淺談氣相色譜儀和液相色譜儀微型化中的關鍵問題

　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文章,就認定它是色譜發展的未來。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715萬元的經費和國內無輔助加工條件的困難境地開始的。至今,科技部、國家自然科學基金委、中國科學院、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在2002年6月通過科技部的攻關課題驗收。目前在國家自然科學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年多的科學實踐使我認識到: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識,不僅從化學上,更要從基本的物理知識、統計熱力學、材料學、力學、數學、機械和電子器件制造技術上全面認識;要對色譜儀器的每一個部件和零件的原理、材料、設計、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)分離系統中被分配的分子個數是否大于106,因為只有大于106才能得到符合統計結果的數據;(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儀器;(3)對于質量敏感型檢測器,經過分離柱后單位時間內到達檢測器的分子個數是否滿足檢測原理所要求的zui小數目;(4)對于濃度型檢測器,到達檢測池的分子數目是否能滿足符合統計規律的分子數目;(5)檢測微區內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;不僅僅是分離系統或某個部件的微型化,而是整體的微型化;不僅僅是質量靈敏度的提高,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計規律數目的分子群經過不斷的兩相分配和分子碰撞,利用其分配系數的差異來達到分離的目的。這是一個宏觀參數。當分子數目低于這個數目時,就會偏離統計規律而出現所謂的漲落現象。分子數目越少,漲落現象越嚴重。當分子數目低于103個時,已沒有準確的色譜保留規律,因此也就失去了宏觀意義下的分離規律。一般地,保證符合統計規律的分子數目是106個。 

　　例如內徑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個分子的數目要求,分離過程中就會出現上述問題。所以,上述分離系統對濃度高于這個指標的樣品分離時可以有重復的保留時間。如果考慮檢測方面的限制[參見下述的(3)和(4)>,痕量分析中用粗內徑的填充色譜柱總是優于微型色譜柱。 

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

　　(2)45年前的色譜柱理論已經指出,毛細管開口柱的內徑越小,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近才認識到的。如果在現有常規儀器中使用這種等效內徑的色譜柱,再適當改進進樣技術和檢測器,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,并不是它真正的優點,因為用同樣尺寸的分離柱可以分別在常規色譜和毛細管電泳上實現同樣的效果。用現有的思維模式來進行的色譜儀器微型化,導致了使用短分離柱,而且所有的應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)質量型檢測器的響應值與單位時間內進入檢測器的樣品分子數成正比。分離柱的樣品容量與柱內徑的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。雖然細內徑色譜柱的譜帶寬度(表現為色譜峰寬度)比粗內徑色譜柱的窄,能增加單位時間內的分子數目,但它是與柱徑的平方根(本質上是柱效的平方根關系)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量型的,離子化效率一般在10-5～10-3,熒光產率一般在10-3,所以單位時間內進入檢測器的分子數目必須大于50×103～50×105,具體數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,因為響應值主要與目標組分的濃度有關。 

　　特殊的質量型檢測器,如具有單分子檢測能力的激光誘導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量型檢測器時,常規色譜總是優于微型色譜。