Revolucionarni novi linijski statički mikser razvijen je posebno dizajniran da zadovolji stroge zahtjeve sistema visokoefikasne tečne hromatografije (HPLC) i ultra visokoefikasne tečne hromatografije (HPLC i UHPLC). Loše miješanje dvije ili više mobilnih faza može rezultirati većim odnosom signal-šum, što smanjuje osjetljivost. Homogeno statičko miješanje dvije ili više fluida s minimalnim unutrašnjim volumenom i fizičkim dimenzijama statičkog miksera predstavlja najviši standard idealnog statičkog miksera. Novi statički mikser to postiže korištenjem nove 3D tehnologije štampanja kako bi se stvorila jedinstvena 3D struktura koja pruža poboljšano hidrodinamičko statičko miješanje s najvećim postotkom smanjenja osnovnog sinusnog vala po jedinici unutrašnjeg volumena smjese. Korištenje 1/3 unutrašnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje osnovni sinusni val za 98%. Mikser se sastoji od međusobno povezanih 3D kanala protoka s različitim površinama poprečnog presjeka i dužinama puta dok fluid prolazi kroz složene 3D geometrije. Miješanje duž višestrukih vijugavih putanja protoka, u kombinaciji s lokalnom turbulencijom i vrtlozima, rezultira miješanjem na mikro, mezo i makro skali. Ovaj jedinstveni mikser je dizajniran korištenjem simulacija računarske dinamike fluida (CFD). Prikazani podaci ispitivanja pokazuju da se odlično miješanje postiže uz minimalnu unutrašnju zapreminu.
Više od 30 godina, tečna hromatografija se koristi u mnogim industrijama, uključujući farmaceutsku industriju, pesticide, zaštitu okoliša, forenziku i hemijsku analizu. Mogućnost mjerenja u dijelovima na milion ili manje je ključna za tehnološki razvoj u bilo kojoj industriji. Loša efikasnost miješanja dovodi do lošeg odnosa signal-šum, što predstavlja smetnju za hromatografsku zajednicu u smislu granica detekcije i osjetljivosti. Prilikom miješanja dva HPLC rastvarača, ponekad je potrebno prisilno miješanje vanjskim sredstvima kako bi se dva rastvarača homogenizirala jer se neki rastvarači ne miješaju dobro. Ako se rastvarači ne miješaju temeljno, može doći do degradacije HPLC hromatograma, što se manifestuje kao prekomjerni šum osnovne linije i/ili loš oblik vrha. Kod lošeg miješanja, šum osnovne linije će se s vremenom pojaviti kao sinusni talas (rastući i opadajući) signala detektora. Istovremeno, loše miješanje može dovesti do širenja i asimetričnih vrhova, smanjujući analitičke performanse, oblik vrha i rezoluciju vrha. Industrija je prepoznala da su linijski i T-statički mikseri sredstvo za poboljšanje ovih granica i omogućavanje korisnicima da postignu niže granice detekcije (osjetljivost). Idealni statički mikser kombinuje prednosti visoke efikasnosti miješanja, niskog mrtvog volumena i niskog pada pritiska sa minimalnim volumenom i maksimalnim protokom sistema. Pored toga, kako analiza postaje složenija, analitičari moraju rutinski koristiti polarnije i teže miješajuće rastvarače. To znači da je bolje miješanje neophodno za buduća ispitivanja, što dodatno povećava potrebu za vrhunskim dizajnom i performansama miksera.
Mott je nedavno razvio novu liniju patentiranih PerfectPeakTM linijskih statičkih miksera sa tri unutrašnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Ove veličine pokrivaju raspon volumena i karakteristika miješanja potrebnih za većinu HPLC testova gdje je potrebno poboljšano miješanje i niska disperzija. Sva tri modela imaju promjer od 0,5″ i pružaju vodeće performanse u industriji u kompaktnom dizajnu. Izrađeni su od nehrđajućeg čelika 316L, pasiviranog radi inertnosti, ali dostupni su i titan i druge metalne legure otporne na koroziju i hemijski inertne. Ovi mikseri imaju maksimalni radni pritisak do 20.000 psi. Na slici 1a prikazana je fotografija Mott statičkog miksera od 60 µl dizajniranog da obezbijedi maksimalnu efikasnost miješanja uz korištenje manjeg unutrašnjeg volumena od standardnih miksera ovog tipa. Ovaj novi dizajn statičkog miksera koristi novu tehnologiju aditivne proizvodnje kako bi stvorio jedinstvenu 3D strukturu koja koristi manji unutrašnji protok od bilo kojeg miksera koji se trenutno koristi u hromatografskoj industriji za postizanje statičkog miješanja. Takvi mikseri se sastoje od međusobno povezanih trodimenzionalnih kanala za protok s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim dužinama puta dok tekućina prelazi kroz složene geometrijske barijere unutra. Na slici 1b prikazan je shematski dijagram novog miksera, koji koristi industrijski standardne 10-32 navojne HPLC kompresijske fitinge za ulaz i izlaz, te ima zasjenjene plave granice patentiranog unutrašnjeg otvora miksera. Različite površine poprečnog presjeka unutrašnjih puteva protoka i promjene smjera protoka unutar unutrašnjeg volumena protoka stvaraju područja turbulentnog i laminarnog toka, uzrokujući miješanje na mikro, mezo i makro skali. Dizajn ovog jedinstvenog miksera koristio je simulacije računarske dinamike fluida (CFD) za analizu obrazaca toka i usavršavanje dizajna prije izrade prototipa za interna analitička ispitivanja i terensku evaluaciju od strane kupaca. Aditivna proizvodnja je proces štampanja 3D geometrijskih komponenti direktno iz CAD crteža bez potrebe za tradicionalnom mašinskom obradom (glodalice, tokarske mašine itd.). Ovi novi statički mikseri dizajnirani su za proizvodnju korištenjem ovog procesa, gdje se tijelo miksera kreira iz CAD crteža, a dijelovi se izrađuju (štampaju) sloj po sloj korištenjem aditivne proizvodnje. Ovdje se nanosi sloj metalnog praha debljine oko 20 mikrona, a kompjuterski kontrolirani laser selektivno topi i spaja prah u čvrsti oblik. Nanesite još jedan sloj preko ovog sloja i primijenite lasersko sinterovanje. Ponavljajte ovaj postupak dok dio nije potpuno završen. Prah se zatim uklanja s dijela koji nije spojen laserom, ostavljajući 3D printani dio koji odgovara originalnom CAD crtežu. Konačni proizvod je donekle sličan mikrofluidnom procesu, s glavnom razlikom što su mikrofluidne komponente obično dvodimenzionalne (ravne), dok se korištenjem aditivne proizvodnje mogu stvoriti složeni obrasci toka u trodimenzionalnoj geometriji. Ove slavine su trenutno dostupne kao 3D printani dijelovi od nehrđajućeg čelika 316L i titana. Većina metalnih legura, polimera i nekih keramičkih materijala može se koristiti za izradu komponenti korištenjem ove metode i bit će razmotreni u budućim dizajnima/proizvodima.
Riža. 1. Fotografija (a) i dijagram (b) Mott statičkog miksera od 90 μl koji prikazuje poprečni presjek putanje protoka fluida miksera, označen plavom bojom.
Pokrenite računarske simulacije dinamike fluida (CFD) performansi statičkog miksera tokom faze projektovanja kako biste pomogli u razvoju efikasnih dizajna i smanjili dugotrajne i skupe eksperimente pokušaja i grešaka. CFD simulacija statičkih miksera i standardnih cjevovoda (simulacija bez miksera) korištenjem softverskog paketa COMSOL Multiphysics. Modeliranje korištenjem laminarne mehanike fluida vođene pritiskom radi razumijevanja brzine i pritiska fluida unutar dijela. Ova dinamika fluida, u kombinaciji s kemijskim transportom spojeva mobilne faze, pomaže u razumijevanju miješanja dvije različite koncentrirane tekućine. Model se proučava kao funkcija vremena, jednaka 10 sekundi, radi lakšeg izračuna prilikom traženja usporedivih rješenja. Teorijski podaci dobiveni su u vremenski koreliranoj studiji korištenjem alata za projekciju tačkaste sonde, gdje je za prikupljanje podataka odabrana tačka u sredini izlaza. CFD model i eksperimentalni testovi koristili su dva različita rastvarača putem proporcionalnog ventila za uzorkovanje i sistema pumpanja, što je rezultiralo zamjenskim čepom za svaki rastvarač u liniji za uzorkovanje. Ovi rastvarači se zatim miješaju u statičkom mikseru. Slike 2 i 3 prikazuju simulacije protoka kroz standardnu ​​cijev (bez miksera) i kroz Mott statički mikser, respektivno. Simulacija je provedena na ravnoj cijevi dužine 5 cm i unutrašnjeg promjera 0,25 mm kako bi se demonstrirao koncept naizmjeničnog ubacivanja vode i čistog acetonitrila u cijev u odsustvu statičkog miksera, kao što je prikazano na Slici 2. Simulacija je koristila tačne dimenzije cijevi i miksera i brzinu protoka od 0,3 ml/min.
Riža. 2. Simulacija CFD toka u cijevi od 5 cm s unutarnjim promjerom od 0,25 mm za predstavljanje onoga što se događa u HPLC cijevi, tj. u odsustvu miješalice. Puna crvena boja predstavlja maseni udio vode. Plava predstavlja nedostatak vode, tj. čisti acetonitril. Difuzijska područja mogu se vidjeti između naizmjeničnih čepova dvije različite tekućine.
Riža. 3. Statički mikser zapremine 30 ml, modeliran u softverskom paketu COMSOL CFD. Legenda predstavlja maseni udio vode u mikseru. Čista voda je prikazana crvenom bojom, a čisti acetonitril plavom. Promjena masenog udjela simulirane vode predstavljena je promjenom boje miješanja dvije tekućine.
Na slici 4 prikazana je studija validacije modela korelacije između efikasnosti miješanja i zapremine miješanja. Kako se zapremina miješanja povećava, povećava se i efikasnost miješanja. Koliko je autorima poznato, druge složene fizičke sile koje djeluju unutar miksera ne mogu se uzeti u obzir u ovom CFD modelu, što rezultira većom efikasnošću miješanja u eksperimentalnim testovima. Eksperimentalna efikasnost miješanja mjerena je kao procentualno smanjenje baznog sinusoida. Osim toga, povećani povratni pritisak obično rezultira višim nivoima miješanja, koji se ne uzimaju u obzir u simulaciji.
Sljedeći HPLC uslovi i testna postavka korišteni su za mjerenje sirovih sinusnih talasa radi poređenja relativnih performansi različitih statičkih miksera. Dijagram na slici 5 prikazuje tipičan raspored HPLC/UHPLC sistema. Statički mikser je testiran postavljanjem miksera direktno nakon pumpe i prije injektora i kolone za separaciju. Većina mjerenja pozadinskog sinusoidnog signala vrši se zaobilazeći injektor i kapilarnu kolonu između statičkog miksera i UV detektora. Prilikom procjene odnosa signal-šum i/ili analize oblika vrha, konfiguracija sistema je prikazana na slici 5.
Slika 4. Grafik efikasnosti miješanja u odnosu na volumen miješanja za niz statičkih miksera. Teorijska nečistoća prati isti trend kao i eksperimentalni podaci o nečistoćama, što potvrđuje validnost CFD simulacija.
HPLC sistem korišten za ovaj test bio je Agilent 1100 Series HPLC sa UV detektorom kojim upravlja PC računar na kojem je pokrenut Chemstation softver. Tabela 1 prikazuje tipične uslove podešavanja za mjerenje efikasnosti miksera praćenjem osnovnih sinusoida u dvije studije slučaja. Eksperimentalni testovi su provedeni na dva različita primjera rastvarača. Dva rastvarača pomiješana u slučaju 1 bila su rastvarač A (20 mM amonijum acetat u deionizovanoj vodi) i rastvarač B (80% acetonitril (ACN)/20% deionizovana voda). U slučaju 2, rastvarač A bio je rastvor 0,05% acetona (oznaka) u deionizovanoj vodi. Rastvarač B je smjesa 80/20% metanola i vode. U slučaju 1, pumpa je podešena na brzinu protoka od 0,25 ml/min do 1,0 ml/min, a u slučaju 2, pumpa je podešena na konstantnu brzinu protoka od 1 ml/min. U oba slučaja, odnos smjese rastvarača A i B bio je 20% A/80% B. Detektor je u slučaju 1 postavljen na 220 nm, a maksimalna apsorpcija acetona u slučaju 2 postavljena je na talasnu dužinu od 265 nm.
Tabela 1. HPLC konfiguracije za slučajeve 1 i 2 Slučaj 1 Slučaj 2 Brzina pumpe ​​0,25 ml/min do 1,0 ml/min 1,0 ml/min Rastvarač A 20 mM amonijum acetat u dejonizovanoj vodi 0,05% Aceton u dejonizovanoj vodi Rastvarač B 80% Acetonitril (ACN) / 20% dejonizovana voda 80% metanol / 20% dejonizovana voda Odnos rastvarača 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Riža. 6. Grafikoni miješanih sinusnih talasa mjerenih prije i nakon primjene niskopropusnog filtera za uklanjanje komponenti osnovnog pomaka signala.
Slika 6 je tipičan primjer miješane osnovne buke u Slučaju 1, prikazan kao ponavljajući sinusoidni uzorak superponiran na pomak osnovne linije. Pomak osnovne linije je sporo povećanje ili smanjenje pozadinskog signala. Ako se sistemu ne dozvoli da se dovoljno dugo uravnoteži, obično će padati, ali će se nepravilno kretati čak i kada je sistem potpuno stabilan. Ovaj pomak osnovne linije ima tendenciju povećanja kada sistem radi u uslovima strmog gradijenta ili visokog povratnog pritiska. Kada je prisutan ovaj pomak osnovne linije, može biti teško uporediti rezultate od uzorka do uzorka, što se može prevazići primjenom niskopropusnog filtera na sirove podatke kako bi se filtrirale ove niskofrekventne varijacije, čime se dobija dijagram oscilacija sa ravnom osnovnom linijom. Na slici 6 je također prikazan dijagram osnovne buke miksera nakon primjene niskopropusnog filtera.
Nakon završetka CFD simulacija i početnog eksperimentalnog testiranja, razvijena su tri odvojena statička miksera koristeći gore opisane interne komponente sa tri interna volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Ovaj raspon pokriva raspon volumena i performansi miješanja potrebnih za HPLC primjene s niskim udjelom analita gdje su potrebni poboljšano miješanje i niska disperzija za dobijanje osnovnih linija niske amplitude. Na slici 7 prikazana su osnovna mjerenja sinusnog vala dobivena na testnom sistemu iz Primjera 1 (acetonitril i amonijum acetat kao traseri) s tri volumena statičkih miksera i bez instaliranih miksera. Eksperimentalni uslovi testiranja za rezultate prikazane na slici 7 održavani su konstantnim tokom sva 4 testa prema postupku opisanom u tabeli 1 pri brzini protoka rastvarača od 0,5 ml/min. Primijenite vrijednost pomaka na skupove podataka tako da se mogu prikazati jedan pored drugog bez preklapanja signala. Pomak ne utiče na amplitudu signala koji se koristi za procjenu nivoa performansi miksera. Prosječna sinusoidna amplituda bez miksera bila je 0,221 mAi, dok su amplitude statičkih Mott miksera pri 30 µl, 60 µl i 90 µl pale na 0,077, 0,017 i 0,004 mAi, respektivno.
Slika 7. Pomak signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za Slučaj 1 (acetonitril s indikatorom amonijum acetatom) koji prikazuje miješanje rastvarača bez miksera, Mott mikseri od 30 µl, 60 µl i 90 µl pokazuju poboljšano miješanje (niža amplituda signala) kako se povećava volumen statičkog miksera. (stvarni pomaci podataka: 0,13 (bez miksera), 0,32, 0,4, 0,45mA za bolji prikaz).
Podaci prikazani na sl. 8 su isti kao na sl. 7, ali ovaj put uključuju rezultate tri uobičajeno korištena HPLC statička miksera sa unutrašnjim zapreminama od 50 µl, 150 µl i 250 µl. Rice. Slika 8. Grafik pomaka signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za Slučaj 1 (acetonitril i amonijum acetat kao indikatori) koji prikazuje miješanje rastvarača bez statičkog miksera, nove serije Mott statičkih miksera i tri konvencionalna miksera (stvarni pomak podataka je 0,1 (bez miksera), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respektivno za bolji efekat prikaza). Procenat smanjenja osnovnog sinusnog talasa izračunava se odnosom amplitude sinusnog talasa i amplitude bez instaliranog miksera. Izmjereni procenti slabljenja sinusnog talasa za Slučajeve 1 i 2 navedeni su u Tabeli 2, zajedno sa unutrašnjim zapreminama novog statičkog miksera i sedam standardnih miksera koji se obično koriste u industriji. Podaci na slikama 8 i 9, kao i proračuni prikazani u tabeli 2, pokazuju da Mott statički mikser može obezbijediti slabljenje sinusnog talasa do 98,1%, što daleko premašuje performanse konvencionalnog HPLC miksera pod ovim uslovima ispitivanja. Slika 9. Grafik pomaka signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za slučaj 2 (metanol i aceton kao traseri) koji ne prikazuje statički mikser (kombinovano), novu seriju Mott statičkih miksera i dva konvencionalna miksera (stvarni pomaci podataka su 0, 11 (bez miksera), 0,22, 0,3, 0,35 mA i 0,95 mA za bolji prikaz). Također je procijenjeno sedam uobičajeno korištenih miksera u industriji. To uključuje miksere sa tri različita unutrašnja volumena od kompanije A (označene kao mikser A1, A2 i A3) i kompanije B (označene kao mikser B1, B2 i B3). Kompanija C je ocijenila samo jednu veličinu.
Tabela 2. Karakteristike miješanja statičkog miksera i unutrašnja zapremina Slučaj statičkog miksera 1 Sinusoidni oporavak: Test acetonitrila (efikasnost) Slučaj 2 Sinusoidni oporavak: Test metanola i vode (efikasnost) Unutrašnja zapremina (µl) Bez miksera – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mikser A1 66,4% 73,7% 50 Mikser A2 89,8% 91,6% 150 Mikser A3 92,2% 94,5% 250 Mikser B1 44,8% 45,7% 9 35 Mikser B2 845% 96,2% 370 Mikser C 97,2% 97,4% 250
Analiza rezultata na Slici 8 i u Tabeli 2 pokazuje da Mott statički mikser od 30 µl ima istu efikasnost miješanja kao i mikser A1, tj. 50 µl, međutim, Mott od 30 µl ima 30% manju unutrašnju zapreminu. Prilikom poređenja Mott miksera od 60 µl sa mikserom A2 unutrašnje zapremine 150 µl, došlo je do blagog poboljšanja efikasnosti miješanja od 92% u odnosu na 89%, ali što je još važnije, ovaj viši nivo miješanja postignut je na 1/3 zapremine miksera. Performanse Mott miksera od 90 µl pratile su isti trend kao i mikser A3 sa unutrašnjom zapreminom od 250 µl. Poboljšanja performansi miješanja od 98% i 92% su također uočena uz 3-struko smanjenje unutrašnje zapremine. Slični rezultati i poređenja dobijeni su za miksere B i C. Kao rezultat toga, nova serija statičkih miksera Mott PerfectPeak™ pruža veću efikasnost miješanja od uporedivih konkurentskih miksera, ali s manjim unutrašnjim volumenom, pružajući bolju pozadinsku buku i bolji odnos signal-šum, bolju osjetljivost analita, oblik vrha i rezoluciju vrha. Slični trendovi u efikasnosti miješanja uočeni su i u studijama Slučaja 1 i Slučaja 2. Za Slučaj 2, testovi su provedeni korištenjem (metanola i acetona kao indikatora) kako bi se uporedila efikasnost miješanja 60 ml Mott-a, uporedivog miksera A1 (unutrašnja zapremina 50 µl) i uporedivog miksera B1 (unutrašnja zapremina 35 µl). Performanse su bile slabe bez instaliranog miksera, ali je korišten za osnovnu analizu. Mott mikser od 60 ml pokazao se kao najbolji mikser u testnoj grupi, pružajući povećanje efikasnosti miješanja od 90%. Uporedivi mikser A1 pokazao je poboljšanje efikasnosti miješanja od 75%, nakon čega slijedi poboljšanje od 45% u uporedivom mikseru B1. Osnovni test redukcije sinusnog vala s brzinom protoka proveden je na nizu miksera pod istim uvjetima kao i test sinusne krive u Slučaju 1, s promjenom samo brzine protoka. Podaci su pokazali da je u rasponu brzina protoka od 0,25 do 1 ml/min početno smanjenje sinusnog vala ostalo relativno konstantno za sve tri zapremine miksera. Kod dva miksera manje zapremine, postoji blagi porast sinusoidne kontrakcije kako se brzina protoka smanjuje, što se očekuje zbog povećanog vremena zadržavanja rastvarača u mikseru, što omogućava povećano difuzijsko miješanje. Očekuje se da će se oduzimanje sinusnog vala povećati kako se protok dalje smanjuje. Međutim, za najveću zapreminu miksera s najvećim slabljenjem baze sinusnog vala, slabljenje baze sinusnog vala ostalo je praktično nepromijenjeno (unutar raspona eksperimentalne nesigurnosti), s vrijednostima u rasponu od 95% do 98%. Rice. 10. Osnovno slabljenje sinusnog vala u odnosu na brzinu protoka u slučaju 1. Test je proveden pod uvjetima sličnim testu sinusnog vala s promjenjivom brzinom protoka, ubrizgavanjem 80% smjese acetonitrila i vode u omjeru 80/20 i 20% amonijum acetata koncentracije 20 mM.
Novorazvijena linija patentiranih PerfectPeakTM linijskih statičkih miksera sa tri unutrašnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl pokriva raspon volumena i performansi miješanja potreban za većinu HPLC analiza koje zahtijevaju poboljšano miješanje i niske podove disperzije. Novi statički mikser to postiže korištenjem nove 3D tehnologije printanja kako bi se stvorila jedinstvena 3D struktura koja omogućava poboljšano hidrodinamičko statičko miješanje s najvećim postotkom smanjenja bazne buke po jedinici volumena unutrašnje smjese. Korištenje 1/3 unutrašnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje baznu buku za 98%. Takvi mikseri se sastoje od međusobno povezanih trodimenzionalnih kanala protoka s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim dužinama puta dok tekućina prelazi složene geometrijske barijere unutra. Nova porodica statičkih miksera pruža poboljšane performanse u odnosu na konkurentske miksere, ali s manjim unutrašnjim volumenom, što rezultira boljim omjerom signala i šuma i nižim granicama kvantifikacije, kao i poboljšanim oblikom, efikasnošću i rezolucijom vrha za veću osjetljivost.
U ovom izdanju Kromatografija – Ekološki prihvatljiva RP-HPLC – Upotreba core-shell hromatografije za zamjenu acetonitrila izopropanolom u analizi i prečišćavanju – Novi plinski hromatograf za…
Poslovni centar International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Ujedinjeno Kraljevstvo