超臨界流体クロマトグラフィー

超臨界流体クロマトグラフィー（SFC）^[1]は、二酸化炭素などの超臨界流体を移動相として使用する通常相クロマトグラフィーの一種です。 ^{[2] [3]低}分子量から中分子量の熱不安定分子の分析と精製に使用され、キラル化合物の分離にも使用できます。原理は高速液体クロマトグラフィー（HPLC）と似ていますが、SFCでは通常、移動相として二酸化炭素を使用します。したがって、クロマトグラフィーの流路全体を加圧する必要があります。超臨界相は、バルク液体とガスの特性が収束する状態を表すため、超臨界流体クロマトグラフィーは収束クロマトグラフィーと呼ばれることもあります。^[4]液体とガスの特性の収束という考え方は、ギディングスによって最初に考案されました。^[5]

SFC は主にキラル分子の分離に使用されてきましたが、主に順相条件を必要とする分子です。移動相は超臨界状態の流体ですが、固定相は液体クロマトグラフィーで使用されるものと同様のカラム内に充填されています。クロマトグラフィーの順相モードの使用があまり一般的ではなかったため、SFC もあまり一般的ではありませんでした。そのため、現在では製薬業界では選択されたキラルおよびアキラルの分離と精製に一般的に使用されています。^{[6] [7]}

超臨界流体クロマトグラフィーの機器構成^[8] SFCはHPLC機器と似た構成です。固定相は似ており、同様のカラムタイプに詰められています。ただし、システム全体で移動相を超臨界流体状態に保つ必要があるため、これらのシステムには特別な機能があります。流体を超臨界状態に保つには温度が重要なので、GCの場合と同様の熱制御ツールがシステム内になければなりません。また、移動相を超臨界流体状態に保つためのもう1つの重要なパラメータは圧力であり、圧力を必要な最小レベルに保つために、正確な圧力制御メカニズム、つまり圧力を一定以上に保つためのリストリクタも必要です。SFCの機器にはマイクロプロセッサ機構が組み込まれています。このユニットは、圧力、オーブン温度、検出器の性能に関するデータを収集し、機器の関連部分を制御します。

CO _{2 は}二酸化炭素専用ポンプで利用されますが、二酸化炭素を超臨界流体状態に適した温度と圧力に維持し、指定された流量範囲で効果的に計量できるようにするために、流入する_{CO 2 とポンプ ヘッドを冷却しておく必要があります。その後、CO 2 は}インジェクターとカラム オーブン全体で超臨界流体になり、受ける温度と圧力が液体の臨界点を超えて上昇し、超臨界状態が達成されます。

超臨界流体は、さまざまな面で気体と液体の両方のように動作できるため、気相と液相の便利な特性を兼ね備えています。 超臨界流体は、容器を満たし、容器の形状をとると、気体のような特性を示します。 分子の動きと運動は、気体分子と非常に似ています。 一方、超臨界流体は、密度特性が液体に近いため、液体のように動作します。 したがって、超臨界流体は液体の溶解効果に類似しています。 その結果、HPLC で使用されるものと同様の質量を注入ごとにカラムにロードでき、GC で達成されるものと同様の高いクロマトグラフィー効率を維持できます。 通常、分析 SFC では、メタノールなどの極性共溶媒と、場合によっては低濃度の弱酸または塩基 (約 1%) を使用して、グラジエント溶出が採用されています。 分析あたりの見かけの段数は、5 µm の固定相で、通常 1 メートルあたり 50 万段を超えることが観察されます。オペレーターはソフトウェアを使用して、移動相の流量、共溶媒の組成、システムの背圧、およびカラムオーブンの温度を設定します。CO ₂で達成する必要がある超臨界状態の場合、これらの温度は 40 °C を超える必要があります。さらに、SFC では、自動化された静的および動的背圧レギュレーターを使用することで、圧力という追加の制御パラメーターが提供されます。操作の観点からは、SFC はHPLCと同じくらいシンプルで堅牢ですが、主要な移動相が蒸発して分析対象物と少量の極性共溶媒のみが残るため、フラクションコレクションの方が便利です。出口の CO ₂が捕捉された場合は、再圧縮してリサイクルできるため、CO ₂の 90% 以上を再利用することができます。

HPLC と同様に、SFC では、 UV /VIS、質量分析、FID (HPLC とは異なります)、蒸発光散乱 などのさまざまな検出方法が使用されます。

経験則では、メタノールまたは極性の低い溶媒に溶解する分子は、非揮発性極性溶質を含め、SFC に適合します。CO _{2 は}臨界点でn-ヘプタン^[9]と同様の極性を持ちます。溶媒の溶出強度は、密度を上げるか、代わりに極性共溶媒を使用することによってのみ増加できます。実際には、共溶媒の割合が高い場合、移動相は実際には超臨界流体状態ではない可能性がありますが、この用語は関係なく使用され、クロマトグラムはそれにもかかわらず、より優れた溶出と高い効率を示します。

移動相は主に超臨界二酸化炭素で構成されていますが、 CO ₂自体は極性が低すぎて多くの分析対象物を効果的に溶出できないため、移動相の極性を変更するために共溶媒が追加されます。共溶媒は通常、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコールなどの単純なアルコールです。アセトニトリル、クロロホルム、酢酸エチルなどの他の溶媒も修飾子として使用できます。食品グレードの材料の場合、選択される共溶媒はエタノールまたは酢酸エチルであることが多く、どちらも一般的に安全であると認識されています ( GRAS )。溶媒の制限はシステムとカラムに基づいています。

これまで、SFC 技術の採用を制限してきた技術的な問題がいくつかありました。まず、動作条件で高いガス圧を維持する必要があることです。高圧容器は高価でかさばり、ガスケットや O リングが超臨界流体で溶解するのを防ぐために特別な材料が必要になることがよくあります。2 つ目の欠点は、圧力を一定に保つこと (背圧調整による) が難しいことです。液体はほぼ圧縮できないため、密度は圧力に関係なく一定ですが、超臨界流体は圧縮性が高く、物理的特性は圧力によって変化します (充填床カラム全体の圧力低下など)。現在、自動背圧調整器は、流量が変化してもカラム内の圧力を一定に保つことができるため、この問題は軽減されます。3 つ目の欠点は、製品の収集中にガス/液体を分離することが難しいことです。減圧すると、CO _{2 は}急速にガスに変わり、プロセス中に溶解した分析対象物をエアロゾル化します。 サイクロン分離器により、ガス/液体分離の難しさが軽減されました。