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。
在色譜儀器微型化過(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!
氣相色譜儀
下面分別討論上述7個(gè)問(wèn)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(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(méi)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(jiàn)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(kāi)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li,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(kāi)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)。
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液相色譜儀分離的目的必須十分明確，下面的問(wèn)題在建立方法之初就應(yīng)確定： （1）主要目的是什么？定量或定性，還是定性、定量同時(shí)做？； ?。?）是否有必要解析出樣品的所有成分？譬如可能有必要分離出產(chǎn)品中的所有降解物或雜質(zhì)，以使含量測(cè)定結(jié)果更加可靠，但卻沒(méi)必要將它們彼此完全分開(kāi)?！ 。?）如要求定量分析，準(zhǔn)確度與精密度需多大？樣品主要成分的精密度通常能達(dá)到±1—2%，特別是不需樣品預(yù)處理的情況。 ?。?）特殊化合物可能會(huì)以不同的樣品形式出現(xiàn)（如：原料藥，一種或多種形態(tài)，環(huán)保樣品等）。是否需要一種以上的HPLC方法？單一方法分離不同形態(tài)樣品是否理想？ ?。?）一次將分析多少樣品？當(dāng)必須同時(shí)處理大量樣品時(shí)，運(yùn)行時(shí)間將變得非常重要?！ ∮袝r(shí)甚至為了縮短運(yùn)行時(shí)間而以犧牲樣品分離度作代價(jià)，如縮短柱長(zhǎng)或加快流速。當(dāng)一次分析的樣品數(shù)目超過(guò)10個(gè)，運(yùn)行時(shí)間一般應(yīng)控制在20min以內(nèi)。 ?。?）將要使用該方法的實(shí)驗(yàn)室中，有哪些HPLC設(shè)備？色譜柱能否恒溫系統(tǒng)能否做梯度洗脫？該方法是否可在不同設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的設(shè)備上運(yùn)行？ 方法建立實(shí)驗(yàn)開(kāi)始之前，應(yīng)明確對(duì)方法的這些要求。
液相色譜儀是一種常用的分析儀器，主要由高壓輸液泵、進(jìn)樣系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、色譜柱、檢測(cè)器、信號(hào)記錄系統(tǒng)等部分組成，被廣泛用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境化學(xué)、石油化工等領(lǐng)域中。
1、柱壓高原因
(1)緩沖液鹽分如(乙酸銨等)沉積于柱內(nèi);
(2)樣品污染沉積。處理對(duì)于第一種情況先用40～50℃的純水，低速正向沖洗柱子，待柱壓逐漸下降后，相應(yīng)提高流速?zèng)_洗，柱壓大幅度下降后，用常溫純水沖洗，之后用純甲醇沖洗柱子30分鐘;對(duì)于第二種情況，由樣品的沉積引起污染的C18柱，和純水反向沖洗柱子，然后換成甲醇沖洗，接著用甲醇+異丙醇(4+6)沖洗柱子(沖洗時(shí)間的長(zhǎng)短由樣品污染的情況而定)，再用換成甲醇沖洗，然后用純水沖洗，最后甲醇沖洗正向沖洗柱子30分鐘以上。
2、氣泡溢出
流動(dòng)相內(nèi)有氣泡，關(guān)閉泵，打開(kāi)泄壓閥，打開(kāi)purg鍵，清洗脫氣，氣泡不斷從過(guò)濾器冒出，進(jìn)入流動(dòng)相，無(wú)論打開(kāi)purge鍵幾次，都無(wú)法清除不斷產(chǎn)生的氣泡。原因過(guò)濾器長(zhǎng)期沉浸于乙酸銨等緩沖液內(nèi)，過(guò)濾器內(nèi)部由于霉菌的生長(zhǎng)繁殖，形成菌團(tuán)，阻塞了過(guò)濾器，緩沖液難以流暢地通過(guò)過(guò)濾器，空氣在泵的壓力作用下經(jīng)過(guò)濾器進(jìn)入流動(dòng)相。處理過(guò)濾器浸泡于5%硝酸溶液中，超聲清洗幾分鐘即可;亦可將過(guò)濾器浸泡于5%硝酸溶液中12～36小時(shí)，輕輕震蕩幾次，再將過(guò)濾器用純水清洗幾次，打開(kāi)泄壓閥，打開(kāi)purge鍵清洗脫氣，如仍有氣泡不斷從過(guò)濾器冒出，繼續(xù)將過(guò)濾器浸泡于5%硝酸溶液中，如沒(méi)有氣泡不斷從過(guò)濾器中冒出，說(shuō)明過(guò)濾器內(nèi)部的霉菌菌團(tuán)已被硝酸破壞，流動(dòng)相可以流暢地通過(guò)過(guò)濾器。打開(kāi)泄壓閥，打開(kāi)泵，流速調(diào)至1.0～3.0ml/min，純水沖洗過(guò)濾器1小時(shí)左右。即可將過(guò)濾器清洗干凈。關(guān)閉泄壓閥，純甲醇沖洗半小時(shí)即可。
3、既無(wú)壓力指示，又無(wú)液體流過(guò)
(1)泵密封墊圈磨損;
(2)大量氣泡進(jìn)入泵體。處理對(duì)于第一種情況，更換密封墊圈;對(duì)于第二種情況，在泵作用的同時(shí)，用一個(gè)50ml的玻璃針筒在泵的出口處幫助抽出空氣。
4、壓力波動(dòng)大，流量不穩(wěn)定
原因系統(tǒng)中有空氣或者單向閥的寶石球和閥座之間夾有異物，使得兩者不能密封。處理工作中注意觀察流動(dòng)相的量，保證不銹鋼濾器沉入儲(chǔ)液器瓶底，避免吸入空氣，流動(dòng)相要充分脫氣。如為單向閥和閥座之間夾有異物，拆下單向閥，放入盛有丙酮的燒杯用超聲波清洗。
5、出峰不佳，峰分叉
(1)色譜柱被污染;
(2)柱頭填料塌陷。處理對(duì)于第一種情況，先用純水反向沖洗柱子，然后換成甲醇沖洗，接著用甲醇+異丙醇(4+6)沖洗柱子(沖洗時(shí)間的長(zhǎng)短由樣品污染的情況而定)，再換成甲醇沖洗，然后用純水沖洗，最后甲醇沖洗正向沖洗柱子30分鐘以上。如沖洗后依然出峰不佳，則考慮第二種情況。對(duì)于第二種情況，擰開(kāi)柱頭，檢查柱填料是否硬結(jié)或塌陷。去除硬結(jié)部分(污染的填料)，裝入新填料，滴一滴甲醇，填料下陷，再填，用與柱內(nèi)徑相同的頂端平滑的不銹鋼桿壓緊，再填平，滴甲醇，再壓緊反復(fù)幾次，直至裝滿填平。柱頭用甲醇沖洗干凈，擦凈柱外壁的填料，擰緊柱頭，用純甲醇沖洗30分鐘以上。
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