超临界流体色谱法

1超临界流体色谱法

色谱是用于样品组分分离的一种方法，组分在两相间进行分配，一相为

固定相，另一相为流动相。固定相可以是固体或涂于固体上的液体，而流动

相可以是气体、液体或超临界流体。超临界流体色谱(Supercritical fluid chromatography) 就是以超临界流体做流动相依靠流动相的溶剂化能力来进

行分离、分析的色谱过程。它是集气相色谱法和液相色谱法的优势而在20

世纪70年代发展起来的一种色谱分离技术。超临界流体色谱不仅能够分析

气相色谱不宜分析的高沸点、低挥发性的试样组分，而且具有比高效液相色

谱法更快的分析速率和更高的柱效，因此得到迅速发展。

1.1概述

1.1.1超临界流体及其特性

自从1869年Andrews首先发现临界现象以来，各种研究工作陆续展开，

其包括1879年Hannay和Hogarth测量了固体在超临界流体中的溶解度，1937年Michels等人准确测量了二氧化碳临界点的状态等等。对于某些纯

净物质而言，根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，即具有三相点和临界点，纯物质的相图如错误!未找到引用源。所示。在温度高

于某一数值时，任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相，此时的

；而在临界温度下，气体能被液化的最低压力称

温度即被称之为临界温度T

c

为临界压力P

。在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、

c

介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。当物质所处的温度高于临

界温度，压力大于临界压力时，该物质处于超临界状态。温度及压力均处于

临界点以上的液体叫超临界流体(Supercritical fluid，SF)。

图 1-1 纯物质的相图

超临界流体由于液体与气体分界消失，它的流体性质兼具液体性质与气体性质，见错误!未找到引用源。所示。从错误!未找到引用源。中的数据可知，超临界流体的扩散性能和粘度接近于气体，因此溶质的传质阻力较小，能更迅速地达到分配平衡，获得更快速、高效的分离。另一方面，密度与液体相似，这样可以保证超临界流体具有与液体比拟的溶解度，因此在较低的温度下，仍然可以分析热不稳定性和分子量大的物质，同时还能增加柱子的选择性。此外，超临界流体的扩散系数、粘度等都是密度的函数。通过改变液体的密度，就可以改变流体的性质，达到控制流体性能的目的。

表 1-1 气体、液体和超临界流体的物理性质的比较

名称密度

ρ/g·ml-1

粘度

?/g(cm·s)-1

扩散系数

D/cm2·s-1

气体常压（15-

60℃）

×10-3(1-3)×10-4超临界流体

T c,P c-

T c,4P c

液体（有机溶

剂，水，15-

60℃）

1.1.2超临界流体色谱法及其特点

超临界流体具有液体相似的溶解能力，溶解能力比气体大，能溶解固体物质，这种溶解性质被用于分离过程，最先用于萃取技术-超临界流体萃取法（supercritical fluid extraction, SFE）。后来，将超临界流体用作色

谱的流动相，建立了超临界流体色谱法。

SFC因其超临界流体自身的一些特性，使得SFC的某些应用方法具有超过

液相（LC）、气相（GC）两者的有点，有其独到之处，但它并不能取代这两

类色谱，而是它们的有力补充。

1.SFC与GC的比较

a)SFC可以用比GC更低的温度，从而实现对热不稳定化合物进

行有效的分离。由于柱温降低，分离选择性改进，可以分离

手性化合物。

b)由于超临界流体的扩散系数比气体小，因此SFC的谱带展宽

比GC的要窄。

c)SFC溶剂能力强，许多非挥发性组分在SFC中溶解度较大，可

分析非挥发性的高分子、生物大分子等样品。

d)选择性较强，SFC可选用压力程序、温度程序，并可选用不同

的流动相或者改性剂，因此操作条件的选择范围较GC更广。

2.SFC与LC的比较

a)分析时间短，由于超临界流体粘度低，可使其流动速率比高

效液相色谱（HPLC）快得多，在最小理论塔板高度下，SFC的

流动相速率是HPLC的3-5倍左右，因此分离时间缩短。

b)总柱效比LC高，毛细管SFC总柱效可高达百万，可分析极其

复杂的混合物，而LC的柱效要低得多。当平均线速率为

cm/s时，SFC法的柱效可为HPLC法的4倍左右。

c)SFC的检测器应用广。SFC可连结各种类型的GC、LC检测器，

如氢离子火焰（FID）、氮磷检测器（NPD）、质谱（MS）、

傅里叶变换红外光谱（FTIR）以及紫外（UV）、荧光（FLD）

等检测器。

d)流动相消耗量比LC更低，操作更安全。

通常，在SFC中由于极性和溶解度的局限，使用单一的超临界流体并不能

满足分离要求，需要在超临界流体中加入改性剂。在SFC中，选择性是流动

相和固定相两者的函数，在GC中溶质的保留受流动相压力及其性质的影响

较小，故选择性基本上是固定相的函数，在LC中可用梯度洗脱，改变流动

相的性质，从而影响溶质的保留。在SFC中流动相的极性也可采用梯度技术

（加入改性剂）加以调整，达到与LC同样的梯度效果。同时，SFC中的压

力程序（通过程序升压实现流体的密度改变达到改善分离的目的）相当GC

中程序升温技术。

1.1.3超临界流体色谱法的分类

超临界流体色谱根据所用的色谱柱不同可分为两种，用填充柱的称为填充

柱超临界流体色谱（packed column supercritical fluid chromatography, pcSFC），用毛细管柱的称为毛细管超临界流体色谱（capillary supercritical fluid chromatography），两者各有所长并已建立了相应的

方法和理论，相比较而言，毛细管SFC具有更多优点，但目前填充柱SFC应

用更广泛些。超临界流体色谱中的填充柱可使用普通HPLC中的色谱柱，目

前已有部分商品化专用于SFC的填充色谱柱。

根据色谱过程的用途，也可分为两种，分析型SFC和制备型SFC。分析型SFC主要用于常规的分析。制备型SFC常用超临界二氧化碳作为流动相，由

于二氧化碳便宜、环保、安全的特点，而得到广泛应用。而且二氧化碳在常

温下易除去，样品的后处理过程较制备型HPLC简单，因此制备型SFC应用

广泛，特别是在手性制备的领域。

1.1.4超临界流体色谱的发展

用超临界流体作色谱流动相是由Klesper等人于1962年首先提出的，他

们首先报道了用二氯二氟甲烷和一氯二氟甲烷超临界流体作流动相，成功地

分离卟啉衍生物，之后发展了填充柱SFC的技术，用以分离聚苯乙烯的齐聚物。随后Sie和Rijnderder等人又进一步研究了SFC的方法，研究了二氧

化碳、异丙醇、正戊烷等作流动相的问题，并以此技术分析了多环芳烃、抗

氧化剂、燃料和环氧树脂等样品。60年代末，由于Sie和Giddings等人的

卓越工作，解释了SFC在各方面的应用潜力，并于是了SFC的前途极其光明。在这个时间，也是HPLC高速发展的时期，而SFC的发展却不如HPLC那么迅速，这主要是在使用超临界流体时遇到了一些实验方面的问题，所以发展较慢。直到80年代初，SFC才开始焕发出新的光辉，得到了日趋完善的发展。

1981-1982年惠普公司在皮茨堡会议上发布了SFC色谱仪，在此期间

Berger和Gere等人进行了一系列的研究。此后这一技术得到了迅猛的发展，研究论文数急剧增加，其他科学公司也相继推出了超临界流体色谱的商品仪器。SFC在发展之初，着重于毛细管柱的使用，当时的主要研究者来自于GC

领域而非HPLC领域。但是，随后SFC的发展遇到瓶颈，毛细管SFC很难满

足药物中极性化合物的分析，而且该技术的一些固有的缺点，仪器条件要求