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(lái)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(gè)數(shù)是否大于106,因?yàn)橹挥写笥?06才能得到符合統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)的效率,但是總長(zhǎng)度的減少可能使總分離效能遠(yuǎn)低于常規(guī)儀器;(3)對(duì)于質(zhì)量敏感型檢測(cè)器,經(jīng)過分離柱后單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)檢測(cè)器的分子個(gè)數(shù)是否滿足檢測(cè)原理所要求的最小數(shù)目;(4)對(duì)于濃度型檢測(cè)器,到達(dá)檢測(cè)池的分子數(shù)目是否能滿足符合統(tǒng)計(jì)規(guī)律的分子數(shù)目;(5)檢測(cè)微區(qū)內(nèi)的外加能量密度是否超過被檢測(cè)分子所能承受的極限;(6)微量流動(dòng)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(duì)器件功能的影響。最后,色譜儀器微型化所帶來(lái)的好處不僅僅是單位長(zhǎng)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(gè)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(jī)的穩(wěn)定性和可靠性的提高!
下面分別討論上述7個(gè)問題。
(1)色譜分離的基本原理是有符合統(tǒng)計(jì)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(lái)達(dá)到分離的目的。這是一個(gè)宏觀參數(shù)。當(dāng)分子數(shù)目低于這個(gè)數(shù)目時(shí),就會(huì)偏離統(tǒng)計(jì)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(gè)時(shí),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(jì)規(guī)律的分子數(shù)目是106個(gè)。
例如內(nèi)徑30μm的填充毛細(xì)管液相色譜(μ2HPLC)柱或毛細(xì)管電泳柱,若分別保持10萬(wàn)/m和40萬(wàn)/m的分離柱效,直接進(jìn)樣時(shí)不過載的進(jìn)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(duì)μ2HPLC)或低至20～0.2μL/L(對(duì)CE)的組分就不能滿足106個(gè)分子的數(shù)目要求,分離過程中就會(huì)出現(xiàn)上述問題。所以,上述分離系統(tǒng)對(duì)濃度高于這個(gè)指標(biāo)的樣品分離時(shí)可以有重復(fù)的保留時(shí)間。如果考慮檢測(cè)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(jìn)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(bǔ)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(xì)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(xì)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(diǎn)。微型化中普遍采用的細(xì)內(nèi)徑分離柱并不是微型儀器的專利,所能達(dá)到的高柱效也不是最近才認(rèn)識(shí)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(jìn)進(jìn)樣技術(shù)和檢測(cè)器,就會(huì)有與微型色譜或芯片電泳同樣的單位柱長(zhǎng)的柱效,同時(shí)還可以有極高的總分離效能,因?yàn)槌Ｒ?guī)儀器中分離柱的長(zhǎng)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(xì)管電泳用短分離柱而有快速分離的特點(diǎn),并不是它真正的優(yōu)點(diǎn),因?yàn)橛猛瑯映叽绲姆蛛x柱可以分別在常規(guī)色譜和毛細(xì)管電泳上實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
在這樣小的微區(qū)內(nèi),如此高的光強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生如下問題:液體汽化、熒光物質(zhì)“漂白”、被檢測(cè)分子變性、響應(yīng)非線性等。
(6)微量流動(dòng)相的輸送與控制。在儀器的微型化中,因?yàn)闅庀嗌V的載氣流量以10mL/min到011mL/min計(jì),液相色譜流動(dòng)相流量以50μL/min到0105μL/min計(jì)。特別是液相色譜儀的微流量輸液泵,更是微型化的關(guān)鍵難題。用分流的方法解決用常規(guī)裝置實(shí)現(xiàn)微流量調(diào)控只是權(quán)宜之計(jì);同樣,通過改裝常規(guī)檢測(cè)器來(lái)適應(yīng)微型儀器也是很牽強(qiáng)的。例如,由于動(dòng)態(tài)密封的微滲漏,現(xiàn)有的機(jī)械/電子式氣體流量控制閥幾乎不能對(duì)1mL/min的流量有1%的控制精度;現(xiàn)有的液相高壓輸液系統(tǒng)也不能對(duì)015μL/min的流量有3%的控制精度。而上述精度都是微型色譜儀所需要的。所以,只有從原理上、材料上、技術(shù)工藝上和工程上都重新研究和設(shè)計(jì),才能有真正意義上的微型化。
(7)因所用材料質(zhì)量的微小,表面層氧化或腐蝕對(duì)器件功能的影響遠(yuǎn)大于常規(guī)色譜儀器。例如熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)中的敏感熱絲,常規(guī)的直徑在100μm,而微型化的熱敏層厚度僅有幾個(gè)μm甚至1μm,所以必須解決熱敏層老化或腐蝕的難題。再比如微型化的電化學(xué)檢測(cè)器,電極厚度在10-1μm量級(jí),而常規(guī)的在102μm量級(jí),兩者相差幾百倍。所以,微型化的器件必須解決耐腐蝕和老化問題,才能成為實(shí)用化的器件,而不僅僅是展品或樣機(jī)。
此外,對(duì)于二維分離系統(tǒng),分離效率決不是簡(jiǎn)單的第1根柱效(N1)×第2根柱效(N2),而是與柱的選擇性有直接關(guān)系。當(dāng)某一對(duì)組分在其中一維上不能達(dá)到徹底分離時(shí),往往在另一維上的分離度也為零。所以真正有意義的二維分離系統(tǒng)必須是:同系列化合物的目標(biāo)組分對(duì)必須在某一維上達(dá)到徹底分離,而不同維擔(dān)當(dāng)分離不同族化合物的任務(wù)。
在設(shè)計(jì)構(gòu)思上,微型化不僅是簡(jiǎn)單尺寸的縮小,其本質(zhì)上的進(jìn)步是在解決原理性難題的過程中不斷的創(chuàng)新。
不論從科學(xué)上還是實(shí)用上,片面追求分離系統(tǒng)的微小化而忽視檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)濃度范圍的問題;追求單位柱長(zhǎng)分離效率的提高和快速檢測(cè)而忽視實(shí)際樣品分離對(duì)總柱效的要求;追求進(jìn)樣區(qū)和分離柱的微小化而忽視其可操作性和檢測(cè)設(shè)備的微型化,是目前微型化研究的誤區(qū)。從戰(zhàn)略上講,整體微型化的難點(diǎn)問題是分析化學(xué)微型化發(fā)展的基本難題,雖然有時(shí)解決這些問題不是分析化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的事,但是因?yàn)槠渌麑W(xué)科沒有遇到這類問題,致使這些問題成為游離于所有學(xué)科的、但是又需要多學(xué)科交叉才能解決的科學(xué)和技術(shù)難題。所以,微型化不是簡(jiǎn)單的分析化學(xué)問題,而是分析化學(xué)與材料學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、微加工技術(shù)和工藝、電子學(xué)、生化和有機(jī)化學(xué)等學(xué)科的交叉,是能夠在本質(zhì)上推動(dòng)分析化學(xué)發(fā)展的年輕的學(xué)科。
下面分別討論上述7個(gè)問題。
(1)色譜分離的基本原理是有符合統(tǒng)計(jì)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(lái)達(dá)到分離的目的。這是一個(gè)宏觀參數(shù)。當(dāng)分子數(shù)目低于這個(gè)數(shù)目時(shí),就會(huì)偏離統(tǒng)計(jì)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(gè)時(shí),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(jì)規(guī)律的分子數(shù)目是106個(gè)。
例如內(nèi)徑30μm的填充毛細(xì)管液相色譜(μ2HPLC)柱或毛細(xì)管電泳柱,若分別保持10萬(wàn)/m和40萬(wàn)/m的分離柱效,直接進(jìn)樣時(shí)不過載的進(jìn)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(duì)μ2HPLC)或低至20～0.2μL/L(對(duì)CE)的組分就不能滿足106個(gè)分子的數(shù)目要求,分離過程中就會(huì)出現(xiàn)上述問題。所以,上述分離系統(tǒng)對(duì)濃度高于這個(gè)指標(biāo)的樣品分離時(shí)可以有重復(fù)的保留時(shí)間。如果考慮檢測(cè)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(jìn)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(bǔ)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(xì)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(xì)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(diǎn)。微型化中普遍采用的細(xì)內(nèi)徑分離柱并不是微型儀器的專利,所能達(dá)到的高柱效也不是最近才認(rèn)識(shí)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(jìn)進(jìn)樣技術(shù)和檢測(cè)器,就會(huì)有與微型色譜或芯片電泳同樣的單位柱長(zhǎng)的柱效,同時(shí)還可以有極高的總分離效能,因?yàn)槌Ｒ?guī)儀器中分離柱的長(zhǎng)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(xì)管電泳用短分離柱而有快速分離的特點(diǎn),并不是它真正的優(yōu)點(diǎn),因?yàn)橛猛瑯映叽绲姆蛛x柱可以分別在常規(guī)色譜和毛細(xì)管電泳上實(shí)現(xiàn)同樣的效果。
在這樣小的微區(qū)內(nèi),如此高的光強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生如下問題:液體汽化、熒光物質(zhì)“漂白”、被檢測(cè)分子變性、響應(yīng)非線性等。
(6)微量流動(dòng)相的輸送與控制。在儀器的微型化中,因?yàn)闅庀嗌V的載氣流量以10mL/min到011mL/min計(jì),液相色譜流動(dòng)相流量以50μL/min到0105μL/min計(jì)。特別是液相色譜儀的微流量輸液泵,更是微型化的關(guān)鍵難題。用分流的方法解決用常規(guī)裝置實(shí)現(xiàn)微流量調(diào)控只是權(quán)宜之計(jì);同樣,通過改裝常規(guī)檢測(cè)器來(lái)適應(yīng)微型儀器也是很牽強(qiáng)的。例如,由于動(dòng)態(tài)密封的微滲漏,現(xiàn)有的機(jī)械/電子式氣體流量控制閥幾乎不能對(duì)1mL/min的流量有1%的控制精度;現(xiàn)有的液相高壓輸液系統(tǒng)也不能對(duì)015μL/min的流量有3%的控制精度。而上述精度都是微型色譜儀所需要的。所以,只有從原理上、材料上、技術(shù)工藝上和工程上都重新研究和設(shè)計(jì),才能有真正意義上的微型化。
(7)因所用材料質(zhì)量的微小,表面層氧化或腐蝕對(duì)器件功能的影響遠(yuǎn)大于常規(guī)色譜儀器。例如熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)中的敏感熱絲,常規(guī)的直徑在100μm,而微型化的熱敏層厚度僅有幾個(gè)μm甚至1μm,所以必須解決熱敏層老化或腐蝕的難題。再比如微型化的電化學(xué)檢測(cè)器,電極厚度在10-1μm量級(jí),而常規(guī)的在102μm量級(jí),兩者相差幾百倍。所以,微型化的器件必須解決耐腐蝕和老化問題,才能成為實(shí)用化的器件,而不僅僅是展品或樣機(jī)。
此外,對(duì)于二維分離系統(tǒng),分離效率決不是簡(jiǎn)單的第1根柱效(N1)×第2根柱效(N2),而是與柱的選擇性有直接關(guān)系。當(dāng)某一對(duì)組分在其中一維上不能達(dá)到徹底分離時(shí),往往在另一維上的分離度也為零。所以真正有意義的二維分離系統(tǒng)必須是:同系列化合物的目標(biāo)組分對(duì)必須在某一維上達(dá)到徹底分離,而不同維擔(dān)當(dāng)分離不同族化合物的任務(wù)。
在設(shè)計(jì)構(gòu)思上,微型化不僅是簡(jiǎn)單尺寸的縮小,其本質(zhì)上的進(jìn)步是在解決原理性難題的過程中不斷的創(chuàng)新。
不論從科學(xué)上還是實(shí)用上,片面追求分離系統(tǒng)的微小化而忽視檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)濃度范圍的問題;追求單位柱長(zhǎng)分離效率的提高和快速檢測(cè)而忽視實(shí)際樣品分離對(duì)總柱效的要求;追求進(jìn)樣區(qū)和分離柱的微小化而忽視其可操作性和檢測(cè)設(shè)備的微型化,是目前微型化研究的誤區(qū)。從戰(zhàn)略上講,整體微型化的難點(diǎn)問題是分析化學(xué)微型化發(fā)展的基本難題,雖然有時(shí)解決這些問題不是分析化學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的事,但是因?yàn)槠渌麑W(xué)科沒有遇到這類問題,致使這些問題成為游離于所有學(xué)科的、但是又需要多學(xué)科交叉才能解決的科學(xué)和技術(shù)難題。所以,微型化不是簡(jiǎn)單的分析化學(xué)問題,而是分析化學(xué)與材料學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)、微加工技術(shù)和工藝、電子學(xué)、生化和有機(jī)化學(xué)等學(xué)科的交叉,是能夠在本質(zhì)上推動(dòng)分析化學(xué)發(fā)展的年輕的學(xué)科。
