气相色谱和液相色谱微型化中的关键问题解析

周慧婷

摘 要：随着科学技术的不断进步，光电器材和材料技术会在气相色谱和液相色谱微型化设计创新下形成创新型色谱关键技术。检测器的新设计不仅可以提高检测器的灵敏度，还会最大程度的降低检测器的消耗。本文就气相色谱和液相色谱微型化中的关键问题进行解析，对气相色谱和液相色谱进行概述，分析色谱仪器微型化过程中的关键问题，为今后的气相色谱和液相色谱微型化提供参考。

关键词：气相色谱仪；液相色谱仪；微型化；关键问题

一、微型化色谱

体积小、功耗低、速度快、灵敏度高、自动化程度高等是最佳微型色谱应该具备的特点。近几年，在微机电系统技术和印刷电路板技术的高速发展下，色谱单元器件微型化程度以及色谱系统集成化程度也在随着行业行业的需求，不断提升。

1.气相色谱微型化

在微电子芯片加工工艺的基础上，对一整块半导体硅片上的微型阀、色谱柱、检测器等所有气相色谱部件的进行加工，并原位程序控温，实现快速分离检测来完成芯片化色谱柱的加工和集成是初期微型化气相色谱的关键环节。但是由于芯片加工提升了废品率和相关费用，无法选择多种加工器件完成，由此这方面进展缓慢。此外，芯片气相色谱柱的柱效比相同内径石英＼金属毛细管色谱的柱效小，需要最大程度的控制其长度。如果分析物的保留因子为5，石英毛细管柱上的内径为0.18mm，其产生的柱效就回超过6000/m，且，芯片色谱柱在相似条件下产生的柱效也会低于4000/m。

从开管毛细管色谱改进经验公式以及关于矩形通道塔板高度里面的改进经验公式中，我们可以得出矩形通道中的分子平均渗透系数计算方程，由计算方程，得出的计算结果与实验结果一致。

正方形截面通道中会产生最小分子平均渗透系数，色谱分离效果最好；当通道内的深宽比大概为3时可以得到最强的混合效应；前一种结构式和分离使用，后一种结构可以作为混合器。芯片弯角设计的不同会产生不同的色谱效率。蛇管式、圆形螺旋、方形螺旋三种通道具备相同的气体渗透系数，圆形螺旋、方形螺旋的分离效率比蛇管式的分离效率低30%以上，由此，色谱固定相不能均匀的分布在方形通道内；在固定项与流动相之间对分析物进行径向扩散时会产生不同扩散距离；芯片色谱柱产生较低柱效主要原因是芯片转角处累积的“弯道效应”导致谱带展宽。对于微型气相色谱总功耗和分析周期而言，色谱柱温控系统的功耗、程序变温速率起着决定性作用。要想大幅度的增加色谱柱的加热效率，可以对色谱柱的加热方式、柱系统的热容量进行改进。对于可以自我控制的微型化，气相色谱系统而言，微型化器体压力/支持系统、高容量电源系统/标准物质校正系统、快速进样技术都需要进行完善，虽然现在市面上出现了很多便携化微型化色谱仪器，但是和实验室仪器相比较，我们可以看出他们的整体性能、微型化、集成化水平依旧不高。

2.液相色谱微型化

六通阀、富集柱、分离柱、电喷雾口、电喷雾电极以及多个滤芯分别是叶相色谱芯片的集成组成部分。六通阀各个阀孔的体积是2.2nL，阀上连接环0.7nL，分离柱的长度分别是50、75、150mm，柱的体积大概是180、270、540mL，这样最小的直接进样体积可以最大程度的对系统的检出限进行限制。芯片和阀孔间对富集柱进行直接加工，就相当于在常规六通阀上连接了一个定量环，富集柱的规格体积分别有40、80、160mL。反向填料和富集样品都可以填充在柱内，通常可以富集8μL有机小分子、多肽、蛋白样品。

在芯片液相色谱上可以运用匀浆高压超声波液相色谱柱填充方法。指示剂是聚苯乙烯和苯，聚苯乙烯的相对分子量为10万，流动相是二氯甲烷，在对你色谱柱内的填料的微球间空隙率（），微球内空隙率（）和总空隙率进行计算时需要运用到洗脱体积，面积75μm×50μm的矩形通道和相似石英毛细管的填充差不多，5μm填料可以在150个大气压下进行填充，是0.46，折合最小塔板高度为3.5μm，3.5μm填料可以在300个大气压下进行填充，是0.40，是2.5μm。当石英毛细管的内径为50μm和75μm，5μm填料应该在300和大气压下进行超生填充，是0.41-0.43，毛细管的柱外效应大于芯片色谱的柱外效应造成用总分析效率升高，芯片效能也能在较宽的流速范围内维持稳定。

二、气相色谱和液相色谱微型化中的关键问题

1.分離系统中被分配的分子个数是否大于106。分离系统中被分配的分子个数只有大于 得到的数据才能符合统计结果。分子群符合统计规律数目，在两相分配和分子碰撞的作用下通过分配系数的差异来进行分离，这个过程就是色谱分离的基本原理。这是一个宏观参数。如果分子数目比宏观参数小，就会在偏离统计数目的同时产生涨落现象。越少的分子数目会造成越多涨落现象。如果分子数目小于106，就不能保证色谱保留规律的准确度，进而丧失分离规律的宏观意义。通常来说，只有10的六次方个分子数目符合统计规律。

2.分离通道尺寸的大小与单位柱长、总长度、总分离效能之间的关系。缩小分离通道尺寸，可以提高单位柱长的效率，但是和常规仪器相比，减少总长度也许会导致总分离效能的降低。缩短毛细管开口柱的内径或者减小填充柱的填料粒度都会增加色谱柱的分离效率，这是几十年前的色谱柱理论。毛细管电泳也会出现这种情况，但是两者的理论不一样，毛细管电泳具备散热问题和塞子流型问题。细内径分离柱微型化具备高效能，不只是运用在微型仪器中。若是把等效内径的色谱柱运用在常规仪器中，对进样技术和检测器稍加改进，就可以得到非常高的总分离效能，常规仪器通常不限制分离柱的长度，因此其产生的高分离效能具备真正意义。因此，短分离柱最重要的优势不是可以让微型色谱和芯片毛细管快速分离，因为如果在常规色谱和毛细管电泳上运用相同尺寸的分离柱，也能达到相同的分离效果。

3.质量敏感型检测器在单位时间内从分离柱到达检测器的分子个数能否满足检测原理要求的最小数目。增加质量型检测器的响应值，也会导致单位时间内进去检测器的样品分子数增加，反之亦然。分离柱的样品容量与毛细管开口柱或者填充柱成正比。具备到单分子监测能力的激光诱导荧光剂检测器和热透镜检测器属于特殊的质量型检测器，可以用在CE和电脑上，虽然它们不属于微型化设备，也不能用色谱仪或者电泳仪的价格买到，但是在痕量分析中，对质量型检测器进行直接进样，常规色谱总是优于微型色谱。

三、结语

不管是在实用上还是科技上，现在微型化研究都不能只注重分离系统的微小化，不注重检测灵敏度河北检测浓度；只注重单位柱长分析效率和快速检测，不注重实际样品分离对总柱效的要求等问题，因此，微型化分析要对化学、材料学、流体力学、电磁学、微加工技术和工艺、电子学、生化有机化学等交叉学科进行分析，推动化学的本质性分析发展。

参考文献：

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

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