基于微悬臂梁阵列的气/液相色谱检测器：元素形态分析

Conventional detectors of chromatography usually provide simplex signals with low selectivity, while the use of traditional instrument like mass spectrometer as detector of chromatography demonstrates drawbacks such as non-feasible for in-field analysis. Moreover, in order to eliminate liquid-phase interference, increase sampling efficiency, and improve sensitivity, chromatography is often coupled with chemical vapor generation (CVG), with the target analytes changed into volatile derivatives before they are analyzed by traditional instrument like atomic spectrometer. However, the drawbacks still remain such as big dead-volume, unsuitable for miniaturization, and sometimes non-feasible for multi-element simultaneous determination. Therefore, it is proposed herein, to use one of the common miniature sensors, microcantilever array (MCA), as detector, and set up a miniature and portable chromatography equipment with CVG device as interface, which is suitable for in-field analysis and will be applied to speciation analysis. This newly developed hyphenated technique will demonstrate several advantages including：(1) by using MCA sensor the whole equipment is miniaturized and becomes suitable for potential in-field analysis; (2) the dead volume can be decreased; (3) MCA sensor itself can be applied to multi-analyte simultaneous determination, while the use of it as detector can overcome the low-selectivity issue brought in by conventional chromatography detectors; (4) with CVG device as interface, the hyphenated technique will demonstrate increased sampling efficiency and better capability for interference tolerance, and thus dramatically increase the sensitivity.

色谱的传统检测器存在信号单一选择性不足的问题,而质谱等分析仪器作为色谱检测器又存在体积庞大不利于野外现场分析的弱点。另外，为了克服基体干扰提高进样效率并改善灵敏度，色谱仪器常与化学蒸气发生(CVG)装置联用，将各待测组分变成易挥发衍生物后通过原子光谱仪等传统仪器进行分析，但仍存在死体积较大、不利于小型化、有时无法多元素同时检测等缺陷。因此，本项目提出将小型分析传感装置- - 微悬臂梁阵列(MCA)传感器，作为色谱仪器的检测器，通过CVG技术的衔接，建立小型化便携式现场在线分析的色谱分析方法，并将其用于元素的形态分析领域。该方法的优点包括：（1）通过MCA的引入可以将整个仪器装置小型化利于野外现场分析；（2）进一步减小死体积；（3）MCA本身就可可用于多组分同时检测，并可以克服传统色谱检测器选择性不足的问题；（4）采用CVG方法作为衔接，提高了样品引入效率和抗干扰能力，显著提高了方法的灵敏度。

本项目原计划将微悬臂梁阵列传感器（MCA）与色谱分析仪联用，并使用前者作为后者的新型检测器实现仪器的小型化，同时实现高灵敏度、高选择性的分析检测（如元素形态分析）。 实施过程中，主要研究内容为：（1）研发用于修饰MCA的高比表面积传感材料，实现高选择性和灵敏度的元素形态分析等分析检测；（2）研究有效的色谱分离技术以及相关的有效检测手段；（3）研究组建MCA传感器的相关技术以及修饰MCA传感芯片的有效方法，并与色谱仪联用实现高选择性和高灵敏度的分析检测。 至今取得的实验结果简介如下。首先，提出了快速制备特定金属有机骨架化合物（MOFs）纳米材料（MIL-53, ZIF-7, ZIF-60等）的微波辅助合成方法，比传统的水热合成法更加节能省时，并成功实现了基于分子荧光技术的无机汞和甲基汞的形态分析，检出限达到ppb级和亚ppb级，且相对于汞元素的其它形态组分体现出了高选择性。其次，第一次制备了具有手性构象选择性的MOFs纳米颗粒与量子点的复合材料，实现了手性分子的可视化区分，且随着对映体的e.e.%值的变化呈线良好的线性规律，方法简便且成本很低。第三，研发了一种基于MoS2纳米材料的新型气相色谱固定相，成功分离了常见的挥发性有机物，且分离效果优于某些商用色谱柱（如DB-1柱），同时做了相应的理论计算。第四，在使用液相色谱分离结构相近的有机物时，提出了使用串联质谱技术的检测的方法，克服了液相色谱分离不完全造成的检测效果不佳的问题，同时对质谱检测过程中的裂解规律做出了最合理的理论解释。第五，成功使用旋涂技术将前期研发的MOFs等纳米传感材料用于MC芯片的修饰，在MC表面得到了分布均匀的传感镀层，同时初步搭建了MCA传感器，并与气相色谱仪的色谱柱出口相连接，初步实现了GC-MCA的联用。最后，对近年来MC传感器用于气相检测的相关SCI论文进行了整理，从MC传感器的搭建方法、工作原理以及实际应用等方面进行了总结，完成综述文章一篇。