Chromatographie en fluide supercritique (SFC) : classification des colonnes

 

Dans un nouvel article « An improved classification of stationary phase for ultra-high performance supercritical fluid chomatography » paru dans Journal of Chromatography A, 1440 (2016) 212-228, Caroline West, Elise Lemasson, Sophie Bertin, Philippe Henning et Eric Lesellier proposent une classification de 31 colonnes (Waters, Thermo, Phenomenex, Macherey-Nagel…) dédiées à la chromatographie ultra-haute performance en fluide supercritique.

Cet article très intéressant a particulièrement retenu notre attention dans le cadre du développement de méthodes en SFC.

La classification proposée repose sur un LSER (Linear Solvatation Energy Relationships) qui relie la rétention (logk) à un certain nombre de descripteurs.
Les auteurs utilisent les descripteurs classiques (5 descripteurs d’Abraham) auxquels ils ont ajouté 2 termes:
d+ représentant les interactions cations/espèces chargées positivement
d- représentant les interactions anions/espèces chargées négativement.

equation

 

Pour chaque colonne, les 7 coefficients sont calculés à partir des données de rétention obtenues sur 109 composés (molécules non-ionisables (85) et ionisables (24) dont acides (13) et  bases (11)).
Les auteurs illustrent ensuite leur classification par un diagramme araignée à 7 branches.
La progression de la polarité des phases stationnaires se lit de gauche à droite.

 diagramme araignée détaillé
Dans le diagramme, les auteurs mettent en évidence que des colonnes de nature comparable (Groupe 1 et 2 : les phases aliphatiques avec quelques propriétés polaires, Groupe 3 : les phases pentafluorophenyl, Groupe 4 : les phases alkyles non polaires, Groupe 5les phases avec ligands polaires, Groupe 6 : les phases HILIC), ne se trouvent pas obligatoirement dans les mêmes zones.
 
Il est également intéressant d’observer  que les 8 colonnes dédiées à la SFC fabriquées par Waters (Acquity UPC² HSS C18 SB, Acquity UPC² BEH, Acquity UPC² BEH 2-EP, Acquity UPC² CSH Fluorophenyl, Acquity UPC² Torus 1-AA, Acquity UPC² Torus 2-PIC, Acquity UPC² Torus DEA et Acquity UPC² Torus DIOL) sont situées dans la même zone. 
A contrario, Thermo couvre un large domaine mais ses colonnes ne sont pas des colonnes spécifiquement développées pour la SFC. 
On remarque surtout que la zone regroupant les colonnes avec fortes interactions dispersives et fortes interactions avec les espèces chargées positivement est peu exploitée par les fabricants. 
A suivre…

Analyse de l’additif E476 par SFC nouvelle génération

La chromatographie par fluide supercritique (SFC) a longtemps été utilisée pour quelques applications très spécifiques comme la séparation d’énantiomères.Depuis 2010 la chromatographie par fluide supercritique est revenue sur le devant de la scène grâce à l’arrivée d’une nouvelle génération d’instruments dédiés à cette technique.

UPC waters Deux systèmes appartiennent à cette nouvelle génération, la SFC ACQUITY UltraPerfromance Convergence Chromatography (UPC2) de Waters (2012) et le 1260 Infinity Hybrid SFC/UHPLC system d’Agilent Technologies (2010).

SFC agilent

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.

En parcourant les notes d’applications de ces deux systèmes pour les années 2012 à 2014, nous en avons recensés 73 qui traitent de l’Acquity UPC2 (contre 336 pour le système UPLC) et 29 pour l’Infinity Hybrid (contre 264 pour le système UHPLC Infinity 1290). Sur ces 102 notes d’application une seule (Waters) traite des acides gras saturés et insaturés. Il nous a donc semblé intéressant de continuer à élargir le portefeuille des applications et des possibilités des nouveaux systèmes SFC en vous présentant nos travaux sur l’analyse d’un ester glycérique d’acide gras utilisé comme épaississant alimentaire (additif E476).

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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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Acquity UPC2 Torus : une nouvelle génération de colonnes pour la SFC

En 2012 Waters introduit le système UPC²™ et une gamme de colonnes dédiées à la chromatographie par fluide supercritique (SFC) : les colonnes Acquity UPC²™. Aujourd’hui une nouvelle génération de colonne voit le jour : les colonnes Acquity UPC² Torus™.

Silice BEHLes 4 colonnes historiques, toujours disponibles, sont les Acquity UPC² BEH, BEH-2-Ethylpyridine, HSS C18 SB (StableBond) et CSH Fluorophényl. Les particules BEH (Bridged Ethylene Hybrid) contiennent des ponts éthane qui forment avec la silice une phase hybride de polyethoxysilane. Les phases BEH et HSS (High Stenght Silica), dites de deuxième génération, sont présentées comme très robustes et résistantes à de très hautes pressions (jusqu’à 15000 psi). La silice CSH (Charged Surface Hybrid), assimilée à une troisième génération de la technologie de particules hybrides, est une BEH à laquelle ont été ajoutées des charges de surface. Il faut noter que ces trois bases de silice ainsi que les différents greffages (à l’exception de l’EP qui est unique à la gamme Acquity UPC²) sont disponibles sur des colonnes pour l’UHPLC et HPLC.

Les colonnes Acquity UPC² Torus (appelées par la suite Torus) sont quant à elles toutes composées d’une base de silice BEH modifiée par une première étape de greffage hydrophile (-CH2-CH2-CH2-O-CH2-CHOH-CH2OH) pour contrôler les caractéristiques de rétention et minimiser les interactions superficielles. Puis vient une seconde étape de greffage qui confère les propriétés de sélectivité. Les groupements disponibles [2-Picolylamine (Torus 2-PIC), Diéthylamine (Torus DEA), 1-Aminoanthracène (Torus 1-AA) et Diol (Torus Diol)] sont inédits et spécifiques à la gamme Torus, ils ne sont donc pas disponibles en UHPLC et HPLC.

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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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