芯片液相色譜技術進展

　　摘要：微型化是現代分析儀器發展的重要趨勢。 微型化液相色譜儀器在提供與常規尺度液相色譜相同甚至更高分離效率的同時，可以有效減少溶劑和樣品的消耗;在液相色譜?質譜聯用中，低流速進樣可以有效提高質譜離子源的離子化效率，提高質譜檢測效率;對于極微量樣品的分離，微型化的液相色譜可以有效減少樣品稀釋;液相色譜的微型化還有利于液相色譜儀器整體的模塊化和集成化設計。 芯片液相色譜是在微流控芯片上制備色譜柱并集成相應的流體控制系統和檢測系統。 芯片液相色譜是色譜儀器微型化的一種重要方式，受到學術界和產業界的普遍關注，但是這一方式也充滿挑戰。 液相色譜微流控芯片需要在芯片基底材料、芯片色譜柱的結構設計、微流體控制技術、檢測器技術等方面做出創新，使微流控芯片系統適配液相色譜分離技術的需要。 目前芯片液相色譜領域面臨的主要問題在于芯片基底材料的性質難以滿足芯片液相色譜進一步微型化和集成化的需求;因此芯片液相色譜在未來的發展中需要著重關注新型微流控芯片基底材料的開發以及微流控芯片通道結構的統一設計。 該文著重介紹了芯片液相色譜技術近年來的研究進展，并簡要展示了商品化芯片色譜當前的發展情況。

　　本文源自色譜2021-02-02《色譜》(月刊)創刊于1984年，由中國化學會主辦。《色譜》主要報道色譜學科的基礎性研究成果、色譜及其交叉學科的重要應用成果及其進展，包括新方法、新技術、新儀器在各個領域的應用，以及色譜儀器與部件的研制和開發。適于科研院所等從事色譜基礎和應用技術研究的科研人員、色譜及其相關學科的碩士及博士研究生、分析測試領域的基層科研人員、色譜儀器開發及經營單位的有關人員閱讀。

　　關鍵詞：液相色譜;芯片色譜;微流控芯片;微型化;綜述

　　微型化已成為現代分析儀器發展的一個重要趨勢。 微型化的分析系統可以有效地減少樣品和試劑的消耗，提高檢測效率，降低檢測成本。 作為重要的分離分析手段，色譜儀器的微型化也是分離科學未來發展的重要趨勢。 從色譜儀器的角度看，微型化可以帶來的優勢包括[1-7]： (1) 溶劑消耗量的大幅減少，理想狀態下相較于常規色譜系統可減少溶劑消耗近 3 個數量級;(2)樣品需求量下降，適合生物組學研究等無法獲得大量樣品的分析領域;(3) 快速的分離分析;(4)有利于色譜裝置的模塊化、集成化設計。 此外，在液相色譜?質譜聯用中，由于電噴霧離子源(ESI)的離子化效率與前端色譜流速的倒數具有線性關系[8]，色譜微型化帶來的低流速可以有效適配 ESI?MS，適用于分析生物組學研究中常見的微量復雜樣品。

　　基于微流控芯片平臺的液相色譜被稱為芯片液相色譜。 得益于微機電技術(MEMS)強大的微結構加工能力，相較于另一類微型化色譜—毛細管液相色譜，芯片液相色譜具有更高的靈活度和可集成性，在微型化、模塊化、智能化、自動化等方面，芯片液相色譜具有更好的發展前景。 目前，芯片液相色譜可以良好地實現常規液相色譜的富集、 分離等功能[9-17]，產業界也在芯片液相色譜商品化上取得一定成果。 本文將著重介紹近年來芯片液相色譜技術在學術界和產業界的最新進展，并展望芯片液相色譜技術未來的發展方向。

　　1 芯片色譜系統

　　芯片色譜系統的設計、加工、使用是一個復雜的系統工程。 根據具體分離任務的需要，芯片基底材料的選擇、色譜固定相的選擇、芯片通道結構的設計與制造、流體驅動方式以及芯片連接方式的選擇、檢測器的選擇與聯用、特殊色譜結構或方法的聯用，各個要素相互影響、相互牽制，每一個要素都具有重要的作用。

　　1.1 芯片基底材料

　　芯片基底材料的選擇需要綜合考慮材料的特性(硬度、形變模量、化學惰性、吸光性質、吸脫附性質、生物兼容性等)，并根據所擁有的加工手段以及分離分析的具體條件來決定。 最早使用的芯片色譜基底材料是硅[18]。 由于早期微流控芯片加工工藝大部分直接繼承自微機電加工技術，硅自然成為工程師們最為熟悉的芯片材料。 硅材料具有較高的硬度和良好的化學惰性，適用于絕大多數色譜方法，因此硅在早期芯片液相色譜領域內有很多應用[19-21]。但是，硅在紫外以及可見光區無法透射，這導致在硅芯片上直接原位使用光學檢測較為困難。 因此，人們常用玻璃或石英材料替換硅。 玻璃以及石英具有出色的化學穩定性、機械強度、優良的生物兼容性和可衍生能力，同時還具有極高的透射率。 Belder 課題組在玻璃芯片上開展了系統性的工作[22-24]。 他們設計了一整套標準化的玻璃芯片器件(見圖 1a)，這些芯片結合了液相色譜分離與 ESI 離子源，并配備了高壓不銹鋼夾具用于芯片與外部設備的連接。這種高壓不銹鋼夾具可以承受高達 36 MPa 的流體壓力，同時還可以實現極低死體積(約 2 ～ 10 nL)的側向芯片連接。 Mellors 等[25，26] 設計了一種毛細管電泳芯片并與 ESI?MS 聯用，他們將矩形芯片的一個角直接作為 ESI 噴口，證明了玻璃芯片可以直接作為 ESI 離子源的噴口。 利用玻璃對高溫的耐受性，Heiland 等[27]開發了具有溫度梯度洗脫功能的玻璃色譜芯片，并用于分離多環芳烴。 這種溫度梯度芯片可在以 4 ℃ / s 的溫度梯度升溫至 200 ℃ 的梯度條件下工作。 該課題組還利用玻璃材料優良的穩定性和機械強度，在同一套玻璃芯片的基礎上開發了芯片超臨界流體色譜(supercritical fluid chro? matography， SFC) 聯用雙光子激發( two?photonexcitation， TPE)熒光光譜裝置[28]。 這一裝置可在20 s 內完成色譜分離，且在 20 mm / s 的高流速下仍能得到高度對稱的色譜峰。

　　與硅和玻璃材料相比，聚合物基底材料具有更良好的加工性能，是目前微流控芯片領域最常用的芯片基底材料。 基于聚合物材料，人們已發展了豐富的加工技術，如激光燒灼技術[29，30]、 軟光刻技術[31]、噴射造型技術[4]等。 這些穩定且成熟的物理加工手段使得聚合物芯片具有較高的批次間重現性。 然而，聚合物芯片在化學穩定性和機械強度方面，要普遍遜色于石英芯片和玻璃芯片。 聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前應用最為廣泛的聚合物微流控芯片材料，PDMS 具有優良的透光率和生物兼容性。 同時，PDMS 還極為柔軟(彈性模量約為 500 ～4 000 kPa)，只需要施加一個大氣壓的壓力就可以引起 PDMS 一個維度上近 10% 的形變[32]。 這使得PDMS 相比玻璃芯片可以更容易地實現芯片與其他設備的連接，甚至可以在 PDMS 芯片通道內直接加工泵閥結構[33]。 但 PDMS 的缺點亦十分明顯[4]：PDMS 材料在常用的色譜流動相溶劑中易發生溶脹;其較強的吸附性質和透氣性會導致較嚴重的色譜峰展寬;低彈性模量使得 PDMS 芯片無法承受高流體壓力，不適合高效液相色譜這類流體背壓較大的色譜方法。 以上諸多問題使得 PDMS 材料在芯片色譜領域內的應用受到較大限制。 但 PDMS 作為極易加工和批量生產的芯片材料，在微流控領域常作為原型設計使用。 熱塑性材料(thermoplastics)的高分子鏈結構更加緊密，在加熱到玻璃化轉變溫度時熱塑性材料會由固態轉變為具有一定流動性的狀態，其冷卻后會固定形態的性質稱為熱塑性。 熱塑性的芯片材料有[34]：聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸酯( PMMA)、環烯烴共聚物( copolymers of cy? cloolefin， COC) 等。 相比于以 PDMS 為代表的彈性體(elastomer)，熱塑性材料具有更高的機械強度(如 PMMA 彈性模量可達 3