S'ha desenvolupat un nou mesclador estàtic en línia revolucionari dissenyat específicament per satisfer els estrictes requisits dels sistemes de cromatografia líquida d'alt rendiment (HPLC) i cromatografia líquida d'ultra alt rendiment (HPLC i UHPLC).La mala barreja de dues o més fases mòbils pot donar lloc a una relació senyal-soroll més alta, que redueix la sensibilitat.La mescla estàtica homogènia de dos o més fluids amb un volum intern mínim i dimensions físiques d'un mesclador estàtic representa l'estàndard més alt d'un mesclador estàtic ideal.El nou mesclador estàtic ho aconsegueix utilitzant la 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 de l'ona sinusoïdal base per unitat de volum intern de la mescla.L'ús d'1/3 del volum intern d'un mesclador convencional redueix l'ona sinusoïdal bàsica en un 98%.El mesclador consta de canals de flux 3D interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i longituds de recorregut a mesura que el fluid travessa geometries 3D complexes.La barreja al llarg de múltiples camins de flux tortuosos, combinat amb turbulències i remolins locals, dóna com a resultat la barreja a les escales 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 excel·lent mescla amb un volum intern mínim.
Durant més de 30 anys, la cromatografia líquida s'ha utilitzat en moltes indústries, com ara la farmacèutica, els pesticides, la protecció del medi ambient, la medicina forense i l'anàlisi química.La capacitat de mesurar 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 de cromatografia en termes de límits de detecció i sensibilitat.Quan es barregen dos dissolvents per HPLC, de vegades és necessari forçar la barreja per mitjans externs per homogeneïtzar els dos dissolvents perquè alguns dissolvents no es barregen bé.Si els dissolvents no es barregen a fons, es pot produir una degradació del cromatograma HPLC, manifestant-se com un soroll de base excessiu i/o una forma de pic deficient.Amb una mala barreja, el soroll de línia de base apareixerà com una ona sinusoïdal (pujant i baixant) del senyal del detector al llarg del temps.Al mateix temps, una mala barreja pot provocar pics d'ampliació 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 es fa més complexa, els analistes han d'utilitzar habitualment dissolvents més polars i difícils de barrejar.Això significa que una millor barreja és imprescindible per a proves futures, augmentant encara més la necessitat d'un disseny i rendiment superiors de la mescladora.
Mott ha desenvolupat recentment una nova gamma de mescladors estàtics en línia PerfectPeakTM patentats amb tres volums interns: 30 µl, 60 µl i 90 µl.Aquestes mides cobreixen el rang de volums i característiques de barreja necessàries per a la majoria de proves d'HPLC on es requereix una mescla millorada i una baixa dispersió.Els tres models tenen 0,5 polzades de diàmetre i ofereixen un rendiment líder en la indústria en un disseny compacte.Estan fets d'acer inoxidable 316L, passivat per a la inercia, però també estan disponibles titani i altres aliatges metàl·lics resistents a la corrosió i químicament inerts.Aquests mescladors tenen una pressió de funcionament màxima de fins a 20.000 psi.A la fig.1a és una fotografia d'un mesclador estàtic Mott de 60 µl dissenyat per proporcionar la màxima eficiència de mescla mentre s'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 que s'utilitza actualment a la indústria de la cromatografia per aconseguir la barreja estàtica.Aquests mescladors consisteixen en canals de flux tridimensionals interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i diferents longituds de recorregut a mesura que el líquid travessa barreres geomètriques complexes a l'interior.A la fig.La figura 1b mostra un diagrama esquemàtic del nou mesclador, que utilitza accessoris de compressió HPLC roscats estàndard de la indústria 10-32 per a l'entrada i la sortida, i té vores blaves ombrejades del port del mesclador intern patentat.Les diferents àrees de secció transversal dels camins de flux intern i els canvis en la direcció del flux dins del volum de flux intern creen regions de flux turbulent i laminar, provocant una barreja a les escales micro, meso i macro.El disseny d'aquest mesclador únic va utilitzar simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) per analitzar els patrons de flux i perfeccionar el disseny abans de crear prototips per a proves analítiques internes i avaluació de camp del client.La fabricació additiva és el procés d'impressió de components geomètrics en 3D directament a partir de dibuixos CAD sense necessitat de mecanitzats tradicionals (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 la 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 la part superior d'aquesta capa i apliqueu la sinterització làser.Repetiu aquest procés fins que la peça estigui completament acabada.A continuació, s'elimina la pols de la part no unida per 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 amb la fabricació additiva es poden crear patrons de flux complexos en geometria tridimensional.Aquestes aixetes estan disponibles actualment com a peces impreses en 3D en acer inoxidable 316L i titani.La majoria d'aliatges metàl·lics, polímers i algunes ceràmiques es poden utilitzar per fer components mitjançant aquest mètode i es tindran en compte en dissenys/productes futurs.
Arròs.1. Fotografia (a) i diagrama (b) d'un mesclador estàtic Mott de 90 μl que mostra una secció transversal del camí del flux del fluid del mesclador ombrejat en blau.
Executeu simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) del rendiment del mesclador estàtic durant la fase de disseny per ajudar a desenvolupar dissenys eficients i reduir els experiments d'assaig i error que requereixen temps i costos.Simulació CFD de mescladors estàtics i canonades estàndard (simulació sense mescladors) mitjançant el paquet de programari COMSOL Multiphysics.Modelatge mitjançant mecànica de fluids laminars impulsada per pressió per entendre la velocitat i la pressió del fluid dins d'una peça.Aquesta dinàmica de fluids, combinada amb el transport químic de compostos en fase mòbil, ajuda a entendre 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 correlacionat amb el temps mitjançant l'eina de projecció de la sonda puntual, 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 mitjançant una vàlvula de mostreig proporcional i un sistema de bombeig, donant lloc a un tap de reemplaçament per a cada dissolvent a la línia de mostreig.A continuació, aquests dissolvents es barregen en un mesclador estàtic.Les figures 2 i 3 mostren simulacions de flux a través d'una canonada estàndard (sense mesclador) i mitjançant un mesclador estàtic Mott, respectivament.La simulació es va executar en un tub recte de 5 cm de llarg i 0,25 mm de DI per demostrar el concepte d'alternança de 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 el mesclador i un cabal de 0,3 ml/min.
Arròs.2. Simulació del flux CFD en un tub de 5 cm amb un diàmetre intern de 0,25 mm per representar el que passa en un tub HPLC, és a dir, en absència d'un mesclador.El vermell complet representa la fracció en massa de l'aigua.El blau representa la manca d'aigua, és a dir, acetonitril pur.Es poden veure regions de difusió entre taps alternats de dos líquids diferents.
Arròs.3. Mesclador estàtic amb un volum de 30 ml, modelat en el paquet de programari COMSOL CFD.La llegenda representa la fracció de massa d'aigua a la batedora.L'aigua pura es mostra en vermell i l'acetonitril pur en blau.El canvi en la fracció de massa de l'aigua simulada es representa per un canvi en el color de la mescla de dos líquids.
A la fig.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, augmentarà l'eficiència de la mescla.Segons el coneixement dels autors, altres forces físiques complexes que actuen dins del mesclador no es poden tenir en compte en aquest model CFD, el que resulta en una major eficiència de mescla en les proves experimentals.L'eficiència de mescla experimental es va mesurar com el percentatge de reducció de la sinusoide base.A més, l'augment de la contrapressió sol donar lloc a nivells de mescla més alts, que no es tenen en compte en la simulació.
Les següents condicions HPLC i la configuració de prova es van utilitzar per mesurar ones sinusoïdals brutes per comparar el rendiment relatiu de diferents mescladors estàtics.El diagrama de la figura 5 mostra un disseny típic 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 sèrie de mescladors estàtics.La impuresa teòrica segueix la mateixa tendència que les dades d'impureses experimentals que confirmen la validesa de les simulacions CFD.
El sistema HPLC utilitzat per a aquesta prova va ser un HPLC Agilent de la sèrie 1100 amb un detector d'UV controlat per un ordinador amb programari Chemstation.La taula 1 mostra les condicions típiques d'afinació per mesurar l'eficiència del mesclador mitjançant el seguiment dels sinusoides bàsics en dos estudis de cas.Es van realitzar proves experimentals amb dos exemples diferents de dissolvents.Els dos dissolvents barrejats en el cas 1 eren el dissolvent A (acetat d'amoni 20 mM en aigua desionitzada) i el dissolvent B (80% acetonitril (ACN)/20% 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 80/20% de metanol i aigua.En el cas 1, la bomba es va establir a un cabal de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, i en el cas 2, la bomba es va establir a un cabal constant d'1 ml/min.En ambdós casos, la proporció de la mescla de dissolvents A i B va ser del 20% A/80% B. El detector es va establir a 220 nm en el cas 1, i la màxima absorció d'acetona en el cas 2 es va establir 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 Acetat d'amoni 20 mM en aigua desionitzada 0,05% Acetona en aigua desionitzada Solvent B 80% Acetonitril/aigua desionitzada 20% 20%/aigua desionitzada 80% Relació de dissolvent 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Arròs.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 de base del senyal.
La figura 6 és un exemple típic de soroll de línia base mixt al cas 1, mostrat com un patró sinusoïdal repetitiu superposat a la deriva de la línia de base.La deriva de la línia de base és un augment o disminució lent del senyal de fons.Si no es permet que el sistema s'equilibri el temps suficient, normalment caurà, però es desplaçarà 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 fort gradient o contrapressió alta.Quan aquesta deriva de la línia de base està present, pot ser difícil comparar els resultats de mostra a mostra, 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 una trama d'oscil·lació amb una línia de base plana.A la fig.La figura 6 també mostra una gràfica del soroll 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 rendiment de mescla necessaris per a aplicacions d'HPLC de baix analit on es requereix una mescla millorada i una baixa dispersió per produir línies de base de baixa amplitud.A la fig.La figura 7 mostra les mesures bàsiques d'ona sinusoïdal obtingudes en el sistema de prova de l'exemple 1 (acetonitril i acetat d'amoni com a traçadors) amb tres volums de mescladors estàtics i cap mesclador instal·lat.Les condicions de prova experimentals per als resultats que es mostren a la figura 7 es van mantenir constants al llarg de 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 compensació als conjunts de dades perquè es puguin mostrar un al costat de l'altre sense solapament de senyal.L'offset no afecta l'amplitud del senyal utilitzat per jutjar el nivell de rendiment del mesclador.L'amplitud sinusoïdal 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 en funció del temps del 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 millora de la mescla (menor amplitud del senyal) a mesura que augmenta el volum de la mescladora estàtica.(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 fig.8 són els mateixos que a la figura 7, però aquesta vegada inclouen els resultats de tres mescladors estàtics HPLC d'ús habitual amb volums interns de 50 µl, 150 µl i 250 µl.Arròs.Figura 8. Gràfic de compensació del senyal del detector UV HPLC en funció del 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, 0,6, 48,0,6, 0,48, 0,90 m, respectivament, millor visualització, 0,90 m, respectivament efecte).El percentatge de reducció de l'ona sinusoïdal base es calcula mitjançant la relació entre l'amplitud de l'ona sinusoïdal i l'amplitud sense el mesclador instal·lat.Els percentatges d'atenuació de l'ona sinusoïdal mesurats per als casos 1 i 2 es mostren a la taula 2, juntament amb els volums interns d'un mesclador estàtic nou i set mescladors estàndard que s'utilitzen habitualment 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 sinusoïdal, superant amb escreix el rendiment d'un mesclador HPLC convencional en aquestes condicions de prova.Figura 9. Gràfic de compensació del senyal del detector UV HPLC en funció del 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 millor per a la visualització).També es van avaluar set mescladors d'ús habitual a la indústria.Aquests inclouen mescladors amb tres volums interns diferents de l'empresa A (designat Mixer A1, A2 i A3) i l'empresa B (designat Mixer B1, B2 i B3).L'empresa C només ha classificat una talla.
Taula 2. Característiques d'agitació del mesclador estàtic i volum intern Mesclador estàtic Cas 1 Recuperació sinusoïdal: Prova d'acetonitril (Eficiència) Cas 2 Recuperació sinusoïdal: Prova d'aigua de metanol (Eficiència) Volum intern (µl) Sense mesclador – - 0 Mott 30 65% 391,26% 391,26% 0 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% 43,8% 45,7% Mesclador B1 44,8% 43,5% 45,7% 91,6% Mesclador B 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 volum intern de 150 µl, hi va haver una lleugera millora en l'eficiència de la mescla del 92% enfront del 89%, però el que és més important, 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 la mescla del 98% i del 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 les mescladores de la competència comparables, però amb menys volum intern, proporcionant un millor soroll de fons i una millor relació senyal-soroll, millor sensibilitat Analit, forma de pic i resolució de pic.Es van observar tendències similars en l'eficiència de la mescla tant en els estudis del cas 1 com del 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 Mott, un mesclador comparable A1 (volum intern 50 µl) i un mesclador comparable B1 (volum intern 35 µl)., el rendiment era baix sense instal·lar un mesclador, però es va utilitzar per a l'anàlisi de la línia de base.El mesclador Mott de 60 ml va demostrar ser el millor mesclador del grup de prova, proporcionant un augment del 90% de l'eficiència de mescla.Un mesclador A1 comparable va veure una millora del 75% en l'eficiència de la mescla seguida d'una millora del 45% en un mesclador B1 comparable.Es va realitzar una prova bàsica de reducció de l'ona sinusoïdal amb el cabal en una sèrie de mescladors en les mateixes condicions que la prova de la corba sinusoïdal del cas 1, amb només canviat 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 sinusoïdal 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 sinusoïdal a mesura que disminueix el cabal, cosa que s'espera a causa de l'augment del temps de residència del dissolvent al mesclador, que permet una mescla de difusió més gran.S'espera que la resta de l'ona sinusoïdal augmenti a mesura que el flux disminueix encara més.Tanmateix, per al volum de mesclador més gran amb l'atenuació de la base d'ona sinusoïdal més alta, l'atenuació de la base de l'ona sinusoïdal es va mantenir pràcticament sense canvis (dins del rang d'incertesa experimental), amb valors que oscil·laven entre el 95% i el 98%.Arròs.10. Atenuació bàsica d'una ona sinusoïdal versus cabal en el cas 1. La prova es va realitzar en condicions similars a la prova sinusoïdal amb cabal variable, injectant el 80% d'una barreja 80/20 d'acetonitril i aigua i un 20% d'acetat d'amoni 20 mM.
La nova gamma de mescladors estàtics patentats PerfectPeakTM en línia amb tres volums interns: 30 µl, 60 µl i 90 µl cobreix el volum i el rang de rendiment de mescla necessari per a la majoria d'anàlisis HPLC que requereixen una mescla millorada i sòls de baixa dispersió.El nou mesclador estàtic ho aconsegueix mitjançant l'ús de la 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 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 consisteixen en canals de flux tridimensionals interconnectats amb diferents àrees de secció transversal i diferents longituds de recorregut a mesura que el líquid travessa barreres geomètriques complexes a l'interior.La nova família de mescladors estàtics ofereix un rendiment millorat respecte als mescladors de la competència, però amb menys volum intern, donant lloc a 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 respectuós amb el medi ambient – ​​Ús de cromatografia de nucli per substituir acetonitril per isopropanol en anàlisis i purificació – Nou cromatògraf de gasos per...
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Regne Unit