UPC2超高效合相色谱：色谱新品类赋予科学家新的想象力

　　Pittcon 2012，Waters®再次技惊四座，其新型超高效合相色谱UPC²™获得Pittcon编辑选择奖金奖，这是继8年前UPLC®推出并获Pittcon 2004金奖后，Waters对于现代分离科学的又一大贡献。在第三届质谱论坛上，分析测试百科网记者有幸采访到沃特世科技（上海）有限公司中国市场发展总监 舒放先生、沃特世公司北方区运营经理 薄美萍女士、以及北京师范大学质谱中心主任谢孟峡教授，他们共同回答了超高效合相色谱新技术、Waters同中国客户的合作等记者关心的问题，小编总结于此，希望能带给您新的启示…..

沃特世科技（上海）有限公司中国市场发展总监 舒放先生（左）、北京师范大学质谱中心主任谢孟峡教授（中）、沃特世公司北方区运营经理 薄美萍女士（右）

UPC²：开创色谱新品类 赋予科学家新的想象力

　　UPC²名称的涵义是：UltraPerformance Convergence Chromatography，即超高效合相色谱。

　　在第三届质谱论坛上，沃特世中国市场发展总监舒放先生为新型合相色谱赋予了中国传统哲学的五大理念，分别为：（1）中合：气液合体。（2）汇聚：技术合璧。（3）应当：天作之合。（4）匹配：组合优势。（5）全满：合效分析。其演讲令人印象深刻。

　　那么UPC²是一台什么样的仪器？为何能够获得Pittcon 2012金奖？

　　我们先来回顾一下历史：

　　2009年，Waters收购了生产超临界流体色谱系统（SFC）的专业公司——泰尔仪器公司（Thar Instruments, Inc.）（http://www.antpedia.com/news/39/n-30339.html ）

　　2011年，Waters推出ACQUITY UPSFC™系统，这是一套建立在UPLC技术之上的超临界流体色谱系统，结合了亚2µm填料和高效超临界流色谱(supercritical fluid chromatography，SPF)两项技术。

　　据舒放经理介绍说，2011年推出UPSFC™时，没有引起太多的注意和震动，“甚至在我们公司内部都没有引起特别大的注意，无非你收购了一公司，然后用UPLC把它改造了一下。但是，当我们把仪器交给用户的时候，用户反馈太强烈了！以前根本不敢想的东西，以前根本看不到的那些东西，现在都能看到了，其覆盖的化合物范围特别广。”

　　 “UPSFC超出了我们的想像，传统的SFC是低压、低流速，或者无法精密控制，重现性不是很好，所以很多东西看不到。但当应用了UPLC技术后，通过精细的调节、加入微量的助溶剂后，很多原来不能分离的化合物，在UPSFC上得到了让人吃惊的分离效果。去年，我们认为UPSFC的优点是：简单、快速、省钱、环保；今年，我们看到UPC²的潜能非常大，其意义已不仅仅是一台用UPLC技术实现的SFC。”

　　今年Pittcon会议上，记者问Waters的第一个问题就是：今年的UPC²，跟去年的UPSFC的区别是什么？Waters标准的回答是：UPC²用SFC的原理，然后用UPLC的控制和硬件技术，来改造了SFC，克服了SFC的很多以前的缺点，包括：重复性、稳定性、可靠性、难操作性，达到了一种以前SFC从来没有看到的分析结果。

　　“因此，今年Waters重新申报了UPC²超高效合相色谱，并获得了科学家们和编辑们的认可，获得了Pittcon 2012的金奖。UPC²超高效合相色谱的出现，赋予了科学家全新的想象力。以前分离分析样品往往局限于现有的仪器（比如GC、LC）；而今后拿到一个样品时，在GC、LC之外，科学家们会考虑到UPC²上去做。从公司的角度来说，今后Waters会在很长的一段时间内，在今日的UPC²上不断完善。”

　　据悉，UPC²出现后，原来的UPSFC的名字就不再存在了，所有原来的UPSFC将成为UPC²。

　　2004年，UPLC获得Pittcon金奖，开创了液相色谱的新品类，推动液相色谱进入超高效应用的时代；时隔8年后，Waters的UPC²开创了色谱的新品类，提供给科学家们GC、LC外一种新的选择。

　　“我个人认为，UPC²的意义将比UPLC还要影响深远！必将带来UPC²应用的一个新8年。”舒放经理充满期待地表示。

UPC²：原理和特点

　　SFC与GC、正相LC、反相LC的区别

　　与GC相比，SFC的流动相具有类似于液体的密度，为常压气体的200～500倍，具有较高的溶解能力，适于分离难挥发和热不稳定性物质，而GC需将样品气化后才能进行分离操作，不适合于难挥发及热不稳定物质的分离。

　　与HPLC相比，SFC的流动相具有较小的粘度，可减小过程阻力，在相同条件下，压力降比液相色谱的低；SFC具有较高的扩散系数和传质速率，SFC分离操作的时间短，单位时间内分离效能高。对于制备来说，除了分离速度快以外，后处理也非常简单。

　　SFC与HPLC和GC相比，温度和压力的微小变化能引起SFC流动相的密度和溶解能力的较大差异，可通过调节温度、压力来调节分离度。

　　为什么选择CO₂ ?

　　压缩二氧化碳是UPC²的主要流动相，相比液相色谱的液体流动相和气相色谱的载气有很多突出的优势。一方面，和气相色谱（GC）相比，二氧化碳是一种可以在较低温度进行分离的流动相，而气相色谱不适用于加热难挥发、热不稳定的化合物。另一方面，UPLC技术出现后，虽然大大提高了多种化合物的分离度和分析速度，但是由于液体溶剂的粘度高，造成的系统反压高，因此限制了其更多的应用。因此和液相色谱（LC）相比，二氧化碳单独使用或与其它助溶剂混合使用，流动相具有较低的粘度，能够获得较高的扩散率，并有利于传质。

　　CO₂较许多其他的液体容易达到超临界状态。以水为例，它的临界点是347°C 和218 bar，而CO₂ 达到超临界状态是31.1°C 和73.8 bar。超临界状态下，很多化合物显示了和GC、LC状态下不同的性质，科学家们可以利用UPC²技术分析LC或GC难以分析的化合物，如样品中含有的化合物极性差别很大的应用等。

　　CO₂无毒、不易燃、廉价容易获得且不污染环境，是一种真正的绿色溶剂，使用CO₂代替了购买和处理昂贵的有毒、挥发性的有机溶剂。

　　CO₂同时也是一种化学纯度高、稳定且非极性的溶剂，适用于分离很多以前用正相色谱来分离的异构体、手性化合物等。

　　CO₂还兼容于大多数的LC检测器，具有溶剂载量少、分离度高、峰形窄、分离速度快等特点，因此也可以作为MS的完美接口，兼容于所有的API技术（如ESI、APCI、APPI），样品进质谱前只需将CO₂溶剂气化即可。

　　UPC²仪器设计

　　SFC的基本配置与HPLC相似，有泵、自动进样器和检测器。差别是：系统采用了热交换机和反压调节器，来确保整个系统中二氧化碳始终保持液相状态；反压调节器和二氧化碳冷却泵是同HPLC的主要差别之处；SFC采用改良的PDA 流通池，用以满足压力的需求。

　　配以业界领先的亚2微米颗粒色谱柱，ACQUITY UPC²系统使得科学家能够更加精确地改变流动相的强度、系统压力和温度，从而调整出系统的分离度和选择性，帮助科学家分离、检测和定量结构类似物、异构体、对映体和非对映异构体混合物时，能够更好地控制分析物的保留――而这些化合物以任何其他方法分离通常都是困难的。

UPC²的应用

　　UPC²是色谱的一个新品类，赋予科学家们更多的想象力。比如对于：天然产物、传统药物、药品、食品添加剂或污染物、杀虫剂、表面活性剂、聚合添加剂、脂质或生物燃料等， UPC²系统都能呈现很高的分离性能和峰形。

　　组学、高通量筛选分析：有可能看到全谱！

　　比如，UPC²将为组学（omics）研究者带来强大的剖析能力。各种组学都希望“看”得更全面，“看到的物质范围越广、含量越低，你可能对这个事物的了解越透彻。”但是现在，化合物涉及的范围太广了，不可能一针下去就看到所有的全谱，一定有很多的盲点，或者需要多次重复的技术、改变分析方法的多次进样。

　　“对于组学研究来说，UPC²给你一种可能——‘把复杂化合物的分析常规化’。让你一针下去以后能够看到全谱，能看到以前看不到的那些物质。这对于高通量的筛选也是非常令人振奋的技术！”舒经理兴奋地谈到。

　　在第三届质谱论坛上，刘虎威教授谈到新兴的脂质组学的研究，目前需要至少在反相和正相色谱上做两次LC-MS/MS实验，而如果采用UPC²，很可能实现只需一次LC/MS/MS进样，就可以同时鉴定各种脂质。

　　手性化合物分析

　　UPC²还特别适用于分析手性化合物。对于中药/天然产物分离分析、杀虫剂、油脂类、保健品/添加剂、环境污染物、法医、药物研发、香精香料、石油化工等分析来说，手性化合物的分离分析都是必须的，同时又是昂贵和困难的。很多反相液相色谱和质谱法，对手性化合物分析的能力都很弱。传统上，有些使用正相分离，有些使用昂贵的手性柱。前者带来了大量的易燃、有毒、危险、昂贵、污染环境的有机溶剂（如：正庚烷、正己烷、异辛烷、二氯甲烷、四氢呋喃等）；后者要求的手性柱非常昂贵，并且无法满足更多的需求。

　　但是用UPC²，“异构体啊，手性化合物真的能分开，神了。就连我们公司搞了几十年传统SFC的，看到结果也都不敢相信，会获得如此好的分离！”舒经理由衷赞叹。

　　谈到分离的机理，舒经理讲到：“如同液相色谱发展中遇到的瓶颈一样，UPLC出现以前，液相色谱的发展，颗粒越来越小，载液在流注过程中，样品跟颗粒表面涂的固定相的接触机会越来越多，分离程度就越来越来好，这是液相色谱的基本原理。

　　但是颗粒越来越小，就意味着压力越来越大，因为你拿液相或者水啊，这些东西粘滞性很强的。颗粒那么小，它流不过去，反压特别大，对整个系统的硬件要求特别高。

　　但是气相色谱为什么分离好，它拿气体做载体，传输扩散快，不会带来压力太高的困扰。但是过去太快了，化合物跟固定相的交换时间就少，所以现在毛细柱GC需要很长的通路，交换越充分，分离就越好。

　　CO₂正好在气相和液相之间，以前传统SFC不容易操作，很难控制，比如很难精确地控制在临界点，难以实现高重现性和可靠性。但是UPLC正好能解决这问题，它可以非常好地控制微小的温度、压力、助溶剂的变化，这样它就能看到以前很难看到的东西。而且它扩散性很好，不会造成很大的系统压力。

　　另外，在超临界状态，化合物的性质会发生很大的变化，同其处于气态或者液态是不一样的。这种差别造成手性化合物与固定相之间作用的区别，从而获得手性化合物的分离。

左图：非手性化合物分离的比较：ACQUITY UPC²（左上）比 正相HPLC（左下）减少了溶剂消耗，每个样本分析成本降低100倍以上。

右图：手性化合物分离的比较：ACQUITY UPC²（右上）分析时间18秒， 正相HPLC（右下）分析时间7分钟。

用UPC²-MS/MS获得脱氧麻黄碱的对映体分离，分离时间少于4分钟，优于其它分析方法

　　适于摸索分析条件，更容易放大到SFC制备工艺

　　舒经理还谈到：“SFC非常适合于制备，比如对于很多中药提取制备分离来说，很多都用到SFC萃取技术。现在可以用UPC²方便地摸条件，更容易地放大到制备工艺。”

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Waters产品的创新理念：深厚积累＋抓准机遇

　　舒经理这样谈到Waters的产品创新理念：“我觉得Waters时机抓的太好了！它有特别丰富的技术储备和积累，而且总能在正确的时间、正确的地点、做正确的事情。你要想象Waters当初要没有收购Micromass®，只卖液相，没有液质联用，现在会是什么样？而我们可以畅想一下8年后，当UPC²技术广泛应用时，人们会问当初Waters如果没有合并Thar，没有做这个SFC的时候，会是怎么样。”

　　谈到未来新产品的研发计划，舒经理说：“我估计重头戏是在这UPC²上，这是一个公式，后边会有很多方程。”

深入挖掘客户需求 提供高价值解决方案

　　沃特世公司北方区运营经理 薄美萍女士谈到了Waters公司的经营理念。她说：“Waters公司的理念就是深入和广泛地了解用户的需求，在了解需求的基础上提供非常有价值的解决方案，通过这样的解决方案达到公司与客户之间的共赢。所以从公司的使命来看，和业内公司的合作肯定是少不了的，这也是一种深入挖掘客户需求的深层次合作。在这种深层次合作的基础上，才能够真正更好地了解客户的需求。

　　同时与业内资深的、在技术方面有一些基础和底蕴的客户展开合作，也是Waters整个公司从市场开发到客户服务的一个策略。今年三月份，公司专门邀请了Waters英国质谱研发团队来到中国，与中国用户面对面进行直接交流，了解用户的需求，他们会将市场需求纳入到他们产品设计的环节。

　　此次，Waters公司非常荣幸与北师大质谱中心这样国内质谱界龙头单位合作。这个合作才刚刚开始，今后双方都还有很多的工作要做。比如探讨新的分析技术、新的分析技术的走向，以及深入探讨解决什么样的问题等方面，都将会有更深入地合作。”

　　Waters公司其实是从产品设计环节到应用、方法开发、整体解决方案，包括上游、下游，全面应对客户需求来考虑。从今年开始，公司还开始做试剂、标样，这样Waters产品包括了仪器、消耗品、色谱柱、软件以及数据管理一整套解决方案。薄经理表示Waters公司能够走得长久，还得靠全套的服务和技术细节本身。由于公司本身从了解客户需求入手，因此Waters提供的服务更具有针对性。

更高层面上降低客户运营成本

　　Waters公司的产品在大家的印象里好像走的都是贵族路线，面对现在市场激烈的价格竞争环节，Waters如何迎合现在的市场。薄经理谈到：“Waters公司的特色就是第一是专业化，第二是技术革命，目前为止推出的产品都是技术革命。我们不会因为大众需要一些便宜的东西，就会改变产品的品质，公司在这方面的理念是不会变的。但是在技术革命和革新的时候，会通过一些其它的方式来降低客户运营成本。举个例子，我们推出UPLC，它可以通过提高速度、减少溶剂等方式来整体降低客户的运营成本，而不是买便宜的机器。这次我们推出的UPC²超高效合相色谱也是如此，因为使用的二氧化碳作为溶剂，其运营成本就更低了，这是一种在更高层面上解决客户运营成本的方式。”

谢孟峡教授：对Waters液相“情有独钟”

　　北京师范大学质谱中心主任谢孟峡教授谈及了自己与Waters公司之间的合作。“98年我回国后，主要开展的研究工作需要使用到液相色谱，由于当时实验室经费紧张，花了10万元人民币购买一台Waters的二手液相色谱，从那时开始便与Waters公司之间开展了十几年的合作。

　　Waters这台液相色谱在我们实验室每天早上8点开机一直工作到晚上11点，肩负着高负荷的工作量，当时我带的几位研究生的毕业论文也都是在这台液相上完成的。一直工作到06年检测器灯才出现了一点问题，这时其实已经使用了1万个小时，我们更换了备用灯，后来又更换了二极管，又继续使用了近两年的时间。2008年，我们学校的其它实验室购买Waters的液相产品，我们便搭着一起购买了一个新的检测器。该检测器是当时Waters最新款液相配置的检测器，我们安装后，当时做的指标与新型液相系统的指标是一样的，灵敏度达10-5，我们在今后的使用中灵敏度也一直保持这个水平。”

　　“我们经常跟Waters这边的工程师联系，有什么问题的话，都是他们那边通过电话告诉我怎么解决，然后我这边自己就把问题解决了。有时候缺少点零配件，他们买点零配件过来。”

　　谢老师表示：“近些年，实验室购买了Waters公司一些质谱产品，合作也逐步多了起来。今天北京师范大学与沃特世科技（上海）有限公司合作实验室揭牌仪式也代表了合作的关系达到了一个高层次。”

　　从谈话中，我们感受到谢老师对Waters公司的液相产品可谓是特别的钟爱，谢老师说到：“Waters的液相确实比其它公司的液相性能高，而且高的不是一点点，应该是高出数量级的。仪器工作的稳定性、重复性以及耐用性都非常好”；“我如果再购买液相，在经费条件允许的情况下，首先考虑够购买Waters的。”

Waters公司始终走在技术的最前沿

　　针对Waters公司在今年Pittcon 2012展会上最新推出的ACQUITY UPC²系统，谢老师谈到：“合相色谱可谓是一个全新的概念，Waters销售人员跟我谈到这款产品时，我还不是特别在意，以为就是将液相和气相产品合并为一台。今天听了舒放先生的报告后，对这款产品的有了很清楚的认识，UPC²系统借助了超临界流体色谱的概念，实际上是传统液相、气相产品的一个重要补充，解决了气相和液相中间没有办法解决的问题。这台产品能够解决实际分析工作中的很多问题，相信很快就会被大家所接受。”

　　“UPC²系统的推出是跟Waters公司的理念是密切相关的。Waters公司永远走在最前面，它相当于处于一个领导者的位置。例如8年前，Waters公司率先推出了超高效液相色谱产品，现在多有的液相厂商几乎都推出了UHPLC产品，但实际上，用户心目中真正认可的还是Waters公司。UPC²系统能够解决实际分析工作中的很多问题，相信很快就会被大家所接受。”

　　【编后语】UPC²是一个新的色谱品类，也是一个新的分离公式。您愿意用这个公式，发挥您的想象，推导出更多令人振奋的新应用么？

小知识：超临界流体

　　纯净物质根据温度和压力的不同，呈现出液体、气体、固体等状态变化，如果提高温度和压力，来观察状态的变化，那么会发现，如果达到特定的温度和压力，会出现液体与气体界面消失的现象，该点被称为临界点。在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。温度和压力均高于临界点时的流体，称为超临界流体。

　　超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。它基本上仍是一种气态，但又不同于一般气体，是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级，与液体相近。它的粘度比液体小，但扩散速度比液体快(约两个数量级)，所以有较好的流动性和传递性能。它的介电常数随压力而急剧变化(如介电常数增大有利于溶解一些极性大的物质)。 另外，根据压力和温度的不同，这种物性会发生变化。

　　超临界流体的优点

　　超临界流体的处于临界温度和临界压力以上，介于气体和液体之间的流体，兼有气体液体的双重性质和优点：

　　溶解性强：密度接近液体，且比气体大数百倍，由于物质的溶解度与溶剂的密度成正比，因此超临界流体具有与液体溶剂相近的溶解能力。

　　扩散性能好：因黏度接近于气体，较液体小2个数量级。扩散系数介于气体和液体之间，为液体的10-100倍。具有气体易于扩散和运动的特性，传质速率远远高于液体。

　　易于控制：在临界点附近，压力和温度的微小变化，都可以引起流体密度很大的变化，从而使溶解度发生较大的改变。（对萃取和反萃取至关重要）