色譜研究動態

劉虎威

(北京大學化學與分子工程學院,北京100871)

色譜研究動態

劉虎威

(北京大學化學與分子工程學院,北京100871)

經過近110年的發展,色譜已經成為應用最為廣泛的儀器分析技術。色譜研究人員和技術人員也是當今最容易就業的一類分析化學專業人才。雖然色譜理論的發展還不是十分令人滿意,但色譜技術已經相當成熟,即使上世紀80年代興起的毛細管電泳(CE)研究熱潮也已趨于平穩發展。那么,色譜研究人員還能干些什么呢?筆者通過觀察和文獻調研,在這里提出一些看法,供讀者思考和批評。

色譜研究相對成熟的標志之一是在高水平雜志上發表的相關研究論文數目逐漸減少,比如在J.Am.Chem.Soc.(以下簡稱JACS)上,2009年以來發表的色譜相關論文有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來研究蛋白質、多肽、納米材料、聚合物材料的。在Angew.Chem.In t.Ed.(以下簡稱Angew)上發表的論文也大體是這樣。這說明有關色譜的基礎研究目前很難產生影響整個化學學科發展的成果,雖然在Ana l.Chem.這樣的二級學科刊物上仍然有很多色譜研究論文發表。相比而言,在很多專業性和應用性的期刊上則有大量的色譜應用論文發表,證明色譜正在解決更多的應用問題。

那么,色譜研究人員現在在干什么呢?筆者認為可以大致分為三種情況:一部分原來的色譜研究人員轉而研究微-納流控技術或芯片實驗室(還應該屬于色譜范疇),這是一個非常有前途的研究領域。特別是原來從事CE研究的人員,很容易轉而研究微通道(芯片)電泳。另一部分則是針對當前的熱點科學問題,研究色譜技術的特殊應用。比如在蛋白質組學、多肽組學、代謝組學、糖組學、脂質組學、材料科學、生命科學和環境科學等研究領域,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,為相關領域的發展提供了重要的分析新技術和新方法。最近發表的工作有利用色譜作為表征技術來研究納米材料(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)、反應機理(JACS,2009,131:16573-16579,DO I:10.1021/ja904197q;JACS,2009,131:11492-11497,DO I:10.1021/ja9028928)、蛋白質和多肽的純化(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新的分離介質和方法。比如整體柱的制備與修飾、新型色譜器件和檢測方法的研究。

下面介紹幾篇最近發表的關于整體柱的制備與修飾、新型色譜器件和檢測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,這可能導致生物樣品的降解。為此,南京大學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生成穩定的含B-N鍵的配合物,然后與環氧樹脂實現開環共聚合,形成表面含有相鄰氨基和苯基硼酸基團的聚合物整體柱。在中性(或堿性)條件下,相鄰兩基團不發生配合作用,而硼酸基團可以與待分析樣品中含順式二醇基團的物質發生配合作用。因此這類整體柱可在中性pH條件下富集(保留)含順式二醇基團的糖或糖蛋白質,流動相變為酸性時便可將保留的物質洗脫下來。在糖蛋白組學和糖組學研究中,這類聚合物整體柱可能發揮非常重要的作用。

(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泵,雖然有人研究過超聲波、磁流體力學、電滲流、電動力學和電化學泵,但都不足以產生毛細管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道過液體熱膨脹泵,顯示了誘人的應用前景。最近,復旦大學張祥民教授研究組在熱膨脹泵研究方面取得了很好的結果(Ana l.Chem.,2010,82:842-947,DO I:10.1021/ac901855t)。他們首先從理論上推導了熱膨脹泵的液體膨脹系數、溫度、壓力等因素與流速之間的關系,然后加工構建了以不銹鋼膨脹室(內充水)、陶瓷管外纏繞電加熱絲和熱電偶構成的熱膨脹泵;采用4個單元熱膨脹泵和2個閥構成了梯度系統,流速范圍為0.05～5.00L/m in。最后通過性能評價和氨基酸樣品的梯度分析證明:該系統可用于毛細管HPLC的等度和二元梯度洗脫分析,顯著降低了儀器和運行成本。

(3)氣相色譜(GC)通用定量檢測系統。尋找一種不用標準樣品和校正過程就能實現準確定量分析的色譜檢測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譜(ICPMS)作為GC和HPLC的檢測器已有成功的應用。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,導致了分析靈敏度不高,大大制約了該技術的應用。更重要的是ICPMS檢測得不到化合物的結構信息。最近,西班牙U niversity of O viedo的A lonso教授研究組報道了一種GC通用的柱后碳同位素稀釋定量檢測系統(Angew,2009,48:2561-2564,DO I:10.1002/anie200805545),該系統不需要標準樣品,也不需要校正過程,就能實現GC分離的有機化合物的準確定量分析。其原理是在GC柱后加一個燃燒反應器,將有機化合物轉化為CO2,并連續加入13CO2,再用電子轟擊離子化質譜(EI-MS)進行檢測。這樣就可實現與化合物結構無關的離子化(無論用什么離子源),進而通過同位素比實現準確定量。當不用燃燒室時,就可以獲得化合物的MS結構信息。

(4)微流控反相HPLC芯片與四極桿-飛行時間質譜(Q-TO F MS)聯用分析磷酸化多肽。LCMS/MS是目前蛋白質組學分析的主要技術,如何實現高豐度蛋白質的在線去除和低豐度蛋白質的在線富集是一個研究熱點。荷蘭U trecht U niversity的Heck教授研究組最近報道了他們在磷酸化多肽富集、分離和鑒定方面的研究進展(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聯用,成功實現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的研究,共鑒定了1 012個磷酸化多肽,相應于960個不同的磷酸化位點。

(5)集成微流控裝置自動分析單細胞。單細胞分析是分析化學的前沿領域。美國U niversity of N orth Carolina at Chapel H ill的Ram sey教授研究組最近報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動的電噴霧噴頭,它直接連接到MS上,實現了單細胞的在線分析。作者以紅細胞為模型體系,檢測到了單個紅細胞中的血紅素和α、β亞單位血紅蛋白,分析通量達到了每秒12個細胞。該裝置有望用于單細胞的高通量分析。

DO I:10.3724/SP.J.1123.2010.00221