澄清超临界流体色谱中甲醇/二氧化碳混合物的密度和粘度之间的关系

在40°C时表征了粘度的影响以及粘度和密度之间的关系。似乎大多数SFC用户将更高的压降等同于更高的密度，这通常是不正确的。在较高的改性剂浓度(>≈20%)和压力(>≈200 bar)下，与较低压力下较低的MeOH浓度相比，MeOH/CO2混合物的密度实际上降低了。同时，压降增大，说明粘度增大。因此，在SFC中使用的许多典型条件下，密度和粘度之间的关系仍然知之甚少。在SFC中使用的条件下，粘度没有测量值。文献中发表了两种方法来计算SFC条件下的粘度，一种是动态粘度，另一种是运动粘度，但都没有明显的优势或更准确。校正密度的差异后，它们只有轻微的差异，这是好事。在这里，来自其中一种方法的数据被用来描述密度和粘度之间的关系。结果表明，密度是一个很差的保持指标，或压力下降时，改性剂的浓度变化显著。这显然与主流教学相矛盾，在主流教学中，密度是留存率的主要控制变量。粘度的变化，而不是密度的变化，解释了压力下降和扩散系数随压力和改性剂浓度的变化。

简介

近年来，在超临界流体色谱(SFC)等容条件下，密度对保留的影响已被大量报道[1-5]。这些报告表明，密度是一个主要的控制变量。事实上，它有时被描述为最重要的控制变量。这是一种严重的扭曲。对于极性溶质，与密度的变化相比，改性剂浓度的变化对滞留[6]和效率的影响要大得多。
通常使用相对较高的改性剂浓度(>20%)，以及梯度洗脱。此外，亚2微米颗粒的使用越来越多，这会产生更高的系统压力。一种普遍的看法是，增加改性剂浓度总是导致增加密度，同时增加压降。
在如此高的MeOH浓度和更高的压力下，MeOH/CO2混合物的物理化学性质尚未得到显著研究。密度和粘度之间的关系仍然知之甚少。对于这种流动相[7]的少数经验密度测量是相当古老的，并支持这一观点。当这类报道发表时，文献中使用的改性剂浓度很少超过10-20%，压力很少为> 200 bar。毫不奇怪，公布的密度数据只涵盖了相对较低的MeOH浓度和低压。然而，一些纯改性剂，如MeOH，在高压下的密度明显小于CO2。在某些中等浓度和压力下，CO2/MeOH混合物的密度应该开始降低。不幸的是，在如此高的浓度和压力下，没有发表的密度实验数据。
直到最近几年，CO2/MeOH混合物的密度才得以计算出较为准确的数值。NIST的REFPROP程序[8-10]对于计算CO2/MeOH混合物的密度是相当准确的。虽然出现了少量的报道[5,11-13]，但这些结果并没有被广泛使用。
粘度是一个更大的问题。对于SFC中使用的CO2和极性改性剂的混合物，没有经验粘度测量，任何实验方法都令人生畏。随着改性剂浓度的增加，压降继续增加，这是由于分子紧密度的增加，随后粘度也随之增加。不幸的是，REFPROP不能生成精确的传输特性，例如粘度，对于这种非极性主流体与极性改性剂的混合物。
已经出现了一些计算粘度的方法，但结果有些不一致。Tarafder[5]使用REFPROP生成等密度(等密度)线作为参考，并将CO2/MeOH混合物的计算密度与旧的经验密度测量值进行了比较，发现在临界点附近有相当大的偏差，但在其他地方有相对较好的一致性。然后，Tarafder计算并绘制了具有相同密度和相同成分的所有温度和压力。这些图包含ρ/η的比值，其中η是动态粘度，ρ是密度。这个比例与运动粘度成正比。为了将这些数据转换为实际的运动粘度值，需要另一种估计，在这种情况下，柱孔隙率是达西定律微分版本[5]中唯一的非常数。通过对柱孔隙度的估计，为每条运动粘度曲线赋值。混合比例从5%到20%不等。这些数字中有许多假设、近似值和估计，使结果令人怀疑。
Fekete[3]在计算MeOH/CO2混合物的动态粘度时采用了完全不同的方法。他使用了一些关于CO2/MeOH混合物的粘度/密度的经验数据[14]，其中液相与气相在低压(<80 bar)下接触。然后，他将相关性扩展到更高压力和温度的条件下，在0%到40%的MeOH之间。将低压数据外推到更高的压力(通过临界点)有点牵强，因为流体的密度和粘度之间的关系很差，因为在更高压力下，调节剂的密度远小于二氧化碳的密度。令人惊讶的是，这实际上是一种相当常见的方法，使用相同的基本假设和类似的数据。作者[3]声称已经将计算值与一些实测值进行了检查，并与之很好地吻合，但没有提供细节。这些结果被报道为动态粘度在厘泊。
当Fekete的[3]结果除以密度(生成运动粘度)或Tarafder的[5]数据乘以密度(生成动态粘度)时，这两组数据不太吻合，但很接近。差异不是很大，曲线形状大致相同。
在该实验室[11]最近的一份报告中，使用REFPROP的密度数据，对高改性剂浓度和高压下的密度变化进行了简要描述，包括保留率、效率和压降。在理解效率、压降和最佳流速时，一个缺失的环节是缺乏精确的粘度值，以及在>≈200bar和>≈20%的甲醇浓度下，粘度、密度和压降之间的关系。在目前的工作中，Fekete[3]的粘度结果涵盖了更广泛的MeOH浓度范围(高达40%)，并外推到更低的中间浓度，并与REFPROP在相同成分和温度下的密度数据进行了比较。

实验设备

色谱图使用型号4301A 1260 Infinity II SFC收集，由型号C.01.08(210)化学站控制，全部来自安捷伦科技公司，瓦尔德波隆(德国)。该仪器由SFC转换模块、二元泵、多采样器、恒温柱室和120hz二极管阵列探测器(DAD)组成。标准170µm油管，包括2个热交换器被使用，除了50厘米的120µm油管作为流池的入口管。流池体积为13µL，流道长度为10mm。色谱柱为4.6 x 150mm，填料为5 μ m RX-Sil，来自美国DE Little Falls的Agilent Technologies公司。
安捷伦SFC的独特之处在于，二元泵不会显著压缩二氧化碳。通过SFC转换模块预压缩到低于输送压力8bar。二元泵只测量流量。由于二元泵的CO2一半不压缩，因此几乎没有压缩热，所输送的CO2的温度也不含糊。通过了解泵的温度和输送压力，可以从REFPROP获得每种纯流体的密度。泵输出v/v%。如果知道每种流体的密度，以及每个泵的体积位移与时间的关系，就知道实际的摩尔%。相反，将mol %转换为v/v%是相当容易的。与其他SFC相比，由于高压缩热，这是更困难的。在泵压缩显著的情况下，流体的温度不是泵扬程的温度。

化学物质

可可碱来自美国密苏里州圣路易斯的Sigma-Aldrich(> 98%，按接收使用)。二氧化碳是饮料级，来自美国佛罗里达州布雷登顿的Terry供应公司，50磅气缸，没有DIP管。HPLC级MeOH和IPA购自SECO, Aston, PA, USA。样品溶解在甲醇中。自动进样器所用的“原料”溶剂是异丙醇。

结果

REFPROP[8-10]对CO2/MeOH混合物在40℃下的密度计算如图1所示。这些计算得到摩尔%的密度。在低改性剂浓度和低压下，密度随甲醇浓度的小幅增加而急剧增加，随压力的增加而增加的程度较小。这与大多数用户的普遍看法是一致的。然而，在只有≈200bar时，纯CO2的密度大约与50%甲醇的CO2密度相同。即使是5%的MeOH也比50%的密度大。这与人们对MeOH浓度和密度的普遍认知完全相反。在300巴以上，纯二氧化碳的密度比任何甲醇的CO2混合物都要大!这一点在以前没有得到充分的阐述，这表明一些用户把密度作为控制变量的想法是没有根据的，而且会适得其反。
对于有些极性的化合物，如小的类药物分子，保留通常是极性修饰剂浓度的强函数，但有时也表明密度也是一个主要的控制变量。利用图1中的数据，很容易显示由于改性剂浓度和压力的变化而引起的密度变化对保留率的影响。可可碱从4.6x150mm, 5µm RX-Sil(裸二氧化硅)色谱柱中洗脱，使用不同的背压调节器(BPR)设置和甲醇浓度。流量设置为2mL/min，烘箱温度设置为40℃，接近该条件下的最佳流量。
压降适中(≈35bar，主要在柱内)，因此使用泵压力和BPR压力的平均值作为柱内平均压力，这反过来应该表明柱内的近似平均密度。图2a绘制了保留系数与甲醇浓度的关系，图2b绘制了相同条件下色谱柱中的平均密度。显然，随着改性剂浓度的增加，保留率的急剧下降并不是由密度的增加引起的，因为密度经常降低。
在低改性剂浓度下，增加压力对保留率的影响最大，尽管改性剂浓度总是更重要。在5%的MeOH条件下，当BPR压力从100 bar增加到300 bar时，滞留量几乎减半，但在这两种情况下，滞留量都是过量的(k≈9-16)。然而，在较高的MeOH浓度下，压力逐渐变得不那么重要。所有这些都有部分的记录，但是密度、粘度和压降之间的关系呢?
以Fekete[3]的粘度数据为基础，对100 bar处的粘度进行二次估计。然后通过粘度值外推得到甲醇浓度的干预值，结果如图3所示。将0%的值与REFPROP的纯二氧化碳值进行了比较，结果合理一致。
在图4a中，流动相的粘度，在泵，使用图3中的数据，与改性剂浓度绘制。在图4b中，在相同流量和温度下的泵压力与粘度的关系。这两个图都是线性的，计算的粘度增加似乎与系统压降的增加一致，正如人们所期望的那样。
图3中的计算粘度与图1中的计算密度进行了对比。结果如图5所示。在低压(100-200 bar)下，密度最初增加到≈20-25%甲醇，与大多数用户的感知一致。然而，在较高的MeOH浓度下，密度下降，而粘度增加。在300 ~ 400 bar时，密度几乎呈线性下降，而粘度随着改性剂浓度的增加而增加。因此，在较高的压力下，密度和粘度之间的关系实际上与一般预期相反。计算了图5中的所有关系。
图2中的平均压力也被绘制成图6中所示的密度与粘度值。曲线旁边的压力是BPR压力。结果与图5中的结果一致。因此，在一个真实的柱压降产生类似的结果。

结论

用于SFC的MeOH/CO2混合物的密度和粘度之间的关系是复杂的。事实上，在更高的修饰剂浓度或更高的压力下，这种关系是令人困惑的，或基本上与大多数用户的认知相反。这使得密度几乎无用，事实上，在确定较高MeOH浓度或压力下的保留率或压降时是不正确的。这与大多数最近的SFC文献建议相反，这些文献强调密度和留存率之间的关系。粘度的变化，而不是密度的变化，解释了压力下降和扩散系数随压力和改性剂浓度的变化。不幸的是，粘度数据几乎不存在。

参考文献

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