Revolutsiooniline uus staatiline segisti on spetsiaalselt välja töötatud vastama kõrgefektiivse vedelikkromatograafia (HPLC) ja ülikõrgefektiivse vedelikkromatograafia (HPLC ja UHPLC) süsteemide rangetele nõuetele. Kahe või enama mobiilse faasi halb segamine võib põhjustada kõrgema signaali-müra suhte, mis vähendab tundlikkust. Kahe või enama vedeliku homogeenne staatiline segamine minimaalse sisemahu ja staatilise segisti füüsiliste mõõtmetega esindab ideaalse staatilise segisti kõrgeimat standardit. Uus staatiline segisti saavutab selle, kasutades uut 3D-printimistehnoloogiat, et luua ainulaadne 3D-struktuur, mis tagab parema hüdrodünaamilise staatilise segamise, vähendades baassinuslaine suurimat protsenti segu sisemahuühiku kohta. Tavapärase segisti sisemahu 1/3 kasutamine vähendab baassinuslainet 98%. Segisti koosneb omavahel ühendatud 3D-voolukanalitest, millel on erinevad ristlõikepindalad ja teepikkused, kui vedelik läbib keerulisi 3D-geomeetriaid. Segamine mööda mitut looklevat vooluteed koos lokaalse turbulentsi ja keeristega annab tulemuseks segamise mikro-, meso- ja makrotasandil. See ainulaadne segisti on konstrueeritud arvutusliku vedeliku dünaamika (CFD) simulatsioonide abil. Esitatud katseandmed näitavad, et suurepärane segamine saavutatakse minimaalse sisemahuga.
Vedelikkromatograafiat on juba üle 30 aasta kasutatud paljudes tööstusharudes, sealhulgas farmaatsia-, pestitsiidi-, keskkonnakaitse-, kohtuekspertiisi- ja keemilise analüüsi valdkonnas. Võimalus mõõta miljondikosa või vähema täpsusega on iga tööstusharu tehnoloogilise arengu jaoks kriitilise tähtsusega. Halb segamise efektiivsus toob kaasa halva signaali-müra suhte, mis on kromatograafiavaldkonnas tüütu avastamispiiride ja tundlikkuse osas. Kahe HPLC lahusti segamisel on mõnikord vaja kahe lahusti homogeniseerimiseks segamist väliste vahenditega sundida, kuna mõned lahustid ei segune hästi. Kui lahustid ei ole korralikult segatud, võib HPLC kromatogramm halveneda, mis avaldub liigse baasjoone müra ja/või halva piigi kuju kujul. Halva segamise korral ilmneb baasjoone müra detektori signaali siinuslainena (tõusev ja langev) aja jooksul. Samal ajal võib halb segamine põhjustada laienevaid ja asümmeetrilisi piike, mis vähendavad analüütilist jõudlust, piigi kuju ja piigi eraldusvõimet. Tööstusharu on tunnistanud, et reas olevad ja T-tüüpi staatilised segistid on vahend nende piiride parandamiseks ja võimaldavad kasutajatel saavutada madalamaid avastamispiire (tundlikkust). Ideaalne staatiline segisti ühendab endas kõrge segamisefektiivsuse, väikese tühimahu ja madala rõhulangu eelised minimaalse mahu ja maksimaalse süsteemi läbilaskevõimega. Lisaks peavad analüütikud analüüsi keerukamaks muutudes rutiinselt kasutama polaarsemaid ja raskesti segatavaid lahusteid. See tähendab, et parem segamine on tulevaste testide jaoks hädavajalik, mis suurendab veelgi vajadust segisti parema disaini ja jõudluse järele.
Mott on hiljuti välja töötanud uue patenteeritud PerfectPeak™ staatilise segisti seeria, millel on kolm sisemahtu: 30 µl, 60 µl ja 90 µl. Need suurused katavad mahtude ja segamisomaduste vahemiku, mida on vaja enamiku HPLC-testide jaoks, kus on vaja paremat segamist ja väikest dispersiooni. Kõik kolm mudelit on 0,5-tollise läbimõõduga ja pakuvad kompaktses disainis tööstusharu juhtivat jõudlust. Need on valmistatud inertsuse tagamiseks passiveeritud 316L roostevabast terasest, kuid saadaval on ka titaan ja muud korrosioonikindlad ja keemiliselt inertsed metallisulamid. Nende segistite maksimaalne töörõhk on kuni 20 000 psi. Joonisel 1a on foto 60 µl Mott staatilisest segistist, mis on loodud maksimaalse segamise efektiivsuse tagamiseks, kasutades samal ajal väiksemat sisemahtu kui seda tüüpi standardsed segistid. See uus staatilise segisti disain kasutab uut lisandite tootmistehnoloogiat, et luua ainulaadne 3D-struktuur, mis kasutab staatilise segamise saavutamiseks vähem sisemist voolu kui ükski praegu kromatograafiatööstuses kasutatav segisti. Sellised segistid koosnevad omavahel ühendatud kolmemõõtmelistest voolukanalitest, millel on erinevad ristlõikepinnad ja erinevad teepikkused, kui vedelik läbib keerulisi geomeetrilisi barjääre. Joonisel fig. 1b on kujutatud uue segisti skemaatiline diagramm, mis kasutab sisse- ja väljalaskeava jaoks tööstusstandardile vastavaid 10-32 keermestatud HPLC surveliitmikke ning millel on patenteeritud sisemise segisti pordi varjutatud sinised ääred. Sisemiste vooluteede erinevad ristlõikepinnad ja voolusuuna muutused sisemises voolumahus loovad turbulentse ja laminaarse voolu piirkondi, põhjustades segunemist mikro-, meso- ja makrotasandil. Selle ainulaadse segisti disainimisel kasutati arvutuslikke vedeliku dünaamika (CFD) simulatsioone, et analüüsida voolumustreid ja täpsustada disaini enne prototüüpimist ettevõttesiseseks analüütiliseks testimiseks ja klientide hindamiseks. Lisandtootmine on protsess, mille käigus prinditakse 3D-geomeetrilisi komponente otse CAD-joonistelt ilma traditsioonilise töötlemiseta (freespingid, treipingid jne). Need uued staatilised segistid on loodud selle protsessi abil tootmiseks, kus segisti korpus luuakse CAD-jooniste põhjal ja osad valmistatakse (trükitakse) kiht kihi haaval lisandtootmise abil. Siin kantakse peale umbes 20 mikroni paksune metallipulbri kiht ning arvuti abil juhitav laser sulatab ja ühendab pulbri selektiivselt tahkeks vormiks. Selle kihi peale kantakse teine ​​kiht ja rakendatakse lasersintreerimist. Korda seda protsessi, kuni detail on täielikult valmis. Seejärel eemaldatakse pulber laserliimimata detaililt, jättes järele 3D-prinditud detaili, mis vastab algsele CAD-joonisele. Lõpptoode on mõnevõrra sarnane mikrofluidikaprotsessiga, peamise erinevusega, et mikrofluidikakomponendid on tavaliselt kahemõõtmelised (tasased), samas kui lisandite tootmise abil saab luua keerulisi voolumustreid kolmemõõtmelises geomeetrias. Need segistid on praegu saadaval 3D-prinditud detailidena 316L roostevabast terasest ja titaanist. Enamikku metallisulameid, polümeere ja mõningaid keraamikaid saab selle meetodi abil komponentide valmistamiseks kasutada ning neid kaalutakse tulevastes disainides/toodetes.
Riis. 1. 90 μl Mott staatilise segisti foto (a) ja diagramm (b), mis näitavad segisti vedeliku voolutee ristlõiget sinisega varjutatuna.
Projekteerimisetapis teostage staatilise segisti jõudluse arvutusliku vedeliku dünaamika (CFD) simulatsioone, et aidata välja töötada tõhusaid konstruktsioone ja vähendada aeganõudvaid ning kulukaid katse-eksituse katseid. Staatiliste segistite ja standardse torustiku (segistita simulatsioon) CFD simulatsioon COMSOL Multiphysics tarkvarapaketi abil. Modelleerimine rõhupõhise laminaarse vedeliku mehaanika abil, et mõista vedeliku kiirust ja rõhku detailis. See vedeliku dünaamika koos liikuva faasi ühendite keemilise transpordiga aitab mõista kahe erineva kontsentreeritud vedeliku segunemist. Mudelit uuritakse aja funktsioonina, mis võrdub 10 sekundiga, et lihtsustada arvutamist võrreldavate lahenduste otsimisel. Teoreetilised andmed saadi ajaliselt korreleeritud uuringus, kasutades punktsondi projektsioonitööriista, kus andmete kogumiseks valiti punkt väljalaskeava keskel. CFD mudelis ja eksperimentaalsetes testides kasutati kahte erinevat lahustit proportsionaalse proovivõtuklapi ja pumpamissüsteemi kaudu, mille tulemuseks oli iga lahusti jaoks proovivõtuliinis asenduskork. Seejärel segatakse need lahustid staatilises segistis. Joonistel 2 ja 3 on näidatud vastavalt voolu simulatsioonid läbi standardtoru (segistita) ja läbi Mott staatilise segisti. Simulatsioon viidi läbi 5 cm pikkusel ja 0,25 mm sisediameetriga sirgel torul, et demonstreerida vee ja puhta atsetonitriili vahelduvate korkide torusse sisestamise kontseptsiooni ilma staatilise segistita, nagu on näidatud joonisel 2. Simulatsioonis kasutati toru ja segisti täpseid mõõtmeid ning voolukiirust 0,3 ml/min.
Riis. 2. CFD voolu simulatsioon 5 cm pikkuses ja 0,25 mm sisediameetriga torus, et kujutada HPLC-torus toimuvat, st segisti puudumisel. Täispunane tähistab vee massifraktsiooni. Sinine tähistab vee puudumist, st puhast atsetonitriili. Kahe erineva vedeliku vahelduvate korkide vahel on näha difusioonipiirkondi.
Riis. 3. 30 ml mahuga staatiline segisti, mis on modelleeritud COMSOL CFD tarkvarapaketis. Legend tähistab vee massifraktsiooni segistis. Puhas vesi on näidatud punasega ja puhas atsetonitriil sinisega. Simuleeritud vee massifraktsiooni muutust tähistab kahe vedeliku segamise värvuse muutus.
Joonisel 4 on näidatud segamise efektiivsuse ja segamismahu vahelise korrelatsioonimudeli valideerimisuuring. Segamismahu suurenedes suureneb segamise efektiivsus. Autorite teada ei saa selles CFD-mudelis arvesse võtta teisi segistis mõjuvaid keerulisi füüsikalisi jõude, mille tulemuseks on katsetes suurem segamise efektiivsus. Eksperimentaalset segamise efektiivsust mõõdeti baassinusoidi protsentuaalse vähenemisena. Lisaks põhjustab suurenenud vasturõhk tavaliselt kõrgemaid segamistasemeid, mida simulatsioonis arvesse ei võeta.
Erinevate staatiliste segistite suhtelise jõudluse võrdlemiseks kasutati toores siinuslainete mõõtmiseks järgmisi HPLC tingimusi ja katseseadistust. Joonisel 5 olev diagramm näitab tüüpilist HPLC/UHPLC süsteemi paigutust. Staatilist segistit testiti, paigutades segisti otse pumba järele ja enne injektorit ja eralduskolonni. Enamik taustsinusoidaalseid mõõtmisi tehakse injektorist ja kapillaarkolonnist mööda minnes staatilise segisti ja UV-detektori vahel. Signaali ja müra suhte hindamisel ja/või piigi kuju analüüsimisel on süsteemi konfiguratsioon näidatud joonisel 5.
Joonis 4. Segamise efektiivsuse ja segamismahu graafik erinevate staatiliste segistite puhul. Teoreetiline lisand järgib sama trendi kui eksperimentaalsed lisandite andmed, mis kinnitab CFD-simulatsioonide kehtivust.
Selles testis kasutatud HPLC-süsteem oli Agilent 1100 seeria HPLC, mille UV-detektorit juhtis arvuti, millel töötas Chemstationi tarkvara. Tabel 1 näitab tüüpilisi häälestustingimusi segisti efektiivsuse mõõtmiseks, jälgides baassinusoide kahes juhtumiuuringus. Katsed viidi läbi kahe erineva lahusti näitega. Juhul 1 segatud kaks lahustit olid lahusti A (20 mM ammooniumatsetaat deioniseeritud vees) ja lahusti B (80% atsetonitriil (ACN)/20% deioniseeritud vesi). Juhul 2 oli lahusti A 0,05% atsetooni (märgistus) lahus deioniseeritud vees. Lahusti B on 80/20% metanooli ja vee segu. Juhul 1 oli pump seadistatud voolukiirusele 0,25 ml/min kuni 1,0 ml/min ja juhul 2 oli pump seadistatud konstantsele voolukiirusele 1 ml/min. Mõlemal juhul oli lahustite A ja B segu suhe 20% A/80% B. Detektor seati 1. juhul lainepikkusele 220 nm ja 2. juhul atsetooni maksimaalne neeldumine seati lainepikkusele 265 nm.
Tabel 1. HPLC konfiguratsioonid 1. ja 2. juhul Juhtum 1 Juhtum 2 Pumba kiirus 0,25 ml/min kuni 1,0 ml/min 1,0 ml/min Lahusti A 20 mM ammooniumatsetaat deioniseeritud vees 0,05% atsetoon deioniseeritud vees Lahusti B 80% atsetonitriil (ACN) / 20% deioniseeritud vesi 80% metanool / 20% deioniseeritud vesi Lahusti suhe 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Riis. 6. Segatud siinuslainete graafikud, mis on mõõdetud enne ja pärast madalpääsfiltri rakendamist signaali baasjoone triivi komponentide eemaldamiseks.
Joonis 6 on tüüpiline näide segatüüpi baasjoone mürast juhtumi 1 puhul, mis on kujutatud korduva sinusoidaalse mustrina, mis on kantud baasjoone triivile. Baasjoone triiv on taustsignaali aeglane suurenemine või vähenemine. Kui süsteemil ei lasta piisavalt kaua tasakaalustuda, siis see tavaliselt langeb, kuid triivib ebaregulaarselt isegi siis, kui süsteem on täiesti stabiilne. See baasjoone triiv kipub suurenema, kui süsteem töötab järsu gradiendi või kõrge vasturõhu tingimustes. Kui see baasjoone triiv esineb, võib olla keeruline võrrelda tulemusi valimite vahel, mida saab ületada, rakendades toorandmetele madalpääsfiltrit, et filtreerida välja need madalsageduslikud variatsioonid, saades seeläbi lameda baasjoonega võnkumisdiagrammi. Joonisel 6 on näidatud ka segisti baasjoone müra graafik pärast madalpääsfiltri rakendamist.
Pärast CFD simulatsioonide ja esialgsete eksperimentaalsete testide lõpetamist töötati seejärel välja kolm eraldi staatilist segistit, kasutades eespool kirjeldatud sisemisi komponente kolme sisemise mahuga: 30 µl, 60 µl ja 90 µl. See vahemik katab madala analüüdi sisaldusega HPLC rakenduste jaoks vajaliku mahtude ja segamisjõudluse vahemiku, kus madala amplituudiga baasjoonte saamiseks on vaja paremat segamist ja madalat dispersiooni. Joonisel 7 on näidatud näite 1 katsesüsteemil (atsetonitriil ja ammooniumatsetaat märgistusainetena) saadud siinuslaine põhimõõtmised kolme mahuga staatiliste segistitega ja segisteid polnud paigaldatud. Joonisel 7 näidatud tulemuste katsetingimused hoiti kõigis neljas katses konstantsena vastavalt tabelis 1 kirjeldatud protseduurile lahusti voolukiirusel 0,5 ml/min. Rakendage andmekogumitele nihkeväärtus, et neid saaks kuvada kõrvuti ilma signaali kattumiseta. Nihe ei mõjuta segisti jõudlustaseme hindamiseks kasutatava signaali amplituudi. Keskmine sinusoidaalne amplituud ilma segistita oli 0,221 mAi, samas kui staatiliste Mott-segistite amplituudid 30 µl, 60 µl ja 90 µl juures langesid vastavalt 0,077, 0,017 ja 0,004 mAi-ni.
Joonis 7. HPLC UV detektori signaali nihe aja suhtes juhtumi 1 puhul (atsetonitriil ammooniumatsetaadi indikaatoriga), mis näitab lahusti segamist ilma segistita, 30 µl, 60 µl ja 90 µl Mott segistid, mis näitavad paremat segamist (madalam signaali amplituud) staatilise segisti mahu suurenedes. (tegelikud andmete nihked: 0,13 (ilma segistita), 0,32, 0,4, 0,45 mA parema kuvamise jaoks).
Joonisel 8 näidatud andmed on samad, mis joonisel 7, kuid seekord hõlmavad need kolme tavaliselt kasutatava HPLC staatilise segisti tulemusi sisemahtudega 50 µl, 150 µl ja 250 µl. Riis. Joonis 8. HPLC UV detektori signaali nihke ja aja graafik juhtumi 1 jaoks (atsetonitriil ja ammooniumatsetaat indikaatoritena), mis näitab lahusti segamist ilma staatilise segistita, uue Mott staatiliste segistite seeria ja kolme tavapärase segisti jaoks (tegelik andmete nihe on parema kuvamisefekti saavutamiseks vastavalt 0,1 (ilma segistita), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA). Baassiinuslaine protsentuaalne vähenemine arvutatakse siinuslaine amplituudi ja segistita amplituudi suhtena. Juhtumite 1 ja 2 mõõdetud siinuslaine sumbumise protsendid on loetletud tabelis 2 koos uue staatilise segisti ja seitsme tööstuses tavaliselt kasutatava standardse segisti sisemahtudega. Joonistel 8 ja 9 olevad andmed ning tabelis 2 esitatud arvutused näitavad, et Mott Static Mixer suudab pakkuda kuni 98,1% siinuslaine sumbuvust, mis ületab tunduvalt tavapärase HPLC segisti jõudlust nendes katsetingimustes. Joonis 9. HPLC UV detektori signaali nihke ja aja graafik juhtumi 2 jaoks (metanool ja atsetoon märgistusainetena), mis ei sisalda staatilist segistit (kombineeritult), uut Mott staatiliste segistite seeriat ja kahte tavapärast segistit (tegelikud andmete nihked on parema kuvamise eesmärgil 0, 11 (ilma segistita), 0,22, 0,3, 0,35 mA ja ). Hinnati ka seitset tööstuses tavaliselt kasutatavat segistit. Nende hulka kuuluvad kolme erineva sisemise mahuga segistid ettevõttelt A (tähisega Segistid A1, A2 ja A3) ja ettevõttelt B (tähisega Segistid B1, B2 ja B3). Ettevõte C hindas ainult ühte suurust.
Tabel 2. Staatilise segisti segamisomadused ja sisemine ruumala Staatiline segisti Juhtum 1 Sinusoidaalne saagis: atsetonitriili test (efektiivsus) Juhtum 2 Sinusoidaalne saagis: metanooli ja vee test (efektiivsus) Sisemine ruumala (µl) Segistita – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Segisti A1 66,4% 73,7% 50 Segisti A2 89,8% 91,6% 150 Segisti A3 92,2% 94,5% 250 Segisti B1 44,8% 45,7% 9 35 Segisti B2 845,% 96,2% 370 Segisti C 97,2% 97,4% 250
Joonisel 8 ja tabelis 2 esitatud tulemuste analüüs näitab, et 30 µl Mott staatilisel segistil on sama segamisefektiivsus kui A1 segistil, st 50 µl, kuid 30 µl Mott segisti sisemine maht on 30% väiksem. 60 µl Mott segisti ja 150 µl sisemise mahuga A2 segisti võrdlemisel täheldati segamisefektiivsuse väikest paranemist, 92% võrreldes 89%-ga, kuid mis veelgi olulisem, see kõrgem segamistase saavutati 1/3 segisti mahu juures. Sarnase segisti A2 puhul. 90 µl Mott segisti jõudlus järgis sama trendi kui A3 segistil, mille sisemine maht oli 250 µl. Täheldati ka segamise jõudluse paranemist vastavalt 98% ja 92%, kusjuures sisemine maht vähenes 3 korda. Sarnaseid tulemusi ja võrdlusi saadi segistite B ja C puhul. Selle tulemusena pakub uus staatiliste segistite seeria Mott PerfectPeak™ suuremat segamise efektiivsust kui võrreldavad konkureerivad segistid, kuid väiksema sisemise mahuga, pakkudes paremat taustamüra ja paremat signaali-müra suhet, paremat tundlikkust analüüdi, piigi kuju ja piigi eraldusvõimet. Sarnaseid segamise efektiivsuse suundumusi täheldati nii 1. kui ka 2. juhtumi uuringutes. 2. juhtumi puhul viidi läbi testid, kasutades (indikaatoritena metanooli ja atsetooni), et võrrelda 60 ml Mott, võrreldava segisti A1 (sisemine maht 50 µl) ja võrreldava segisti B1 (sisemine maht 35 µl) segamise efektiivsust. Ilma segistita oli jõudlus halb, kuid seda kasutati algtaseme analüüsiks. 60 ml Mott segisti osutus testrühma parimaks segistiks, pakkudes segamise efektiivsuse 90% suurenemist. Võrreldaval segistil A1 oli segamise efektiivsuse paranemine 75%, millele järgnes 45% paranemine võrreldaval segistil B1. Siinuslaine vähenemise põhikatse voolukiirusega viidi läbi rea segistitega samades tingimustes nagu 1. juhtumi siinuskõvera test, muutes ainult voolukiirust. Andmed näitasid, et voolukiiruste vahemikus 0,25 kuni 1 ml/min jäi siinuslaine esialgne vähenemine kõigi kolme segisti mahu puhul suhteliselt konstantseks. Kahe väiksema mahuga segisti puhul on voolukiiruse vähenedes sinusoidaalse kokkutõmbumise kerge suurenemine, mis on ootuspärane lahusti suurenenud viibimisaja tõttu segistis, mis võimaldab suuremat difusioonsegunemist. Siinuslaine vähenemise eeldatavasti suureneb voolu edasise vähenemise korral. Suurima segisti mahu puhul, millel on kõrgeim siinuslaine baassumbumine, jäi siinuslaine baassumbumine aga praktiliselt muutumatuks (eksperimentaalse määramatuse piires), väärtustega vahemikus 95% kuni 98%. Riis. 10. Siinuslaine põhisumbumine voolukiiruse suhtes 1. juhul. Katse viidi läbi siinustestiga sarnastes tingimustes muutuva voolukiirusega, süstides 80% atsetonitriili ja vee 80/20 segu ning 20% ​​20 mM ammooniumatsetaati.
Patenteeritud PerfectPeak™ äsja väljatöötatud kolme sisemise mahuga (30 µl, 60 µl ja 90 µl) staatiliste segistite seeria katab enamiku HPLC analüüside jaoks vajaliku mahu ja segamisjõudluse vahemiku, mis nõuavad paremat segamist ja madala dispersiooniga põrandaid. Uus staatiline segisti saavutab selle uue 3D-printimistehnoloogia abil, luues ainulaadse 3D-struktuuri, mis tagab parema hüdrodünaamilise staatilise segamise ja suurima baasmüra vähenemise sisemise segu mahuühiku kohta. Tavapärase segisti sisemahu 1/3 kasutamine vähendab baasmüra 98%. Sellised segistid koosnevad omavahel ühendatud kolmemõõtmelistest voolukanalitest, millel on erinevad ristlõikepinnad ja erinevad teepikkused, kui vedelik läbib keerulisi geomeetrilisi barjääre. Uus staatiliste segistite perekond pakub paremat jõudlust võrreldes konkureerivate segistitega, kuid väiksema sisemise mahuga, mille tulemuseks on parem signaali-müra suhe ja madalamad kvantifitseerimispiirid, samuti parem piigi kuju, efektiivsus ja eraldusvõime suurema tundlikkuse saavutamiseks.
Selles numbris Kromatograafia – Keskkonnasõbralik RP-HPLC – Tuum-kest kromatograafia kasutamine atsetonitriili asendamiseks isopropanooliga analüüsis ja puhastamisel – Uus gaasikromatograaf…
Ärikeskus International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Ühendkuningriik