將HPLC變成“綠色分析”方法

文/ Kerstin Hermuth-Kleischnidt, Thorsten Teutenberg, Tim Apel, Martin J?ger

與傳統(tǒng)的HPLC相比較，μLC更加符合“綠色分析”的要求 // 幾乎沒有一種檢測分析方法可以像HPLC那樣在實驗室中普遍應用了，但這種分析方法需要使用一些有害試劑，μLC則很好地解決了這一問題，使分析方法變得更加環(huán)保、安全、經(jīng)濟。

HPLC 高效液相色譜技術廣泛地適用于食品、環(huán)境、制藥、材料等各個領域的有機實驗室中，主要用于常規(guī)檢驗分析、科學研究、質量控制以及環(huán)境保護和微量元素的痕跡檢測等方面。HPLC 也用于危害健康和環(huán)境保護的低濃度有害物質檢測分析，大多數(shù)情況下，分析這類物質所使用的分析檢測方法屬于資源密集型檢測分析方法，按照EHS 環(huán)境保護、健康和安全標準來評判，其所使用的試劑屬于危險試劑。而“綠色分析”的原理則展示了一種可持續(xù)性發(fā)展的高效液相色譜分析技術，也就是一種更加安全、更加生態(tài)和更加經(jīng)濟的液相色譜分析技術。

“綠色化學”是一種可持續(xù)性化學

化學能夠做出什么樣的貢獻？現(xiàn)代化和可持續(xù)性發(fā)展的化學應該是什么樣子的？ 1998 年時Paul Anastas 先生和John C.Warner 先生在《綠色化學》一書中提出了“綠色化學”的12 原則。為了正確地貫徹落實“綠色化學”的實施，近幾年來“可持續(xù)性化學”一詞也變得越來越流行。

液相色譜法是本世紀最重要的實驗分析技術之一，各種不同變型的液相色譜分析技術都可以在化學分析、生物化學分析和藥物研究以及常規(guī)分析中應用。因此，在實驗分析技術領域中出現(xiàn)了“綠色色譜”之一詞匯就不足為奇了。其實驗分析方法就是滿足“綠色化學”的12 項原則。而實現(xiàn)“綠色色譜”最有效的措施就是取代有毒有害的試劑的使用，以及使用小型化的實驗分析設備。

可持續(xù)發(fā)展實驗分析的評估方法

“綠色化學”的12 項原則只是提供了一個準則，僅憑這12 項原則還不足以全面地評估實驗分析過程是否滿足了“綠色分析”的要求。還需要根據(jù)具體的標準，能夠定性的和定量的評估“綠色分析”過程中各個變量、參數(shù)，例如，在評判實驗分析過程中使用的試劑，在實驗分析方法的評判中，還要考慮其他評估標準，例如，每次實驗分析時使用的試劑量，產(chǎn)生廢棄物的量等等。下面介紹幾種常用的實驗分析過程評估方法：

第一種，國家環(huán)境方法索引NEMI，它是可以定性評估環(huán)境保護和安全的工具之一，但它只能提供是或者否兩個答案。第二種，生態(tài)分析模型（Analytical Eco-Scale），與第一種評估方法不同，它能給出實驗分析時所有試劑的類型和使用量，以及實驗分析過程所消耗的能源和產(chǎn)生廢棄物的量。各項數(shù)據(jù)匯總后換算出來得分，分數(shù)的大小代表了對環(huán)境影響的程度。另外，它可以對兩種不同的分析方法進行比較。第三種，綠色分析程序指數(shù)GAPI，這種方法可以評估分析過程中的步驟，并以前兩種評估方法為基礎。第四種，HPLC 環(huán)境評估工具軟件EAT（Environment Assessment Tool），這是專門為高效液相色譜分析開發(fā)的評估工具。用戶可以免費地使用這款軟件，并對不同的實驗分析方法進行評估。它能根據(jù)實驗分析過程中所用試劑的種類和用量，以及對環(huán)境、健康和安全的危害進行評分。得到的分數(shù)越低，則實驗分析方法越安全、環(huán)保。

圖1 利用EAT 環(huán)境評估工具軟件對兩種HPLC 液相色譜實驗分析方法對環(huán)境、健康和安全相關性進行評估分析的結果對比

圖2 HPLC 法和μLC-MS/MS 法所用試劑量的比較

開發(fā)可持續(xù)性發(fā)展的HPLC 分析方法

接下來我們在高效液相色譜-質譜法（HPLC-MS）和微量色譜質譜聯(lián)用法（Mikro-LCMS/MS）兩種液相色譜分析方法在地表水和廢水中的微量元素測定的比較中介紹這一軟件。兩種液相色譜分析的流動相都是水和乙腈。使傳統(tǒng)的HPLC，每次分析檢測都使 用412 mL 的 水 和238 mL 的乙腈。而在微量色譜質譜聯(lián)用法（簡寫為μLC）中，每次流動相的使用量只有150 mL（87 mL的水和52 mL 的乙腈），見圖1。在使用μLC 之后，檢測分析的時間也從傳統(tǒng)方法的13 分鐘縮短到3.5 分鐘。

圖2 表示的是從環(huán)境保護和安全保護的角度，EAT 用于確定HPLC 和μLC 實驗分析方法對環(huán)境、健康和安全影響。按照EAT軟件工具的評分辦法，作為流動相的水對環(huán)境、健康和安全沒有影響，得分為零分，只有乙腈會對環(huán)境、健康和安全造成影響。傳統(tǒng)的HPLC 的EAT 環(huán)境評估值為8.52，μLC 的EAT 值僅為0.13，這就意味著μLC 與傳統(tǒng)的HPLC 相比，對環(huán)境、健康和安全的影響降低了65 倍。

在經(jīng)濟性方面，μLC 也大幅度的降低了試劑消耗的成本費用。表1 所示就是兩種實驗分析方法進行了100 次分析實驗時所消耗的試劑量。μLC 進行100 次分析實驗僅消耗8.7 mL 的水和5.2 mL的乙腈（ACN），成本只有10 歐分左右。這也就意味著：與傳統(tǒng)的HPLC 相比較，μLC 僅僅因節(jié)約試劑消耗量就降低了46 倍的成本費用。

從表1 中的數(shù)據(jù)對比可以看出：盡管試劑的消耗量是常規(guī)實驗室中成本費用的一個組成部分，但它不是常規(guī)分析實驗室成本費用中最大的組成部分。在常規(guī)分析實驗室中可以顯著降低成本費用的措施是減少了實驗分析時間。實驗分析時間的縮短大大的提高了樣本通量，同時也降低了分析實驗室的運營成本。

表1 試劑用量LM 成本計算示例

LP 本刊提示

“綠色化學”的12 個原則

1、直接方法優(yōu)于間接方法；

2、樣本數(shù)量和樣本量的最小化；

3、優(yōu)選在線測量；

4、實驗分析過程和操作（在現(xiàn)有）過程中的集成，即節(jié)約能源也減少了試劑消耗量；

5、選擇能夠實現(xiàn)自動化和最小化的實驗分析方法；

6、應避免衍生化作用；

7、避免產(chǎn)生實驗分析廢棄物，以及實驗分析廢棄物安全可靠的無害化處理；

8、優(yōu)先選用能夠同時完成幾種分析和/或者完成多個實驗參數(shù)分析的方法；

9、盡可能的減少能源消耗；

10、使用可再生原材料進行檢測分析；

11、不使用有毒有害試劑/用無毒無害試劑替換；

12、用戶的安全性最為重要，應有盡可能高的安全性。

Mikro-LC 方法的積極成效

與傳統(tǒng)的HPLC 或者超高效液相色譜法（UHPLC）相比較，μLC 的經(jīng)濟優(yōu)勢和生態(tài)優(yōu)勢是無可置疑的。在常規(guī)實驗室中使用這一分析方法，除了減少試劑消耗量和增加實驗樣本通量之類的優(yōu)點之外，更重要的是這一分析方法不會導致數(shù)據(jù)質量的下降和實驗過程的不穩(wěn)定?；诙嗄陙淼膶嵺`經(jīng)驗，筆者認為這是一種完全理想的實驗分析方法。