劉虎威

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,北京100871)

色譜研究動(dòng)態(tài)

劉虎威

(北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院,北京100871)

經(jīng)過近110年的發(fā)展,色譜已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的儀器分析技術(shù)。色譜研究人員和技術(shù)人員也是當(dāng)今最容易就業(yè)的一類分析化學(xué)專業(yè)人才。雖然色譜理論的發(fā)展還不是十分令人滿意,但色譜技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟,即使上世紀(jì)80年代興起的毛細(xì)管電泳(CE)研究熱潮也已趨于平穩(wěn)發(fā)展。那么,色譜研究人員還能干些什么呢?筆者通過觀察和文獻(xiàn)調(diào)研,在這里提出一些看法,供讀者思考和批評(píng)。

色譜研究相對(duì)成熟的標(biāo)志之一是在高水平雜志上發(fā)表的相關(guān)研究論文數(shù)目逐漸減少,比如在J.Am.Chem.Soc.(以下簡(jiǎn)稱JACS)上,2009年以來(lái)發(fā)表的色譜相關(guān)論文有20余篇,但均不是直接研究色譜的,而是利用色譜作為表征技術(shù)來(lái)研究蛋白質(zhì)、多肽、納米材料、聚合物材料的。在Angew.Chem.In t.Ed.(以下簡(jiǎn)稱Angew)上發(fā)表的論文也大體是這樣。這說明有關(guān)色譜的基礎(chǔ)研究目前很難產(chǎn)生影響整個(gè)化學(xué)學(xué)科發(fā)展的成果,雖然在Ana l.Chem.這樣的二級(jí)學(xué)科刊物上仍然有很多色譜研究論文發(fā)表。相比而言,在很多專業(yè)性和應(yīng)用性的期刊上則有大量的色譜應(yīng)用論文發(fā)表,證明色譜正在解決更多的應(yīng)用問題。

那么,色譜研究人員現(xiàn)在在干什么呢?筆者認(rèn)為可以大致分為三種情況:一部分原來(lái)的色譜研究人員轉(zhuǎn)而研究微-納流控技術(shù)或芯片實(shí)驗(yàn)室(還應(yīng)該屬于色譜范疇),這是一個(gè)非常有前途的研究領(lǐng)域。特別是原來(lái)從事CE研究的人員,很容易轉(zhuǎn)而研究微通道(芯片)電泳。另一部分則是針對(duì)當(dāng)前的熱點(diǎn)科學(xué)問題,研究色譜技術(shù)的特殊應(yīng)用。比如在蛋白質(zhì)組學(xué)、多肽組學(xué)、代謝組學(xué)、糖組學(xué)、脂質(zhì)組學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等研究領(lǐng)域,色譜(包括CE)是必不可少的分離分析方法。不少色譜研究人員做了一些出色的工作,為相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展提供了重要的分析新技術(shù)和新方法。最近發(fā)表的工作有利用色譜作為表征技術(shù)來(lái)研究納米材料(JACS,DO I:10.1021/ja909133f;JACS,2009,131:17093-17095,DO I:10.1021/ja902293w)及其與其他物質(zhì)的相互作用(JACS,2009,131:17194-17205,DO I:10.1021/ja9083623)、聚合物材料(JACS,2009,131:13631-13633,DO I:10.1021/ja905924u)、反應(yīng)機(jī)理(JACS,2009,131:16573-16579,DO I:10.1021/ja904197q;JACS,2009,131:11492-11497,DO I:10.1021/ja9028928)、蛋白質(zhì)和多肽的純化(JACS,2009,131:11306-11307,DO I:10.1021/ja9048338;Angew,2010,49:895-898,DO I:10.1002/anie.200904413),以及復(fù)雜原油樣品的分析(Angew,2010,49:895-898,DO I:10.1002/anie.200904413),等等。第三部分色譜研究人員仍然在探索創(chuàng)新的分離介質(zhì)和方法。比如整體柱的制備與修飾、新型色譜器件和檢測(cè)方法的研究。

下面介紹幾篇最近發(fā)表的關(guān)于整體柱的制備與修飾、新型色譜器件和檢測(cè)方法研究的論文供讀者參考。

(1)整體柱功能化的新方法。整體柱的功能化目前主要采用功能化單體共聚合和/或聚合后功能化兩種策略。比如硼酸鹽親和色譜(BAC)多用于含順式二醇基團(tuán)的糖或糖蛋白等生物分子的分離富集,但采用上述兩種策略所得到的含硼聚合物整體柱都必須在堿性條件下工作,這可能導(dǎo)致生物樣品的降解。為此,南京大學(xué)劉震教授研究組提出了一種新的整體柱功能化方法(Angew,2009,48:6704-6707,DO I:10.1992/anie200902469)。他們首先采用鄰氨基苯基硼酸與1,6-六亞甲基二胺反應(yīng)生成穩(wěn)定的含B-N鍵的配合物,然后與環(huán)氧樹脂實(shí)現(xiàn)開環(huán)共聚合,形成表面含有相鄰氨基和苯基硼酸基團(tuán)的聚合物整體柱。在中性(或堿性)條件下,相鄰兩基團(tuán)不發(fā)生配合作用,而硼酸基團(tuán)可以與待分析樣品中含順式二醇基團(tuán)的物質(zhì)發(fā)生配合作用。因此這類整體柱可在中性pH條件下富集(保留)含順式二醇基團(tuán)的糖或糖蛋白質(zhì),流動(dòng)相變?yōu)樗嵝詴r(shí)便可將保留的物質(zhì)洗脫下來(lái)。在糖蛋白組學(xué)和糖組學(xué)研究中,這類聚合物整體柱可能發(fā)揮非常重要的作用。

(2)新型高效液相色譜(HPLC)泵。迄今為止,HPLC高壓泵基本都是活塞式往復(fù)泵,雖然有人研究過超聲波、磁流體力學(xué)、電滲流、電動(dòng)力學(xué)和電化學(xué)泵,但都不足以產(chǎn)生毛細(xì)管HPLC所需的壓力。Paw liszyn(Ana l.Chem.,1995,67:212-219)、M iller(Ana l.Chem.,1988,60:1965-1968)和H jerten(Ana l.Chem.,1998,70:366-372)等教授的研究組曾報(bào)道過液體熱膨脹泵,顯示了誘人的應(yīng)用前景。最近,復(fù)旦大學(xué)張祥民教授研究組在熱膨脹泵研究方面取得了很好的結(jié)果(Ana l.Chem.,2010,82:842-947,DO I:10.1021/ac901855t)。他們首先從理論上推導(dǎo)了熱膨脹泵的液體膨脹系數(shù)、溫度、壓力等因素與流速之間的關(guān)系,然后加工構(gòu)建了以不銹鋼膨脹室(內(nèi)充水)、陶瓷管外纏繞電加熱絲和熱電偶構(gòu)成的熱膨脹泵;采用4個(gè)單元熱膨脹泵和2個(gè)閥構(gòu)成了梯度系統(tǒng),流速范圍為0.05～5.00L/m in。最后通過性能評(píng)價(jià)和氨基酸樣品的梯度分析證明:該系統(tǒng)可用于毛細(xì)管HPLC的等度和二元梯度洗脫分析,顯著降低了儀器和運(yùn)行成本。

(3)氣相色譜(GC)通用定量檢測(cè)系統(tǒng)。尋找一種不用標(biāo)準(zhǔn)樣品和校正過程就能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量分析的色譜檢測(cè)器一直是色譜研究人員的追求,在這方面,柱后同位素稀釋和電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICPMS)作為GC和HPLC的檢測(cè)器已有成功的應(yīng)用。但是碳在等離子體中的離子化效率很低,加上高的碳背景信號(hào),導(dǎo)致了分析靈敏度不高,大大制約了該技術(shù)的應(yīng)用。更重要的是ICPMS檢測(cè)得不到化合物的結(jié)構(gòu)信息。最近,西班牙U niversity of O viedo的A lonso教授研究組報(bào)道了一種GC通用的柱后碳同位素稀釋定量檢測(cè)系統(tǒng)(Angew,2009,48:2561-2564,DO I:10.1002/anie200805545),該系統(tǒng)不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品,也不需要校正過程,就能實(shí)現(xiàn)GC分離的有機(jī)化合物的準(zhǔn)確定量分析。其原理是在GC柱后加一個(gè)燃燒反應(yīng)器,將有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為CO2,并連續(xù)加入13CO2,再用電子轟擊離子化質(zhì)譜(EI-MS)進(jìn)行檢測(cè)。這樣就可實(shí)現(xiàn)與化合物結(jié)構(gòu)無(wú)關(guān)的離子化(無(wú)論用什么離子源),進(jìn)而通過同位素比實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量。當(dāng)不用燃燒室時(shí),就可以獲得化合物的MS結(jié)構(gòu)信息。

(4)微流控反相HPLC芯片與四極桿-飛行時(shí)間質(zhì)譜(Q-TO F MS)聯(lián)用分析磷酸化多肽。LCMS/MS是目前蛋白質(zhì)組學(xué)分析的主要技術(shù),如何實(shí)現(xiàn)高豐度蛋白質(zhì)的在線去除和低豐度蛋白質(zhì)的在線富集是一個(gè)研究熱點(diǎn)。荷蘭U trecht U niversity的Heck教授研究組最近報(bào)道了他們?cè)诹姿峄嚯母患?、分離和鑒定方面的研究進(jìn)展(Ana l.Chem.,2010,82:824-832,DO I:10.1021/ac901764g)。他們采用反相-TiO2-反相HPLC芯片與Q-TO F MS聯(lián)用,成功實(shí)現(xiàn)了大量磷酸化多肽的在線富集和鑒定。該方法用于人類白血球磷酸化蛋白組學(xué)的研究,共鑒定了1 012個(gè)磷酸化多肽,相應(yīng)于960個(gè)不同的磷酸化位點(diǎn)。

(5)集成微流控裝置自動(dòng)分析單細(xì)胞。單細(xì)胞分析是分析化學(xué)的前沿領(lǐng)域。美國(guó)U niversity of N orth Carolina at Chapel H ill的Ram sey教授研究組最近報(bào)道了一種整體集成微流控裝置(Ana l.Chem.,2010,82:967-973,DO I:10.1021/ac902218y)。該裝置集成了包括溶胞部分、電泳分離通道和電滲泵驅(qū)動(dòng)的電噴霧噴頭,它直接連接到MS上,實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞的在線分析。作者以紅細(xì)胞為模型體系,檢測(cè)到了單個(gè)紅細(xì)胞中的血紅素和α、β亞單位血紅蛋白,分析通量達(dá)到了每秒12個(gè)細(xì)胞。該裝置有望用于單細(xì)胞的高通量分析。

DO I:10.3724/SP.J.1123.2010.00221