Revolucionarni novi inline statički mikser razvijen je posebno dizajniran za ispunjavanje strogih zahtjeva tekućinske kromatografije visoke učinkovitosti (HPLC) i tekućinske kromatografije ultra visoke učinkovitosti (HPLC i UHPLC).Loše miješanje dviju ili više pokretnih faza može rezultirati višim omjerom signala i šuma, što smanjuje osjetljivost.Homogeno statičko miješanje dviju ili više tekućina s minimalnim unutarnjim volumenom i fizičkim dimenzijama statičkog mješača predstavlja najviši standard idealnog statičkog mješača.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%.Mješalica 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 više krivudavih staza protoka, u kombinaciji s lokalnim turbulencijama i vrtlozima, rezultira miješanjem na mikro, mezo i makro skalama.Ovaj jedinstveni mikser dizajniran je pomoću simulacija računalne dinamike fluida (CFD).Prikazani testni podaci pokazuju da se izvrsno miješanje postiže s minimalnim unutarnjim volumenom.
Više od 30 godina tekućinska kromatografija koristi se u mnogim industrijama, uključujući farmaceutsku, pesticide, zaštitu okoliša, forenziku i kemijsku analizu.Sposobnost mjerenja do dijelova na milijun ili manje ključna je za tehnološki razvoj u bilo kojoj industriji.Loša učinkovitost miješanja dovodi do lošeg omjera signala i šuma, što je smetnja za kromatografsku zajednicu u smislu granica detekcije i osjetljivosti.Kada se miješaju dva HPLC otapala, ponekad je potrebno prisilno miješati vanjskim sredstvima kako bi se dva otapala homogenizirala jer se neka otapala ne miješaju dobro.Ako se otapala ne pomiješaju dobro, može doći do degradacije HPLC kromatograma, što se očituje kao prekomjerni osnovni šum i/ili loš oblik vrha.Uz loše miješanje, osnovni šum će se pojaviti kao sinusni val (rastući i opadajući) signala detektora tijekom vremena.U isto vrijeme, loše miješanje može dovesti do širenja i asimetričnih vrhova, smanjujući analitičku izvedbu, oblik vrha i rezoluciju vrha.Industrija je prepoznala da su in-line i tee statički mikseri sredstvo za poboljšanje ovih granica i omogućavanje korisnicima postizanje nižih granica detekcije (osjetljivosti).Idealan statički mikser kombinira prednosti visoke učinkovitosti miješanja, niskog mrtvog volumena i niskog pada tlaka s minimalnim volumenom i maksimalnom propusnošću sustava.Osim toga, kako analiza postaje složenija, analitičari moraju rutinski koristiti polarnija otapala koja se teže miješaju.To znači da je bolje miješanje neophodno za buduća testiranja, što dodatno povećava potrebu za vrhunskim dizajnom i performansama miksera.
Mott je nedavno razvio novu liniju patentiranih inline statičkih miješalica 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 su potrebni poboljšano miješanje i niska disperzija.Sva tri modela imaju promjer od 0,5 inča i pružaju vrhunske performanse u industriji u kompaktnom dizajnu.Izrađeni su od nehrđajućeg čelika 316L, pasiviziranog radi inertnosti, ali dostupni su i titan i druge metalne legure otporne na koroziju i kemijski inertne.Ove miješalice imaju maksimalni radni tlak do 20 000 psi.Na sl.Slika 1a je fotografija Mott statičkog miksera od 60 µl dizajniranog za maksimalnu učinkovitost miješanja uz korištenje manjeg unutarnjeg volumena od standardnih miksera ove vrste.Ovaj novi dizajn statičkog miksera koristi novu tehnologiju aditivne proizvodnje za stvaranje jedinstvene 3D strukture koja koristi manje unutarnjeg protoka od bilo kojeg miksera koji se trenutno koristi u kromatografskoj industriji za postizanje statičkog miješanja.Takve miješalice sastoje se od međusobno povezanih trodimenzionalnih protočnih kanala s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim duljinama puta dok tekućina prelazi složene geometrijske barijere unutar.Na sl.Slika 1b prikazuje shematski dijagram novog miksera, koji koristi industrijske standardne 10-32 kompresijske priključke HPLC s navojem za ulaz i izlaz, i ima osjenčane plave granice patentiranog unutarnjeg priključka miksera.Različita područja poprečnog presjeka unutarnjih staza protoka i promjene smjera protoka unutar unutarnjeg volumena protoka stvaraju područja turbulentnog i laminarnog protoka, uzrokujući miješanje na mikro, mezo i makro skalama.U dizajnu ove jedinstvene miješalice korištene su simulacije računalne dinamike fluida (CFD) za analizu uzoraka protoka i pročišćavanje dizajna prije izrade prototipa za interno analitičko testiranje i procjenu kupca na terenu.Aditivna proizvodnja je proces ispisa 3D geometrijskih komponenti izravno iz CAD crteža bez potrebe za tradicionalnom strojnom obradom (glodalice, tokarilice itd.).Ovi novi statički mikseri dizajnirani su za proizvodnju korištenjem ovog procesa, gdje se tijelo miksera stvara iz CAD crteža, a dijelovi se izrađuju (ispisuju) sloj po sloj korištenjem aditivne proizvodnje.Ovdje se taloži sloj metalnog praha debljine oko 20 mikrona, a računalno kontrolirani laser selektivno topi i stapa prah u čvrsti oblik.Nanesite još jedan sloj na ovaj sloj i primijenite lasersko sinteriranje.Ponavljajte ovaj postupak dok dio ne bude potpuno gotov.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 tiskani dijelovi od nehrđajućeg čelika 316L i titana.Većina metalnih legura, polimera i neke keramike mogu se koristiti za izradu komponenti ovom metodom i bit će uzeti u obzir u budućim dizajnima/proizvodima.
Riža.1. Fotografija (a) i dijagram (b) 90 μl Mott statičkog miksera koji prikazuje poprečni presjek putanje protoka tekućine miksera osjenčan plavom bojom.
Izvršite simulacije računalne dinamike fluida (CFD) performansi statičkog miksera tijekom faze dizajna kako biste pomogli u razvoju učinkovitih dizajna i smanjili dugotrajne i skupe eksperimente pokušaja i pogrešaka.CFD simulacija statičkih miješalica i standardnih cjevovoda (simulacija bez miješalica) pomoću programskog 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, jednako 10 sekundi, radi lakšeg izračuna tijekom traženja usporedivih rješenja.Teorijski podaci dobiveni su u vremenskoj koreliranoj studiji pomoću 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 kroz proporcionalni ventil za uzorkovanje i sustav pumpanja, što je rezultiralo zamjenskim čepom za svako otapalo u liniji za uzorkovanje.Ta se otapala zatim miješaju u statičkoj miješalici.Slike 2 i 3 prikazuju simulacije protoka kroz standardnu ​​cijev (bez miješalice) odnosno kroz Mott statički miješač.Simulacija je provedena na ravnoj cijevi duljine 5 cm i unutarnjeg promjera 0,25 mm kako bi se demonstrirao koncept izmjeničnih čepova vode i čistog acetonitrila u epruveti u nedostatku statičkog miksera, kao što je prikazano na slici 2. Simulacija je koristila točne dimenzije cijevi i miksera i brzinu protoka od 0,3 ml/min.
Riža.2. Simulacija CFD protoka 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 predstavlja maseni udio vode.Plava boja predstavlja nedostatak vode, odnosno čistog acetonitrila.Difuzijska područja mogu se vidjeti između izmjeničnih čepova dviju različitih tekućina.
Riža.3. Statički mikser volumena 30 ml, modeliran u programskom paketu COMSOL CFD.Legenda predstavlja maseni udio vode u miješalici.Čista voda prikazana je crvenom bojom, a čisti acetonitril plavom bojom.Promjena masenog udjela simulirane vode predstavljena je promjenom boje miješanja dviju tekućina.
Na sl.Slika 4 prikazuje studiju validacije modela korelacije između učinkovitosti miješanja i volumena miješanja.Kako se volumen miješanja povećava, učinkovitost miješanja će se povećavati.Prema saznanjima autora, 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 osnovne sinusoide.Osim toga, povećani protutlak obično rezultira višim razinama miješanja, koje se ne uzimaju u obzir u simulaciji.
Sljedeći HPLC uvjeti i postavka ispitivanja korišteni su za mjerenje neobrađenih sinusnih valova za usporedbu relativnih performansi različitih statičkih miksera.Dijagram na slici 5 prikazuje tipičan raspored HPLC/UHPLC sustava.Statička mješalica je testirana postavljanjem mješalice neposredno iza pumpe i prije injektora i kolone za odvajanje.Većina pozadinskih sinusoidalnih mjerenja 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. Grafički prikaz učinkovitosti miješanja u odnosu na volumen miješanja za niz statičkih miješalica.Teorijska nečistoća slijedi isti trend kao i eksperimentalni podaci o nečistoćama potvrđujući valjanost CFD simulacija.
HPLC sustav korišten za ovaj test bio je HPLC serije Agilent 1100 s UV detektorom kontroliranim PC-jem na kojem je pokrenut Chemstation softver.Tablica 1 prikazuje tipične uvjete ugađanja za mjerenje učinkovitosti miješalice praćenjem osnovnih sinusoida u dvije studije slučaja.Eksperimentalna ispitivanja provedena su na dva različita primjera otapala.Dva otapala pomiješana u slučaju 1 bila su otapalo A (20 mM amonijevog acetata 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 protok od 0,25 ml/min do 1,0 ml/min, au slučaju 2, pumpa je postavljena na konstantni protok od 1 ml/min.U oba slučaja, omjer smjese otapala A i B bio je 20% A/80% B. Detektor je postavljen na 220 nm u slučaju 1, 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 amonijevog acetata u deioniziranoj vodi 0,05 % Aceton u deioniziranoj vodi Otapalo B 80 % Acetonitril (ACN) / 20 % deionizirana voda 80 % metanol / 20 % deionizirane vode Omjer otapala 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detektor 220 nm 265 nm
Riža.6. Dijagrami mješovitih sinusnih valova izmjereni prije i nakon primjene niskopropusnog filtra za uklanjanje komponenti pomaka osnovne linije signala.
Slika 6 je tipičan primjer mješovitog osnovnog šuma u slučaju 1, prikazanog kao ponavljajući sinusoidalni uzorak superponiran na osnovnom pomaku.Pomicanje osnovne linije sporo je povećanje ili smanjenje pozadinskog signala.Ako se sustavu ne dopusti da se dovoljno dugo uspostavi u ravnoteži, obično će pasti, ali će lutati nepravilno čak i kada je sustav potpuno stabilan.Ovo pomicanje osnovne linije ima tendenciju povećanja kada sustav radi u uvjetima strmog nagiba ili visokog protutlaka.Kada je prisutan ovaj pomak osnovne linije, može biti teško usporediti rezultate od uzorka do uzorka, što se može prevladati primjenom niskopropusnog filtra na neobrađene podatke kako bi se filtrirale ove niskofrekventne varijacije, čime se daje dijagram oscilacija s ravnom osnovnom linijom.Na sl.Slika 6 također prikazuje dijagram osnovnog šuma miksera nakon primjene niskopropusnog filtra.
Nakon dovršetka CFD simulacija i početnog eksperimentalnog testiranja, naknadno su razvijena tri odvojena statička miješala koristeći gore opisane unutarnje komponente s tri unutarnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl.Ovaj raspon pokriva raspon volumena i performansi miješanja potrebnih za HPLC aplikacije s niskim sadržajem analita gdje su potrebni poboljšano miješanje i niska disperzija za dobivanje osnovnih linija niske amplitude.Na sl.Slika 7 prikazuje osnovna mjerenja sinusnog vala dobivena na ispitnom sustavu iz Primjera 1 (acetonitril i amonijev acetat kao tragači) s tri volumena statičkih miješalica i bez instaliranih miješalica.Eksperimentalni ispitni uvjeti za rezultate prikazane na slici 7 održavani su konstantnim tijekom sva 4 testa u skladu s postupkom navedenim 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.Offset ne utječe na amplitudu signala koji se koristi za procjenu razine performansi miksera.Prosječna sinusoidalna amplituda bez miksera bila je 0,221 mAi, dok su amplitude statičkih Mott miksera na 30 µl, 60 µl i 90 µl pale na 0,077, 0,017, odnosno 0,004 mAi.
Slika 7. Pomak signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za slučaj 1 (acetonitril s indikatorom amonijevog acetata) koji prikazuje miješanje otapala bez miješalice, 30 µl, 60 µl i 90 µl Mott miksera koji pokazuju poboljšano miješanje (niža amplituda signala) kako se volumen statičkog miksera povećava.(stvarni pomaci podataka: 0,13 (bez miksera), 0,32, 0,4, 0,45 mA za bolji prikaz).
Podaci prikazani na sl.8 su isti kao na slici 7, ali ovaj put uključuju rezultate tri uobičajeno korištene HPLC statičke miješalice s unutarnjim volumenima od 50 µl, 150 µl i 250 µl.Riža.Slika 8. Grafikat 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 Mottovih statičkih miksera i tri konvencionalna miksera (stvarni pomak podataka je 0,1 (bez miksera), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA za bolji učinak prikaza).Postotak smanjenja osnovnog sinusnog vala izračunava se omjerom amplitude sinusnog vala i amplitude bez instaliranog miksera.Izmjereni postoci prigušenja 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 pružiti do 98,1% prigušenja sinusnog vala, što daleko nadmašuje performanse konvencionalnog HPLC mikser pod ovim uvjetima ispitivanja.Slika 9. Grafik odstupanja signala HPLC UV detektora u odnosu na vrijeme za slučaj 2 (metanol i aceton kao tragači) koji ne prikazuje statički mikser (u kombinaciji), novu seriju Mottovih statičkih miksera i dva konvencionalna miksera (stvarni odmaci podataka su 0, 11 (bez miksera.), 0,22, 0,3, 0,35 mA i za bolji prikaz).Također je ocijenjeno sedam miksera koji se često koriste u industriji.To uključuje miješalice s tri različita unutarnja volumena iz tvrtke A (označene kao miješalice A1, A2 i A3) i tvrtke B (označene kao miješalice B1, B2 i B3).Tvrtka C ocijenila je samo jednu veličinu.
Tablica 2. Karakteristike miješanja statičkog miksera i unutarnji volumen Statički mješač Slučaj 1 Sinusoidalni oporavak: Acetonitril Test (učinkovitost) Slučaj 2 Sinusoidalni oporavak: Metanol Voda Test (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 tablici 2 pokazuje da statički mikser od 30 µl Mott ima istu učinkovitost miješanja kao i mikser A1, tj. 50 µl, međutim, Mott od 30 µl ima 30% manji unutarnji volumen.Uspoređujući Mott mikser od 60 µl s A2 mikserom od 150 µl unutarnjeg volumena, došlo je do blagog poboljšanja u učinkovitosti miješanja od 92% u odnosu na 89%, ali što je još važnije, ova viša razina miješanja postignuta je na 1/3 volumena miješalice.sličan mikser A2.Performanse Mott miksera od 90 µl pratile su isti trend kao i A3 mikser s unutarnjim volumenom od 250 µl.Također su primijećena poboljšanja u performansama miješanja od 98% i 92% uz trostruko smanjenje unutarnjeg volumena.Slični rezultati i usporedbe dobiveni su za miksere B i C. Kao rezultat toga, nova serija statičkih miksera Mott PerfectPeakTM 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 u studijama slučaja 1 i slučaja 2.Za slučaj 2, testovi su provedeni korištenjem (metanola i acetona kao indikatora) za usporedbu učinkovitosti miješanja 60 ml Mott, usporedive miješalice A1 (unutarnji volumen 50 µl) i usporedive miješalice B1 (unutarnji volumen 35 µl)., učinak je bio loš bez instaliranog miksera, ali korišten je za osnovnu analizu.Mott mikser od 60 ml pokazao se kao najbolji mikser u testnoj skupini, pružajući 90% povećanje učinkovitosti miješanja.Usporedni mikser A1 zabilježio je poboljšanje od 75% u učinkovitosti miješanja nakon čega je uslijedilo poboljšanje od 45% u usporedivom mikseru B1.Osnovni test smanjenja sinusnog vala s brzinom protoka proveden je na nizu miješalica pod istim uvjetima kao test sinusne krivulje u slučaju 1, samo s promijenjenom brzinom protoka.Podaci su pokazali da je u rasponu protoka od 0,25 do 1 ml/min početno smanjenje sinusnog vala ostalo relativno konstantno za sva tri volumena miješalice.Za dvije mješalice manjeg volumena, postoji blagi porast sinusoidalne kontrakcije kako se brzina protoka smanjuje, što je očekivano zbog povećanog vremena zadržavanja otapala u mješaču, 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 osnovnim prigušenjem sinusnog vala, osnovno prigušenje sinusnog vala ostalo je gotovo nepromijenjeno (unutar raspona eksperimentalne nesigurnosti), s vrijednostima u rasponu od 95% do 98%.Riža.10. Osnovno prigušenje sinusnog vala u odnosu na brzinu protoka u slučaju 1. Test je proveden pod uvjetima sličnim sinusnom testu s promjenjivom brzinom protoka, ubrizgavanjem 80% 80/20 smjese acetonitrila i vode i 20% 20 mM amonijevog acetata.
Novorazvijeni raspon patentiranih PerfectPeakTM inline statičkih miksera s tri unutarnja volumena: 30 µl, 60 µl i 90 µl pokriva volumen i raspon performansi miješanja potreban za većinu HPLC analiza koje zahtijevaju poboljšano miješanje i nisku disperziju.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 šuma po jedinici volumena unutarnje smjese.Korištenje 1/3 unutarnjeg volumena konvencionalnog miksera smanjuje osnovni šum za 98%.Takve miješalice sastoje se od međusobno povezanih trodimenzionalnih protočnih kanala s različitim površinama poprečnog presjeka i različitim duljinama puta dok tekućina prelazi složene geometrijske barijere unutar.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, učinkovitosti i razlučivosti za veću osjetljivost.
U ovom izdanju Kromatografija – Ekološki prihvatljiva RP-HPLC – Korištenje kromatografije jezgre i ljuske za zamjenu acetonitrila izopropanolom u analizi i pročišćavanju – Novi plinski kromatograf za…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Velika Britanija