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(gè)浪潮中。從世界各地的實(shí)驗(yàn)室里出現(xiàn)的原理型樣機(jī)看上去是如此的微小、簡(jiǎn)潔和令人驚詫,有如此多的加工工藝可以應(yīng)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(shè)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(wú)數(shù)英雄一試身手。
　　從1986 年我第一次聽說(shuō)微型（天津/南昌）氣相色譜儀并看到相關(guān)文章,就認(rèn)定它是色譜發(fā)展的未來(lái)。1987 年底我在荷蘭第一次看到它時(shí),就下決心今生一定研究微型色譜,因?yàn)樗鼜挠^念上、認(rèn)識(shí)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(wàn)元的經(jīng)費(fèi)和國(guó)內(nèi)無(wú)輔助加工條件的困難境地開始的。至今,科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院、前國(guó)家教委、遼寧省科委和本單位對(duì)我們研究組在微型色譜儀方面的投入已有300 萬(wàn),我們研制的微型氣相色譜儀已經(jīng)在2002 年6 月通過(guò)科技部的攻關(guān)課題驗(yàn)收。目前在國(guó)家自然科學(xué)基金委儀器研制專項(xiàng)基金的支持下,正在進(jìn)行陣列式微型液相色譜/ 電色譜的研究工作。10 年多的科學(xué)實(shí)踐使我認(rèn)識(shí)到:要進(jìn)行色譜儀器的微型化,首先要對(duì)色譜儀器和色譜原理有十分深入的認(rèn)識(shí),不僅從化學(xué)上,更要從基本的物理知識(shí)、統(tǒng)計(jì)熱力學(xué)、材料學(xué)、力學(xué)、數(shù)學(xué)、機(jī)械和電子器件制造技術(shù)上全面認(rèn)識(shí);要對(duì)色譜儀器的每一個(gè)部件和零件的原理、材料、設(shè)計(jì)、尺寸等因素對(duì)部件或器件性能的影響有深入的定量的研究,以及它們對(duì)整機(jī)性能的定量影響。
　　在（天津/南昌）色譜儀器微型化過(guò)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(wèn)題。這些問(wèn)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(guò)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(guò)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(wèn)題。
　　(1) （天津/南昌）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(guò)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30 μm 的填充毛細(xì)管（天津/南昌）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(guò)載的進(jìn)樣量分別為40 pL (1 pL = 10 - 12 L) 和115 pL ,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(guò)程中就會(huì)出現(xiàn)上述問(wèn)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(wèn)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。用現(xiàn)有的思維模式來(lái)進(jìn)行的色譜儀器微型化,導(dǎo)致了使用短分離柱,而且所有的應(yīng)用例子都是用極簡(jiǎn)單的樣品,這是因?yàn)檫@樣的微型化儀器的總分離效能太低。
　　(3) 質(zhì)量型檢測(cè)器的響應(yīng)值與單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器的樣品分子數(shù)成正比。分離柱的樣品容量與柱內(nèi)徑的3 次方(毛細(xì)管開口柱) 或平方(填充柱) 成正比。例如氣相色譜FID 檢測(cè)器,用內(nèi)徑50μm 的毛細(xì)管柱只能分析樣品中含量為011 %(1 000 ppm)以上的組分;而用內(nèi)徑530μm 的毛細(xì)管柱能分析樣品中含量為3 ×10 - 7 (013 ppm) 以上濃度的組分,相差3 000倍。雖然細(xì)內(nèi)徑色譜柱的譜帶寬度(表現(xiàn)為色譜峰寬度) 比粗內(nèi)徑色譜柱的窄,能增加單位時(shí)間內(nèi)的分子數(shù)目,但它是與柱徑的平方根(本質(zhì)上是柱效的平方根關(guān)系) 成正比;與柱容量的減少比,仍然虧215 次方。離子化檢測(cè)器和熒光檢測(cè)器都是質(zhì)量型的,離子化效率一般在10 - 5～10 - 3 ,熒光產(chǎn)率一般在10 - 3 ,所以單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器的分子數(shù)目必須大于50 ×103～50 ×105 ,具體數(shù)值取決于檢測(cè)器的性能。用濃度型檢測(cè)器會(huì)極大地改善這種狀
況,因?yàn)轫憫?yīng)值主要與目標(biāo)組分的濃度有關(guān)。
　　特殊的質(zhì)量型檢測(cè)器,如具有單分子檢測(cè)能力的激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器和熱透鏡檢測(cè)器等,已用于CE 和μ2HPLC。但是他們絕對(duì)不是微型化的設(shè)備,也不是一臺(tái)色譜儀或電泳儀的價(jià)格所能買到的。
　　在痕量分析中,用直接進(jìn)樣方式和質(zhì)量型檢測(cè)器時(shí),常規(guī)色譜總是優(yōu)于微型色譜。
　　(4) 從宏觀上講,濃度型檢測(cè)器的響應(yīng)值與進(jìn)入檢測(cè)池內(nèi)樣品分子的總數(shù)無(wú)關(guān),而只與樣品分子和流動(dòng)相分子數(shù)的比值有關(guān)。例如,用50 μm 和530μm內(nèi)徑的毛細(xì)管柱和池體積為012μL的熱導(dǎo)檢測(cè)器(μ2TCD) 檢測(cè),最小檢出濃度分別為2 ×10 - 5 (體積分?jǐn)?shù)) 和2 ×10 - 6 (體積分?jǐn)?shù)) ,僅差10 倍。而后者單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)池中的分子數(shù)目比前者多3 ×103倍。所以微型色譜和微型流動(dòng)分析儀器中用濃度型檢測(cè)器有利。但是這個(gè)理論是有限度的。如在CE 和μ2HPLC 中,當(dāng)分離柱內(nèi)徑≤75μm、塔板高度≤10μm 時(shí),要求檢測(cè)池體積在nL 級(jí)(10 - 8～10 - 9L) ,用吸收光譜檢測(cè)器(濃度型檢測(cè)器) 時(shí),上述理論不再成立。因?yàn)閺奈⒂^看,檢測(cè)的原理是利用樣品分子的某種特性,當(dāng)分子數(shù)目不滿足檢測(cè)原理所要求的統(tǒng)計(jì)數(shù)目時(shí),表現(xiàn)為噪聲信號(hào)。所以在上述的微型分離系統(tǒng)中,最小檢出濃度是很高的,遠(yuǎn)不如常規(guī)分離系統(tǒng)的低。
　　就檢測(cè)器本身而言,微型化會(huì)影響它的響應(yīng)靈敏度。如氣相色譜用的熱導(dǎo)檢測(cè)器,由于給定氣體的熱導(dǎo)率與通道的壁間距( d) 有關(guān), 特別是在d ≤015 mm 時(shí),熱導(dǎo)率隨d 的減小而呈幾何增加,因此微型化使熱導(dǎo)檢測(cè)器的靈敏度有大幅度提高。所以,微型化研究應(yīng)選擇那些在原理上有利于保持或提高靈敏度的檢測(cè)器,或者研究那些有極高檢測(cè)靈敏度的檢測(cè)器微型化問(wèn)題,如激光誘導(dǎo)熒光檢測(cè)器。
　　(5) 檢測(cè)微區(qū)內(nèi)的外加能量問(wèn)題。任何檢測(cè)原理和技術(shù)都是依賴樣品分子與外加能量的相互作用而產(chǎn)生的物理信號(hào)。由于檢測(cè)微區(qū)達(dá)到μm 級(jí),而作用到微區(qū)的光或電磁波強(qiáng)度往往比常規(guī)檢測(cè)器高幾倍到幾萬(wàn)倍,以此彌補(bǔ)因樣品分子數(shù)減少而損失的信號(hào)2噪聲比值。例如,吸收光譜檢測(cè)器或熒光光譜檢測(cè)器等常規(guī)檢測(cè)器的光斑直徑在500～1 000μm ,而μ2HPLC 或μ2CE 的檢測(cè)器光斑直徑僅有30μm ,甚至5μm ,但所用的光源功率往往是相同的,經(jīng)過(guò)聚焦,達(dá)到檢測(cè)區(qū)的光強(qiáng)度提高了3 個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更高。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(wèn)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。