Organická analýza - Principy Superkritické Fluidní Chromatografie

4 SUPERKRITICKÁ FLUIDNÍ CHROMATOGRAFIE

4.1 Úvod

4.2 Mobilní fáze v SFC

• 4.2.1 Čistý oxid uhličitý
• 4.2.2 Směsi CO₂ a organického modifikátoru

4.3 Stacionární fáze v SFC

• 4.3.1 Náplňové kolony
• 4.3.2 Kapilární kolony

4.4 Instrumentace v SFC

• 4.4.1 Zdroj nadkritické tekutiny a organického modifikátoru
• 4.4.2 Dávkovací zařízení – automatické dávkovače
  • 4.4.2.1 Automatické dávkovače
  • 4.4.2.2 Dávkování systémem s časovým omezením nástřiku (timed-delay)
  • 4.4.2.3 Dávkování pomocí vstupního děliče
• 4.4.3 Termostat kolony v SFC
• 4.4.4 Regulace tlaku v SFC
  • 4.4.4.1 Regulátor zpětného tlaku – BPR
  • 4.4.4.2 Restriktory
• 4.4.5 Detektory v SFC
  • 4.4.5.1 Spojení SFC-MS

Kniha obsahuje přehled metod analýzy organických látek: Analytikům prohloubí jejich znalosti používaných metod a vedoucím pracovníkům poskytne podklady pro řešení úkolů jejich laboratoře. Je určena také pro studenty a vyučující univerzit a vědecké pracovníky.

💡 Kompletní obsah naleznete v odborné publikaci Organická analýza, kterou můžete zakoupit přímo u vydavatele 2 THETA, prostřednictvím LabRulez nebo v mnoha knihkupectvích.

SUPERKRITICKÁ FLUIDNÍ CHROMATOGRAFIE

Superkritická fluidní chromatografie (SFC) je separační metoda, která používá nadkritickou mobilní fázi, tedy látku za teplot a tlaků vyšších či blízkých jejich příslušným kritickým hodnotám. Obecně lze v kolonové chromatografii využít celé oblasti fluidního stavu látky, tj. spojitého přechodu od klasické kapaliny do plynu, volbou vhodné pracovní teploty a tlaku.

První prací popisující SFC separaci je studie Klespera a kol. [1] z roku 1962, kteří separovali deriváty porfyrinu v nadkritickém dichlorodifluoromethanu na náplňové koloně. Další dvě desítky let byl rozvoj SFC upozaděn, především díky razantnímu rozvoji plynové chromatografie (GC) a kapalinové chromatografie (HPLC). Zlom nastal na začátku 80.let zavedením kapilárních kolon s vázanou stacionární fází. Přesto se dlouhou dobu jednalo pouze o okrajovou separační techniku využívanou zejména pro chirální separace a v preparativním módu. Teprve vývoj mikronáplňových kolon a robustní instrumentace v posledních letech přispěl k tomu, že SFC spojuje některé z výhodných atributů GC a HPLC:

• vysoká rychlost a účinnost separace díky nízké viskozitě mobilní fáze a vysokým difuzním koeficientům

• nižší viskozita nadkritického CO₂ taktéž umožňuje použití kolon s menšími částicemi s nižším nárůstem zpětného tlaku

• použití GC detektorů umožňujících detekci látek bez chromoforních skupin a dosažení vyšší citlivosti detekce

• používá se relativně levná a ekologicky nezávadná mobilní fáze na bázi CO₂

Název SFC se v dnešní době používá ve spojitosti s použitím čistého či modifikovaného CO₂ jako mobilní fáze. Přestože v případě použití CO₂ modifikovaného organickým rozpouštědlem se již tato binární směs nenachází ve striktně nadkritickém stavu, název „superkritická fluidní chromatografie“ zůstal zachován i pro separace v těchto subkritických podmínkách.

Je patrný trend, kdy pokroky v instrumentaci pro HPLC a GC jsou přenášeny do konstrukce přístrojů pro SFC. Jedná se o následující aspekty:

• vysoce účinné a reprodukovatelné systémy pro čerpání a mísení kapalin

• automatizace dávkování do systému a manipulace se vzorkem (autosamplery)

• náplňové kolony pro UHPLC s průměrem sorbentu menší než 2 μm,

• povrchově porézní sorbenty s nižším tlakovým spádem na koloně

• množství nově syntetizovaných stacionárních fází, použitelných pro HPLC i SFC

• komerční dostupnost rozhraní pro spojení SFC s hmotnostní detekcí (MS)

• velký pokrok v konstrukci, citlivosti a rozlišení MS přístrojů

Mobilní fáze v SFC

V SFC lze jako mobilní fázi použít jakoukoliv látku, jejíž hodnoty kritických parametrů jsou dosažitelné použitým zařízením. Prakticky přichází v úvahu pouze úzké spektrum látek, které splňují následující požadavky:

• musí být inertní jak k analyzovaným látkám, tak vzhledem k použité stacionární fázi a instrumentaci

• měly by být levné a dostupné ve vysoké čistotě

• musí být kompatibilní s použitým detektorem

• měly by být bezpečné, nehořlavé a netoxické

• měly by mít hodnoty kritické teploty a kritického tlaku snadno dosažitelné v laboratorních podmínkách.

Požadované vlastnosti nejlépe splňuje oxid uhličitý (kritická teplota tk= 31°C, kritický tlak pk= 7.3 MPa), který je v SFC používán v naprosté většině případů. Zřídka se používá oxid dusný (tk= 36°C, pk= 7.2 MPa). Použití nadkritického amoniaku (tk= 132°C, pk= 11.2 MPa) je sporadické, především pro jeho jedovatost a korozivní účinky. V minulosti byl jako nadkritická mobilní fáze testován také argon, xenon, amoniak, SO₂ a další [2]. Mnoho z těchto testovaných látek však mělo výrazné nevýhody. Použití argonu a xenonu je neekonomické, amoniak poskytoval nereprodukovatelné výsledky a má mnoho bezpečnostních rizik a SO₂ je korozivní a těžko získatelný v dostatečné čistotě. Jako mobilní fáze byl testován také N₂O, jedná se však o silné oxidační činidlo, které by se nemělo mísit s organickými rozpouštědly. U dalších kandidátů, jako je voda, methanol, isopropanol a argon, pak byl překážkou obtížně dosažitelný kritický bod [2].

2 THETA: Obr. 4.1 Kritický bod oxidu uhličitého. Pc – hodnota kritického tlaku, Tc – hodnota kritické teploty. Převzato ze zdroje [3]

Jedinou vážnější nevýhodou oxidu uhličitého je jeho nízká polarita, nedostačující k eluci polárnějších látek z kolony. Tento problém se obvykle řeší přídavkem „modifikátoru“, což je polární organické rozpouštědlo, nejčastěji methanol. Přídavek několika % modifikátoru značně zvýší polaritu oxidu uhličitého, a tím i rozpustnost analytů. V tomto případě obvykle nelze použít typické GC detektory, např. plamenově ionizační (FID), ale lze využít detektory typické pro LC, např. ultrafialový absorpční detektor (UV detektor), detektor rozptylu světla (evaporative light scattering detector – ELSD), detektor nabitého aerosolu (charged aerosol detector – CAD) a samozřejmě hmotnostní spektrometr (MS).

Čistý oxid uhličitý

Výhody SFC jsou důsledkem vlastností nadkritické mobilní fáze. Z Tabulky je zřejmé, že při zachování stejné hustoty (tj. předpokladu solvatační schopnosti) jsou hodnoty viskozity a difuzního koeficientu řádově příznivější pro CO₂ ve srovnání s hodnotami kapalných rozpouštědel. Z dalších vlastností je to téměř nulové povrchové napětí, což má větší význam v extrakci než v SFC.

Solvatační schopnosti dané nadkritické tekutiny, a tedy i eluční síla mobilní fáze je určována její hustotou. Tato eluční síla se s rostoucí hustotou zvyšuje, neboť dochází k růstu mezimolekulárních interakcí mezi analyty a mobilní fází. Vhodná volba gradientu hustoty mobilní fáze s čistým CO₂ v SFC má podobný efekt jako zvyšování eluční síly mobilní fáze v HPLC či programování teploty v GC.

Směsi CO₂ a organického modifikátoru

Velmi výraznou změnou ve vývoji SFC techniky od jejího založení prošla mobilní fáze. Původně byly jako mobilní fáze používány pouze čisté tekutiny ve striktně nadkritickém stavu, což dalo této technice jméno [5]. V moderním pojetí se stále využívá výhodných vlastností mobilních fází založených na CO₂ avšak v kombinaci s organickým modifikátorem. Přídavek organického modifikátoru má za následek zrychlení eluce a zkrácení času analýzy polárních a ionizovatelných sloučenin.

CO₂ je mísitelný s organickými rozpouštědly s různou polaritou v širokém rozmezí teplot a tlaků. Proto je možné využít jak isokratické tak gradientové eluce pomocí směsi CO₂ a organického modifikátoru. Moderní SFC se tak stává velmi všestrannou technikou umožňující separaci analytů s širokým spektrem fyzikálně-chemických vlastností za použití jediného systému mobilních fází [5].

Přídavek organického modifikátoru samozřejmě ovlivní také hodnoty kritického tlaku a teploty. Při použití 30 % organického modifikátoru vzrostou tyto hodnoty na 135 °C a 16.8 MPa. Zatímco tohoto tlaku je možné v chromatografických systémech dosáhnout vcelku snadno, pro teplotu toto neplatí. Typické SFC separace proto probíhají za teploty 40°C a tlaku v rozmezí 10 – 15 MPa. Za takových podmínek se tedy mobilní fáze již nenachází v nadkritickém stavu a její solvatační a eluční sílu není možné významně ovlivnit změnou tlaku. Tato směs zkapalněného CO₂ a organického modifikátoru se obvykle nazývá subkritickou tekutinou. Chromatografické výhody SFC mobilní fáze, tj. nízká viskozita a vysoká difuzivita, jsou však zachovány i zde díky plynulému přechodu vlastností mezi nadkritickým a subkritickým stavem. Viskozita, difuzní koeficient, hustota i solvatační síla jsou téměř identické pro nadkritickou i subkritickou tekutinu se stejným složením [6, 7].

Použití organického modifikátoru má několik důsledků [2, 5]:

• zvýšení polarity, a tím eluční schopnosti mobilní fáze

• změna hustoty mobilní fáze

• změna povrchu stacionární fáze vlivem adsorpce

• vliv na tvar píku

• změna selektivity

• blokování aktivních míst stacionární fáze

• zvýšení rozpustnosti analytů

Kombinace těchto faktorů může způsobit nepředvídatelné změny v retenci, jelikož může dojít ke změně vlastností stacionární fáze v závislosti na složení mobilní fáze, teplotě kolony a změnám hustoty podél kolony. Proto je volba organického modifikátoru důležitým krokem vývoje každé SFC metody [8]. Mezi běžně používané organické modifikátory patří alkoholy, především methanol, ethanol a isopropanol. Mohou však být použita i další organická rozpouštědla jako je např. acetonitril, chloroform, tetrahydrofuran a další. Nejčastější volbou je methanol vzhledem k několika výhodným vlastnostem. Methanol je polární, má velkou eluční sílu umožňující vyšší separační účinnost, nízkou viskozitu, nízké povrchové napětí a nízkou absorbanční mez při UV detekci (205 nm) [9].

Volba vhodného organického modifikátoru probíhá na základě jeho eluční síly, selektivity separace, účinnosti separace a tvaru píků [8]. V SFC jsou preferovány organické modifikátory povahy alkoholů, jelikož ty obsahují místa schopná akceptovat vodíkovou vazbu. To umožňuje pokrytí volných silanolů, tedy míst s donory vodíkové vazby, které jsou často zodpovědné za asymetrický tvar píků [10]. Acetonitril tuto vlastnost postrádá, avšak prokázal schopnost jedinečně ovlivňovat selektivitu SFC separací. Jelikož však použití samotného acetonitrilu má za následek nízkou eluční sílu a nesymetrické píky, používá se zejména v kombinaci s methanolem či jiným alkoholem [11]. Vliv organického modifikátoru na selektivitu separace ukazuje Obr. 4.4., který porovnává separaci tikagreloru a jeho 3 nečistot za použití různých organických rozpouštědel [2].

2 THETA: Obr. Vliv organického modifikátoru na UHPSFC separaci. MeOH – methanol, EtOH – ethanol, ACN – acetonitril, IPA – isopropanol. Separace tikagreloru (1) a jeho tří nečistot (2, 3, 4) na koloně Torus Diol (100 x 3.0 mm, 1.7 μm),gradientová eluce 5 – 40% organického modifikátoru ve 3 min, průtok 1,5 ml/min, 40 °C, 13.78 MPa, UV detekce při 225 nm. Převzato ze zdroje [2].

Stacionární fáze v SFC

Náplňové kolony

V moderních SFC metodách naprosto převládá použití náplňových kolon o vnitřním průměru 3.0 mm. V minulosti byly používány především kolony s 5 – 10μm částicemi, v posledních letech však roste použití kolon s plně i povrchově porézními částicemi < 3μm a s plně porézními částicemi menšími než 2μm v rámci tzv. ultra-vysokoúčinné superkritické fluidní chromatografie (UHPSFC) [10]. Plně porézní 3 μm částice jsou běžně používány v achirálních i chirálních separacích. Nižší viskozita mobilní fáze v porovnání s HPLC umožňuje použít delší kolony, a tím zvýšit separační účinnost SFC analýzy.

Použití malých částic zvyšuje účinnost a rychlost analýzy. Kolony s částicemi o průměru menším než 2 μm jsou již několik desetiletí běžně používány v rámci UHPLC analýz, přestože jejich použití vyžaduje dedikovanou instrumentaci s minimalizovanými mimokolonovými objemy a pracující za tlaků vyšších než 100 MPa. Použití těchto kolon v SFC přišlo později. Viskozita čistého CO₂, případně binární směsi CO₂ a organického rozpouštědla, je mnohonásobně nižší než je tomu u mobilních fází běžných v kapalinové chromatografii. Proto i zpětný tlak generovaný v SFC systému s částicemi < 2μm bude i za použití vyšších průtoků mnohem nižší než je tomu v UHPLC [19]. Přesto se použití částic < 2μm v SFC do běžné praxe dostalo až v roce 2012, kdy byla představena nová instrumentace navržená za účelem UHPSFC separací. Porovnání separační účinnosti mezi UHPLC a UHPSFC se věnovalo několik prací. Výsledky jedné z nich jsou ukázány na Obr. , který porovnává minimální výškové ekvivalenty teoretického patra pro 4 zmíněné techniky, HPLC, SFC, UHPLC a UHPSFC. Optimální lineární rychlost pro SFC je zde 4x vyšší než pro HPLC i za použití binární mobilní fáze obsahující 4 % methanolu. Použití částic < 2μm vedlo ke zvýšení separační účinnosti v případě UHPLC i UHPSFC. Hodnota minimálního výškového ekvivalentu teoretického patra pro UHPSFC byla nepatrně vyšší (1.2 x) než pro UHPLC, ale přesto je stále velmi nízká a bylo jí dosaženo při 4x vyšší optimální lineární rychlosti [20].

Nízká viskozita čistého CO₂, případně binární směsi CO₂/organický modifikátor, umožňuje v moderní SFC použití kolon s malými částicemi v kombinaci s vysokými průtoky pouze s mírným nárustem systémového tlaku. V SFC se tedy běžně mohou použít delší kolony či kolony s částicemi < 2μm. Srovnání systémových tlaků je ukázáno na Obr. 4-3B. Nejnižší hodnoty změny tlaku na metr kolony byly pozorovány v případě SFC a UHPSFC, což je velmi důležité vzhledem k nutnosti použití regulátoru zpětného tlaku, který zvyšuje systémový tlak o přibližně 12 – 15 MPa, a potenciálního použití gradientové eluce až do 50 % organického modifikátoru. Moderní SFC instrumentace má totiž tlakový limit, jenž je při použití vyššího obsahu organického modifikátoru než 50 % a vyššího průtoku často nedostatečný.

SFC umožňuje jak chirální, tak achirální separace za použití téže mobilní fáze založené na nad-/sub-kritickém CO₂. Jako stacionární fáze lze používat veškeré stacionární fáze pro HPLC. To se týká jak achirálních (např. C₁₈, C₈, NH₂, CN), tak chirálních kolon (polysacharidové, cyklodextrinové, makrocyklická antibiotika a další).

Podobně jako u HPLC jsou i achirální SFC kolony založeny především na plně porézních silikagelových částicích s modifikací vázanou přes siloxany [5, 15]. Silikagelový povrch stacionární fáze hraje klíčovou roli v SFC separacích, a proto většina SFC kolon není upravena pomocí endcappingu. Na povrchu se tak nacházejí i reaktivní silanoly, které mohou měnit selektivitu kolony v rámci jejího používání. Je proto doporučováno skladovat kolony v CO₂ namísto organického rozpouštědla.

2 THETA: Obr. Porovnání separační účinnosti a normalizovaný pokles tlaku jako funkce lineární rychlosti pro částice o velikosti 1,7 a 3,5 μm v UHPLC a UHPSFC. (A) Van Deemterovy křivky pro butylparaben na 2 systémech vybavených kolonami s částicemi 1,7 nebo 3,5 μm. XTerra RP18 50 mm × 4,6 mm, 3,5 μm (HPLC), Acquity Shield RPC18 50 mm × 2,1 mm, 1,7 μm (UHPLC) obě kolony testovány v podmínkách LC: H2O/acetonitril (60/40, v/v), 30 °C, 1 μl, 254 nm. Kolony Acquity UPC2 BEH 2-EP 100 mm × 3,0 mm, 3,5 μm (SFC) a 100 mm × 3,0 mm, 1,7 μm (UHPSFC) testované v podmínkách SFC: CO2/methanol (96/4, v/v), 40 °C, BPR 150 bar, 1 μl, 254 nm. (B) Odpovídající generovaný pokles tlaku v koloně normalizovaný na 1 m kolony, aby se zabránilo vlivu geometrie kolony. Převzato ze zdroje [20]..

Kapilární kolony

V kapilárních kolonách jsou tlakové ztráty vyvolané prouděním nadkritické tekutiny kolonou minimální. Proto lze použít poměrně dlouhé kolony, standardně délky 10 m s vnitřním průměrem 50 μm. Sortiment používaných stacionárních fází zahrnuje nepolární polydimethylsiloxan, polárnější fenyl- a bifenylsiloxany až po nejpolárnější kyanopolysiloxany a polyethylenglykoly. Pro kapilární kolony je charakteristická jejich malá kapacita (řádově nl vzorku), které je třeba přizpůsobit dávkovací systém. Vzhledem k velmi malému objemu kolony (přibližně 20 μl) je třeba dbát zvýšené pozornosti na minimalizaci mimokolonových objemů. V opačném případě může dojít ke značnému snížení rozlišení. Kritické je především správné připojení kolony k dávkovacímu systému a k restriktoru.

Instrumentace v SFC

V současné době je možné pozorovat, že SFC prožívá svou třetí renesanci, především díky představení nové instrumentace a rozšíření použití do nových aplikačních oblastí. Výrobci tak znovu na trh uvádí přístroje pro analytickou i preparativní SFC (TharSFC, Agilent, Shimadzu, Waters, Gilson, Novasep, PIC Solution a další).

2 THETA: Obr. Schéma instrumentace SFC: 1- zásobní láhve s organickými modifikátory, 2- tlaková láhev s CO₂,, 3- odplyňovač pro organické modifikátory, 4- vysokotlaké binární čerpadlo pro složku CO₂ 5- a organický modifikátor, 6-směšovač7- automatický dávkovač, 8- kolona umístěná v termostatu, 9- detektor, 10- počítač, 11- regulátor zpětného tlaku (BPR), 12- nádoba pro sběr odpadu. Převzato ze zdroje [3].

Zdroj nadkritické tekutiny a organického modifikátoru

Zdrojem CO₂ je běžně tlaková láhev, kde je CO₂ v plynném stavu či v kapalném stavu v rovnováze s malým množstvím plynu. Čistota nadkritické tekutiny rozhodujícím způsobem ovlivňuje základní linii signálu, a tím i vlastní detekční limit. Vhodný je CO₂ čistoty alespoň 99.99% nebo speciálně čištěný CO₂ pro SFC analýzy. Obr. 4.8 demonstruje negativní vliv sifonové trubice v tlakové láhvi (dip tube) na čistotu plynu. Moderní SFC systémy obsahují výkonné chladiče schopné zkapalnit plynný CO₂ z tlakové láhve a není proto nutné používat ponornou sifonovou trubici. Díky tomu, že se využívá plynná část CO₂ namísto kapalné, dochází před samotným použitím k destilaci, čímž jsou odstraněny případné nečistoty [19].

2 THETA: Obr. Vliv čistoty CO₂ na tvar základní linie. 1 - Siad 4.8 se sifonovou trubicí, 2 - MG 4.5 bez trubice. Detektor: FID 250°C, kolona ODS 5 μm, 15 cm, 60 °C, program 8-35 MPa. Vliv čistoty.jpg

Dávkovací zařízení – automatické dávkovače

Podobně jako u HPLC, kde se pracuje s vysokými vstupními tlaky, není možné dávkovat analyzovaný vzorek do kolony superkritického chromatografu injekční stříkačkou přes pryžové septum jako v plynové chromatografii. V současné době jsou prakticky výlučně využívány automatické dávkovače.

AUTOMATICKÉ DÁVKOVAČE

Hlavní rozdíl mezi SFC a HPLC dávkovacím zařízením je dán vlastnostmi nad-/sub-kritické mobilní fáze v SFC, která neumožňuje použití dávkovacích systémů typických pro HPLC. V SFC se mobilní fáze chová jako stlačený plyn. Když se dávkovací ventil přepne do polohy „nasávání vzorku (load)“, tedy mimo vysokotlaké podmínky udržované v SFC systému pomocí BPR regulátoru, mobilní fáze v prostoru stříkačky, smyčky, jehly a sedla jehly expanduje až 500x a je odvedena portem ventilu do odpadu. Po tomto nárustu objemu je však celý dávkovací systém naplněn plynem o nízké hustotě a stříkačka tak není schopná nasát další vzorek. V SFC proto není možné využít automatické dávkovače s průtočnou jehlou (flow through needle – FTN), které jsou běžné v HPLC. A automatické dávkovače s nastavitelným objemem smyčky (variable-loop) typické pro HPLC musely být pro použití v SFC upraveny na automatické dávkovače se smyčkou s pevným objemem (fixed-loop). Externí smyčka s pevně daným objemem je připojena mezi protilehlé porty 2-polohového/6-cestného ventilu. Vzorek je nasán z vialky a uložen do této smyčky. V poloze „nástřik (inject)“ přijde do kontaktu s vysokotlakým systémem a mobilní fází pouze tato smyčka a držáky rotoru. Jelikož v tomto případě není možné promytí jehly pomocí mobilní fáze, je před dalším nástřikem promytí stříkačky, smyčky a jehly zajištěno pomocí odděleného nízkotlakého čerpadla [19].

DÁVKOVÁNÍ SYSTÉMEM S ČASOVÝM OMEZENÍM NÁSTŘIKU (TIMED-DELAY)

Tento systém dávkování je vhodný jak pro kapilární tok pro náplňové kolony a nevyžaduje vstupní dělič (Obr. 4.9). Jeho funkci lze popsat následovně: v prvé pozici (load) se naplní vzorkem vnitřní dávkovací smyčka (objemu 60-200 nl), přičemž mobilní fáze proudí do kolony druhou cestou. Po naplnění se kohout přepne do druhé pozice (inject), čímž se vnitřní smyčka začne vyplachovat mobilní fází do kolony. Pokud není vyžadováno dávkování celého objemu smyčky tak, aby nebyla překročena kapacita kolony, přepne se kohout zpět dříve, než dojde k úplnému vypláchnutí smyčky. Kohout má zpravidla pneumatické ovládání, které umožňuje jeho rychlé přepnutí. Volitelný interval (timed-delay) se pohybuje zpravidla od ms do několika sekund. Tento systém poskytuje reprodukované hodnoty dávkovaných objemů, ale klade zvýšené nároky na elektronické ovládání a mechanickou konstrukci kohoutu. Pro rychlé přepínání ventilu je třeba použít plynu s nízkou viskozitou (helium).

2 THETA: Obr. Dávkování do SFC pomocí systému s časovým omezením nástřiku (timed-delay)

DÁVKOVÁNÍ POMOCÍ VSTUPNÍHO DĚLIČE

Dostupné komerční dávkovací ventily mají minimální objem cca 60 nl. Kapilární kolony pro SFC vyžadují několikanásobně menší objem vzorku (0.5-10 nl). Časté je použití vstupního děliče, který dělí dávkovaný objem vzorku na část vstupující do kolony a zbytek, který je odváděn mimo chromatografický systém.

2 THETA: Obr. Dávkování do SFC pomocí vstupního děliče

Vzorek se rozdělí mezi dělič a kolonu v obráceném poměru, než je poměr hydraulických odporů děliče a kolony. Podobně jako výstup z kolony je i dělič toku vybaven restriktorem, jehož úkolem je omezovat průtok nadkritické tekutiny děličem, a tím udržovat v chromatografickém systému potřebný tlak. Restriktorem tlaku je zpravidla křemenná kapilára malého vnitřního průměru (10-30 μm) s velkým hydraulickým odporem a dělicí poměr je dán její délkou.

Nevýhodou děliče je riziko ucpávání analyzovanými látkami, jejichž rozpustnost klesá se snižujícím se tlakem (hustotou) nadkritické tekutiny a dochází ke změnám dělícího poměru. Z tohoto důvodu je obvykle konec restriktoru vyhříván.

Termostat kolony v SFC

Chromatografická kolona je umístěna v termostatu. Na vstupu do kolony je obvykle stejný tlak jako v čerpadle, protože tlakové ztráty v přívodních kapilárách jsou minimální. Tlakovým (hustotním) gradientem se může optimalizovat separace analyzovaných látek, avšak v posledních letech se mnohem častěji využívá gradient organického modifikátoru.

Regulace tlaku v SFC

REGULÁTOR ZPĚTNÉHO TLAKU – BPR

Důležitou inovací v SFC instrumentaci byla také konstrukce elektronicky řízeného regulátoru zpětného tlaku (back-pressure regulator, BPR). Ten zásadně ovlivňuje dosažitelnou reprodukovatelnost analýz a retenčních časů.

RESTRIKTORY

Úkolem restriktoru, připojeného za výstupem z chromatografické kolony, je udržovat nadkritické podmínky po celé délce kolony. Restriktorem v obecném případě může být libovolné zařízení s dostatečným hydraulickým odporem (regulační ventil, kapilára, frita). Restriktor současně určuje průtok mobilní fáze, a tím i lineární rychlost v koloně.

Za výstupem z restriktoru dochází k expanzi nadkritické mobilní fáze z pracovního tlaku na atmosferický tlak. Tato expanze je doprovázena prakticky totální ztrátou solvatační schopnosti mobilní fáze a původně rozpuštěné analyty se okamžitě segregují ze vzniklé plynné fáze. Dochází ke vzniku shluků molekul a klastrů ve formě aerosolů [31].

Expanze nadkritické mobilní fáze je doprovázena Joule-Thomsonovým chladícím efektem. To může vést až k ucpávání restriktoru a nepravidelnému průtoku. Proto je konec restriktoru obvykle vyhříván. Volba restriktoru souvisí s použitým detekčním systémem. V případech, kdy je podobně jako v HPLC použita UV detekce, je restriktor umístěn za detektorem. Z hlediska konstrukce restriktoru je zde širší možnost výběru. Běžně se pro tyto účely používají např. jemně nastavitelné regulační ventily.

Pokud je mobilní fází v SFC látka za použitých podmínek plynná a není organická (CO₂), lze použít detektory běžné v GC, které pracují za normálního tlaku (FID, ECD).

V tomto případě plní restriktor další důležitoufunkci, kterou je plynulý transport analytů do plynné fáze v detektoru. Takový restriktor by měl splňovat co nejlépe následující požadavky:

• poskytovat plynulý průtok dekomprimované mobilní fáze, bez pulsů a nárazů

• neměl by být náchylný k ucpávání

• měl by být snadno vyměnitelný s možností regulace průtoku

• měl by umožnit převod analytů do plynné fáze bez pyrolýzy nebo tvorby shluků molekul, které způsobují problémy s detekcí (spiking)

• nesmí významně přispívat k rozšiřování píků látek.

2 THETA: Obr. Schematický nákres některých restriktorů používaných v SFC. I. lineární kapilární restriktor, II. integrální restriktor, III. vytahovaný restriktor, IV. fritový restriktor, V. multikanálový restriktor.

• Lineární restriktor

• Integrální restriktor

• Vytahovaný („tapered“) restriktor

• Fritový restriktor

• Multikanálový restriktor

Detektory v SFC

V SFC lze použít prakticky všechny detektory používané v GC a HPLC. V minulosti byl nejpoužívanějším detektorem v SFC plamenově ionizační detektor. Důvody jsou zřejmé: jedná se o jednoduchý, univerzální detektor s dostatečnou linearitou a citlivostí. Způsob jeho provozování je stejný jako v GC. Restriktor se zavádí až těsně pod úroveň trysky hořáku. Obvykle se konec restriktoru vyhřívá v detektoru na relativně vysokou teplotu (až 400°C). Přítomnost CO₂ snižuje citlivost FID detektoru asi pětkrát.

SPOJENÍ SFC-MS

Vzhledem k tomu, že mobilní fáze obsahuje vysoké procento těkavého CO₂, může se spojení SFC s hmotnostní detekcí zdát na první pohled jednoduché. Těkavý CO₂ vskutku zlepšuje krok odpařování až o 5 %. Stlačitelnost a fázové chování SFC mobilní fáze však přináší několik překážek. Kvůli poklesu tlaku v MS může dojít k poklesu solvatační síly mobilní fáze až k bodu, kdy začnou analyty precipitovat. To vede ke ztrátě chromatografické účinnosti, zhoršení tvaru píků a převodu hmoty a především ke snížení citlivosti a stability. Precipitované analyty se mohou také zachytávat na stěnách kapilár a způsobovat tak významný přenos mezi nástřiky. V průběhu let bylo navrženo a vyzkoušeno několik technických řešení tohoto spojení včetně přímého zavádění tekutiny (direct flow introduction - DFI), pohyblivého pásu (moving belt interface), termospreje (thermospray interface), paprsku částic (particle beam), zdroje plazmových iontů, jako je mikrovlnně indukovaná plazma (MIP) a indukčně vázaná plazma (ICP) a konečně zdroje ionizace za atmosférického tlaku (API), jmenovitě ionizace elektrosprejem (ESI) a chemická ionizace za atmosférického tlaku (APCI) [2].