淺談氣相色譜儀和液相色譜儀微型化中的關(guān)鍵問題

　目前分析儀器微型化的浪潮洶涌澎湃,人們以極大的熱情投入到這個浪潮中。從世界各地的實驗室里出現(xiàn)的原理型樣機看上去是如此的微小、簡潔和令人驚詫,有如此多的加工工藝可以應(yīng)用在微型器件的加工和組合上從非常昂貴的、在超凈房間才能使用的精密儀器設(shè)備和工藝到土法上馬、在普通房間就能操作的加工手段。它的前景是那樣的誘人,引無數(shù)英雄一試身手。 

　　從1986年我*次聽說微型氣相色譜儀并看到相關(guān)文章,就認(rèn)定它是色譜發(fā)展的未來。1987年底我在荷蘭*次看到它時,就下決心今生一定研究微型色譜,因為它從觀念上、認(rèn)識上打開了分析儀器微型化的大門。 

　　真正開始研究微型氣相色譜(μ2GC)是在1992年的春天,從715萬元的經(jīng)費和國內(nèi)無輔助加工條件的困難境地開始的。至今,科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、前國家教委、遼寧省科委和本單位對我們研究組在微型色譜儀方面的投入已有300萬,我們研制的微型氣相色譜儀已經(jīng)在2002年6月通過科技部的攻關(guān)課題驗收。目前在國家自然科學(xué)基金委儀器研制專項基金的支持下,正在進行陣列式微型液相色譜/電色譜的研究工作。10年多的科學(xué)實踐使我認(rèn)識到:要進行色譜儀器的微型化,首先要對色譜儀器和色譜原理有十分深入的認(rèn)識,不僅從化學(xué)上,更要從基本的物理知識、統(tǒng)計熱力學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、機械和電子器件制造技術(shù)上全面認(rèn)識;要對色譜儀器的每一個部件和零件的原理、材料、設(shè)計、尺寸等因素對部件或器件性能的影響有深入的定量的研究,以及它們對整機性能的定量影響。 

　　在色譜儀器微型化過程中,尺寸的縮小不僅要考慮材料的性質(zhì)和制造上的可能,還要從原理上考慮尺寸縮小后所帶來的一系列問題。這些問題包括:(1)分離系統(tǒng)中被分配的分子個數(shù)是否大于106,因為只有大于106才能得到符合統(tǒng)計結(jié)果的數(shù)據(jù);(2)因分離通道尺寸縮小,自然提高了單位柱長的效率,但是總長度的減少可能使總分離效能遠低于常規(guī)儀器;(3)對于質(zhì)量敏感型檢測器,經(jīng)過分離柱后單位時間內(nèi)到達檢測器的分子個數(shù)是否滿足檢測原理所要求的zui小數(shù)目;(4)對于濃度型檢測器,到達檢測池的分子數(shù)目是否能滿足符合統(tǒng)計規(guī)律的分子數(shù)目;(5)檢測微區(qū)內(nèi)的外加能量密度是否超過被檢測分子所能承受的極限;(6)微量流動相的輸送與控制;(7)因材料尺寸的縮小,表面層氧化或腐蝕對器件功能的影響。zui后,色譜儀器微型化所帶來的好處不僅僅是單位長度分離效率的提高,而是總分離能力的保持甚至提高;不僅僅是分離系統(tǒng)或某個部件的微型化,而是整體的微型化;不僅僅是質(zhì)量靈敏度的提高,而是濃度靈敏度的保持或提高;不僅僅是能量和物質(zhì)的低消耗,而是使用的方便和友好;不僅僅是整體尺寸的縮小,更重要的是整機的穩(wěn)定性和可靠性的提高! 

　　下面分別討論上述問題。 

　　(1)色譜分離的基本原理是有符合統(tǒng)計規(guī)律數(shù)目的分子群經(jīng)過不斷的兩相分配和分子碰撞,利用其分配系數(shù)的差異來達到分離的目的。這是一個宏觀參數(shù)。當(dāng)分子數(shù)目低于這個數(shù)目時,就會偏離統(tǒng)計規(guī)律而出現(xiàn)所謂的漲落現(xiàn)象。分子數(shù)目越少,漲落現(xiàn)象越嚴(yán)重。當(dāng)分子數(shù)目低于103個時,已沒有準(zhǔn)確的色譜保留規(guī)律,因此也就失去了宏觀意義下的分離規(guī)律。一般地,保證符合統(tǒng)計規(guī)律的分子數(shù)目是106個。 

　　例如內(nèi)徑30μm的填充毛細管液相色譜(μ2HPLC)柱或毛細管電泳柱,若分別保持10萬/m和40萬/m的分離柱效,直接進樣時不過載的進樣量分別為40pL(1pL=10-12L)和115pL,分子總數(shù)分別是112×1012～112×1014和415×1010～415×1012。樣品中含量低至1～0.01μL/L(對μ2HPLC)或低至20～0.2μL/L(對CE)的組分就不能滿足106個分子的數(shù)目要求,分離過程中就會出現(xiàn)上述問題。所以,上述分離系統(tǒng)對濃度高于這個指標(biāo)的樣品分離時可以有重復(fù)的保留時間。如果考慮檢測方面的限制[參見下述的(3)和(4)>,痕量分析中用粗內(nèi)徑的填充色譜柱總是優(yōu)于微型色譜柱。 

　　為了能進行痕量分析,微型分離分析系統(tǒng)往往采用樣品預(yù)濃縮技術(shù)以補償濃度靈敏度的不足。但為此而發(fā)展的技術(shù)也同樣適用于常規(guī)分離分析系統(tǒng),同樣可以提高常規(guī)儀器的靈敏度,除非樣品量受到嚴(yán)格限制。 

　　(2)45年前的色譜柱理論已經(jīng)指出,毛細管開口柱的內(nèi)徑越小,或填充柱的填料粒度越小,色譜柱的分離效率就越高。毛細管電泳亦然,只是理論上有些不同,如有散熱問題和塞子流型的特點。微型化中普遍采用的細內(nèi)徑分離柱并不是微型儀器的,所能達到的高柱效也不是zui近才認(rèn)識到的。如果在現(xiàn)有常規(guī)儀器中使用這種等效內(nèi)徑的色譜柱,再適當(dāng)改進進樣技術(shù)和檢測器,就會有與微型色譜或芯片電泳同樣的單位柱長的柱效,同時還可以有*的總分離效能,因為常規(guī)儀器中分離柱的長度很少受限,而高的分離效能才是真正有意義的。所以,微型色譜和芯片毛細管電泳用短分離柱而有快速分離的特點,并不是它真正的優(yōu)點,因為用同樣尺寸的分離柱可以分別在常規(guī)色譜和毛細管電泳上實現(xiàn)同樣的效果。用現(xiàn)有的思維模式來進行的色譜儀器微型化,導(dǎo)致了使用短分離柱,而且所有的應(yīng)用例子都是用極簡單的樣品,這是因為這樣的微型化儀器的總分離效能太低。 

　　(3)質(zhì)量型檢測器的響應(yīng)值與單位時間內(nèi)進入檢測器的樣品分子數(shù)成正比。分離柱的樣品容量與柱內(nèi)徑的3次方(毛細管開口柱)或平方(填充柱)成正比。例如氣相色譜FID檢測器,用內(nèi)徑50μm的毛細管柱只能分析樣品中含量為011%(1000ppm)以上的組分;而用內(nèi)徑530μm的毛細管柱能分析樣品中含量為3×10-7(013ppm)以上濃度的組分,相差3000倍。雖然細內(nèi)徑色譜柱的譜帶寬度(表現(xiàn)為色譜峰寬度)比粗內(nèi)徑色譜柱的窄,能增加單位時間內(nèi)的分子數(shù)目,但它是與柱徑的平方根(本質(zhì)上是柱效的平方根關(guān)系)成正比;與柱容量的減少比,仍然虧215次方。離子化檢測器和熒光檢測器都是質(zhì)量型的,離子化效率一般在10-5～10-3,熒光產(chǎn)率一般在10-3,所以單位時間內(nèi)進入檢測器的分子數(shù)目必須大于50×103～50×105,具體數(shù)值取決于檢測器的性能。用濃度型檢測器會極大地改善這種狀況,因為響應(yīng)值主要與目標(biāo)組分的濃度有關(guān)。 

　　特殊的質(zhì)量型檢測器,如具有單分子檢測能力的激光誘導(dǎo)熒光檢測器和熱透鏡檢測器等,已用于CE和μ2HPLC。但是他們不是微型化的設(shè)備,也不是一臺色譜儀或電泳儀的價格所能買到的。 

　　在痕量分析中,用直接進樣方式和質(zhì)量型檢測器時,常規(guī)色譜總是優(yōu)于微型色譜。