全二维热调制器发展史——突破

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突破

度过了欢乐的中秋和国庆，又要重新投入忙碌的工作中了。我们接着聊全二维热调制器的发展历史。

前面我们讲到John Phillips发明了第一个热调制器，使用的是在柱温箱内加热一段有金属涂层厚膜柱。后来的研究人员改进成移动式的“Sweeper”和“LMCS”，总算能够完成全二维色谱实验了。不过呢，这几种装置的稳定性还是差强人意，特别是“Sweeper”，科学家装好了5台调制器寄给全世界5个不同实验室使用，结果只有两台能正常工作。这也让Zoex Corporation创始人Edward Ledford Jr.很是着急，当时雄心勃勃创立了公司打算将这种调制器商业化，Sweeper的全球实验室推广活动也是他推进的，但却遇到了这种困境。

问题还是要回到技术层面慢慢解决，Ledford作为一名参与Sweeper技术的科研人员之一，在仔细研究之后，发现除了稳定性问题以外，Sweeper还有一些深层次的原理性问题。

由于Sweeper是通过旋转轴上的加热器将厚膜上补集的一维流出物释放到二维的，为了达到快速释放的效果，加热器的温度必须要比化合物的补集温度（柱温温度）高100°C以上。然而由于柱子有高温限制，最高耐受温度一般也就300°C左右，也就是实际工作中柱温温度最高只能到200°C左右，这样就无法分析一些高沸点化合物了。另外一方面，为了提高一维的分辨率，一般会采用比较长的一维柱，这样化合物从一维柱流出时柱箱的温度更高，要再往上提高100°C的温度就更难了。

想来想去，这问题要怎么解决呢。正巧，澳大利亚的Marriott教授的LMCS发表了。这时他灵光一现，使用制冷剂！

醍醐灌顶，还可以这样开挂啊。

很快的，他在传统的Sweeper上引入了一路用干冰乙醇冷浴（大约-78°C）冷却的CO2高速气流持续喷射在调制柱上 [1]，即使柱温箱温度已经升高，调制柱上的温度也可以保持很低，这样加热器就不用施加很高的释放温度，对系统的要求显著降低。即使在使用100m的一维柱时，调制出来的效果依然非常出色。

Ledford还并不止于此，他很快发现了一种更简单的调制方式，使用间歇式喷射的冷气和热气对调制柱部分进行制冷和加热，这样可以完全省去加热器和移动部件，无需繁琐的安装和调试过程，大大简化了系统复杂度。再加上改用液氮制冷剂，进一步降低了补集温度 [2]。可靠性和调制性能都得到了重大提升。极具商业头脑的他立刻申请了专利，同时商品化了这个调制器产品，后来LECO公司买下这个专利，经过多年的不断改进，最终形成了沿用至今的四喷嘴调制器（qual-jet modulator）。

不久之后，荷兰阿姆斯特丹自由大学（Vrije University）的Beens等科学家发现其实没有必要增加两个热喷口，只用两个液态CO2制冷的冷喷口，发明了第一个两喷口调制器（dual-jet modulator）[3]。

这个设计中，利用两个两通阀控制的喷口以一定周期喷射经液态高压CO2冷却的CO2气流到调制柱（就是二维柱的前端）的前后两个位置进行补集，利用柱温箱温度进行升温释放。结果表明，调制后的正构烷烃峰宽只有30ms，优于原来的Sweeper和LMCS。同时相比Ledford的系统，省去了两个热喷口，而且使用更方便的液态CO2，系统更加简洁。这项技术后来被热电公司（Thermo Scientific）收购并商品化。

几年以后，Ledford又发明了环形调制器（Loop modulator）[4]，使用垂直放置的一个冷喷口和一个热喷口，调制柱形成一个绕了两圈的环状，冷喷和热喷同时作用位于调制柱环状的一个位置，也就是上下游的两个点上。

冷喷氮气首先通过热交换器，再通过一段置于液氮杜瓦罐内的铜管制冷到-190°C，经过气液分离器除去气体后，将液氮从喷口快速喷出。工作时，冷喷保持常开，热喷口在冷喷垂直方向，根据调制周期喷出高温加热后的氮气，在将冷气推离调制柱的同时，加热了相同位置上的调制柱，这样就对上下游两段调制柱中补集的物质进行快速释放。这样调制的原理和原先线性的四喷口调制器基本类似，也是两级调制。

要完成准确的调制，需要载气线速度，环形调制柱尺寸，和调制周期三个参数之间有很好的配合。另外，实验也表明，需要达到最好的效果，冷喷口的流量需要随着柱温箱温度升高逐渐减低（对于C4-C40，喷嘴流速从15.5 L/min降到1.5 L/min），从而保证高沸点化合物的快速释放不产生拖尾 [5]。这项技术后来在Zoex Corporation商业化 [6]。

从此以后，制冷剂喷气式热调制器技术由于其突出的可靠性和优异的调制性能逐渐占领了全二维气相色谱市场，那些原来的实验室技术（Sweeper和LMCS）慢慢被商品化产品取代，后来随着热电也退出全二维气相色谱领域，商品化的热调制器最终只剩下LECO的四喷口调制器和ZOEX的环形调制器两种。

性能和可靠性的提升将全二维气相色谱技术带入了全新的商业化时代，越来越多的全二维应用开始在全世界的分析实验室开花结果。不过制冷剂的大量使用也造成了极大的不便，限制了其在更广泛领域和常规应用中的推广。2004年以后，使用循环的液态制冷剂的压缩制冷技术替代液氮消耗并用于全二维色谱调制 [7-9]，这种采用循环制冷剂的热调制技术被LECO和ZOEX同时采用，推出了新型的“无消耗（consumable-free）”的热调制器产品。事实上，这种产品还是需要使用喷气（N2），而且消耗量还相当惊人（~18 L/min），此外，制冷最低温度为-90°C，远高于液氮制冷，只能补集C7以上的化合物，应用范围也有所减小。

这时，另一种制冷技术——半导体制冷——开始成熟，一些研究人员也开始尝试使用这种真正意义上无需制冷剂的方式进行调制，全新的高效绿色的调制技术开始崭露头角。下一章我们跟大家详细讲述。

[1] E.B. Ledford, C. Billesbach, J. High Resolut. Chromatogr., 23, 202 (2000)

[2] E.B. Ledford Contribution presented at the 23rd international symposium on capillary chromatography, 5–10 June 2000, contribution PL.20 (2000)

[3] J. Beens, M. Adahchour, R.J.J. Vreuls, K. van Altena, UAT Brinkman, J. High Resolut. Chromatogr., 919, 127 (2001)

[4] E.B. Ledford, C. Billesbach, J. Termaat, Contribution presented at PITTCON 2002, 17–22 March 2002, contribution 2262P (2002)

[5] R.B. Gaines, G.S. Frysinger, J. Sep. Sci., 27, 380 (2004)

[6] E.B. Ledford Method and apparatus for measuring velocity of chromatographic pulse. US Patent no. 10/648507 (2007)

[7] M. Libardoni, J.H. Waite, R. Sacks, Anal. Chem., 77,2786 (2005)

[8] M. Libardoni, E. Hasselbrink, J.H. Waite, R. Sacks, J Sep Sci., 29, 1001 (2006)

[9] M. Libardoni, C. Fix, J.H. Waite, R. Sacks, Anal Methods, 2, 936 (2010)