向二氧化碳（CO₂）施加一定數值以上的溫度和壓力後，它會轉變為兼具液體與氣體兩種性質的超臨界流體狀態。島津製作所（位於京都府京都市）與九州大學的馬場健史教授等人的研究團隊，在全球率先開發出了以超臨界CO₂為溶劑分析樣本中成分的超臨界流體層析圖（SFC）功能擴展系統，並成功商品化。實現了從多種化合物的成分提取、分離到分析的全自動化，為廣泛的基礎研究與應用研究領域提供和拓展新的分析技術做出了貢獻。
結構異構體的分離是研究的起點
開發容易使用的日本國產設備
在食品安全性檢測與疾病診斷中，鑑定所採集得樣品中含有哪些成分至關重要。層析術利用樣品成分與增容填料的相輔作用，實現多種成分的分離與分析，已成為分析現場不可或缺的技術。
層析術包含以氣體為流動相的氣相層析圖（GC）和以液體為流動相的液相層析圖（LC）等。近年來，備受關注的是以兼具氣體和液體兩種特性的超臨界流體為流動相的超臨界流體層析圖（SFC）。這種方法不僅能檢測易溶於液體的成分，還能檢測易揮發成分，測定範圍廣泛，還能高效分離雖然分子式相同，但因官能基、取代基的位置或立體結構不同的異構體成分，而這是其他方法難以做到的。
SFC作為溶劑廣泛使用的是CO₂經加壓後獲得的超臨界CO₂（圖1）。與其他物質相比，CO₂的臨界溫度較低（31.1°C），更易於處理，且具有低粘性和高擴散性，殘留性與毒性極低。此外，當恢復至常溫常壓時超臨界CO₂會揮發，省去了濃縮步驟，因此適用於目標物質的分離與精製。同時，還能減少有機溶劑的使用量，因此作為低環境負荷溶劑而備受關注。
圖1 CO₂狀態圖。與水或甲醇等相比，CO₂的臨界點更低，在7.38兆帕、31.1℃時達到臨界點。
九州大學的馬場健史主幹教授與SFC的淵源可追溯至他在大阪大學研究生院工學研究科攻讀博士時期。當時他的研究對象為天然橡膠中的異戊二烯類化合物，其中含有大量的結構異構體，而使用LC法無法充分分離，這給他獲得博士學位籠罩了一層陰影。幸得當時的指導教授福崎英一郎副教授（現大阪大學教授），向他介紹了超臨界流體層析圖（SFC）聚合體分析領域的權威、大阪大學基礎工學研究科的右手浩一副教授（現為德島大學名譽教授），通過嘗試使用SFC進行分離，成功分離出了多種結構異構體。馬場教授表示，這段經歷正是他投身SFC研究的起點。
此後，馬場教授在從事解析生物體內代謝物的代謝組學研究過程中，再次認識到了SFC在分析難溶於水的疏水性代謝物方面的有效性。然而，當時主流的海外企業製造的SFC設備一旦出現故障，維護時間往往超過半年，成為阻礙研究的較大障礙。這使得馬場教授更加堅定了「自主開發更容易使用的SFC設備」的想法，並向多家日本廠商提議聯合開發，但均未能實現。最終只有島津製作所給予了回應：「雖然作為業務還不確定能否盈利，但還是一起試試吧」，這便是聯合開發SFC設備的開端。
實現提取、分析、測量一體化
尖端測量項目推動研究加速
馬場教授構想的「理想設備」，是能夠直接從樣品中提取成分的超臨界流體提取（SFE）、SFC和質量分析的三項連貫自動分析系統。如果能在一個系統中連續執行從成分提取、分離到檢測的所有步驟，不僅能省去設備間移動樣品的繁瑣步驟，還能避免樣品在此過程中接觸空氣或光線而導致變質的風險。此外，使用SFE還能大幅減少繁瑣的初步處理步驟。由於SFE和SFC使用相同溶劑，理論上應該比較容易連貫操作。但在當時，市面上沒有能夠自動處理大量樣品的SFE設備，SFE與SFC的連接僅停留在實驗室層面的嘗試。
被選為島津製作所方面開發成員的舟田康裕團隊負責人，在學生時代就參與過SFC研究，多次遭遇SFC設備出現故障的苦澀經歷。因此，他預感開發過程不會一帆風順，也有所不安。然而，島津製作所勇敢挑戰未知領域的企業作風，成為了他們強大的後盾。
2011年，這項產學合作項目正式啟動，次年，以馬場教授為團隊負責人的項目，成功入選日本國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）「尖端計測分析技術與設備開發」項目。馬場教授回顧道：「在申請書中標明原型機的預定完成日期後，開發日程自然隨之確定，團隊全體成員目標一致，極大加速了研究進程。研究經費不僅幫助我們招募到了專業人才，還能為學生提供研究課題，對新一代人才的培養也有助益。」
改良閥門穩定壓力
高精度定量分析成為可能
系統實現的關鍵在於SFC出口側的閥門，即「自動背壓控制裝置」。為實施SFC，需要將壓力穩定維持在大約10兆帕，以保證CO₂處於超臨界流體狀態。然而，即使是微小的壓力變動也會影響成分的分離。
以往的SFC設備存在溶解於超臨界CO₂中的成分在減壓時，會在閥門出口附近結晶，造成流路堵塞，導致壓力不穩定的問題。另外，還存在閥內腔體積過大導致質譜儀的測量精度下降的問題。要解決這些問題，有必要將原來150微升的閥內腔體積控制在10微升以下。
負責自動背壓控制裝置高性能化這一難題的，是島津製作所未來戰略推進室的後藤洋臣室長。後藤室長從理論設計開始入手，繪製設計圖並製作實體模型後帶到當時設在大阪大學的馬場教授研究室，反復進行測試和改進。經過反復嘗試，裝置於2012年1月完成（圖2）。後藤室長表示，靈感來源於孩子住院時在醫院看到的調節打點滴管流量的旋鈕。基於這一構想誕生的新閥門實現了體積僅為0.7微升的極小尺寸，遠超當初的目標。
圖2 自動背壓控制裝置及其控制結構。利用壓電元件通電後會變形的特性，實現了精密控制。
新型自動背壓控制裝置的開發，使得既往需要分流路連接的質譜儀能夠直接連接到SFC上，樣品也可全部導入質譜儀。這一突破不僅使定量再現性大幅提升，測量靈敏度也達到既往LC的6倍，同時還簡化了系統整體的構造，進而大幅提升了設備的可維護性。在此之後的開發進一步加速，2014年，接近實機規格的實體模型開發完成，2015年1月，開發團隊正式聯合發佈了超臨界流體層析分析與提取系統「Nexera UC」（圖3）。
圖3 島津製作所的超臨界流體層析分析與提取系統「Nexera UC」外觀圖。
在殘留農藥檢測中獲得效果
同時實現綠色化學
「Nexera UC」不僅實現了從初步處理到測量的全自動化，還攻克了既往SFC難以分析親水性化合物的短板，並在全球率先實現了SFC與LC相結合的「統一層析術」的實用化。
用SFC分析親水性化合物時，需向超臨界CO₂中添加被稱為「改性劑」的甲醇等有機溶劑，既往改性劑添加比例最高只能到30%～40%。而「Nexera UC」能夠實現添加100%改性劑的LC模式分離，從而能夠同時分析從疏水性化合物到親水性化合物的極寬範圍的化合物。
此外，過去SFC還存在超臨界CO₂從超臨界條件向氣體狀態變化時，體積會瞬間膨脹約500倍，導致樣品銲濺物的問題。「Nexera UC」搭載了自主研發的氣液分離器，能有效抑制體積膨脹引發的析出液銲濺物，樣品的高效回收成為可能。由此實現了樣品能夠無污染地被準確分裝至小型容器中（圖4）。
圖4 即使超臨界CO₂瞬間膨脹為氣體狀態，經過特殊設計的氣液分離器也能防止樣品銲濺物。
在開發設備的同時，馬場教授的團隊還致力於分析方法本身的開發。以食品領域的殘留農藥檢測和醫療領域的臨床血液檢測為模式案例，分別與宮崎縣綜合農業試驗場的安藤孝部長（現任職於食品檢驗與研究機構）、神戶大學研究生院醫學研究科的吉田優副教授（現兵庫縣立大學環境人類學部教授）合作，使用各類樣品進行了徹底的測試。通過排除故障等努力，提高了分析方法的精度和再現性。
島津製作所LC業務單元的尾和道晃副業務單元長回憶道，「殘留農藥檢測流程繁雜，尤其是初步處理環節需要熟練的分離與精製技術。由於必須在食品流通前出結果，因此如何簡化流程、提高效率是行業面臨的大問題。」為此，團隊開發了一種只需將農作物粉碎後與脫水劑混合，密封於專用容器中即可進行分析的方法。該方法成功地將原本需35分鐘的初步處理工序縮短至僅5分鐘（圖5）。此外，檢測結果也從既往的數日縮短至次日即可得出，充分驗證了該方法的有效性。同時，該方法將有機溶劑使用量較之前減少了94.2%，既降低了環境負荷，也踐行了「綠色化學」的理念。
圖5 通過優化分析方法，成功地將分析前的初步處理工序縮短至5分鐘。
◆從現在開始……
進行生物技術基礎建設
打造具有全球競爭力的工具
迄今為止所開發的一系列分析系統，均無需繁瑣的初步處理，即可實現全自動且高速的分析，為擁有各種性質的成分分析做出了貢獻。該成果獲得了高度認可，馬場教授和島津製作所由此榮獲第50屆井上春成獎。對於獲獎，馬場教授表示：「這是一個讓社會了解SFC潛力的好機會。今後希望繼續積極推進研發，讓SFC成為與GC、LC並列的常規分離方法。」目前，研究人員仍每月開會，探討改進SFC設備與開拓更多應用場景。
自2023年起，馬場教授還在JST的「革新性GX技術創新項目」（GteX）中擔任由九州大學、早稻田大學、產業技術綜合研究所、新潟大學、德島大學、山口大學等組成的研究團隊的團隊負責人，致力於開發加速微生物、植物等生物製造技術基礎的「推進下一代生物製造的高級組學測量與解析基礎平台」，最終目標是打造出在全球生物製造領域具備競爭力的強有力的工具。
馬場教授向青年研究者表達期待時說道：「分析技術是支撐科學與社會發展的基石。不僅在基礎研究領域，在醫療、新藥研發、化學與食品工業、農業等所有領域，分析數據的重要性都在不斷提升。個性化醫療的時代即將到來，今後分析技術的作用還將進一步擴大。我希望那些渴望為社會作出貢獻的人，能夠積極挑戰這一領域。」
（TEXT：安藤鞠、PHOTO：松井Hirosi）
原文：JSTnews 2025年12月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
