气相色谱和液相色谱微型化中的关键问题（二）

特殊的质量型检测器,如具有单分子检测能力的激光诱导荧光检测器和热透镜检测器等,已用于CE 和μ2HPLC。但是他们绝对不是微型化的设备,也不是一台色谱仪或电泳仪的价格所能买到的。

在痕量分析中,用直接进样方式和质量型检测器时,常规色谱总是优于微型色谱。

(4) 从宏观上讲,浓度型检测器的响应值与进入检测池内样品分子的总数无关,而只与样品分子和流动相分子数的比值有关。例如,用50 μm 和530μm内径的毛细管柱和池体积为012μL的热导检测器(μ2TCD) 检测,最小检出浓度分别为2 ×10 - 5 (体积分数) 和2 ×10 - 6 (体积分数) ,仅差10 倍。而后者单位时间内进入检测池中的分子数目比前者多3 ×103倍。所以微型色谱和微型流动分析仪器中用浓度型检测器有利。但是这个理论是有限度的。如在CE 和μ2HPLC 中,当分离柱内径≤75μm、塔板高度≤10μm 时,要求检测池体积在nL 级(10 - 8～10 - 9L) ,用吸收光谱检测器(浓度型检测器) 时,上述理论不再成立。因为从微观看,检测的原理是利用样品分子的某种特性,当分子数目不满足检测原理所要求的统计数目时,表现为噪声信号。所以在上述的微型分离系统中,最小检出浓度是很高的,远不如常规分离系统的低。

就检测器本身而言,微型化会影响它的响应灵敏度。如气相色谱用的热导检测器,由于给定气体的热导率与通道的壁间距( d) 有关, 特别是在d ≤015 mm 时,热导率随d 的减小而呈几何增加,因此微型化使热导检测器的灵敏度有大幅度提高。所以,微型化研究应选择那些在原理上有利于保持或提高灵敏度的检测器,或者研究那些有极高检测灵敏度的检测器微型化问题,如激光诱导荧光检测器。

(5) 检测微区内的外加能量问题。任何检测原理和技术都是依赖样品分子与外加能量的相互作用而产生的物理信号。由于检测微区达到μm 级,而作用到微区的光或电磁波强度往往比常规检测器高几倍到几万倍,以此弥补因样品分子数减少而损失的信号2噪声比值。例如,吸收光谱检测器或荧光光谱检测器等常规检测器的光斑直径在500～1 000μm ,而μ2HPLC 或μ2CE 的检测器光斑直径仅有30μm ,甚至5μm ,但所用的光源功率往往是相同的,经过聚焦,达到检测区的光强度提高了3 个数量级甚至更高。在这样小的微区内,如此高的光强度会产生如下问题:液体汽化、荧光物质“漂白”、被检测分子变性、响应非线性等。

(6) 微量流动相的输送与控制。在仪器的微型化中,因为气相色谱的载气流量以10 mL/ min到011mL/ min计,液相色谱流动相流量以50μL/ min到0105μL/ min计。特别是液相色谱仪的微流量输液泵,更是微型化的关键难题。用分流的方法解决用常规装置实现微流量调控只是权宜之计;同样,通过改装常规检测器来适应微型仪器也是很牵强的。例如,由于动态密封的微渗漏,现有的机械/ 电子式气体流量控制阀几乎不能对1 mL/ min的流量有1 %的控制精度;现有的液相高压输液系统也不能对015μL/ min的流量有3 %的控制精度。而上述精度都是微型色谱仪所需要的。所以,只有从原理上、材料上、技术工艺上和工程上都重新研究和设计,才能有真正意义上的微型化。

(7) 因所用材料质量的微小,表面层氧化或腐蚀对器件功能的影响远大于常规色谱仪器。例如热导检测器(TCD) 中的敏感热丝,常规的直径在100μm ,而微型化的热敏层厚度仅有几个μm 甚至1μm ,所以必须解决热敏层老化或腐蚀的难题。再比如微型化的电化学检测器,电极厚度在10 - 1μm 量级,而常规的在102μm 量级,两者相差几百倍。所以,微型化的器件必须解决耐腐蚀和老化问题,才能成为实用化的器件,而不仅仅是展品或样机。

此外,对于二维分离系统,分离效率决不是简单的第1 根柱效( N1) ×第2 根柱效( N2) ,而是与柱的选择性有直接关系。当某一对组分在其中一维上不能达到彻底分离时,往往在另一维上的分离度也为零。所以真正有意义的二维分离系统必须是:同系列化合物的目标组分对必须在某一维上达到彻底分离,而不同维担当分离不同族化合物的任务。

在设计构思上,微型化不仅是简单尺寸的缩小,其本质上的进步是在解决原理性难题的过程中不断的创新。

不论从科学上还是实用上,片面追求分离系统的微小化而忽视检测灵敏度和检测浓度范围的问题;追求单位柱长分离效率的提高和快速检测而忽视实际样品分离对总柱效的要求;追求进样区和分离柱的微小化而忽视其可操作性和检测设备的微型化,是目前微型化研究的误区。从战略上讲,整体微型化的难点问题是分析化学微型化发展的基本难题,虽然有时解决这些问题不是分析化学学科领域的事,但是因为其他学科没有遇到这类问题,致使这些问题成为游离于所有学科的、但是又需要多学科交叉才能解决的科学和技术难题。所以,微型化不是简单的分析化学问题,而是分析化学与材料学、流体力学、电磁学、微加工技术和工艺、电子学、生化和有机化学等学科的交叉,是能够在本质上推动分析化学发展的年轻的学科。