Revue de l’état de l’art sur l’utilisation de la chromatographie supercritique (SFC) analytique moderne

Dans l’article “Modern analytical supercritical fluid chromatography using columns packed with sub-2 µm particles : A tutorial”  paru dans la revue Analytica Chimica Acta (824 (2014) 18-35), Lucie Nováková, Alexandre Grand-Guillaume Perrenoud, Isabelle Francois, Caroline West, Eric Lesellier et Davy Guillarme donnent une vue d’ensemble très intéressante des possibilités, limitations et conditions analytiques de la SFC moderne. Nous vous présentons ici un résumé de cet article complété par nos observations d’utilisateurs de cette technique.

La chromatographie par fluide supercritique longtemps utilisée pour quelques applications très spécifiques, comme la séparation d’énantiomères, est aujourd’hui revenue sur le devant de la scène grâce à l’arrivée d’une nouvelle génération d’instruments (nouvelle pompe BPR et UHPLC) et à une multitude de combinaisons possibles entre le solvant de dilution, les colonnes (type et géométrie), le co-solvant (type et pourcentage), la température, le débit, …                            

UPC watersLes auteurs nous présentent deux systèmes appartenant à la nouvelle génération d’instrument SFC : l’ACQUITY UltraPerfromance Convergence Chromatography (UPC2) de Waters (2012) et le 1260 Infinity Hybrid SFC/UHPLC system d’Agilent Technologies (2010) qui sont aujourd’hui en compétition. Comme son nom l’indique le système d’Agilent est « hybride » et permet de basculer grâce à un système de valve de la SFC à l’UHPLC alors que l’instrument Waters est totalement dédié à la SFC. Les différences notables entre le système Waters et celui d’Agilent sont la pression et le débit maximal respectivement de 413 bar et 4 mL/min  et de 600 bar et 5 mL/min, la pression maximale nous semble être un facteur à améliorer sur les prochaines générations d’instruments.

SFC agilentLes auteurs nous rappellent que l’utilisation du CO2 comme phase mobile peut présenter des difficultés d’élution pour les composés polaires et de haut poids moléculaire. Afin d’augmenter le pouvoir solvant de la phase mobile et de favoriser la solubilité de ces composés, plusieurs co-solvants peuvent être utilisés.  Le méthanol est le co-solvant le plus courant pour l’élution des composés polaires. Plus généralement les alcools (caractère donneur d’hydrogène) sont des co-solvants de première intention car ils permettent une grande efficacité sans trop dégrader la sélectivité.

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Analyse des glycols par SFC (Supercritical Fluid Chromatography): une alternative à la CPG

Nous avons évalué la possibilité d’utiliser la technique de Chromatographie en Phase Supercritique (CPS) ou Supercritical Fluid Chromatography (SFC) comme alternative à la Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG) largement utilisée aujourd’hui pour l’analyse des glycols.

Du fait de la faible volatilité des glycols, l’utilisation de la CPG nécessite de trouver un compromis entre la technique d’injection, l’utilisation ou pas de la dérivatisation et le type de colonne. On observe également un facteur de tailing important en raison de l’interaction forte avec les groupes fonctionnels des colonnes polaires. Une colonne moins polaire peut être utilisée pour réduire ces interactions, mais cela se fera souvent au détriment de la sélectivité.

SFCMS

La SFC pourrait être une alternative pour l’analyse de ces composés, en éliminant les contraintes liées à l’injection en CPG, tout en gardant une sélectivité importante grâce au large domaine de phase stationnaire disponible dans cette technique.

Les essais ont été réalisés sur un système UPC² (Waters) couplé à un détecteur de masse (simple quadripole). Nous avons évalué la technique sur la séparation de 7 glycols (Hexylène glycol, Ethylhexylglycérine, 1,2-Hexanediol, 1,2-Octanediol, Butylène glycol, 2-Methyl-1,3-propanediol et Propylène glycol). Une mise au point rapide à l’aide d’un plan d’expérience (logiciel Fusion™ de S-Matrix®) a permis de fixer la nature de la colonne, la nature et le pourcentage final de co-solvant dans le gradient et la température de la colonne. De la même manière, les paramètres du détecteur SQD la masse ont été optimisés. En particulier, le débit de la pompe de make-up (apport de liquide pour favoriser l’électrospray), la tension de cône, le débit d’azote, et la fréquence d’acquisition (en dalton/seconde) du signal sont des paramètres ayant un impact sur la réponse des glycols.

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En SFC : Colonnes poreuses ou noyau dur ?

De la même manière que nous nous étions intéressés à cette comparaison en UHPLC, nous présentons ici des résultats d’analyse de 4 acides gras saturés par SFC-MS (Supercritical Fluid Chromatography Mass Spectrometry) obtenus sur cinq colonnes.

Le mélange d’acides gras est composé des acides laurique C12:0, myristique C14:0, palmitique C16:0 et stéarique C18:0.
Les colonnes testées sont indifféremment utilisables en chromatographie liquide ou supercritique:

  • Colonnes à particules poreuses
    Aquity HSS C18 100 x 3 mm – 1,8 µm (Waters)
    ACE Excel 2 super C18 100 x 3 mm – 2 µm (AIT)
    XBridge 100 x 3 mm – 3,5 µm (Waters)
  • Colonnes à noyaux durs
    Kinetex C18 100 x 3 mm – 2,6 µm (Phenomenex)
    Nucleoshell RP18 100 x 3 mm – 2,7 µm (Macherey-Nagel)

Nous avons utilisé un système chromatographique UPC2™ (Waters) couplé à une détection masse (quadripôle avec source electro-spray). Pour chaque colonne, le débit et le gradient ont été adaptés à la granulométrie pour maintenir les conditions optimales de vitesse linéaire de la phase mobile.

chromatos

tableau

Comme attendu, les performances des colonnes poreuses s’améliorent avec la diminution de la granulométrie.
Par contre, il est plus étonnant  de constater que l’efficacité des 2 colonnes noyaux durs testées reste en deçà de celle des poreuses sub 2 µm et simplement comparable à celle d’une phase poreuse 3.5 µm (XBridge).

Nous n’avions pas observé cela jusqu’à présent en UHPLC. Le coefficient de diffusivité élevé du COà l’état supercritique est un des facteurs majeur expliquant les performances des colonnes sub 2µm dans cette expérience, il favorise le processus de transfert de masse entre les deux phases et a donc tendance à niveler cet avantage connu des colonnes core-shell.

Intérêt de la SFC pour l’analyse de composés aromatiques halogénés

Nous avons évalué l’intérêt d’une méthode SFC-MS (Supercritical Fluid Chromatography Mass Spectrometry) pour la recherche de composés aromatiques halogénés, impuretés d’un intermédiaire de synthèse d’un principe actif pharmaceutique.

La SFC est une technique de séparation chromatographique où la phase mobile est un fluide porté à l’état supercritique ou subcritique. On utilise couramment le CO2 car son point critique est facilement accessible (31,0°C et 73,8 bars). La phase stationnaire, contenue dans une colonne, peut être constituée de particules solides de granulométrie fine (silice ou graphite poreux par exemple), ou être chimiquement modifiée comme les phases utilisées en chromatographie liquide.

Nous avons développé une méthode sur un système UPC2™ (Waters) couplé à une détection masse (quadripole avec source electrospray).
4 facteurs ont été étudiés : la nature du co-solvant (acétonitrile, méthanol éthanol), le gradient de phase mobile (co-solvant/CO2), la température de colonne et la nature de la colonne (Éthyle pyridine, C18, silice, fluorophenyl) sur la base de trois plans d’expériences définit à partir du logiciel d’optimisation Fusion™ (S-Matrix®). Les réponses étudiées sont le nombre de pics, la résolutions des pics et le temps de rétention du dernier pic.
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Analyse d’acides gras par SFC-MS (Supercritical Fluid Chromatography Mass Spectrometry)

Dans une note d’applicationpubliée en juillet 2013, Waters® a présenté des travaux sur le développement d’une méthode de dosage d’une série de corps gras par SFC-MS (Supercritical Fluid Chromatography Mass Spectrometry).

La SFC est une technique de séparation chromatographique où la phase mobile est un fluide porté à l’état supercritique ou subcritique. On utilise couramment le CO2 car son point critique est facilement accessible (31,0°C et 73,8 bars). La phase stationnaire, contenue dans une colonne, peut être constituée de particules solides de granulométrie fine (silice ou graphite poreux par exemple), ou être chimiquement modifiée comme les phases utilisées en chromatographie liquide.

La mise en oeuvre de cette technique au laboratoire nous a permis d’obtenir la séparation rapide de 4 acides gras saturés (à titre d’exemple, nous avons choisi d’étudier l’acide laurique C12:0, l’acide myristique C14:0, l’acide palmitique C16:0 et l’acide stéarique C18:0) en s’affranchissant de l’étape de dérivatisation habituellement pratiquée en CPG (Chromatographie en Phase Gazeuse) pour l’analyse des acides gras.

Chromato

Nous retenons particulièrement de cette note l’utilisation d’un co-solvant acidifié (méthanol-acide formique 0.1%) qui permet d’utiliser un mécanisme de suppression d’ion (habituel en chromatographie liquide) et d’un make-up de méthanol alcalinisé (ammoniac ou acétate d’amonium dans notre cas) qui rend possible une détection en masse par un électrospray négatif.

La méthode présentée dans cette note d’application est donc aisément transposable dans un laboratoire disposant de l’UPC² couplé à un spectromètre de masse et pourrait être déclinée à d’autres composés ionisables.

1 : Fast and Simple Free Fatty Acids Analysis Using UPC²/MS, Giorgis Isaac et al., Application note, Waters Corporation, Manchester, UK.