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Chromatographie mit überkritischen Fluiden

Kann die SFC als grüne Technik die HPLC verdrängen?

| Autor / Redakteur: Dr. Isabelle Spenner* / Dr. Ilka Ottleben

Kohlendioxid hat sich als das typische überkritische Fluid in der SFC etabliert, denn es ist leicht verfügbar, ungiftig und kostengünstig.
Kohlendioxid hat sich als das typische überkritische Fluid in der SFC etabliert, denn es ist leicht verfügbar, ungiftig und kostengünstig. (Bild: ©Scanrail - stock.adobe.com)

Oft wird sie als die neue Trendtechnik in der analytischen Chemie beschrieben, doch welche Vorteile bringt die Chromatographie mit überkritischen Fluiden für den Anwender konkret? Und ist die Supercritical Fluid Chromatography, kurz SFC in der Lage, die wohletablierten HPLC-Systeme in den Laboren vollständig zu ersetzen?

Es ist das Jahr 2009. Die weltweite Wirtschaftskrise hat auch die Kunststoffindustrie erfasst. Durch die geringeren Produktionsmengen steigen die Preise für das beliebteste HPLC-Lösungsmittel Acetonitril so drastisch an, dass vehement nach Alternativen gesucht wird. Die naheliegende Lösung wäre ein Methodentransfer auf die Verwendung von Methanol, doch sowohl die physiko-chemischen Eigenschaften als auch die Toxikologie machen den Umstieg auf Methanol nicht reibungslos möglich. Eine Alternative verspricht eine Technik, die bereits in den 1950er Jahren erstmals beschrieben wurde, jedoch oft als „science fiction chromatography“ abgetan wurde: die SFC, die richtigerweise für „Supercritical Fluid Chromatography“ steht.

Chromatographie mit überkritischen Fluiden: Grundlagen der SFC

Nach welchem Prinzip funktioniert die Supercritical Fluid Chromatography?

  • Bei der Chromatographie mit überkritischen Fluiden werden Gase einem bestimmten Druck und einer bestimmten Temperatur ausgesetzt, um in den überkritischen Zustand versetzt zu werden.
  • Ist der so genannte kritische Punkt überschritten, vereinen die Fluide in ihrem überkritischen Aggregatzustand die Eigenschaften von Gasen und Flüssigkeiten.
  • Ihre Viskosität ist sehr gering, sodass sie leicht andere Stoffe durchdringen können, aber ihre Fähigkeiten zur Löslichkeit ähneln eher einer Flüssigkeit.
  • Werden sie in der Chromatographie eingesetzt, erzeugen sie dadurch einen nur geringen Rückdruck auf der Säule und ermöglichen so deutlich höhere Flussraten als in der HPLC, treten dabei aber gleichzeitig in eine lösungsmittelähnliche Interaktion mit den Analyten und der stationären Phase.

Die physikalischen Bedingungen für den Übergang in den überkritischen Zustand sind stoffspezifisch. Durch seine relativ moderaten Bedingungen von knapp 70 bar und ca. 21 °C hat sich dabei Kohlendioxid (CO2) als das typische überkritische Fluid in der SFC etabliert. Es ist leicht verfügbar, ungiftig und kostengünstig. Durch seinen unpolaren Charakter ähnelt es in seinen Eigenschaften als mobile Phase in etwa klassischen unpolaren Lösungsmitteln aus der Normalphasen-Chromatographie wie Hexan oder Heptan. In Kombination mit geringen Mengen eines zusätzlichen polaren organischen Lösungsmittels, wie Acetonitril oder Methanol als so genannte Modifier, können in der SFC ähnlich wie in der HPLC Gradientenelutionen genutzt werden, um den Polaritätsbereich der zugänglichen Analyten zu erweitern und die Trennungen schneller und effizienter zu gestalten.

Was sind überhaupt überkritische Fluide? Dieses PEO ACWA Video beschreibt das physikalische Phänomen anhand einer Anwendung:

Aufbau eines SFC-Systems

Moderne SFC-Systeme ähneln in ihrem Aufbau der klassischen HPLC (s. Abb. 1 und 2). Je nach Hersteller sind sogar bestehende HPLC-Systeme nachträglich durch die Erweiterung von wenigen Komponenten auf ein SFC-System aufrüstbar. Dabei ergeben sich vor allem zwei wesentliche Unterschiede zur HPLC: die Pumpe und der Rückdruckregulator.

Die Pumpe, die das Kohlendioxid fördert, muss speziell auf das überkritische Fluid ausgelegt sein. Die Versorgung mit CO2 erfolgt oft über eine Flasche; es wird flüssig entnommen und in der Pumpe in den überkritischen Zustand versetzt. Da hierfür bestimmte Temperaturen benötigt werden, muss die Pumpe entsprechend temperiert werden.

Die zweite wichtige Komponente ist der Rückdruckregulator. Da sich das Kohlendioxid bei einem Abfall des Drucks wieder entspannt und in den gasförmigen Zustand zurückkehrt, ist es für eine reproduzierbare und verlässliche Chromatographie unabdingbar, dass der Druck über das gesamte System möglichst konstant aufrecht gehalten wird. Ihn zu verändern, wirkt sich sofort auf die Lösungseigenschaften des CO2 aus und damit auf die Trennung. Ein zuverlässiger Rückdruckregulator ist somit im Idealfall dynamisch, um schnell auf Veränderungen reagieren zu können, die beispielsweise durch die modifizierte Lösungsmittelzusammensetzung bei der Gradientenelution auftreten. Zudem hat er ein möglichst kleines Totvolumen, wenn ein Massenspektrometer nachgeschaltet ist, um eine Peakverbreiterung zu verhindern.

Anwendungen und Vorteile der SFC

Seit der Einführung der modernen kommerziellen SFC-Systeme in den letzten 10 bis 15 Jahren hat nicht nur das wissenschaftliche Interesse an dieser Technik deutlich zugenommen. Die Anzahl der Publikationen pro Jahr, die neue Anwendungen oder Forschungsergebnisse der SFC beschreiben, ist seit 2010 deutlich angestiegen, und auch in der Industrie steigt das Interesse an SFC-Applikationen.

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Durch die Verwendung von CO2 als Lösungsmittel, das nach der Trennung einfach evaporiert, werden Lösungsmittelabfälle reduziert und damit die Kosten für die Entsorgung organischer Abfälle minimiert. Gleichzeitig entsteht v.a. bei der präparativen Aufreinigung oder nachträglichen Strukturaufklärung der Vorteil, dass die mittels SFC isolierten Verbindungen nur noch in geringen Flüssigkeitsmengen aufkonzentriert werden. Somit kann ein zeit- und kostenintensives Eindampfen der Isolate deutlich schneller abgeschlossen werden.

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