸并使用上這項先進的分離技術。

調制器示意圖

　　具體到熱調制器，它通過急速冷卻一小段毛細柱到足夠低的溫度，捕集并濃縮一般幾秒時間的一維流出物，然后再急速加熱到足夠高的溫度，將這些物質重新氣化并隨載氣送入到二維柱。這種溫度切換一般要求在數十到數百毫秒內完成，并在樣品的色譜分析過程中按一定頻率進行成百上千次。在雪景科技推出固態熱調制器之前，業界普遍采用液氮、液體二氧化碳或者制冷機產生的冷空氣，和電加熱產生的熱空氣，通過交替噴氣的方式實現上述溫度切換。這種全二維系統附屬設備較多，操作維護復雜，初次投資和運營費用高昂，很難從高端科研機構向普通實驗室推廣。從儀器開發的角度，熱調制技術的改進和創新可以說是全二維系統里最困難，但也是最有意義的部分。

　　簡潔、直觀、高效的數據處理軟件，快速提取有效信息

　　全二維色譜在檢測器端產生的是經過調制的信號，無法用普通一維數據處理軟件解讀，因此還需要專門的軟件將原始一維信號轉化成全二維色譜圖，實現數據的可視化；軟件還應提供二維色譜峰的積分，定量和定性分析，甚至是族類分析，主成份分析，樣品間差異性分析等定制化的化學信息學分析。全二維最終應用的實現離不開全二維數據處理軟件，因此它也是關鍵的技術環節。全二維氣相或氣質產生的數據量非常大，雪景科技也推出了自己的數據處理軟件，從底層算法到用戶界面，都秉承簡潔、直觀和高效的原則，幫助用戶從復雜的數據中快速提取出有效的信息，將更多精力放在應用上，而不是軟件工具本身。

全二維氣相色譜的優勢

　　 全二維氣相色譜的優點在于其卓越的分離能力（即色譜分辨率），理論上峰容量是傳統一維氣相色譜的10倍左右。所以非常適合于分析常規一維氣相色譜難以分開的復雜樣品，包括組分繁多的，基質復雜的，干擾物多的樣品。對樣品組分更好的分離可以得到更純凈的分析目標色譜峰，排除同系物或基底的干擾，顯著提高定性和定量準確性（包括目標物分析和未知物分析）。

柴油分離全二維色譜圖（上圖）和一維色譜圖（下圖）的對比，全二維色譜圖能直觀清晰地展現樣品的化合物族類信息

　　另外全二維氣相色譜特有的同類物質按規律在二維圖上分布排列（參考上面柴油的一維和全二維色譜圖比較），能直觀清晰地展現樣品的化合物族類信息，方便對同一類化合物進行分析和計算；同類樣品具有相似的化合物族類分布模式，因此全二維圖譜也可以作為樣品的特征指紋，在樣品分類、真偽鑒定或溯源等高級應用上，產生巨大的價值。典型的應用包括石油石化行業中的油品分析、質量控制、雜質檢測；環境領域的大氣、顆粒物、水和土壤中的揮發性和半揮發性有機物、持久性有機物分析；食品和香精香料行業中的風味分析、有效組分分析等。隨著新一代固態熱調制技術的推出，相信全二維氣相色譜技術能更快地進入更多的科研甚至常規分析領域，從而產生更豐富的應用。

全二維氣相色譜的“三段式”發展史

　　全二維氣相色譜的技術發展歷程大概分為三個階段：

　　第一個階段是上世紀最后二十年，從被發明，到隨后一系列色譜學基礎性研究，到各種早期的氣流調制和熱調制器技術的發展，以及數據處理方法的提出與開發，全二維氣相色譜技術逐漸被認識、認可和完善。

　　第二個階段是本世紀頭十年，由商業化的熱調制器、數據處理軟件，和高采樣率的飛行時間質譜構成的全二維系統在市場上獲得成功，進入到各個行業的分析領域得到實際應用。全二維氣相色譜已成為針對復雜樣品的重要甚至首選分析手段。

　　第三個階段是2010年后到未來的一段時間，通過對文獻和學術會議的追蹤，發現人們一直在探索更加簡便經濟的熱調制技術（參看下面的GCxGC熱調制技術發展史圖例，其中也包括了由雪景科技研發并率先商業化成功的固態熱調制器）。結合業界不斷推出快速掃描單四極桿和飛行時間質譜（SHIMADZU，LECO，MARKES，JEOL，廣州禾信）進入全二維氣質領域，預計這些合力終將帶動全二維氣相和氣質走出高端小眾的科研市場，在普通實驗室，甚至移動或在線分析領域得到普及應用。

　　GC×GC熱調制技術發展史：

• 　　1991年，Philips和Liu首次提出熱調制技術并申請了ZL；

• 　　1997年，Marriott發明了縱向調制冷卻系統（LMCS），真正將GC×GC技術推向實用；

• 　　2000年，Ledford采用雙冷熱噴嘴，利用液態CO₂和熱空氣進行調制；

• 　　21世紀初，利用冷熱噴嘴的熱調制技術得到快速發展并實現商業化，逐漸成為GC×GC的主流調制技術；

• 　　2010年，使用制冷機進行制冷，出現了不使用液氦（但需要壓縮空氣）的噴嘴式熱調制器并實現商業化；

• 　　2010年，第一個微型固態熱調制器誕生，在硅晶片上利用脈沖式電阻加熱和一塊半導體制冷元件實現熱調制，但由于微加工工藝難度大和成本過高，未能實現商業化；

• 　　2011年，渦旋管冷卻技術首次用于熱調制器，改進后可以實現不消耗制冷劑對有限范圍內的化合物進行熱調制；

• 　　2012年，在微型熱調制器的技術基礎上發展出不需要微加工工藝的固態熱調制器，徹底擺脫制冷劑的使用；

• 　　2015年，固態熱調制器商業化并投入市場，為GC×GC的普及創造了條件。

雪景科技新一代固態熱調制器SSM

　　雪景科技推出的新一代固態熱調制器（SSM，Solid State Modulator），相比于目前市場上的噴氣熱調制器而言，主要有三個鮮明的特點：（一）對用戶來說，采用半導體制冷，只需通電，毋需消耗任何制冷劑以及隨之而來的各種后勤保障麻煩，簡單而又安全；（二）從核心技術來說，SSM是對獨立于柱箱之外的一段特殊的調制毛細柱進行高效熱傳導式溫度切換。調制柱內部固定相的選擇和涂敷方式可經過優化，保證在半導體制冷溫度下對低沸點物質的有效捕集，避免了使用蠻力即液氮制冷到極端低溫；（三）以上兩個特點又幫助SSM成功實現了設備集成化和小型化，可在不同地點的色譜儀，甚至多個不同品牌的色譜儀之間，快速靈活地完成安裝和拆卸。

雪景科技 固態熱調制器

搭載不同色譜平臺的雪景科技全二維氣相色譜系統

　　簡單、小巧、無需液氮、便于普及

　　新一代固態熱調制器SSM的優勢是，顯著減少了全二維系統的設備復雜度、占地空間和能耗，降低了操作與維護的難度和麻煩，省去了對液氮罐等設備的額外投資和維持運行的液氮費用，是一款簡捷、高效、便攜、經濟的模塊化全二維氣相色譜熱調制器。SSM可實現全二維系統在普通實驗室的使用，甚至還可以配合便攜式或在線式儀器，讓全二維色譜技術進入到實驗室外的分析應用。

　　一維的氣相/氣質“秒變”二維，就是這么簡單！

　　從前，全二維氣相色譜技術是高端實驗室的專有工具，對廣大用戶來說“可望不可及”；而SSM更實惠的價格、更簡單的操作、更方便的維護，可使廣大氣相色譜用戶快速應用上這項先進的色譜分離技術。無論是進行最前沿的科學研究，對樣品進行最精細的分離分析；還是針對特定需求開發更高效的分析方法，新一代固態熱調制全二維氣相色譜技術都能幫助用戶提高效率、降低成本。

　　 固態熱調制器SSM可以配合GC，GC-QMS，GC-TOF/QTOF等多種氣相氣質平臺，只需要在氣相色譜儀器上增加雪景科技的調制器模塊，就能將已有的一維氣相或氣質系統升級成全二維系統。雪景科技的產品原則上支持市場上絕大多數色譜型號，并已成功地安裝使用在包括安捷倫、島津、天美等品牌的色譜儀上。雪景科技特別關注將全二維氣相色譜技術普及至普通實驗室，為此開發了大量配合GC和GC-QMS（單四級桿質譜）的全二維應用，希望更多地利用常規儀器平臺，發揮全二維的特點，全面提升分析能力。

　　隨心選購：調制器+軟件，或全二維全套系統

　　已有GC/GCMS，準備升級——如果客戶已經有常規的氣相或氣質平臺（GC或GC-QMS），希望改裝升級到全二維系統，可以向雪景科技咨詢。用戶只需一臺氣相即可實現全二維色譜，不需要第二臺。

　　接口和空間滿足安裝需求——如果基本條件滿足，比如有足夠的色譜柱箱頂部安裝空間，未被閥箱或其它設備占用，可從雪景科技購置一個固態調制器和全二維色譜處理軟件，完成升級；且固態熱調制器與氣相之間無需特殊的接口裝置。

　　購買全二維整機——客戶也可以通過雪景科技或者雪景科技合作的儀器廠商購置整套全二維系統。如果用戶已有其它廠商或自己的調制器或軟件產品，也可以單獨購買雪景科技的軟件或調制器。

　　售后與維修：硬件一年免費維修，軟件終身免費升級

　　用戶購買雪景科技的產品后，一般提供一年的硬件免費維護維修，軟件提供終身免費升級，同時也會為客戶定期進行相關的技術支持和培訓。固態熱調制器平時的維護需求很少，主要是每6-12個月需要更換一根調制柱。但是，全二維系統能否滿足用戶的應用需求，往往還涉及到全二維方法的開發，包括一二維色譜柱的選擇，溫升程序和流量設置，多檢測器的聯用等等。雪景科技將竭盡全力為客戶提供專業建議和經驗，包括必要的定制化服務，幫助客戶用好全二維系統，真正發揮其效力。

好評如潮 有圖有真相

　　陶氏化學

　　雪景科技在陶氏化學加拿大分析測試中心安裝有一臺固態熱調制全二維系統，已經正常運行了三年。該中心主任——色譜屆知名的專家Jim Luong博士對雪景科技的產品評價道：“我相信SSM全二維產品對于全二維技術的推廣應用能做出重大的貢獻。不僅如此，它對于一般意義上的色譜分析也有積極作用。”Jim Luong博士還在《分析化學》雜志上對第一代固態熱調制器的原理、構造和性能進行了介紹，有興趣的讀者可參考文獻：Anal. Chem. 88 (2016) 17, 8428-8432。以下圖片展示的是Jim Luong博士分析的石油裂解氣樣品GCxGC-FID色譜圖。

　　北京大學環境學院

　　北京大學環境學院已安裝雪景科技一臺全二維固態熱調制器及全二維色譜數據分析軟件，主要進行環境大氣和廢氣樣品中揮發性和半揮發性有機物的分析檢測。固態熱調制器安裝在一臺島津GCMS上，二維出口分流到一個單四級桿質譜和一個FID，進行雙檢測器檢測，同時完成定性和定量工作。下圖是在該全二維系統上完成的SVOC標樣和真實汽車尾氣樣品的全二維圖譜。

　　另外，雪景科技的固態熱調制器用戶和合作單位還包括中石化、清華大學環境學院、中科合成油、上海嘉定區環境監測站、天美儀器等。

請支持中國的原始創新

　　趙之駿表示，近期雪景科技最大的挑戰在于市場推廣。固態熱調制器作為公司純原創的產品，顛覆了專業人員對于全二維氣相色譜技術的認識，剛推向市場時，既有對雪景科技的產品表示贊賞和歡迎的聲音，也有一些質疑的聲音，覺得半導體制冷怎么可能實現液氮的效果？通過一年多的宣傳和合作（包括試用），越來越多的用戶開始相信，全二維氣相色譜技術可以變得如此方便簡捷，并非一定要用到復雜的設備。

　　但作為研發型的初創公司，推廣力度還是很有限的。趙之駿表示，今后希望同各氣相廠家、儀器代理商集成商、有影響力的用戶，以及像分析測試百科網這樣的單位開展合作，將這項技術更快更好地推廣到更多的應用領域中，為更多的客戶提供服務。

　　在此筆者也呼吁：首先，請支持中國的原始創新；其次，如果您的實驗室已經有氣相色譜，何不考慮裝配如此簡單的一個調制器，充分感受全二維氣相色譜帶給您的3D分離體驗！

追逐理想，尋求合作

　　理想是支持創新和進步的動力。兩位博士這樣描繪自己的理想：雪景科技成立時的理想是——成為領先的全二維色譜或多維色譜技術的創新者和普及者。在可預見的未來，公司將專注于這個領域，對硬件和軟件做持續的改進、升級和更新。特別希望通過合作等方式，針對石化和環保等行業開發出典型的具體應用，以形成可被推廣的專用型全二維系統解決方案。另外，基于雪景科技產品的特點和優勢，公司還期望將全二維氣相色譜技術拓展至在線式或便攜式應用領域，希望進一步發揮全二維強大的分離能力。

　　附：人物簡介

　　趙之駿博士

趙之駿

　　2003年畢業于復旦大學環境科學與工程系，后在美國佐治亞理工學院攻讀博士學位，大氣科學方向。在佐治亞大學繼續兩年博士后工作后， 2011年回國加入安捷倫科技，就職于安捷倫實驗室，主要從事高端色譜技術開發工作。2015年與同事合伙創立雪景科技，致力于普及和推廣方便易用的全二維氣相色譜技術，主要負責市場推廣和客戶支持工作。

　　官曉勝博士

官曉勝

　　1994年畢業于清華大學工程熱物理專業，1997年留學美國康涅狄格大學，2002年底獲得機械系博士學位。2004回國后，加入博奧生物，從事生物芯片微流控技術的研發，逐漸轉入分析領域。2007年加入安捷倫實驗室，從事氣相色譜以及氣質聯用技術的研發。2015年與同事一起創立雪景科技，致力于新一代全二維氣相技術的推廣，目前在公司主要負責技術研發。

　　關于雪景科技

　　雪景電子科技（上海）有限公司致力于領先的多維氣相色譜技術的產品研發、銷售、推廣及相關咨詢服務。針對環境，食品安全，香精香料，能源化工，刑偵，以及生物醫療等領域的復雜樣品分析、痕量物質分析，快速分析，以及便攜式分析，我們愿竭誠為客戶提供卓越的解決方案。

　　核心產品和服務包括：

　　用于改善氣體進樣（頂空、吹掃捕集、熱脫附、固相微萃取）和二次進樣（中心切割二維氣相色譜）的固態毛細柱冷阱；

　　獨創的全二維氣相色譜（GC×GC）固態熱調制器；

　　全二維氣相色譜應用的方法開發、優化和數據處理；

　　氣相色譜分析檢測相關的技術咨詢和項目合作，包括軟硬件開發，特殊分析應用，數據處理與分析，重大科研項目等。