制備型超臨界流體色譜Prep SFC用作純化技術(shù)的應(yīng)用及工作流程介紹

純化的目的是去除所有會影響產(chǎn)品品質(zhì)、造成環(huán)境污染、引入摻雜物或?qū)е庐a(chǎn)品受到污染的物質(zhì)�；瘜W(xué)意義上的純化是指分離物質(zhì)中的各組分并去除雜質(zhì)。從古到今，為了提高生活質(zhì)量，人們運用各種方法來分離和純化化學(xué)物質(zhì)。從藥物發(fā)現(xiàn)到化工材料、天然產(chǎn)物和食品生產(chǎn)，純化都是必不可少的�？傮w而言，純化的目的是分離物質(zhì)、改變混合物組成或去除干擾物。具體而言，研究人員進(jìn)行純化的目的多種多樣，包括結(jié)構(gòu)解析、活性研究、產(chǎn)品配方和產(chǎn)物富集、雜質(zhì)分析等等。面對純化挑戰(zhàn)，市面上有許多復(fù)雜程度和效果各不相同的解決方案。然而，如何實現(xiàn)化合物的高通量分離通常是提升效率的瓶頸。因此，人們迫切需要更快、更高效的純化工具。超臨界流體技術(shù)(SFx)包括一系列基于CO2的技術(shù)，專為精簡純化工作流程而設(shè)計，制備型超臨界流體色譜(Prep SFC)就是其中之一。本初學(xué)者指南將介紹Prep SFC用作純化技術(shù)的原理、應(yīng)用、儀器和工作流程。

SFx技術(shù)簡介
SFC純化的基礎(chǔ)是超臨界流體技術(shù)(SFx)。沃特世SFx技術(shù)包括超臨界流體萃取(SFE)、分析型色譜(UPC2)和制備型色譜(Prep SFC)，它們都以亞臨界或超臨界狀態(tài)的CO2為主要溶劑。SFx技術(shù)采用CO2替代液態(tài)有機(jī)溶劑和水性溶劑，是液相純化技術(shù)的正交技術(shù)，而且更加環(huán)保和經(jīng)濟(jì)有效。之所以說SFx是一項“綠色”技術(shù)，是因為它不產(chǎn)生有機(jī)廢液，可減少環(huán)境影響。相較于LC純化，SFx在速度和選擇性方面均有顯著提升，這意味著從復(fù)雜原料到終產(chǎn)物所需的時間和成本大大降低。隨著儀器技術(shù)的發(fā)展，各種純化應(yīng)用越來越明顯地體現(xiàn)出SFx技術(shù)帶來的分離能力優(yōu)勢。

以CO2為溶劑
超臨界流體是流體壓力和溫度超過臨界值的產(chǎn)物。在臨界點處，氣液兩相間的界面消失，此時高度壓縮氣體的密度與液體密度相近。超臨界流體還具有類似于氣體的高擴(kuò)散性和低粘度。其溶解能力主要與密度相關(guān)，而密度可通過控制壓力和溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。一般來說，密度越大溶解能力越強(qiáng)，降低溫度或增大壓力均可增大密度。另一方面，升高溫度或減小壓力則會使密度變小。圖1所示為CO2的相圖，展示了它從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)的物理變化及其臨界點。
 

很多物質(zhì)在極端條件下才能轉(zhuǎn)變?yōu)槌�臨界狀態(tài)，而且在該狀態(tài)下會表現(xiàn)出某些不良特性。表1所示為幾種物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)槌�臨界流體的條件及其在此狀態(tài)下的特性。不同于其他超臨界物質(zhì)，CO2不可燃、無爆炸危險、無毒性或腐蝕性，因此通常被認(rèn)為是一種十分安全的物質(zhì)。此外，CO2很容易達(dá)到超臨界狀態(tài)（在31 °C和74 bar下），因此人們能夠在可接受的溫度和壓力范圍內(nèi)控制其密度。不僅如此，由于臨界溫度相對溫和，它還適用于處理熱不穩(wěn)定樣品。CO2還易于通過其他工業(yè)工藝回收，因而價格相對低廉；這意味著它對環(huán)境CO2水平的影響是中性影響。上述所有優(yōu)勢使得CO2成為了超臨界流體技術(shù)最常用的物質(zhì)。
 

SFC一般采用正相色譜分離原理。SFC與HPLC的不同之處在于，SFC采用CO2替代非極性液態(tài)組分（例如正己烷和庚烷）作為流動相的主要組分。由于超臨界CO2是可壓縮流體，因此壓力和溫度是控制溶劑強(qiáng)度，進(jìn)而影響色譜保留時間和選擇性的重要參數(shù)。超臨界CO2是色譜純化的理想之選，因為其不可燃、無毒并且具有高擴(kuò)散性、低粘度和出色的溶解能力。近年來，得益于節(jié)省溶劑和高效率的優(yōu)勢，SFC備受純化實驗室青睞。

Prep SFC優(yōu)勢：節(jié)省溶劑

由于采用CO2替代了大部分流動相，Prep SFC的主要優(yōu)勢之一是溶劑用量少。這一優(yōu)勢在分析級分離中也許并不明顯，但在制備級分離中效果相當(dāng)顯著。許多純化實驗室都需要花費相當(dāng)多的時間從餾分中去除溶劑，這極大制約了化合物純化完成后獲得目標(biāo)產(chǎn)物或結(jié)果的效率。在Prep SFC中，流動相中的CO2通過降壓即可除去，只剩下少量助溶劑。所得餾分中的產(chǎn)物濃度也更高，縮短了去除溶劑和產(chǎn)物分離所需的時間。餾分還可以直接用于分析，無需進(jìn)行樣品富集或濃縮。對于那些在普通長時間干燥條件下會發(fā)生降解的化合物而言，這一點至關(guān)重要。

SFC有機(jī)溶劑用量較低帶來的其他優(yōu)勢還包括節(jié)約成本、更安全（就可燃性和毒性角度而言），以及對環(huán)境影響更小等等。在溶劑購買和處置方面，SFC的成本優(yōu)勢相當(dāng)可觀；除此之外，由于去除溶劑所需的能耗更低，還能進(jìn)一步節(jié)省成本。SFC還可避免使用有毒溶劑，例如RPLC使用的乙腈以及NPLC使用的脂肪烴和氯化物溶劑。作為其他工業(yè)工藝的副產(chǎn)物，CO2價格相對低廉，而且可以循環(huán)使用。

Prep SFC優(yōu)勢：提高工作效率

SFC效率的提升得益于流動相的低粘度和高擴(kuò)散性對色譜分析速度和效率的提升。圖4比較了HPLC、UPLC、SFC和UPC2的Van Deemter曲線。在色譜分析中，分離速度部分取決于溶質(zhì)在流動相中的擴(kuò)散速度及其進(jìn)出固定相的速度。SFC的Van Deemter曲線比HPLC更寬更平，這表示SFC在流速（線性流速）增大的情況下仍能保持較高的色譜效率（低塔板高度）。SFC的高擴(kuò)散系數(shù)直接轉(zhuǎn)化成了更快的色譜分析速度。