S'ha desenvolupat un nou i revolucionari mesclador estàtic en línia, dissenyat específicament per complir els estrictes requisits dels sistemes de cromatografia líquida d'alt rendiment (HPLC) i cromatografia líquida d'ultra alt rendiment (HPLC i UHPLC). Una barreja deficient de dues o més fases mòbils pot resultar en una relació senyal-soroll més alta, cosa que redueix la sensibilitat. La barreja estàtica homogènia de dos o més fluids amb un volum intern mínim i unes dimensions físiques d'un mesclador estàtic representa l'estàndard més alt d'un mesclador estàtic ideal. El nou mesclador estàtic ho aconsegueix mitjançant l'ús d'una nova tecnologia d'impressió 3D per crear una estructura 3D única que proporciona una barreja estàtica hidrodinàmica millorada amb el percentatge més alt de reducció de l'ona sinusoidal base per unitat de volum intern de la barreja. L'ús d'1/3 del volum intern d'un mesclador convencional redueix l'ona sinusoidal bàsica en un 98%. El mesclador consta de canals de flux 3D interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i longituds de trajectòria a mesura que el fluid travessa geometries 3D complexes. La barreja al llarg de múltiples camins de flux tortuosos, combinada amb turbulències i remolins locals, resulta en una barreja a escala micro, meso i macro. Aquest mesclador únic està dissenyat mitjançant simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD). Les dades de prova presentades mostren que s'aconsegueix una mescla excel·lent amb un volum intern mínim.
Durant més de 30 anys, la cromatografia líquida s'ha utilitzat en moltes indústries, incloent-hi les farmacèutiques, els pesticides, la protecció del medi ambient, la medicina forense i l'anàlisi química. La capacitat de mesurar a parts per milió o menys és fonamental per al desenvolupament tecnològic de qualsevol indústria. Una mala eficiència de mescla condueix a una mala relació senyal-soroll, cosa que és una molèstia per a la comunitat cromatogràfica pel que fa als límits de detecció i la sensibilitat. Quan es barregen dos dissolvents HPLC, de vegades cal forçar la mescla per mitjans externs per homogeneïtzar els dos dissolvents, ja que alguns dissolvents no es barregen bé. Si els dissolvents no es barregen completament, es pot produir una degradació del cromatograma HPLC, que es manifesta com un soroll de línia de base excessiu i/o una mala forma del pic. Amb una mala mescla, el soroll de línia de base apareixerà com una ona sinusoidal (pujant i baixant) del senyal del detector al llarg del temps. Al mateix temps, una mala mescla pot conduir a pics eixamplats i asimètrics, reduint el rendiment analític, la forma del pic i la resolució del pic. La indústria ha reconegut que els mescladors estàtics en línia i en T són un mitjà per millorar aquests límits i permetre als usuaris aconseguir límits de detecció (sensibilitats) més baixos. El mesclador estàtic ideal combina els avantatges d'una alta eficiència de mescla, un baix volum mort i una baixa caiguda de pressió amb un volum mínim i un rendiment màxim del sistema. A més, a mesura que l'anàlisi esdevé més complexa, els analistes han d'utilitzar rutinàriament dissolvents més polars i difícils de barrejar. Això significa que una millor mescla és imprescindible per a futures proves, cosa que augmenta encara més la necessitat d'un disseny i un rendiment superiors del mesclador.
Mott ha desenvolupat recentment una nova gamma de mescladors estàtics en línia PerfectPeak™ patentats amb tres volums interns: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Aquestes mides cobreixen la gamma de volums i característiques de mescla necessàries per a la majoria de proves HPLC on es requereix una mescla millorada i una baixa dispersió. Els tres models tenen un diàmetre de 0,5″ i ofereixen un rendiment líder en la indústria en un disseny compacte. Estan fets d'acer inoxidable 316L, passivats per a la inertícia, però també hi ha disponibles titani i altres aliatges metàl·lics resistents a la corrosió i químicament inerts. Aquests mescladors tenen una pressió màxima de funcionament de fins a 20.000 psi. A la figura 1a es mostra una fotografia d'un mesclador estàtic Mott de 60 µl dissenyat per proporcionar la màxima eficiència de mescla mentre utilitza un volum intern més petit que els mescladors estàndard d'aquest tipus. Aquest nou disseny de mesclador estàtic utilitza una nova tecnologia de fabricació additiva per crear una estructura 3D única que utilitza menys flux intern que qualsevol mesclador utilitzat actualment a la indústria de la cromatografia per aconseguir la mescla estàtica. Aquests mescladors consten de canals de flux tridimensionals interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i diferents longituds de trajectòria a mesura que el líquid creua barreres geomètriques complexes a l'interior. A la figura 1b es mostra un diagrama esquemàtic del nou mesclador, que utilitza accessoris de compressió HPLC roscats 10-32 estàndard de la indústria per a l'entrada i la sortida, i té vores blaves ombrejades del port del mesclador intern patentat. Les diferents àrees de secció transversal de les vies de flux internes i els canvis en la direcció del flux dins del volum de flux intern creen regions de flux turbulent i laminar, provocant barreja a escala micro, meso i macro. El disseny d'aquest mesclador únic va utilitzar simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) per analitzar patrons de flux i refinar el disseny abans de la creació de prototips per a proves analítiques internes i avaluació de camp del client. La fabricació additiva és el procés d'imprimir components geomètrics en 3D directament a partir de dibuixos CAD sense necessitat de mecanitzat tradicional (fresadores, torns, etc.). Aquests nous mescladors estàtics estan dissenyats per ser fabricats mitjançant aquest procés, on el cos del mesclador es crea a partir de dibuixos CAD i les peces es fabriquen (imprimeixen) capa per capa mitjançant fabricació additiva. Aquí, es diposita una capa de pols metàl·lica d'uns 20 micres de gruix, i un làser controlat per ordinador fon i fusiona selectivament la pols en una forma sòlida. Apliqueu una altra capa a sobre d'aquesta capa i apliqueu la sinterització làser. Repetiu aquest procés fins que la peça estigui completament acabada. A continuació, es retira la pols de la peça no unida amb làser, deixant una peça impresa en 3D que coincideix amb el dibuix CAD original. El producte final és una mica similar al procés microfluídic, amb la principal diferència que els components microfluídics solen ser bidimensionals (plans), mentre que mitjançant la fabricació additiva es poden crear patrons de flux complexos en geometria tridimensional. Actualment, aquestes aixetes estan disponibles com a peces impreses en 3D en acer inoxidable 316L i titani. La majoria dels aliatges metàl·lics, polímers i algunes ceràmiques es poden utilitzar per fabricar components mitjançant aquest mètode i es consideraran en futurs dissenys/productes.
Rice. 1. Fotografia (a) i diagrama (b) d'un mesclador estàtic Mott de 90 μl que mostra una secció transversal del recorregut del fluid del mesclador ombrejat en blau.
Executar simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) del rendiment dels mescladors estàtics durant la fase de disseny per ajudar a desenvolupar dissenys eficients i reduir els experiments d'assaig i error, que requereixen molt de temps i són costosos. Simulació CFD de mescladors estàtics i canonades estàndard (simulació sense mesclador) mitjançant el paquet de programari COMSOL Multiphysics. Modelització mitjançant mecànica de fluids laminar impulsada per la pressió per comprendre la velocitat i la pressió del fluid dins d'una peça. Aquesta dinàmica de fluids, combinada amb el transport químic de compostos de fase mòbil, ajuda a comprendre la barreja de dos líquids concentrats diferents. El model s'estudia en funció del temps, igual a 10 segons, per facilitar el càlcul mentre es busquen solucions comparables. Les dades teòriques es van obtenir en un estudi correlat en el temps mitjançant l'eina de projecció de sonda de punts, on es va triar un punt al mig de la sortida per a la recollida de dades. El model CFD i les proves experimentals van utilitzar dos dissolvents diferents a través d'una vàlvula de mostreig proporcional i un sistema de bombament, donant lloc a un tap de recanvi per a cada dissolvent a la línia de mostreig. Aquests dissolvents es barregen després en un mesclador estàtic. Les figures 2 i 3 mostren simulacions de flux a través d'una canonada estàndard (sense mesclador) i a través d'un mesclador estàtic Mott, respectivament. La simulació es va executar en un tub recte de 5 cm de llarg i 0,25 mm de diàmetre interior per demostrar el concepte d'alternar taps d'aigua i acetonitril pur al tub en absència d'un mesclador estàtic, tal com es mostra a la Figura 2. La simulació va utilitzar les dimensions exactes del tub i del mesclador i un cabal de 0,3 ml/min.
Rice. 2. Simulació del flux CFD en un tub de 5 cm amb un diàmetre intern de 0,25 mm per representar què passa en un tub HPLC, és a dir, en absència d'un mesclador. El vermell complet representa la fracció màssica d'aigua. El blau representa la manca d'aigua, és a dir, acetonitril pur. Es poden veure regions de difusió entre taps alterns de dos líquids diferents.
Arròs. 3. Mesclador estàtic amb un volum de 30 ml, modelat amb el paquet de programari COMSOL CFD. La llegenda representa la fracció màssica d'aigua al mesclador. L'aigua pura es mostra en vermell i l'acetonitril pur en blau. El canvi en la fracció màssica de l'aigua simulada es representa mitjançant un canvi en el color de la barreja de dos líquids.
La figura 4 mostra un estudi de validació del model de correlació entre l'eficiència de mescla i el volum de mescla. A mesura que augmenta el volum de mescla, també augmenta l'eficiència de mescla. Segons els autors, altres forces físiques complexes que actuen dins del mesclador no es poden tenir en compte en aquest model CFD, cosa que resulta en una major eficiència de mescla en proves experimentals. L'eficiència de mescla experimental es va mesurar com el percentatge de reducció de la sinusoide de la base. A més, l'augment de la contrapressió sol resultar en nivells de mescla més alts, que no es tenen en compte a la simulació.
Les condicions i la configuració de prova d'HPLC següents es van utilitzar per mesurar ones sinusoïdals en brut per comparar el rendiment relatiu de diferents mescladors estàtics. El diagrama de la Figura 5 mostra una disposició típica del sistema HPLC/UHPLC. El mesclador estàtic es va provar col·locant el mesclador directament després de la bomba i abans de l'injector i la columna de separació. La majoria de les mesures sinusoïdals de fons es fan sense passar per l'injector i la columna capil·lar entre el mesclador estàtic i el detector UV. Quan s'avalua la relació senyal-soroll i/o s'analitza la forma del pic, la configuració del sistema es mostra a la Figura 5.
Figura 4. Gràfic de l'eficiència de mescla en funció del volum de mescla per a una gamma de mescladors estàtics. La impuresa teòrica segueix la mateixa tendència que les dades d'impureses experimentals, confirmant la validesa de les simulacions CFD.
El sistema HPLC utilitzat per a aquesta prova va ser un HPLC Agilent sèrie 1100 amb un detector UV controlat per un PC amb el programari Chemstation. La taula 1 mostra les condicions d'afinació típiques per mesurar l'eficiència del mesclador mitjançant la monitorització de sinusoides bàsiques en dos casos d'estudi. Es van dur a terme proves experimentals en dos exemples diferents de dissolvents. Els dos dissolvents barrejats en el cas 1 van ser el dissolvent A (20 mM d'acetat d'amoni en aigua desionitzada) i el dissolvent B (80% d'acetonitril (ACN)/20% d'aigua desionitzada). En el cas 2, el dissolvent A era una solució d'acetona al 0,05% (etiqueta) en aigua desionitzada. El dissolvent B és una barreja de metanol al 80/20% i aigua. En el cas 1, la bomba es va ajustar a un cabal de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, i en el cas 2, la bomba es va ajustar a un cabal constant d'1 ml/min. En ambdós casos, la proporció de la barreja de dissolvents A i B era de 20% A/80% B. El detector es va ajustar a 220 nm en el cas 1, i l'absorció màxima d'acetona en el cas 2 es va ajustar a una longitud d'ona de 265 nm.
Taula 1. Configuracions d'HPLC per als casos 1 i 2 Cas 1 Cas 2 Velocitat de la bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Dissolvent A 20 mM d'acetat d'amoni en aigua desionitzada 0,05% d'acetona en aigua desionitzada Dissolvent B 80% d'acetonitril (ACN) / 20% d'aigua desionitzada 80% de metanol / 20% d'aigua desionitzada Proporció del dissolvent 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Rice. 6. Gràfics d'ones sinusoïdals mixtes mesurades abans i després d'aplicar un filtre de pas baix per eliminar els components de deriva de la línia base del senyal.
La figura 6 és un exemple típic de soroll de línia de base mixt en el cas 1, que es mostra com un patró sinusoidal repetitiu superposat a la deriva de la línia de base. La deriva de la línia de base és un augment o disminució lenta del senyal de fons. Si no es permet que el sistema s'equilibri prou temps, normalment caurà, però derivarà de manera erràtica fins i tot quan el sistema sigui completament estable. Aquesta deriva de la línia de base tendeix a augmentar quan el sistema funciona en condicions de gradient pronunciat o d'alta contrapressió. Quan hi ha aquesta deriva de la línia de base, pot ser difícil comparar els resultats d'una mostra a una altra, cosa que es pot superar aplicant un filtre de pas baix a les dades en brut per filtrar aquestes variacions de baixa freqüència, proporcionant així un gràfic d'oscil·lació amb una línia de base plana. A la figura 6, també es mostra un gràfic del soroll de línia de base del mesclador després d'aplicar un filtre de pas baix.
Després de completar les simulacions CFD i les proves experimentals inicials, es van desenvolupar posteriorment tres mescladors estàtics separats utilitzant els components interns descrits anteriorment amb tres volums interns: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Aquest rang cobreix el rang de volums i el rendiment de mescla necessaris per a aplicacions HPLC amb baix analit on es requereix una mescla millorada i una baixa dispersió per produir línies de base de baixa amplitud. A la figura 7 es mostren les mesures bàsiques d'ona sinusoidal obtingudes al sistema de prova de l'Exemple 1 (acetonitril i acetat d'amoni com a traçadors) amb tres volums de mescladors estàtics i sense mescladors instal·lats. Les condicions de prova experimental per als resultats que es mostren a la Figura 7 es van mantenir constants durant les 4 proves segons el procediment descrit a la Taula 1 a un cabal de dissolvent de 0,5 ml/min. Apliqueu un valor de desplaçament als conjunts de dades perquè es puguin mostrar un al costat de l'altre sense superposició de senyals. El desplaçament no afecta l'amplitud del senyal utilitzat per jutjar el nivell de rendiment del mesclador. L'amplitud sinusoidal mitjana sense el mesclador va ser de 0,221 mAi, mentre que les amplituds dels mescladors Mott estàtics a 30 µl, 60 µl i 90 µl van baixar a 0,077, 0,017 i 0,004 mAi, respectivament.
Figura 7. Desplaçament del senyal del detector UV HPLC vs. temps per al cas 1 (acetonitril amb indicador d'acetat d'amoni) que mostra la barreja de dissolvents sense mesclador, mescladors Mott de 30 µl, 60 µl i 90 µl que mostren una barreja millorada (amplitud del senyal més baixa) a mesura que augmenta el volum del mesclador estàtic. (desplaçaments de dades reals: 0,13 (sense mesclador), 0,32, 0,4, 0,45 mA per a una millor visualització).
Les dades que es mostren a la figura 8 són les mateixes que a la figura 7, però aquesta vegada inclouen els resultats de tres mescladors estàtics HPLC d'ús comú amb volums interns de 50 µl, 150 µl i 250 µl. Rice. Figura 8. Gràfic de desplaçament del senyal del detector UV HPLC versus temps per al cas 1 (acetonitril i acetat d'amoni com a indicadors) que mostra la barreja de dissolvent sense mesclador estàtic, la nova sèrie de mescladors estàtics Mott i tres mescladors convencionals (el desplaçament de dades real és de 0,1 (sense mesclador), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respectivament per a un millor efecte de visualització). El percentatge de reducció de l'ona sinusoidal base es calcula mitjançant la relació entre l'amplitud de l'ona sinusoidal i l'amplitud sense el mesclador instal·lat. Els percentatges d'atenuació de l'ona sinusoidal mesurats per als casos 1 i 2 es mostren a la taula 2, juntament amb els volums interns d'un nou mesclador estàtic i set mescladors estàndard d'ús comú a la indústria. Les dades de les figures 8 i 9, així com els càlculs presentats a la taula 2, mostren que el mesclador estàtic Mott pot proporcionar fins a un 98,1% d'atenuació d'ona sinusoidal, superant amb escreix el rendiment d'un mesclador HPLC convencional en aquestes condicions de prova. Figura 9. Gràfic de desplaçament del senyal del detector UV HPLC versus temps per al cas 2 (metanol i acetona com a traçadors) que no mostra cap mesclador estàtic (combinat), una nova sèrie de mescladors estàtics Mott i dos mescladors convencionals (els desplaçaments de dades reals són 0, 11 (sense mesclador), 0,22, 0,3, 0,35 mA i 0,35 mA per a una millor visualització). També es van avaluar set mescladors d'ús comú a la indústria. Aquests inclouen mescladors amb tres volums interns diferents de l'empresa A (designats Mesclador A1, A2 i A3) i de l'empresa B (designats Mesclador B1, B2 i B3). L'empresa C només va classificar una mida.
Taula 2. Característiques d'agitació i volum intern del mesclador estàtic Mesclador estàtic Cas 1 Recuperació sinusoidal: Prova d'acetonitril (eficiència) Cas 2 Recuperació sinusoidal: Prova d'aigua amb metanol (eficiència) Volum intern (µl) Sense mesclador – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mesclador A1 66,4% 73,7% 50 Mesclador A2 89,8% 91,6% 150 Mesclador A3 92,2% 94,5% 250 Mesclador B1 44,8% 45,7% 9 35 Mesclador B2 845% 96,2% 370 Mesclador C 97,2% 97,4% 250
L'anàlisi dels resultats de la Figura 8 i la Taula 2 mostra que el mesclador estàtic Mott de 30 µl té la mateixa eficiència de mescla que el mesclador A1, és a dir, 50 µl, però el Mott de 30 µl té un 30% menys de volum intern. En comparar el mesclador Mott de 60 µl amb el mesclador A2 de 150 µl de volum intern, hi va haver una lleugera millora en l'eficiència de mescla del 92% enfront del 89%, però el més important és que aquest nivell més alt de mescla es va aconseguir a 1/3 del volum del mesclador. Mesclador similar A2. El rendiment del mesclador Mott de 90 µl va seguir la mateixa tendència que el mesclador A3 amb un volum intern de 250 µl. També es van observar millores en el rendiment de mescla del 98% i el 92% amb una reducció de 3 vegades del volum intern. Es van obtenir resultats i comparacions similars per als mescladors B i C. Com a resultat, la nova sèrie de mescladors estàtics Mott PerfectPeakTM proporciona una eficiència de mescla més alta que els mescladors comparables de la competència, però amb menys volum intern, proporcionant un millor soroll de fons i una millor relació senyal-soroll, millor sensibilitat a l'analit, forma del pic i resolució del pic. Es van observar tendències similars en l'eficiència de mescla tant en el Cas 1 com en el Cas 2. Per al Cas 2, es van realitzar proves utilitzant (metanol i acetona com a indicadors) per comparar l'eficiència de mescla de 60 ml de Mott, un mesclador comparable A1 (volum intern 50 µl) i un mesclador comparable B1 (volum intern 35 µl). , el rendiment va ser deficient sense un mesclador instal·lat, però es va utilitzar per a l'anàlisi de referència. El mesclador Mott de 60 ml va resultar ser el millor mesclador del grup de prova, proporcionant un augment del 90% en l'eficiència de mescla. Un mesclador comparable A1 va veure una millora del 75% en l'eficiència de mescla seguida d'una millora del 45% en un mesclador comparable B1. Es va dur a terme una prova bàsica de reducció d'ona sinusoidal amb cabal en una sèrie de mescladors en les mateixes condicions que la prova de corba sinusoidal del Cas 1, només canviant el cabal. Les dades van mostrar que en el rang de cabals de 0,25 a 1 ml/min, la disminució inicial de l'ona sinusoidal es va mantenir relativament constant per als tres volums del mesclador. Per als dos mescladors de volum més petit, hi ha un lleuger augment de la contracció sinusoidal a mesura que disminueix el cabal, cosa que s'espera a causa de l'augment del temps de residència del dissolvent al mesclador, cosa que permet una major barreja per difusió. S'espera que la subtracció de l'ona sinusoidal augmenti a mesura que el cabal disminueix encara més. Tanmateix, per al volum més gran del mesclador amb l'atenuació de la base de l'ona sinusoidal més alta, l'atenuació de la base de l'ona sinusoidal es va mantenir pràcticament sense canvis (dins del rang d'incertesa experimental), amb valors que oscil·len entre el 95% i el 98%. 10. Atenuació bàsica d'una ona sinusoidal en funció del cabal en el cas 1. La prova es va dur a terme en condicions similars a la prova sinusoidal amb cabal variable, injectant el 80% d'una barreja 80/20 d'acetonitril i aigua i el 20% d'acetat d'amoni 20 mM.
La gamma recentment desenvolupada de mescladors estàtics en línia patentats PerfectPeak™ amb tres volums interns: 30 µl, 60 µl i 90 µl cobreix el rang de volum i rendiment de mescla necessari per a la majoria d'anàlisis HPLC que requereixen una mescla millorada i pisos de baixa dispersió. El nou mesclador estàtic ho aconsegueix mitjançant l'ús d'una nova tecnologia d'impressió 3D per crear una estructura 3D única que proporciona una mescla estàtica hidrodinàmica millorada amb el percentatge més alt de reducció del soroll base per unitat de volum de mescla interna. L'ús d'1/3 del volum intern d'un mesclador convencional redueix el soroll base en un 98%. Aquests mescladors consten de canals de flux tridimensionals interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i diferents longituds de recorregut a mesura que el líquid creua barreres geomètriques complexes a l'interior. La nova família de mescladors estàtics proporciona un rendiment millorat respecte als mescladors de la competència, però amb menys volum intern, la qual cosa resulta en una millor relació senyal-soroll i límits de quantificació més baixos, així com una forma de pic, eficiència i resolució millorades per a una major sensibilitat.
En aquest número Cromatografia – RP-HPLC respectuosa amb el medi ambient – ​​Ús de la cromatografia core-shell per substituir l'acetonitril per isopropanol en l'anàlisi i la purificació – Nou cromatògraf de gasos per a...
Centre de negocis International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Regne Unit