夜雨聆风摘要
化学生态学领域在最近几十年迅速扩展，为我们提供了对涉及植物、微生物和动物的复杂相互作用的迷人见解。
热解吸（TD）结合气相色谱（GC）是一种用于分析活体中微量挥发物的有效技术，在本概述中，我们描述了使其有价值的关键特征以及与之兼容的各种取样技术。然后，我们通过调查最近的科学文献来说明其应用范围。
1.引言
自1990年代以来，研究生物体通过释放有机化合物影响其他生物体行为的能力已经迅速发展，现在已经被确立为‘化学生态学’学科。在这个多样化的领域中，植物产生的挥发性有机化合物（VOCs），通常被称为‘植物挥发物’，由于人们越来越重视它们在广泛和重要的生态系统角色中的作用，已经引起了最多的关注。
在进行化学生态学研究的过程中，显而易见的是挥发性介导的相互作用往往非常复杂，涉及到许多环境和遗传因素。提取关于这些系统的有意义信息需要在多个学科领域具备专业知识，其中之一就是分析化学-具体来说，是可靠地采样、分离和识别化学生态过程中必不可少的复杂挥发性有机化合物混合物的能力。
对于现代分析人员进行挥发性有机化合物分析，有许多技术可供选择，其中气相色谱-质谱联用（GC-MS）是目前最广泛使用的，因为它可以分离和可靠识别含有许多组分（通常>100）的混合物。尽管GC-MS技术已经得到很好的建立和高度优化，采样浓度（通常是十亿分之一）有机化合物，并将它们浓缩到GC-MS分析所需的小体积（通常约100µL）长期以来一直是分析人员面临的重大挑战。
针对这些问题，热解吸（TD）在过去15年中已经成为化学生态领域中GC-MS预浓缩的首选方法。
这是因为它提供了所需的显著灵敏度增强，可以监测通常由生物体排放的低浓度物质，并且还与各种采样技术兼容，使研究人员能够选择最佳方法。
这个简要概述的目的是总结热解吸的基本原理和这些采样技术，以用于化学生态学研究。最近（2010年后）文献中代表性的研究选择也将展示热解吸已经应用到的各种应用的多样性。有关图中所示示例的更多细节可以在Markes的热解吸应用指南：生物学特征分析中找到，网址为http://chem.markes.com/Biology.
2.热解吸的背景
在其最简单的形式中，TD是气相色谱的直接延伸。它涉及在惰性‘载体’气体流中加热样品材料或吸附剂，以便从基质中提取（‘解吸’）保留的有机挥发物和半挥发物，并将其转移到GC柱中的载体气流中。在大多数情况下，这个过程的效率接近100%，在这方面，它与从吸附剂中溶剂萃取相比非常有利，而且工作量明显较少，并提供通常低于1000倍的检测限。
TD的历史可以追溯到20世纪70年代中期，当时分析人员试图通过在GC进样口衬管中填充吸附剂材料来克服传统GC样品制备方法的局限性。在用于采样空气中的挥发性有机化合物后，将其放入GC进样口进行解吸并将分析物转移到分析柱中。
自从早期以来，热解吸技术已经有了相当大的发展，过去20年的关键发展包括两级解吸导致明显降低检测限（至亚ppt水平），样品分流和再收集的引入以克服早期热解吸系统的‘一次性’限制，以及气体流动的反向使得在一个冷阱中使用多种吸附剂成为可能，这允许在一个运行中监测更广泛范围的挥发性和半挥发性有机化合物。现代系统如Markes的UNITY™和TD100™仪器也是自动化的，并提供实际的好处，比如通过使用Peltier冷却的聚焦冷阱来避免液氮的需求。
图1展示了TD仪器的典型操作概述。正如所示，TD可以与许多采样设备连接，这为化学生态学应用提供了特殊的灵活性。这些将在4-9节中更详细地描述。
图1：热解吸的典型操作和化学生态学研究中常用的采样选项。
阶段1：选项A：挥发物被采样到吸附管上，然后加热将它们转移到一个电冷却的聚焦冷阱。（通常保持在室温和-30℃之间）。选项B：挥反向吹扫被转移到聚焦冷阱，而不使用吸附管。
阶段2：聚焦冷阱在载气的反向气流中迅速加热（‘反冲洗’操作），将分析物转移到气相色谱柱。
在阶段1或阶段2期间，分析物的气流可以分流并重新收集到一个干净的吸附管上-分别称为‘进口分流’和‘出口分流’。
3.吸附剂选择
无论使用何种采样技术，选择吸附剂管或聚焦冷阱中适当的吸附剂对于允许定量采样、聚焦和转移感兴趣的化合物至气相色谱仪是至关重要的，同时避免受到过量水的干扰。
多孔聚合物吸附剂Tenax®TA是迄今为止在TD应用中最广泛使用的吸附剂，这在化学生态学研究中也是如此。作为一种弱吸附剂，它适用于从n-C7（沸点100℃）开始以上的化合，并且与一些在较高温度下容易降解的单萜类化合物兼容。在需要检测易挥发性化合物的情况下（并且TD系统支持通过反冲洗操作使用多床吸附剂管），Tenax TA可以与强石墨化碳黑吸附剂Carbograph™ 5TD配对使用。通过这种方式，可以监测沸点低至n-C4（沸点-1℃）的化合物。
吸附管材料的选择也值得一提。尽管常规不锈钢管对于大多数应用是足够的（并且比玻璃更适用于现场应用），但对管子进行薄的有机硅涂层处理赋予了可靠采样最活性化合物所需的惰性，比如硫化物。在这种情况下，还可以考虑使用含有Tenax TA和强碳化分子筛吸附剂（如SulfiCarb™）的双床吸附管，以确保这些化合物被定量捕获和释放。
4.动态顶空采样
从钟罩、采样袋、光学池或其他封闭容器中进行吹扫‘推-拉’动态顶空采样，是目前实验室和原位研究植物挥发物最广泛使用的方法。这种方法不仅高度适应个别实验的要求，而且采样的动态特性确保了对低水平分析物的最大可能灵敏度。
将热解吸技术应用于化学生态学的领域是多种多样的，包括以下领域的研究：
4.1 种内变异
研究的例子包括鼠尾草、棵苏格兰松、芸薹属植物，和橡木和白蜡。生物合成研究也使用了TD动态顶空采样，研究利马豆、烟草野生近缘种、拟南芥和广藿香。
4.2 非生物胁迫
这里的一个重点关注是气候变化的影响，特别是温度、干旱和CO2的升高-研究案例包括亚北极荒原模拟生态系统（图2）、落叶松、黄松、亚力山大松和迷迭香以及樱桃和橡树。其他研究的非生物胁迫包括土壤中镍对杨树的影响，以及藻类释放的挥发性有机化合物。
图2：使用UNITY热解析进行TD‒GC‒MS分析，从瑞典亚北极希思兰地区的地块进行动态顶空采样，用于比较四种不同处理对挥发性有机化合物排放的影响，持续12年。作者发现，加热以及在较小程度上添加落叶，会显着改变某些单萜烯和倍半萜烯的排放速率。数据由丹麦哥本哈根大学的Rikka Rinnan教授提供。
4.3 植物-食草动物相互作用
在这个领域的研究包括吸引产卵的鳞翅目昆虫到玉米和棉花，引诱果蝇到芒果，毛虫到拟南芥，植物虫到铁线蕨，以及病毒对三叶草排放物的影响及其对昆虫的吸引力。地下相互作用也是一个日益受关注的领域，例如大麦根对蠕虫的吸引力，以及从十字花科植物根部释放的防御化合物。防御化合物（这次是地上的）也已经被研究用于一种濒危蝴蝶的寄主植物。在一个代表通常营养角色的逆转的最后一个例子中，已经发现挥发性有机化合物介导果蝇对捕虫草的吸引。
4.4 植物-传粉者相互作用
花香对传粉者的吸引力是另一个使用顶空装置研究的领域。例如，兰花适应蛾→蝇曼陀罗，昆虫访客→蓟属植物和蓍草，夜间蜜蜂→山茱萸，大黄蜂→金鱼草，蜜蜂→十字花科植物（受到食草动物破坏），以及大黄蜂→十字花科植物（图3）。
图3：一个装有流管装置的顶空取样系统，使用TD100热解析进行TD-GC-MS分析，用于研究添加臭氧对黑芥菜（黑芥菜）花香挥发物的影响。臭氧降解混合物中单萜类化合物的含量约降低了25%，一些化合物发生了显着变化（用圈圈标出）。这种混合物对缨尾大黄蜂的吸引力较低（地蜂）在一项针对清洁空气的双行为测试中。数据由西班牙巴塞罗那CSIC全球生态单位的Gerard Farré-Armengol博士提供。
4.5 多级营养相互作用
大多数研究涉及节肢动物捕食者-例如，寄生蜂→毛虫→十字花科植物，同一系统中植物受细菌植物病原体影响，寄生蜂→叶蝉→蚕豆，蓟虫→烟草夜蛾/蜘蛛螨→茄子，以及捕食性螨→蜘蛛螨→黄瓜。然而，捕食者角色也可以由鸟类扮演，正如在一项有趣的研究中所示，大山雀→毛虫→苹果树系统（图4）。在涉及第四级营养水平的系统研究中，复杂性更加明显（例如，超寄生蜂→寄生蜂→毛虫→十字花科植物，以及寄生蜂→毛虫→受根际细菌影响的拟南芥）。
图4：通过对封闭在聚乙烯袋中的原位树枝进行顶空分析，并使用UNITY热解析进行TD-GC-MS分析，研究了海棠树（Malus sylvestris）的植物挥发物。研究人员发现，被冬季飞蛾（Operopthera brumata）幼虫侵袭的树更有可能首先被大山雀（Parus major）访问，即使鸟类看不到幼虫或它们的捕食损害，也能让研究人员推断出不同的挥发物排放可能是这种偏好的基础。有趣的是，当鸟类只暴露于这些视觉线索时，效果消失。图像由兰尼梅亨拉德堡大学Nicole van Dam教授及其同事在《生态学通讯》中的表格数据生成，获得许可。
4.6 其他研究领域
使用动态顶空技术结合TD研究的其他领域包括地下微生物释放的挥发物、臭虫、以及寄生蜂。
5.吸附萃取
吸附式萃取与其他基于吸附剂的采样技术在热脱附（TD）方面有着根本的不同。这种技术使用的吸附剂通常是聚二甲基硅氧烷（PDMS），它对气流是不可渗透的。此外，该技术基于平衡分配而不是完全保留的原理工作。因此，在泵采样顶空气体时需要谨慎使用，特别是在短时间采样的情况下。
然而，这种方法非常适合用于液体中的浸入式采样。只需在采样后去除样品基质残留物即可。在这两种情况下，采样后的吸附材料在空的热脱附管中进行解吸，随后将释放的挥发性有机物进行聚焦。
吸附萃取与固相微萃取（SPME）相似，吸附是在纤维上进行，由于吸附萃取使用的吸附剂量较大，因此具有相当大的灵敏度优势。
然而，顶空吸附萃取仅在分析物浓度相对较高时才有用，因此在化学生态学研究中，它比吸附管上的顶空采样更少见。
在最近的化学生态学应用中，已经使用了各种装置，包括商业和‘自制’的装置，用于顶空吸附萃取，研究的应用范围与动态顶空类似（见第4节）。示例包括拟南芥植物-植物相互作用，野草莓的营养寻找，蚜虫‘蜜露’对蚜虫捕食者的吸引力，烟草花对天蛾的吸引力，牛至草和蝴蝶寄生蚁，蚜虫→蜘蛛螨/蚜虫→番茄三级系统，以及土壤微生物-烟草相互作用。它还被应用于时间分辨研究。
水中挥发物的浸入式吸附采样已被用来研究VOCs对水生甲虫的影响，以及鸣鸟的腺体化学物质。
6.泵抽取样
泵抽取样广泛用于环境空气监测，并且也可应用于化学生态学中的生态系统级研究。感兴趣的分析物通常比顶空研究中的浓度低得多，因此采样条件和分析设置需要仔细选择，以确保最大灵敏度。
在许多情况下，电动泵是合适的，但在设备便携性成问题的偏远野外地点，提供非常相似性能的手动泵可以使用。与电动泵一样，这些手动泵与多层填料吸附管兼容，允许快速抓取一系列分析物，正如Jardine等人在亚马逊雨林的研究所示(图5)。
图5：雨林空气中萜烯类化合物的分析，通过抽取式采样（使用手动操作的Easy-VOC™泵）和TD-GC-MS分析（SIM m/z93）使用TD100热解析，显示出与冠层高度明显变化，有助于阐明环境VOC排放的影响。数据由巴西马瑙斯亚马逊国家研究所的Angela Jardine博士和Kolby Jardine博士提供。
泵抽取样也被用于监测地下分解有机物中的挥发性有机化合物，使用专用土壤气采样器。
7.直接脱附
将样品直接放入空吸附管中进行解析，然后释放挥发性物质，这既快捷又方便。在汽车行业广泛应用于评估基于聚合物的汽车装饰件的排放，当样品具有相对较高的挥发性含量并且足够均匀以允许＜50毫克提供代表性剖面时，它也可以用于其他应用，特别是食品和香料产品。
将直接脱附应用于化学生态学的例子很少，但包括检测袋鼠物种中一系列引人注目的硫化合物（图6），蚂蚁中的信号化学物质，以及使用直接脱附在玻璃珠上收集的皮肤挥发物来识别从人体吸引蚊子的化学物质。
图6：使用UNITY热解析进行TD-GC-MS分析，直接解吸用于收集刷尾负鼠（Trichosurus vulpecula）的肛腺分泌物的拭子，检测到超过40种硫化合物，其中一些如图所示。标记为*的峰是一种自然存在的同位素体。数据由澳大利亚塔斯马尼亚大学的Stuart McLean教授提供。
8.苏玛罐
在城市环境中，使用苏玛罐取样广泛用于监测人为污染物。通常，罐体被抽为真空，然后逐渐允许其重新充满环境空气。然后将收集的样品直接转移到热解析的聚焦冷阱中进行单级解析。
尽管罐体在运输上有些笨重，而且受表面吸附效应限制，只能用于比n-C10易挥发的化合物（其性能对于某些高度挥发性化合物非常好），但对于某些特定的化学生态学应用，特别是与大气化学接口相关的应用，它们具有很高的性能价值。
例如，研究藻类和海洋微生物的排放（见图7）。
图7：使用Air Server™或CIA Advantage™进行罐采样，然后使用UNITY热解析进行TD-GC-MS分析，允许分析生物来源的易挥发性化合物（以及人为‘Halon’阻燃剂）在加拉帕戈斯群岛收集的海洋边界层空气中的数据。数据由David Oram博士和Graham Mills博士（英国东盎格利亚大学）以及Shahrul Mohd Nadzir博士（马来西亚大学和国民大学）提供。
9.其他取样技术
热解析也与另外两种取样技术兼容，这些技术可能适用于化学生态学。
连续在线取样广泛用于空气质量监测和国土安全应用，涉及将抽样直接泵送到一个聚焦冷阱上，然后进行脱附并将抽样流切换到第二个聚焦冷阱。这确保了完整的取样覆盖，并且当与适当快速的气相色谱运行结合时，允许进行详细的时间分辨研究。目前尚无关于该方法在化学生态学中的应用报告，尽管与质谱检测结合时，它具有全分析物种的优势，而这是PTR-MS（在化学生态学中最常用于时间分辨研究的方法）所无法实现的。
被动（扩散）采样在几天或几周的时间内吸附到吸附管上，虽然固有地仅限于使用一个吸附床，但在职业健康监测和其他环境研究中有着悠久的历史，需要对化学排放在较长时间内的了解。在本综述范围内，被动采样已被应用于蜂箱空气监测的概念验证研究中，但据我们所知，在同行评议的文献中没有这种方法被用于化学生态学工作的例子。
10.结论
近几十年来，热解析已经成为一种主流技术，用于环境空气监测、建筑材料和消费品质量控制、国土安全以及（最近）食品分析等应用。这种应用主要受到了热解析在分析性能和效率方面的改进的推动（特别是与溶剂萃取等技术相比），以及热解析被纳入国家和国际标准方法的接受。热解析在学术研究中也被广泛应用，涉及疾病诊断（尤其是与呼吸采样器结合使用）、法医学和大气化学等各种领域。
现在可以将化学生态学列入这个清单，它受益于热解析技术提供的有关生物体释放的复杂挥发物混合物的详细信息。正如我们希望在这个简要概述中所展示的那样，热解析现在被应用于广泛（并不断扩大）的化学生态学应用领域。毫无疑问，未来在化学生态学领域的研究将继续依赖于一般分析化学以及特别是TD-GC技术提供的见解。
关于思聚仪器
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