UPC2超高效合相色譜：色譜新品類賦予科學家新的想象力

　　Pittcon 2012，Waters?再次技驚四座，其新型超高效合相色譜UPC²?獲得Pittcon編輯選擇獎金獎，這是繼8年前UPLC?推出并獲Pittcon 2004金獎后，Waters對于現代分離科學的又一大貢獻。在第三屆質譜論壇上，分析測試百科網記者有幸采訪到沃特世科技（上海）有限公司中國市場發展總監 舒放先生、沃特世公司北方區運營經理 薄美萍女士、以及北京師范大學質譜中心主任謝孟峽教授，他們共同回答了超高效合相色譜新技術、Waters同中國客戶的合作等記者關心的問題，小編總結于此，希望能帶給您新的啟示…..

沃特世科技（上海）有限公司中國市場發展總監 舒放先生（左）、北京師范大學質譜中心主任謝孟峽教授（中）、沃特世公司北方區運營經理 薄美萍女士（右）

UPC²：開創色譜新品類 賦予科學家新的想象力

　　UPC²名稱的涵義是：UltraPerformance Convergence Chromatography，即超高效合相色譜。

　　在第三屆質譜論壇上，沃特世中國市場發展總監舒放先生為新型合相色譜賦予了中國傳統哲學的五大理念，分別為：（1）中合：氣液合體。（2）匯聚：技術合璧。（3）應當：天作之合。（4）匹配：組合優勢。（5）全滿：合效分析。其演講令人印象深刻。

　　那么UPC²是一臺什么樣的儀器？為何能夠獲得Pittcon 2012金獎？

　　我們先來回顧一下歷史：

　　2009年，Waters收購了生產超臨界流體色譜系統（SFC）的專業公司——泰爾儀器公司（Thar Instruments, Inc.）（http://www.antpedia.com/news/39/n-30339.html ）

　　2011年，Waters推出ACQUITY UPSFC?系統，這是一套建立在UPLC技術之上的超臨界流體色譜系統，結合了亞2μm填料和高效超臨界流色譜(supercritical fluid chromatography，SPF)兩項技術。

　　據舒放經理介紹說，2011年推出UPSFC?時，沒有引起太多的注意和震動，“甚至在我們公司內部都沒有引起特別大的注意，無非你收購了一公司，然后用UPLC把它改造了一下。但是，當我們把儀器交給用戶的時候，用戶反饋太強烈了！以前根本不敢想的東西，以前根本看不到的那些東西，現在都能看到了，其覆蓋的化合物范圍特別廣。”

　　 “UPSFC超出了我們的想像，傳統的SFC是低壓、低流速，或者無法精密控制，重現性不是很好，所以很多東西看不到。但當應用了UPLC技術后，通過精細的調節、加入微量的助溶劑后，很多原來不能分離的化合物，在UPSFC上得到了讓人吃驚的分離效果。去年，我們認為UPSFC的優點是：簡單、快速、省錢、環保；今年，我們看到UPC²的潛能非常大，其意義已不僅僅是一臺用UPLC技術實現的SFC。”

　　今年Pittcon會議上，記者問Waters的第一個問題就是：今年的UPC²，跟去年的UPSFC的區別是什么？Waters標準的回答是：UPC²用SFC的原理，然后用UPLC的控制和硬件技術，來改造了SFC，克服了SFC的很多以前的缺點，包括：重復性、穩定性、可靠性、難操作性，達到了一種以前SFC從來沒有看到的分析結果。

　　“因此，今年Waters重新申報了UPC²超高效合相色譜，并獲得了科學家們和編輯們的認可，獲得了Pittcon 2012的金獎。UPC²超高效合相色譜的出現，賦予了科學家全新的想象力。以前分離分析樣品往往局限于現有的儀器（比如GC、LC）；而今后拿到一個樣品時，在GC、LC之外，科學家們會考慮到UPC²上去做。從公司的角度來說，今后Waters會在很長的一段時間內，在今日的UPC²上不斷完善。”

　　據悉，UPC²出現后，原來的UPSFC的名字就不再存在了，所有原來的UPSFC將成為UPC²。

　　2004年，UPLC獲得Pittcon金獎，開創了液相色譜的新品類，推動液相色譜進入超高效應用的時代；時隔8年后，Waters的UPC²開創了色譜的新品類，提供給科學家們GC、LC外一種新的選擇。

　　“我個人認為，UPC²的意義將比UPLC還要影響深遠！必將帶來UPC²應用的一個新8年。”舒放經理充滿期待地表示。

UPC²：原理和特點

　　SFC與GC、正相LC、反相LC的區別

　　與GC相比，SFC的流動相具有類似于液體的密度，為常壓氣體的200～500倍，具有較高的溶解能力，適于分離難揮發和熱不穩定性物質，而GC需將樣品氣化后才能進行分離操作，不適合于難揮發及熱不穩定物質的分離。

　　與HPLC相比，SFC的流動相具有較小的粘度，可減小過程阻力，在相同條件下，壓力降比液相色譜的低；SFC具有較高的擴散系數和傳質速率，SFC分離操作的時間短，單位時間內分離效能高。對于制備來說，除了分離速度快以外，后處理也非常簡單。

　　SFC與HPLC和GC相比，溫度和壓力的微小變化能引起SFC流動相的密度和溶解能力的較大差異，可通過調節溫度、壓力來調節分離度。

　　為什么選擇CO₂ ?

　　壓縮二氧化碳是UPC²的主要流動相，相比液相色譜的液體流動相和氣相色譜的載氣有很多突出的優勢。一方面，和氣相色譜（GC）相比，二氧化碳是一種可以在較低溫度進行分離的流動相，而氣相色譜不適用于加熱難揮發、熱不穩定的化合物。另一方面，UPLC技術出現后，雖然大大提高了多種化合物的分離度和分析速度，但是由于液體溶劑的粘度高，造成的系統反壓高，因此限制了其更多的應用。因此和液相色譜（LC）相比，二氧化碳單獨使用或與其它助溶劑混合使用，流動相具有較低的粘度，能夠獲得較高的擴散率，并有利于傳質。

　　CO₂較許多其他的液體容易達到超臨界狀態。以水為例，它的臨界點是347°C 和218 bar，而CO₂ 達到超臨界狀態是31.1°C 和73.8 bar。超臨界狀態下，很多化合物顯示了和GC、LC狀態下不同的性質，科學家們可以利用UPC²技術分析LC或GC難以分析的化合物，如樣品中含有的化合物極性差別很大的應用等。

　　CO₂無毒、不易燃、廉價容易獲得且不污染環境，是一種真正的綠色溶劑，使用CO₂代替了購買和處理昂貴的有毒、揮發性的有機溶劑。

　　CO₂同時也是一種化學純度高、穩定且非極性的溶劑，適用于分離很多以前用正相色譜來分離的異構體、手性化合物等。

　　CO₂還兼容于大多數的LC檢測器，具有溶劑載量少、分離度高、峰形窄、分離速度快等特點，因此也可以作為MS的完美接口，兼容于所有的API技術（如ESI、APCI、APPI），樣品進質譜前只需將CO₂溶劑氣化即可。

　　UPC²儀器設計

　　SFC的基本配置與HPLC相似，有泵、自動進樣器和檢測器。差別是：系統采用了熱交換機和反壓調節器，來確保整個系統中二氧化碳始終保持液相狀態；反壓調節器和二氧化碳冷卻泵是同HPLC的主要差別之處；SFC采用改良的PDA 流通池，用以滿足壓力的需求。

　　配以業界領先的亞2微米顆粒色譜柱，ACQUITY UPC²系統使得科學家能夠更加精確地改變流動相的強度、系統壓力和溫度，從而調整出系統的分離度和選擇性，幫助科學家分離、檢測和定量結構類似物、異構體、對映體和非對映異構體混合物時，能夠更好地控制分析物的保留――而這些化合物以任何其他方法分離通常都是困難的。

UPC²的應用

　　UPC²是色譜的一個新品類，賦予科學家們更多的想象力。比如對于：天然產物、傳統藥物、藥品、食品添加劑或污染物、殺蟲劑、表面活性劑、聚合添加劑、脂質或生物燃料等， UPC²系統都能呈現很高的分離性能和峰形。

　　組學、高通量篩選分析：有可能看到全譜！

　　比如，UPC²將為組學（omics）研究者帶來強大的剖析能力。各種組學都希望“看”得更全面，“看到的物質范圍越廣、含量越低，你可能對這個事物的了解越透徹。”但是現在，化合物涉及的范圍太廣了，不可能一針下去就看到所有的全譜，一定有很多的盲點，或者需要多次重復的技術、改變分析方法的多次進樣。

　　“對于組學研究來說，UPC²給你一種可能——‘把復雜化合物的分析常規化’。讓你一針下去以后能夠看到全譜，能看到以前看不到的那些物質。這對于高通量的篩選也是非常令人振奮的技術！”舒經理興奮地談到。

　　在第三屆質譜論壇上，劉虎威教授談到新興的脂質組學的研究，目前需要至少在反相和正相色譜上做兩次LC-MS/MS實驗，而如果采用UPC²，很可能實現只需一次LC/MS/MS進樣，就可以同時鑒定各種脂質。

　　手性化合物分析

　　UPC²還特別適用于分析手性化合物。對于中藥/天然產物分離分析、殺蟲劑、油脂類、保健品/添加劑、環境污染物、法醫、藥物研發、香精香料、石油化工等分析來說，手性化合物的分離分析都是必須的，同時又是昂貴和困難的。很多反相液相色譜和質譜法，對手性化合物分析的能力都很弱。傳統上，有些使用正相分離，有些使用昂貴的手性柱。前者帶來了大量的易燃、有毒、危險、昂貴、污染環境的有機溶劑（如：正庚烷、正己烷、異辛烷、二氯甲烷、四氫呋喃等）；后者要求的手性柱非常昂貴，并且無法滿足更多的需求。

　　但是用UPC²，“異構體啊，手性化合物真的能分開，神了。就連我們公司搞了幾十年傳統SFC的，看到結果也都不敢相信，會獲得如此好的分離！”舒經理由衷贊嘆。

　　談到分離的機理，舒經理講到：“如同液相色譜發展中遇到的瓶頸一樣，UPLC出現以前，液相色譜的發展，顆粒越來越小，載液在流注過程中，樣品跟顆粒表面涂的固定相的接觸機會越來越多，分離程度就越來越來好，這是液相色譜的基本原理。

　　但是顆粒越來越小，就意味著壓力越來越大，因為你拿液相或者水啊，這些東西粘滯性很強的。顆粒那么小，它流不過去，反壓特別大，對整個系統的硬件要求特別高。

　　但是氣相色譜為什么分離好，它拿氣體做載體，傳輸擴散快，不會帶來壓力太高的困擾。但是過去太快了，化合物跟固定相的交換時間就少，所以現在毛細柱GC需要很長的通路，交換越充分，分離就越好。

　　CO₂正好在氣相和液相之間，以前傳統SFC不容易操作，很難控制，比如很難精確地控制在臨界點，難以實現高重現性和可靠性。但是UPLC正好能解決這問題，它可以非常好地控制微小的溫度、壓力、助溶劑的變化，這樣它就能看到以前很難看到的東西。而且它擴散性很好，不會造成很大的系統壓力。

　　另外，在超臨界狀態，化合物的性質會發生很大的變化，同其處于氣態或者液態是不一樣的。這種差別造成手性化合物與固定相之間作用的區別，從而獲得手性化合物的分離。

左圖：非手性化合物分離的比較：ACQUITY UPC²（左上）比 正相HPLC（左下）減少了溶劑消耗，每個樣本分析成本降低100倍以上。

右圖：手性化合物分離的比較：ACQUITY UPC²（右上）分析時間18秒， 正相HPLC（右下）分析時間7分鐘。

用UPC²-MS/MS獲得脫氧麻黃堿的對映體分離，分離時間少于4分鐘，優于其它分析方法

　　適于摸索分析條件，更容易放大到SFC制備工藝

　　舒經理還談到：“SFC非常適合于制備，比如對于很多中藥提取制備分離來說，很多都用到SFC萃取技術。現在可以用UPC²方便地摸條件，更容易地放大到制備工藝。”

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Waters產品的創新理念：深厚積累＋抓準機遇

　　舒經理這樣談到Waters的產品創新理念：“我覺得Waters時機抓的太好了！它有特別豐富的技術儲備和積累，而且總能在正確的時間、正確的地點、做正確的事情。你要想象Waters當初要沒有收購Micromass?，只賣液相，沒有液質聯用，現在會是什么樣？而我們可以暢想一下8年后，當UPC²技術廣泛應用時，人們會問當初Waters如果沒有合并Thar，沒有做這個SFC的時候，會是怎么樣。”

　　談到未來新產品的研發計劃，舒經理說：“我估計重頭戲是在這UPC²上，這是一個公式，后邊會有很多方程。”

深入挖掘客戶需求 提供高價值解決方案

　　沃特世公司北方區運營經理 薄美萍女士談到了Waters公司的經營理念。她說：“Waters公司的理念就是深入和廣泛地了解用戶的需求，在了解需求的基礎上提供非常有價值的解決方案，通過這樣的解決方案達到公司與客戶之間的共贏。所以從公司的使命來看，和業內公司的合作肯定是少不了的，這也是一種深入挖掘客戶需求的深層次合作。在這種深層次合作的基礎上，才能夠真正更好地了解客戶的需求。

　　同時與業內資深的、在技術方面有一些基礎和底蘊的客戶展開合作，也是Waters整個公司從市場開發到客戶服務的一個策略。今年三月份，公司專門邀請了Waters英國質譜研發團隊來到中國，與中國用戶面對面進行直接交流，了解用戶的需求，他們會將市場需求納入到他們產品設計的環節。

　　此次，Waters公司非常榮幸與北師大質譜中心這樣國內質譜界龍頭單位合作。這個合作才剛剛開始，今后雙方都還有很多的工作要做。比如探討新的分析技術、新的分析技術的走向，以及深入探討解決什么樣的問題等方面，都將會有更深入地合作。”

　　Waters公司其實是從產品設計環節到應用、方法開發、整體解決方案，包括上游、下游，全面應對客戶需求來考慮。從今年開始，公司還開始做試劑、標樣，這樣Waters產品包括了儀器、消耗品、色譜柱、軟件以及數據管理一整套解決方案。薄經理表示Waters公司能夠走得長久，還得靠全套的服務和技術細節本身。由于公司本身從了解客戶需求入手，因此Waters提供的服務更具有針對性。

更高層面上降低客戶運營成本

　　Waters公司的產品在大家的印象里好像走的都是貴族路線，面對現在市場激烈的價格競爭環節，Waters如何迎合現在的市場。薄經理談到：“Waters公司的特色就是第一是專業化，第二是技術革命，目前為止推出的產品都是技術革命。我們不會因為大眾需要一些便宜的東西，就會改變產品的品質，公司在這方面的理念是不會變的。但是在技術革命和革新的時候，會通過一些其它的方式來降低客戶運營成本。舉個例子，我們推出UPLC，它可以通過提高速度、減少溶劑等方式來整體降低客戶的運營成本，而不是買便宜的機器。這次我們推出的UPC²超高效合相色譜也是如此，因為使用的二氧化碳作為溶劑，其運營成本就更低了，這是一種在更高層面上解決客戶運營成本的方式。”

謝孟峽教授：對Waters液相“情有獨鐘”

　　北京師范大學質譜中心主任謝孟峽教授談及了自己與Waters公司之間的合作。“98年我回國后，主要開展的研究工作需要使用到液相色譜，由于當時實驗室經費緊張，花了10萬元人民幣購買一臺Waters的二手液相色譜，從那時開始便與Waters公司之間開展了十幾年的合作。

　　Waters這臺液相色譜在我們實驗室每天早上8點開機一直工作到晚上11點，肩負著高負荷的工作量，當時我帶的幾位研究生的畢業論文也都是在這臺液相上完成的。一直工作到06年檢測器燈才出現了一點問題，這時其實已經使用了1萬個小時，我們更換了備用燈，后來又更換了二極管，又繼續使用了近兩年的時間。2008年，我們學校的其它實驗室購買Waters的液相產品，我們便搭著一起購買了一個新的檢測器。該檢測器是當時Waters最新款液相配置的檢測器，我們安裝后，當時做的指標與新型液相系統的指標是一樣的，靈敏度達10-5，我們在今后的使用中靈敏度也一直保持這個水平。”

　　“我們經常跟Waters這邊的工程師聯系，有什么問題的話，都是他們那邊通過電話告訴我怎么解決，然后我這邊自己就把問題解決了。有時候缺少點零配件，他們買點零配件過來。”

　　謝老師表示：“近些年，實驗室購買了Waters公司一些質譜產品，合作也逐步多了起來。今天北京師范大學與沃特世科技（上海）有限公司合作實驗室揭牌儀式也代表了合作的關系達到了一個高層次。”

　　從談話中，我們感受到謝老師對Waters公司的液相產品可謂是特別的鐘愛，謝老師說到：“Waters的液相確實比其它公司的液相性能高，而且高的不是一點點，應該是高出數量級的。儀器工作的穩定性、重復性以及耐用性都非常好”；“我如果再購買液相，在經費條件允許的情況下，首先考慮夠購買Waters的。”

Waters公司始終走在技術的最前沿

　　針對Waters公司在今年Pittcon 2012展會上最新推出的ACQUITY UPC²系統，謝老師談到：“合相色譜可謂是一個全新的概念，Waters銷售人員跟我談到這款產品時，我還不是特別在意，以為就是將液相和氣相產品合并為一臺。今天聽了舒放先生的報告后，對這款產品的有了很清楚的認識，UPC²系統借助了超臨界流體色譜的概念，實際上是傳統液相、氣相產品的一個重要補充，解決了氣相和液相中間沒有辦法解決的問題。這臺產品能夠解決實際分析工作中的很多問題，相信很快就會被大家所接受。”

　　“UPC²系統的推出是跟Waters公司的理念是密切相關的。Waters公司永遠走在最前面，它相當于處于一個領導者的位置。例如8年前，Waters公司率先推出了超高效液相色譜產品，現在多有的液相廠商幾乎都推出了UHPLC產品，但實際上，用戶心目中真正認可的還是Waters公司。UPC²系統能夠解決實際分析工作中的很多問題，相信很快就會被大家所接受。”

　　【編后語】UPC²是一個新的色譜品類，也是一個新的分離公式。您愿意用這個公式，發揮您的想象，推導出更多令人振奮的新應用么？

小知識：超臨界流體

　　純凈物質根據溫度和壓力的不同，呈現出液體、氣體、固體等狀態變化，如果提高溫度和壓力，來觀察狀態的變化，那么會發現，如果達到特定的溫度和壓力，會出現液體與氣體界面消失的現象，該點被稱為臨界點。在臨界點附近，會出現流體的密度、粘度、溶解度、熱容量、介電常數等所有流體的物性發生急劇變化的現象。溫度和壓力均高于臨界點時的流體，稱為超臨界流體。

　　超臨界流體的物性兼具液體性質與氣體性質。它基本上仍是一種氣態，但又不同于一般氣體，是一種稠密的氣態。其密度比一般氣體要大兩個數量級，與液體相近。它的粘度比液體小，但擴散速度比液體快(約兩個數量級)，所以有較好的流動性和傳遞性能。它的介電常數隨壓力而急劇變化(如介電常數增大有利于溶解一些極性大的物質)。 另外，根據壓力和溫度的不同，這種物性會發生變化。

　　超臨界流體的優點

　　超臨界流體的處于臨界溫度和臨界壓力以上，介于氣體和液體之間的流體，兼有氣體液體的雙重性質和優點：

　　溶解性強：密度接近液體，且比氣體大數百倍，由于物質的溶解度與溶劑的密度成正比，因此超臨界流體具有與液體溶劑相近的溶解能力。

　　擴散性能好：因黏度接近于氣體，較液體小2個數量級。擴散系數介于氣體和液體之間，為液體的10-100倍。具有氣體易于擴散和運動的特性，傳質速率遠遠高于液體。

　　易于控制：在臨界點附近，壓力和溫度的微小變化，都可以引起流體密度很大的變化，從而使溶解度發生較大的改變。（對萃取和反萃取至關重要）