SFC: Prinzip, überkritisches CO2 und Modifier
Die SFC nutzt überkritisches Kohlenstoffdioxid als mobile Phase, dessen Eigenschaften zwischen Gas und Flüssigkeit liegen und dessen Polarität man mit Modifiern anhebt.
Das Wichtigste in Kürze
- Die SFC ist eine Chromatographie mit überkritischem \(\ce{CO2}\) als mobiler Phase, die zwischen GC und HPLC steht.
- Der kritische Punkt von \(\ce{CO2}\) liegt bei 31,0 °C und 73,8 bar. Ein Gegendruckregler am Systemende hält den Druck darüber.
- Überkritisches \(\ce{CO2}\) hat eine geringere Viskosität und ein höheres, gasähnliches Diffusionsvermögen als flüssige Fließmittel.
- Seine Dichte ist niedriger bis ähnlich hoch wie bei Flüssigkeiten, und die Lösungsstärke hängt von der Dichte ab.
- Modifier wie Methanol und Acetonitril erhöhen die Polarität der mobilen Phase. Salze und unpolare Kohlenwasserstoffe sind ungeeignet.
Dieses Kapitel ist für Supporter
Relaxed ins Stex ist ein kleines, unabhängiges Projekt. Mit einem Zugang unterstützt du uns und schaltest das ganze 1. Staatsexamen frei. ❤️
Bitte bestätige zuerst deine E-Mail-Adresse
Wir haben dir einen Link geschickt. Erst mit bestätigter E-Mail-Adresse kannst du einen Zugang freischalten und nutzen.
Worum es geht
Die Chromatographie mit überkritischen Fluiden (SFC) verwendet als Fließmittel meist \(\ce{CO2}\) in einem Zustand oberhalb seines kritischen Punkts. Sie steht zwischen Gas- und Flüssigkeitschromatographie. In der Pharmazie wird sie vor allem für schnelle und chirale Trennungen genutzt.
Prinzip und Gerät
Jeder Reinstoff hat einen kritischen Punkt. Er ist das Ende der Dampfdruckkurve. Oberhalb der kritischen Temperatur und des kritischen Drucks lassen sich Gas und Flüssigkeit nicht mehr unterscheiden. Für \(\ce{CO2}\) liegt dieser Punkt bei 31,0 °C und 73,8 bar, also gut erreichbar.
Ein Stoff oberhalb seiner kritischen Temperatur und seines kritischen Drucks. Er bildet eine einzige Phase, deren Eigenschaften zwischen denen eines Gases und einer Flüssigkeit liegen.
Die SFC arbeitet im Prinzip wie die HPLC. Eine mobile Phase transportiert die Probe durch eine gepackte Säule, und die Analyten verteilen sich zwischen mobiler und stationärer Phase. Nur ist die mobile Phase hier überkritisches \(\ce{CO2}\). Daher ähnelt das Verfahren in Teilen der GC, etwa bei der schnellen Diffusion. Die allgemeinen Trennprinzipien gelten unverändert.
Aufbau der Anlage
Das \(\ce{CO2}\) kommt flüssig aus der Flasche. Eine gekühlte Pumpe fördert es, denn gekühltes \(\ce{CO2}\) bleibt flüssig und lässt sich exakt dosieren. Eine zweite Pumpe liefert den Modifier. Beide Ströme vereinen sich im Mischer. Dann folgen Injektor, Säule im Ofen und Detektor.
Am Ende sitzt der Gegendruckregler. Er hält den Druck im gesamten System oberhalb des kritischen Drucks. Ohne ihn würde das \(\ce{CO2}\) schon in der Säule zum Gas entspannen. Erst hinter dem Regler entweicht es als Gas. Der Ofen sorgt dafür, dass die Temperatur über 31 °C bleibt. Druck und Temperatur zusammen legen so den Zustand der mobilen Phase fest.
Als stationäre Phasen dienen meist gepackte Säulen wie in der HPLC. Häufig sind polare Phasen, etwa Kieselgel oder Diol-Phasen. Sehr verbreitet sind chirale Phasen für die Enantiomerentrennung. Detektiert wird meist per UV oder massenspektrometrisch.
Eigenschaften von überkritischem CO2
Überkritisches \(\ce{CO2}\) verbindet die Vorteile beider Nachbarzustände. Es löst Stoffe ähnlich wie eine Flüssigkeit und fließt fast wie ein Gas. Die Tabelle zeigt typische Größenordnungen.
| Eigenschaft | Gas | überkritisches Fluid | Flüssigkeit |
|---|---|---|---|
| Dichte (g/cm³) | etwa \(10^{-3}\) | 0,2 bis 0,9 | 0,8 bis 1 |
| Viskosität (Pa·s) | etwa \(10^{-5}\) | \(10^{-5}\) bis \(10^{-4}\) | etwa \(10^{-3}\) |
| Diffusionskoeffizient (cm²/s) | etwa \(10^{-1}\) | \(10^{-4}\) bis \(10^{-3}\) | etwa \(10^{-5}\) |
Die Viskosität ist deutlich geringer als bei flüssigen Fließmitteln. Deshalb fällt der Druckabfall über der Säule klein aus. Man kann mit höheren Flussraten arbeiten. Das Diffusionsvermögen ist höher und gasähnlich. Analyten wechseln so schneller zwischen den Phasen. Der Stoffaustausch verbessert sich, und die Peaks bleiben auch bei hohem Fluss schmal. Das erklärt die flache van-Deemter-Kurve der SFC.
Die Dichte liegt niedriger als bei Flüssigkeiten oder erreicht ähnliche Werte. Sie ist aber um Größenordnungen höher als bei Gasen. Gerade die Dichte bestimmt, wie gut das Fluid Stoffe löst. Man kann sich die Moleküle des Fluids als Lösungsmittelhülle vorstellen: Je dichter sie gepackt sind, desto besser umhüllen sie einen Analyten.
Die Lösungsstärke von überkritischem \(\ce{CO2}\) hängt von seiner Dichte ab. Mehr Druck heißt höhere Dichte und damit stärkere Elutionskraft.
Wie das Diagramm zeigt, steigt die Dichte knapp oberhalb des kritischen Drucks besonders steil an. Kleine Druckänderungen verschieben dort die Dichte stark. Eine höhere Temperatur senkt bei gleichem Druck die Dichte. Druck und Temperatur sind in der SFC also echte Stellschrauben für die Retention.
Modifier
Reines \(\ce{CO2}\) ist unpolar und ähnelt in seiner Elutionskraft etwa Hexan. Polare Arzneistoffe lösen sich darin schlecht und bleiben lange an polaren Phasen haften. Deshalb setzt man einen Modifier zu. Das ist ein polares organisches Lösungsmittel, das mit \(\ce{CO2}\) mischbar ist. Er erhöht die Polarität der mobilen Phase und optimiert so die Trenneigenschaften.
Der gebräuchlichste Modifier ist Methanol. Auch Acetonitril wird eingesetzt, ebenso Ethanol oder Isopropanol. Der Anteil reicht von wenigen Prozent bis etwa 40 %. Steigert man ihn im Lauf der Trennung, entsteht ein Gradient wie in der HPLC.
Ein brauchbarer Modifier muss drei Dinge erfüllen. Er ist polar, mischt sich mit \(\ce{CO2}\) und lässt sich nach dem Gegendruckregler leicht entfernen. Daran scheitern viele naheliegende Kandidaten.
| Stoff | Eignung als Modifier | Grund |
|---|---|---|
| Methanol | gebräuchlich | polar, mischbar, flüchtig |
| Acetonitril | gebräuchlich | polar, aprotisch, mischbar |
| Methan, Ethan, Ethen, Ethin | ungeeignet | unpolar, heben die Polarität nicht an |
| Natriumphosphate, Natriumsulfat, Natriumhydrogensulfat, Natriummethanolat | ungeeignet | Salze, in \(\ce{CO2}\) unlöslich |
| Acetaldehyd | ungebräuchlich | reaktive Carbonylverbindung |
| Methansulfonsäure | ungebräuchlich | starke Säure statt Lösungsmittel |
Natriummethanolat klingt nach Methanol, ist aber ein Salz. Es löst sich nicht im überkritischen \(\ce{CO2}\) und taugt daher nicht als Modifier.
Der Modifier wirkt doppelt. Er erhöht die Lösungsstärke der mobilen Phase für polare Analyten. Zugleich besetzt er aktive Zentren der stationären Phase und verbessert so die Peakform. Wofür man die SFC in der Praxis nutzt, zeigt die Seite zu den pharmazeutischen Anwendungen.
Quiz
Aussage 1
Die Lösungsstärke von überkritischem \(\ce{CO2}\) lässt sich über den Druck einstellen, weil sie von der Dichte abhängt.
Höherer Druck erhöht die Dichte und damit die Lösungsstärke, besonders stark knapp oberhalb des kritischen Drucks.
Aussage 2
Acetonitril kann dem überkritischen \(\ce{CO2}\) als Modifier zugesetzt werden, um die Polarität der mobilen Phase zu erhöhen.
Acetonitril ist polar und mit \(\ce{CO2}\) mischbar. Neben Methanol ist es ein gebräuchlicher Modifier.
Aussage 3
Ethan wird überkritischem \(\ce{CO2}\) als Modifier zugesetzt, um polare Arzneistoffe schneller zu eluieren.
Ethan ist unpolar und hebt die Polarität nicht an. Als Modifier dienen polare Lösungsmittel wie Methanol.
Aussage 4
Der Gegendruckregler einer SFC-Anlage sitzt hinter dem Detektor und hält das \(\ce{CO2}\) im System überkritisch.
Er hält den Druck bis zum Systemende über dem kritischen Druck. Erst dahinter entweicht das \(\ce{CO2}\) als Gas.
Aussage 5
Analyten diffundieren in überkritischem \(\ce{CO2}\) langsamer als in flüssigen Fließmitteln.
Das Diffusionsvermögen ist höher und gasähnlich. Der schnelle Stoffaustausch hält die Peaks auch bei hohem Fluss schmal.
Aussage 6
Überkritisches \(\ce{CO2}\) ist viskoser als flüssige Fließmittel wie Methanol-Wasser-Gemische.
Die Viskosität ist deutlich geringer als bei flüssigen Fließmitteln. Deshalb ist der Druckabfall über der Säule klein.
Fehler entdeckt oder eine Idee? Wir verbessern die Inhalte laufend. Melde es uns gerne über dieses Formular ❤️
Teile der Inhalte wurden mithilfe von KI-Systemen erstellt und werden fortlaufend redaktionell geprüft. Trotz Sorgfalt können Fehler enthalten sein. Wichtige Informationen bitte anhand offizieller Quellen prüfen. Relaxed ins Stex ist ein unabhängiges Angebot und steht in keiner Kooperation mit dem IMPP. Das Angebot ist weder vom IMPP autorisiert noch mit diesem verbunden.