氣相色譜和液相色譜微型化中的關(guān)鍵問題解析

周慧婷

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，光電器材和材料技術(shù)會在氣相色譜和液相色譜微型化設(shè)計創(chuàng)新下形成創(chuàng)新型色譜關(guān)鍵技術(shù)。檢測器的新設(shè)計不僅可以提高檢測器的靈敏度，還會最大程度的降低檢測器的消耗。本文就氣相色譜和液相色譜微型化中的關(guān)鍵問題進(jìn)行解析，對氣相色譜和液相色譜進(jìn)行概述，分析色譜儀器微型化過程中的關(guān)鍵問題，為今后的氣相色譜和液相色譜微型化提供參考。

關(guān)鍵詞：氣相色譜儀；液相色譜儀；微型化；關(guān)鍵問題

一、微型化色譜

體積小、功耗低、速度快、靈敏度高、自動化程度高等是最佳微型色譜應(yīng)該具備的特點。近幾年，在微機電系統(tǒng)技術(shù)和印刷電路板技術(shù)的高速發(fā)展下，色譜單元器件微型化程度以及色譜系統(tǒng)集成化程度也在隨著行業(yè)行業(yè)的需求，不斷提升。

1.氣相色譜微型化

在微電子芯片加工工藝的基礎(chǔ)上，對一整塊半導(dǎo)體硅片上的微型閥、色譜柱、檢測器等所有氣相色譜部件的進(jìn)行加工，并原位程序控溫，實現(xiàn)快速分離檢測來完成芯片化色譜柱的加工和集成是初期微型化氣相色譜的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。但是由于芯片加工提升了廢品率和相關(guān)費用，無法選擇多種加工器件完成，由此這方面進(jìn)展緩慢。此外，芯片氣相色譜柱的柱效比相同內(nèi)徑石英＼金屬毛細(xì)管色譜的柱效小，需要最大程度的控制其長度。如果分析物的保留因子為5，石英毛細(xì)管柱上的內(nèi)徑為0.18mm，其產(chǎn)生的柱效就回超過6000/m，且，芯片色譜柱在相似條件下產(chǎn)生的柱效也會低于4000/m。

從開管毛細(xì)管色譜改進(jìn)經(jīng)驗公式以及關(guān)于矩形通道塔板高度里面的改進(jìn)經(jīng)驗公式中，我們可以得出矩形通道中的分子平均滲透系數(shù)計算方程，由計算方程，得出的計算結(jié)果與實驗結(jié)果一致。

正方形截面通道中會產(chǎn)生最小分子平均滲透系數(shù)，色譜分離效果最好；當(dāng)通道內(nèi)的深寬比大概為3時可以得到最強的混合效應(yīng)；前一種結(jié)構(gòu)式和分離使用，后一種結(jié)構(gòu)可以作為混合器。芯片彎角設(shè)計的不同會產(chǎn)生不同的色譜效率。蛇管式、圓形螺旋、方形螺旋三種通道具備相同的氣體滲透系數(shù)，圓形螺旋、方形螺旋的分離效率比蛇管式的分離效率低30%以上，由此，色譜固定相不能均勻的分布在方形通道內(nèi)；在固定項與流動相之間對分析物進(jìn)行徑向擴散時會產(chǎn)生不同擴散距離；芯片色譜柱產(chǎn)生較低柱效主要原因是芯片轉(zhuǎn)角處累積的“彎道效應(yīng)”導(dǎo)致譜帶展寬。對于微型氣相色譜總功耗和分析周期而言，色譜柱溫控系統(tǒng)的功耗、程序變溫速率起著決定性作用。要想大幅度的增加色譜柱的加熱效率，可以對色譜柱的加熱方式、柱系統(tǒng)的熱容量進(jìn)行改進(jìn)。對于可以自我控制的微型化，氣相色譜系統(tǒng)而言，微型化器體壓力/支持系統(tǒng)、高容量電源系統(tǒng)/標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)校正系統(tǒng)、快速進(jìn)樣技術(shù)都需要進(jìn)行完善，雖然現(xiàn)在市面上出現(xiàn)了很多便攜化微型化色譜儀器，但是和實驗室儀器相比較，我們可以看出他們的整體性能、微型化、集成化水平依舊不高。

2.液相色譜微型化

六通閥、富集柱、分離柱、電噴霧口、電噴霧電極以及多個濾芯分別是葉相色譜芯片的集成組成部分。六通閥各個閥孔的體積是2.2nL，閥上連接環(huán)0.7nL，分離柱的長度分別是50、75、150mm，柱的體積大概是180、270、540mL，這樣最小的直接進(jìn)樣體積可以最大程度的對系統(tǒng)的檢出限進(jìn)行限制。芯片和閥孔間對富集柱進(jìn)行直接加工，就相當(dāng)于在常規(guī)六通閥上連接了一個定量環(huán)，富集柱的規(guī)格體積分別有40、80、160mL。反向填料和富集樣品都可以填充在柱內(nèi)，通?？梢愿患?μL有機小分子、多肽、蛋白樣品。

在芯片液相色譜上可以運用勻漿高壓超聲波液相色譜柱填充方法。指示劑是聚苯乙烯和苯，聚苯乙烯的相對分子量為10萬，流動相是二氯甲烷，在對你色譜柱內(nèi)的填料的微球間空隙率（），微球內(nèi)空隙率（）和總空隙率進(jìn)行計算時需要運用到洗脫體積，面積75μm×50μm的矩形通道和相似石英毛細(xì)管的填充差不多，5μm填料可以在150個大氣壓下進(jìn)行填充，是0.46，折合最小塔板高度為3.5μm，3.5μm填料可以在300個大氣壓下進(jìn)行填充，是0.40，是2.5μm。當(dāng)石英毛細(xì)管的內(nèi)徑為50μm和75μm，5μm填料應(yīng)該在300和大氣壓下進(jìn)行超生填充，是0.41-0.43，毛細(xì)管的柱外效應(yīng)大于芯片色譜的柱外效應(yīng)造成用總分析效率升高，芯片效能也能在較寬的流速范圍內(nèi)維持穩(wěn)定。

二、氣相色譜和液相色譜微型化中的關(guān)鍵問題

1.分離系統(tǒng)中被分配的分子個數(shù)是否大于106。分離系統(tǒng)中被分配的分子個數(shù)只有大于 得到的數(shù)據(jù)才能符合統(tǒng)計結(jié)果。分子群符合統(tǒng)計規(guī)律數(shù)目，在兩相分配和分子碰撞的作用下通過分配系數(shù)的差異來進(jìn)行分離，這個過程就是色譜分離的基本原理。這是一個宏觀參數(shù)。如果分子數(shù)目比宏觀參數(shù)小，就會在偏離統(tǒng)計數(shù)目的同時產(chǎn)生漲落現(xiàn)象。越少的分子數(shù)目會造成越多漲落現(xiàn)象。如果分子數(shù)目小于106，就不能保證色譜保留規(guī)律的準(zhǔn)確度，進(jìn)而喪失分離規(guī)律的宏觀意義。通常來說，只有10的六次方個分子數(shù)目符合統(tǒng)計規(guī)律。

2.分離通道尺寸的大小與單位柱長、總長度、總分離效能之間的關(guān)系。縮小分離通道尺寸，可以提高單位柱長的效率，但是和常規(guī)儀器相比，減少總長度也許會導(dǎo)致總分離效能的降低?？s短毛細(xì)管開口柱的內(nèi)徑或者減小填充柱的填料粒度都會增加色譜柱的分離效率，這是幾十年前的色譜柱理論。毛細(xì)管電泳也會出現(xiàn)這種情況，但是兩者的理論不一樣，毛細(xì)管電泳具備散熱問題和塞子流型問題。細(xì)內(nèi)徑分離柱微型化具備高效能，不只是運用在微型儀器中。若是把等效內(nèi)徑的色譜柱運用在常規(guī)儀器中，對進(jìn)樣技術(shù)和檢測器稍加改進(jìn)，就可以得到非常高的總分離效能，常規(guī)儀器通常不限制分離柱的長度，因此其產(chǎn)生的高分離效能具備真正意義。因此，短分離柱最重要的優(yōu)勢不是可以讓微型色譜和芯片毛細(xì)管快速分離，因為如果在常規(guī)色譜和毛細(xì)管電泳上運用相同尺寸的分離柱，也能達(dá)到相同的分離效果。

3.質(zhì)量敏感型檢測器在單位時間內(nèi)從分離柱到達(dá)檢測器的分子個數(shù)能否滿足檢測原理要求的最小數(shù)目。增加質(zhì)量型檢測器的響應(yīng)值，也會導(dǎo)致單位時間內(nèi)進(jìn)去檢測器的樣品分子數(shù)增加，反之亦然。分離柱的樣品容量與毛細(xì)管開口柱或者填充柱成正比。具備到單分子監(jiān)測能力的激光誘導(dǎo)熒光劑檢測器和熱透鏡檢測器屬于特殊的質(zhì)量型檢測器，可以用在CE和電腦上，雖然它們不屬于微型化設(shè)備，也不能用色譜儀或者電泳儀的價格買到，但是在痕量分析中，對質(zhì)量型檢測器進(jìn)行直接進(jìn)樣，常規(guī)色譜總是優(yōu)于微型色譜。

三、結(jié)語

不管是在實用上還是科技上，現(xiàn)在微型化研究都不能只注重分離系統(tǒng)的微小化，不注重檢測靈敏度河北檢測濃度；只注重單位柱長分析效率和快速檢測，不注重實際樣品分離對總柱效的要求等問題，因此，微型化分析要對化學(xué)、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)、生化有機化學(xué)等交叉學(xué)科進(jìn)行分析，推動化學(xué)的本質(zhì)性分析發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]Rubio S， Perez一Bendito D. Anal Chem， 2009， 81：4601.

[2]Shushan B. Mass Spectrom Rev， 2010， 29：930.