Revolucionarni novi inline statički mikser je razvijen posebno dizajniran da ispuni stroge zahteve tečne hromatografije visokih performansi (HPLC) i tečne hromatografije ultra visokih performansi (HPLC i UHPLC).Loše miješanje dvije ili više mobilnih faza može rezultirati većim omjerom signal-šum, što smanjuje osjetljivost.Homogeno statičko miješanje dva ili više fluida sa minimalnim unutrašnjim volumenom i fizičkim dimenzijama statičkog miksera predstavlja najviši standard idealnog statičkog miksera.Novi statički mikser to postiže korišćenjem nove tehnologije 3D štampanja za kreiranje jedinstvene 3D strukture koja obezbeđuje poboljšano hidrodinamičko statičko mešanje sa najvećim procentom smanjenja osnovnog sinusnog talasa po jedinici unutrašnjeg volumena mešavine.Korišćenje 1/3 unutrašnje zapremine konvencionalnog miksera smanjuje osnovni sinusni talas za 98%.Mešalica se sastoji od međusobno povezanih 3D kanala protoka sa različitim površinama poprečnog preseka i dužinama putanje dok fluid prolazi kroz složene 3D geometrije.Miješanje duž višestrukih krivudavih puteva, u kombinaciji s lokalnom turbulencijom i vrtlozima, rezultira miješanjem na mikro, mezo i makro skali.Ovaj jedinstveni mikser je dizajniran korišćenjem simulacija računarske dinamike fluida (CFD).Prikazani testni podaci pokazuju da se odlično miješanje postiže minimalnim unutrašnjim volumenom.
Više od 30 godina tečna hromatografija se koristi u mnogim industrijama, uključujući farmaceutske proizvode, pesticide, zaštitu životne sredine, forenziku i hemijsku analizu.Sposobnost mjerenja na dijelove na milion ili manje je kritična za tehnološki razvoj u bilo kojoj industriji.Loša efikasnost mešanja dovodi do lošeg odnosa signal-šum, što je smetnja za hromatografsku zajednicu u smislu granica detekcije i osetljivosti.Kada se miješaju dva HPLC rastvarača, ponekad je potrebno prisiliti miješanje vanjskim sredstvima da bi se ta dva rastvarača homogenizirala jer se neki rastvarači ne miješaju dobro.Ako rastvarači nisu dobro promešani, može doći do degradacije HPLC hromatograma, što se manifestuje kao prekomerna osnovna buka i/ili loš oblik pika.Uz loše miješanje, osnovni šum će se pojaviti kao sinusni val (rastući i opadajući) signala detektora tokom vremena.U isto vrijeme, loše miješanje može dovesti do širenja i asimetričnih pikova, smanjujući analitičke performanse, oblik vrha i rezoluciju vrha.Industrija je prepoznala da su in-line i tee statički mikseri sredstvo za poboljšanje ovih granica i omogućavanje korisnicima da postignu niže granice detekcije (osjetljivosti).Idealan statički mikser kombinuje prednosti visoke efikasnosti mešanja, male mrtve zapremine i niskog pada pritiska sa minimalnom zapreminom i maksimalnim protokom sistema.Osim toga, kako analiza postaje složenija, analitičari moraju rutinski koristiti polarnija rastvarača koja se teško miješaju.To znači da je bolje miješanje neophodno za buduća testiranja, dodatno povećavajući potrebu za vrhunskim dizajnom i performansama miksera.
Mott je nedavno razvio novi asortiman patentiranih PerfectPeakTM inline statičkih miksera sa tri unutrašnje zapremine: 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 su prečnika 0,5″ i pružaju vodeće performanse u industriji u kompaktnom dizajnu.Napravljene su od nerđajućeg čelika 316L, pasiviranog zbog inertnosti, ali su takođe dostupne titanijum i druge legure metala otporne na koroziju i hemijski inertne.Ovi mikseri imaju maksimalni radni pritisak do 20.000 psi.Na sl.1a je fotografija Mott statičkog miksera od 60 µl dizajniranog da pruži maksimalnu efikasnost mešanja uz korišćenje manje unutrašnje zapremine od standardnih miksera ovog tipa.Ovaj novi dizajn statičkog miksera koristi novu tehnologiju aditivne proizvodnje za kreiranje jedinstvene 3D strukture koja koristi manje unutrašnjeg protoka od bilo koje mešalice koja se trenutno koristi u industriji hromatografije za postizanje statičkog mešanja.Takvi mikseri se sastoje od međusobno povezanih trodimenzionalnih kanala protoka sa različitim površinama poprečnog presjeka i različitim dužinama putanje dok tečnost prelazi unutar složene geometrijske barijere.Na sl.Slika 1b prikazuje šematski dijagram novog miksera, koji koristi industrijski standard 10-32 navojne HPLC kompresione fitinge za ulaz i izlaz, i ima osenčene plave ivice patentiranog unutrašnjeg porta miksera.Različite površine poprečnih presjeka puteva unutrašnjeg protoka i promjene smjera protoka unutar unutrašnjeg protoka stvaraju regije turbulentnog i laminarnog strujanja, uzrokujući miješanje na mikro, mezo i makro skali.Dizajn ovog jedinstvenog miksera koristio je simulacije računarske dinamike fluida (CFD) za analizu obrazaca protoka i preciziranje dizajna pre izrade prototipa za interno analitičko testiranje i procenu korisnika na terenu.Aditivna proizvodnja je proces štampanja 3D geometrijskih komponenti direktno iz CAD crteža bez potrebe za tradicionalnom mašinskom obradom (glodalice, strugovi, itd.).Ovi novi statički mikseri su dizajnirani da se proizvode korišćenjem ovog procesa, gde se telo miksera kreira iz CAD crteža, a delovi se proizvode (štampaju) sloj po sloj koristeći aditivnu proizvodnju.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 na ovaj sloj i primijenite lasersko sinteriranje.Ponavljajte ovaj postupak dok dio nije u potpunosti gotov.Prašak se zatim uklanja iz dijela koji nije zalijepljen laserom, ostavljajući 3D odštampan dio koji odgovara originalnom CAD crtežu.Konačni proizvod je donekle sličan mikrofluidnom procesu, sa glavnom razlikom što su mikrofluidne komponente obično dvodimenzionalne (ravne), dok se upotrebom aditivne proizvodnje mogu kreirati 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 neke keramike mogu se koristiti za izradu komponenti pomoću ove metode i biće uzete u obzir u budućim dizajnima/proizvodima.
Rice.1. Fotografija (a) i dijagram (b) 90 μl Mott statičkog miksera koji prikazuje poprečni presjek putanje protoka tekućine u miješalici obojen plavom bojom.
Pokrenite računarsku dinamiku fluida (CFD) simulacije statičkih performansi 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 miješanja) pomoću softverskog paketa COMSOL Multiphysics.Modeliranje korištenjem laminarne mehanike fluida vođene pritiskom za razumijevanje brzine i pritiska fluida unutar dijela.Ova dinamika fluida, u kombinaciji sa hemijskim transportom jedinjenja mobilne faze, pomaže da se razume mešanje dve različite koncentrisane tečnosti.Model se proučava kao funkcija vremena, jednakog 10 sekundi, radi lakšeg izračunavanja pri traženju uporedivih rješenja.Teoretski podaci dobiveni su u vremensko koreliranoj studiji korištenjem alata za projekciju sonde točka, gdje je za prikupljanje podataka odabrana tačka u sredini izlaza.CFD model i eksperimentalni testovi koristili su dva različita rastvarača kroz proporcionalni ventil za uzorkovanje i sistem za pumpanje, što je rezultiralo zamjenskim čepom za svaki rastvarač u liniji za uzorkovanje.Ovi rastvarači se zatim miješaju u statičkom mikseru.Na slikama 2 i 3 prikazane su simulacije protoka kroz standardnu ​​cijev (bez miješalice) i kroz Mott statičku miješalicu, respektivno.Simulacija je izvedena na ravnoj cijevi dužine 5 cm i 0,25 mm ID kako bi se demonstrirao koncept naizmjeničnog umetanja 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.
Rice.2. Simulacija CFD toka u cijevi od 5 cm sa unutrašnjim prečnikom od 0,25 mm kako bi se prikazalo šta se dešava u HPLC cijevi, tj. u odsustvu miješalice.Puno crveno predstavlja maseni udio vode.Plava predstavlja nedostatak vode, odnosno čistog acetonitrila.Difuzijska područja se mogu vidjeti između naizmjeničnih čepova dvije različite tekućine.
Rice.3. Statički mikser zapremine 30 ml, modelovan u COMSOL CFD softverskom paketu.Legenda predstavlja maseni udio vode u miješalici.Čista voda je prikazana crvenom, a čisti acetonitril plavom.Promjena masenog udjela simulirane vode predstavljena je promjenom boje miješanja dvije tekućine.
Na sl.4 prikazuje studiju validacije korelacionog modela između efikasnosti mešanja i zapremine mešanja.Kako se volumen miješanja povećava, efikasnost miješanja će se povećati.Prema saznanjima autora, 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 postotak smanjenja sinusoida baze.Osim toga, povećani protivpritisak obično rezultira višim nivoima miješanja, koji se ne uzimaju u obzir u simulaciji.
Sledeći HPLC uslovi i postavka testa korišćeni su za merenje neobrađenih sinusnih talasa da bi se uporedile relativne performanse različitih statičkih miksera.Dijagram na slici 5 prikazuje tipičan raspored HPLC/UHPLC sistema.Statička mješalica je testirana postavljanjem miješalice neposredno iza pumpe i prije injektora i kolone za odvajanje.Većina pozadinskih sinusoidnih mjerenja se vrši zaobilazeći injektor i kapilarni stup između statičkog miksera i UV detektora.Prilikom procjene omjera signal-šum i/ili analize oblika vrha, konfiguracija sistema je prikazana na slici 5.
Slika 4. Grafikon efikasnosti mešanja u odnosu na zapreminu mešanja za niz statičkih miksera.Teorijska nečistoća prati isti trend kao i eksperimentalni podaci o nečistoći koji potvrđuju valjanost CFD simulacija.
HPLC sistem korišćen za ovaj test bio je HPLC serije Agilent 1100 sa UV detektorom koji je kontrolisan od strane računara koji koristi Chemstation softver.Tabela 1 prikazuje tipične uslove podešavanja za merenje efikasnosti miksera praćenjem osnovnih sinusoida u dve studije slučaja.Eksperimentalna ispitivanja su provedena na dva različita primjera otapala.Dva rastvarača pomešana u slučaju 1 su rastvarač A (20 mM amonijum acetata u dejonizovanoj vodi) i rastvarač B (80% acetonitrila (ACN)/20% dejonizovane vode).U slučaju 2, rastvarač A je bio rastvor 0,05% acetona (oznaka) u dejonizovanoj vodi.Rastvarač B je mješavina 80/20% metanola i vode.U slučaju 1, pumpa je podešena na protok od 0,25 ml/min do 1,0 ml/min, au slučaju 2 pumpa je podešena na konstantan protok od 1 ml/min.U oba slučaja, odnos mješavine rastvarača A i B je bio 20% A/80% B. Detektor je postavljen na 220 nm u slučaju 1, a maksimalna apsorpcija acetona u slučaju 2 je postavljena 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% acetona u dejonizovanoj vodi Rastvarač B 80% acetonitrila u dejonizovanoj vodi 0% Acetonitril de 2% 0% vode jonizovana voda Odnos rastvarača 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Rice.6. Dijagrami mješovitih sinusnih valova izmjerenih prije i nakon primjene niskopropusnog filtera da bi se uklonile komponente odstupanja osnovne linije signala.
Slika 6 je tipičan primjer mješovitog osnovnog šuma u slučaju 1, prikazan kao ponavljajući sinusoidni obrazac koji je superponiran na pomjeranje osnovne linije.Pomjeranje osnovne linije je sporo povećanje ili smanjenje pozadinskog signala.Ako se sistemu ne dozvoli da se uravnoteži dovoljno dugo, on će obično pasti, ali će se neredovito pomicati čak i kada je sistem potpuno stabilan.Ovo odstupanje osnovne linije ima tendenciju da se poveća kada sistem radi u uslovima strmog nagiba 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 neobrađene podatke kako bi se filtrirale ove varijacije niske frekvencije, čime se osigurava oscilacijski dijagram s ravnom osnovnom linijom.Na sl.Slika 6 takođe prikazuje dijagram osnovnog šuma miksera nakon primene niskopropusnog filtera.
Nakon završetka CFD simulacija i početnog eksperimentalnog testiranja, zatim su razvijena tri odvojena statička miksera koristeći gore opisane unutrašnje komponente sa tri unutrašnje zapremine: 30 µl, 60 µl i 90 µl.Ovaj opseg pokriva opseg zapremina i performansi mešanja potrebnih za HPLC aplikacije sa niskim sadržajem analita gde su poboljšano mešanje i niska disperzija potrebni za dobijanje osnovnih linija niske amplitude.Na sl.Na slici 7 prikazana su osnovna mjerenja sinusnog talasa dobijena na test sistemu iz Primera 1 (acetonitril i amonijum acetat kao tragači) sa tri zapremine statičkih miksera i bez instaliranih mešalica.Eksperimentalni uslovi ispitivanja za rezultate prikazane na slici 7. održavani su konstantnim tokom sva 4 testa prema proceduri prikazanoj 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.Offset ne utiče na amplitudu signala koji se koristi za procenu nivoa performansi miksera.Prosječna sinusoidna amplituda bez miksera bila je 0,221 mAi, dok su amplitude statičkih Mott miksera od 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 sa indikatorom amonijum acetata) koji pokazuje miješanje rastvarača bez miksera, 30 µl, 60 µl i 90 µl Mott mikseri koji pokazuju poboljšano miješanje (niža amplituda signala) kako volumen miješanja povećava statički.(stvarni odstupanja podataka: 0,13 (bez miksera), 0,32, 0,4, 0,45 mA za bolji prikaz).
Podaci prikazani na sl.8 su isti kao na slici 7, ali ovaj put uključuju rezultate tri najčešće korišćena HPLC statička miksera sa unutrašnjim zapreminama od 50 µl, 150 µl i 250 µl.Rice.Slika 8. Grafikon pomaka signala HPLC UV detektora u odnosu na vreme za slučaj 1 (acetonitril i amonijum acetat kao indikatori) koji prikazuje mešanje rastvarača bez statičkog miksera, nove serije Mott statičkih miksera i tri konvencionalna miksera (stvarni pomak podataka je 0,1, (bez miksera), 0,38, 0,0,0,0,0,0 mA za bolji efekat prikaza).Procenat smanjenja osnovnog sinusnog vala izračunava se omjerom amplitude sinusnog vala 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 predstavljeni u tabeli 2, pokazuju da Mott statički mikser može da obezbedi do 98,1% prigušenja sinusnog talasa, što daleko prevazilazi performanse konvencionalnog HPLC miksera u ovim uslovima ispitivanja.Slika 9. Pomak signala HPLC UV detektora u odnosu na vremensku grafiku za slučaj 2 (metanol i aceton kao tragači) koji pokazuje da nema statičkog miksera (kombinovano), novu seriju Mott statičkih miksera i dva konvencionalna miksera (stvarni pomaci podataka su 0, 11 (bez miksera), 0,22, 0,3 m za bolji prikaz).Također je ocijenjeno sedam miksera koji se najčešće koriste u industriji.To uključuje miksere sa tri različite unutrašnje zapremine kompanije A (označene kao mešalice A1, A2 i A3) i kompanije B (označene kao mešalice B1, B2 i B3).Kompanija C je ocijenila samo jednu veličinu.
Tabela 2. Karakteristike miješanja statičkog miksera i unutrašnja zapremina Statički mikser Slučaj 1 Sinusoidalni oporavak: Test acetonitrila (efikasnost) Slučaj 2 Sinusoidalni oporavak: Test vode na metanol (efikasnost) Unutrašnja zapremina (µl) Bez miksera – - 0 Mott% 20.2% 360% Mott% 360% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mikser A1 66,4% 73,7% 50 Mikser A2 89,8% 91,6% 150 Mešalica A3 92,2% 94,5% 254 Mešalica.8% B85% .85 . 96,2% 370 Mikser C 97,2% 97,4% 250
Analiza rezultata na slici 8 i tabeli 2 pokazuje da statički mikser Mott od 30 µl ima istu efikasnost mešanja kao mikser A1, odnosno 50 µl, međutim, 30 µl Mott ima 30% manji unutrašnji volumen.Kada se uporedi Mott mikser od 60 µl sa mikserom A2 unutrašnje zapremine od 150 µl, došlo je do blagog poboljšanja efikasnosti mešanja od 92% u odnosu na 89%, ali što je još važnije, ovaj viši nivo mešanja je postignut na 1/3 zapremine miksera.sličan mikser A2.Performanse 90 µl Mott miksera pratili su isti trend kao i A3 mikser sa unutrašnjim volumenom od 250 µl.Poboljšanja u performansama mešanja od 98% i 92% su takođe primećena sa 3 puta smanjenjem unutrašnjeg volumena.Slični rezultati i poređenja su dobijeni za miksere B i C. Kao rezultat toga, nova serija statičkih miksera Mott PerfectPeakTM pruža veću efikasnost miješanja od uporedivih miksera konkurenata, ali s manjim unutrašnjim volumenom, pružajući bolji pozadinski šum i bolji odnos signal-šum, bolji analit osjetljivosti, oblik vrha i rezoluciju vrha.Slični trendovi u efikasnosti mešanja primećeni su u studijama slučaja 1 i slučaja 2.Za slučaj 2, testovi su izvedeni korišćenjem (metanol i aceton kao indikatori) za poređenje efikasnosti mešanja od 60 ml Mott, uporedivog miksera A1 (unutrašnja zapremina 50 µl) i uporedivog miksera B1 (unutrašnja zapremina 35 µl)., performanse su bile loše bez instaliranog miksera, ali je korišten za osnovnu analizu.Mott mikser od 60 ml pokazao se kao najbolji mikser u test grupi, koji je obezbedio 90% povećanje efikasnosti mešanja.Uporedivi mikser A1 je zabeležio poboljšanje od 75% u efikasnosti mešanja, praćeno poboljšanjem od 45% u uporedivom mikseru B1.Osnovni test redukcije sinusnog talasa sa brzinom protoka izveden je na seriji miksera pod istim uslovima kao i test sinusne krive u slučaju 1, sa samo promenjenom brzinom 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.Za dva miksera manjeg volumena dolazi do blagog povećanja sinusoidne kontrakcije kako se brzina protoka smanjuje, što se očekuje zbog povećanog vremena zadržavanja rastvarača u mješalici, što omogućava povećano difuzijsko miješanje.Očekuje se da će se oduzimanje sinusnog vala povećati kako se protok dalje smanjuje.Međutim, za najveći volumen miksera s najvećim prigušenjem baze sinusnog vala, prigušenje baze sinusnog vala je ostalo gotovo nepromijenjeno (unutar raspona eksperimentalne nesigurnosti), sa vrijednostima u rasponu od 95% do 98%.Rice.10. Osnovno slabljenje sinusnog talasa u odnosu na brzinu protoka u slučaju 1. Test je izveden u uslovima sličnim sinusnom testu sa promenljivom brzinom protoka, ubrizgavanjem 80% 80/20 smeše acetonitrila i vode i 20% 20 mM amonijum acetata.
Novorazvijeni asortiman patentiranih PerfectPeakTM inline statičkih miksera sa tri unutrašnje zapremine: 30 µl, 60 µl i 90 µl pokriva opseg zapremine i performansi mešanja koji je potreban za većinu HPLC analiza koje zahtevaju poboljšano mešanje i podove niske disperzije.Novi statički mikser to postiže korišćenjem nove tehnologije 3D štampanja za kreiranje jedinstvene 3D strukture koja obezbeđuje poboljšano hidrodinamičko statičko mešanje sa najvećim procentom smanjenja osnovne buke po jedinici zapremine unutrašnje mešavine.Korištenje 1/3 unutrašnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje osnovni šum za 98%.Takvi mikseri se sastoje od međusobno povezanih trodimenzionalnih kanala protoka sa različitim površinama poprečnog presjeka i različitim dužinama putanje dok tečnost prelazi unutar složene geometrijske barijere.Nova porodica statičkih miksera pruža poboljšane performanse u odnosu na konkurentske miksere, ali sa manjim unutrašnjim volumenom, što rezultira boljim odnosom signal-šum i nižim granicama kvantitacije, kao i poboljšanim oblikom vrha, efikasnosti i rezolucijom za veću osjetljivost.
U ovom broju Kromatografija – RP-HPLC prihvatljiv za okoliš – Upotreba hromatografije s jezgrom i školjkom 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