向二氧化碳（CO₂）施加一定数值以上的温度和压力后，它会转变为兼具液体与气体两种性质的超临界流体状态。岛津制作所（位于京都府京都市）与九州大学的马场健史教授等人的研究团队，在全球率先开发出了以超临界CO₂为溶剂分析样本中成分的超临界流体色谱（SFC）功能扩展系统，并成功商品化。实现了从多种化合物的成分提取、分离到分析的全自动化，为广泛的基础研究与应用研究领域提供和拓展新的分析技术做出了贡献。
结构异构体的分离是研究的起点
开发容易使用的日本国产设备
在食品安全性检测与疾病诊断中，鉴定所采集得样品中含有哪些成分至关重要。色谱法利用样品成分与填充剂的相互作用，实现多种成分的分离与分析，已成为分析现场不可或缺的技术。
色谱法包含以气体为流动相的气相色谱（GC）和以液体为流动相的液相色谱（LC）等。近年来，备受关注的是以兼具气体和液体两种特性的超临界流体为流动相的超临界流体色谱（SFC）。这种方法不仅能检测易溶于液体的成分，还能检测易挥发成分，测量范围广泛，还能高效分离虽然分子式相同，但因官能团、取代基的位置或立体结构不同的异构体成分，而这是其他方法难以做到的。
SFC作为溶剂广泛使用的是CO₂经加压后获得的超临界CO₂（图1）。与其他物质相比，CO₂的临界温度较低（31.1°C），更易于处理，且具有低粘性和高扩散性，残留性与毒性极低。此外，当恢复至常温常压时超临界CO₂会挥发，省去了浓缩步骤，因此适用于目标物质的分离与精制。同时，还能减少有机溶剂的使用量，因此作为低环境负荷溶剂而备受关注。
图1 CO₂状态图。与水或甲醇等相比，CO₂的临界点更低，在7.38兆帕、31.1℃时达到临界点。
九州大学的马场健史主干教授与SFC的渊源可追溯至他在大阪大学研究生院工学研究科攻读博士时期。当时他的研究对象为天然橡胶中的异戊二烯类化合物，其中含有大量的结构异构体，而使用LC法无法充分分离，这给他获得博士学位笼罩了一层阴影。幸得当时的导师福崎英一郎副教授（现大阪大学教授），向他介绍了超临界流体色谱（SFC）聚合物分析领域的权威、大阪大学基础工学研究科的右手浩一副教授（现为德岛大学名誉教授），通过尝试使用SFC进行分离，成功分离出了多种结构异构体。马场教授表示，这段经历正是他投身SFC研究的起点。
此后，马场教授在从事解析生物体内代谢物的代谢组学研究过程中，再次认识到了SFC在分析难溶于水的疏水性代谢物方面的有效性。然而，当时主流的海外企业制造的SFC设备一旦出现故障，维修时间往往超过半年，成为阻碍研究的较大障碍。这使得马场教授更加坚定了“自主开发更容易使用的SFC设备”的想法，并向多家日本厂商提议联合开发，但均未能实现。最终只有岛津制作所给予了回应：“虽然作为业务还不确定能否盈利，但还是一起试试吧”，这便是联合开发SFC设备的开端。
实现提取、分析、测量一体化
尖端测量项目推动研究加速
马场教授构想的“理想设备”，是能够直接从样品中提取成分的超临界流体提取（SFE）、SFC和质量分析的三项连贯自动分析系统。如果能在一个系统中连续执行从成分提取、分离到检测的所有步骤，不仅能省去设备间移动样品的繁琐步骤，还能避免样品在此过程中接触空气或光线而导致变质的风险。此外，使用SFE还能大幅减少繁琐的预处理步骤。由于SFE和SFC使用相同溶剂，理论上应该比较容易连贯操作。但在当时，市面上没有能够自动处理大量样品的SFE设备，SFE与SFC的连接仅停留在实验室层面的尝试。
被选为岛津制作所方面开发成员的舟田康裕团队负责人，在学生时代就参与过SFC研究，多次遭遇SFC设备出现故障的苦涩经历。因此，他预感开发过程不会一帆风顺，也有所不安。然而，岛津制作所勇敢挑战未知领域的企业作风，成为了他们强大的后盾。
2011年，这项产学合作项目正式启动，次年，以马场教授为团队负责人的项目，成功入选日本国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）“尖端计测分析技术与设备开发”项目。马场教授回顾道：“在申请书中标明原型机的预定完成日期后，开发日程自然随之确定，团队全体成员目标一致，极大加速了研究进程。研究经费不仅帮助我们招募到了专业人才，还能为学生提供研究课题，对新一代人才的培养也有助益。”
改良阀门稳定压力
高精度定量分析成为可能
系统实现的关键在于SFC出口侧的阀门，即“自动背压控制装置”。为实施SFC，需要将压力稳定维持在大约10兆帕，以保证CO₂处于超临界流体状态。然而，即使是微小的压力变动也会影响成分的分离。
以往的SFC设备存在溶解于超临界CO₂中的成分在减压时，会在阀门出口附近结晶，造成流路堵塞，导致压力不稳定的问题。另外，还存在阀内腔容积过大导致质谱仪的测量精度下降的问题。要解决这些问题，有必要将原来150微升的阀内腔容积控制在10微升以下。
负责自动背压控制装置高性能化这一难题的，是岛津制作所未来战略推进室的后藤洋臣室长。后藤室长从理论设计开始入手，绘制设计图并制作样机后带到当时设在大阪大学的马场教授研究室，反复进行测试和改进。经过反复尝试，装置于2012年1月完成（图2）。后藤室长表示，灵感来源于孩子住院时在医院看到的调节输液管流量的旋钮。基于这一构想诞生的新阀门实现了容积仅为0.7微升的极小尺寸，远超当初的目标。
图2 自动背压控制装置及其控制结构。利用压电元件通电后会变形的特性，实现了精密控制。
新型自动背压控制装置的开发，使得既往需要分流路连接的质谱仪能够直接连接到SFC上，样品也可全部导入质谱仪。这一突破不仅使定量再现性大幅提升，测量灵敏度也达到既往LC的6倍，同时还简化了系统整体的构造，进而大幅提升了设备的可维护性。在此之后的开发进一步加速，2014年，接近实机规格的样机开发完成，2015年1月，开发团队正式联合发布了超临界流体色谱分析与提取系统“Nexera UC”（图3）。
图3 岛津制作所的超临界流体色谱分析与提取系统“Nexera UC”外观图。
在残留农药检测中获得效果
同时实现绿色化学
“Nexera UC”不仅实现了从预处理到测量的全自动化，还攻克了既往SFC难以分析亲水性化合物的短板，并在全球率先实现了SFC与LC相结合的“统一色谱法”的实用化。
用SFC分析亲水性化合物时，需向超临界CO₂中添加被称为“改性剂”的甲醇等有机溶剂，既往改性剂添加比例最高只能到30%～40%。而“Nexera UC”能够实现添加100%改性剂的LC模式分离，从而能够同时分析从疏水性化合物到亲水性化合物的极宽范围的化合物。
此外，过去SFC还存在超临界CO₂从超临界状态向气体状态变化时，体积会瞬间膨胀约500倍，导致样品飞溅的问题。“Nexera UC”搭载了自主研发的气液分离器，能有效抑制体积膨胀引发的析出液飞溅，样品的高效回收成为可能。由此实现了样品能够无污染地被准确分装至小型容器中（图4）。
图4 即使超临界CO₂瞬间膨胀为气体状态，经过特殊设计的气液分离器也能防止样品飞溅。
在开发设备的同时，马场教授的团队还致力于分析方法本身的开发。以食品领域的残留农药检测和医疗领域的临床血液检测为模式案例，分别与宫崎县综合农业试验场的安藤孝部长（现任职于食品检验与研究机构）、神户大学研究生院医学研究科的吉田优副教授（现兵库县立大学环境人类学部教授）合作，使用各类样品进行了彻底的测试。通过排除故障等努力，提高了分析方法的精度和再现性。
岛津制作所LC业务单元的尾和道晃副业务单元长回忆道，“残留农药检测流程繁杂，尤其是预处理环节需要熟练的分离与精制技术。由于必须在食品流通前出结果，因此如何简化流程、提高效率是行业面临的大问题。”为此，团队开发了一种只需将农作物粉碎后与脱水剂混合，密封于专用容器中即可进行分析的方法。该方法成功地将原本需35分钟的预处理工序缩短至仅5分钟（图5）。此外，检测结果也从既往的数日缩短至次日即可得出，充分验证了该方法的有效性。同时，该方法将有机溶剂使用量较之前减少了94.2%，既降低了环境负荷，也践行了“绿色化学”的理念。
图5 通过优化分析方法，成功地将分析前的预处理工序缩短至5分钟。
◆从现在开始……
进行生物技术基础建设
打造具有全球竞争力的工具
迄今为止所开发的一系列分析系统，均无需繁琐的预处理，即可实现全自动且高速的分析，为拥有各种性质的成分分析做出了贡献。该成果获得了高度认可，马场教授和岛津制作所由此荣获第50届井上春成奖。对于获奖，马场教授表示：“这是一个让社会了解SFC潜力的好机会。今后希望继续积极推进研发，让SFC成为与GC、LC并列的常规分离方法。”目前，研究人员仍每月开会，探讨改进SFC设备与开拓更多应用场景。
自2023年起，马场教授还在JST的“革新性GX技术创新项目”（GteX）中担任由九州大学、早稻田大学、产业技术综合研究所、新潟大学、德岛大学、山口大学等组成的研究团队的团队负责人，致力于开发加速微生物、植物等生物制造技术基础的“推进下一代生物制造的高级组学测量与解析基础平台”，最终目标是打造出在全球生物制造领域具备竞争力的强有力的工具。
马场教授向青年研究者表达期待时说道：“分析技术是支撑科学与社会发展的基石。不仅在基础研究领域，在医疗、新药研发、化学与食品工业、农业等所有领域，分析数据的重要性都在不断提升。个性化医疗的时代即将到来，今后分析技术的作用还将进一步扩大。我希望那些渴望为社会作出贡献的人，能够积极挑战这一领域。”
（TEXT：安藤鞠、PHOTO：松井Hirosi）
原文：JSTnews 2025年12月号
翻译：JST客观日本编辑部
