13 超临界流体色谱和超临界流体萃取

★ 超临界流体的特性 ★ 超临界流体色谱的特点 ★ 超临界流体萃取

超临界流体技术是近代分离科学中出现的高新技术。

超临界流体 Supercritical FluidP/P

a

T/℃

Solid

Gas

Liquid

Supercritical fluid

Triple point

Critical point

Density changeable

三相点

临界点

超临界流体

超临界流体

在较低的温度下，增加气体压力时气体会转化成液体；当温度升高时，液体体积增大或转化为气体，即物质在三相点下，气、固、液处在平衡状态。但对于某些特殊物质而言，存在这样一个临界温度 Tc 和临界压力 Pc ，在高于 Tc 和 Pc 情况下，物质不会成为液体或气体，这就是常说的物质临界点。在临界点以上的范围内，物质状态介于气体和液体之间，这种流体称为超临界流体（ Supercritical Fluid ）。

Gas

Liquid

T

PSupercritical Fluid

Comparison of the physical properties of gas, liquid and supercritical fluid

gas supercritical fluid liquid

Diffusion coefficient, cm2/s 10-1 10-4 10-5

Density, g/mL 10-3 0.8 1

Viscosity, g/cm s 10-4 5×10-4 10-2

SFC 比 HPLC 的柱效高 , 分离速度快SFC 比 GC 的柱温低 , 易于分离热不稳定的大分子化合物

表 13.1 流体的一些物理性质比较 流体 密度 (g/mL) 动态粘度 (g/

(cms))扩散系数 (cm

2/s)

气体 (101.3kPa, 21)℃

(0.6~2)×10 － 3

(1~3)×10 － 4

0.1~0.4

超临界流体 (Tc, Pc~4Pc)

0.3~0.8 (1~3)×10 － 4

10 － 4~10 － 3

有机溶剂（室温） 0.6~1.6 (0.2~3) ×10-2

(0.2~3) ×10 － 5

“ 超临界状态是一种亚稳态”

表 13.2 一些超临界流体的性质

流体 Tc / ℃

Pc / 1E6 Pa

超临界点的密度 / gcm-2

在 4E7 Pa 下的 密度 / gcm-2

CO2 31.1 72.9 0.47 0.96

N2O 36.5 71.7 0.45 0.94

NH3 132.5 112.5 0.24 0.40

n-C4H10

152 37.5 0.23 0.50

CO2 安全、环保、便宜！操作条件比较温和？

超临界流体色谱 超临界流体色谱是以超临界流体为流动相的一种色谱方法。 1962 年 Klesper 发表“用超临界的二氯二氟甲烷、二氯一氟甲烷等分离镍卟啉异构体”的第一篇超临界色谱论文。 1981 年 Novotny 和 Lee 首次报道了毛细管超临界色谱技术。但 1990s 开始淡出仪器领域。 据估计，色谱分离中约有 25% 涉及到难于挥发（ G

C ）或无检测基团（ LC ）的化合物，可通过超临界色谱可以取得较为满意的分离结果。 注意：这只是早期研究的估计！目前并没有这么的实际应用。

超临界色谱的特点     适合于分析蒸气压低和热稳定性差的样品   SFC 流体和 LC 流动相一样，对样品有分离作用（不同于 GC ）    超临界流体的粘度比液体低，可以使用比液相色谱更大的线速度（接近于 GC ）以提高分析速度，或采用更长的色谱柱以增加柱效    溶质在超临界流体中的扩散系数介于气体和液体之间， SFC 的分析速度比 HPLC 快，但比 GC

慢    程序升压的作用相当于程序升温和梯度洗脱  SFC 既可以采用 HPLC 检测器，也可以采用GC 检测器。这与限流阀的位置有关 。

超临界色谱在分离效能和分析速度方面兼有气相色谱和高效液相色谱的优点。

SFC 能否取代 HPLC 和 GC ？

从理论上讲， SFC 即可分析 GC中不适用的高沸点、低挥发性样品和 HPLC 中缺少检测功能团的样品，它又比 HPLC 有更高的柱效和更快的分析速度。 SFC 可弥补 GC和 HPLC 在分析性能上的某些不足，分离效能和分析速度介于两种色谱方法之间，但实践表明， SFC 不可能取代 HPLC 和 GC （物态稳定性和仪器设备的差异），实际应用也不多。 SFC 可选用 GC和 HPLC 的检测器，与 MS、 FTIR 等联用也比较方便，从而使其在定性定量方面有较大的选择范围。 SFC 不失为难挥发、易热解的高分子化合物、天然产物的一种有效快速的分离方法。

Syringe pump

Sample

stove

Column

restrictor

Detector

超临界流体色谱仪Supercritical Fluid Chromatograph

超临界流体色谱仪 高压泵箱；精密恒温箱（进样器、色谱柱和检测系统）；控制和数据系统 SFC 的输液方式1）常压气体，通过减压阀和升压泵泵入色谱柱2）常温常压下为液体，采用无脉动注射泵输送流体 超临界流体色谱仪与高效液相色谱仪有两个主要差别：恒温色谱柱（控制临界温度）和限流器（反压装置）。

超临界流体源 色谱炉温摄氏 200 度以下

限流器的作用 限流器的作用是在它的两端保持不同的相态，并通过它实现相态的瞬间转变，即超临界态向气态转变。超临界流体在整个系统中以一定压力和温度控制。

色谱柱可用 LC的内径 1mm 的 ODS 微型柱或小于 0.5mm 的填充毛细管柱，但更多的是采用GC中的交联硅氧烷毛细管柱。 常用的流动相： CO2 + （ 1-10 ） % 极性改性剂（甲醇、二氯甲烷等）。

检测方式

UV

FID

超临界色谱的流动相通常是“高压流体，常压气体”。

原则上可利用 LC和 GC 的检测方法。实际过程主要考虑不同的流体和检测方法的匹配问题，即限流器的放置位置。

常用的检测器是 FID （高压）和 UV（大气压）。

在分析分离方面的迂回曲折G.Guiochon, Am Lab 1998, (9) 14~15 ；傅若农译，国外分析仪器技术

与应用， 1999 ，（ 1 ） 66~67 ( 请阅读原文，探讨 HPCE 的命运！ )

SFC 的三次起落： 1 ． 60’s 的先驱性研究； 2 ． 80’s 初形成浪潮，认为会掀起分析方法的革命； 3 ．目前，大公司纷纷撤去 SFC 分离设备，放弃进一步发展的计划。 无疑， SFC 具有一些独特用途，但是它被挤在 GC

和 HPLC 之间，而 GC 和 H

PLC 已成为广泛应用的技术。

一种新的分析分离技术要获得成功和普及并成为定量分析方法必须： 1 ．易于使用，操作费用低； 2 ．能够得到准确、可重复的定量结果； 3 ．要能够解决至少一个分析化学中的重要问题。 如， 60’s 的 GC 用于石油和石化产品分析； 70’s 的 HPLC用于药物、代谢物和生物化学品的分析。

超临界流体萃取（ Supercritical Fluid Extraction, SF

E ）

绿色 绿色化学 绿色萃取

与传统的溶剂萃取、 Soxhlet 萃取和超声波萃取等技术相比，超临界流体萃取法具有萃取效率高、速度快、成本低、溶剂用量少和没有溶剂残余等优点。特别是常用的超临界流体在常压下多为气体，易同萃取溶质完全分离，使样品得到充分的浓缩而不干扰下一步的分析，易于联机应用等优点，是一种洁净的提取技术和较理想的样品前处理“清洗技术”。

超临界萃取原理 超临界萃取是基于分离组分溶解度及其与超临界流体分子间作用力的差别，当超临界溶剂流过样品时，使分离组分与样品基体分离。 由于超临界流体不仅有好的溶剂化能力，比液体有更大的扩散系数，而且它的表面张力几乎接近零，即它较容易渗透到一些固体的孔隙里，以使分离效率和速度大为提高。

CO2 ： 压力

密度

Non Polar polar

类似 Hex MeOH

超临界萃取的特点 CO2 有毒吗？

     基本解决了溶剂对环境的污染 : CO2 流

体

    萃取时间短 : 15 ~ 45 min

    萃取更彻底

    可进行热敏样品及痕量样品萃取

    节省萃取费用

超临界萃取装置

SF

P

萃取池

限流阀收集器

超临界萃取操作技术 超临界萃取首先要选择合适的流动相，以使它对溶质有足够的溶解能力，同时要仔细选择操作温度、压力、时间和改性剂的量等。1）超临界萃取剂：最常用 CO2 或 CO2＋添加剂2 ）操作方式 ① 静态：一定的 T、 P和 t（封闭） ② 动态：一定的 T、 P流过样品 t时间 “脉冲方式” ③ 循环：经济，但易污染系统3）分步萃取：利用不同密度的超临界流体对溶质溶解能力的差别进行分步萃取。可分为离线和在线两种。4）样品粒度：减少被抽物的粒度将极大地改善两相间的传质，从而提高萃取效率。

应用举例¶ 食品工业： 1979 年德国建造了第一座 SFE 工业规模的装置，用于萃取绿咖啡豆中的咖啡因¶ 分析化学样品制备 # 从家禽脂肪中萃取农药，同时进行净化 # 从豆粉中彻底除去类脂物 # 从小麦样品中提取农药¶ 联用技术

实验条件：温度

压力： 2000 ， 5000 ， 10000pai

添加剂，如乙醇

超临界萃取能够将固体或半固体样品中需要测定的成分快速有效地萃取出来，而色谱又是成分分析的一种很重要的手段，因此将这两种方法有机结合起来，将更好地完成对固体抽取物成分分析。 1 ）  啤酒花成分的超临界萃取 利用不同密度流体对溶质溶解度能力的差异进行分布提取是超临界萃取的常见技术。如啤酒花中成分的分步提取 /CO2 流体：    密度为 0.3 g / mL ，提取啤酒花中的精油   密度为 0.7 g / mL ，提取啤酒花中的苦酸和甘油三酸酯   密度为 0.9 g / mL ，提取啤酒花中的其它成分

2 ）环境样品中多环芳烃的超临界萃取

   基体被超临界溶剂溶胀；

  多环芳烃从溶胀了的基体活性点脱附；

   脱附后的多环芳烃扩散溶解于超临界溶剂中，并随其流出萃取池。

Semtex 塑料炸药的 SFE-GC-ECD 离线分析

Semtex是一种塑料炸药，由苯乙烯 -丁乙烯共聚物、烃油中的六羟基 1 ，3， 5-三硝基 -1 ， 3， 5-三氮烷（ RDX）组成。这种烈性炸药曾被恐怖分

子用于罗克比上空炸毁泛美 103航班。但 RDX在室温下的蒸汽压仅 0.006ppb，远低于 GC-ECD 检测限，因而无法分析。

采用 SFE 浓缩、离线 GC-ECD 检测获得满意结果。

季戊四醇四硝酸酯