Revoluční nový inline statický mixér byl vyvinut speciálně pro splnění přísných požadavků systémů vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC) a ultra vysokoúčinné kapalinové chromatografie (HPLC a UHPLC).Špatné smíchání dvou nebo více mobilních fází může mít za následek vyšší poměr signálu k šumu, což snižuje citlivost.Homogenní statické míchání dvou a více tekutin s minimálním vnitřním objemem a fyzikálními rozměry statického mísiče představuje nejvyšší standard ideálního statického mísiče.Nový statický mixér toho dosahuje pomocí nové technologie 3D tisku k vytvoření jedinečné 3D struktury, která poskytuje vylepšené hydrodynamické statické míchání s nejvyšším procentem snížení základní sinusovky na jednotku vnitřního objemu směsi.Použití 1/3 vnitřního objemu běžného mixéru redukuje základní sinusovku o 98 %.Směšovač se skládá z propojených 3D průtokových kanálů s různými plochami průřezu a délkou dráhy, jak tekutina prochází složitými 3D geometriemi.Míchání podél několika klikatých cest proudění v kombinaci s místní turbulencí a víry vede k míchání na mikro, mezo a makro měřítku.Tento jedinečný mixér je navržen pomocí simulací výpočetní dynamiky tekutin (CFD).Uvedené zkušební údaje ukazují, že vynikajícího promíchání je dosaženo s minimálním vnitřním objemem.
Již více než 30 let se kapalinová chromatografie používá v mnoha průmyslových odvětvích, včetně farmacie, pesticidů, ochrany životního prostředí, forenzní a chemické analýzy.Schopnost měřit na částice na milion nebo méně je zásadní pro technologický rozvoj v každém odvětví.Špatná účinnost míchání vede ke špatnému poměru signálu k šumu, což je pro chromatografickou komunitu obtěžující z hlediska detekčních limitů a citlivosti.Při míchání dvou rozpouštědel pro HPLC je někdy nutné vynutit míchání externími prostředky, aby se obě rozpouštědla homogenizovala, protože některá rozpouštědla se špatně mísí.Pokud nejsou rozpouštědla důkladně promíchána, může dojít k degradaci HPLC chromatogramu, která se projeví nadměrným šumem základní linie a/nebo špatným tvarem píku.Při špatném míchání se základní šum objeví v průběhu času jako sinusová vlna (stoupající a klesající) signálu detektoru.Současně může špatné míchání vést k rozšíření a asymetrickým píkům, což snižuje analytický výkon, tvar píku a rozlišení píku.Průmysl uznal, že in-line a tee statické mixéry jsou prostředkem ke zlepšení těchto limitů a umožňují uživatelům dosáhnout nižších limitů detekce (citlivosti).Ideální statický mixér kombinuje výhody vysoké účinnosti míchání, nízkého mrtvého objemu a nízké tlakové ztráty s minimálním objemem a maximální propustností systému.Navíc, jak se analýza stává složitější, musí analytici běžně používat polární a obtížně mísitelná rozpouštědla.To znamená, že lepší míchání je nutností pro budoucí testování, což dále zvyšuje potřebu vynikajícího designu a výkonu mixéru.
Společnost Mott nedávno vyvinula novou řadu patentovaných inline statických mixérů PerfectPeakTM se třemi vnitřními objemy: 30 µl, 60 µl a 90 µl.Tyto velikosti pokrývají rozsah objemů a charakteristik míchání potřebných pro většinu testů HPLC, kde je požadováno lepší míchání a nízká disperze.Všechny tři modely mají průměr 0,5″ a poskytují špičkový výkon v kompaktním designu.Jsou vyrobeny z nerezové oceli 316L, pasivované kvůli inertnosti, ale k dispozici jsou také titanové a další korozivzdorné a chemicky inertní slitiny kovů.Tyto mixéry mají maximální provozní tlak až 20 000 psi.Na Obr.1a je fotografie statického mixéru Mott o objemu 60 µl navrženého tak, aby poskytoval maximální účinnost míchání při použití menšího vnitřního objemu než standardní mixéry tohoto typu.Tento nový design statického mixéru využívá novou technologii výroby aditiv k vytvoření jedinečné 3D struktury, která k dosažení statického míchání využívá menší vnitřní průtok než kterýkoli mixér, který se v současnosti používá v chromatografickém průmyslu.Takové mísiče se skládají z propojených trojrozměrných průtokových kanálů s různými plochami průřezu a různými délkami dráhy, když kapalina prochází složitými geometrickými bariérami uvnitř.Na Obr.Obrázek 1b ukazuje schematický diagram nového mixéru, který používá průmyslové standardní 10-32 závitové HPLC kompresní šroubení pro vstup a výstup a má stínované modré okraje patentovaného vnitřního portu mixéru.Různé plochy průřezu vnitřních cest proudění a změny směru proudění v rámci vnitřního objemu proudění vytvářejí oblasti turbulentního a laminárního proudění, což způsobuje míchání na mikro, meso a makro měřítku.Při návrhu tohoto jedinečného mixéru byly použity simulace výpočetní dynamiky tekutin (CFD) k analýze vzorců proudění a zdokonalení návrhu před vytvořením prototypu pro interní analytické testování a hodnocení v terénu u zákazníka.Aditivní výroba je proces tisku 3D geometrických součástí přímo z CAD výkresů bez nutnosti tradičního obrábění (frézky, soustruhy atd.).Tyto nové statické mixéry jsou navrženy tak, aby byly vyrobeny pomocí tohoto procesu, kdy tělo mixéru je vytvořeno z výkresů CAD a díly jsou vyráběny (tištěny) vrstvu po vrstvě pomocí aditivní výroby.Zde se nanese vrstva kovového prášku o tloušťce asi 20 mikronů a počítačově řízený laser prášek selektivně roztaví a roztaví do pevné formy.Naneste další vrstvu na tuto vrstvu a aplikujte laserové slinování.Tento postup opakujte, dokud nebude díl zcela hotový.Prášek se poté odstraní z části, která není spojena laserem, a zanechá 3D vytištěnou část, která odpovídá původnímu výkresu CAD.Finální produkt je do jisté míry podobný mikrofluidnímu procesu, s hlavním rozdílem, že mikrofluidní komponenty jsou obvykle dvourozměrné (ploché), při použití aditivní výroby lze vytvářet složité obrazce toku v trojrozměrné geometrii.Tyto baterie jsou v současné době k dispozici jako 3D tištěné díly z nerezové oceli 316L a titanu.Většinu kovových slitin, polymerů a některé keramiky lze použít k výrobě součástí pomocí této metody a budou zvažovány v budoucích návrzích/produktech.
Rýže.1. Fotografie (a) a diagram (b) statického mixéru Mott o objemu 90 μl, znázorňující průřez dráhy toku tekutiny mixéru stínovaný modře.
Provádějte simulace výpočetní dynamiky tekutin (CFD) výkonu statického mixéru během fáze návrhu, abyste pomohli vyvinout efektivní návrhy a omezili časově náročné a nákladné experimenty typu pokus-omyl.CFD simulace statických směšovačů a standardního potrubí (simulace bez směšovače) pomocí softwarového balíku COMSOL Multiphysics.Modelování pomocí tlakově řízené laminární mechaniky tekutin k pochopení rychlosti a tlaku tekutiny v součásti.Tato dynamika tekutin v kombinaci s chemickým transportem sloučenin mobilní fáze pomáhá porozumět míchání dvou různých koncentrovaných kapalin.Model je studován jako funkce času rovnající se 10 sekundám pro usnadnění výpočtu při hledání srovnatelných řešení.Teoretická data byla získána v časově korelované studii pomocí nástroje projekce bodové sondy, kde byl pro sběr dat zvolen bod uprostřed východu.Model CFD a experimentální testy používaly dvě různá rozpouštědla prostřednictvím proporcionálního vzorkovacího ventilu a čerpacího systému, což vedlo k výměně zátky pro každé rozpouštědlo ve vzorkovacím potrubí.Tato rozpouštědla se poté smíchají ve statickém mixéru.Obrázky 2 a 3 ukazují simulace proudění přes standardní potrubí (bez směšovače) a přes statický směšovač Mott.Simulace byla spuštěna na rovné trubici o délce 5 cm a vnitřním průměru 0,25 mm, aby se demonstroval koncept střídavých zátek vody a čistého acetonitrilu do trubice v nepřítomnosti statického mixéru, jak je znázorněno na obrázku 2. Při simulaci byly použity přesné rozměry trubky a mixéru a průtok 0,3 ml/min.
Rýže.2. Simulace toku CFD v 5 cm trubici s vnitřním průměrem 0,25 mm pro znázornění toho, co se děje v HPLC trubici, tj. v nepřítomnosti mixéru.Plně červená představuje hmotnostní zlomek vody.Modrá představuje nedostatek vody, tedy čistého acetonitrilu.Mezi střídavými zátkami dvou různých kapalin lze vidět oblasti difúze.
Rýže.3. Statický mixér o objemu 30 ml, modelovaný v softwarovém balíku COMSOL CFD.Legenda představuje hmotnostní zlomek vody v mixéru.Čistá voda je zobrazena červeně a čistý acetonitril modře.Změna hmotnostního podílu simulované vody je reprezentována změnou barvy smíchání dvou kapalin.
Na Obr.4 ukazuje ověřovací studii korelačního modelu mezi účinností míchání a objemem míchání.S rostoucím objemem míchání se zvyšuje účinnost míchání.Pokud je autorům známo, nelze v tomto CFD modelu počítat s jinými komplexními fyzikálními silami působícími uvnitř mixéru, což má za následek vyšší účinnost míchání v experimentálních testech.Experimentální účinnost míchání byla měřena jako procentuální snížení základní sinusoidy.Navíc zvýšený protitlak obvykle vede k vyšším úrovním míchání, které nejsou v simulaci brány v úvahu.
Následující podmínky HPLC a nastavení testu byly použity k měření hrubých sinusových vln pro porovnání relativního výkonu různých statických mixérů.Diagram na obrázku 5 ukazuje typické uspořádání systému HPLC/UHPLC.Statický mixér byl testován umístěním mixéru přímo za čerpadlo a před injektor a separační kolonu.Většina sinusových měření pozadí se provádí obtokem injektoru a kapilární kolony mezi statickým směšovačem a UV detektorem.Při vyhodnocování poměru signálu k šumu a/nebo analýze tvaru píku je konfigurace systému znázorněna na obrázku 5.
Obrázek 4. Graf účinnosti míchání versus objem míchání pro řadu statických mixérů.Teoretická nečistota sleduje stejný trend jako experimentální data nečistot potvrzující platnost CFD simulací.
HPLC systém použitý pro tento test byl Agilent 1100 Series HPLC s UV detektorem řízeným PC se softwarem Chemstation.Tabulka 1 ukazuje typické podmínky ladění pro měření účinnosti směšovače monitorováním základních sinusoid ve dvou případových studiích.Experimentální testy byly provedeny na dvou různých příkladech rozpouštědel.Dvě rozpouštědla smíchaná v případě 1 byly rozpouštědlo A (20 mM octan amonný v deionizované vodě) a rozpouštědlo B (80 % acetonitril (ACN)/20 % deionizovaná voda).V případě 2 byl rozpouštědlem A roztok 0,05% acetonu (označení) v deionizované vodě.Rozpouštědlo B je směs 80/20 % methanolu a vody.V případě 1 bylo čerpadlo nastaveno na průtok 0,25 ml/min až 1,0 ml/min a v případě 2 bylo čerpadlo nastaveno na konstantní průtok 1 ml/min.V obou případech byl poměr směsi rozpouštědel A a B 20 % A/80 % B. Detektor byl nastaven na 220 nm v případě 1 a maximální absorpce acetonu v případě 2 byla nastavena na vlnovou délku 265 nm.
Tabulka 1. Konfigurace HPLC pro případy 1 a 2 Případ 1 Případ 2 Rychlost pumpy 0,25 ml/min až 1,0 ml/min 1,0 ml/min Rozpouštědlo A 20 mM octan amonný v deionizované vodě 0,05 % aceton v deionizované vodě Rozpouštědlo B 80 % acetonitril % deionizovaný % metanol/2 iont voda (AC00 % deionitril 02 voda Poměr rozpouštědel 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Rýže.6. Grafy smíšených sinusových vln měřených před a po aplikaci dolnopropustného filtru k odstranění složek driftu základní linie signálu.
Obrázek 6 je typický příklad smíšeného základního šumu v Případu 1, znázorněný jako opakující se sinusový vzor superponovaný na posun základní linie.Posun základní linie je pomalé zvyšování nebo snižování signálu pozadí.Pokud není systému umožněno dostat se dostatečně dlouho do rovnováhy, obvykle spadne, ale bude nepravidelně driftovat, i když je systém zcela stabilní.Tento základní drift má tendenci se zvyšovat, když systém pracuje v podmínkách strmého stoupání nebo vysokého protitlaku.Když je přítomen tento základní drift, může být obtížné porovnávat výsledky ze vzorku na vzorek, což lze překonat použitím nízkofrekvenčního filtru na nezpracovaná data, aby se odfiltrovaly tyto nízkofrekvenční variace, čímž se poskytne graf oscilací s plochou základní linií.Na Obr.Obrázek 6 také ukazuje graf základního šumu směšovače po aplikaci dolní propusti.
Po dokončení CFD simulací a počátečním experimentálním testování byly následně vyvinuty tři samostatné statické mixéry s použitím vnitřních komponent popsaných výše se třemi vnitřními objemy: 30 µl, 60 µl a 90 µl.Tento rozsah pokrývá rozsah objemů a míchacího výkonu vyžadovaného pro aplikace HPLC s nízkým obsahem analytu, kde je vyžadováno lepší míchání a nízká disperze k vytvoření základních linií s nízkou amplitudou.Na Obr.7 ukazuje základní měření sinusové vlny získaná na testovacím systému z příkladu 1 (acetonitril a octan amonný jako indikátory) se třemi objemy statických mísičů a bez instalovaných mísičů.Experimentální testovací podmínky pro výsledky uvedené na obrázku 7 byly udržovány konstantní během všech 4 testů podle postupu uvedeného v tabulce 1 při rychlosti průtoku rozpouštědla 0,5 ml/min.Použijte hodnotu offsetu na datové sady, aby mohly být zobrazeny vedle sebe bez překrytí signálů.Offset neovlivňuje amplitudu signálu použitého k posouzení úrovně výkonu mixpultu.Průměrná sinusová amplituda bez směšovače byla 0,221 mAi, zatímco amplitudy statických směšovačů Mott při 30 ul, 60 ul a 90 ul klesly na 0,077, 0,017 a 0,004 mAi, v daném pořadí.
Obrázek 7. Posun signálu HPLC UV detektoru vs. čas pro případ 1 (acetonitril s indikátorem octanu amonného) ukazující míchání rozpouštědla bez mixeru, 30 ul, 60 ul a 90 ul Mott mixery vykazující zlepšené míchání (nižší amplituda signálu) s rostoucím objemem statického mixeru.(skutečné posuny dat: 0,13 (bez směšovače), 0,32, 0,4, 0,45 mA pro lepší zobrazení).
Údaje uvedené na Obr.8 jsou stejné jako na obr. 7, ale tentokrát zahrnují výsledky tří běžně používaných HPLC statických mixérů s vnitřními objemy 50 ul, 150 ul a 250 ul.Rýže.Obrázek 8. Posun signálu HPLC UV detektoru proti času pro případ 1 (acetonitril a octan amonný jako indikátory) ukazující míchání rozpouštědla bez statického mixéru, nové řady statických mixérů Mott a tří konvenčních mixérů (aktuální posun dat je 0,1 (bez mixéru), 0,32, 0,48, respektive 0,48, 0,0,0 pro lepší zobrazení efektu ).Procentuální snížení základní sinusovky se vypočítá jako poměr amplitudy sinusovky k amplitudě bez nainstalovaného směšovače.Naměřená procenta útlumu sinusové vlny pro případy 1 a 2 jsou uvedeny v tabulce 2 spolu s vnitřními objemy nového statického mixéru a sedmi standardních mixérů běžně používaných v průmyslu.Údaje na obrázcích 8 a 9, stejně jako výpočty uvedené v tabulce 2, ukazují, že Mott Static Mixer může poskytnout až 98,1% útlum sinusové vlny, což daleko převyšuje výkon konvenčního HPLC mixeru za těchto testovacích podmínek.Obrázek 9. Posun signálu HPLC UV detektoru proti času pro případ 2 (methanol a aceton jako indikátory) ukazující žádný statický mixér (kombinovaný), novou řadu statických mixérů Mott a dva konvenční mixéry (aktuální posuny dat jsou 0, 11 (bez mixéru. ), 0,22, 0,3, 0,35 mA pro lepší zobrazení).Hodnoceno bylo také sedm běžně používaných mixérů v průmyslu.Patří sem míchačky se třemi různými vnitřními objemy od společnosti A (označené jako Mixer A1, A2 a A3) a firmy B (označené jako Mixer B1, B2 a B3).Společnost C ohodnotila pouze jednu velikost.
Tabulka 2. Charakteristiky míchání statického mixéru a vnitřní objem Případ statického mixéru 1 Sinusová výtěžnost: Test acetonitrilu (Účinnost) Případ 2 Sinusová výtěžnost: Metanol Vodní test (Účinnost) Vnitřní objem (µl) Bez mixéru – - 0 Mott 30 65 % 302002 % Mott 2 % Mott. 90 98,1% 97,5% 90 Mixér A1 66,4% 73,7% 50 Mixér A2 89,8% 91,6% 150 Mixér A3 92,2% 94,5% 250 Mixer B1 44,8% 45,7% B293 Mixer B1 44,8% 45,7% B293 0,2 % 97,4 % 250
Analýza výsledků na obrázku 8 a tabulce 2 ukazuje, že 30 ul statický mixér Mott má stejnou účinnost míchání jako mixér A1, tj. 50 ul, avšak 30 ul Mott má o 30 % menší vnitřní objem.Při porovnání 60 ul Mott mixeru s 150 ul vnitřním objemem A2 mixeru došlo k mírnému zlepšení účinnosti míchání 92 % oproti 89 %, ale co je důležitější, této vyšší úrovně míchání bylo dosaženo při 1/3 objemu mixeru.podobný mixér A2.Výkon 90 µl mixéru Mott sledoval stejný trend jako mixér A3 s vnitřním objemem 250 µl.Zlepšení výkonu míchání o 98 % a 92 % bylo také pozorováno při trojnásobném snížení vnitřního objemu.Podobné výsledky a srovnání byly získány pro mixéry B a C. Výsledkem je, že nová řada statických mixérů Mott PerfectPeakTM poskytuje vyšší účinnost míchání než srovnatelné konkurenční mixéry, ale s menším vnitřním objemem, poskytuje lepší šum na pozadí a lepší poměr signálu k šumu, lepší citlivost Analyte, tvar vrcholu a rozlišení vrcholů.Podobné trendy v účinnosti míchání byly pozorovány ve studiích případu 1 i případu 2.Pro případ 2 byly provedeny testy s použitím (methanol a aceton jako indikátory) pro porovnání účinnosti míchání 60 ml Mott, srovnatelného mixéru A1 (vnitřní objem 50 ul) a srovnatelného mixéru B1 (vnitřní objem 35 ul)., výkon byl slabý bez nainstalovaného směšovače, ale byl použit pro základní analýzu.Mixér Mott o objemu 60 ml se ukázal jako nejlepší mixér v testované skupině, který poskytuje 90% zvýšení účinnosti míchání.Srovnatelný mixér A1 zaznamenal 75% zlepšení účinnosti míchání následované 45% zlepšením u srovnatelného mixéru B1.Základní test redukce sinusové vlny s průtokem byl proveden na sérii mixérů za stejných podmínek jako test sinusové křivky v případu 1, pouze se změnila průtoková rychlost.Data ukázala, že v rozsahu průtoků od 0,25 do 1 ml/min zůstal počáteční pokles sinusovky relativně konstantní pro všechny tři objemy míchadla.U dvou mísičů s menším objemem dochází k mírnému nárůstu sinusoidní kontrakce při poklesu průtoku, což se očekává v důsledku delší doby zdržení rozpouštědla v mísiči, což umožňuje zvýšené difúzní míšení.Očekává se, že odečítání sinusové vlny se bude zvyšovat s dalším snižováním průtoku.Pro největší objem směšovače s nejvyšším základním útlumem sinusové vlny však základní útlum sinusové vlny zůstal prakticky nezměněn (v rozsahu experimentální nejistoty) s hodnotami v rozmezí od 95 % do 98 %.Rýže.10. Základní útlum sinusové vlny proti průtoku v případě 1. Test byl proveden za podmínek podobných sinusovému testu s proměnlivou průtokovou rychlostí, vstřikováním 80 % směsi 80/20 acetonitrilu a vody a 20 % 20 mM octanu amonného.
Nově vyvinutá řada patentovaných inline statických mixérů PerfectPeakTM se třemi vnitřními objemy: 30 µl, 60 µl a 90 µl pokrývá rozsah objemu a výkonu míchání požadovaný pro většinu HPLC analýz vyžadujících vylepšené míchání a nízkou disperzi podlahy.Nový statický mixér toho dosahuje pomocí nové technologie 3D tisku k vytvoření jedinečné 3D struktury, která poskytuje vylepšené hydrodynamické statické míchání s nejvyšším procentem snížení základního hluku na jednotku objemu vnitřní směsi.Použití 1/3 vnitřního objemu běžného mixéru snižuje základní hluk o 98 %.Takové mísiče se skládají z propojených trojrozměrných průtokových kanálů s různými plochami průřezu a různými délkami dráhy, když kapalina prochází složitými geometrickými bariérami uvnitř.Nová řada statických směšovačů poskytuje vylepšený výkon oproti konkurenčním směšovačům, ale s menším vnitřním objemem, což má za následek lepší poměr signálu k šumu a nižší limity kvantifikace, stejně jako vylepšený tvar píku, účinnost a rozlišení pro vyšší citlivost.
V tomto čísle Chromatografie – Ekologická RP-HPLC – Využití core-shell chromatografie k nahrazení acetonitrilu isopropanolem při analýze a čištění – Nový plynový chromatograf pro…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Velká Británie