Разработен е революционен нов вграден статичен смесител, специално проектиран да отговаря на строгите изисквания на системите за високоефективна течна хроматография (HPLC) и ултрависокоефективна течна хроматография (HPLC и UHPLC). Лошото смесване на две или повече мобилни фази може да доведе до по-високо съотношение сигнал/шум, което намалява чувствителността. Хомогенното статично смесване на две или повече течности с минимален вътрешен обем и физически размери на статичния смесител представлява най-високия стандарт за идеален статичен смесител. Новият статичен смесител постига това чрез използване на нова технология за 3D печат, за да създаде уникална 3D структура, която осигурява подобрено хидродинамично статично смесване с най-висок процент на намаляване на основната синусоида на единица вътрешен обем на сместа. Използването на 1/3 от вътрешния обем на конвенционален смесител намалява основната синусоида с 98%. Смесителят се състои от взаимосвързани 3D канали за поток с различна площ на напречното сечение и дължина на пътя, докато течността преминава през сложни 3D геометрии. Смесването по множество криволичещи пътища на потока, комбинирано с локална турбулентност и вихрушки, води до смесване в микро, мезо и макро мащаб. Този уникален миксер е проектиран с помощта на симулации на изчислителна флуидна динамика (CFD). Представените тестови данни показват, че се постига отлично смесване с минимален вътрешен обем.
В продължение на повече от 30 години течната хроматография се използва в много индустрии, включително фармацевтика, пестициди, опазване на околната среда, криминалистика и химичен анализ. Способността за измерване с точност до части на милион или по-малко е от решаващо значение за технологичното развитие във всяка индустрия. Лошата ефективност на смесване води до лошо съотношение сигнал/шум, което е неудобство за хроматографската общност по отношение на границите на откриване и чувствителността. При смесване на два HPLC разтворителя понякога е необходимо принудително смесване с външни средства, за да се хомогенизират двата разтворителя, тъй като някои разтворители не се смесват добре. Ако разтворителите не са добре смесени, може да се получи влошаване на HPLC хроматограмата, проявяващо се като прекомерен базов шум и/или лоша форма на пика. При лошо смесване базовият шум ще се появи като синусоида (възходяща и низходяща) на сигнала на детектора с течение на времето. В същото време лошото смесване може да доведе до разширяване и асиметрични пикове, намалявайки аналитичната производителност, формата на пика и разделителната способност на пика. Индустрията е признала, че статичните смесители тип „в линия“ и „Т“ са средство за подобряване на тези граници и позволяват на потребителите да постигнат по-ниски граници на откриване (чувствителност). Идеалният статичен миксер съчетава предимствата на висока ефективност на смесване, нисък мъртъв обем и нисък спад на налягането с минимален обем и максимална производителност на системата. Освен това, тъй като анализът става все по-сложен, анализаторите трябва рутинно да използват по-полярни и трудно смесими разтворители. Това означава, че по-доброто смесване е задължително за бъдещи тестове, което допълнително увеличава необходимостта от превъзходен дизайн и производителност на миксера.
Mott наскоро разработи нова гама патентовани статични миксери PerfectPeakTM с три вътрешни обема: 30 µl, 60 µl и 90 µl. Тези размери покриват диапазона от обеми и характеристики на смесване, необходими за повечето HPLC тестове, където се изисква подобрено смесване и ниска дисперсия. И трите модела са с диаметър 0,5″ и осигуряват водеща в индустрията производителност в компактен дизайн. Те са изработени от неръждаема стомана 316L, пасивирана за инертност, но се предлагат и титан и други устойчиви на корозия и химически инертни метални сплави. Тези миксери имат максимално работно налягане до 20 000 psi. На фиг. 1а е показана снимка на статичен миксер Mott с обем 60 µl, проектиран да осигури максимална ефективност на смесване, като същевременно използва по-малък вътрешен обем от стандартните миксери от този тип. Този нов дизайн на статичния миксер използва нова технология за адитивно производство, за да създаде уникална 3D структура, която използва по-малко вътрешен поток от всеки миксер, използван понастоящем в хроматографската индустрия, за постигане на статично смесване. Такива смесители се състоят от взаимосвързани триизмерни канали за поток с различни площи на напречното сечение и различни дължини на пътя, докато течността пресича сложни геометрични бариери вътре. На фиг. Фигура 1b показва схематична диаграма на новия смесител, който използва стандартни за индустрията 10-32 резбовани HPLC компресионни фитинги за вход и изход и има засенчени сини граници на патентования вътрешен порт на смесителя. Различните площи на напречното сечение на вътрешните пътища на потока и промените в посоката на потока във вътрешния обем на потока създават области на турбулентен и ламинарен поток, причинявайки смесване на микро, мезо и макро ниво. Дизайнът на този уникален смесител използва симулации на изчислителна флуидна динамика (CFD), за да анализира моделите на потока и да усъвършенства дизайна преди създаване на прототип за вътрешни аналитични тестове и оценка на място от клиента. Адитивното производство е процес на отпечатване на 3D геометрични компоненти директно от CAD чертежи, без да е необходима традиционна машинна обработка (фрезови машини, стругове и др.). Тези нови статични смесители са проектирани да бъдат произведени с помощта на този процес, при който тялото на смесителя се създава от CAD чертежи, а частите се изработват (отпечатват) слой по слой, използвайки адитивно производство. Тук се отлага слой метален прах с дебелина около 20 микрона, който компютърно контролиран лазер селективно разтопява и слепва праха в твърда форма. Нанесете друг слой върху този слой и нанесете лазерно синтероване. Повтаряйте този процес, докато детайлът е напълно завършен. След това прахът се отстранява от нелазерно свързаната част, оставяйки 3D отпечатана част, която съответства на оригиналния CAD чертеж. Крайният продукт е донякъде подобен на микрофлуидния процес, като основната разлика е, че микрофлуидните компоненти обикновено са двуизмерни (плоски), докато с помощта на адитивно производство могат да се създадат сложни модели на потока в триизмерна геометрия. Тези кранове в момента се предлагат като 3D отпечатани части от неръждаема стомана 316L и титан. Повечето метални сплави, полимери и някои керамични материали могат да се използват за изработка на компоненти, използващи този метод, и ще бъдат разгледани в бъдещи проекти/продукти.
Ориз. 1. Снимка (а) и диаграма (б) на статичен миксер Mott с обем 90 μl, показващи напречно сечение на пътя на потока на флуида в миксера, оцветено в синьо.
Изпълнете изчислителни флуидни динамики (CFD) симулации на работата на статичния смесител по време на фазата на проектиране, за да помогнете за разработването на ефективни проекти и да намалите времеемките и скъпи експерименти с проба-грешка. CFD симулация на статични смесители и стандартни тръбопроводи (симулация без смесител), използвайки софтуерния пакет COMSOL Multiphysics. Моделиране с помощта на ламинарна флуидна механика, управлявана от налягане, за да разберете скоростта и налягането на флуида в дадена част. Тази флуидна динамика, комбинирана с химическия транспорт на съединения в подвижната фаза, помага да се разбере смесването на две различни концентрирани течности. Моделът се изучава като функция на времето, равно на 10 секунди, за по-лесно изчисление при търсене на сравними решения. Теоретичните данни са получени в корелирано с времето проучване, използващо инструмента за точкова проекция на сондата, където за събиране на данни е избрана точка в средата на изхода. CFD моделът и експерименталните тестове използват два различни разтворителя чрез пропорционален вентил за вземане на проби и помпена система, което води до сменяема запушалка за всеки разтворител в тръбопровода за вземане на проби. След това тези разтворители се смесват в статичен смесител. Фигури 2 и 3 показват симулации на потока съответно през стандартна тръба (без смесител) и през статичен смесител Mott. Симулацията беше проведена върху права тръба с дължина 5 см и вътрешен диаметър 0,25 мм, за да се демонстрира концепцията за редуващо се впръскване на вода и чист ацетонитрил в тръбата при липса на статичен смесител, както е показано на Фигура 2. Симулацията използва точните размери на тръбата и смесителя и дебит от 0,3 мл/мин.
Райс. 2. Симулация на CFD поток в 5 cm тръба с вътрешен диаметър 0.25 mm, за да се представи какво се случва в HPLC тръба, т.е. при липса на смесител. Пълното червено представлява масовата фракция на водата. Синьото представлява липсата на вода, т.е. чист ацетонитрил. Дифузионни области могат да се видят между редуващи се запушалки от две различни течности.
Ориз. 3. Статичен миксер с обем 30 мл, моделиран в софтуерния пакет COMSOL CFD. Легендата представя масовата част на водата в миксера. Чистата вода е показана в червено, а чистият ацетонитрил в синьо. Промяната в масовата част на симулираната вода е представена чрез промяна в цвета на смесването на две течности.
На фиг. 4 е показано валидационно проучване на корелационния модел между ефективността на смесване и обема на смесване. С увеличаване на обема на смесване, ефективността на смесване ще се увеличи. Доколкото е известно на авторите, други сложни физически сили, действащи вътре в смесителя, не могат да бъдат отчетени в този CFD модел, което води до по-висока ефективност на смесване в експериментални тестове. Експерименталната ефективност на смесване е измерена като процентно намаление на базовата синусоида. Освен това, увеличеното обратно налягане обикновено води до по-високи нива на смесване, които не се вземат предвид в симулацията.
Следните HPLC условия и тестова настройка бяха използвани за измерване на сурови синусоиди, за да се сравни относителната производителност на различните статични миксери. Диаграмата на Фигура 5 показва типично разположение на HPLC/UHPLC система. Статичният миксер беше тестван чрез поставяне директно след помпата и преди инжектора и разделителната колона. Повечето фонови синусоидални измервания се извършват, заобикаляйки инжектора и капилярната колона между статичния миксер и UV детектора. При оценка на съотношението сигнал/шум и/или анализ на формата на пика, конфигурацията на системата е показана на Фигура 5.
Фигура 4. Графика на ефективността на смесване спрямо обема на смесване за редица статични смесители. Теоретичните примеси следват същата тенденция като експерименталните данни за примесите, потвърждавайки валидността на CFD симулациите.
HPLC системата, използвана за този тест, беше Agilent 1100 Series HPLC с UV детектор, контролиран от компютър, на който работи софтуерът Chemstation. Таблица 1 показва типични условия за настройване за измерване на ефективността на миксера чрез наблюдение на основни синусоиди в два казуса. Експериментални тестове бяха проведени върху два различни примера за разтворители. Двата разтворителя, смесени в случай 1, бяха разтворител A (20 mM амониев ацетат в дейонизирана вода) и разтворител B (80% ацетонитрил (ACN)/20% дейонизирана вода). В случай 2, разтворител A беше разтвор от 0,05% ацетон (етикет) в дейонизирана вода. Разтворител B е смес от 80/20% метанол и вода. В случай 1, помпата беше настроена на дебит от 0,25 ml/min до 1,0 ml/min, а в случай 2, помпата беше настроена на постоянен дебит от 1 ml/min. И в двата случая съотношението на сместа от разтворители A и B беше 20% A/80% B. Детекторът беше настроен на 220 nm в случай 1, а максималната абсорбция на ацетон в случай 2 беше настроена на дължина на вълната 265 nm.
Таблица 1. HPLC конфигурации за случаи 1 и 2 Случай 1 Случай 2 Скорост на помпата ​​0,25 ml/min до 1,0 ml/min 1,0 ml/min Разтворител A 20 mM амониев ацетат в дейонизирана вода 0,05% Ацетон в дейонизирана вода Разтворител B 80% Ацетонитрил (ACN) / 20% дейонизирана вода 80% метанол / 20% дейонизирана вода Съотношение на разтворителите 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 nm 265 nm
Райс. 6. Графики на смесени синусоиди, измерени преди и след прилагане на нискочестотен филтър за премахване на компонентите на базовия дрейф на сигнала.
Фигура 6 е типичен пример за смесен базов шум в Случай 1, показан като повтарящ се синусоидален модел, наложен върху базовия дрейф. Базовият дрейф е бавно увеличаване или намаляване на фоновия сигнал. Ако на системата не се позволи да се уравновеси достатъчно дълго, тя обикновено ще спадне, но ще се дрейфира хаотично, дори когато системата е напълно стабилна. Този базов дрейф има тенденция да се увеличава, когато системата работи в условия на стръмен градиент или високо обратно налягане. Когато този базов дрейф е налице, може да е трудно да се сравнят резултатите от проба до проба, което може да се преодолее чрез прилагане на нискочестотен филтър към суровите данни, за да се филтрират тези нискочестотни вариации, като по този начин се осигури графика на трептенията с плоска базова линия. На фиг. Фигура 6 показва също графика на базовия шум на миксера след прилагане на нискочестотен филтър.
След завършване на CFD симулациите и първоначалните експериментални тестове, впоследствие бяха разработени три отделни статични миксера, използващи описаните по-горе вътрешни компоненти, с три вътрешни обема: 30 µl, 60 µl и 90 µl. Този диапазон покрива диапазона от обеми и производителност на смесване, необходими за HPLC приложения с ниско съдържание на аналити, където се изисква подобрено смесване и ниска дисперсия, за да се получат базови линии с ниска амплитуда. На фиг. 7 са показани основни измервания на синусоида, получени на тестовата система от Пример 1 (ацетонитрил и амониев ацетат като трасери) с три обема статични миксери и без инсталирани миксери. Експерименталните условия на тестване за резултатите, показани на Фигура 7, бяха поддържани постоянни през всичките 4 теста съгласно процедурата, описана в Таблица 1, при скорост на потока на разтворителя от 0,5 ml/min. Приложете стойност на отместване към наборите от данни, така че те да могат да се показват един до друг без припокриване на сигналите. Отместването не влияе на амплитудата на сигнала, използван за оценка на нивото на производителност на миксера. Средната синусоидална амплитуда без миксер е 0,221 mAi, докато амплитудите на статичните Mott миксери при 30 µl, 60 µl и 90 µl спадат съответно до 0,077, 0,017 и 0,004 mAi.
Фигура 7. Отместване на сигнала на HPLC UV детектор спрямо времето за Случай 1 (ацетонитрил с индикатор амониев ацетат), показващ смесване на разтворителя без миксер, 30 µl, 60 µl и 90 µl Mott миксери, показващи подобрено смесване (по-ниска амплитуда на сигнала) с увеличаване на обема на статичния миксер. (действителни отмествания на данните: 0,13 (без миксер), 0,32, 0,4, 0,45mA за по-добро показване).
Данните, показани на фиг. 8, са същите като на фиг. 7, но този път те включват резултатите от три често използвани статични HPLC миксера с вътрешни обеми от 50 µl, 150 µl и 250 µl. Фигура 8. Графика на отместването на сигнала на HPLC UV детектор спрямо времето за Случай 1 (ацетонитрил и амониев ацетат като индикатори), показваща смесването на разтворител без статичен миксер, новата серия статични миксери Mott и три конвенционални миксера (действителното отместване на данните е съответно 0,1 (без миксер), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA за по-добър ефект на показване). Процентното намаление на базовата синусоида се изчислява чрез съотношението на амплитудата на синусоидата към амплитудата без инсталиран миксер. Измерените проценти на затихване на синусоидата за Случаи 1 и 2 са изброени в Таблица 2, заедно с вътрешните обеми на нов статичен миксер и седем стандартни миксера, често използвани в индустрията. Данните на Фигури 8 и 9, както и изчисленията, представени в Таблица 2, показват, че статичният миксер Mott може да осигури до 98,1% затихване на синусоидалната вълна, което значително надвишава производителността на конвенционален HPLC миксер при тези тестови условия. Фигура 9. Графика на отместването на сигнала на HPLC UV детектор спрямо времето за случай 2 (метанол и ацетон като трасери), показващ липса на статичен миксер (комбинирано), нова серия статични миксери Mott и два конвенционални миксера (действителните отмествания на данните са 0, 11 (без миксер), 0,22, 0,3, 0,35 mA и за по-добро показване). Оценени са и седем често използвани миксера в индустрията. Те включват миксери с три различни вътрешни обема от компания A (обозначен като миксер A1, A2 и A3) и компания B (обозначен като миксер B1, B2 и B3). Компания C е оценила само един размер.
Таблица 2. Характеристики на разбъркване и вътрешен обем на статичен миксер Случай 1 на статичен миксер Синусоидално възстановяване: Тест с ацетонитрил (ефективност) Случай 2 Синусоидално възстановяване: Тест с метанол и вода (ефективност) Вътрешен обем (µl) Без миксер – - 0 Mott 30 65% 67.2% 30 Mott 60 92.2% 91.3% 60 Mott 90 98.1% 97.5% 90 Миксер A1 66.4% 73.7% 50 Миксер A2 89.8% 91.6% 150 Миксер A3 92.2% 94.5% 250 Миксер B1 44.8% 45.7% 9 35 Миксер B2 845.% 96.2% 370 Миксер C 97.2% 97.4% 250
Анализът на резултатите на Фигура 8 и Таблица 2 показва, че статичният миксер Mott с обем 30 µl има същата ефективност на смесване като миксера A1, т.е. 50 µl, но 30 µl Mott има 30% по-малък вътрешен обем. При сравняване на миксера Mott с обем 60 µl с миксера A2 с вътрешен обем 150 µl, се наблюдава леко подобрение в ефективността на смесване от 92% спрямо 89%, но по-важното е, че това по-високо ниво на смесване е постигнато при 1/3 от обема на миксера. Производителността на миксера Mott с обем 90 µl следва същата тенденция като миксера A3 с вътрешен обем от 250 µl. Наблюдавани са и подобрения в производителността на смесване от 98% и 92% при 3-кратно намаляване на вътрешния обем. Подобни резултати и сравнения бяха получени за миксери B и C. В резултат на това, новата серия статични миксери Mott PerfectPeak™ осигурява по-висока ефективност на смесване от сравними конкурентни миксери, но с по-малък вътрешен обем, осигурявайки по-добър фонов шум и по-добро съотношение сигнал/шум, по-добра чувствителност на аналита, форма на пика и разделителна способност на пика. Подобни тенденции в ефективността на смесване бяха наблюдавани и в двата проучвания - Случай 1 и Случай 2. За Случай 2 бяха проведени тестове с използване на (метанол и ацетон като индикатори), за да се сравни ефективността на смесване на 60 ml Mott, сравним миксер A1 (вътрешен обем 50 µl) и сравним миксер B1 (вътрешен обем 35 µl). Производителността беше слаба без инсталиран миксер, но той беше използван за базов анализ. 60 ml Mott миксерът се оказа най-добрият миксер в тестовата група, осигурявайки 90% увеличение на ефективността на смесване. Сравним миксер A1 отбеляза 75% подобрение в ефективността на смесване, последвано от 45% подобрение в сравним миксер B1. Беше проведен основен тест за намаляване на синусоидалната вълна с дебит върху серия миксери при същите условия, както теста със синусоидална крива в Случай 1, като само дебитът беше променен. Данните показаха, че в диапазона на дебитите от 0,25 до 1 ml/min, първоначалното намаление на синусоидалната вълна остава относително постоянно и за трите обема на миксера. При двата миксера с по-малък обем се наблюдава леко увеличение на синусоидалното свиване с намаляване на дебита, което се очаква поради увеличеното време на престой на разтворителя в миксера, което позволява увеличено дифузионно смесване. Очаква се изваждането на синусоидалната вълна да се увеличи с по-нататъшното намаляване на потока. Въпреки това, за най-големия обем на миксера с най-високо базово затихване на синусоидалната вълна, базовото затихване на синусоидалната вълна остава практически непроменено (в рамките на експерименталната неопределеност), със стойности, вариращи от 95% до 98%. 10. Основно затихване на синусоидална вълна спрямо дебита в случай 1. Тестът е проведен при условия, подобни на синусоидалния тест с променлив дебит, като е инжектирана 80% от смес 80/20 от ацетонитрил и вода и 20% от 20 mM амониев ацетат.
Новоразработената гама от патентовани статични миксери PerfectPeakTM с три вътрешни обема: 30 µl, 60 µl и 90 µl покрива диапазона на обем и производителност на смесване, необходим за повечето HPLC анализи, изискващи подобрено смесване и ниски нива на дисперсия. Новият статичен миксер постига това чрез използване на нова технология за 3D печат, за да създаде уникална 3D структура, която осигурява подобрено хидродинамично статично смесване с най-висок процент намаление на базовия шум на единица обем вътрешна смес. Използването на 1/3 от вътрешния обем на конвенционален миксер намалява базовия шум с 98%. Такива миксери се състоят от взаимосвързани триизмерни канали за поток с различна площ на напречното сечение и различна дължина на пътя, докато течността пресича сложни геометрични бариери вътре. Новото семейство статични миксери осигурява подобрена производителност в сравнение с конкурентните миксери, но с по-малък вътрешен обем, което води до по-добро съотношение сигнал/шум и по-ниски граници на количествено определяне, както и подобрена форма, ефективност и разделителна способност на пика за по-висока чувствителност.
В този брой Хроматография – Екологично чиста RP-HPLC – Използване на ядрено-обвивна хроматография за заместване на ацетонитрила с изопропанол в анализа и пречистването – Нов газов хроматограф за…
Бизнес център International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Великобритания