在線超臨界色譜聯用接口裝置的研制與應用

劉 瑜，嚴志強，郭 威，李 犇*

(1.遼寧科技大學 材冶學院，遼寧 鞍山 114051；2.遼寧科技大學 化工學院，遼寧 鞍山 114051)

有機溶劑的大量使用及其被動式的排放處理方法是制約化工行業可持續發展的瓶頸。生態環境破壞、工業污染、全球氣候驟變等諸多問題均與化工行業的生產息息相關[1-2]。相比傳統有機溶劑，超臨界二氧化碳具有廉價易得、無毒害、溶解能力可調控性及使用過程無額外的溫室氣體產生等優點，可作為環保型溶劑應用于天然產物提取、催化反應、材料制備、色譜分析等領域[3-4]。

隨著色譜理論與超臨界流體技術的交叉融合發展，超臨界流體已被作為一種流體納入液相色譜領域[5]，而不再視為氣、液、固三相之外的第四相態。一些國外的儀器廠商(如美國Waters UPCC、日本Jasco PU-4000 SFC)通過背壓閥(Back pressure regulator，BPR)控制檢測器出口壓力及高壓泵內置的低溫制冷功能，將高壓液相色譜(HPLC)改造為能夠兼容超臨界流體作為流動相的色譜儀器。超臨界色譜(SFC)兼有氣相色譜和液相色譜的特點，能夠克服氣相色譜對化合物沸點與揮發性的要求。相比液相色譜，其保留時間更短、分辨率更高、峰形對稱性更好[6-9]，尤其適于超臨界物理-化學過程中物質樣品濃度的在線定性與定量分析[10]。

離線或間接操作進行樣品分析，過程相對繁瑣，且在收集樣品前后處理過程中易發生樣品的玷污和損失，從而產生較大的分析誤差；而在線或原位測量能夠顯著提高溶解度數據的準確性，對物質在超臨界體系中的溶解度以及熱力學平衡過程具有重要意義。本文將蒽在超臨界二氧化碳中的溶解平衡過程與超臨界二氧化碳色譜通過“接口”裝置直接相聯，由接口完成取樣與在線分析[10-11]的連續操作，提高了實驗數據的準確性。

物質在超臨界流體中的溶解度是超臨界技術應用過程中的關鍵參數和基礎熱力學數據[12-14]。本文基于動態和靜態兩種接口裝置，采用在線聯用超臨界色譜準確、快速地測定了40～60 ℃、10.0～27.5 MPa條件下蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度，系統考察了測定條件對溶解度的影響，并通過MST模型公式驗證了溶解度與二氧化碳密度的準線性變化規律。所測定的溶質蒽為稠環芳烴類化合物，既是重要的化工原料，也是水/氣污染中嚴格執行排放控制標準的化合物之一，具有實際研究意義和廣泛的應用前景。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

PU-2000系列超臨界流體色譜儀、SCF-Sro型磁力攪拌電加熱箱與EV-3型50 mL高壓釜(日本JASCO公司)，接口由Gilson 831型電控溫箱、Rheodyne 7010高壓閥和高壓齒輪泵(Micropump X21，5.6 mL)組成。萬分之一電子天平(上海天美FA2004B)，液體二氧化碳高壓泵(Gilson 305、泵頭規格25 mL/min)。

液體二氧化碳(純度≥99.9%，大連安瑞森特種氣體化學品有限公司)，無水乙醇(純度≥99.9%，北京化工廠)，蒽(純度≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司)。

1.2 接口研制與操作

接口分為靜態和動態兩種模式。靜態接口由2個高壓閥(Rheodyne 7010)串聯組成，通過閥與閥之間的切換完成樣品收集與在線進樣分析(如圖1)。其中，上面的高壓閥為排空閥，下面的高壓閥為進樣閥。靜態接口操作包括4個步驟：(1)從含有溶質的高壓釜中取樣進入進樣閥(Load狀態)，(2)將排空閥與進樣閥(Inject狀態)連通，(3)由進樣閥將取出樣品引入(Inject狀態)在線超臨界色譜，(4)將排空閥內的定量環排空(Load狀態)。

為解決靜態接口操作步驟較多、容易誤操作的不足建立了動態接口，通過1個高壓泵(齒輪泵)和1個高壓閥(Rheodyne 7010)取代靜態接口中2個高壓閥的串聯模式，簡化了操作過程，提高了接口操作性能。高壓泵與超臨界溶解過程相連，通過外循環作用促進釜內物質的溶解平衡，高壓閥與高壓泵、在線超臨界色譜同時連接；Load狀態時收集樣品，Inject狀態時進行在線進樣分析，單次完成超臨界過程間的在線取樣與分析，適用于溶解度較大物質的分析。靜態與動態接口連接方法如表1所示。

圖1 靜態接口連接示意圖Fig.1 Schematic diagram of the static interface

Valve numberInterface typeApplicationOperation time1High solubility compounds,photochemical reaction and comprehensive reacting processSingle2Low to medium solubility compound,post column deri-vatization reaction and simple reactionMultiple

1.3 蒽在超臨界二氧化碳中的溶解平衡過程

準確稱量100 mg蒽，直接加入裝有磁力轉子的高壓釜內，密封后置于電加熱箱內與接口相連。由高壓泵通入二氧化碳置換釜內空氣，檢查釜的密封情況，開始程序加熱和磁力攪拌，攪拌速率為600 r/min，觀察釜內的溫度與壓力變化情況。開始實驗測定時，需在線預重復取樣分析3次，確保蒽在超臨界二氧化碳中達到溶解平衡狀態后進行溶解度測定。

溶解度測定是在相同時間間隔內在線連續進樣分析5次，觀察峰面積、峰形及保留時間的變化情況，計算相對標準偏差(RSD)，保證實驗數據測量的準確性。實驗結束后，停泵、關閉二氧化碳鋼瓶，通過接口使超臨界溶解平衡過程與在線超臨界色譜斷開。緩慢打開泄壓閥，將高壓釜內的二氧化碳混合物經由溶劑瓶吸收后排空至大氣，高壓釜、接口及管路均采用乙醇清洗和二氧化碳吹掃干燥。

1.4 超臨界色譜條件

流動相為二氧化碳，泵流速為4.0 mL/min；DAD檢測波長為200～300 nm全掃描(最佳波長220 nm)；菲羅門Phenyl-hexyl高壓色譜柱(250 mm×4.6 mm，3 μm)，At-950柱溫箱(天津AutoScience)溫度為(55±0.5) ℃；進樣器定量環體積10 μL(Rheodyne)；全自動背壓閥(PU-2080 Plus，Jasco)工作壓力(15±0.1) MPa，工作溫度(60±0.3) ℃。信號采集與積分運算均由Jasco ChromNAV?工作站完成。

1.5 接口條件

接口的工作溫度與實驗測定溫度同步設定，溫度分別為40、50、60 ℃，動態接口中齒輪泵轉速為2 000 r/min。取樣分析前將接口中高壓閥切換為Load狀態，進樣時迅速切換至Inject狀態；對于靜態接口還需通過第二個高壓閥將剩余樣品排空，引起體系壓力的微弱波動(±0.1 MPa)，而動態接口則通過齒輪泵的外循環作用將剩余樣品返回至高壓釜內。

2 結果與討論

2.1 蒽在超臨界二氧化碳中溶解度的測定

蒽在超臨界二氧化碳中的濃度通過外標法建立校準曲線間接求得，采用手動進樣和離線超臨界色譜分析。配制6種不同質量濃度的蒽和乙醇標準混合溶液(18～600 mg/L)，每種溶液連續進樣分析5次，SFC檢測波長為220 nm。以峰面積(y)對進樣的質量濃度(x，mg/L)進行回歸分析，蒽的線性方程為y= 10 665x+314 355，r2= 0.997 1。根據二氧化碳在不同溫度、壓力條件下的密度數值求得蒽在超臨界二氧化碳中相應的溶解度(摩爾百分數)，其中二氧化碳密度由NIST網站在線計算求得[15]。

由于蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度較大，使用靜態接口時常堵塞，數據測定不連續，故本實驗主要討論動態接口的實驗數據，即分別在40、50、60 ℃和10.0～27.5 MPa條件下測定蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度大小與變化規律(見表2及圖2)，進而說明動態接口的可靠性和準確性。

表2 溫度40～60 ℃、壓力10.0～27.5 MPa條件下二氧化碳的密度及蒽在超臨界二氧化碳中的摩爾溶解度及相對標準偏差(%)Table 2 CO2 density，anthracene mole fraction(y)solubility values and RSD(%)in supercritical carbon dioxide at 40-60 ℃ and pressure range of 10.0-27.5 MPa

*RSD

圖2 10.0～27.5 MPa壓力條件下蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度等溫線Fig.2 Isotherms of anthracene solubility in supercritical carbon dioxide in the pressure of 10.0-27.5 MPa temperature：□40 ℃，△50 ℃，○60 ℃

蒽的溶解度變化規律說明超臨界二氧化碳對蒽的溶解能力可通過改變實驗條件進行調節。溫度相同時，壓力高則溶解度大；壓力相同時，溫度高則溶解度大[13，16]。表2列出了上述實驗條件下二氧化碳密度、蒽的溶解度(y)及RSD數值。40 ℃時，蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度為56.5×10-6～102.2×10-6，溶解度相差1.8倍；50 ℃時的溶解度為69.3×10-6～148.8×10-6，溶解度相差2.2倍；60 ℃時的溶解度為60.5×10-6～151.6×10-6，溶解度相差2.5倍。同時，蒽的溶解度隨壓力的升高而增加，主要是由于升壓能夠提高二氧化碳密度，使溶劑和溶質的分子間作用力增強，從而提高溶解度。溫度的影響相對復雜，除10.0 MPa以外，其余壓力條件下溶解度均隨溫度升高而增加，說明蒽在二氧化碳中的溶解過程是吸熱過程；但壓力相對較低時，提高溫度會導致二氧化碳密度降低，從而導致溶解度下降。

以蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度(y)為縱坐標，壓力(P)和二氧化碳密度為橫坐標作3條溶解度的等溫關系曲線(圖2)。由圖2可知，溶解度隨著溫度、壓力的改變呈規律性變化，在10.0～27.5 MPa的壓力范圍內未觀察到壓力轉變區；壓力相同時，升溫有利于溶解度提高。壓力較低時，還應考慮溫度對溶解度和二氧化碳密度的綜合影響。

2.2 MST模型關聯溶解度計算

固體溶質在超臨界二氧化碳中的溶解度實驗一般都在高壓下進行，實驗操作要求嚴格，體系平衡時間較長，尤其是采用靜態法測定溶解度的過程，需要在溶解平衡下進行，所測定的溶解度數值有限。對于超臨界二氧化碳聯用技術的研究和應用而言，根據目標溶質在超臨界二氧化碳中的溶解度數據進行經驗模型關聯計算，不僅可以對比和補充實驗所得數據，而且還能夠建立更為全面的、系統的溶解度函數變化關系。經驗模型無需物質的物性參數，具有較好的關聯精度，應用簡單、廣泛，對實驗條件范圍內溶解度數據的關聯具有一定的指導意義，適用于實驗所得溶解度數據的自洽一致性檢驗。

本文選用經典的MST經驗模型對蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度進行關聯計算，MST公式[17]將超臨界二氧化碳中溶質的溶解度與其密度、壓力、溫度及相關參數直接相關聯建立準線性的變化關系[18]：

T·ln(y·P/P0)=A+B·ρ+C·T

(1)

其中P為壓力(MPa)，P0=1.0 MPa，y為摩爾溶解度，ρ為二氧化碳密度(kg/m3)，T為溫度(℃)，A、B、C為常數。

本文使用Athena Visual Studio(Version 14.0)軟件對所得實驗數據進行線性擬合計算求解，得出函數方程(2)，移項后得方程(3)，即溶解度與二氧化碳密度間的準線性變化關系，如圖3所示。

T·ln(y·P/P0)=-6 474.7+1.3ρ+10.1T

(2)

T·ln(y·P/P0)-10.1T=-6 474.7+1.3ρ

(3)

圖3 MST模型關聯蒽在超臨界二氧化碳中溶解度實驗數據的自洽一致性檢驗Fig.3 Correlation of the experimental solubility data for anthracene in supercritical carbon dioxide using the MST modeltemperature：○ 40 ℃，□ 50 ℃，△ 60 ℃

由圖3可知，蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度采用方程(3)關聯計算數值可獲得良好的自洽一致性。MST公式計算數值與實驗測定結果間的AARD數值由公式(4)和(5)分別得到，其中公式(4)由Ota 等[19]于2016年提出，而公式(5)為常用的計算方法。

(4)

(5)

式中N為所使用實驗數據的數量，y為摩爾溶解度，上標exp表示實驗值，上標calc表示MST公式計算值。使用公式(4)得到AARD為3.23，公式(5)得到AARD為14.68，二者的差別在于計算AARD時所使用溶解度的數值方式，不難發現MST模型對實驗所測定的數值關聯結果與實際數值(見表2)的相對平均偏差較小，說明使用MST模型擬合計算的結果較好。

2.3 準確性驗證

在相同實驗條件下，比較蒽的實際溶解度與在線測定溶解度數據的偏差，再由公式(6)計算得出蒽在超臨界二氧化碳中溶解度的準確性。

Accuracy(%)= 100 - |100 -[(experimental mass/test mass)×100]|

(6)

如表3所示，分別在溫度(40 ℃和60 ℃)和壓力(10.0 MPa和27.5 MPa)邊界條件下計算得到溶解度測定的準確性范圍為95.0%～97.7%。例如：在40 ℃和10.0 MPa條件下測定蒽的溶解度(y)為56.5×10-6，質量濃度為0.14 mg/mL，溶解質量為7.8 mg。此時進行準確性驗證將7.8 mg(實際值)蒽裝入釜內進行溶解度測定，實驗結果為7.6 mg，故計算得出的準確性為96.3%。

表3 超臨界二氧化碳中蒽溶解度測定的準確性驗證Table 3 Summary of self-validation accuracy test results for anthracene in supercritical carbon dioxide

3 結 論

自行設計了靜態和動態超臨界過程聯用接口，搭建了超臨界二氧化碳中溶解度測定與在線超臨界色譜分析的聯用體系，準確測定了稠環芳烴化合物蒽在超臨界二氧化碳中的溶解度，通過MST模型對所測實驗數據進行關聯計算。實驗結果表明，自行設計的超臨界色譜聯用接口工作狀態穩定，數據重現性好，溶解度測定的RSD為0.4%～2.4%，實驗數據的準確性為95.0%～97.7%。MST模型關聯計算的AARD數值分別為3.23和14.68，在所測定的實驗條件下自洽一致性良好，驗證了蒽的溶解度與二氧化碳密度的準線性變化特征。

所建立的接口方法可以實現超臨界流體技術與常規光譜、色譜、質譜等檢測儀器的在線聯用分析過程。通過改進靜態接口中功能單元，使其具有分流和減壓霧化功能，直接將超臨界流體引入質譜系統進行在線分析檢測；而動態接口可用于超臨界過程與光譜儀器[20]聯用，開展超臨界流體中的(光)化學反應在線跟蹤與檢測[21]。因此，本文所提出的接口技術在藥物合成與分析、食品添加劑檢驗、環境污染檢測、過程分析技術(PAT)等領域均具有廣闊的應用前景[3，22]。