摘要 色譜法是生產(chǎn)活動(dòng)和學(xué)術(shù)研究中最重要的分離分析技術(shù)之一。隨著應(yīng)用需求的日益增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的分離裝置成本高昂，同時(shí)由于模型制作困難，色譜理論研究通常難以得到驗(yàn)證。三維（3D）打印技術(shù)通過(guò)堆砌材料的方式自下而上地制造器件，可以針對(duì)特定需求自定義打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)，具有低成本、低廢料、高精度、高自由度和平行制造等優(yōu)勢(shì)，在色譜分離領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。近年來(lái)，隨著3D 打印技術(shù)的飛速發(fā)展，打印分辨率和打印速度不斷提高，可打印的材料種類也大幅增加， 3D 打印技術(shù)在色譜分離領(lǐng)域得到了初步的研究和應(yīng)用。本文介紹了3D 打印技術(shù)在色譜分離研究領(lǐng)域中的最新應(yīng)用進(jìn)展，包括3D 打印色譜柱管、3D 打印色譜固定相和3D 打印固相萃取器件，討論了3D 打印技術(shù)在色譜領(lǐng)域應(yīng)用的現(xiàn)有挑戰(zhàn)和應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 色譜分離；三維打??；分離技術(shù)；評(píng)述

色譜分離利用不同分析物在流動(dòng)相和固定相兩相之間的相互作用差異實(shí)現(xiàn)各組分的拆分。目前，色譜分離技術(shù)已在藥物純化、環(huán)境監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)研究等諸多領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。受傳統(tǒng)制造工藝的限制，經(jīng)典色譜分離媒介為色譜柱，通常為圓柱形柱管和顆粒填充或整體聚合形成的柱床[1-3]，這在很大程度上限制了色譜分離的理論研究和實(shí)際應(yīng)用。一方面，許多色譜理論由于難以進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，導(dǎo)致其研究?jī)H停留在理論計(jì)算層面；另一方面，新的色譜應(yīng)用通常需要現(xiàn)場(chǎng)分析，亟需將龐大的色譜分離系統(tǒng)進(jìn)行集成化與小型化。同時(shí)，固定化的色譜分離模塊和器件難以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的分離需求，快速定制針對(duì)特定分離需求的解決方案是色譜分離應(yīng)用的難點(diǎn)。為解決上述色譜研究與應(yīng)用難題，提高色譜分離效率以及拓展色譜應(yīng)用潛力、發(fā)展新的制造技術(shù)至關(guān)重要。三維打印技術(shù)（Three-dimensional printing， 3Dprinting）又稱為增材制造技術(shù)（Additive manufacturing， AM），是通過(guò)材料單元的堆積、組裝和聚合等過(guò)程，自下而上地實(shí)現(xiàn)物件的制造。自下而上的制造模式使得3D 打印技術(shù)不僅能輕松制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工件，同時(shí)生產(chǎn)過(guò)程幾乎不產(chǎn)生廢料，特別適合非標(biāo)準(zhǔn)零件和定制化器件的快速制造。目前，基于擠出成型、光固化成型和粒狀物料成型等原理， 3D 打印技術(shù)已經(jīng)發(fā)展出多種加工技術(shù)，能夠應(yīng)對(duì)不同材料、加工精度以及制造尺寸的打印需求，在醫(yī)療、航空航天、工業(yè)制造和科研等領(lǐng)域得到廣泛的研究與應(yīng)用[4-8]?；诳筛叨茸远x的制造能力和快速制造的特點(diǎn)， 3D 打印技術(shù)已成為解決上述色譜分離難題的有力工具，并在色譜機(jī)理研究和應(yīng)用領(lǐng)域展開(kāi)了初步嘗試和探索，如3D 打印色譜柱管、3D 打印色譜固定相和3D 打印固相萃取系統(tǒng)等[9-11]?；诖耍疚木C述了3D 打印技術(shù)在色譜分離領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，包括3D 打印技術(shù)的發(fā)展概況、3D 打印技術(shù)在色譜各個(gè)領(lǐng)域近十年的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀以及3D 打印技術(shù)在色譜領(lǐng)域的應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)。

1 3D打印技術(shù)概況

3D 打印技術(shù)又稱增材制造技術(shù)、快速成形技術(shù)（Rapid prototyping， RP）或快速原型制造技術(shù)（Rapidprototyping manufacturing， RPM）。作為一種制造技術(shù)， 3D打印基于自下而上（Bottom-up）的工作流程將材料單元堆積、組裝和聚合形成實(shí)體裝備，具有制造自由度高、無(wú)廢料和易制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)等優(yōu)勢(shì)。1977 年，Swainson 在專利“Method， medium and apparatus for producing three dimensional figure product”中首次提出3D 打印的概念[12]。1984 年， Hull 提交了第一份立體光固化成型設(shè)備專利，并隨后發(fā)布了第一臺(tái)商品化3D 打印機(jī)[13]。

3D 打印技術(shù)的快速商品化極大地推動(dòng)了其發(fā)展進(jìn)程，并衍生出豐富的技術(shù)門類。其中，光固化成型（Vat photopolymerization）技術(shù)是最早出現(xiàn)的3D 打印技術(shù)，主要通過(guò)曝光聚合物單體溶液，可控地引發(fā)聚合反應(yīng)來(lái)構(gòu)筑器件[14]，具有出色的分辨率，已成為3D 打印精細(xì)結(jié)構(gòu)的首選技術(shù)；熔融沉積成型（Fuseddeposition modeling， FDM）技術(shù)依靠可移動(dòng)的噴頭使熱熔性材料在特定位置凝固堆積[15]，實(shí)現(xiàn)3D 打印，具有成本低廉、材料選擇范圍廣和打印器件機(jī)械性能好等優(yōu)勢(shì)，是應(yīng)用最廣泛的3D 打印技術(shù)。此外，還有噴墨3D 打?。↖nkjet-based printing， IBP）[16]、定向能量沉積（Directed energy deposition， DED）[17]、分層實(shí)體制造（Laminated object manufacturing， LOM）[18]以及粉末床熔融（Powder bed fusion， PBF）[19-20]等技術(shù)（圖1）?；诩夹g(shù)原理的不同，上述技術(shù)門類還能被進(jìn)一步細(xì)分，例如，光固化成型技術(shù)可分為立體光刻（Stereolithography， SLA）[21]、數(shù)字光處理（Digital light processing， DLP）[22]、液晶顯示（Liquid crystaldisplay， LCD）[23]、雙光子聚合技術(shù)（Two-photon polymerization， TPP）[24]以及連續(xù)液面生成（Continuousliquid interface production， CLIP）[25]等子技術(shù)。雖然面對(duì)的使用場(chǎng)景和需求有所不同，但提高3D 打印的精度與打印速度始終是各種3D 打印技術(shù)發(fā)展的首選方向。

除了發(fā)展各類3D 打印制造技術(shù)外， 3D 打印材料的種類也隨著材料科學(xué)的發(fā)展而逐漸豐富，諸如生物材料[26-27]、水凝膠[28-29]、陶瓷[30]和光子晶體[31]等新型打印材料已成功應(yīng)用于3D 打印技術(shù)，極大地拓寬了3D 打印技術(shù)的制造能力和應(yīng)用范圍。在打印技術(shù)與打印材料的協(xié)同發(fā)展下， 3D 打印技術(shù)獲得了更強(qiáng)大的制造能力，在工業(yè)生產(chǎn)以及科學(xué)研究中得到了更廣泛的應(yīng)用，其中就包括了色譜分離領(lǐng)域。

2 3D打印技術(shù)在色譜分離中的應(yīng)用

在分析化學(xué)領(lǐng)域中， 3D 打印技術(shù)主要被用于構(gòu)建復(fù)雜或非標(biāo)準(zhǔn)化的分析系統(tǒng)硬件，包括樣品制備[32]、分離[33]、微流體[34]、檢測(cè)器[35]和傳感器[36]等組件，以此作為一種硬件制造的補(bǔ)充方案或擴(kuò)寬原始系統(tǒng)功能。在色譜分離領(lǐng)域中， 3D 打印技術(shù)的應(yīng)用仍處于萌芽階段，主要集中在色譜柱管制備、色譜柱床構(gòu)建以及定制化色譜器件等方面。

2.1 3D打印色譜柱通道和柱管

高效液相色譜技術(shù)作為一項(xiàng)重要的分析技術(shù)，其廣泛的樣品適用性和快速高效的分離能力可以滿足眾多領(lǐng)域的分離純化需求。經(jīng)典的高效液相色譜儀主要由溶劑輸送系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)、分離系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，各組件模塊化的設(shè)計(jì)制約了儀器的小型化與便攜性。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)不同， 3D 打印技術(shù)可以自由設(shè)計(jì)并制造復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)器件，并在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)零件的快速制備，為構(gòu)建功能集成的小型便攜式液相色譜系統(tǒng)提供了可能。

2014 年， Sandron 研究組[37]首次采用選擇性激光融化技術(shù)（SLM）直接制造了鈦合金材質(zhì)的毛細(xì)管柱通道。通過(guò)雙層螺旋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在5 mm×30 mm×58 mm 的硬件空間內(nèi)成功制造了內(nèi)徑為0.9 mm、長(zhǎng)為600 mm 的柱通道。鈦合金材料具有耐高壓、熱穩(wěn)定性高以及優(yōu)異的導(dǎo)熱效率等特點(diǎn)，采用鈦合金材料打印柱管時(shí)，可在承受較高的流體壓力的同時(shí)實(shí)現(xiàn)柱溫的快速靈活調(diào)控；此外，通過(guò)在色譜柱下方裝載30 mm×30 mm 帕爾帖熱電冷卻模塊（PTM）的方式進(jìn)一步集成了柱溫箱的功能。在打印柱管內(nèi)分別用反相C18 硅膠填料填充和原位整體聚合的方式制備了兩種色譜柱，成功分離了苯酮混合物，初步驗(yàn)證了其用于色譜分離的可行性。盡管實(shí)際分離性能有限，但作為一種基于3D 打印的小型化色譜柱系統(tǒng)仍存在較大的優(yōu)化空間。Paull 研究組[38]改進(jìn)了該系統(tǒng)的聚合物整體柱配方，通過(guò)集成的熱電模塊控制分離柱溫，成功實(shí)現(xiàn)了10 種蛋白質(zhì)混合物的溫度梯度分離。

使用3D 打印實(shí)現(xiàn)柱通道小型化的方案同樣適用于氣相色譜（GC）技術(shù)。Lucklum 研究組[39]通過(guò)高分辨的立體光固化成型（SLA）打印機(jī)在36 mm×36 mm×18 mm 模塊內(nèi)制造了內(nèi)徑為1 mm、長(zhǎng)度為450 mm 的平面螺旋和堆疊螺旋的氣相色譜通道，用于分離水果儲(chǔ)存過(guò)程中產(chǎn)生的乙烯氣體。通過(guò)在打印色譜柱管內(nèi)填充Carbosieve?-SII 微球作為固定相進(jìn)行色譜分離，與通道更長(zhǎng)的平面矩形硅基柱相比，3D 打印的螺旋柱管具有更高的固定相堆積密度、分析靈敏度及基線分辨率。采用此3D 打印的氣相色譜柱分離檢測(cè)乙烯分子時(shí)，檢出限為35 ppb（10–9），并且目標(biāo)信號(hào)不與環(huán)境濕度信號(hào)重疊。該研究組進(jìn)一步優(yōu)化了乙烯傳感器系統(tǒng)，乙烯分子的檢出限低至2.3 ppb[40]。然而，使用聚丙烯酸酯材質(zhì)打印的色譜通道在45 ℃恒溫條件下工作時(shí)，聚合物材料有限的熱穩(wěn)定性會(huì)嚴(yán)重干擾目標(biāo)信號(hào)，這在一定程度上限制了有機(jī)聚合物材料在氣相色譜中的應(yīng)用；與此相反，具有高導(dǎo)熱性與熱穩(wěn)定性的金屬材料更適合作為高溫氣相色譜的柱管材料。Lee 研究組[41]基于直接金屬激光燒結(jié)成型（DMLS）3D 打印技術(shù)在34 mm×33 mm×2 mm 的平面上集成制造了總長(zhǎng)1 m、內(nèi)徑為0.5 mm的鈦合金方形螺旋氣相色譜通道，并在微通道內(nèi)壁涂覆聚二甲基硅氧烷固定相（OV-1），用于烷烴、芳烴、醇和酮類氣體混合物的色譜分離。該打印氣相色譜柱具有良好的色譜分離性能，在分離過(guò)程中未觀察到明顯的色譜峰拖尾或通道氣體滲漏等問(wèn)題。

除了能將較大柱長(zhǎng)的色譜柱進(jìn)行小型化與高度集成化外， 3D 打印高度自定義的制造能力還能用于探究柱通道的幾何形狀對(duì)色譜分離效率的影響。Paull 研究組[42]分別設(shè)計(jì)并制造了等長(zhǎng)的3 種通道結(jié)構(gòu)（2D 蛇形、3D 蛇形和3D 螺旋形）的3D 打印柱管（圖2），并比較了3 種色譜柱的液相分離效果，結(jié)果表明， 3D 蛇形通道的色譜柱分離性能最優(yōu)，同時(shí)卷曲匝數(shù)的增加有助于提高色譜的分離性能。該工作展示了3D 打印技術(shù)在研究色譜復(fù)雜結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)上的潛力與優(yōu)勢(shì)。

2.2 3D打印色譜柱床

經(jīng)典的色譜柱床主要采用球形固定相顆粒在高壓下堆砌而成。由于球形填料所配制的勻漿液黏度較低且非牛頓流體現(xiàn)象較弱，有利于在高壓勻漿填充時(shí)獲得相對(duì)有序的密堆積結(jié)構(gòu)，從而獲得緊密的柱床和較一致的色譜性能[43-46]。但是，傳統(tǒng)高壓勻漿制柱法的填料堆砌過(guò)程隨機(jī)不可控，難以對(duì)填充柱床展開(kāi)色譜動(dòng)力學(xué)的定量研究，因此，目前對(duì)色譜柱床結(jié)構(gòu)的研究更多地停留在理論計(jì)算或表征的層面，抑或是通過(guò)微加工技術(shù)制造微柱陣列柱來(lái)進(jìn)行研究[47-49]。3D 打印可以低成本制造具有復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的色譜器件，為研究色譜柱動(dòng)力學(xué)研究提供了一種全新方法。

Fee 研究組[50]采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）與立體光刻技術(shù)（STL），設(shè)計(jì)并打印了簡(jiǎn)單立方堆積、直通型和人字形3 種有序柱床結(jié)構(gòu)，并且色譜柱的接口、分流器、柱管以及柱床等作為一個(gè)整體一次性打印獲得。該打印色譜柱的工作流量和保留時(shí)間分布與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的理論預(yù)測(cè)結(jié)果相當(dāng)，證明采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建的百微米尺度的有序微結(jié)構(gòu)色譜柱床具備良好的保真度。在相同堆積結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)單立方堆積）條件下，該研究組進(jìn)一步考察了不同堆積顆粒的形狀對(duì)色譜性能的影響[51]，包括八面體、四面體、星形八面體和截棱二十面體等。結(jié)果表明，有序堆積的四面體結(jié)構(gòu)獲得了最低的塔板高度，該結(jié)論挑戰(zhàn)了球形作為“理想”最佳填料幾何形狀的慣有認(rèn)知。盡管在目前的實(shí)驗(yàn)條件下得出“最佳填料幾何形狀”的結(jié)論為時(shí)尚早，但該項(xiàng)基于3D 打印構(gòu)建有序色譜柱床的工作為色譜柱制造提供了一種潛在的替代方案。由于缺乏對(duì)表面張力、3D 打印機(jī)空間分辨率等因素的精確控制，該方法制造出的柱床不可避免地會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)的異質(zhì)性，進(jìn)而導(dǎo)致譜帶展寬，影響分離性能；另一方面，該方法制造的柱床的孔道尺寸與實(shí)際顆粒填充柱床相差近兩個(gè)數(shù)量級(jí)，為構(gòu)建具有更精細(xì)微結(jié)構(gòu)的色譜柱，需要極高精度的打印技術(shù)（如雙光子打印技術(shù)），耗時(shí)長(zhǎng)、成本高，難以在實(shí)際中應(yīng)用。因此， 3D 打印有序色譜柱床的發(fā)展還有賴于3D 打印技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。除了機(jī)理研究， Fee 研究組[52-53]將3D 打印有序柱床結(jié)構(gòu)應(yīng)用于病毒的親和分離，通過(guò)3D 打印制造了螺旋二十四面體結(jié)構(gòu)的蠟?zāi)?，通過(guò)灌注纖維素溶液，并去除蠟?zāi)５姆绞街苽溆行虻睦w維素柱床，該柱床同時(shí)具有300 μm 直徑的3D 打印結(jié)構(gòu)孔與10～40 μm 的纖維素內(nèi)部孔，能有效避免病毒在分離純化過(guò)程中堵塞柱床，提高分離流量。使用二乙氨基乙基（DEAE）功能化的色譜柱成功用于純化溶瘤腺病毒與慢病毒載體，回收率分別為69%±6%和57%。

通過(guò)3D 打印制造有序微結(jié)構(gòu)同樣也被用于平板色譜系統(tǒng)。Paull 研究組[54]利用聚合物噴射成型（PolyJet）技術(shù)，在3D 打印的支持板表面制造出具有微結(jié)構(gòu)的聚丙烯酸酯薄層，并用染料和熒光標(biāo)記的肌紅蛋白和溶菌酶初步驗(yàn)證了該打印薄層色譜的分離能力。該研究首次提出了一步法制備平板色譜支持板和表面固定相的方案，無(wú)需額外的表面修飾即可實(shí)現(xiàn)分離，并有望進(jìn)一步降低薄層色譜的制造成本，加快制造速度。Fichou 等[55]采用噴墨3D 打印技術(shù)在玻璃支持板上精確沉積出一定長(zhǎng)度、寬度和結(jié)構(gòu)的硅膠固定相（圖3），并在染料混合物分離的實(shí)驗(yàn)中獲得了與市售薄層色譜板相當(dāng)?shù)姆蛛x性能。通過(guò)該3D 打印技術(shù)制造薄層色譜，除了能降低制造成本、增加支持板和固定相的可定制性外，還能提高固定相沉積的均一性，以此提升薄層色譜的分離性能。

2.3 3D打印固相萃取系統(tǒng)

固相萃?。⊿olid-phase extraction， SPE）是基于液固萃取技術(shù)和液相色譜技術(shù)對(duì)分析物進(jìn)行預(yù)富集和樣品基質(zhì)進(jìn)行純化的樣品預(yù)處理技術(shù)[56]。3D 打印技術(shù)在固相萃取領(lǐng)域已有較廣泛的研究與應(yīng)用[32]，主要包括3D 打印固相萃取器件與3D 打印固相萃取固定相兩個(gè)方面。

利用3D 打印技術(shù)制備固相萃取器件突破了傳統(tǒng)硬件制造需要專業(yè)技術(shù)與專業(yè)設(shè)備的限制，在實(shí)驗(yàn)室水平即可低成本實(shí)現(xiàn)器件的設(shè)計(jì)與制造。固相萃取器件通常無(wú)需耐受高溫高壓等極端操作條件，因此，普通的3D 打印系統(tǒng)即可快速實(shí)現(xiàn)固相萃取系統(tǒng)的搭建與概念驗(yàn)證。同時(shí)，基于3D 打印技術(shù)定制化制造的優(yōu)勢(shì)，研究者還可根據(jù)特定需求開(kāi)發(fā)針對(duì)性的固相萃取裝置，簡(jiǎn)化復(fù)雜的流路系統(tǒng)和操作方式。Hu 研究組[57]采用3D 打印技術(shù)構(gòu)建了微流注射（3D-μFI）分析平臺(tái)，用于高效液相色譜的樣品前處理，能夠在線吸附提取生物標(biāo)本中的抗菌劑。該平臺(tái)包括光固化3D 打印的多端口選擇閥和微流固相萃?。é蘏PE）芯片，芯片內(nèi)填充有聚苯胺（PANI）修飾的磁性納米顆粒。該萃取裝置擁有20 次以上的使用壽命和良好的基質(zhì)耐受能力，對(duì)尿液與唾液模型中分析物的檢出限低至1.10～1.45 ppb。Maya 研究組[58]采用光固化（SLA）3D 打印技術(shù)制備了含有互聯(lián)立方矩陣混合器的流體歧管和用于容納固相萃取盤的檢測(cè)器接口， 3D 打印裝置與多注射器流動(dòng)注射分析技術(shù)（MSFIA）結(jié)合，用于Cr（Ⅵ）的在線衍生、預(yù)濃縮以及光學(xué)檢測(cè)，能夠一站式實(shí)現(xiàn)含Cr（Ⅵ）樣品與1，5-二苯卡巴肼（DPC）的自動(dòng)混合、絡(luò)合、吸附和洗脫全過(guò)程。該平臺(tái)具有良好的溶劑穩(wěn)定性，日內(nèi)與日間重現(xiàn)性分別為4.8%和3.4%，該方法對(duì)Cr（Ⅵ）的線性檢測(cè)范圍為1.6～300 ng/mL， 檢出限為0.5 ng/mL， 加標(biāo)回收率為95%～105%。

3D 打印技術(shù)除了能制造具有特殊結(jié)構(gòu)的器件而簡(jiǎn)化操作外，還能將多步驟實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行小型化和集成化，例如集成單個(gè)墨盒大小或設(shè)計(jì)成微流體芯片而實(shí)現(xiàn)固相微萃取。Hantao 研究組[59]通過(guò)熔融沉積（FDM）3D 打印技術(shù)制備了一次性的微流體平臺(tái)，并應(yīng)用于石油加工領(lǐng)域（圖4）。該研究組在25 mm×50 mm×10 mm 的微芯片內(nèi)填充Celite 545 活性硅藻土作為固定相，用于石油樣品的萃取與制備，將痕量石油樣品的處理時(shí)間縮短至原來(lái)的1/10，具有高溶劑耐受性，對(duì)馬青烯的萃取回收率為98%。Barron 研究組[60]構(gòu)建了可多維組裝的3D 打印固相萃取模塊，可以無(wú)篩板封裝多種市售吸附劑顆粒。該裝置對(duì)多種基質(zhì)中微量爆炸物的回收率大于70%，檢出限低至60～154 pg（與市售SPE 相當(dāng)），可多維組裝的結(jié)構(gòu)提高了裝置的便攜性和應(yīng)用的靈活性。Maya 研究組[61]報(bào)道了一種含有多孔篩板的3D 打印濾芯，通過(guò)優(yōu)化篩板厚度與打印取向，可獲得孔隙率最佳的篩板，并通過(guò)在打印濾芯內(nèi)填充商品化吸附劑構(gòu)建完整的固相萃取裝置。該裝置在分離模式上具有高度通用性，總體積僅為28 mm×12 mm×1.6 mm。Belka 研究組[62]設(shè)計(jì)并3D 打印了一種簡(jiǎn)單的提取容器，解決了分散固相萃取（Dispersive SPE， DSPE）過(guò)程中液固兩相分離困難與可靠性較差的難題。

除了構(gòu)建固相萃取器件， 3D 打印技術(shù)還能制造萃取固定相的載體，通過(guò)構(gòu)建高度復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)增大材料的比表面積，提升固相萃取效率。Ceballos 等[63]設(shè)計(jì)了一種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的3D 打印固相萃取裝置，在小體積組件內(nèi)將小立方體單元以面心立方的形式堆積起來(lái)，獲得了更高的比表面積和吸附性能，同時(shí)避免了經(jīng)典SPE 使用過(guò)程中出現(xiàn)的柱床易堵塞的問(wèn)題。該裝置將商品化樹(shù)脂固定在未固化的打印器件表面，用于選擇性吸附U（Ⅵ）， 10 次重復(fù)萃取實(shí)驗(yàn)的萃取效率均大于90%。Gupta 等[64]設(shè)計(jì)了一種具有3D 分支結(jié)構(gòu)的固相萃取通道裝置，通過(guò)復(fù)雜的3D 分支結(jié)構(gòu)延長(zhǎng)樣品在萃取裝置中的駐留時(shí)間，以期獲得更高的萃取效率。上述工作均為搭建小型化、低成本和高效的樣品預(yù)處理平臺(tái)提供了良好的解決方案，后續(xù)將通過(guò)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)3D 打印自定義制造能力并結(jié)合更多樣化的固相萃取材料，充分挖掘3D 打印技術(shù)在固相萃取領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

除了打印固相萃取器件外，一些3D 打印材料的化學(xué)特性及功能化的特點(diǎn)使其自身具有吸附特性，因此， 3D 打印技術(shù)也可直接打印固相萃取固定相柱床。Su 等[65]以光固化3D 打印機(jī)和聚丙烯酸酯聚合物為打印材料，制備了一種固相萃取裝置（圖5），用于選擇性地從海水樣品中提取痕量元素和去除部分鹽基質(zhì)。該裝置的提取通道內(nèi)規(guī)則地排列著立方體陣列，極大地提高了萃取效率；通過(guò)與質(zhì)譜系統(tǒng)聯(lián)用，該裝置表現(xiàn)出高的檢測(cè)靈敏度和可忽略的基質(zhì)干擾效應(yīng)。隨后，該研究組[66]通過(guò)改進(jìn)打印方案與柱結(jié)構(gòu)提升萃取裝置的性能，采用雙打印頭熔融沉積成型（FDM）的方式同時(shí)打印有ABS 樹(shù)脂外殼和多孔復(fù)合材料內(nèi)芯的復(fù)合柱體，其中，柱體Lay-Fomm 40 材料對(duì)Mn2+、Co2+、Ni2+、Cu2+、Zn2+、Cd 和Pb2+的萃取效率均高于99.2%。Simon 等[67]基于光固化3D 打印技術(shù)制造了基于光固化相分離的多孔空心柱體結(jié)構(gòu)吸附器。通過(guò)將帶正電荷的季胺基團(tuán)與丙烯酸酯基團(tuán)的雙功能單體與生物相容交聯(lián)劑聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）共聚制備具有陰離子交換性質(zhì)的吸附材料，并采用聚乙二醇制孔增大材料的比表面積，使得該吸附器在牛血清白蛋白（BSA）與c-藻藍(lán)蛋白（CPC）的吸附實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出與商品化季胺吸附劑相當(dāng)甚至更優(yōu)的吸附性能。Carrasco-Correa 等[68]設(shè)計(jì)并制備了具有空心柱體結(jié)構(gòu)的吸附裝置，用于實(shí)現(xiàn)廢水中雙氯芬酸的免疫親和萃取。

3 總結(jié)與展望

3D 打印技術(shù)具有高度自由和快速靈活的制造能力，為制造色譜分離系統(tǒng)各部組件提供了一種全新的解決方案，并已在多個(gè)色譜應(yīng)用領(lǐng)域取得初步的研究成果，在色譜理論研究和實(shí)際應(yīng)用方面極具潛力。首先， 3D 打印技術(shù)高自定義的制造能力使以往許多僅存在于理論中的模型和結(jié)構(gòu)得以制造出來(lái)，并以此探索色譜分離的機(jī)理，突破現(xiàn)有色譜分離的極限。其次， 3D 打印技術(shù)能根據(jù)實(shí)際分離的對(duì)象與任務(wù)快速定制出所需的分離裝置，可高效且低成本地解決實(shí)際分離難題。同時(shí)， 3D 打印技術(shù)高度自動(dòng)化和可重現(xiàn)的特點(diǎn)使其能快速地被用戶掌握，更有利于該項(xiàng)技術(shù)的推廣與使用。

然而， 3D 打印技術(shù)的推廣應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)。（1）常規(guī)3D 打印技術(shù)的加工精度在101～102 μm 之間，遠(yuǎn)大于實(shí)際色譜柱和萃取柱中填料顆粒的尺寸，這一方面使得3D 打印的色譜柱床和萃取柱床受限于打印精度，難以超越或匹敵現(xiàn)有商品化的分離或萃取效果；另一方面導(dǎo)致3D 打印色譜柱床模擬的色譜分離過(guò)程無(wú)法完全擬合實(shí)際過(guò)程，極大地限制了3D 打印技術(shù)在色譜分離領(lǐng)域中的應(yīng)用。但是，如果采用雙光子打印技術(shù)（打印精度可低至20 nm）制造色譜柱或分離器件，可提升打印精度，但是也極大地提高了加工的時(shí)間和成本，反而不利于該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。（2）常用的3D 打印材料多為有機(jī)聚合物體系，但這類材料的化學(xué)耐受性和熱穩(wěn)定性不佳，壽命不長(zhǎng)，無(wú)法在色譜領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用；機(jī)械強(qiáng)度高、化學(xué)耐受性好、熱穩(wěn)定性優(yōu)良的無(wú)機(jī)材料或金屬材料則存在加工難度大和打印精度較差等問(wèn)題。（3）無(wú)論是萃取還是分離，都需要柱床具有豐富的孔道，以此提供足夠的作用位點(diǎn)進(jìn)行吸附和分離，而常規(guī)3D 打印制造出的材料多為實(shí)心結(jié)構(gòu)，需要在打印體系中額外摻雜致孔劑提升材料的孔隙度，這種方法難以平衡材料本身的通透性和比表面積，導(dǎo)致打印出的材料與經(jīng)典的色譜柱和萃取裝置存在差距。

盡管3D 打印技術(shù)在色譜應(yīng)用中還有著諸多的限制和不足，但隨著3D 打印技術(shù)的不斷發(fā)展和材料科學(xué)的持續(xù)進(jìn)步， 3D 打印技術(shù)有望解決和突破上述問(wèn)題，充分發(fā)揮其高度自定義制造的能力，為色譜的實(shí)際應(yīng)用和理論研究提供強(qiáng)有力的工具支持。

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