芯片液相色谱技术进展

　　摘要：微型化是现代分析仪器发展的重要趋势。 微型化液相色谱仪器在提供与常规尺度液相色谱相同甚至更高分离效率的同时，可以有效减少溶剂和样品的消耗;在液相色谱⁃质谱联用中，低流速进样可以有效提高质谱离子源的离子化效率，提高质谱检测效率;对于极微量样品的分离，微型化的液相色谱可以有效减少样品稀释;液相色谱的微型化还有利于液相色谱仪器整体的模块化和集成化设计。 芯片液相色谱是在微流控芯片上制备色谱柱并集成相应的流体控制系统和检测系统。 芯片液相色谱是色谱仪器微型化的一种重要方式，受到学术界和产业界的普遍关注，但是这一方式也充满挑战。 液相色谱微流控芯片需要在芯片基底材料、芯片色谱柱的结构设计、微流体控制技术、检测器技术等方面做出创新，使微流控芯片系统适配液相色谱分离技术的需要。 目前芯片液相色谱领域面临的主要问题在于芯片基底材料的性质难以满足芯片液相色谱进一步微型化和集成化的需求;因此芯片液相色谱在未来的发展中需要着重关注新型微流控芯片基底材料的开发以及微流控芯片通道结构的统一设计。 该文着重介绍了芯片液相色谱技术近年来的研究进展，并简要展示了商品化芯片色谱当前的发展情况。

　　本文源自色谱2021-02-02《色谱》(月刊)创刊于1984年，由中国化学会主办。《色谱》主要报道色谱学科的基础性研究成果、色谱及其交叉学科的重要应用成果及其进展，包括新方法、新技术、新仪器在各个领域的应用，以及色谱仪器与部件的研制和开发。适于科研院所等从事色谱基础和应用技术研究的科研人员、色谱及其相关学科的硕士及博士研究生、分析测试领域的基层科研人员、色谱仪器开发及经营单位的有关人员阅读。

　　关键词：液相色谱;芯片色谱;微流控芯片;微型化;综述

　　微型化已成为现代分析仪器发展的一个重要趋势。 微型化的分析系统可以有效地减少样品和试剂的消耗，提高检测效率，降低检测成本。 作为重要的分离分析手段，色谱仪器的微型化也是分离科学未来发展的重要趋势。 从色谱仪器的角度看，微型化可以带来的优势包括[1-7]： (1) 溶剂消耗量的大幅减少，理想状态下相较于常规色谱系统可减少溶剂消耗近 3 个数量级;(2)样品需求量下降，适合生物组学研究等无法获得大量样品的分析领域;(3) 快速的分离分析;(4)有利于色谱装置的模块化、集成化设计。 此外，在液相色谱⁃质谱联用中，由于电喷雾离子源(ESI)的离子化效率与前端色谱流速的倒数具有线性关系[8]，色谱微型化带来的低流速可以有效适配 ESI⁃MS，适用于分析生物组学研究中常见的微量复杂样品。

　　基于微流控芯片平台的液相色谱被称为芯片液相色谱。 得益于微机电技术(MEMS)强大的微结构加工能力，相较于另一类微型化色谱—毛细管液相色谱，芯片液相色谱具有更高的灵活度和可集成性，在微型化、模块化、智能化、自动化等方面，芯片液相色谱具有更好的发展前景。 目前，芯片液相色谱可以良好地实现常规液相色谱的富集、 分离等功能[9-17]，产业界也在芯片液相色谱商品化上取得一定成果。 本文将着重介绍近年来芯片液相色谱技术在学术界和产业界的最新进展，并展望芯片液相色谱技术未来的发展方向。

　　1 芯片色谱系统

　　芯片色谱系统的设计、加工、使用是一个复杂的系统工程。 根据具体分离任务的需要，芯片基底材料的选择、色谱固定相的选择、芯片通道结构的设计与制造、流体驱动方式以及芯片连接方式的选择、检测器的选择与联用、特殊色谱结构或方法的联用，各个要素相互影响、相互牵制，每一个要素都具有重要的作用。

　　1.1 芯片基底材料

　　芯片基底材料的选择需要综合考虑材料的特性(硬度、形变模量、化学惰性、吸光性质、吸脱附性质、生物兼容性等)，并根据所拥有的加工手段以及分离分析的具体条件来决定。 最早使用的芯片色谱基底材料是硅[18]。 由于早期微流控芯片加工工艺大部分直接继承自微机电加工技术，硅自然成为工程师们最为熟悉的芯片材料。 硅材料具有较高的硬度和良好的化学惰性，适用于绝大多数色谱方法，因此硅在早期芯片液相色谱领域内有很多应用[19-21]。但是，硅在紫外以及可见光区无法透射，这导致在硅芯片上直接原位使用光学检测较为困难。 因此，人们常用玻璃或石英材料替换硅。 玻璃以及石英具有出色的化学稳定性、机械强度、优良的生物兼容性和可衍生能力，同时还具有极高的透射率。 Belder 课题组在玻璃芯片上开展了系统性的工作[22-24]。 他们设计了一整套标准化的玻璃芯片器件(见图 1a)，这些芯片结合了液相色谱分离与 ESI 离子源，并配备了高压不锈钢夹具用于芯片与外部设备的连接。这种高压不锈钢夹具可以承受高达 36 MPa 的流体压力，同时还可以实现极低死体积(约 2 ～ 10 nL)的侧向芯片连接。 Mellors 等[25，26] 设计了一种毛细管电泳芯片并与 ESI⁃MS 联用，他们将矩形芯片的一个角直接作为 ESI 喷口，证明了玻璃芯片可以直接作为 ESI 离子源的喷口。 利用玻璃对高温的耐受性，Heiland 等[27]开发了具有温度梯度洗脱功能的玻璃色谱芯片，并用于分离多环芳烃。 这种温度梯度芯片可在以 4 ℃ / s 的温度梯度升温至 200 ℃ 的梯度条件下工作。 该课题组还利用玻璃材料优良的稳定性和机械强度，在同一套玻璃芯片的基础上开发了芯片超临界流体色谱(supercritical fluid chro⁃ matography， SFC) 联用双光子激发( two⁃photonexcitation， TPE)荧光光谱装置[28]。 这一装置可在20 s 内完成色谱分离，且在 20 mm / s 的高流速下仍能得到高度对称的色谱峰。

　　与硅和玻璃材料相比，聚合物基底材料具有更良好的加工性能，是目前微流控芯片领域最常用的芯片基底材料。 基于聚合物材料，人们已发展了丰富的加工技术，如激光烧灼技术[29，30]、 软光刻技术[31]、喷射造型技术[4]等。 这些稳定且成熟的物理加工手段使得聚合物芯片具有较高的批次间重现性。 然而，聚合物芯片在化学稳定性和机械强度方面，要普遍逊色于石英芯片和玻璃芯片。 聚二甲基硅氧烷(PDMS)是目前应用最为广泛的聚合物微流控芯片材料，PDMS 具有优良的透光率和生物兼容性。 同时，PDMS 还极为柔软(弹性模量约为 500 ～4 000 kPa)，只需要施加一个大气压的压力就可以引起 PDMS 一个维度上近 10% 的形变[32]。 这使得PDMS 相比玻璃芯片可以更容易地实现芯片与其他设备的连接，甚至可以在 PDMS 芯片通道内直接加工泵阀结构[33]。 但 PDMS 的缺点亦十分明显[4]：PDMS 材料在常用的色谱流动相溶剂中易发生溶胀;其较强的吸附性质和透气性会导致较严重的色谱峰展宽;低弹性模量使得 PDMS 芯片无法承受高流体压力，不适合高效液相色谱这类流体背压较大的色谱方法。 以上诸多问题使得 PDMS 材料在芯片色谱领域内的应用受到较大限制。 但 PDMS 作为极易加工和批量生产的芯片材料，在微流控领域常作为原型设计使用。 热塑性材料(thermoplastics)的高分子链结构更加紧密，在加热到玻璃化转变温度时热塑性材料会由固态转变为具有一定流动性的状态，其冷却后会固定形态的性质称为热塑性。 热塑性的芯片材料有[34]：聚碳酸酯(PC)、聚甲基丙烯酸酯( PMMA)、环烯烃共聚物( copolymers of cy⁃ cloolefin， COC) 等。 相比于以 PDMS 为代表的弹性体(elastomer)，热塑性材料具有更高的机械强度(如 PMMA 弹性模量可达 3