Desenvolveuse un revolucionario novo mesturador estático en liña deseñado especificamente para cumprir os estritos requisitos dos sistemas de cromatografía líquida de alto rendemento (HPLC) e cromatografía líquida de ultra alto rendemento (HPLC e UHPLC).A mala mestura de dúas ou máis fases móbiles pode producir unha relación sinal-ruído máis alta, o que reduce a sensibilidade.A mestura estática homoxénea de dous ou máis fluídos cun volume interno mínimo e dimensións físicas dun mesturador estático representa o estándar máis alto dun mesturador estático ideal.O novo mesturador estático conségueo mediante a nova tecnoloxía de impresión 3D para crear unha estrutura 3D única que proporciona unha mestura estática hidrodinámica mellorada coa maior porcentaxe de redución da onda sinusoidal base por unidade de volume interno da mestura.Usar 1/3 do volume interno dun mesturador convencional reduce a onda sinusoidal básica nun 98%.O mesturador está formado por canles de fluxo 3D interconectados con diferentes áreas de sección transversal e lonxitudes de camiño a medida que o fluído atravesa xeometrías 3D complexas.Mesturar ao longo de múltiples camiños de fluxo tortuosos, combinado con turbulencias locais e remolinos, dá lugar a mesturas a escalas micro, meso e macro.Este mesturador único está deseñado usando simulacións de dinámica de fluídos computacional (CFD).Os datos de proba presentados mostran que se consegue unha excelente mestura cun volume interno mínimo.
Durante máis de 30 anos, a cromatografía líquida utilizouse en moitas industrias, incluíndo produtos farmacéuticos, pesticidas, protección ambiental, forense e análise química.A capacidade de medir partes por millón ou menos é fundamental para o desenvolvemento tecnolóxico de calquera industria.A mala eficiencia de mestura leva a unha mala relación sinal-ruído, o que supón unha molestia para a comunidade da cromatografía en termos de límites de detección e sensibilidade.Cando se mesturan dous disolventes de HPLC, ás veces é necesario forzar a mestura por medios externos para homoxeneizar os dous disolventes porque algúns disolventes non se mesturan ben.Se os disolventes non se mesturan completamente, pode producirse a degradación do cromatograma HPLC, manifestándose como un ruído de base excesivo e/ou unha forma de pico deficiente.Cunha mestura deficiente, o ruído de liña base aparecerá como unha onda sinusoidal (ascendente e descendente) do sinal do detector ao longo do tempo.Ao mesmo tempo, unha mestura deficiente pode levar a picos ensanchados e asimétricos, reducindo o rendemento analítico, a forma dos picos e a resolución dos picos.A industria recoñeceu que os mesturadores estáticos en liña e en T son un medio para mellorar estes límites e permitir aos usuarios acadar límites de detección (sensibilidades) máis baixos.O mesturador estático ideal combina os beneficios dunha alta eficiencia de mestura, baixo volume morto e baixa caída de presión cun volume mínimo e un máximo rendemento do sistema.Ademais, a medida que a análise se fai máis complexa, os analistas deben usar habitualmente disolventes máis polares e difíciles de mesturar.Isto significa que unha mellor mestura é imprescindible para probas futuras, aumentando aínda máis a necesidade dun deseño e rendemento superior do mesturador.
Mott desenvolveu recentemente unha nova gama de mesturadores estáticos en liña PerfectPeakTM patentados con tres volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Estes tamaños cobren o rango de volumes e características de mestura necesarias para a maioría das probas de HPLC onde se require unha mestura mellorada e baixa dispersión.Os tres modelos teñen 0,5 polgadas de diámetro e ofrecen un rendemento líder na industria nun deseño compacto.Están feitos de aceiro inoxidable 316L, pasivados para a inercia, pero tamén están dispoñibles titanio e outras aliaxes metálicas resistentes á corrosión e químicamente inertes.Estes mesturadores teñen unha presión de funcionamento máxima de ata 20.000 psi.Sobre a fig.A figura 1a é unha fotografía dun mesturador estático Mott de 60 µl deseñado para proporcionar a máxima eficiencia de mestura ao utilizar un volume interno menor que os mesturadores estándar deste tipo.Este novo deseño de mesturador estático utiliza unha nova tecnoloxía de fabricación aditiva para crear unha estrutura 3D única que utiliza menos fluxo interno que calquera mesturador que se usa actualmente na industria da cromatografía para conseguir a mestura estática.Estes mesturadores consisten en canles de fluxo tridimensionais interconectados con diferentes áreas de sección transversal e lonxitudes de camiño diferentes a medida que o líquido atravesa barreiras xeométricas complexas no seu interior.Sobre a fig.A figura 1b mostra un diagrama esquemático do novo mesturador, que utiliza accesorios de compresión HPLC roscados 10-32 estándar da industria para a entrada e a saída, e ten bordos azuis sombreados do porto do mesturador interno patentado.Diferentes áreas de sección transversal das vías de fluxo internos e os cambios na dirección do fluxo dentro do volume de fluxo interno crean rexións de fluxo turbulento e laminar, causando mesturas a escalas micro, meso e macro.O deseño deste mesturador exclusivo utilizou simulacións de dinámica de fluídos computacional (CFD) para analizar patróns de fluxo e refinar o deseño antes de realizar prototipos para probas analíticas internas e avaliación de campo do cliente.A fabricación aditiva é o proceso de impresión de compoñentes xeométricos 3D directamente a partir de debuxos CAD sen necesidade de mecanizado tradicional (fresadoras, tornos, etc.).Estes novos mesturadores estáticos están deseñados para ser fabricados mediante este proceso, onde o corpo do mesturador é creado a partir de debuxos CAD e as pezas son fabricadas (impreso) capa por capa mediante a fabricación aditiva.Aquí, deposítase unha capa de po metálico duns 20 micras de espesor, e un láser controlado por ordenador funde e funde selectivamente o po nunha forma sólida.Aplique outra capa encima desta capa e aplique sinterización con láser.Repita este proceso ata que a peza estea completamente rematada.A continuación, elimínase o po da parte non unida con láser, deixando unha parte impresa en 3D que coincide co debuxo CAD orixinal.O produto final é algo similar ao proceso microfluídico, coa principal diferenza de que os compoñentes microfluídicos adoitan ser bidimensionais (planos), mentres que mediante a fabricación aditiva pódense crear patróns de fluxo complexos en xeometría tridimensional.Estas billas están dispoñibles actualmente como pezas impresas en 3D en aceiro inoxidable 316L e titanio.A maioría das aliaxes metálicas, polímeros e algunhas cerámicas pódense usar para fabricar compoñentes mediante este método e serán considerados en proxectos/produtos futuros.
Arroz.1. Fotografía (a) e diagrama (b) dun mesturador estático Mott de 90 μl que mostra unha sección transversal do camiño do fluxo do fluído do mesturador sombreado en azul.
Executa simulacións de dinámica de fluídos computacionais (CFD) do rendemento do mesturador estático durante a fase de deseño para axudar a desenvolver deseños eficientes e reducir os experimentos de proba e erro que lentos e custosos.Simulación CFD de mesturadores estáticos e tuberías estándar (simulación sen mesturar) utilizando o paquete de software COMSOL Multiphysics.Modelado mediante mecánica de fluídos laminares impulsada por presión para comprender a velocidade e a presión do fluído dentro dunha peza.Esta dinámica de fluídos, combinada co transporte químico de compostos de fase móbil, axuda a comprender a mestura de dous líquidos concentrados diferentes.O modelo estúdase en función do tempo, igual a 10 segundos, para facilitar o cálculo mentres se buscan solucións comparables.Os datos teóricos obtivéronse nun estudo correlacionado co tempo mediante a ferramenta de proxección da sonda de puntos, onde se escolleu un punto no medio da saída para a recollida de datos.O modelo CFD e as probas experimentais utilizaron dous disolventes diferentes a través dunha válvula de mostraxe proporcional e un sistema de bombeo, o que resultou nun tapón de substitución para cada disolvente na liña de mostraxe.Estes disolventes mestúranse despois nun mesturador estático.As figuras 2 e 3 mostran simulacións de fluxo a través dun tubo estándar (sen mesturador) e dun mesturador estático Mott, respectivamente.A simulación realizouse nun tubo recto de 5 cm de lonxitude e 0,25 mm de diámetro interior para demostrar o concepto de alternar tapóns de auga e acetonitrilo puro no tubo en ausencia dun mesturador estático, como se mostra na Figura 2. A simulación utilizou as dimensións exactas do tubo e do mesturador e un caudal de 0,3 ml/min.
Arroz.2. Simulación do fluxo CFD nun tubo de 5 cm cun diámetro interno de 0,25 mm para representar o que sucede nun tubo de HPLC, é dicir, en ausencia de mesturador.O vermello completo representa a fracción de masa da auga.O azul representa a falta de auga, é dicir, acetonitrilo puro.Pódense ver rexións de difusión entre tapóns alternados de dous líquidos diferentes.
Arroz.3. Mesturador estático cun volume de 30 ml, modelado no paquete de software COMSOL CFD.A lenda representa a fracción de masa de auga no mesturador.A auga pura móstrase en vermello e o acetonitrilo puro en azul.O cambio na fracción de masa da auga simulada está representado por un cambio na cor da mestura de dous líquidos.
Sobre a fig.A figura 4 mostra un estudo de validación do modelo de correlación entre a eficacia da mestura e o volume de mestura.A medida que aumenta o volume de mestura, a eficacia da mestura aumentará.Segundo o coñecemento dos autores, outras forzas físicas complexas que actúan no interior do mesturador non se poden contabilizar neste modelo CFD, o que resulta nunha maior eficiencia de mestura nas probas experimentais.A eficiencia de mestura experimental foi medida como a porcentaxe de redución na sinusoide base.Ademais, o aumento da contrapresión adoita producir niveis de mestura máis altos, que non se teñen en conta na simulación.
Utilizáronse as seguintes condicións de HPLC e configuración de proba para medir ondas senoidal en bruto para comparar o rendemento relativo de diferentes mesturadores estáticos.O diagrama da Figura 5 mostra un esquema típico do sistema HPLC/UHPLC.Probouse o mesturador estático colocando o mesturador directamente despois da bomba e antes do inxector e da columna de separación.A maioría das medicións sinusoidais de fondo realízanse ignorando o inxector e a columna capilar entre o mesturador estático e o detector UV.Ao avaliar a relación sinal-ruído e/ou analizar a forma do pico, a configuración do sistema móstrase na Figura 5.
Figura 4. Gráfico da eficiencia de mestura fronte ao volume de mestura para unha serie de mesturadores estáticos.A impureza teórica segue a mesma tendencia que os datos experimentais de impurezas que confirman a validez das simulacións CFD.
O sistema HPLC utilizado para esta proba foi un HPLC Agilent da serie 1100 cun detector UV controlado por un PC que executaba o software Chemstation.A táboa 1 mostra as condicións típicas de sintonización para medir a eficiencia do mesturador mediante o seguimento dos sinusoides básicos en dous casos prácticos.Realizáronse probas experimentais en dous exemplos diferentes de disolventes.Os dous disolventes mesturados no caso 1 foron o disolvente A (acetato de amonio 20 mM en auga desionizada) e o disolvente B (80% de acetonitrilo (ACN)/20% de auga desionizada).No caso 2, o disolvente A era unha solución de acetona ao 0,05% (etiqueta) en auga desionizada.O disolvente B é unha mestura de 80/20% de metanol e auga.No caso 1, a bomba axustouse a un caudal de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, e no caso 2, a bomba axustouse a un caudal constante de 1 ml/min.En ambos os casos, a proporción da mestura de disolventes A e B foi do 20% A/80% B. O detector púxose a 220 nm no caso 1, e a máxima absorción de acetona no caso 2 a unha lonxitude de onda de 265 nm.
Táboa 1. Configuracións de HPLC para os casos 1 e 2 Caso 1 Caso 2 Velocidade da bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Disolvente A Acetato de amonio 20 mM en auga desionizada 0,05 % Acetona en auga desionizada Disolvente B 80 % Acetonitrilo / 80 % auga desionizada 20 % 0 % que auga desionizada Relación de disolvente 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Arroz.6. Gráficas de ondas sinusoidales mixtas medidas antes e despois de aplicar un filtro paso baixo para eliminar os compoñentes da deriva da liña de base do sinal.
A figura 6 é un exemplo típico de ruído base mixto no caso 1, mostrado como un patrón sinusoidal repetido superposto á deriva da liña base.A deriva da liña de base é un lento aumento ou diminución do sinal de fondo.Se non se permite que o sistema se equilibre o tempo suficiente, normalmente caerá, pero derivará de forma errática mesmo cando o sistema estea completamente estable.Esta deriva da liña de base tende a aumentar cando o sistema funciona en condicións de forte pendiente ou contrapresión elevada.Cando está presente esta deriva da liña de base, pode ser difícil comparar os resultados dunha mostra a outra, o que se pode superar aplicando un filtro paso baixo aos datos en bruto para filtrar estas variacións de baixa frecuencia, proporcionando así unha gráfica de oscilación cunha liña de base plana.Sobre a fig.A figura 6 tamén mostra un gráfico do ruído base do mesturador despois de aplicar un filtro de paso baixo.
Despois de completar as simulacións CFD e as probas experimentais iniciais, desenvolvéronse posteriormente tres mesturadores estáticos separados utilizando os compoñentes internos descritos anteriormente con tres volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Este intervalo abrangue o rango de volumes e rendemento de mestura necesarios para aplicacións de HPLC de baixo analito onde se require unha mestura mellorada e baixa dispersión para producir liñas de base de baixa amplitude.Sobre a fig.A figura 7 mostra as medicións básicas de onda sinusoidal obtidas no sistema de proba do exemplo 1 (acetonitrilo e acetato de amonio como trazadores) con tres volumes de mesturadores estáticos e sen mesturadores instalados.As condicións de proba experimentais para os resultados mostrados na Figura 7 mantivéronse constantes ao longo das catro probas segundo o procedemento descrito na Táboa 1 a un caudal de disolvente de 0,5 ml/min.Aplique un valor de compensación aos conxuntos de datos para que se poidan mostrar un xunto ao outro sen que se superpoñan o sinal.A compensación non afecta a amplitude do sinal utilizado para xulgar o nivel de rendemento do mesturador.A amplitude sinusoidal media sen o mesturador foi de 0,221 mAi, mentres que as amplitudes dos mesturadores Mott estáticos a 30 µl, 60 µl e 90 µl caeron a 0,077, 0,017 e 0,004 mAi, respectivamente.
Figura 7. Desfase de sinal do detector UV de HPLC en función do tempo para o caso 1 (acetonitrilo con indicador de acetato de amonio) que mostra a mestura de disolventes sen mesturador, os mesturadores Mott de 30 µl, 60 µl e 90 µl mostran unha mestura mellorada (menor amplitude de sinal) a medida que aumenta o volume do mesturador estático.(compensacións de datos reais: 0,13 (sen mesturador), 0,32, 0,4, 0,45 mA para unha mellor visualización).
Os datos mostrados na fig.8 son os mesmos que na figura 7, pero nesta ocasión inclúen os resultados de tres mesturadores estáticos de HPLC de uso común con volumes internos de 50 µl, 150 µl e 250 µl.Arroz.Figura 8. Gráfico de compensación de sinal do detector UV HPLC en función do tempo para o caso 1 (acetonitrilo e acetato de amonio como indicadores) que mostra a mestura de disolvente sen mesturador estático, a nova serie de mesturadores estáticos Mott e tres mesturadores convencionais (a compensación de datos real é 0,1 (sen mesturador), 0,32, 0,6, 0,48, 0,90, 0,48, 0,90 m, respectivamente, para a visualización mellor. efecto).A redución porcentual da onda sinusoidal base calcúlase pola relación entre a amplitude da onda sinusoidal e a amplitude sen o mesturador instalado.As porcentaxes de atenuación da onda sinusoidal medidas para os casos 1 e 2 están listadas na Táboa 2, xunto cos volumes internos dun novo mesturador estático e sete mesturadores estándar usados ​​habitualmente na industria.Os datos das Figuras 8 e 9, así como os cálculos presentados na Táboa 2, mostran que o Mesturador estático Mott pode proporcionar ata un 98,1% de atenuación da onda sinusoidal, superando con moito o rendemento dun mesturador HPLC convencional nestas condicións de proba.Figura 9. Gráfico de compensación do sinal do detector UV de HPLC en función do tempo para o caso 2 (metanol e acetona como trazadores) que non mostra ningún mesturador estático (combinado), unha nova serie de mesturadores estáticos Mott e dous mesturadores convencionais (as compensacións de datos reais son 0, 11 (sen mesturador.), 0,22, 0,3, 0,35 mA e 0,35 mA para mellor visualización).Tamén se avaliaron sete mesturadores de uso habitual na industria.Estes inclúen mesturas con tres volumes internos diferentes da empresa A (designado Mixer A1, A2 e A3) e da empresa B (designado Mixer B1, B2 e B3).A empresa C só ten unha talla.
Táboa 2. Características de axitación do mesturador estático e volume interno Mesturador estático Caso 1 Recuperación sinusoidal: Proba de acetonitrilo (eficiencia) Caso 2 Recuperación sinusoidal: Proba de auga con metanol (eficiencia) Volume interno (µl) Sen mesturador – - 0 Mott 30 65% 30 65% 692,6% Mott. 0 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% 45,8% 45,7% Mixer B92 45,7% Mixer C 97,2 % 97,4 % 250
A análise dos resultados da Figura 8 e da Táboa 2 mostra que o mesturador estático Mott de 30 µl ten a mesma eficacia de mestura que o mesturador A1, é dicir, 50 µl, non obstante, o Mott de 30 µl ten un 30 % menos de volume interno.Ao comparar o mesturador Mott de 60 µl co mesturador A2 de volume interno de 150 µl, houbo unha lixeira mellora na eficiencia de mestura do 92% fronte ao 89%, pero o máis importante é que este maior nivel de mestura conseguiuse a 1/3 do volume do mesturador.mesturador similar A2.O rendemento do mesturador Mott de 90 µl seguiu a mesma tendencia que o mesturador A3 cun volume interno de 250 µl.Tamén se observaron melloras no rendemento da mestura do 98% e do 92% cunha redución do volume interno por tres veces.Obtivéronse resultados e comparacións similares para os mesturadores B e C. Como resultado, a nova serie de mesturadores estáticos Mott PerfectPeakTM proporciona unha maior eficiencia de mestura que os mesturadores da competencia comparables, pero con menos volume interno, proporcionando un mellor ruído de fondo e unha mellor relación sinal-ruído, mellor sensibilidade Analyte, forma de pico e resolución de pico.Tendencias similares na eficiencia da mestura observáronse nos estudos do caso 1 e do caso 2.Para o caso 2, realizáronse probas usando (metanol e acetona como indicadores) para comparar a eficacia de mestura de 60 ml Mott, un mesturador comparable A1 (volume interno 50 µl) e un mesturador comparable B1 (volume interno 35 µl)., o rendemento era pobre sen un mesturador instalado, pero utilizouse para a análise de referencia.O mesturador Mott de 60 ml demostrou ser o mellor mesturador do grupo de proba, proporcionando un aumento do 90% na eficiencia de mestura.Un mesturador A1 comparable viu unha mellora do 75% na eficiencia de mestura seguida dunha mellora do 45% nun mesturador B1 comparable.Realizouse unha proba básica de redución de onda sinusoidal con caudal nunha serie de mesturadores nas mesmas condicións que a proba da curva senoidal no caso 1, cambiando só o caudal.Os datos mostraron que no intervalo de caudais de 0,25 a 1 ml/min, a diminución inicial da onda sinusoidal permaneceu relativamente constante para os tres volumes do mesturador.Para os dous mesturadores de menor volume, hai un lixeiro aumento da contracción sinusoidal a medida que diminúe o caudal, o que se espera debido ao aumento do tempo de residencia do disolvente no mesturador, o que permite unha maior mestura de difusión.Espérase que a subtracción da onda sinusoidal aumente a medida que o fluxo diminúe aínda máis.Non obstante, para o maior volume do mesturador coa maior atenuación da base de onda sinusoidal, a atenuación da base da onda sinusoidal permaneceu practicamente inalterada (dentro do intervalo de incerteza experimental), con valores que van do 95% ao 98%.Arroz.10. Atenuación básica dunha onda sinusoidal fronte ao caudal no caso 1. A proba realizouse en condicións similares á proba sinusoidal con caudal variable, inxectando o 80% dunha mestura 80/20 de acetonitrilo e auga e o 20% de acetato de amonio 20 mM.
A gama recentemente desenvolvida de mesturadores estáticos en liña PerfectPeakTM patentados con tres volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl cobre o volume e o intervalo de rendemento de mestura necesario para a maioría das análises de HPLC que requiren unha mestura mellorada e pisos de baixa dispersión.O novo mesturador estático conségueo mediante a nova tecnoloxía de impresión 3D para crear unha estrutura 3D única que proporciona unha mestura estática hidrodinámica mellorada coa maior porcentaxe de redución do ruído base por unidade de volume de mestura interna.Usar 1/3 do volume interno dun mesturador convencional reduce o ruído base nun 98%.Estes mesturadores consisten en canles de fluxo tridimensionais interconectados con diferentes áreas de sección transversal e lonxitudes de camiño diferentes a medida que o líquido atravesa barreiras xeométricas complexas no seu interior.A nova familia de mesturadores estáticos proporciona un rendemento mellor que os mesturadores da competencia, pero cun volume interno menor, o que resulta nunha mellor relación sinal-ruído e límites de cuantificación máis baixos, así como unha forma de pico, eficiencia e resolución melloradas para unha maior sensibilidade.
Neste número Cromatografía – RP-HPLC respectuosa co medio ambiente – Uso da cromatografía núcleo-envolvente para substituír acetonitrilo por isopropanol na análise e purificación – Novo cromatógrafo de gases para…
Centro de negocios International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Reino Unido