Avantages analytiques de la SFC

Le dioxyde de carbone supercritique utilisé comme phase mobile pour la SFC offre des avantages uniques. Cinq des avantages de l'utilisation du dioxyde de carbone supercritique pour l'analyse SFC sont décrits ci-dessous.

• Faible Polarité
  La polarité du dioxyde de carbone supercritique est similaire à celle du n-hexane.
• Miscibilité avec d'Autres Solvants Organiques
  Le dioxyde de carbone supercritique peut être mélangé avec du méthanol, qui est un solvant soluble dans l'eau. En revanche, le n-hexane, qui offre une faible polarité similaire à celle du dioxyde de carbone supercritique, ne peut pas être mélangé avec du méthanol, en raison de sa polarité relativement élevée.
• Faible Viscosité
  Le dioxyde de carbone supercritique a une viscosité inférieure à celle de solvants tels que l'eau. Cela entraîne une pression de colonne plus faible, en supposant que la colonne a le même diamètre intérieur et la même longueur, qu'elle est remplie avec des particules de même taille, et que le dioxyde de carbone supercritique est pompé à travers la colonne au même débit.
• Vaporisation
  Le dioxyde de carbone supercritique s'évapore à une température et une pression inférieures au point critique.
• Coût du Solvant
  La polarité similaire du CO₂ supercritique et du n-hexane rend le premier approprié pour les séparations en phase normale. La chromatographie en phase normale consomme de grandes quantités de solvant, cependant la SFC consomme moins de solvant et implique le traitement de moins de déchets liquides, le coût global du solvant est donc inférieur à celui de la HPLC (Fig. 1).

Fig. 1 Comparaison des Coûts Analytiques et des Quantités de Consommation de Solvant pour la HPLC et la SFC

Les sections suivantes décrivent les avantages analytiques de la SFC fournis par les avantages du dioxyde de carbone supercritique (1) à (4) indiqués ci-dessus.

Faible Polarité – Meilleure Identification Structurale

La chromatographie en phase normale est une méthode de séparation qui utilise un solvant à faible polarité, tel que le n-hexane, comme phase mobile et une substance à haute polarité, comme la silice, comme phase stationnaire. Un avantage de la chromatographie en phase normale est qu'elle offre une meilleure capacité de reconnaissance de structure que la chromatographie en phase inversée.
La SFC utilise du dioxyde de carbone supercritique, qui possède des propriétés similaires à celles du n-hexane, et offre également une excellente capacité de reconnaissance structurale similaire à celle de la chromatographie en phase normale (Fig. 2). En utilisant une colonne conçue pour la chromatographie chirale, qui est remplie avec une phase stationnaire contenant des groupes fonctionnels optiquement actifs, la SFC est adaptée à la séparation de composés chiraux.

Fig. 2 Séparation des Vitamines D2 et D3 (Colonne UC-PyE)

Miscibilité avec des Solvants Organiques — Séparations Couvrant un Espace Chimique Plus Large

Le dioxyde de carbone supercritique peut être mélangé avec certains solvants organiques, tels que le méthanol, l'éthanol, l'alcool isopropylique (IPA), l'acétonitrile et le tétrahydrofurane (THF). En mélangeant le dioxyde de carbone supercritique avec ces modificateurs, la SFC peut atteindre une grande variété de motifs de séparation. Cela permet une analyse complète d'une large gamme de composés à polarité faible à élevée, ce qui n'était pas possible auparavant avec la HPLC. Par exemple, auparavant, la GC était nécessaire pour analyser les acides gras et la HPLC pour les glycérols. Avec la SFC, les acides gras et les glycérols peuvent désormais être analysés simultanément grâce aux propriétés similaires à celles du n-hexane du dioxyde de carbone supercritique, combinées à une colonne conçue pour la chromatographie en phase inversée (Fig. 3).

Fig. 3 Exemple d'Analyse Simultanée des Acides Gras et des Triglycérides par SFC

Faible Viscosité — Réalisation d'Analyses Ultra-Rapides

Le dioxyde de carbone supercritique a à la fois une faible viscosité et un coefficient de diffusion élevé. Cela permet une analyse avec une vitesse linéaire élevée (vitesse d'écoulement par rapport à la section transversale de la colonne). La Fig. 4 montre une comparaison des graphiques de vitesse linéaire et de pression de colonne pour la HPLC et la SFC.

Fig. 4 Vitesse Linéaire vs. Pression de Retour de Colonne

Bien qu'une vitesse linéaire plus élevée puisse réduire le temps d'analyse en HPLC, cela entraîne une augmentation de la pression de colonne. La plage supérieure de pression de colonne est limitée par la conception de l'instrument et la capacité de la colonne. Le CO₂ dans l'état supercritique a une viscosité inférieure à celle de l'eau et d'autres solvants organiques généralement utilisés pour la HPLC. Cela signifie que des temps d'analyse plus courts sont possibles pour la SFC que pour la HPLC, sans perte de résolution ni de motif de séparation.
Le dioxyde de carbone supercritique a également un coefficient de diffusion plus élevé que les solvants utilisés pour la LC. Le coefficient de diffusion contribue à déterminer à quelle vitesse les composés atteignent l'équilibre entre les phases stationnaire et mobile pendant la chromatographie et affecte la résolution. L'équation de van-Deemter ci-dessous indique la relation entre les paramètres physiques qui déterminent la valeur équivalente de hauteur d'une plaque théorique (HETP), qui est utilisée pour indiquer la résolution de la colonne.

 

Les graphiques de l'équation de van-Deemter pour la HPLC et la SFC sont montrés à la Fig. 5.^*1 Le terme A est basé sur la diffusion multi-flux générée par le matériau de remplissage dans la colonne et est proportionnel à la taille des particules du matériau de remplissage. Le terme B est déterminé par la diffusion moléculaire dans la direction axiale de la colonne. Ce phénomène de diffusion se produit lorsque les composés stagnent dans les phases stationnaire ou mobile et est inversement proportionnel à la vitesse linéaire, quelle que soit la taille des particules. Le terme C est dérivé de la facilité avec laquelle les composés peuvent pénétrer dans les pores du matériau de remplissage et de la diffusion de transfert de masse qui contribue à la vitesse linéaire. La valeur de diffusion de transfert de masse est proportionnelle à la vitesse linéaire et au carré du diamètre des particules, ce qui entraîne des valeurs HETP plus élevées pour les petites particules avec de faibles vitesses linéaires. Dans le cas de la HPLC, les phases mobiles avec une vitesse linéaire élevée entraîneront des valeurs de diffusion de transfert de masse plus importantes, mais le dioxyde de carbone supercritique a un coefficient de diffusion plus élevé que les solvants de la HPLC et peut pénétrer plus facilement dans les pores du matériau de remplissage. Cela entraîne des valeurs de diffusion de transfert de masse plus faibles même pour des vitesses linéaires élevées.
Cela fait de la SFC une technique analytique capable de réaliser des analyses ultra-rapides sans sacrifier la résolution, même à des vitesses linéaires élevées.

Fig. 5 Comparaison des Graphiques de Van-Deemter pour LC et SFC

Ces graphiques indiquent les régions où la vitesse linéaire optimale pour la SFC est plus élevée que pour la HPLC. Un exemple comparant l'analyse des tocophérols par HPLC et SFC est montré à la Fig. 6.

Fig. 6 Exemple de Comparaison de l'Analyse des Tocophérols par HPLC et SFC

Vaporisation — Sensibilité Améliorée de Détection LC-MS

Dans certaines conditions de température et de pression, le CO₂ devient un solvant, qui est utilisé comme phase mobile pour la SFC. Si une unité de MS est utilisée comme détecteur, un régulateur de pression de retour est installé juste avant l'unité de MS, de sorte que seul le modificateur ou le solvant de complément atteigne l'unité de MS. Par conséquent, contrairement à l'analyse LC-MS conventionnelle, cela réduit les effets de dilution de la phase mobile, augmentant ainsi potentiellement la sensibilité lors de l'utilisation de SFC-MS. Cela peut être observé dans l'exemple ci-dessous où 400 composants ont été analysés, 90 % d'entre eux montrant une sensibilité plus élevée avec SFC-MS (Fig. 7). La Fig. 8 montre une comparaison des résultats obtenus en utilisant LC-MS et SFC-MS pour mesurer des échantillons préparés à 10 ppb.

Fig. 7 Comparaison de Surface pour LC-MS et SFC-MS

Fig. 8 Comparaison des Chromatogrammes de Masse de Solution de Mélange de Pesticides Standard Mesurée par LC-MS et SFC-MS

• La dépendance de la hauteur de plaque réduite par rapport à la vitesse réduite dans la chromatographie en fluide supercritique de dioxyde de carbone avec des colonnes remplies Chromatographia 1987 Jan; 21-25