氣相色譜（GC）和高效液相色譜（HPLC）早已進入生物技術領域。而將這兩種分離技術與頂空固相微萃技術 (SPME-HS) 相結合，則可用小型實驗的方式在經典的頂空小瓶中對酶反應和物質轉化過程方便地監測和精確地復制。
在酶和微生物反應過程中起始物質借助于生物催化劑例如酶、微生物、植物和動物細胞的作用被轉化為具確定化學組成的物質，反應在10~40℃，pH5~9的范圍內進行。起始物被轉化成具有地域選擇性或對映選擇性的物質，那些活化了的目標分子仍保持著它們的結構。為了檢測和評價物質的轉化，需要一種能夠按照特定條件進行計算的分析技術。GC和HPLC可滿足這種要求，且已在生物分析實踐中得到成功運用，采用手性分離柱就可將生物反應產物與起始物分開。
當前技術的弱點
迄今可供使用的微滴板和搖動裝置在反應和分析單元中一直是互相分開使用的，雖然在采用常規的光學測量方法時情況并非如此，可是它所提供的信息內容卻遠遠不及采用現代GC和HPLC系統產生的信息。根據一項研究和發展計劃，由柏林的Bioworx公司與色譜專家Gerstel以及富有經驗的用戶進行合作，共同開發了這種Gerstel-MPS-生物掃描系統，只需進行少量實驗便能獲得關于各種生物化學過程的大量信息，并能快速得到轉化的結果，全部過程自動化。
實驗的建立
反應體系應具有滅菌和可密封的容器，該系統的容積應能允許一臺自動進樣器工作、允許進行有效的手動操作以及高的樣品流通量。按照勻質性和嗜氧性微生物的生長要求，樣品應混合均勻，而且允許以既隔絕空氣又可通氣的方式進行密封。研究表明，GC 可以對正在進行的生物過程的反應動力學方便地實施監控和分析，而且是在GC的頂空小瓶中進行。通過對頂空小瓶瓶蓋的改進，確立了嗜氧性和厭氧性進行的生物過程，并用1~15ml體積實現了反應的重現性。為使這類色譜分析和監測自動進行，需要使用機動靈活的自動進樣器。這里采用的是Gerstel多用性進樣器（MPS），一種適用于氣相和液相色譜實驗室用的可自由編程的XYZ三維機器手。
為完成生物技術和生物分析方面的任務，這種MPS進樣器特裝配了一種低電感運行的磁攪拌器，用這種磁攪拌器可將頂空小瓶控溫于10~120℃范圍之內。
樣品前處理方法的改進
樣品的前處理可以根據個性化的要求通過選擇理想的混合方式和混合速度加以顯著改進。其中之一是對樣品不用搖動而用攪拌的方法進行制備。按照專家意見這樣做可以保護SPME-纖維。攪拌器007裝備有6個樣品瓶位，另一擴展裝置則采用32個樣品位進行工作。頂空小瓶適用于微生物和細胞培養。采用一種帶螺紋的不銹鋼瓶帽對小瓶的密封進行了必要的改進。對于厭氣性研究研發了一種膜密封，而對于嗜氧性研究和嗜氧性細胞培養研發了透氣性密封蓋（多孔硅）。實驗用的小瓶可以帶介質和不帶介質的方式在蒸汽滅菌裝置中于121℃進行滅菌。
通過與柏林工業專科學校的共同研究，確定了10~20mlSPME和HS-小瓶在何種程度上適用于生物轉化系統。對于不同的物質群優化了填充高度和測量方法，并研究了如何將這些生物活性物質的分析傳遞到生物轉化系統上去，所獲得的測試結果表明具有良好的重現性。
由于這種SPME-HS分析法較之于普通市售的頂空技術靈敏得多，即使是較低的物質濃度也能順利檢出。由苯乙酮轉化為苯乙醇時的測量證明：在苯乙酮產生的信號增強了85倍，而在苯乙醇產生的信號甚至增強了480倍。這是通過加入一種對于醇具選擇性的固相微萃物質達到的。因此，實驗的關鍵是如何讓SPME-HS測量方法適合于待分析物質的要求。
對不同的生物轉化都是采用直接的SPME-HS監測來進行的，借助于校正曲線可以根據所測峰面積計算出相應的轉化率。由苯乙酮轉化為苯乙醇的兩種不同濃度的情況，顯示已成功建立氣相平衡（圖1）。測量時兩種實驗都是在氣室中利用SPME-HS進行的，由此得到平滑和均勻的轉化曲線。通過微生物進行轉化時加入0.25%苯乙酮的轉化率為90%，而加入0.5%苯乙酮的轉化率為一半。在諸如2-辛酮時這種SPME-HS監測法也顯示出良好的重現性。
為了說明測量過程中SPME-HS吸附動力學的特點，對于標準物質都記錄了采用不同SPME-HS材料的飽和曲線。過程表明，固相微萃針在小瓶氣室中的培養時間連續地增加，直至所測峰面積不再成比例地增加以至不再增加。從圖2可以看出，苯乙酮迅速達到飽和峰面積，而苯乙醇的峰面積即使在15min之久仍然未達穩定值。隨著培養時間的增加，氣室中苯乙醇的富集平衡向針的方向移動。重要的是需要準確保持頂空固相微萃針的培養時間。為考察SPME測量的重現性，對加有分析混合物質的標準進行了多次測量，并對結果的標準偏差和百分誤差進行了計算。圖3顯示了兩種典型的離析物/產物混合物的中值及其偏差。盡管在標準偏差相同的情況下，對于數值較小的測量而言，其（相對）誤差會更顯著一些，不過由于誤差都很小，所以對于掃描體系的應用來說精密度和重現性都是良好的。
圖1. SPME-測量法應用于0.25%和0.5%的苯乙酮（AP）的微生物轉化。
圖2. 分析物質在SPME-纖維上的吸附。
圖3. 采用不同離析物/產物時（物質50:標準50）SPME-測量的重現性。
實驗中還運用SPME-HS測量體系對所測試的物質建立了校正工作曲線，檢測了重現性。采用這種校正曲線可以將掃描實驗所測數值換算為物質的轉化率（圖4），正如計算由苯乙酮向苯乙醇的轉化那樣。此處顯示出測量過程良好的線性和重現性（相關系數0.995）。這一測定是將固相微萃針在氣室中的培養時間定為10min時進行的。當然在物質濃度較高時選擇較短時間更有意義。采用2min和5min時間時也得到了良好的重現性。
圖4. 采用SPME-纖維（聚丙烯酸酯）時苯乙酮和苯乙醇的校正曲線。
比例放大的可能性
為了對一定的物質在不同生物催化劑作用下的轉化進行監測和加以改進，我們還在所開發的SPME-HS-GC的反應和分析單元中進行了一系列不同的生物轉化實驗、分析和評估。按照有可比性的小型實驗安排和采用加入物為少量的微生物和測試物質的方式，試驗并確定了為數眾多的加入物種類。具有手性分離柱的氣相色譜可對測量結果進行快速評估。根據對小型化加入物實驗和200~2000ml批量化加入物實驗的平行性研究，可以直接對不同加入量進行比較。比例放大的重要因素是：一致的溫度、具可比性的通風以及可轉移的容積/表面積比。實驗表明在小型化的體系中可以按照大約1：100的比例進行放大而保持結果的良好重現性（圖5）。此外，關于pH值對于微生物活性的影響的研究也很重要。關于溫度、通風和離析物濃度也進行了類似的研究。由此產生了兩組參數，一組是與系統無關而可以對每種加入物進行調節的參數（例如pH、離析物濃度、糖的濃度和進料），另一組與系統有關和與攪拌體系有關（例如溫度以及與攪拌器轉速有關的通風）。這些與系統有關的參數對于大多數掃描體系而言是具典型意義的。就溫度來說，無論是在微滴板上，還是在加熱體中，或者在溫度控制單元內，都可能保持溫度不被改變（圖6）。
圖5. 由4-羥基-2-丁酮還原為1,3-丁二醇時數量的比較。
圖6.在SPME-HS掃描系統中酵母對苯乙酮還原的研究。
前景展望
通過對物質專門和直接的檢測不僅可以描述轉化的量，而且還能說明轉化的質（物質的證實、對映選擇性等）。相對于常規光度檢測法來說這是一個優點。采用氣相色譜可以很快發展一種檢測方法，以簡潔的方式解決由起始物轉變成產物的問題。根據系列實驗所得到的經驗已經制定了一套工作指南用于指導如何運用本系統進行掃描和優化實驗。這種帶有Gerstel-MPS
多用型進樣器生物掃描系統的SPME-HS-GC反應和分析單元為有機合成的發展和生物轉化的研究提供了可能性。利用這種快速掃描實現了在很短時間內在廣譜意義上對生物催化劑進行多達64項平行的分析和評估研究。在這種全自動的裝置上可以每天24h開展實驗。除了能夠開發生物轉化信息外，還可研究降解和物質轉化過程，并且借助氣質GC/MS和液質LC/MS對所生產的降解產物進行跟蹤。