直圆形与梯形微气相色谱柱用于丙酮-乙醇分离的性能比较

《Frontiers in Sensors》：Performance comparison of straight circular and trapezoidal μGC columns for acetone–ethanol separation

　　

本文介绍了两种直型微气相色谱（μGC）柱的设计和性能比较评估，这两种柱具有圆形和梯形横截面几何形状，用于在相同操作条件下对丙酮和乙醇进行色谱分离。研究人员在计算程序COMSOL Multiphysics中对两种几何形状进行了模拟，以氦气作为载气，聚乙二醇（PEG）作为固定相。考虑了两种几何形状的柱长（10–100 cm）和水力直径（50–600 μm）等参数，并从保留时间、理论塔板数（N）、分辨率（Rs）和理论塔板高度（HETP）方面进行了评估。研究结果表明，所考虑的两种几何构型在效率和压降之间存在明显的权衡。直型圆形横截面构型的效率较低，表现为较低的理论塔板数（范围0.5–3.9×10³）、较大的HETP值（0.027–0.035 cm）以及较低的分辨率（Rs<1.25），同时具有较低的压降（280–500 Pa）和较高的流速（约0.5 m/s）。然而，直型梯形横截面柱由于增强了传质、减少了谱带展宽、具有更高的表面积体积比和更好的流动分布，表现出更好的分离效率。尽管性能有所提升，但这种提升是以更高的压降（约3.8×10³ Pa）和较低的流速（约0.35 m/s）为代价的。基于上述考虑，可以看出梯形形状在μGC中确实是一种优于其他形状的几何构型，尤其是在用于呼吸分析时。

**论文解读文章**

**研究背景**
挥发性有机化合物（VOCs）是低分子量化合物，源自内源性代谢机制或外源性来源（如饮食、环境和微生物）。VOCs谱的变化与多种生理和病理生理状态相关，因此基于VOC分析的无创疾病诊断日益受到关注。呼出气中含有数千种因人体代谢反应产生的VOCs，与传统的血液或组织样本分析相比，具有方便、无痛和可重复采样的优势。近期综述表明，呼吸组学（breathomics）在糖尿病、肺癌、结直肠癌、肝病、神经退行性疾病、呼吸系统疾病和感染性疾病等多种疾病的早期诊断和治疗中具有潜力。然而，尽管进展显著，仍需要分析方法的高选择性、采样的标准化以及检测前对相似化学物质的适当分离。在呼出气中常见的VOCs中，丙酮和乙醇是两种最常研究的含氧VOCs，因其诊断重要性和丰度。丙酮是脂肪酸β-氧化和生酮过程中产生的关键酮体，已被广泛研究作为糖尿病、糖尿病酮症酸中毒、禁食、生酮饮食等代谢紊乱的指标。乙醇则可能通过微生物发酵和肠道代谢内源性产生，或通过食物摄入或直接暴露外源性进入体内，也被认为是肝病、呼吸系统疾病、胃肠疾病和某些癌症的临床相关呼吸VOC。由于丙酮和乙醇在呼出气中同时存在且化学性质相似，分离不佳可能导致分析干扰。因此，在使用便携式呼吸分析仪或其他基于VOC的诊断设备时，丙酮和乙醇的分离至关重要。气相色谱-质谱联用（GC-MS）仍是分析VOC的标准技术，但传统实验室GC仪器体积庞大、能耗高且成本昂贵。微型化气相色谱（μGC）近年来被引入作为解决方案，通过微加工柱、小型进样器和微型检测器实现快速分析、低气体流速、低能耗和便携性。μGC技术正成为环境分析、食品分析、工业过程控制和呼吸分析的重要工具，且人工智能、机器学习、电子鼻和便携式传感器的发展增加了对小型化色谱单元的需求，以在传感器检测前对VOC混合物进行高分辨率分离。分离柱是μGC系统的关键元件，决定分离效率、分析物保留时间、分离时间和整体性能。柱性能可通过理论塔板数（N）、理论塔板高度（HETP）、保留时间（t_r）、半峰宽（PWHH）和分辨率（Rs）等色谱指标评估。极性固定相如聚乙二醇（PEG）适用于分离含氧VOC（如酮类和醇类），而氦气因其良好的扩散性和色谱性能被广泛用作载气。在便携式μGC系统中，保持厘米级长柱的高分离效率至关重要，以实现微型化而不损失性能。微机电系统（MEMS）制造技术的发展使生产各种几何形状的微柱成为可能，如矩形、圆形、梯形、蛇形、螺旋形和半填充形，以增强色谱性能同时保持小尺寸。先前研究探讨了固定相涂层、柱状结构设计、通道几何形状和制造技术对μGC性能的影响，但关于微通道横截面形状对μGC性能影响的研究有限，尤其是在相同操作条件下针对临床相关的VOC对（如丙酮和乙醇）的研究。因此，本研究旨在通过数值模拟比较直型圆形和梯形横截面μGC柱在分离丙酮-乙醇混合物时的性能，为便携式色谱系统设计提供指导。

**研究内容与结论**
研究人员在COMSOL Multiphysics软件中建立了三维数值模型，采用层流和稀物质传递物理接口，模拟载气（氦）流动和分析物（丙酮和乙醇）在μGC柱中的传输。通过求解连续性方程和纳维-斯托克斯方程（Navier-Stokes equations）获得速度场，并利用瞬态对流-扩散方程描述分析物传输。固定相PEG与流动相之间的相互作用通过Robin边界条件（混合边界条件）建模，描述分析物在壁面的可逆分配。所有模拟在相同操作条件下进行，包括相同的水力直径、柱长、膜厚、载气、进样速率、高斯注入剖面、边界条件、分配系数和材料属性。采用物理控制超细网格和边界层网格细化，自由度约120万，并通过网格独立性验证确保出口浓度变化小于0.5%。稳态流场采用MUMPS求解器，瞬态解采用BDF求解器，时间步长不超过0.01秒。此外，对分配系数K在50–200范围内进行了参数研究。

**研究结果**
**模型验证**：在分析丙酮-乙醇分离效率前，通过复现Singh等人（2022）的有限元μGC模型进行数值模型验证。复现结果与发表文献在载气速度分布（最大速度0.45 m/s，发表结果为0.48 m/s）和色谱响应（己烷保留时间21.40 s，苯保留时间28.89 s）上高度一致，确认了数值模型的准确性。

**流动特性与几何影响**：模拟结果显示，柱内流动为层流，速度剖面呈抛物线形，中心速度最高，壁面处速度为零，符合泊肃叶流动（Poiseuille flow）特征。圆形通道呈现完美对称抛物线形，而非圆形通道（梯形）导致速度分布偏离理想抛物线，影响分析物分散和分离效率。在圆形微通道（内径ID=250 μm）中，柱长从20 cm增至100 cm时，压力从约300 Pa升至约500 Pa（增加65–70%），速度保持恒定约0.6 m/s；在梯形微通道（水力直径D_h=250 μm）中，柱长增加导致压力从约500 Pa升至约4000 Pa（约8倍），速度恒定约0.4 m/s，表明梯形通道流动阻力更大。当改变内径或水力直径时，速度随直径增大而急剧下降，压力降幅超过两个数量级，验证了压降与直径四次方成反比的关系。

**浓度分布与保留时间**：入口高斯脉冲注入后，圆形通道中丙酮和乙醇的出口浓度峰值出现在t≈5 s，最大浓度约7×10^-10 mol/m³；梯形通道中峰值出现在t≈9–10 s，最大浓度约2.5×10^-10 mol/m³，保留时间增加80–100%，峰值浓度降低60–70%，表明梯形截面诱导更强的分散和延迟。

**圆形柱性能**：在圆形柱中，固定ID=250 μm时，柱长从10 cm增至100 cm，丙酮保留时间从3.2 s增至7.3 s（约2.3倍），乙醇从3.5 s增至8.2 s（约2.4倍）；理论塔板数N从700增至2900（丙酮），900增至4300（乙醇），增加4–5倍。固定柱长15 cm时，ID从50 μm增至600 μm，保留时间在ID<300 μm时指数增长后趋于饱和，N从约500增至5500（丙酮），800增至7400（乙醇），表明增大ID增加分散和相互作用面积，直至达到水动力平衡。

**梯形柱性能**：在梯形柱中，固定D_h=250 μm时，柱长从10 cm增至100 cm，丙酮保留时间从约3 s增至33 s，乙醇从约4 s增至37–38 s，增加10–12倍；N从约2000增至90,000（丙酮），3000增至125,000（乙醇），增加40–50倍，表明长梯形柱显著提升分离性能。固定柱长15 cm时，D_h从50 μm增至600 μm，保留时间在D_h≈250–300 μm时指数增长后趋于饱和，N从约500增至5500（丙酮），800增至7500（乙醇），在D_h≈300 μm后趋于平稳。梯形柱性能提升完全归因于横截面几何形状对流场和传质的影响，而非操作条件差异，尽管梯形几何导致压降增大和平均速度降低。

**讨论与结论**
研究结论部分指出：在相同操作条件下，直型梯形μGC柱表现出更高的效率参数（理论塔板数高达125×10³，HETP为0.010–0.015 cm，分辨率Rs高达1.90），优于直型圆形柱（N为0.5–3.9×10³，HETP为0.027–0.035 cm，Rs为0.85–1.25）。圆形柱压降较低（280–500 Pa）且载气速度较高（约0.5 m/s），但效率较低；梯形柱压降较高（约3.8×10³ Pa）且速度较低（约0.35 m/s），但分离效率更优。因此，微通道横截面几何形状是决定μGC效率的关键参数，需在柱设计时重点考虑。梯形横截面是μGC装置中具有前景的几何形状之一，可应用于快速VOC检测和呼吸诊断。未来工作将利用MEMS技术在硅片上制造优化的梯形μGC柱，并通过实验验证其色谱性能，随后将优化柱集成到μGC系统中，用于呼出气样本中VOC的快速检测和诊断。