كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة

كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة ( SFC ) ^{[ 1 ]} هي نوع من كروماتوغرافيا الطور العادي ، تستخدم مائعًا فوق حرج ، مثل ثاني أكسيد الكربون، كمرحلة متحركة. ^{[ 2 ] [ 3 ]} تُستخدم هذه التقنية لتحليل وتنقية الجزيئات ذات الوزن الجزيئي المنخفض إلى المتوسط ، والحساسة للحرارة، كما يمكن استخدامها لفصل المركبات الكيرالية . تتشابه مبادئها مع مبادئ كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC)؛ إلا أن SFC تستخدم عادةً ثاني أكسيد الكربون كمرحلة متحركة. لذلك، يجب ضغط مسار التدفق الكروماتوغرافي بالكامل . ولأن الطور فوق الحرج يمثل حالة تتقارب فيها خصائص السائل والغاز، تُسمى كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة أحيانًا كروماتوغرافيا التقارب. ^{[ 4 ]} وقد وضع جيدينجز فكرة تقارب خصائص السائل والغاز لأول مرة. ^{[ 5 ]}

استُخدمت تقنية كروماتوغرافيا السوائل فوق الحرجة (SFC) بشكل أساسي لفصل الجزيئات الكيرالية ، وخاصة تلك التي تتطلب ظروف الطور العادي . في حين أن الطور المتحرك عبارة عن سائل في الحالة فوق الحرجة، يُعبأ الطور الثابت داخل أعمدة مشابهة لتلك المستخدمة في كروماتوغرافيا السوائل. ونظرًا لأن استخدام نمط الطور العادي في الكروماتوغرافيا ظل أقل شيوعًا، فقد انخفض استخدام تقنية SFC أيضًا؛ ولذلك فهي تُستخدم الآن على نطاق واسع لفصل وتنقية الجزيئات الكيرالية وغير الكيرالية المختارة في صناعة الأدوية . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

أجهزة كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة ^{[ 8 ]} : تتشابه تجهيزات كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة (SFC) مع تجهيزات كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC). تتشابه الأطوار الثابتة، وتُعبأ داخل أعمدة من نفس النوع. مع ذلك، توجد خصائص مميزة في هذه الأنظمة، نظرًا لضرورة الحفاظ على الطور المتحرك في حالة المائع فوق الحرجة في جميع أنحاء النظام. تُعد درجة الحرارة عاملًا حاسمًا للحفاظ على الموائع في حالة فوق الحرجة، لذا يجب أن يتضمن النظام أداة للتحكم في الحرارة، على غرار تلك المستخدمة في كروماتوغرافيا الغاز (GC). كما يجب أن يتضمن النظام آلية دقيقة للتحكم في الضغط، ومُقيدًا للحفاظ على الضغط فوق حد معين، لأن الضغط عامل أساسي آخر للحفاظ على الطور المتحرك في حالة المائع فوق الحرجة، لذا يُحافظ عليه عند الحد الأدنى المطلوب. يحتوي جهاز SFC على معالج دقيق . تقوم هذه الوحدة بجمع بيانات الضغط، ودرجة حرارة الفرن، وأداء الكاشف للتحكم في الأجزاء ذات الصلة من الجهاز.

_{يُستخدم ثاني أكسيد} الكربون في مضخات مخصصة له، تتطلب تبريد ثاني أكسيد الكربون الداخل _ورؤوس المضخة، وذلك للحفاظ على ثاني أكسيد الكربون عند درجة حرارة وضغط مناسبين لحالة المائع فوق الحرجة، حيث يمكن قياسه بكفاءة ضمن نطاق تدفق محدد. يتحول _ثاني أكسيد الكربون لاحقًا إلى مائع فوق حرج في جميع أنحاء الحاقن وفرن العمود، عندما ترتفع درجة الحرارة والضغط اللذان يتعرض لهما فوق النقطة الحرجة للسائل، وبذلك تتحقق حالة المائع فوق الحرجة.

تجمع الموائع فوق الحرجة بين خصائص مفيدة من طوري الغاز والسائل، إذ يمكنها أن تتصرف كغاز وسائل في جوانب متعددة. يكتسب المائع فوق الحرج خصائص شبيهة بالغاز عند ملئه وعاءً، ويتخذ شكله. وتتشابه حركة جزيئاته وديناميكيتها إلى حد كبير مع جزيئات الغاز. من جهة أخرى، يتصرف المائع فوق الحرج كسائل لأن كثافته قريبة من كثافة السائل؛ وبالتالي، يُظهر المائع فوق الحرج تشابهًا مع تأثير إذابة السائل. والنتيجة هي إمكانية تحميل كتل، مماثلة لتلك المستخدمة في كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC)، على العمود في كل حقنة، مع الحفاظ على كفاءة كروماتوغرافية عالية مماثلة لتلك التي يتم تحقيقها في كروماتوغرافيا الغاز (GC). عادةً ما يُستخدم الإذابة المتدرجة في كروماتوغرافيا الموائع فوق الحرجة التحليلية باستخدام مذيب مساعد قطبي مثل الميثانول، وربما مع حمض أو قاعدة ضعيفة بتراكيز منخفضة تبلغ حوالي 1%. ويمكن ملاحظة أن عدد الصفائح الظاهرية لكل تحليل يتجاوز 500 ألف صفيحة لكل متر بشكل روتيني باستخدام  أطوار ثابتة بحجم 5 ميكرومتر. يستخدم المشغل برنامجًا لضبط معدل تدفق الطور المتحرك، وتركيب المذيب المساعد، وضغط النظام الخلفي ، ودرجة حرارة فرن العمود، والتي يجب أن تتجاوز 40  درجة مئوية لتحقيق الظروف فوق الحرجة اللازمة باستخدام ثاني أكسيد الكربون _{. بالإضافة إلى ذلك، يوفر نظام كروماتوغرافيا السوائل فوق الحرجة (SFC) معيار تحكم إضافيًا - الضغط - باستخدام} منظم ضغط خلفي ثابت وديناميكي آلي . من الناحية التشغيلية، يُعد نظام SFC بسيطًا وفعالًا مثل نظام كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC) ، ولكن جمع الكسور أكثر ملاءمة لأن الطور المتحرك الأساسي يتبخر تاركًا فقط المادة المراد تحليلها وحجمًا صغيرًا من المذيب المساعد القطبي. في حال تم جمع ثاني أكسيد الكربون الخارج _، يمكن إعادة ضغطه وتدويره، مما يسمح بإعادة استخدام أكثر من 90% _منه .

على غرار HPLC، يستخدم SFC مجموعة متنوعة من طرق الكشف بما في ذلك الأشعة فوق البنفسجية / المرئية، وقياس الطيف الكتلي ، و FID (على عكس HPLC) وتشتت الضوء التبخيري.

كقاعدة عامة، أي جزيء يذوب في الميثانول أو مذيب أقل قطبية يكون متوافقًا مع تقنية كروماتوغرافيا السوائل فوق الحرجة (SFC)، بما في ذلك المواد المذابة القطبية غير المتطايرة. يتمتع ثاني أكسيد الكربون _بقطبية مشابهة لقطبية الهيبتان العادي ^{[ 9 ]} عند نقطته الحرجة. يمكن زيادة قوة فصل المذيب ببساطة عن طريق زيادة كثافته أو باستخدام مذيب مساعد قطبي. عمليًا، عندما تكون نسبة المذيب المساعد عالية، قد لا يكون الطور المتحرك في حالة سائل فوق حرج تمامًا، ولكن يُستخدم هذا المصطلح على أي حال، وتُظهر مخططات الكروماتوغرافيا فصلًا أفضل وكفاءة أعلى مع ذلك.

يتكون الطور المتحرك بشكل أساسي من ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، ولكن نظرًا لأن _ثاني أكسيد الكربون وحده غير قطبي بما يكفي لفصل العديد من المواد المراد تحليلها بكفاءة، تُضاف مذيبات مساعدة لتعديل قطبية الطور المتحرك. عادةً ما تكون هذه المذيبات المساعدة كحولات بسيطة مثل الميثانول أو الإيثانول أو كحول الأيزوبروبيل . يمكن استخدام مذيبات أخرى مثل الأسيتونيتريل أو الكلوروفورم أو أسيتات الإيثيل كمعدلات. بالنسبة للمواد الغذائية، غالبًا ما يكون المذيب المساعد المُختار هو الإيثانول أو أسيتات الإيثيل، وكلاهما معترف بهما عمومًا على أنهما آمنان ( GRAS ). وتعتمد قيود المذيب على النظام والعمود.

واجهت تقنية الموائع فوق الحرجة (SFC) في الماضي بعض المشكلات التقنية التي حدّت من انتشارها. أولها ضرورة الحفاظ على ضغط غاز مرتفع أثناء التشغيل. فالأوعية عالية الضغط باهظة الثمن وكبيرة الحجم، وغالبًا ما تتطلب مواد خاصة لتجنب ذوبان الحشيات والحلقات المطاطية في المائع فوق الحرج. ثانيًا، صعوبة الحفاظ على ضغط ثابت (عن طريق تنظيم الضغط الخلفي). فبينما تكون السوائل غير قابلة للانضغاط تقريبًا، وبالتالي تظل كثافتها ثابتة بغض النظر عن الضغط، فإن الموائع فوق الحرجة قابلة للانضغاط بدرجة كبيرة، وتتغير خصائصها الفيزيائية بتغير الضغط، كما هو الحال في انخفاض الضغط عبر عمود ذي طبقة معبأة. حاليًا، تستطيع منظمات الضغط الخلفي الآلية الحفاظ على ضغط ثابت في العمود حتى مع تغير معدل التدفق، مما يخفف من هذه المشكلة. ثالثًا، صعوبة فصل الغاز عن السائل أثناء جمع المنتج. فعند انخفاض الضغط، يتحول _ثاني أكسيد الكربون بسرعة إلى غاز، وينشر أي مادة محللة مذابة في العملية على شكل رذاذ. وقد ساهمت فواصل الإعصار في تقليل صعوبات فصل الغاز عن السائل.