En revolutionerende ny inline statisk mixer er blevet udviklet specielt designet til at opfylde de strenge krav til højtydende væskekromatografi (HPLC) og ultra højtydende væskekromatografi (HPLC og UHPLC) systemer.Dårlig blanding af to eller flere mobile faser kan resultere i et højere signal-støjforhold, hvilket reducerer følsomheden.Homogen statisk blanding af to eller flere væsker med et minimum indvendigt 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.Ved at bruge 1/3 af det interne volumen i en konventionel mixer reduceres den grundlæggende sinusbølge med 98 %.Blanderen består af indbyrdes forbundne 3D-strømningskanaler med varierende tværsnitsarealer og vejlængder, når væsken krydser komplekse 3D-geometrier.Blanding langs flere snoede strømningsveje, kombineret med lokal turbulens og hvirvler, resulterer i blanding på mikro-, meso- og makroskalaen.Denne unikke mixer er designet ved hjælp af computational fluid dynamics (CFD) simuleringer.De præsenterede testdata viser, at fremragende blanding opnås med et minimum internt volumen.
I mere end 30 år har væskekromatografi været brugt i mange industrier, herunder lægemidler, pesticider, miljøbeskyttelse, retsmedicin og kemisk analyse.Evnen til at måle til dele pr. million eller mindre er afgørende for teknologisk udvikling i enhver industri.Dårlig blandingseffektivitet fører til et dårligt signal-til-støj-forhold, hvilket er en irritation for kromatografisamfundet med hensyn til detektionsgrænser og følsomhed.Når man blander to HPLC-opløsningsmidler, er det nogle gange nødvendigt at tvinge blanding af eksterne midler for at homogenisere de to opløsningsmidler, fordi nogle opløsningsmidler ikke blandes godt.Hvis opløsningsmidler ikke blandes grundigt, kan der forekomme nedbrydning af HPLC-kromatogrammet, hvilket viser sig som overdreven grundlinjestøj og/eller dårlig topform.Ved dårlig blanding vil basisstøj optræde som en sinusbølge (stigende og faldende) af detektorsignalet over tid.Samtidig kan dårlig blanding føre til udvidelse og asymmetriske toppe, hvilket reducerer analytisk ydeevne, topform og topopløsning.Industrien har erkendt, at in-line og tee statiske mixere 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 blandeeffektivitet, lavt dødvolumen og lavt trykfald med minimal volumen og maksimal systemgennemstrømning.Derudover, efterhånden som analysen bliver mere kompleks, skal analytikere rutinemæssigt bruge mere polære og vanskelige at blande opløsningsmidler.Dette betyder, at bedre blanding er et must for 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 indvendige volumener: 30 µl, 60 µl og 90 µl.Disse størrelser dækker det område af volumener og blandingsegenskaber, der er nødvendige for de fleste HPLC-tests, hvor forbedret blanding og lav dispersion er påkrævet.Alle tre modeller er 0,5" i diameter og leverer brancheførende ydeevne i et kompakt design.De er lavet af 316L rustfrit stål, passiveret for inerthed, men titanium og andre korrosionsbestandige og kemisk inerte metallegeringer er også tilgængelige.Disse blandere 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 blandeeffektivitet, mens der bruges et mindre internt volumen end standard mixere af denne type.Dette nye statiske mixerdesign bruger ny additiv fremstillingsteknologi til at skabe en unik 3D-struktur, der bruger mindre intern flow end nogen mixer, der i øjeblikket bruges i kromatografiindustrien for at opnå statisk blanding.Sådanne blandere består af indbyrdes forbundne tredimensionelle strømningskanaler med forskellige tværsnitsarealer og forskellige vejlængder, når væsken krydser komplekse geometriske barrierer indeni.På fig.Figur 1b viser et skematisk diagram af den nye mixer, som bruger industristandard 10-32 gevind HPLC kompressionsfittings til indløb og udløb og har skyggede blå kanter af den patenterede interne mixerport.Forskellige tværsnitsarealer af de indre strømningsbaner og ændringer i strømningsretningen inden for det indre strømningsvolumen skaber områder med turbulent og laminært strømning, hvilket forårsager blanding på mikro-, meso- og makroskalaen.Designet af denne unikke mixer brugte computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer til at analysere strømningsmønstre og forfine designet før prototyping til intern analytisk test og kundefeltevaluering.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 mixere er designet til at blive fremstillet ved hjælp af denne proces, hvor mixerkroppen er skabt ud fra CAD-tegninger, og delene fremstilles (printes) lag for lag ved hjælp af additiv fremstilling.Her aflejres et lag metalpulver på omkring 20 mikrometer tykt, og en computerstyret laser smelter selektivt og smelter pulveret sammen til en fast form.Påfør endnu et 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 ligner en del den mikrofluidiske proces, hvor den væsentligste forskel er, at de mikrofluidiske komponenter normalt er todimensionelle (flade), mens der ved hjælp af additiv fremstilling kan skabes komplekse strømningsmønstre i tredimensionel geometri.Disse vandhaner er i øjeblikket tilgængelige som 3D-printede dele i 316L rustfrit stål og titanium.De fleste metallegeringer, polymerer og noget keramik kan bruges til at fremstille komponenter ved hjælp af denne metode og vil blive overvejet i fremtidige designs/produkter.
Ris.1. Foto (a) og diagram (b) af en 90 μl Mott statisk blander, der viser et tværsnit af blandervæskens strømningsvej med blå skygge.
Kør computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer af statisk mixer-ydeevne under 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 (no-mixer-simulering) ved hjælp af COMSOL Multiphysics-softwarepakken.Modellering ved hjælp af trykdrevet laminær væskemekanik for at forstå væskehastighed og tryk i en del.Denne væskedynamik, kombineret med den kemiske transport af mobilfaseforbindelser, hjælper med at forstå blandingen af ​​to forskellige koncentrerede væsker.Modellen studeres som en funktion af tid, svarende til 10 sekunder, for at lette beregningen, mens der søges efter sammenlignelige løsninger.Teoretiske data blev indhentet i et tidskorreleret studie ved hjælp af punktsondeprojektionsværktøjet, hvor et punkt i midten af ​​udgangen blev valgt til dataindsamling.CFD-modellen og eksperimentelle tests 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 blander.Figur 2 og 3 viser flowsimuleringer gennem henholdsvis et standardrør (ingen mixer) og gennem en Mott statisk mixer.Simuleringen blev kørt på et lige rør 5 cm langt og 0,25 mm ID for at demonstrere konceptet med at veksle propper af vand og ren acetonitril ind i røret i fravær af en statisk mixer, som vist i figur 2. Simulationen brugte de nøjagtige dimensioner af røret og mixeren og 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 mangel på vand, altså 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 blanderen.Rent vand er vist med rødt og rent acetonitril med blåt.Ændringen i massefraktionen af ​​det simulerede vand er repræsenteret ved en ændring i farven på blandingen af ​​to væsker.
På fig.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 mixeren, ikke redegøres for i denne CFD-model, hvilket resulterer i højere blandingseffektivitet i eksperimentelle tests.Den eksperimentelle blandingseffektivitet blev målt som den procentvise reduktion i basissinusformen.Derudover resulterer øget modtryk normalt i højere blandingsniveauer, som der ikke tages højde for 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 uden om injektoren og kapillarkolonnen mellem den statiske mixer og UV-detektoren.Ved evaluering af signal-til-støj-forholdet og/eller analyse af topformen er systemkonfigurationen vist i figur 5.
Figur 4. Plot af blandeeffektivitet versus blandingsvolumen for en række statiske blandere.Den teoretiske urenhed følger samme tendens som de eksperimentelle urenhedsdata, der bekræfter gyldigheden af ​​CFD-simuleringerne.
HPLC-systemet, der blev brugt til denne test, var en Agilent 1100 Series HPLC med en UV-detektor styret af en pc, der kører Chemstation-software.Tabel 1 viser typiske afstemningsbetingelser til måling af mixereffektivitet ved at overvåge basale sinusoider i to casestudier.Eksperimentelle tests blev udført på to forskellige eksempler på opløsningsmidler.De to opløsningsmidler 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 (etiket) 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 Case 1 og 2 Case 1 Case 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% Acetonitriiseret 0,0% 0% ethanol/20% Acetonitriiseret vand/2 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 påføring af et lavpasfilter for at fjerne basislinjedriftkomponenter af signalet.
Figur 6 er et typisk eksempel på blandet basislinjestøj i tilfælde 1, vist som et gentaget sinusformet mønster overlejret på basislinjedrift.Grundlinjedrift er en langsom stigning eller fald i baggrundssignalet.Hvis systemet ikke får lov til at udligne længe nok, vil det normalt falde, men vil drive uregelmæssigt, selv når systemet er fuldstændig stabilt.Denne basislinjedrift har en tendens til at stige, når systemet arbejder i stejle hældninger eller forhold med højt modtryk.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 rådataene for at filtrere disse lavfrekvente variationer fra og derved give et oscillationsplot med en flad basislinje.På fig.Figur 6 viser også et plot af mixerens basislinjestøj efter påføring af et lavpasfilter.
Efter at have afsluttet CFD-simuleringerne og indledende eksperimentel testning blev tre separate statiske blandere efterfølgende udviklet ved hjælp af de interne komponenter beskrevet ovenfor med tre interne volumener: 30 µl, 60 µl og 90 µl.Dette område dækker det område 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.På fig.7 viser grundlæggende sinusbølgemålinger opnået på testsystemet i eksempel 1 (acetonitril og ammoniumacetat som sporstoffer) med tre volumener statiske blandere og ingen blandere installeret.Eksperimentelle testbetingelser for resultaterne vist i figur 7 blev holdt konstante gennem alle 4 tests ifølge proceduren skitseret i tabel 1 ved en opløsningsmiddelstrømningshastighed på 0,5 ml/min.Anvend en offsetværdi på datasættene, så de kan vises side om side uden signaloverlapning.Offset påvirker ikke amplituden af ​​det signal, der bruges til at bedømme mixerens ydeevne.Den gennemsnitlige sinusformede amplitude uden mixeren var 0,221 mAi, mens amplituderne af 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 opløsningsmiddelblanding uden mixer, 30 µl, 60 µl og 90 µl Mott-blandere, der viser forbedret blanding (lavere signalamplitude øger den statiske blandingsvolumen).(faktiske dataforskydninger: 0,13 (ingen mixer), 0,32, 0,4, 0,45mA 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 HPLC statiske blandere med interne volumener på 50 µl, 150 µl og 250 µl.Ris.Figur 8. HPLC UV-detektorsignalforskydning versus tidsplot for tilfælde 1 (acetonitril og ammoniumacetat som indikatorer), der viser blandingen af ​​opløsningsmiddel uden statisk mixer, den nye serie af Mott statiske mixere og tre konventionelle mixere (faktisk dataforskydning er 0,1 (uden mixer), 0,48, 0,0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 8, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 8, 0, 0, 0, 8, 0, 0, 0, 8, 0, 0. A henholdsvis for bedre visningseffekt).Den procentvise reduktion af basissinusbølgen beregnes ved forholdet mellem sinusbølgens amplitude og amplituden uden at mixeren er installeret.De målte sinusbølgedæmpningsprocenter for tilfælde 1 og 2 er angivet i tabel 2 sammen med de interne volumener af en ny statisk mixer og syv standardmixere, der almindeligvis anvendes i industrien.Dataene i figur 8 og 9, såvel som beregningerne præsenteret i tabel 2, viser, at Mott Static Mixer kan give op til 98,1 % sinusbølgedæmpning, hvilket langt overstiger ydeevnen af ​​en konventionel HPLC-mixer under disse testbetingelser.Figur 9. HPLC UV-detektor signal offset versus tidsplot 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 data offset er 0, 11 (uden mixer. ), 0,22, 0,53,A for bedre visning).Syv almindeligt anvendte blandere i industrien blev også evalueret.Disse omfatter blandere med tre forskellige interne volumener fra virksomhed A (benævnt Mixer A1, A2 og A3) og virksomhed B (benævnt Mixer B1, B2 og B3).Virksomhed C vurderede kun én størrelse.
Tabel 2. Karakteristika for omrøring af statisk mixer og intern volumen Statisk mixer Case 1 Sinusformet genvinding: Acetonitril test (effektivitet) Case 2 Sinusformet genvinding: Methanol Vandtest (effektivitet) Intern volumen (µl) Ingen mixer – - 0 Mott 30 62% 61,20% 397 62% 397% 397 65% 397. 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Blander A1 66,4% 73,7% 50 Blander A2 89,8% 91,6% 150 Blander A3 92,2% 94,5% 250 Blander B1 44,8% B 44,8% 935. er C 97,2% 97,4% 250
Analyse af resultaterne i figur 8 og tabel 2 viser, at den statiske 30 µl Mott-mixer har samme blandeeffektivitet som A1-mixeren, dvs. 50 µl, men 30 µl Mott har 30 % mindre indre volumen.Ved sammenligning af 60 µl Mott-blanderen med 150 µl intern volumen A2-blander, var der en lille forbedring i blandingseffektiviteten på 92 % versus 89 %, men endnu vigtigere, dette højere niveau af blanding blev opnået ved 1/3 af mixervolumenet.lignende mixer A2.Ydeevnen for 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-fold reduktion i det indre volumen.Lignende resultater og sammenligninger blev opnået for mixere B og C. Som følge heraf giver den nye serie af statiske mixere Mott PerfectPeakTM højere blandeeffektivitet end sammenlignelige konkurrerende mixere, men med mindre intern volumen, hvilket giver bedre baggrundsstøj og et bedre signal-til-støj-forhold, bedre følsomhed Analyt, topform og topopløsning.Lignende tendenser i blandingseffektivitet blev observeret i både case 1 og case 2 undersøgelser.For tilfælde 2 blev der udført tests under anvendelse af (methanol og acetone som indikatorer) for at sammenligne blandingseffektivitet på 60 ml Mott, en sammenlignelig mixer A1 (indre volumen 50 µl) og en sammenlignelig mixer B1 (intern 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, hvilket gav en 90 % stigning i blandeeffektiviteten.En sammenlignelig Mixer A1 oplevede en 75 % forbedring i blandeeffektiviteten efterfulgt af en 45 % forbedring i en sammenlignelig B1 mixer.En grundlæggende sinusbølgereduktionstest med flowhastighed blev udført på en række blandere under samme betingelser som sinuskurvetesten i tilfælde 1, hvor kun flowhastigheden blev ændret.Dataene viste, at i området for strømningshastigheder fra 0,25 til 1 ml/min forblev det indledende fald i sinusbølgen relativt konstant for alle tre blandervolumener.For de to mindre volumen blandere er der en lille stigning i sinusformet kontraktion, da flowhastigheden falder, hvilket forventes på grund af den øgede opholdstid for opløsningsmidlet i blanderen, hvilket giver mulighed for øget diffusionsblanding.Subtraktionen af ​​sinusbølgen forventes at stige, efterhånden som flowet falder yderligere.Men for det største mixervolumen med den højeste sinusbølgebasedæmpning forblev sinusbølgebasedæmpningen praktisk talt uændret (inden for området for eksperimentel usikkerhed), med værdier fra 95 % til 98 %.Ris.10. Grundlæggende dæmpning af en sinusbølge versus strømningshastighed i tilfælde 1. Testen blev udført under betingelser svarende til sinustesten med variabel strømningshastighed, idet der blev indsprøjtet 80% af en 80/20 blanding af acetonitril og vand og 20% ​​af 20 mM ammoniumacetat.
Den nyudviklede serie af patenterede PerfectPeakTM inline statiske blandere med tre indvendige 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 lavspredningsgulve.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 af basisstøj pr. volumenhed af intern blanding.Ved at bruge 1/3 af den interne volumen i en konventionel mixer reduceres grundstøjen med 98 %.Sådanne blandere består af indbyrdes forbundne 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 intern volumen, hvilket resulterer i bedre signal-til-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