《Analytica Chimica Acta》：Application of green solvents for the separation of various compounds in reversed-phase liquid chromatography using stationary phases with different functionalities
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摘要背景目前，反相液相色谱法依赖乙腈和甲醇作为溶剂，这带来了显著的环境与安全风险。本研究评估了碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和乳酸乙酯这类绿色有机溶剂，作为在采用单分散固定相的反相液相色谱中的应用替代品。该研究通过对比实验，分析了三种不同混合物的洗脱强度、效率及分离性能。结果通过将色谱参
摘要
背景
目前，反相液相色谱法依赖乙腈和甲醇作为溶剂，这带来了显著的环境与安全风险。本研究评估了碳酸丙烯酯、碳酸二甲酯和乳酸乙酯这类绿色有机溶剂，作为在采用单分散固定相的反相液相色谱中的应用替代品。该研究通过对比实验，分析了三种不同混合物的洗脱强度、效率及分离性能。
结果
通过将色谱参数与可持续性评估相结合，运用TOPSIS算法以及CHEMS-1工具对化学物质的环保性进行评分，研究得出以下结论：对于烷基苯混合物而言，其排序取决于流动相成分，其中碳酸二甲酯/乙醇/水组合表现最佳；对于异构体混合物，其排序更多取决于固定相类型；而类固醇混合物的排序则差异较大。研究发现，各类有机溶剂的洗脱强度依次为：甲醇＜乙腈≈碳酸丙烯酯/乙醇≈乙醇＜乳酸乙酯/乙醇＜碳酸二甲酯/乙醇。比较分析显示，碳酸丙烯酯/乙醇混合物与乙腈混合物存在相似的相互作用机制，两者的线性相关性R2值均大于0.99，这说明现有方法有可能被简单替换；而碳酸二甲酯/乙醇混合物则表现出不同的选择性，其相关性R2值甚至降至0.87。
意义
这项研究表明，可持续性溶剂能够拓展液相色谱的分离能力，使其超越传统流动相的限制。
引言
近年来，由于全球应对气候变化的努力、人们对污染相关疾病日益重视以及自然资源不断枯竭，化学分析领域对可持续实践的需求大幅上升[1]。这些挑战凸显出在所有科学领域引入环保解决方案的迫切需求。绿色分析化学通过将其12项原则应用于实验室操作，旨在最小化样品准备、分析过程及废弃物处理对环境的影响[2]、[3]、[4]。
液相色谱法在制药行业质量控制和环境监测中起着关键作用，但它也给绿色分析化学带来了巨大挑战。传统上，液相色谱法存在能耗高且大量使用有害有机溶剂的问题[5]、[6]、[7]。为使反相液相色谱法更具灵活性且更环保，人们一直在寻找乙腈和甲醇的替代品[6]、[8]、[9]。迄今为止，选择这些溶剂主要是基于它们优异的物理化学性质，但它们的毒性以及不可再生的来源迫使人们重新审视这些标准[10]、[11]、[12]、[13]。最新研究指出，一些毒性较低的有机溶剂具有很大潜力，但在液相色谱中的应用仍不够充分[8]、[9]、[14]、[15]。其中，乙醇早已成为一种广泛使用的替代溶剂[16]、[17]；丙酮也曾因其良好的环境性能而被考虑，但由于其紫外吸收截止值较高（约330纳米），难以与紫外检测器配合使用，且挥发性强，容易影响流动相稳定性及压力波动，因此并未得到广泛应用[18]，不过它在质谱检测器中表现良好[19]。基于此，我们之前的研究证明，乙醇和碳酸二甲酯可以作为一种有效的传统溶剂替代品，与现代固定相结合时，其分离效率可与传统溶剂相当，甚至在某些情况下更高[20]。此后，人们对碳酸二甲酯及其他碳酸酯类溶剂的兴趣持续增加[14]、[21]、[22]、[23]。尽管碳酸二甲酯与水的互溶性较差，但它已在模型系统研究以及实际样品分析中展现出作为低毒性、多功能流动相组分的优势，同时也可用于正相液相色谱、质谱分析以及超临界流体色谱[21]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。根据最新研究[22]，碳酸丙烯酯被认为是乙腈最具前景的绿色替代品，它具有高极性且安全性良好[22]、[32]；不过其较高的粘度和密度会降低分析物的扩散速度，进而影响峰形，降低分离效率，但近期研究显示，适当提高操作温度可有效克服这一缺陷[22]。此外，碳酸乙烯酯也是这一类别中的有力候选者，它与水完全互溶，介电常数高，且安全性良好，是反相液相色谱中的优质替代品，但其熔点高达36摄氏度，这也是一个明显限制[14]。乳酸乙酯属于农业来源的溶剂，具有生物降解性和无毒性，但由于其粘度较高且紫外吸收截止值相对较高，其应用发展较为缓慢[8]；不过，相比乙腈，乳酸乙酯的洗脱强度更高，且能形成氢键，这有助于调整选择性并减少有机溶剂的消耗量。
本研究的主要目的是全面比较新提出的溶剂（碳酸丙烯酯、乳酸乙酯）与之前研究过的溶剂（碳酸二甲酯、乙醇）以及传统溶剂（乙腈、甲醇）的性能和选择性。研究分为三个阶段：首先在烷基苯同系物模型混合物上测定洗脱强度；接着评估结构异构体混合物的形状特征及分离性能；最后验证其在复杂类固醇混合物分离中的应用效果。为将色谱性能与环境安全性相结合，本研究采用了多准则决策分析方法来评估所研究的各种体系[33]、[34]。同时，还运用CHEMS-1工具对流动相可能带来的人类健康与环境风险进行了定量评估，并考虑了有机溶剂的用量。之后，再将可持续性评估结果与分辨率、理论塔板数、峰对称性以及系统背压等关键分析性能参数结合起来，运用TOPSIS方法对各种色谱体系进行客观排序，从而找出既能实现良好分离效果，又符合绿色分析化学要求的“理想”方案[33]、[36]。需要说明的是，尽管所有被研究的溶剂都存在一定的局限性，但为了获得一致的对比数据，研究中仍对其进行了全面测试。通过在不同模型体系（混合物1–3）中对比各种候选溶剂，我们能够全面了解不同类型有机修饰剂的光谱行为及局限性，而不仅仅是为了找出最有效的溶剂。
通过将色谱参数与可持续性评估相结合，本研究旨在证明，绿色溶剂不仅是满足环境要求的必要手段，也是一种分析工具，能够在传统液相色谱条件下无法实现的条件下带来诸多优势。
章节节选
材料与试剂
乙腈、甲醇和乙醇均为HPLC级，购自美国宾夕法尼亚州拉德诺市的J.T. Baker公司。碳酸二甲酯（纯度99%）和碳酸丙烯酯（适用于HPLC，纯度99.7%）购自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich公司。乳酸乙酯（纯度99%）购自美国马萨诸塞州沃尔瑟姆的Thermo Scientific Chemicals公司。
水则通过Milli-Q水净化系统（美国马萨诸塞州贝德福德的Millipore Corporation公司）制备。分析标准品
结果与讨论
固定相的物理化学特性会从根本上限制任何色谱分离的效果。传统的多孔硅胶颗粒存在一定程度的多分散性，这会导致流动路径出现变化，进而通过范德米特方程的A项造成谱带展宽[37]。本研究所使用的Fortis Evosphere色谱柱通过采用完全多孔的单分散颗粒以及均匀光滑的表面，有效解决了这些问题，这种均匀性
结论
本研究证明，碳酸丙烯酯和碳酸二甲酯这类绿色有机溶剂，可以作为反相液相色谱中传统溶剂的有效且可持续的替代品。实验结果给出了洗脱强度的排序，从洗脱能力最弱的甲醇，到洗脱能力最强的碳酸二甲酯与乙醇的混合物，这一排序为未来方法开发提供了重要参考。
在色谱柱性能方面，研究指出了高粘度所带来的动力学挑战
CRediT作者贡献说明
马雷克·托比舍夫斯基：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法学，实验研究，概念设计。西蒙·博齐安：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，监督，资源协调，资金获取，数据整理，概念设计。奥克塔维娅·卡利什：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，方法学，实验研究，概念设计。金加·米耶热克：方法学，实验研究
利益冲突声明
? 作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了波兰托伦的尼古拉·哥白尼大学以及“迈向个性化医学”卓越中心的支持，该中心隶属于卓越计划——研究型大学项目。
Oktawia Kalisz|Kinga Mierzejek|Marek Tobiszewski|Szymon Bocian
波兰托伦市加加林街7号，尼古拉·哥白尼大学化学学院环境化学与生物分析系，邮编87-100
