Razvijen je revolucionarni novi statički mikser, posebno dizajniran kako bi zadovoljio stroge zahtjeve sustava tekućinske kromatografije visoke učinkovitosti (HPLC) i tekućinske kromatografije ultra visoke učinkovitosti (HPLC i UHPLC). Loše miješanje dviju ili više mobilnih faza može rezultirati većim omjerom signala i šuma, što smanjuje osjetljivost. Homogeno statičko miješanje dviju ili više tekućina s minimalnim unutarnjim volumenom i fizičkim dimenzijama statičkog miksera predstavlja najviši standard idealnog statičkog miksera. Novi statički mikser to postiže korištenjem nove tehnologije 3D ispisa za stvaranje jedinstvene 3D strukture koja pruža poboljšano hidrodinamičko statičko miješanje s najvećim postotkom smanjenja osnovnog sinusnog vala po jedinici unutarnjeg volumena smjese. Korištenje 1/3 unutarnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje osnovni sinusni val za 98%. Mikser se sastoji od međusobno povezanih 3D kanala protoka s različitim površinama poprečnog presjeka i duljinama puta dok tekućina prolazi kroz složene 3D geometrije. Miješanje duž višestrukih vijugavih putova protoka, u kombinaciji s lokalnom turbulencijom i vrtlozima, rezultira miješanjem na mikro, mezo i makro skali. Ovaj jedinstveni mikser dizajniran je korištenjem simulacija računalne dinamike fluida (CFD). Prikazani podaci ispitivanja pokazuju da se izvrsno miješanje postiže uz minimalni unutarnji volumen.
Više od 30 godina tekućinska kromatografija koristi se u mnogim industrijama, uključujući farmaceutsku industriju, pesticide, zaštitu okoliša, forenziku i kemijsku analizu. Mogućnost mjerenja u dijelovima na milijun ili manje ključna je za tehnološki razvoj u bilo kojoj industriji. Loša učinkovitost miješanja dovodi do lošeg omjera signala i šuma, što predstavlja smetnju za kromatografsku zajednicu u smislu granica detekcije i osjetljivosti. Prilikom miješanja dva HPLC otapala ponekad je potrebno prisilno miješanje vanjskim sredstvima kako bi se dva otapala homogenizirala jer se neka otapala ne miješaju dobro. Ako se otapala ne pomiješaju temeljito, može doći do degradacije HPLC kromatograma, što se manifestira kao prekomjerni osnovni šum i/ili loš oblik vrha. Kod lošeg miješanja, osnovni šum će se s vremenom pojaviti kao sinusni val (rastući i padajući) signala detektora. Istodobno, loše miješanje može dovesti do širenja i asimetričnih vrhova, smanjujući analitičke performanse, oblik vrha i rezoluciju vrha. Industrija je prepoznala da su linijski i T-statički mikseri sredstvo za poboljšanje tih granica i omogućuju korisnicima postizanje nižih granica detekcije (osjetljivosti). Idealni statički mikser kombinira prednosti visoke učinkovitosti miješanja, niskog mrtvog volumena i niskog pada tlaka s minimalnim volumenom i maksimalnim protokom sustava. Osim toga, kako analiza postaje složenija, analitičari moraju rutinski koristiti polarnija i teško miješajuća otapala. To znači da je bolje miješanje nužno za buduća ispitivanja, što dodatno povećava potrebu za vrhunskim dizajnom i performansama miksera.
Mott je nedavno razvio novu liniju patentiranih statičkih miksera PerfectPeakTM s tri unutarnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Ove veličine pokrivaju raspon volumena i karakteristika miješanja potrebnih za većinu HPLC testova gdje je potrebno poboljšano miješanje i niska disperzija. Sva tri modela imaju promjer od 0,5″ i pružaju vodeće performanse u industriji u kompaktnom dizajnu. Izrađeni su od nehrđajućeg čelika 316L, pasiviranog radi inertnosti, ali dostupni su i titan i druge metalne legure otporne na koroziju i kemijski inertne. Ovi mikseri imaju maksimalni radni tlak do 20 000 psi. Na slici 1a prikazana je fotografija Mott statičkog miksera od 60 µl dizajniranog za maksimalnu učinkovitost miješanja uz korištenje manjeg unutarnjeg volumena od standardnih miksera ovog tipa. Ovaj novi dizajn statičkog miksera koristi novu tehnologiju aditivne proizvodnje za stvaranje jedinstvene 3D strukture koja koristi manji unutarnji protok od bilo kojeg miksera koji se trenutno koristi u kromatografskoj industriji za postizanje statičkog miješanja. Takve miješalice sastoje se od međusobno povezanih trodimenzionalnih kanala protoka s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim duljinama puta dok tekućina prelazi složene geometrijske barijere unutra. Na sl. 1b prikazan je shematski dijagram nove miješalice koja koristi industrijski standardne 10-32 navojne HPLC kompresijske spojnice za ulaz i izlaz, te ima zasjenjene plave rubove patentiranog unutarnjeg otvora miješalice. Različite površine poprečnog presjeka unutarnjih putova protoka i promjene smjera protoka unutar unutarnjeg volumena protoka stvaraju područja turbulentnog i laminarnog protoka, uzrokujući miješanje na mikro, mezo i makro razini. Dizajn ove jedinstvene miješalice koristio je simulacije računalne dinamike fluida (CFD) za analizu obrazaca protoka i poboljšanje dizajna prije izrade prototipa za interna analitička ispitivanja i terensku procjenu kupaca. Aditivna proizvodnja je proces ispisa 3D geometrijskih komponenti izravno iz CAD crteža bez potrebe za tradicionalnom obradom (glodalice, tokarilice itd.). Ove nove statičke miješalice dizajnirane su za proizvodnju korištenjem ovog procesa, gdje se tijelo miješalice stvara iz CAD crteža, a dijelovi se izrađuju (tiskaju) sloj po sloj korištenjem aditivne proizvodnje. Ovdje se nanosi sloj metalnog praha debljine oko 20 mikrona, a računalno kontrolirani laser selektivno topi i spaja prah u čvrsti oblik. Nanesite još jedan sloj na vrh ovog sloja i primijenite lasersko sinteriranje. Ponovite ovaj postupak dok dio nije potpuno dovršen. Prah se zatim uklanja s dijela koji nije spojen laserom, ostavljajući 3D ispisani dio koji odgovara izvornom CAD crtežu. Konačni proizvod donekle je sličan mikrofluidnom procesu, s glavnom razlikom što su mikrofluidne komponente obično dvodimenzionalne (ravne), dok se korištenjem aditivne proizvodnje mogu stvoriti složeni obrasci toka u trodimenzionalnoj geometriji. Ove slavine trenutno su dostupne kao 3D ispisani dijelovi od nehrđajućeg čelika 316L i titana. Većina metalnih legura, polimera i nekih keramičkih materijala može se koristiti za izradu komponenti ovom metodom i bit će razmotreni u budućim dizajnima/proizvodima.
Riža. 1. Fotografija (a) i dijagram (b) Mott statičkog miksera od 90 μl koji prikazuje presjek putanje protoka tekućine miksera, označen plavom bojom.
Pokrenite računalne simulacije dinamike fluida (CFD) performansi statičkog miksera tijekom faze projektiranja kako biste pomogli u razvoju učinkovitih dizajna i smanjili dugotrajne i skupe eksperimente pokušaja i pogrešaka. CFD simulacija statičkih miksera i standardnih cjevovoda (simulacija bez miksera) pomoću softverskog paketa COMSOL Multiphysics. Modeliranje korištenjem laminarne mehanike fluida vođene tlakom za razumijevanje brzine i tlaka fluida unutar dijela. Ova dinamika fluida, u kombinaciji s kemijskim transportom spojeva mobilne faze, pomaže u razumijevanju miješanja dviju različitih koncentriranih tekućina. Model se proučava kao funkcija vremena, jednaka 10 sekundi, radi lakšeg izračuna tijekom traženja usporedivih rješenja. Teorijski podaci dobiveni su u vremenski koreliranoj studiji korištenjem alata za projekciju točkaste sonde, gdje je za prikupljanje podataka odabrana točka u sredini izlaza. CFD model i eksperimentalni testovi koristili su dva različita otapala putem proporcionalnog ventila za uzorkovanje i sustava pumpanja, što je rezultiralo zamjenskim čepom za svako otapalo u liniji za uzorkovanje. Ova otapala se zatim miješaju u statičkom mikseru. Slike 2 i 3 prikazuju simulacije protoka kroz standardnu ​​cijev (bez miksera) i kroz Mott statički mikser. Simulacija je provedena na ravnoj cijevi duljine 5 cm i unutarnjeg promjera 0,25 mm kako bi se demonstrirao koncept naizmjeničnog ubacivanja vode i čistog acetonitrila u cijev bez statičkog miksera, kao što je prikazano na slici 2. Simulacija je koristila točne dimenzije cijevi i miksera te brzinu protoka od 0,3 ml/min.
Riža. 2. Simulacija CFD toka u cijevi od 5 cm s unutarnjim promjerom od 0,25 mm za prikaz onoga što se događa u HPLC cijevi, tj. u odsutnosti miješalice. Puna crvena boja predstavlja maseni udio vode. Plava boja predstavlja nedostatak vode, tj. čisti acetonitril. Difuzijska područja mogu se vidjeti između naizmjeničnih čepova dviju različitih tekućina.
Riža. 3. Statička mješalica volumena 30 ml, modelirana u COMSOL CFD programskom paketu. Legenda predstavlja maseni udio vode u mješalici. Čista voda prikazana je crvenom bojom, a čisti acetonitril plavom. Promjena masenog udjela simulirane vode predstavljena je promjenom boje miješanja dviju tekućina.
Na sl. 4 prikazana je studija validacije modela korelacije između učinkovitosti miješanja i volumena miješanja. Kako se volumen miješanja povećava, povećavat će se i učinkovitost miješanja. Koliko je autorima poznato, druge složene fizičke sile koje djeluju unutar miješalice ne mogu se uzeti u obzir u ovom CFD modelu, što rezultira većom učinkovitošću miješanja u eksperimentalnim ispitivanjima. Eksperimentalna učinkovitost miješanja mjerena je kao postotak smanjenja baznog sinusoida. Osim toga, povećani protutlak obično rezultira višim razinama miješanja, što se ne uzima u obzir u simulaciji.
Sljedeći HPLC uvjeti i ispitni postav korišteni su za mjerenje sirovih sinusnih valova kako bi se usporedile relativne performanse različitih statičkih miksera. Dijagram na slici 5 prikazuje tipičan raspored HPLC/UHPLC sustava. Statički mikser je testiran postavljanjem miksera izravno nakon pumpe i prije injektora i kolone za separaciju. Većina mjerenja pozadinskog sinusoidnog signala vrši se zaobilazeći injektor i kapilarnu kolonu između statičkog miksera i UV detektora. Prilikom procjene omjera signala i šuma i/ili analize oblika vrha, konfiguracija sustava prikazana je na slici 5.
Slika 4. Grafikon učinkovitosti miješanja u odnosu na volumen miješanja za niz statičkih miksera. Teorijska nečistoća slijedi isti trend kao i eksperimentalni podaci o nečistoćama, što potvrđuje valjanost CFD simulacija.
HPLC sustav korišten za ovo ispitivanje bio je Agilent 1100 Series HPLC s UV detektorom kojim upravlja računalo na kojem je pokrenut Chemstation softver. Tablica 1 prikazuje tipične uvjete podešavanja za mjerenje učinkovitosti miješalice praćenjem osnovnih sinusoida u dvije studije slučaja. Eksperimentalni testovi provedeni su na dva različita primjera otapala. Dva otapala pomiješana u slučaju 1 bila su otapalo A (20 mM amonijev acetat u deioniziranoj vodi) i otapalo B (80% acetonitril (ACN)/20% deionizirana voda). U slučaju 2, otapalo A bila je otopina 0,05% acetona (oznaka) u deioniziranoj vodi. Otapalo B je smjesa 80/20% metanola i vode. U slučaju 1, pumpa je postavljena na brzinu protoka od 0,25 ml/min do 1,0 ml/min, a u slučaju 2, pumpa je postavljena na konstantnu brzinu protoka od 1 ml/min. U oba slučaja, omjer smjese otapala A i B bio je 20% A/80% B. Detektor je u slučaju 1 postavljen na 220 nm, a maksimalna apsorpcija acetona u slučaju 2 postavljena je na valnu duljinu od 265 nm.
Tablica 1. HPLC konfiguracije za slučajeve 1 i 2 Slučaj 1 Slučaj 2 Brzina pumpe ​​0,25 ml/min do 1,0 ml/min 1,0 ml/min Otapalo A 20 mM amonijev acetat u deioniziranoj vodi 0,05% Aceton u deioniziranoj vodi Otapalo B 80% Acetonitril (ACN) / 20% deionizirana voda 80% metanol / 20% deionizirana voda Omjer otapala 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Riža. 6. Grafikoni miješanih sinusnih valova izmjerenih prije i nakon primjene niskopropusnog filtra za uklanjanje komponenti osnovnog pomaka signala.
Slika 6 je tipičan primjer miješane osnovne buke u Slučaju 1, prikazan kao ponavljajući sinusoidni uzorak superponiran na pomak osnovne linije. Pomak osnovne linije je sporo povećanje ili smanjenje pozadinskog signala. Ako se sustavu ne dopusti da se dovoljno dugo uravnoteži, obično će padati, ali će se nepravilno pomicati čak i kada je sustav potpuno stabilan. Ovaj pomak osnovne linije ima tendenciju povećanja kada sustav radi u uvjetima strmog gradijenta ili visokog povratnog tlaka. Kada je prisutan ovaj pomak osnovne linije, može biti teško usporediti rezultate od uzorka do uzorka, što se može prevladati primjenom niskopropusnog filtera na sirove podatke kako bi se filtrirale te niskofrekventne varijacije, čime se dobiva dijagram oscilacija s ravnom osnovnom linijom. Na sl. Slika 6 također prikazuje dijagram osnovne buke miksera nakon primjene niskopropusnog filtera.
Nakon završetka CFD simulacija i početnih eksperimentalnih ispitivanja, razvijene su tri odvojene statičke miješalice korištenjem gore opisanih unutarnjih komponenti s tri unutarnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl. Ovaj raspon pokriva raspon volumena i performansi miješanja potrebnih za HPLC primjene s niskim udjelom analita gdje su potrebni poboljšano miješanje i niska disperzija za stvaranje osnovnih linija s niskom amplitudom. Na slici 7 prikazana su osnovna mjerenja sinusnog vala dobivena na ispitnom sustavu iz Primjera 1 (acetonitril i amonijev acetat kao traseri) s tri volumena statičkih miješalica i bez instaliranih miješalica. Eksperimentalni uvjeti ispitivanja za rezultate prikazane na slici 7 održavani su konstantnima tijekom sva 4 ispitivanja prema postupku opisanom u Tablici 1 pri brzini protoka otapala od 0,5 ml/min. Primijenite vrijednost pomaka na skupove podataka kako bi se mogli prikazati jedan pored drugog bez preklapanja signala. Pomak ne utječe na amplitudu signala koji se koristi za procjenu razine performansi miješalice. Prosječna sinusoidna amplituda bez miksera bila je 0,221 mAi, dok su amplitude statičkih Mott miksera pri 30 µl, 60 µl i 90 µl pale na 0,077, 0,017 i 0,004 mAi.
Slika 7. Pomak signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za Slučaj 1 (acetonitril s indikatorom amonijev acetat) koji prikazuje miješanje otapala bez miješalice, Mott miješalice od 30 µl, 60 µl i 90 µl pokazuju poboljšano miješanje (niža amplituda signala) kako se volumen statičke miješalice povećava. (stvarni pomaci podataka: 0,13 (bez miješalice), 0,32, 0,4, 0,45 mA za bolji prikaz).
Podaci prikazani na sl. 8 isti su kao na sl. 7, ali ovaj put uključuju rezultate triju uobičajeno korištenih HPLC statičkih miksera s unutarnjim volumenima od 50 µl, 150 µl i 250 µl. Riža. Slika 8. Grafikon pomaka signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za slučaj 1 (acetonitril i amonijev acetat kao indikatori) koji prikazuje miješanje otapala bez statičkog miksera, nove serije Mott statičkih miksera i triju konvencionalnih miksera (stvarni pomak podataka je 0,1 (bez miksera), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respektivno za bolji efekt prikaza). Postotak smanjenja osnovnog sinusnog vala izračunava se omjerom amplitude sinusnog vala i amplitude bez instaliranog miksera. Izmjereni postoci slabljenja sinusnog vala za slučajeve 1 i 2 navedeni su u Tablici 2, zajedno s unutarnjim volumenima novog statičkog miksera i sedam standardnih miksera koji se obično koriste u industriji. Podaci na slikama 8 i 9, kao i izračuni prikazani u tablici 2, pokazuju da Mott statički mikser može osigurati do 98,1% slabljenja sinusnog vala, što daleko premašuje performanse konvencionalnog HPLC miksera pod tim uvjetima ispitivanja. Slika 9. Dijagram pomaka signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za slučaj 2 (metanol i aceton kao traseri) koji ne prikazuje statički mikser (kombinirano), novu seriju Mott statičkih miksera i dva konvencionalna miksera (stvarni pomaci podataka su 0, 11 (bez miksera), 0,22, 0,3, 0,35 mA i za bolji prikaz). Također je procijenjeno sedam uobičajeno korištenih miksera u industriji. To uključuje miksere s tri različita unutarnja volumena tvrtke A (označene kao mikser A1, A2 i A3) i tvrtke B (označene kao mikser B1, B2 i B3). Tvrtka C ocijenila je samo jednu veličinu.
Tablica 2. Karakteristike miješanja statičkog miksera i unutarnji volumen Slučaj statičkog miksera 1 Sinusoidni oporavak: Test acetonitrila (učinkovitost) Slučaj 2 Sinusoidni oporavak: Test metanola i vode (učinkovitost) Unutarnji volumen (µl) Bez miksera – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mikser A1 66,4% 73,7% 50 Mikser A2 89,8% 91,6% 150 Mikser A3 92,2% 94,5% 250 Mikser B1 44,8% 45,7% 9 35 Mikser B2 845% 96,2% 370 Mikser C 97,2% 97,4% 250
Analiza rezultata na slici 8 i u tablici 2 pokazuje da Mott statički mikser od 30 µl ima istu učinkovitost miješanja kao i mikser A1, tj. 50 µl, međutim, Mott od 30 µl ima 30% manji unutarnji volumen. Pri usporedbi Mott miksera od 60 µl s mikserom A2 unutarnjeg volumena od 150 µl, došlo je do blagog poboljšanja učinkovitosti miješanja od 92% u odnosu na 89%, ali što je još važnije, ova viša razina miješanja postignuta je na 1/3 volumena miksera. Performanse Mott miksera od 90 µl pratile su isti trend kao i mikser A3 s unutarnjim volumenom od 250 µl. Poboljšanja performansi miješanja od 98% i 92% također su uočena uz 3-struko smanjenje unutarnjeg volumena. Slični rezultati i usporedbe dobiveni su za miksere B i C. Kao rezultat toga, nova serija statičkih miksera Mott PerfectPeak™ pruža veću učinkovitost miješanja od usporedivih konkurentskih miksera, ali s manjim unutarnjim volumenom, pružajući bolju pozadinsku buku i bolji omjer signala i šuma, bolju osjetljivost analita, oblik vrha i rezoluciju vrha. Slični trendovi u učinkovitosti miješanja uočeni su i u studijama Slučaja 1 i Slučaja 2. Za Slučaj 2 provedena su ispitivanja korištenjem (metanola i acetona kao indikatora) za usporedbu učinkovitosti miješanja 60 ml Mott-a, usporedivog miksera A1 (unutarnji volumen 50 µl) i usporedivog miksera B1 (unutarnji volumen 35 µl). Performanse su bile slabe bez instaliranog miksera, ali je korišten za osnovnu analizu. Mott mikser od 60 ml pokazao se najboljim mikserom u testnoj skupini, pružajući 90%-tno povećanje učinkovitosti miješanja. Usporedivi mikser A1 pokazao je 75%-tno poboljšanje učinkovitosti miješanja, nakon čega slijedi 45%-tno poboljšanje u usporedivom mikseru B1. Osnovni test redukcije sinusnog vala s brzinom protoka proveden je na nizu miješalica pod istim uvjetima kao i test sinusne krivulje u Slučaju 1, s promjenom samo brzine protoka. Podaci su pokazali da je u rasponu brzina protoka od 0,25 do 1 ml/min početno smanjenje sinusnog vala ostalo relativno konstantno za sva tri volumena miješalice. Za dvije miješalice manjeg volumena dolazi do blagog povećanja sinusoidne kontrakcije kako se brzina protoka smanjuje, što se očekuje zbog povećanog vremena zadržavanja otapala u miješalici, što omogućuje povećano difuzijsko miješanje. Očekuje se da će se oduzimanje sinusnog vala povećati kako se protok dalje smanjuje. Međutim, za najveći volumen miješalice s najvećim slabljenjem baze sinusnog vala, slabljenje baze sinusnog vala ostalo je praktički nepromijenjeno (unutar raspona eksperimentalne nesigurnosti), s vrijednostima u rasponu od 95% do 98%. Riža. 10. Osnovno slabljenje sinusnog vala u odnosu na brzinu protoka u slučaju 1. Ispitivanje je provedeno pod uvjetima sličnim sinusnom ispitivanju s promjenjivom brzinom protoka, ubrizgavanjem 80% smjese acetonitrila i vode u omjeru 80/20 i 20% amonijevog acetata od 20 mM.
Novorazvijena linija patentiranih statičkih miksera PerfectPeakTM s tri unutarnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl pokriva raspon volumena i performansi miješanja potreban za većinu HPLC analiza koje zahtijevaju poboljšano miješanje i niske disperzijske podove. Novi statički mikser to postiže korištenjem nove tehnologije 3D ispisa za stvaranje jedinstvene 3D strukture koja omogućuje poboljšano hidrodinamičko statičko miješanje s najvećim postotkom smanjenja bazne buke po jedinici volumena unutarnje smjese. Korištenje 1/3 unutarnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje baznu buku za 98%. Takvi mikseri sastoje se od međusobno povezanih trodimenzionalnih protočnih kanala s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim duljinama puta dok tekućina prelazi složene geometrijske barijere unutra. Nova obitelj statičkih miksera pruža poboljšane performanse u odnosu na konkurentske miksere, ali s manjim unutarnjim volumenom, što rezultira boljim omjerom signala i šuma i nižim granicama kvantifikacije, kao i poboljšanim oblikom vrha, učinkovitošću i rezolucijom za veću osjetljivost.
U ovom izdanju Kromatografija – Ekološki prihvatljiva RP-HPLC – Korištenje kromatografije s jezgrom i ljuskom za zamjenu acetonitrila izopropanolom u analizi i pročišćavanju – Novi plinski kromatograf za…
Poslovni centar International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Ujedinjeno Kraljevstvo