Сверхкритическая флюидная хроматография ( СФХ ) [1] — это форма нормально-фазовой хроматографии , которая использует сверхкритическую жидкость, такую как диоксид углерода, в качестве подвижной фазы. [2] [3] Она используется для анализа и очистки низко- и среднемолекулярной , термически лабильных молекул, а также может использоваться для разделения хиральных соединений. Принципы аналогичны принципам высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ); однако СФХ обычно использует диоксид углерода в качестве подвижной фазы. Поэтому весь хроматографический поток должен находиться под давлением. Поскольку сверхкритическая фаза представляет собой состояние, в котором сходятся свойства объемной жидкости и газа, сверхкритическую флюидную хроматографию иногда называют конвергентной хроматографией. [4] Идея конвергенции свойств жидкости и газа была впервые высказана Гиддингсом. [5]
SFC в основном использовался для разделения хиральных молекул, в основном тех, которые требовали нормальных фазовых условий. В то время как подвижная фаза представляет собой жидкость в сверхкритическом состоянии, неподвижная фаза упакована внутри колонок, подобных тем, которые используются в жидкостной хроматографии. Поскольку использование режима нормальной фазы хроматографии оставалось менее распространенным, то же самое произошло и с SFC; поэтому теперь он широко используется для отдельных хиральных и ахиральных разделений и очистки в фармацевтической промышленности. [6] [7]
Инструментарий сверхкритической флюидной хроматографии [8] SFC имеет схожую установку с прибором HPLC. Неподвижные фазы похожи и упакованы в похожие типы колонок. Однако в этих системах есть особые характеристики из-за необходимости поддерживать подвижную фазу в сверхкритическом флюидном состоянии во всей системе. Температура имеет решающее значение для поддержания жидкостей в сверхкритическом состоянии, поэтому в системе должен быть инструмент управления нагревом, аналогичный тому, что используется в ГХ. Кроме того, должен быть точный механизм управления давлением, ограничитель для поддержания давления выше определенной точки, поскольку давление является еще одним важным параметром для поддержания подвижной фазы в сверхкритическом флюидном состоянии, поэтому оно поддерживается на требуемом минимальном уровне. В прибор для SFC помещается микропроцессорный механизм. Этот блок собирает данные о давлении, температуре печи и производительности детектора для управления соответствующими частями прибора.
CO 2 используется в насосах, предназначенных для углекислого газа, которые требуют, чтобы входящий CO 2 и головки насоса были холодными, чтобы поддерживать углекислый газ при температуре и давлении, подходящих для сверхкритического флюидного состояния, где его можно эффективно дозировать в указанном диапазоне расхода. CO 2 впоследствии становится сверхкритической жидкостью во всем инжекторе и печи колонны, когда температура и давление, которым он подвергается, поднимаются выше критической точки жидкости, таким образом, достигается сверхкритическое состояние.
Сверхкритические жидкости сочетают в себе полезные свойства газовой и жидкой фаз, поскольку они могут вести себя как газ и как жидкость в различных аспектах. Сверхкритическая жидкость обеспечивает газоподобную характеристику, когда она заполняет контейнер и принимает форму контейнера. Движение и кинетика молекул очень похожи на молекулы газа. С другой стороны, сверхкритическая жидкость ведет себя как жидкость, потому что ее свойство плотности близко к жидкостному; таким образом, сверхкритическая жидкость проявляет сходство с растворяющим эффектом жидкости. Результатом является то, что можно загружать массы, аналогичные тем, которые используются в ВЭЖХ, на колонку за инъекцию и по-прежнему поддерживать высокую хроматографическую эффективность, аналогичную достигаемой в ГХ. Обычно градиентное элюирование используется в аналитической СФХ с использованием полярного сорастворителя, такого как метанол, возможно, со слабой кислотой или основанием при низких концентрациях ~1%. Можно наблюдать, что видимое количество тарелок на анализ обычно превышает 500 тыс. тарелок на метр с 5 мкм неподвижными фазами. Оператор использует программное обеспечение для установки скорости потока подвижной фазы, состава сорастворителя, обратного давления системы и температуры печи колонки, которая должна превышать 40 °C для сверхкритических условий, необходимых для достижения CO2 . Кроме того, SFC обеспечивает дополнительный параметр управления – давление – с помощью автоматического статического и динамического регулятора обратного давления. С эксплуатационной точки зрения SFC так же прост и надежен, как и HPLC , но сбор фракций более удобен, поскольку первичная подвижная фаза испаряется, оставляя только аналит и небольшой объем полярного сорастворителя. Если выходной CO2 улавливается , его можно повторно сжать и переработать, что позволяет повторно использовать >90% CO2 .
Подобно ВЭЖХ, СФХ использует различные методы обнаружения, включая УФ /ВИД, масс-спектрометрию , ПИД (в отличие от ВЭЖХ) и испарительное рассеяние света.
Правило большого пальца заключается в том, что любая молекула, которая растворяется в метаноле или менее полярном растворителе, совместима с SFC, включая нелетучие полярные растворенные вещества. CO 2 имеет полярность, подобную н-гептану [9] в его критической точке. Элюирующая сила растворителя может быть увеличена просто путем увеличения плотности или, альтернативно, с помощью полярного сорастворителя. На практике, когда доля сорастворителя высока, подвижная фаза может не находиться в истинном состоянии сверхкритической жидкости, но эта терминология используется независимо, и хроматограммы тем не менее показывают лучшее элюирование и более высокую эффективность.
Подвижная фаза в основном состоит из сверхкритического диоксида углерода , но поскольку сам по себе CO2 слишком неполярен, чтобы эффективно элюировать многие аналиты, добавляются сорастворители для изменения полярности подвижной фазы. Сорастворители обычно представляют собой простые спирты, такие как метанол , этанол или изопропиловый спирт . Другие растворители, такие как ацетонитрил , хлороформ или этилацетат , могут использоваться в качестве модификаторов. Для пищевых материалов выбранным сорастворителем часто является этанол или этилацетат, оба из которых, как правило, признаны безопасными ( GRAS ). Ограничения по растворителю зависят от системы и колонки.
В прошлом было несколько технических проблем, которые ограничивали внедрение технологии SFC. Прежде всего, это необходимость поддержания высокого давления газа в рабочих условиях. Сосуды высокого давления дороги и громоздки, и часто требуются специальные материалы, чтобы избежать растворения прокладок и уплотнительных колец в сверхкритической жидкости. Вторым недостатком является сложность поддержания постоянного давления (путем регулирования противодавления). В то время как жидкости практически несжимаемы, поэтому их плотность постоянна независимо от давления, сверхкритические жидкости сильно сжимаемы, и их физические свойства изменяются с давлением, например, падение давления в колонне с насадочным слоем. В настоящее время автоматические регуляторы противодавления могут поддерживать постоянное давление в колонне, даже если скорость потока меняется, что смягчает эту проблему. Третьим недостатком является сложность разделения газа и жидкости во время сбора продукта. После сброса давления CO 2 быстро превращается в газ и распыляет любой растворенный аналит в процессе. Циклонные сепараторы уменьшили трудности разделения газа и жидкости.