3.3: Основні принципи надкритичної рідинної хроматографії та екстракції надкритичної рідини

Last updated
Save as PDF

Page ID: 18804

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Відкриття надкритичних рідин призвело до нових аналітичних застосувань у галузі хроматографії та екстракції, відомих як надкритична рідинна хроматографія (SFC) та екстракція надкритичної рідини (SFE). Надкритична рідинна хроматографія приймається як методи колоночної хроматографії поряд з газовою хроматографією (ГК) та високопродуктивною рідинною хроматографією (ВЕРХ). Завдяки властивостям надкритичних рідин, SFC поєднує в собі кожне з переваг як ГК, так і ВЕРХ в одному методі. Крім того, екстракція надкритичної рідини є передовою аналітичною методикою.

Визначення та формування надкритичних рідин

Надкритична рідина - це фаза матеріалу при критичній температурі і критичному тиску матеріалу. Критична температура - це температура, при якій газ не може стати рідким до тих пір, поки немає додаткового тиску; і критичний тиск - це мінімальна кількість тиску для зрідження газу при його критичній температурі. Надкритичні рідини поєднують корисні властивості газової та рідкої фаз, оскільки вони можуть вести себе як газ, так і рідина з точки зору різних аспектів. Надкритична рідина забезпечує газоподібну характеристику, коли вона заповнює ємність і приймає форму контейнера. Рух молекул досить схожий на молекули газу. З іншого боку, надкритична рідина поводиться як рідина, оскільки її властивість щільності знаходиться поблизу рідини, і, таким чином, надкритична рідина демонструє схожість з розчиняючим ефектом рідини.

Характерними властивостями надкритичної рідини є щільність, дифузійність і в'язкість. Надкритичні значення за цими ознаками мають місце між рідинами і газами. Таблиця\(\PageIndex{1}\) демонструє числові значення властивостей для газу, надкритичної рідини і рідини.

Таблиця\(\PageIndex{1}\) Надкритичні властивості рідини в порівнянні з рідинами і газами
	Газ	Надкритична рідина	Рідина
Щільність (г/см ³)	0,6 х 10 ^-3 -2,0 х 10 ^-3	0,2-0,5	0,6-2,0
Дифузійність (см ² /с)	0,1-0,4	10 ^-3 -10 ^-4	0,2 х 10 ^-5 -2,0 х 10 ^-5
В'язкість (см/с)	1 х 10 ^-4 -3 х 10 ^-4	1 х 10 ^-4 -3 х 10 ^-4	0,2 х 10 ^-2 -3,0 х 10 ^-2

Освіта надкритичної рідини - результат динамічної рівноваги. При нагріванні матеріалу до його питомої критичної температури в замкнутій системі при постійному тиску утворюється динамічна рівновага. Ця рівновага включає в себе таку ж кількість молекул, що виходять з рідкої фази в газову фазу шляхом отримання енергії і переходу в рідку фазу з газової фази, втрачаючи енергію. У цій конкретній точці фазова крива між рідкою та газовою фазами зникає і з'являється надкритичний матеріал.

Для того, щоб краще зрозуміти визначення SF, можна використовувати просту фазову діаграму. На малюнку\(\PageIndex{1}\) відображається ідеальна діаграма стану. Для чистого матеріалу фазова діаграма показує поля, де матеріал знаходиться у вигляді твердої речовини, рідини та газу з точки зору різних значень температури та тиску. Криві, де дві фази (тверда газова, тверда рідина-рідина і рідина-газ) існують разом, визначають межі фазових областей. Ці криві, наприклад, включають сублімацію для межі твердого газу, плавлення для межі твердої рідини та випаровування для межі рідина-газ. Крім цих двійкових кривих існування, існує точка, де всі три фази присутні разом у рівновазі; потрійна точка (TP).

ідеалізована діаграма фази для однокомпонентної системи — Малюнок\(\PageIndex{1}\) Схематичне зображення ідеалізованої фазової діаграми.

Є ще одна характерна точка на діаграмі стану - критична точка (КП). Ця точка виходить при критичній температурі (Т _с) і критичному тиску (Р _с). Після CP, незалежно від того, наскільки тиск або температура підвищуються, матеріал не може перетворитися з газу в рідину або з рідкої в газову фазу. Ця форма є надкритичною рідкою формою. Підвищення температури не може призвести до перетворення на газ, а підвищення тиску не може призвести до перетворення на рідину в цей момент. На фазовій діаграмі поле вище значень T _c _{і P c} визначається як надкритична область.

Теоретично надкритична область може бути досягнута двома способами:

Збільшення тиску вище значення P _c матеріалу при збереженні стабільної температури, а потім підвищення температури вище значення T _c при стабільному значенні тиску.
Збільшення температури спочатку вище значення T _c, а потім збільшення тиску вище значення P _c.

Критична точка характерна для кожного матеріалу, що виходить з характерних значень T _c і P _c для кожної речовини.

Фізичні властивості надкритичних рідин

Як уже згадувалося вище, SF поділяє деякі загальні риси як з газами, так і з рідинами. Це дозволяє нам скористатися правильним поєднанням властивостей.

Щільність

Щільність, характерна для надкритичної рідини, знаходиться між щільністю газу та рідини, але ближче до щільності рідини. У надкритичної області щільність надкритичної рідини збільшується при підвищеному тиску (при постійній температурі). Коли тиск постійний, щільність матеріалу зменшується зі збільшенням температури. Ефект розчинення надкритичної рідини залежить від її значення щільності. Надкритичні рідини також є кращими носіями, ніж гази завдяки своїй більшій щільності. Тому щільність є важливим параметром для аналітичних методів, що використовують надкритичні рідини в якості розчинників.

Дифузійність

Дифузійність надкритичної рідини може бути 100 х рідини і ^_1/1000 до ^_1/10000 х менше, ніж газ. Оскільки надкритичні рідини мають більшу дифузійність, ніж рідина, це означає, що розчинена речовина може показати кращу дифузійність у надкритичній рідині, ніж у рідині. Дифузійність паралельна температурі і суперечить тиску. Підвищення тиску впливає на надкритичні молекули рідини, щоб стати ближче один до одного і зменшує дифузійність в матеріалі. Більша дифузійність дає надкритичним рідинам шанс бути швидшими носіями для аналітичних застосувань. Отже, надкритичні рідини відіграють важливу роль для хроматографії та методів екстракції.

В'язкість

В'язкість для надкритичної рідини майже така ж, як і газ, приблизно ^_1/10 від в'язкості рідини. Таким чином, надкритичні рідини менш стійкі, ніж рідини, до компонентів, що протікають через. В'язкість надкритичних рідин також відрізняється від в'язкості рідин при цій температурі мало впливає на в'язкість рідини, де вона може різко впливати на надкритичну в'язкість рідини.

Ці властивості в'язкості, дифузійності і щільності пов'язані один з одним. Зміна температури і тиску може впливати на всі вони в різних комбінаціях. Наприклад, підвищення тиску спричиняє підвищення в'язкості, а зростання в'язкості призводить до зниження дифузійності.

Супер рідинна хроматографія (SFC)

Подібно до того, як надкритичні рідини поєднують переваги рідин та газів, SFC об'єднує переваги та сильні аспекти ВЕРХ та ГХ. SFC може бути більш вигідним, ніж ВЕРХ та ГХ, коли аналізуються сполуки, які розкладаються при високих температурах з ГК і не мають функціональних груп для виявлення систем виявлення ВЕРХ.

Існує три основні якості для колоночних хроматографій:

Вибірковість.
Ефективність.
Чутливість.

Як правило, ВЕРХ має кращу селективність, ніж SFC завдяки змінним рухомим фазам (особливо під час конкретного експериментального запуску) та широкому діапазону стаціонарних фаз. Хоча SFC не має вибірковості ВЕРХ, він має хорошу якість з точки зору чутливості та ефективності. SFC дозволяє змінювати деякі властивості під час хроматографічного процесу. Ця можливість налаштування дозволяє оптимізувати аналіз. Також SFC має більш широкий спектр детекторів, ніж ВЕРХ. SFC перевершує GC для аналізу легко розкладається речовин; ці матеріали можуть бути використані з SFC завдяки своїй здатності працювати з більш низькими температурами, ніж GC.

Контрольно-вимірювальні прилади для SFC

Як видно на малюнку,\(\PageIndex{2}\) SFC має подібну настройку до приладу ВЕРХ. Вони використовують аналогічні стаціонарні фази зі схожими типами колонок. Однак є деякі відмінності. Температура є критичною для надкритичних рідин, тому в системі повинен бути інструмент контролю тепла, подібний до GC. Також повинен бути механізм регулювання тиску, обмежувач, адже тиск - ще один істотний параметр для того, щоб надкритичні текучі матеріали утримувалися на необхідному рівні. У приладі для SFC поміщений мікропроцесорний механізм. Цей пристрій збирає дані про тиск, температуру печі та продуктивність детектора для контролю відповідних частин приладу.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схема приладу надкритичної рідинної хроматографії. Адаптовано з D.A. Skoog і Дж. Лірі, *Принципи інструментального аналізу*, Saunders College Publishing, Філадельфія (1992).

Стаціонарна фаза

Колони SFC схожі з колонками ВЕРХ за матеріалами покриття. Відкриті трубчасті колони та набивні колони - два найпоширеніші типи, що використовуються в SFC. Відкриті трубчасті є кращими, і вони мають схожість з колонками з плавленого кремнезему ВЕРХ. Цей тип колони містить внутрішнє покриття із зшитого силоксанового матеріалу в якості стаціонарної фази. Товщина покриття може становити 0,05-1,0 мкм. Довжина стовпа може коливатися від 10 до 20 м.

Мобільні фази

Існує велика різноманітність матеріалів, що використовуються в якості рухомої фази в SFC. Рухливу фазу можна вибрати з груп розчинників неорганічних розчинників, вуглеводнів, спиртів, ефірів, галогенідів; або може бути ацетон, ацетонітрил, піридин тощо Найбільш поширеною надкритичною рідиною, яка використовується в SFC, є вуглекислий газ, оскільки його критична температура і тиск легко досягти. Крім того, вуглекислий газ недорогий, простий в отриманні, інертний до УФ, неотруйний і хороший розчинник для неполярних молекул. Крім двоокису вуглецю, можна використовувати етан, н-бутан, N ₂ O, дихлордифторметан, діетиловий ефір, аміак, тетрагідрофуран. Таблиця\(\PageIndex{2}\) показує вибір розчинників і їх значення T _c і P _c.

Таблиця\(\PageIndex{2}\) Властивості деяких розчинників як рухомих фаз в критичній точці.
Розчинник	Критична температура (° C)	Критичний тиск (бар)
Діоксид вуглецю (СО ₂)	31.1	72
Закис азоту (N ₂ O)	36.5	70.6
Аміак (NH ₃)	132.5	109.8
Етан (С ₂ Н ₆)	32.3	47.6
Н-бутан (С ₄ Н ₁₀)	152	70.6
Діетиловий ефір (Et ₂ O)	193.6	63.8
Тетрагідрофуран (ТГФ, С ₄ Н ₈ О)	267	50.5
Дихлордифторметан (CCl ₂ F ₂)	111.7	109.8

Детектори

Однією з найбільших переваг SFC перед ВЕРХ є асортимент детекторів. Детектор іонізації полум'я (FID), який зазвичай присутній у налаштуваннях GC, також може застосовуватися до SFC. Такий детектор може сприяти якості аналізу SFC, оскільки FID є високочутливим детектором. SFC також може бути з'єднаний з мас-спектрометром, УФ-видимим спектрометром або ІЧ-спектрометром легше, ніж це може бути зроблено за допомогою ВЕРХ. Деякі інші детектори, які використовуються з ВЕРХ, можуть бути приєднані до SFC, такі як флуоресцентний емісійний спектрометр або термоіонні детектори.

Переваги роботи з SFC

Фізичні властивості надкритичних рідин між рідинами та газами дозволяють техніці SFC поєднуватися з найкращими аспектами ВЕРХ та ГХ, оскільки менша в'язкість надкритичних рідин робить SFC швидшим методом, ніж ВЕРХ. Менша в'язкість призводить до високої швидкості потоку для рухомої фази.

Завдяки критичному тиску надкритичних рідин деякі крихкі матеріали, чутливі до високої температури, можуть бути проаналізовані за допомогою SFC. Ці матеріали можуть бути сполуками, які розкладаються при високих температурах, або матеріалами, які мають низький тиск/летючість пари, такі як полімери та великі біологічні молекули. Умови високого тиску дають можливість працювати з більш низькою температурою, ніж зазвичай потрібно. Отже, чутливі до температури компоненти можуть бути проаналізовані за допомогою SFC. Крім того, дифузія компонентів, що протікають через надкритичну рідину, вище, ніж спостерігається у ВЕРХ, через більш високу дифузійність надкритичних рідин над традиційними рідинами рухливих фаз. Це призводить до кращого розподілу в рухому фазу та кращому поділу.

Застосування SFC

Застосування SFC варіюється від харчової до екологічної та фармацевтичної промисловості. Таким чином пестициди, гербіциди, полімери, вибухові речовини та викопне паливо - це всі класи сполук, які можна проаналізувати. SFC може бути використаний для аналізу широкого спектру лікарських сполук, таких як антибіотики, простагландини, стероїди, таксол, вітаміни, барбітурати, нестероїдні протизапальні засоби тощо Хіральні виділення можуть бути виконані для багатьох фармацевтичних сполук. SFC переважно використовується для неполярних сполук через низьку ефективність вуглекислого газу, який є найпоширенішою надкритичною рухомою фазою рідини, для розчинення полярних розчинів. SFC використовується в нафтовій промисловості для визначення загального аналізу вмісту ароматичних речовин, а також інших виділень вуглеводнів.

Надкритична екстракція рідини (SFE)

Унікальні фізичні властивості надкритичних рідин, що мають значення щільності, дифузійності та в'язкості між рідинами та газами, дозволяють використовувати надкритичну екстракцію рідини для процесів екстракції, які не можуть бути здійснені рідинами через їх високу щільність та низьку дифузійність та газами через їх недостатньої щільності для того, щоб витягувати і виносити компоненти назовні.

Складні суміші, що містять багато компонентів, повинні піддаватися процесу екстракції, перш ніж їх відокремити за допомогою хроматографії. Ідеальна процедура екстракції повинна бути швидкою, простою та недорогою. Крім того, втрата або розкладання зразків не повинна відбуватися в кінці видобутку. Після видобутку повинен бути кількісний збір кожного компонента. В ідеалі кількість небажаних матеріалів, що надходять від видобутку, повинна бути зведена до мінімуму і бути легко одноразовою; відходи не повинні бути шкідливими для навколишнього середовища. На жаль, традиційні методи видобутку часто не відповідають цим вимогам. У зв'язку з цим SFE має ряд переваг в порівнянні з традиційними методиками.

Швидкість екстракції залежить від в'язкості та дифузійності рухомої фази. З низькою в'язкістю та високою дифузійністю компонент, який потрібно витягти, може легко проходити через рухливу фазу. Більш висока дифузійність і менша в'язкість надкритичних рідин, порівняно зі звичайними екстракційними рідинами, допомагають вилучати компоненти швидше, ніж інші методи. Таким чином, процес видобутку може зайняти всього 10-60 хвилин з SFE, тоді як класичними методами це займе години або навіть дні.

Ефективність розчинення надкритичної рідини може бути змінена температурою і тиском. На відміну від цього, рідини не так сильно впливають на перепади температури і тиску. Тому SFE має потенціал для оптимізації, щоб забезпечити кращу розчиняючу здатність.

У класичних методах потрібно нагрівання, щоб позбутися від екстракційної рідини. Однак цей крок призводить до розкладання чутливих до температури матеріалів. Для SFE при знятті критичного тиску надкритична рідина перетворюється в газову фазу. Оскільки надкритичні розчинники рідини хімічно інертні, нешкідливі та недорогі; їх можна викидати в атмосферу, не залишаючи ніяких відходів. Завдяки цьому витягнуті компоненти можна отримати набагато легше, а втрати зразків зведені до мінімуму.

Контрольно-вимірювальні прилади ДФЕ

Необхідний апарат для установки SFE простий. \(\PageIndex{3}\)На малюнку зображені основні елементи інструменту SFE, який складається з резервуара надкритичної рідини, блоку впорскування настройки тиску, двох насосів (для прийняття компонентів у рухомій фазі і для відправки їх з екстракційної камери) та збірної камери.

ідеалізований інструмент для екстракції надкритичної рідини — Рисунок\(\PageIndex{3}\) Схема ідеалізованого інструменту для екстракції надкритичної рідини.

Існує два принципових режими роботи приладу:

Статична екстракція.
Динамічне видобуток.

При динамічному видобутку другий насос, що надсилає матеріали до збірної камери, завжди відкритий під час процесу видобутку. Таким чином, рухлива фаза досягає екстракційної клітини і витягує компоненти, щоб вивести їх послідовно.

У експерименті статичного вилучення є два різних етапи в процесі:

Рухлива фаза заповнює екстракційну клітину і взаємодіє зі зразком.
Другий насос відкривається і витягнуті речовини відразу виймаються.

Для того, щоб вибрати рухливу фазу для SFE, враховуються параметри, включають полярність і розчинність зразків у рухомій фазі. Вуглекислий газ є найпоширенішою рухомою фазою для SFE. Він має здатність розчиняти неполярні матеріали, такі як алкани. Для напівполярних сполук (таких як поліциклічні ароматичні вуглеводні, альдегіди, ефіри, спирти і т.д.) вуглекислий газ може використовуватися як однокомпонентна рухлива фаза. Однак для сполук, які мають полярну характеристику, надкритичний вуглекислий газ повинен бути модифікований додаванням полярних розчинників, таких як метанол (CH ³ OH). Ці додаткові розчинники можуть бути введені в систему через окремий інжекторний насос.

Режими видобутку

Є два режими в плані збору і виявлення компонентів:

Оффлайн видобуток.
Он-лайн видобуток.

Видобуток в автономному режимі здійснюється шляхом виведення мобільної фази з витягнутими компонентами та спрямовуючи їх до камери збору. У цей момент надкритична рідка фаза випаровується і виділяється в атмосферу, а компоненти захоплюються в розчині або зручній адсорбційній поверхні. Потім витягнуті фрагменти обробляються і готуються до методу поділу. Цей додатковий крок маніпуляції між екстрактором та інструментом хроматографії може спричинити помилки. Онлайн-метод є більш чутливим, оскільки він безпосередньо передає всі витягнуті матеріали на розділову установку, в основному інструмент хроматографії, не виймаючи їх з рухомої фази. У цьому типі екстрагування/виявлення немає додаткової підготовки зразків після екстракції для процесу поділу. Це мінімізує помилки, що виникають від етапів маніпуляції. Крім того, втрата зразка не відбувається і підвищується чутливість.

Застосування ДФЗ

SFE може застосовуватися до широкого спектру матеріалів, таких як полімери, олії та ліпіди, вуглеводи, пестициди, органічні забруднювачі, летючі токсини, поліароматичні вуглеводні, біомолекули, харчові продукти, ароматизатори, фармацевтичні метаболіти, вибухові речовини та органометаліки тощо Загальні промислові застосування включають фармацевтична та біохімічна промисловість, полімерна промисловість, промисловий синтез та видобуток, хімія природних продуктів та харчова промисловість.

Приклади матеріалів, проаналізованих в екологічному застосуванні: олії та жири, пестициди, алкани, органічні забруднювачі, летючі токсини, гербіциди, нікотин, фенантрен, жирні кислоти, ароматичні поверхнево-активні речовини в зразках від глини до нафтових відходів, від ґрунту до річкових відкладень. У харчових аналізах: кофеїн, пероксиди, олії, кислоти, холестерин тощо витягуються із зразків, таких як кава, оливкова олія, лимон, крупи, пшениця, картопля та корми для собак. Завдяки промисловому застосуванню видобуті матеріали варіюються від добавок до різних олігомерів та від нафтових фракцій до стабілізаторів. Проаналізовані зразки пластмаси, ПВХ, папір, дерево тощо Метаболіти наркотиків, ферменти, стероїди витягуються з плазми, сечі, сироватки або тканин тварин в біохімічних застосуваннях.

Резюме

Надкритична рідинна хроматографія та екстракція надкритичної рідини - це методи, які використовують унікальні властивості надкритичних рідин. Таким чином, вони забезпечують переваги перед іншими спорідненими методами як в хроматографії, так і в екстракції. Іноді вони використовуються як альтернативні аналітичні методи, тоді як в інших випадках вони використовуються як взаємодоповнюючі партнери для бінарних систем. І SFC, і SFE демонструють свою універсальність завдяки широкому спектру застосувань у багатьох різних областях вигідним чином.