特殊的質量型檢測器,如具有單分子檢測能力的激光誘導熒光檢測器和熱透鏡檢測器等,已用于CE 和μ2HPLC。但是他們絕對不是微型化的設備,也不是一臺色譜儀或電泳儀的價格所能買到的。
在痕量分析中,用直接進樣方式和質量型檢測器時,常規色譜總是優于微型色譜。
(4)
從宏觀上講,濃度型檢測器的響應值與進入檢測池內樣品分子的總數無關,而只與樣品分子和流動相分子數的比值有關。例如,用50 μm
和530μm內徑的毛細管柱和池體積為012μL的熱導檢測器(μ2TCD) 檢測,最小檢出濃度分別為2 ×10 - 5 (體積分數) 和2 ×10
- 6 (體積分數) ,僅差10 倍。而后者單位時間內進入檢測池中的分子數目比前者多3
×103倍。所以微型色譜和微型流動分析儀器中用濃度型檢測器有利。但是這個理論是有限度的。如在CE 和μ2HPLC
中,當分離柱內徑≤75μm、塔板高度≤10μm 時,要求檢測池體積在nL 級(10 - 8～10 - 9L) ,用吸收光譜檢測器(濃度型檢測器)
時,上述理論不再成立。因為從微觀看,檢測的原理是利用樣品分子的某種特性,當分子數目不滿足檢測原理所要求的統計數目時,表現為噪聲信號。所以在上述的微型分離系統中,最小檢出濃度是很高的,遠不如常規分離系統的低。
就檢測器本身而言,微型化會影響它的響應靈敏度。如氣相色譜用的熱導檢測器,由于給定氣體的熱導率與通道的壁間距(
d) 有關, 特別是在d ≤015 mm 時,熱導率隨d
的減小而呈幾何增加,因此微型化使熱導檢測器的靈敏度有大幅度提高。所以,微型化研究應選擇那些在原理上有利于保持或提高靈敏度的檢測器,或者研究那些有極高檢測靈敏度的檢測器微型化問題,如激光誘導熒光檢測器。
(5)
檢測微區內的外加能量問題。任何檢測原理和技術都是依賴樣品分子與外加能量的相互作用而產生的物理信號。由于檢測微區達到μm
級,而作用到微區的光或電磁波強度往往比常規檢測器高幾倍到幾萬倍,以此彌補因樣品分子數減少而損失的信號2噪聲比值。例如,吸收光譜檢測器或熒光光譜檢測器等常規檢測器的光斑直徑在500～1
000μm ,而μ2HPLC 或μ2CE 的檢測器光斑直徑僅有30μm ,甚至5μm
,但所用的光源功率往往是相同的,經過聚焦,達到檢測區的光強度提高了3
個數量級甚至更高。在這樣小的微區內,如此高的光強度會產生如下問題:液體汽化、熒光物質“漂白”、被檢測分子變性、響應非線性等。
(6) 微量流動相的輸送與控制。在儀器的微型化中,因為氣相色譜的載氣流量以10 mL/ min到011mL/
min計,液相色譜流動相流量以50μL/ min到0105μL/
min計。特別是液相色譜儀的微流量輸液泵,更是微型化的關鍵難題。用分流的方法解決用常規裝置實現微流量調控只是權宜之計;同樣,通過改裝常規檢測器來適應微型儀器也是很牽強的。例如,由于動態密封的微滲漏,現有的機械/
電子式氣體流量控制閥幾乎不能對1 mL/ min的流量有1 %的控制精度;現有的液相高壓輸液系統也不能對015μL/ min的流量有3
%的控制精度。而上述精度都是微型色譜儀所需要的。所以,只有從原理上、材料上、技術工藝上和工程上都重新研究和設計,才能有真正意義上的微型化。
(7) 因所用材料質量的微小,表面層氧化或腐蝕對器件功能的影響遠大于常規色譜儀器。例如熱導檢測器(TCD) 中的敏感熱絲,常規的直徑在100μm ,而微型化的熱敏層厚度僅有幾個μm 甚至1μm ,所以必須解決熱敏層老化或腐蝕的難題。再比如微型化的電化學檢測器,電極厚度在10 - 1μm 量級,而常規的在102μm 量級,兩者相差幾百倍。所以,微型化的器件必須解決耐腐蝕和老化問題,才能成為實用化的器件,而不僅僅是展品或樣機。
此外,對于二維分離系統,分離效率決不是簡單的第1 根柱效( N1) ×第2 根柱效( N2) ,而是與柱的選擇性有直接關系。當某一對組分在其中一維上不能達到徹底分離時,往往在另一維上的分離度也為零。所以真正有意義的二維分離系統必須是:同系列化合物的目標組分對必須在某一維上達到徹底分離,而不同維擔當分離不同族化合物的任務。
在設計構思上,微型化不僅是簡單尺寸的縮小,其本質上的進步是在解決原理性難題的過程中不斷的創新。
不論從科學上還是實用上,片面追求分離系統的微小化而忽視檢測靈敏度和檢測濃度范圍的問題;追求單位柱長分離效率的提高和快速檢測而忽視實際樣品分離對總柱效的要求;追求進樣區和分離柱的微小化而忽視其可操作性和檢測設備的微型化,是目前微型化研究的誤區。從戰略上講,整體微型化的難點問題是分析化學微型化發展的基本難題,雖然有時解決這些問題不是分析化學學科領域的事,但是因為其他學科沒有遇到這類問題,致使這些問題成為游離于所有學科的、但是又需要多學科交叉才能解決的科學和技術難題。所以,微型化不是簡單的分析化學問題,而是分析化學與材料學、流體力學、電磁學、微加工技術和工藝、電子學、生化和有機化學等學科的交叉,是能夠在本質上推動分析化學發展的年輕的學科。