En revolutionerende ny inline statisk mixer er blevet udviklet, specielt designet til at opfylde de strenge krav til højtydende væskekromatografi (HPLC) og ultrahøjtydende væskekromatografi (HPLC og UHPLC) systemer. Dårlig blanding af to eller flere mobile faser kan resultere i et højere signal-støj-forhold, hvilket reducerer følsomheden. Homogen statisk blanding af to eller flere væsker med et minimalt internt volumen og fysiske dimensioner af en statisk mixer repræsenterer den højeste standard for en ideel statisk mixer. Den nye statiske mixer opnår dette ved at bruge ny 3D-printteknologi til at skabe en unik 3D-struktur, der giver forbedret hydrodynamisk statisk blanding med den højeste procentvise reduktion i basissinusbølge pr. enhed internt volumen af ​​blandingen. Brug af 1/3 af det interne volumen af ​​en konventionel mixer reducerer den grundlæggende sinusbølge med 98%. Mixeren består af sammenkoblede 3D-strømningskanaler med varierende tværsnitsarealer og banelængder, når væsken bevæger sig gennem komplekse 3D-geometrier. Blanding langs flere snoede strømningsbaner kombineret med lokal turbulens og hvirvler resulterer i blanding på mikro-, meso- og makroskala. Denne unikke mixer er designet ved hjælp af CFD-simuleringer (computerbaseret fluiddynamik). De præsenterede testdata viser, at der opnås fremragende blanding med et minimalt internt volumen.
I mere end 30 år har væskekromatografi været anvendt i mange industrier, herunder lægemidler, pesticider, miljøbeskyttelse, retsmedicin og kemisk analyse. Evnen til at måle til ppm eller mindre er afgørende for den teknologiske udvikling i enhver industri. Dårlig blandingseffektivitet fører til et dårligt signal-støj-forhold, hvilket er en gene for kromatografimiljøet med hensyn til detektionsgrænser og følsomhed. Når man blander to HPLC-opløsningsmidler, er det nogle gange nødvendigt at tvinge blandingen frem ved hjælp af eksterne midler for at homogenisere de to opløsningsmidler, fordi nogle opløsningsmidler ikke blandes godt. Hvis opløsningsmidlerne ikke blandes grundigt, kan der forekomme forringelse af HPLC-kromatogrammet, der manifesterer sig som overdreven baseline-støj og/eller dårlig topform. Ved dårlig blanding vil baseline-støjen fremstå som en sinusbølge (stigende og faldende) af detektorsignalet over tid. Samtidig kan dårlig blanding føre til bredere og asymmetriske toppe, hvilket reducerer den analytiske ydeevne, topform og topopløsning. Industrien har erkendt, at in-line og T-formede statiske blandere er et middel til at forbedre disse grænser og give brugerne mulighed for at opnå lavere detektionsgrænser (følsomheder). Den ideelle statiske mixer kombinerer fordelene ved høj blandingseffektivitet, lavt dødvolumen og lavt trykfald med minimalt volumen og maksimal systemgennemstrømning. Derudover skal analytikere rutinemæssigt bruge mere polære og vanskeligt blandbare opløsningsmidler, efterhånden som analysen bliver mere kompleks. Dette betyder, at bedre blanding er et must til fremtidig testning, hvilket yderligere øger behovet for overlegen mixerdesign og -ydeevne.
Mott har for nylig udviklet en ny serie af patenterede PerfectPeakTM inline statiske mixere med tre interne volumener: 30 µl, 60 µl og 90 µl. Disse størrelser dækker det volumenområde og blandingsegenskaber, der er nødvendige til de fleste HPLC-tests, hvor forbedret blanding og lav dispersion er påkrævet. Alle tre modeller har en diameter på 0,5 tommer og leverer brancheførende ydeevne i et kompakt design. De er lavet af 316L rustfrit stål, passiveret for inertitet, men titanium og andre korrosionsbestandige og kemisk inerte metallegeringer er også tilgængelige. Disse mixere har et maksimalt driftstryk på op til 20.000 psi. På fig. 1a er et fotografi af en 60 µl Mott statisk mixer designet til at give maksimal blandingseffektivitet, samtidig med at den bruger et mindre internt volumen end standardmixere af denne type. Dette nye statiske mixerdesign bruger ny additiv fremstillingsteknologi til at skabe en unik 3D-struktur, der bruger mindre intern strømning end nogen mixer, der i øjeblikket anvendes i kromatografiindustrien, for at opnå statisk blanding. Sådanne blandere består af sammenkoblede tredimensionelle strømningskanaler med forskellige tværsnitsarealer og forskellige vejlængder, når væsken krydser komplekse geometriske barrierer indeni. Figur 1b viser et skematisk diagram af den nye blander, der bruger industristandard 10-32 gevindskårne HPLC-kompressionsfittings til indløb og udløb og har skyggelagte blå kanter af den patenterede interne blanderport. Forskellige tværsnitsarealer af de interne strømningsveje og ændringer i strømningsretningen inden for det interne strømningsvolumen skaber områder med turbulent og laminar strømning, hvilket forårsager blanding på mikro-, meso- og makroskala. Designet af denne unikke blander brugte beregningsmæssige fluiddynamiksimuleringer (CFD) til at analysere strømningsmønstre og forfine designet før prototyping til intern analytisk testning og kundeevaluering i felten. Additiv fremstilling er processen med at printe 3D-geometriske komponenter direkte fra CAD-tegninger uden behov for traditionel bearbejdning (fræsemaskiner, drejebænke osv.). Disse nye statiske blandere er designet til at blive fremstillet ved hjælp af denne proces, hvor blanderkroppen er skabt ud fra CAD-tegninger, og delene fremstilles (printes) lag for lag ved hjælp af additiv fremstilling. Her aflejres et lag metalpulver på ca. 20 mikron, og en computerstyret laser smelter og sammensmelter selektivt pulveret til en fast form. Påfør et andet lag oven på dette lag, og påfør lasersintring. Gentag denne proces, indtil delen er helt færdig. Pulveret fjernes derefter fra den ikke-laserbundne del, hvilket efterlader en 3D-printet del, der matcher den originale CAD-tegning. Det endelige produkt minder noget om den mikrofluidiske proces, med den største forskel, at de mikrofluidiske komponenter normalt er todimensionelle (flade), mens komplekse strømningsmønstre kan skabes i tredimensionel geometri ved hjælp af additiv fremstilling. Disse vandhaner er i øjeblikket tilgængelige som 3D-printede dele i 316L rustfrit stål og titanium. De fleste metallegeringer, polymerer og nogle keramiktyper kan bruges til at fremstille komponenter ved hjælp af denne metode og vil blive overvejet i fremtidige designs/produkter.
Ris. 1. Fotografi (a) og diagram (b) af en 90 μl Mott statisk mixer, der viser et tværsnit af mixerens væskestrømningsbane skygget med blåt.
Kør beregningsmæssige fluiddynamiksimuleringer (CFD) af statiske mixerers ydeevne i designfasen for at hjælpe med at udvikle effektive designs og reducere tidskrævende og dyre trial-and-error-eksperimenter. CFD-simulering af statiske mixere og standardrør (simulering uden mixer) ved hjælp af COMSOL Multiphysics-softwarepakken. Modellering ved hjælp af trykdrevet laminar fluidmekanik for at forstå fluidhastighed og -tryk i en del. Denne fluiddynamik, kombineret med den kemiske transport af mobile faseforbindelser, hjælper med at forstå blandingen af ​​to forskellige koncentrerede væsker. Modellen studeres som en funktion af tid, lig med 10 sekunder, for at lette beregningen, mens man søger efter sammenlignelige løsninger. Teoretiske data blev opnået i en tidskorreleret undersøgelse ved hjælp af punktprobeprojektionsværktøjet, hvor et punkt midt i udgangen blev valgt til dataindsamling. CFD-modellen og de eksperimentelle test brugte to forskellige opløsningsmidler gennem en proportional prøvetagningsventil og et pumpesystem, hvilket resulterede i en erstatningsprop for hvert opløsningsmiddel i prøvetagningsledningen. Disse opløsningsmidler blandes derefter i en statisk mixer. Figur 2 og 3 viser flowsimuleringer gennem henholdsvis et standardrør (uden mixer) og gennem en Mott statisk mixer. Simuleringen blev kørt på et lige rør med en længde på 5 cm og en inderdiameter på 0,25 mm for at demonstrere konceptet med skiftevis indføring af vand og ren acetonitril i røret uden en statisk mixer, som vist i figur 2. Simuleringen anvendte de nøjagtige dimensioner af røret og mixeren samt en flowhastighed på 0,3 ml/min.
Ris. 2. Simulering af CFD-flow i et 5 cm rør med en indvendig diameter på 0,25 mm for at repræsentere, hvad der sker i et HPLC-rør, dvs. i fravær af en mixer. Fuld rød repræsenterer massefraktionen af ​​vand. Blå repræsenterer manglen på vand, dvs. ren acetonitril. Diffusionsområder kan ses mellem skiftende propper af to forskellige væsker.
Ris. 3. Statisk mixer med et volumen på 30 ml, modelleret i COMSOL CFD-softwarepakken. Forklaringen repræsenterer massefraktionen af ​​vand i mixeren. Rent vand er vist med rødt og ren acetonitril med blåt. Ændringen i massefraktionen af ​​det simulerede vand er repræsenteret ved en ændring i farven på blandingen af ​​to væsker.
Figur 4 viser en valideringsundersøgelse af korrelationsmodellen mellem blandingseffektivitet og blandingsvolumen. Når blandingsvolumenet stiger, vil blandingseffektiviteten stige. Så vidt forfatterne ved, kan andre komplekse fysiske kræfter, der virker inde i blanderen, ikke tages i betragtning i denne CFD-model, hvilket resulterer i højere blandingseffektivitet i eksperimentelle tests. Den eksperimentelle blandingseffektivitet blev målt som den procentvise reduktion i basissinusoiden. Derudover resulterer øget modtryk normalt i højere blandingsniveauer, hvilket ikke tages i betragtning i simuleringen.
Følgende HPLC-betingelser og testopsætning blev brugt til at måle rå sinusbølger for at sammenligne den relative ydeevne af forskellige statiske mixere. Diagrammet i figur 5 viser et typisk HPLC/UHPLC-systemlayout. Den statiske mixer blev testet ved at placere mixeren direkte efter pumpen og før injektoren og separationskolonnen. De fleste sinusformede baggrundsmålinger foretages ved at omgå injektoren og kapillærkolonnen mellem den statiske mixer og UV-detektoren. Ved evaluering af signal-støj-forholdet og/eller analyse af topformen er systemkonfigurationen vist i figur 5.
Figur 4. Plot af blandingseffektivitet versus blandingsvolumen for en række statiske blandere. Den teoretiske urenhed følger den samme tendens som de eksperimentelle urenhedsdata, hvilket bekræfter gyldigheden af ​​CFD-simuleringerne.
HPLC-systemet, der blev brugt til denne test, var en Agilent 1100-serie HPLC med en UV-detektor styret af en pc, der kører Chemstation-software. Tabel 1 viser typiske tuningbetingelser for måling af mixereffektivitet ved at overvåge basiske sinusoider i to casestudier. Eksperimentelle tests blev udført på to forskellige eksempler på opløsningsmidler. De to opløsningsmidler, der blev blandet i tilfælde 1, var opløsningsmiddel A (20 mM ammoniumacetat i deioniseret vand) og opløsningsmiddel B (80% acetonitril (ACN)/20% deioniseret vand). I tilfælde 2 var opløsningsmiddel A en opløsning af 0,05% acetone (mærket) i deioniseret vand. Opløsningsmiddel B er en blanding af 80/20% methanol og vand. I tilfælde 1 blev pumpen indstillet til en flowhastighed på 0,25 ml/min til 1,0 ml/min, og i tilfælde 2 blev pumpen indstillet til en konstant flowhastighed på 1 ml/min. I begge tilfælde var forholdet mellem blandingen af ​​opløsningsmidler A og B 20% A/80% B. Detektoren blev indstillet til 220 nm i tilfælde 1, og den maksimale absorption af acetone i tilfælde 2 blev indstillet til en bølgelængde på 265 nm.
Tabel 1. HPLC-konfigurationer for tilfælde 1 og 2 Tilfælde 1 Tilfælde 2 Pumpehastighed ​​0,25 ml/min til 1,0 ml/min 1,0 ml/min Opløsningsmiddel A 20 mM ammoniumacetat i deioniseret vand 0,05% acetone i deioniseret vand Opløsningsmiddel B 80% acetonitril (ACN) / 20% deioniseret vand 80% methanol / 20% deioniseret vand Opløsningsmiddelforhold 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Ris. 6. Plots af blandede sinusbølger målt før og efter anvendelse af et lavpasfilter for at fjerne baseline-driftkomponenter i signalet.
Figur 6 er et typisk eksempel på blandet basislinjestøj i tilfælde 1, vist som et gentagende sinusformet mønster oven på basislinjedrift. Basislinjedrift er en langsom stigning eller fald i baggrundssignalet. Hvis systemet ikke får lov til at ækvilibrere længe nok, vil det normalt falde, men vil drive uregelmæssigt, selv når systemet er fuldstændig stabilt. Denne basislinjedrift har tendens til at stige, når systemet opererer under stejle gradienter eller høje modtryksforhold. Når denne basislinjedrift er til stede, kan det være vanskeligt at sammenligne resultater fra prøve til prøve, hvilket kan overvindes ved at anvende et lavpasfilter på de rådata for at filtrere disse lavfrekvente variationer fra og derved give et oscillationsplot med en flad basislinje. Figur 6 viser også et plot af mixerens basislinjestøj efter anvendelse af et lavpasfilter.
Efter afslutningen af ​​CFD-simuleringerne og den indledende eksperimentelle testning blev der efterfølgende udviklet tre separate statiske mixere ved hjælp af de ovenfor beskrevne interne komponenter med tre interne volumener: 30 µl, 60 µl og 90 µl. Dette interval dækker det interval af volumener og blandingsydelse, der kræves til HPLC-applikationer med lav analyt, hvor forbedret blanding og lav dispersion er påkrævet for at producere basislinjer med lav amplitude. Figur 7 viser grundlæggende sinusbølgemålinger opnået på testsystemet fra eksempel 1 (acetonitril og ammoniumacetat som sporstoffer) med tre volumener statiske mixere og ingen mixere installeret. Eksperimentelle testbetingelser for resultaterne vist i figur 7 blev holdt konstante gennem alle 4 tests i henhold til proceduren beskrevet i tabel 1 ved en opløsningsmiddelstrømningshastighed på 0,5 ml/min. Anvend en offset-værdi på datasættene, så de kan vises side om side uden signaloverlapning. Offset påvirker ikke amplituden af ​​det signal, der bruges til at bedømme mixerens ydeevneniveau. Den gennemsnitlige sinusformede amplitude uden mixeren var 0,221 mAi, mens amplituderne for de statiske Mott-mixere ved 30 µl, 60 µl og 90 µl faldt til henholdsvis 0,077, 0,017 og 0,004 mAi.
Figur 7. HPLC UV-detektorsignalforskydning vs. tid for tilfælde 1 (acetonitril med ammoniumacetatindikator), der viser blanding af opløsningsmiddel uden mixer. 30 µl, 60 µl og 90 µl Mott-mixere viser forbedret blanding (lavere signalamplitude), når volumenet af den statiske mixer stiger. (faktiske dataforskydninger: 0,13 (ingen mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA for bedre visning).
Dataene vist i fig. 8 er de samme som i fig. 7, men denne gang inkluderer de resultaterne af tre almindeligt anvendte statiske HPLC-mixere med interne volumener på 50 µl, 150 µl og 250 µl. Figur 8. HPLC UV-detektorsignalforskydning versus tidsplot for tilfælde 1 (acetonitril og ammoniumacetat som indikatorer), der viser blanding af opløsningsmiddel uden statisk mixer, den nye serie af statiske Mott-mixere og tre konventionelle mixere (faktisk dataforskydning er henholdsvis 0,1 (uden mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA for bedre visningseffekt). Den procentvise reduktion af basissinusbølgen beregnes ud fra forholdet mellem sinusbølgens amplitude og amplituden uden mixer installeret. De målte sinusbølgedæmpningsprocenter for tilfælde 1 og 2 er anført i tabel 2 sammen med de interne volumener for en ny statisk mixer og syv standardmixere, der almindeligvis anvendes i industrien. Dataene i figur 8 og 9, samt beregningerne præsenteret i tabel 2, viser, at Mott Static Mixer kan give op til 98,1% sinusbølgedæmpning, hvilket langt overgår ydeevnen af ​​en konventionel HPLC-mixer under disse testforhold. Figur 9. HPLC UV-detektorsignalforskydning versus tid-plot for tilfælde 2 (methanol og acetone som sporstoffer), der ikke viser nogen statisk mixer (kombineret), en ny serie af Mott statiske mixere og to konventionelle mixere (faktiske dataforskydninger er 0, 11 (uden mixer), 0,22, 0,3, 0,35 mA og for bedre visning). Syv almindeligt anvendte mixere i industrien blev også evalueret. Disse omfatter blandere med tre forskellige interne volumener fra virksomhed A (betegnet blander A1, A2 og A3) og virksomhed B (betegnet blander B1, B2 og B3). Virksomhed C vurderede kun én størrelse.
Tabel 2. Omrøringskarakteristika for statisk mixer og internt volumen Statisk mixer Tilfælde 1 Sinusformet genvinding: Acetonitriltest (effektivitet) Tilfælde 2 Sinusformet genvinding: Methanolvandtest (effektivitet) Internt volumen (µl) Ingen mixer – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mixer A1 66,4% 73,7% 50 Mixer A2 89,8% 91,6% 150 Mixer A3 92,2% 94,5% 250 Mixer B1 44,8% 45,7% 9 35 Mixer B2 845% 96,2% 370 Mixer C 97,2% 97,4% 250
Analyse af resultaterne i figur 8 og tabel 2 viser, at den statiske Mott-mixer på 30 µl har samme blandingseffektivitet som A1-mixeren, dvs. 50 µl, men 30 µl Mott har 30 % mindre internt volumen. Ved sammenligning af 60 µl Mott-mixeren med A2-mixeren med 150 µl internt volumen var der en lille forbedring i blandingseffektiviteten på 92 % versus 89 %, men endnu vigtigere var det, at dette højere blandingsniveau blev opnået ved 1/3 af mixervolumenet. Ydeevnen af ​​90 µl Mott-mixeren fulgte samme tendens som A3-mixeren med et internt volumen på 250 µl. Forbedringer i blandingsydelsen på 98 % og 92 % blev også observeret med en 3-dobbelt reduktion i internt volumen. Lignende resultater og sammenligninger blev opnået for mixere B og C. Som et resultat heraf giver den nye serie af statiske mixere, Mott PerfectPeak™, højere blandeeffektivitet end sammenlignelige konkurrerende mixere, men med mindre internt volumen, hvilket giver bedre baggrundsstøj og et bedre signal-støj-forhold, bedre analytfølsomhed, topform og topopløsning. Lignende tendenser i blandeeffektivitet blev observeret i både Case 1- og Case 2-studierne. For Case 2 blev der udført tests med (methanol og acetone som indikatorer) for at sammenligne blandeeffektiviteten af ​​60 ml Mott, en sammenlignelig mixer A1 (internt volumen 50 µl) og en sammenlignelig mixer B1 (internt volumen 35 µl). Ydeevnen var dårlig uden en mixer installeret, men den blev brugt til baseline-analyse. 60 ml Mott-mixeren viste sig at være den bedste mixer i testgruppen og gav en stigning på 90 % i blandeeffektivitet. En sammenlignelig mixer A1 oplevede en forbedring på 75 % i blandeeffektivitet efterfulgt af en forbedring på 45 % i en sammenlignelig B1-mixer. En grundlæggende sinuskurvereduktionstest med flowhastighed blev udført på en række blandere under de samme betingelser som sinuskurvetesten i tilfælde 1, hvor kun flowhastigheden blev ændret. Dataene viste, at i flowhastighedsområdet fra 0,25 til 1 ml/min forblev det indledende fald i sinuskurven relativt konstant for alle tre blandervolumener. For de to blandere med mindre volumen er der en lille stigning i sinusformet kontraktion, efterhånden som flowhastigheden falder, hvilket forventes på grund af den øgede opholdstid for opløsningsmidlet i blanderen, hvilket muliggør øget diffusionsblanding. Subtraktionen af ​​sinuskurven forventes at stige, efterhånden som flowet falder yderligere. For det største blandervolumen med den højeste sinuskurvebasedæmpning forblev sinuskurvebasedæmpningen dog stort set uændret (inden for det eksperimentelle usikkerhedsområde) med værdier fra 95% til 98%. 10. Grundlæggende dæmpning af en sinusbølge versus flowhastighed i tilfælde 1. Testen blev udført under forhold svarende til sinustesten med variabel flowhastighed, hvor 80% af en 80/20 blanding af acetonitril og vand og 20% ​​af 20 mM ammoniumacetat blev injiceret.
Den nyudviklede serie af patenterede PerfectPeakTM inline statiske mixere med tre interne volumener: 30 µl, 60 µl og 90 µl dækker det volumen- og blandingsydelsesområde, der kræves til de fleste HPLC-analyser, der kræver forbedret blanding og lave dispersionsniveauer. Den nye statiske mixer opnår dette ved at bruge ny 3D-printteknologi til at skabe en unik 3D-struktur, der giver forbedret hydrodynamisk statisk blanding med den højeste procentvise reduktion i basestøj pr. volumenhed af intern blanding. Brug af 1/3 af det interne volumen af ​​en konventionel mixer reducerer basestøj med 98 %. Sådanne mixere består af sammenkoblede tredimensionelle strømningskanaler med forskellige tværsnitsarealer og forskellige vejlængder, når væsken krydser komplekse geometriske barrierer indeni. Den nye familie af statiske mixere giver forbedret ydeevne i forhold til konkurrerende mixere, men med mindre internt volumen, hvilket resulterer i et bedre signal-støj-forhold og lavere kvantificeringsgrænser, samt forbedret topform, effektivitet og opløsning for højere følsomhed.
I dette nummer Kromatografi – Miljøvenlig RP-HPLC – Brug af kerne-skal-kromatografi til at erstatte acetonitril med isopropanol i analyse og oprensning – Ny gaskromatograf til…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Storbritannien