الكروماتوغرافيا ثنائية الأبعاد

يستخدم مطياف الكتلة الترادفي (MS/MS) محللين للكتلة بالتتابع لفصل مخاليط معقدة من المواد المراد تحليلها. وتكمن ميزة مطياف الكتلة الترادفي في سرعته الفائقة مقارنةً بالطرق ثنائية الأبعاد الأخرى، حيث تتراوح أزمنة التحليل من أجزاء من الثانية إلى ثوانٍ. ^{[ 5 ]} ولأنه لا يتطلب تخفيفًا بالمذيبات، تقل احتمالية التداخل، مما يجعله أكثر حساسية وأعلى في نسبة الإشارة إلى الضوضاء مقارنةً بالطرق ثنائية الأبعاد الأخرى. أما عيبه الرئيسي فهو التكلفة الباهظة للأجهزة اللازمة، والتي تتراوح أسعارها بين 500,000 دولار أمريكي وأكثر من مليون دولار أمريكي. ^{[ 6 ]} تتضمن العديد من أنواع مطياف الكتلة الترادفي مرحلتين: مرحلة اختيار الكتلة ومرحلة التفتيت. يمكن برمجة محلل الكتلة الأول لتمرير الجزيئات ذات نسبة كتلة إلى شحنة محددة فقط . ثم يقوم محلل الكتلة الثاني بتفتيت الجزيء لتحديد هويته. وهذا مفيدٌ بشكل خاص لفصل الجزيئات ذات الكتلة نفسها (مثل البروتينات ذات الكتلة نفسها أو المتماكبات الجزيئية). يمكن ربط أنواع مختلفة من أجهزة تحليل الكتلة لتحقيق تأثيرات متنوعة. ومن الأمثلة على ذلك نظام مطياف الكتلة رباعي الأقطاب ذي زمن الطيران (TOF) . حيث يمكن تجزئة الأيونات و/أو تحليلها بشكل متسلسل في جهاز رباعي الأقطاب أثناء خروجها من مطياف زمن الطيران بترتيب تصاعدي لنسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z). ومن أجهزة مطياف الكتلة الترادفية الشائعة الأخرى جهاز تحليل رباعي الأقطاب-رباعي الأقطاب-رباعي الأقطاب (QQQ). يقوم جهاز رباعي الأقطاب الأول بفصل الأيونات حسب الكتلة، ثم تحدث التصادمات في جهاز رباعي الأقطاب الثاني، ويتم فصل الشظايا حسب الكتلة في جهاز رباعي الأقطاب الثالث.

يُعدّ التحليل الكروماتوغرافي الغازي-مطياف الكتلة (GC-MS) تقنية كروماتوغرافية ثنائية الأبعاد تجمع بين تقنية الفصل في الكروماتوغرافيا الغازية وتقنية تحديد الهوية في مطياف الكتلة . ويُعتبر GC-MS الأداة التحليلية الأهم لتحليل المركبات العضوية المتطايرة وشبه المتطايرة في الخلائط المعقدة. ^{[ 7 ]} يعمل الجهاز عن طريق حقن العينة أولاً في مدخل جهاز الكروماتوغرافيا الغازية، حيث تُبخر وتُدفع عبر عمود بواسطة غاز حامل، عادةً ما يكون الهيليوم. يتم فصل المواد المراد تحليلها في العينة بناءً على تفاعلها مع طلاء العمود، أو الطور الثابت، والغاز الحامل، أو الطور المتحرك. ^{[ 8 ]} تُحوّل المركبات المُستخلصة من العمود إلى أيونات عبر التأين الإلكتروني (EI) أو التأين الكيميائي (CI) قبل مرورها عبر محلل الكتلة. ^{[ 9 ]} يعمل محلل الكتلة على فصل الأيونات بناءً على نسبة الكتلة إلى الشحنة. تؤدي الخيارات الشائعة الوظيفة نفسها، ولكنها تختلف في طريقة الفصل. ^{[ 10 ]} عادةً ما تُستخدم أجهزة التحليل التالية مع تقنية كروماتوغرافيا الغاز -مطياف الكتلة (GC-MS): جهاز تحليل الكتلة ذو زمن الطيران وجهاز تحليل الكتلة رباعي الأقطاب . ^{[ 8 ]} بعد خروج المواد المراد تحليلها من جهاز تحليل الكتلة، تصل إلى الكاشف وتُنتج إشارة يقرأها الحاسوب وتُستخدم لإنشاء مخطط كروماتوغرافي غازي وطيف كتلة. في بعض الأحيان، تستخدم تقنية GC-MS جهازي كروماتوغرافيا غازية في العينات المعقدة بشكل خاص للحصول على قدرة فصل عالية والقدرة على تحديد الأنواع الكيميائية بدقة للقمم المناسبة، وهي تقنية تُعرف باسم GCxGC-(MS). ^{[ 11 ]} في النهاية، تُعد تقنية GC-MS تقنية شائعة الاستخدام في العديد من المختبرات التحليلية، وهي أداة تحليلية فعالة للغاية وقابلة للتكيف.

تجمع تقنية كروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة (LC/MS) بين الفصل الكروماتوغرافي عالي الدقة والكشف باستخدام مطياف الكتلة. وبما أن النظام يعتمد على الفصل العالي لتقنية كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC)، فإن المواد المراد تحليلها الموجودة في الطور المتحرك السائل غالبًا ما تُؤيَّن باستخدام طرق تأيين لطيفة متنوعة، بما في ذلك التأين الكيميائي بالضغط الجوي (APCI)، والتأين بالرذاذ الإلكتروني (ESI)، أو التأين/الامتزاز الليزري بمساعدة المصفوفة (MALDI)، والتي تحقق التأين في الطور الغازي اللازم للربط مع مطياف الكتلة. تتيح طرق التأين هذه تحليل نطاق أوسع من الجزيئات البيولوجية، بما في ذلك تلك ذات الكتل الأكبر، أو المركبات غير المستقرة حراريًا، أو المركبات غير المتطايرة، والتي عادةً ما تعجز تقنية كروماتوغرافيا الغاز-مطياف الكتلة (GC-MS) عن تحليلها.

توفر تقنية LC-MS انتقائية عالية، إذ يمكن عزل القمم غير المفصولة باختيار كتلة محددة. علاوة على ذلك، تُحسّن أطياف الكتلة من دقة تحديد المركبات، فلا يضطر المستخدم للاعتماد فقط على زمن الاحتفاظ بالمواد المراد تحليلها. ونتيجة لذلك، يمكن الحصول على معلومات الكتلة الجزيئية والتركيبية، بالإضافة إلى البيانات الكمية، باستخدام تقنية LC-MS. ^{[ 9 ]} لذا، يمكن تطبيق تقنية LC-MS في مجالات متنوعة، مثل تحديد الشوائب وتصنيفها في تطوير الأدوية وتصنيع المستحضرات الصيدلانية، حيث توفر تقنية LC فصلًا فعالًا للشوائب، بينما يوفر مطياف الكتلة توصيفًا بنيويًا لتصنيف الشوائب. ^{[ 12 ]}

تُعدّ المذيبات الشائعة المستخدمة في كروماتوغرافيا السائل ذات الطور العادي أو المعكوس، مثل الماء والأسيتونيتريل والميثانول، متوافقة مع تقنية التأين بالرذاذ الإلكتروني (ESI)، إلا أن المذيبات المستخدمة في كروماتوغرافيا السائل قد لا تكون مناسبة لتقنية مطياف الكتلة (MS). علاوة على ذلك، ينبغي تجنب استخدام المحاليل المنظمة التي تحتوي على أيونات غير عضوية لأنها قد تُلوّث مصدر الأيونات . ^{[ 13 ]} ومع ذلك، يمكن حل هذه المشكلة باستخدام تقنية كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد المقترنة بمطياف الكتلة (2D LC-MS)، بالإضافة إلى حل مشكلات أخرى متنوعة، بما في ذلك التداخل في ذروة الاستخلاص واستجابات الكشف بالأشعة فوق البنفسجية. ^{[ 14 ]}

تجمع تقنية كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد (2D-LC) بين تحليلين منفصلين لكروماتوغرافيا السائل في تحليل بيانات واحد. تعود أصول كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد الحديثة إلى أواخر سبعينيات وأوائل ثمانينيات القرن الماضي. خلال هذه الفترة، جرى إثبات المبادئ المفترضة لتقنية 2D-LC من خلال تجارب أجريت إلى جانب أعمال مفاهيمية ونظرية تكميلية. وقد تبين أن تقنية 2D-LC توفر قدرة فصل أعلى بكثير مقارنةً بتقنيات كروماتوغرافيا السائل أحادية البعد التقليدية. في تسعينيات القرن الماضي، لعبت تقنية 2D-LC دورًا هامًا في فصل المواد شديدة التعقيد الموجودة في مجالي دراسة البروتينات والبوليمرات. مع ذلك، تبين أن لهذه التقنية عيبًا كبيرًا يتمثل في طول وقت التحليل. اقتصرت الأعمال المبكرة بتقنية 2D-LC على جزء صغير من عمليات فصل الطور السائل نظرًا لطول وقت التحليل في الأجهزة. عالجت تقنيات 2D-LC الحديثة هذا العيب بشكل مباشر، وقللت بشكل كبير مما كان يُعدّ عيبًا جوهريًا. تتمتع تقنية الفصل الكروماتوغرافي ثنائي الأبعاد الحديثة بقدرة تحليلية عالية الدقة، حيث يمكن إنجاز عمليات الفصل في غضون ساعة أو أقل. ونظرًا للحاجة المتزايدة إلى أجهزة تحليلية قادرة على تحليل مواد ذات تعقيد متزايد وبحدود كشف أدق، يشهد تطوير هذه التقنية تقدمًا متسارعًا. وقد أصبحت مكونات هذه الأجهزة محورًا رئيسيًا في الصناعة، وأصبح الحصول عليها أسهل بكثير من ذي قبل. ففي السابق، كان يتم إجراء الفصل الكروماتوغرافي ثنائي الأبعاد باستخدام مكونات من أجهزة الفصل الكروماتوغرافي أحادي الأبعاد، مما كان يؤدي إلى نتائج متفاوتة في الدقة والضبط. وقد أتاح انخفاض الضغط على هندسة الأجهزة إمكانية القيام بأعمال رائدة في مجال وتقنية الفصل الكروماتوغرافي ثنائي الأبعاد.

يهدف استخدام هذه التقنية إلى فصل المخاليط التي لا تستطيع تقنية الاستشراب السائل أحادي البعد فصلها بكفاءة. أما الاستشراب السائل ثنائي البعد فهو أنسب لتحليل عينات المخاليط المعقدة مثل البول، والمواد البيئية، والأدلة الجنائية كالدم.

يمكن عزو صعوبة فصل المخاليط إلى تعقيدها، إذ يتعذر الفصل بسبب كثرة المكونات المختلفة في المركب. ومن المشكلات الأخرى المرتبطة بالكروماتوغرافيا السائلة أحادية البعد صعوبة فصل المركبات المتشابهة. فالمركبات المتشابهة لها خصائص كيميائية متقاربة، ما قد يصعب فصلها بناءً على القطبية أو الشحنة، وما إلى ذلك. ^{[ 15 ]} توفر الكروماتوغرافيا السائلة ثنائية البعد فصلًا يعتمد على أكثر من خاصية كيميائية أو فيزيائية. فعلى سبيل المثال، كما في دراسة ناجي وفيكي، يمكن فصل خليط من الببتيدات بناءً على قاعديتها، ولكن قد لا تخرج الببتيدات المتشابهة جيدًا. وباستخدام تقنية كروماتوغرافيا سائلة لاحقة، يمكن فصل الببتيدات ذات القاعدية المتشابهة بشكل أكبر بالاستفادة من الاختلافات في خصائصها غير القطبية. ^{[ 16 ]}

ونتيجةً لذلك، ولتحسين كفاءة فصل المخاليط، يجب أن يستخدم تحليل الكروماتوغرافيا السائلة اللاحق انتقائية فصل مختلفة تمامًا عن العمود الأول. ومن المتطلبات الأخرى لاستخدام الكروماتوغرافيا السائلة ثنائية الأبعاد بفعالية، وفقًا لبوشي وجورجنسون، استخدام تقنيات متعامدة للغاية، ما يعني أن تكون تقنيتا الفصل مختلفتين قدر الإمكان. ^{[ 17 ]}

يوجد تصنيفان رئيسيان لتقنية كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد، وهما: كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد الشاملة (LCxLC) وكروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد بتقنية الفصل الجزئي (LC-LC). ^{[ 18 ]} في كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد الشاملة، تُؤخذ عينات كاملة من جميع قمم عمود الفصل، ولكن لم يعد من الضروري نقل العينة بأكملها من العمود الأول إلى الثاني. يُرسل جزء من العينة إلى النفايات، بينما يُرسل الباقي إلى صمام أخذ العينات. أما في كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد بتقنية الفصل الجزئي، فتُستهدف قمم محددة، حيث يُحقن جزء صغير فقط من كل قمة في عمود ثانٍ. وقد أثبتت هذه التقنية فائدتها الكبيرة في تحليل عينات المواد غير المعقدة، شريطة أن يكون لها سلوك احتجاز مماثل. وبالمقارنة مع كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد الشاملة، توفر كروماتوغرافيا السائل ثنائية الأبعاد بتقنية الفصل الجزئي تقنية فعالة تتطلب إعدادًا أقل للنظام وتكلفة تشغيل أقل بكثير. يمكن استخدام تقنية الفصل الكروماتوغرافي السائل متعدد الحلقات (mLC-LC) لأخذ عينات من قمم متعددة من التحليل البُعدي الأول دون خطر التداخل المؤقت مع التحليل البُعدي الثاني. ^{[ 18 ]} تعتمد تقنية الفصل الكروماتوغرافي السائل متعدد الحلقات (mLC-LC) على إعداد حلقات أخذ عينات متعددة.

في تقنية الفصل الكروماتوغرافي ثنائي الأبعاد (2D-LC)، تُعدّ سعة الذروة مسألة بالغة الأهمية. ويمكن تحقيق ذلك باستخدام فصل الإذابة المتدرجة بكفاءة أعلى بكثير من الفصل متساوي التركيز، شريطة توفر وقت معقول. ورغم سهولة الإذابة متساوية التركيز في النطاق الزمني السريع، يُفضّل إجراء فصل الإذابة المتدرجة في البُعد الثاني. وتتغير قوة الطور المتحرك من تركيبة مذيب ضعيفة إلى تركيبة أقوى. واستنادًا إلى نظرية قوة المذيب الخطية (LSST) للإذابة المتدرجة في كروماتوغرافيا الطور المعكوس، تُبيّن العلاقة بين زمن الاحتفاظ والمتغيرات الآلية ومعاملات المذاب أدناه. ^{[ 18 ]}

t _R =t ₀ +t _D + t ₀ /b*ln(b*(k ₀ -t _d /t ₀ ) + 1)

رغم إنجاز الكثير من الأعمال الرائدة في السنوات التي تلت تحول تقنية الفصل الكروماتوغرافي ثنائي الأبعاد إلى تقنية تحليلية كروماتوغرافية رئيسية، لا تزال هناك العديد من المشكلات الحديثة التي يجب أخذها في الاعتبار. ولا يزال يتعين تحديد العديد من المتغيرات التجريبية، وتخضع هذه التقنية باستمرار للتطوير.

يُعدّ التحليل الكروماتوغرافي الغازي ثنائي الأبعاد الشامل تقنية تحليلية تُستخدم لفصل وتحليل المخاليط المعقدة. وقد استُخدمت في مجالاتٍ عديدة، منها: النكهات، والعطور، والدراسات البيئية، والمستحضرات الصيدلانية، والمنتجات البترولية، وعلم الأدلة الجنائية. يُوفّر هذا التحليل حساسية عالية وقدرة فصل فائقة بفضل زيادة سعة الذروة.