English China

SFC: CO2 als mobile Phase Grüne Alternative zur HPLC?

Autor / Redakteur: Isabelle Möller* / Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Wurde sie früher als „Science Fiction Chromatographie“ verschrien, bietet die Supercritical Fluid Chromatography (SFC) heutzutage eine zuverlässige orthogonale Trenntechnik zu klassischen Trennmethoden. Die Vorteile der SFC sind zahlreich – von einem geringeren Lösungsmittelbedarf bis hin zu einer höheren Auflösung.

Firmen zum Thema

Abb.2: Schematischer Aufbau eines SFC-Systems mit Photodiodenarray-Detektor
Abb.2: Schematischer Aufbau eines SFC-Systems mit Photodiodenarray-Detektor
(Bild: Shimadzu)

Themen wie „Green Chemistry“, der verantwortliche Umgang mit Ressourcen und die umweltfreundliche Vorgehensweise bei Analysen und Trennungen haben in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen. Durch ein gestiegenes Umweltbewusstsein der Gesellschaft werden zahlreiche Bemühungen unternommen, Prozesse so zu optimieren, dass Abfälle reduziert werden und sich der ökologische Fußabdruck verringert. Spätestens aber seit der Weltwirtschaftskrise 2009 und der damit verbundenen starken Preissteigerung von Acetonitril, dem hauptsächlich verwendeten Lösungsmittel in der Flüssigchromatographie (High Performance Liquid Chromatographie, HPLC), ist „Green Chemistry“ auch aufgrund ökonomischer Optimierungen von Interesse.

Ein geringerer Bedarf an Lösungsmitteln bietet nicht nur Einsparungspotenzial bei deren Erwerb, auch die oft teure Entsorgung von Gefahrstoffen wird durch verringerte Lösungsmittelbedarfe reduziert.

Wie kann Chromatographie grüner werden?

Um den Verbrauch an Lösungsmitteln im Vergleich zu einer herkömmlichen HPLC-Trennung zu vermindern, gibt es mehrere Ansätze, die mehr oder weniger tauglich für den Routineeinsatz sind. Von Miniaturisierungen („Lab on a Chip“) bis hin zu ultra-schnellen UHPLC-Trennungen – bei enormen Drücken wird vielfach an effizienteren Trennverfahren geforscht und entwickelt. Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung von überkritischen Fluiden als Lösungsmittel in der Chromatographie. Die so genannte SFC (Supercritical Fluid Chromatography) bietet aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften eine interessante Alternative zur klassischen Flüssigchromatographie.

Überkritische Fluide entstehen, wenn ein Stoff über seinen kritischen Punkt gebracht wird (s. Abb. 1). Ab diesem Punkt ist er weder Gas noch Flüssigkeit, und auch die physiko-chemischen Eigenschaften sind im überkritischen Zustand eher eine Mischung beider Aggregatszustände. So ist die Viskosität ähnlich derer der Gase, daher können überkritische Fluide besonders gut durchdringen und haben als Lösungsmittel in der Chromatographie auch auf gepackten Säulen nur einen geringen Rückdruck. Die Lösungseigenschaften ähneln jedoch eher den Flüssigkeiten, sodass die überkritischen Fluide durchaus ähnliche Löslichkeiten wie eine Flüssigkeit aufweisen.

8. Praxistag HPLC am 28. Mai 2020 – DIGITAL Sie können Tipps und Tricks für die Nutzung Ihrer (U)HPLC-Anlage gebrauchen? Dann melden Sie sich an zum 8. Praxistag HPLC am 28. Mai 2020 – erstmals digital als Webinar (nutzen Sie den Aktionscode „HPLC_Leser20“ und sparen Sie 30 Euro gegenüber dem Normalpreis, exklusiv für LP-Leser). Das Programm umfasst u.a. die Themen Optimierung einer 2D-LC, Green Analytics und richtige Säulenauswahl. Auf der Eventseite finden Sie weitere Details zum Ablauf des Praxistages.

In der SFC hat sich vor allem Kohlendioxid (CO2) als geeignetes Lösungsmittel erwiesen. Einerseits erreicht es den überkritischen Zustand bei schon moderaten Bedingungen von einer Temperatur über 21 °C und einem Druck oberhalb von 74 bar. Andererseits ist es einfach verfügbar, ungiftig und kostengünstig.

Durch seinen unpolaren Charakter besitzt überkritisches CO2 Lösungseigenschaften, die in etwa denen von Hexan ähneln. Somit ist man bereits mit reinem CO2 in der Lage, unpolare Komponenten zu trennen. Gibt man darüber hinaus weitere organische Lösungsmittel als so genannte Modifier hinzu, sind durch die steigende Polarität des Lösungsmittelgemischs auch Gradientenelutionen wie in der klassischen HPLC möglich.

Vorteile der SFC gegenüber der HPLC

Der große Vorteil der SFC gegenüber der HPLC ist dabei natürlich der deutlich verringerte Bedarf an organischem Lösungsmittel. Die CO2-Zufuhr erfolgt über eine Druckgasflasche, aus der bereits flüssiges CO2 entnommen wird, das in der speziellen CO2-Pumpe weiter verdichtet und in den überkritischen Zustand gebracht wird. Während der Trennung und optischen Detektion wird das CO2 durch einen Rückdruckregulator weiterhin komprimiert und im überkritischen Zustand gehalten. Nach der optischen Detektion oder vor der massenspektrometrischen Detektion wird das CO2 entspannt und geht in den gasförmigen Zustand über. An Lösungsmittel verbleiben lediglich die Zusätze an organischem Modifier. Da diese typischerweise in eher kleinen Konzentrationen zugegeben werden, reduziert sich die Menge an Lösungsmittelabfall bei Verwendung der SFC drastisch im Vergleich zu einer vergleichbaren HPLC-Trennung.

Doch nicht nur durch diesen offensichtlichen Unterschied kann die SFC der HPLC überlegen sein. Die relativ geringen Wechselwirkungen der Moleküle untereinander sorgen für die niedrige Viskosität des überkritischen CO2. Selbst bei der Mischung mit Modifiern kann somit eine deutlich größere lineare Geschwindigkeit erzielt werden im Vergleich zur Normal- oder Umkehrphasenchromatographie. Bei gleichbleibendem Druck lassen sich gleichwertige Trennungen in der SFC bis zu fünf Mal schneller durchführen als in der HPLC. Diese schnelleren Methoden ermöglichen es, den bereits geringen Lösungsmittelbedarf durch eine kürzere Analysendauer weiter zu reduzieren.

Entwickelt wurde die SFC bereits in den 1980er Jahren, damals konnte sie sich jedoch nicht flächendeckend durchsetzen, aufgrund der noch nicht ausgereiften Technik der Rückdruckregulatoren. Ein Anwendungsgebiet blieb jedoch all die Jahre erhalten: die Trennung von chiralen Komponenten. Diese ist mit herkömmlichen HPLC-Methoden oft nur mühsam zu erzielen. Die SFC ist auch bei chiralen Trennungen der HPLC deutlich überlegen, durch das hohe Diffusionsvermögen und die niedrige Viskosität des überkritischen CO2. Gerade das zeitaufwändige Screening der optimalen Trennbedingungen kann durch die Verwendung der SFC schneller durchgeführt werden.

Eine weitere interessante Eigenschaft der SFC ergibt sich durch die geringe Polarität des überkritischen CO2. In der Standard-HPLC werden auf Reversed-Phase-Säulen (RP) eher polare Analyten auf unpolaren stationären Phasen getrennt. Durch die Verwendung des unpolaren CO2 ist die SFC darüber hinaus zugänglich für deutlich unpolarere Analyten und kann auch mit Normalphasen-Säulen verwendet werden. Sie ergänzt die RP-HPLC also und erweitert deren analytischen Anwendungsbereich. So kann es durchaus sein, dass Komponenten, die in der HPLC nicht getrennt werden konnten, in der SFC eine Basislinientrennung erfahren.

Moderne SFC-Systeme und was sie leisten

Doch die modernen SFC-Systeme sind nicht nur auf reine SFC-Trennungen reduziert. Um Laborplatz zu sparen und die Auslastung einzelner Systeme zu steigern, sind auf dem Markt auch SFC-HPLC-Switching-Systeme erhältlich. Diese vereinen HPLC- und SFC-System in einem Gerät, sodass ein einzelnes System für HPLC- sowie für SFC-Trennungen ohne weitere Umbauten oder große Umspülzeiten genutzt werden kann.

Die Nexera UC, das SFC-System von Shimadzu, geht noch einen Schritt weiter und kombiniert mit der SFC auch eine automatisierte Probenvorbereitung durch die Extraktion mit überkritischem CO2 in einem System. So entfallen nicht nur manuelle Arbeitsschritte, und mögliche menschliche Fehler werden reduziert, sondern es werden darüber hinaus Zeit und Lösungsmittel eingespart.

Ein Anwendungsbeispiel dafür ist die Analyse von Polymeradditiven (s. Abb. 3). Im konventionellen Verfahren werden dabei die Proben per Soxhlet-Extraktion über 10 bis 20 Stunden unter Rückfluss extrahiert. Mit der SFE-SFC-Kopplung kann die Extraktion nicht nur bereits in sieben Minuten abgeschlossen werden, auch das zum Extrahieren notwendige organische Lösungsmittel kann durch überkritisches CO2 ersetzt werden, um so den Lösungsmittelbedarf und Abfall zu reduzieren. Somit können moderne SFC-Systeme nicht nur Laborplatz sparen, sondern auch für eine ökonomischere und ökologischere Analyse sorgen.

* I. Möller: Shimadzu Deutschland GmbH, 47269 Duisburg

(ID:44672202)