Se ha desarrollado un nuevo y revolucionario mezclador estático en línea, diseñado específicamente para cumplir con los estrictos requisitos de los sistemas de cromatografía líquida de alta resolución (HPLC) y cromatografía líquida de ultra alta resolución (HPLC y UHPLC). Una mezcla deficiente de dos o más fases móviles puede resultar en una mayor relación señal-ruido, lo que reduce la sensibilidad. La mezcla estática homogénea de dos o más fluidos con un volumen interno y dimensiones físicas mínimas de un mezclador estático representa el estándar más alto de un mezclador estático ideal. El nuevo mezclador estático logra esto mediante el uso de una nueva tecnología de impresión 3D para crear una estructura 3D única que proporciona una mezcla estática hidrodinámica mejorada con el mayor porcentaje de reducción en la onda sinusoidal base por unidad de volumen interno de la mezcla. El uso de 1/3 del volumen interno de un mezclador convencional reduce la onda sinusoidal básica en un 98%. El mezclador consta de canales de flujo 3D interconectados con áreas de sección transversal y longitudes de trayectoria variables a medida que el fluido atraviesa geometrías 3D complejas. La mezcla a lo largo de múltiples trayectorias de flujo tortuosas, combinada con turbulencia local y remolinos, resulta en una mezcla a escala micro, meso y macro. Este mezclador único está diseñado mediante simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD). Los datos de prueba presentados demuestran que se logra una mezcla excelente con un volumen interno mínimo.
Durante más de 30 años, la cromatografía líquida se ha utilizado en numerosas industrias, como la farmacéutica, los pesticidas, la protección ambiental, la ciencia forense y el análisis químico. La capacidad de medir en partes por millón o menos es crucial para el desarrollo tecnológico en cualquier industria. Una mezcla deficiente produce una relación señal-ruido deficiente, lo cual resulta molesto para la comunidad cromatográfica en términos de límites de detección y sensibilidad. Al mezclar dos disolventes de HPLC, a veces es necesario forzar la mezcla externamente para homogeneizarlos, ya que algunos no se mezclan bien. Si los disolventes no se mezclan completamente, puede producirse una degradación del cromatograma de HPLC, que se manifiesta como un ruido de línea base excesivo o una forma de pico deficiente. Con una mezcla deficiente, el ruido de línea base aparecerá como una onda sinusoidal (ascendente y descendente) de la señal del detector a lo largo del tiempo. Al mismo tiempo, una mezcla deficiente puede provocar picos ensanchados y asimétricos, lo que reduce el rendimiento analítico, la forma y la resolución de los picos. La industria ha reconocido que los mezcladores estáticos en línea y en T permiten mejorar estos límites y lograr límites de detección (sensibilidades) más bajos. El mezclador estático ideal combina las ventajas de una alta eficiencia de mezcla, un bajo volumen muerto y una baja caída de presión con un volumen mínimo y un rendimiento máximo del sistema. Además, a medida que los análisis se vuelven más complejos, los analistas deben utilizar habitualmente disolventes más polares y difíciles de mezclar. Esto implica que una mejor mezcla es fundamental para las pruebas futuras, lo que aumenta la necesidad de un diseño y un rendimiento superiores del mezclador.
Mott ha desarrollado recientemente una nueva gama de mezcladores estáticos en línea PerfectPeak™ patentados con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl. Estos tamaños cubren el rango de volúmenes y características de mezcla necesarios para la mayoría de las pruebas de HPLC que requieren una mezcla mejorada y baja dispersión. Los tres modelos tienen un diámetro de 0,5″ y ofrecen un rendimiento líder en la industria en un diseño compacto. Están fabricados en acero inoxidable 316L, pasivado para su inercia, pero también están disponibles en titanio y otras aleaciones metálicas resistentes a la corrosión y químicamente inertes. Estos mezcladores tienen una presión máxima de operación de hasta 20 000 psi. En la fig. 1a se muestra una fotografía de un mezclador estático Mott de 60 µl diseñado para proporcionar la máxima eficiencia de mezcla con un volumen interno menor que los mezcladores estándar de este tipo. Este nuevo diseño de mezclador estático utiliza una nueva tecnología de fabricación aditiva para crear una estructura 3D única que utiliza menos flujo interno que cualquier mezclador utilizado actualmente en la industria de la cromatografía para lograr una mezcla estática. Estos mezcladores constan de canales de flujo tridimensionales interconectados con diferentes áreas de sección transversal y diferentes longitudes de trayectoria a medida que el líquido cruza complejas barreras geométricas en su interior. En la figura 1b se muestra un diagrama esquemático del nuevo mezclador, que utiliza accesorios de compresión HPLC roscados 10-32 estándar de la industria para la entrada y la salida, y tiene bordes azules sombreados del puerto interno del mezclador patentado. Las diferentes áreas de sección transversal de las trayectorias de flujo internas y los cambios en la dirección del flujo dentro del volumen de flujo interno crean regiones de flujo turbulento y laminar, lo que provoca la mezcla a escalas micro, meso y macro. El diseño de este mezclador único utilizó simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para analizar los patrones de flujo y refinar el diseño antes de la creación de prototipos para pruebas analíticas internas y evaluación de campo del cliente. La fabricación aditiva es el proceso de impresión de componentes geométricos 3D directamente a partir de dibujos CAD sin la necesidad de mecanizado tradicional (fresadoras, tornos, etc.). Estos nuevos mezcladores estáticos están diseñados para fabricarse mediante este proceso, donde el cuerpo del mezclador se crea a partir de planos CAD y las piezas se fabrican (imprimen) capa a capa mediante fabricación aditiva. En este proceso, se deposita una capa de polvo metálico de aproximadamente 20 micras de espesor, y un láser controlado por computadora funde y fusiona selectivamente el polvo hasta formar un sólido. Se aplica otra capa sobre esta capa y se aplica sinterización láser. Se repite este proceso hasta que la pieza esté completamente terminada. A continuación, se retira el polvo de la pieza no unida por láser, dejando una pieza impresa en 3D que coincide con el plano CAD original. El producto final es similar al proceso microfluídico, con la principal diferencia de que los componentes microfluídicos suelen ser bidimensionales (planos), mientras que mediante la fabricación aditiva se pueden crear patrones de flujo complejos en geometría tridimensional. Estos grifos están actualmente disponibles como piezas impresas en 3D en acero inoxidable 316L y titanio. La mayoría de las aleaciones metálicas, polímeros y algunas cerámicas se pueden utilizar para fabricar componentes mediante este método y se considerará en futuros diseños/productos.
Arroz. 1. Fotografía (a) y diagrama (b) de un mezclador estático Mott de 90 μl que muestra una sección transversal de la trayectoria del flujo del fluido del mezclador sombreada en azul.
Realice simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) del rendimiento de mezcladores estáticos durante la fase de diseño para desarrollar diseños eficientes y reducir los costosos y prolongados experimentos de prueba y error. Simulación de CFD de mezcladores estáticos y tuberías estándar (simulación sin mezclador) con el software COMSOL Multiphysics. Modelado mediante mecánica de fluidos laminares impulsada por presión para comprender la velocidad y la presión del fluido dentro de una pieza. Esta dinámica de fluidos, combinada con el transporte químico de los compuestos de la fase móvil, ayuda a comprender la mezcla de dos líquidos concentrados diferentes. El modelo se estudia en función del tiempo, equivalente a 10 segundos, para facilitar el cálculo durante la búsqueda de soluciones comparables. Los datos teóricos se obtuvieron en un estudio correlacionado en el tiempo utilizando la herramienta de proyección de sonda puntual, donde se seleccionó un punto en el centro de la salida para la recopilación de datos. El modelo de CFD y las pruebas experimentales utilizaron dos disolventes diferentes a través de una válvula de muestreo proporcional y un sistema de bombeo, lo que resultó en un tapón de repuesto para cada disolvente en la línea de muestreo. Estos disolventes se mezclan posteriormente en un mezclador estático. Las figuras 2 y 3 muestran simulaciones de flujo a través de una tubería estándar (sin mezclador) y a través de un mezclador estático Mott, respectivamente. La simulación se realizó en un tubo recto de 5 cm de largo y 0,25 mm de diámetro interior para demostrar el concepto de la alternancia de tapones de agua y acetonitrilo puro en el tubo sin mezclador estático, como se muestra en la figura 2. La simulación utilizó las dimensiones exactas del tubo y el mezclador, y un caudal de 0,3 ml/min.
Arroz. 2. Simulación de flujo CFD en un tubo de 5 cm con un diámetro interno de 0,25 mm para representar lo que ocurre en un tubo de HPLC, es decir, en ausencia de mezclador. El rojo completo representa la fracción másica de agua. El azul representa la ausencia de agua, es decir, acetonitrilo puro. Se pueden observar regiones de difusión entre los tapones alternados de dos líquidos diferentes.
Arroz. 3. Mezclador estático con un volumen de 30 ml, modelado con el software COMSOL CFD. La leyenda representa la fracción másica de agua en el mezclador. El agua pura se muestra en rojo y el acetonitrilo puro en azul. El cambio en la fracción másica del agua simulada se representa mediante un cambio de color al mezclar los dos líquidos.
La figura 4 muestra un estudio de validación del modelo de correlación entre la eficiencia de mezcla y el volumen de mezcla. A medida que aumenta el volumen de mezcla, aumenta la eficiencia de mezcla. Según el conocimiento de los autores, este modelo de CFD no puede tener en cuenta otras fuerzas físicas complejas que actúan dentro del mezclador, lo que resulta en una mayor eficiencia de mezcla en las pruebas experimentales. La eficiencia de mezcla experimental se midió como la reducción porcentual de la sinusoide base. Además, el aumento de la contrapresión suele resultar en niveles de mezcla más altos, que no se tienen en cuenta en la simulación.
Las siguientes condiciones de HPLC y configuración de prueba se utilizaron para medir ondas sinusoidales brutas y comparar el rendimiento relativo de diferentes mezcladores estáticos. El diagrama de la Figura 5 muestra un diseño típico de un sistema HPLC/UHPLC. El mezclador estático se probó colocándolo justo después de la bomba y antes del inyector y la columna de separación. La mayoría de las mediciones de la onda sinusoidal de fondo se realizan sin pasar por el inyector y la columna capilar entre el mezclador estático y el detector UV. Al evaluar la relación señal-ruido o analizar la forma del pico, la configuración del sistema se muestra en la Figura 5.
Figura 4. Gráfica de la eficiencia de mezcla en función del volumen de mezcla para una gama de mezcladores estáticos. La impureza teórica sigue la misma tendencia que los datos experimentales, lo que confirma la validez de las simulaciones de CFD.
El sistema HPLC utilizado para esta prueba fue un HPLC Agilent Serie 1100 con un detector UV controlado por un PC con el software Chemstation. La Tabla 1 muestra las condiciones de ajuste típicas para medir la eficiencia del mezclador mediante la monitorización de las sinusoides básicas en dos casos prácticos. Se realizaron pruebas experimentales con dos ejemplos diferentes de disolventes. Los dos disolventes mezclados en el caso 1 fueron el disolvente A (acetato de amonio 20 mM en agua desionizada) y el disolvente B (acetonitrilo (ACN) al 80 %/agua desionizada al 20 %). En el caso 2, el disolvente A fue una solución de acetona al 0,05 % (marca) en agua desionizada. El disolvente B es una mezcla de metanol y agua al 80/20 %. En el caso 1, la bomba se ajustó a un caudal de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, y en el caso 2, la bomba se ajustó a un caudal constante de 1 ml/min. En ambos casos, la proporción de la mezcla de disolventes A y B fue de 20% A/80% B. El detector se ajustó a 220 nm en el caso 1, y la absorción máxima de acetona en el caso 2 se ajustó a una longitud de onda de 265 nm.
Tabla 1. Configuraciones de HPLC para los casos 1 y 2 Caso 1 Caso 2 Velocidad de la bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Disolvente A Acetato de amonio 20 mM en agua desionizada Acetona al 0,05 % en agua desionizada Disolvente B Acetonitrilo (ACN) al 80 % / agua desionizada al 20 % Metanol al 80 % / agua desionizada al 20 % Relación de disolventes 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detector 220 nm 265 nm
Arroz. 6. Gráficos de ondas sinusoidales mixtas medidas antes y después de aplicar un filtro paso bajo para eliminar los componentes de deriva de la línea de base de la señal.
La Figura 6 es un ejemplo típico de ruido de línea base mixto en el Caso 1, mostrado como un patrón sinusoidal repetitivo superpuesto a la deriva de la línea base. La deriva de la línea base es un aumento o disminución gradual de la señal de fondo. Si no se permite que el sistema se equilibre el tiempo suficiente, generalmente disminuirá, pero la deriva será errática incluso cuando el sistema esté completamente estable. Esta deriva de la línea base tiende a aumentar cuando el sistema opera en condiciones de gradiente pronunciado o alta contrapresión. Cuando esta deriva de la línea base está presente, puede ser difícil comparar los resultados entre muestras, lo cual puede solucionarse aplicando un filtro paso bajo a los datos brutos para filtrar estas variaciones de baja frecuencia, obteniendo así un gráfico de oscilación con una línea base plana. La Figura 6 también muestra un gráfico del ruido de línea base del mezclador después de aplicar un filtro paso bajo.
Tras completar las simulaciones CFD y las pruebas experimentales iniciales, se desarrollaron tres mezcladores estáticos independientes utilizando los componentes internos descritos anteriormente con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl. Este rango cubre el rango de volúmenes y el rendimiento de mezcla requeridos para aplicaciones de HPLC con bajo contenido de analito, donde se requiere una mezcla mejorada y una baja dispersión para producir líneas base de baja amplitud. En la fig. 7 se muestran mediciones básicas de onda sinusoidal obtenidas en el sistema de prueba del Ejemplo 1 (acetonitrilo y acetato de amonio como trazadores) con tres volúmenes de mezcladores estáticos y sin mezcladores instalados. Las condiciones de prueba experimental para los resultados que se muestran en la Figura 7 se mantuvieron constantes durante las 4 pruebas de acuerdo con el procedimiento descrito en la Tabla 1 a un caudal de disolvente de 0,5 ml/min. Aplique un valor de compensación a los conjuntos de datos para que puedan mostrarse uno al lado del otro sin superposición de señales. La compensación no afecta la amplitud de la señal utilizada para juzgar el nivel de rendimiento del mezclador. La amplitud sinusoidal promedio sin el mezclador fue de 0,221 mAi, mientras que las amplitudes de los mezcladores Mott estáticos a 30 µl, 60 µl y 90 µl cayeron a 0,077, 0,017 y 0,004 mAi, respectivamente.
Figura 7. Desplazamiento de la señal del detector UV de HPLC frente al tiempo para el caso 1 (acetonitrilo con indicador de acetato de amonio) que muestra la mezcla de disolvente sin mezclador, mezcladores Mott de 30 µl, 60 µl y 90 µl que muestran una mezcla mejorada (menor amplitud de señal) a medida que aumenta el volumen del mezclador estático. (Desplazamientos de datos reales: 0,13 (sin mezclador), 0,32, 0,4, 0,45 mA para una mejor visualización).
Los datos que se muestran en la fig. 8 son los mismos que en la fig. 7, pero esta vez incluyen los resultados de tres mezcladores estáticos de HPLC de uso común con volúmenes internos de 50 µl, 150 µl y 250 µl. Rice. Figura 8. Gráfico de desplazamiento de la señal del detector UV de HPLC frente al tiempo para el caso 1 (acetonitrilo y acetato de amonio como indicadores) que muestra la mezcla de disolvente sin mezclador estático, la nueva serie de mezcladores estáticos Mott y tres mezcladores convencionales (el desplazamiento de datos real es 0,1 (sin mezclador), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respectivamente para un mejor efecto de visualización). La reducción porcentual de la onda sinusoidal base se calcula mediante la relación de la amplitud de la onda sinusoidal con la amplitud sin el mezclador instalado. Los porcentajes de atenuación de la onda sinusoidal medidos para los casos 1 y 2 se listan en la Tabla 2, junto con los volúmenes internos de un nuevo mezclador estático y siete mezcladores estándar comúnmente utilizados en la industria. Los datos en las Figuras 8 y 9, así como los cálculos presentados en la Tabla 2, muestran que el mezclador estático Mott puede proporcionar hasta un 98,1% de atenuación de la onda sinusoidal, superando ampliamente el rendimiento de un mezclador HPLC convencional bajo estas condiciones de prueba. Figura 9. Gráfico de desplazamiento de la señal del detector UV de HPLC versus tiempo para el caso 2 (metanol y acetona como trazadores) que muestra sin mezclador estático (combinado), una nueva serie de mezcladores estáticos Mott y dos mezcladores convencionales (los desplazamientos de datos reales son 0, 11 (sin mezclador), 0,22, 0,3, 0,35 mA y para una mejor visualización). También se evaluaron siete mezcladores comúnmente utilizados en la industria. Estos incluyen mezcladores con tres volúmenes internos diferentes de la empresa A (Mezcladores A1, A2 y A3) y de la empresa B (Mezcladores B1, B2 y B3). La empresa C solo clasificó un tamaño.
Tabla 2. Características de agitación del mezclador estático y volumen interno Mezclador estático Caso 1 Recuperación sinusoidal: Prueba de acetonitrilo (eficiencia) Caso 2 Recuperación sinusoidal: Prueba de metanol agua (eficiencia) Volumen interno (µl) Sin mezclador – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mezclador A1 66,4% 73,7% 50 Mezclador A2 89,8% 91,6% 150 Mezclador A3 92,2% 94,5% 250 Mezclador B1 44,8% 45,7% 9 35 Mezclador B2 845,% 96,2% 370 Mezclador C 97,2% 97,4% 250
El análisis de los resultados en la Figura 8 y la Tabla 2 muestra que el mezclador estático Mott de 30 µl tiene la misma eficiencia de mezcla que el mezclador A1, es decir, 50 µl, sin embargo, el Mott de 30 µl tiene un 30% menos de volumen interno. Al comparar el mezclador Mott de 60 µl con el mezclador A2 de 150 µl de volumen interno, hubo una ligera mejora en la eficiencia de mezcla del 92% frente al 89%, pero lo más importante es que este mayor nivel de mezcla se logró a 1/3 del volumen del mezclador. mezclador A2 similar. El rendimiento del mezclador Mott de 90 µl siguió la misma tendencia que el mezclador A3 con un volumen interno de 250 µl. También se observaron mejoras en el rendimiento de mezcla del 98% y el 92% con una reducción de 3 veces en el volumen interno. Resultados y comparaciones similares se obtuvieron para los mezcladores B y C. Como resultado, la nueva serie de mezcladores estáticos Mott PerfectPeakTM proporciona una mayor eficiencia de mezcla que los mezcladores de la competencia comparables, pero con menos volumen interno, proporcionando mejor ruido de fondo y una mejor relación señal-ruido, mejor sensibilidad del analito, forma de pico y resolución de pico. Se observaron tendencias similares en la eficiencia de mezcla en los estudios del Caso 1 y del Caso 2. Para el Caso 2, se realizaron pruebas utilizando (metanol y acetona como indicadores) para comparar la eficiencia de mezcla de 60 ml Mott, un mezclador comparable A1 (volumen interno 50 µl) y un mezclador comparable B1 (volumen interno 35 µl). , el rendimiento fue deficiente sin un mezclador instalado, pero se utilizó para el análisis de referencia. El mezclador Mott de 60 ml demostró ser el mejor mezclador en el grupo de prueba, proporcionando un aumento del 90% en la eficiencia de mezcla. Un mezclador comparable A1 vio una mejora del 75% en la eficiencia de mezcla seguido de una mejora del 45% en un mezclador comparable B1. Se realizó una prueba básica de reducción de onda sinusoidal con caudal en una serie de mezcladores bajo las mismas condiciones que la prueba de curva sinusoidal del Caso 1, con solo el caudal modificado. Los datos mostraron que en el rango de caudales de 0,25 a 1 ml/min, la disminución inicial de la onda sinusoidal permaneció relativamente constante para los tres volúmenes del mezclador. Para los dos mezcladores de menor volumen, hay un ligero aumento en la contracción sinusoidal a medida que disminuye el caudal, lo cual es esperado debido al mayor tiempo de residencia del solvente en el mezclador, lo que permite una mayor mezcla por difusión. Se espera que la sustracción de la onda sinusoidal aumente a medida que el caudal disminuye aún más. Sin embargo, para el volumen del mezclador más grande con la mayor atenuación base de la onda sinusoidal, la atenuación base de la onda sinusoidal permaneció prácticamente sin cambios (dentro del rango de incertidumbre experimental), con valores que oscilan entre el 95% y el 98%. Arroz. 10. Atenuación básica de una onda sinusoidal en función del caudal en el caso 1. La prueba se realizó en condiciones similares a la prueba sinusoidal con caudal variable, inyectando 80% de una mezcla 80/20 de acetonitrilo y agua y 20% de acetato de amonio 20 mM.
La nueva gama de mezcladores estáticos en línea PerfectPeakTM patentados, con tres volúmenes internos: 30 µl, 60 µl y 90 µl, cubre el rango de volumen y rendimiento de mezcla requerido para la mayoría de los análisis de HPLC que requieren una mezcla mejorada y una baja dispersión de fondo. El nuevo mezclador estático logra esto mediante el uso de una nueva tecnología de impresión 3D para crear una estructura 3D única que proporciona una mezcla estática hidrodinámica mejorada con el mayor porcentaje de reducción del ruido base por unidad de volumen de mezcla interna. El uso de 1/3 del volumen interno de un mezclador convencional reduce el ruido base en un 98 %. Estos mezcladores constan de canales de flujo tridimensionales interconectados con diferentes áreas de sección transversal y longitudes de trayectoria a medida que el líquido atraviesa complejas barreras geométricas en su interior. La nueva familia de mezcladores estáticos ofrece un rendimiento mejorado en comparación con los mezcladores de la competencia, pero con un volumen interno menor, lo que resulta en una mejor relación señal-ruido y límites de cuantificación más bajos, así como en una forma de pico, eficiencia y resolución mejoradas para una mayor sensibilidad.
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