革新的な新しいインライン スタティック ミキサーは、高速液体クロマトグラフィー (HPLC) および超高速液体クロマトグラフィー (HPLC および UHPLC) システムの厳しい要件を満たすように特別に設計されて開発されました。2 つ以上の移動相の混合が不十分だと、信号対雑音比が高くなり、感度が低下する可能性があります。スタティック ミキサーの最小内容積と物理的寸法による 2 つ以上の流体の均一な静的混合は、理想的なスタティック ミキサーの最高水準を表します。新しいスタティックミキサーは、新しい 3D プリンティング技術を使用して独自の 3D 構造を作成することでこれを実現し、混合物の単位内部体積あたりの基本正弦波の低減率が最も高く、流体力学的静的混合を改善します。従来のミキサーの内容積の 1/3 を使用することで、基本正弦波が 98% 削減されます。ミキサーは、流体が複雑な 3D 形状を通過するときに、断面積と経路長が異なる相互接続された 3D フロー チャネルで構成されます。複数の曲がりくねった流路に沿って混合し、局所的な乱流や渦と組み合わせると、ミクロ、メソ、マクロスケールでの混合が生じます。このユニークなミキサーは、数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用して設計されています。提示されたテストデータは、最小限の内容積で優れた混合が達成されることを示しています。
液体クロマトグラフィーは、30 年以上にわたり、製薬、農薬、環境保護、法医学、化学分析などの多くの業界で使用されてきました。100 万分の 1 以下の精度で測定できることは、あらゆる業界の技術開発にとって重要です。混合効率が低いとシグナル対ノイズ比が低下し、検出限界と感度の点でクロマトグラフィー界にとって迷惑となります。2 つの HPLC 溶媒を混合する場合、一部の溶媒はよく混合しないため、2 つの溶媒を均一にするために外部手段で強制的に混合する必要がある場合があります。溶媒が完全に混合されていない場合、HPLC クロマトグラムの劣化が発生し、過剰なベースライン ノイズやピーク形状の低下として現れることがあります。混合が不十分な場合、ベースライン ノイズは時間の経過とともに検出器信号の正弦波 (立ち上がりと立ち下がり) として現れます。同時に、混合が不十分だとピークが広がったり非対称になったりして、分析性能、ピーク形状、ピーク分解能が低下する可能性があります。業界は、インラインおよびティースタティックミキサーがこれらの限界を改善し、ユーザーがより低い検出限界 (感度) を達成できるようにする手段であることを認識しています。理想的なスタティックミキサーは、最小限の体積と最大のシステムスループットで、高い混合効率、低いデッドボリューム、低い圧力降下の利点を兼ね備えています。さらに、分析がより複雑になるにつれて、分析者はより極性の高い混合しにくい溶媒を日常的に使用する必要があります。これは、将来のテストではより優れた混合が必須であることを意味し、優れたミキサーの設計と性能の必要性がさらに高まります。
Mott は最近、3 つの内容積 (30 μl、60 μl、および 90 μl) を備えた新しい範囲の特許取得済み PerfectPeakTM インライン スタティック ミキサーを開発しました。これらのサイズは、混合の改善と低分散が必要なほとんどの HPLC テストに必要な容量と混合特性の範囲をカバーします。3 つのモデルはすべて直径 0.5 インチで、コンパクトな設計で業界をリードするパフォーマンスを実現します。これらは不活性化のために不動態化処理された 316L ステンレス鋼で作られていますが、チタンやその他の耐食性および化学的に不活性な金属合金も利用できます。これらのミキサーの最大動作圧力は最大 20,000 psi です。図上。図１ａは、このタイプの標準的なミキサーよりも小さい内部容積を使用しながら、最大の混合効率を提供するように設計された６０μｌモットスタティックミキサーの写真である。この新しい静的ミキサー設計は、新しい積層造形技術を使用して、静的混合を達成するために現在クロマトグラフィー業界で使用されているミキサーよりも少ない内部流量を使用する独自の 3D 構造を作成します。このようなミキサーは、液体が内部の複雑な幾何学的な障壁を通過する際に、異なる断面積と異なる経路長を備えた相互接続された 3 次元流路で構成されます。図上。図 1b は、新しいミキサーの概略図を示しています。このミキサーは、入口と出口に業界標準の 10-32 ネジ付き HPLC 圧縮継手を使用しており、特許取得済みの内部ミキサー ポートの青い境界線が網掛けになっています。内部流路の異なる断面積と内部流量内の流れ方向の変化により、乱流と層流の領域が生成され、ミクロ、メソ、マクロスケールでの混合が引き起こされます。このユニークなミキサーの設計では、数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用して流れのパターンを分析し、社内の分析テストと顧客の現場評価用のプロトタイプを作成する前に設計を改良しました。積層造形は、従来の機械加工 (フライス盤、旋盤など) を必要とせずに、CAD 図面から 3D 幾何学的コンポーネントを直接プリントするプロセスです。これらの新しいスタティック ミキサーは、ミキサー本体が CAD 図面から作成され、部品が積層造形を使用して層ごとに製造 (印刷) されるこのプロセスを使用して製造されるように設計されています。ここでは、厚さ約 20 ミクロンの金属粉末の層が堆積され、コンピューター制御のレーザーが粉末を選択的に溶融して固体の形状にします。この層の上に別の層を適用し、レーザー焼結を適用します。パーツが完全に完成するまで、このプロセスを繰り返します。その後、レーザー接着されていない部分から粉末が除去され、元の CAD 図面と一致する 3D プリントされた部分が残ります。最終製品はマイクロ流体プロセスにある程度似ていますが、主な違いは、マイクロ流体コンポーネントが通常は 2 次元 (平面) であるのに対し、積層造形を使用すると複雑な流れパターンを 3 次元形状で作成できることです。これらの蛇口は現在、316L ステンレス鋼とチタンの 3D プリント部品として入手可能です。ほとんどの金属合金、ポリマー、および一部のセラミックは、この方法を使用したコンポーネントの製造に使用でき、将来の設計/製品で検討される予定です。
米。1. 90 μl Mott スタティックミキサーの写真 (a) および図 (b) は、青色の陰影を付けたミキサー流体流路の断面を示しています。
設計段階でスタティック ミキサーのパフォーマンスの数値流体力学 (CFD) シミュレーションを実行すると、効率的な設計を開発し、時間とコストのかかる試行錯誤実験を削減できます。COMSOL Multiphysics ソフトウェア パッケージを使用したスタティック ミキサーおよび標準配管の CFD シミュレーション (ミキサーなしシミュレーション)。圧力駆動層流力学を使用したモデリングにより、部品内の流体の速度と圧力を理解します。この流体力学と移動相化合物の化学輸送を組み合わせると、2 つの異なる濃縮液体の混合を理解するのに役立ちます。比較可能なソリューションを検索する際の計算を容易にするために、モデルは 10 秒に等しい時間の関数として研究されます。理論的データは、ポイント プローブ投影ツールを使用した時間相関研究で得られ、出口の中央の点がデータ収集のために選択されました。CFD モデルと実験テストでは、比例サンプリング バルブとポンプ システムを通じて 2 つの異なる溶媒を使用したため、サンプリング ライン内の溶媒ごとにプラグを交換する必要がありました。次に、これらの溶媒をスタティックミキサーで混合します。図 2 と 3 は、それぞれ標準パイプ (ミキサーなし) とモット スタティック ミキサーを通る流れのシミュレーションを示しています。図 2 に示すように、長さ 5 cm、内径 0.25 mm の直管でシミュレーションを実行し、スタティック ミキサーの非存在下で水と純粋なアセトニトリルのプラグをチューブに交互に入れるという概念を実証しました (図 2 を参照)。シミュレーションでは、チューブとミキサーの正確な寸法、および流量 0.3 ml/分を使用しました。
米。2. 内径 0.25 mm の 5 cm チューブ内での CFD の流れのシミュレーション。HPLC チューブ内で、つまりミキサーがない場合に何が起こるかを表します。完全な赤色は水の質量分率を表します。青は水の欠如、つまり純粋なアセトニトリルを表します。2 つの異なる液体の交互のプラグの間に拡散領域が見られます。
米。3. COMSOL CFD ソフトウェア パッケージでモデル化された、容量 30 ml のスタティック ミキサー。凡例は、ミキサー内の水の質量分率を表します。純水は赤色、純アセトニトリルは青色で示されています。模擬水の質量分率の変化は、2 つの液体の混合による色の変化として表されます。
図上。図４は、混合効率と混合量との間の相関モデルの検証研究を示す。混合量が増えると混合効率が上がります。著者の知る限り、ミキサー内で作用する他の複雑な物理的力は、この CFD モデルでは説明できず、その結果、実験テストでの混合効率が高くなります。実験的な混合効率は、ベース正弦波の減少率として測定されました。さらに、背圧が増加すると、通常、混合レベルが高くなりますが、これはシミュレーションでは考慮されません。
以下の HPLC 条件とテスト設定を使用して生の正弦波を測定し、さまざまなスタティック ミキサーの相対的な性能を比較しました。図 5 の図は、典型的な HPLC/UHPLC システム レイアウトを示しています。スタティックミキサーは、ポンプの直後、インジェクターと分離カラムの前にミキサーを配置してテストされました。ほとんどのバックグラウンド正弦波測定は、スタティック ミキサーと UV 検出器の間のインジェクターとキャピラリカラムをバイパスして行われます。S/N 比を評価したり、ピーク形状を分析したりする場合のシステム構成は、図 5 に示されています。
図 4. さまざまなスタティックミキサーの混合効率と混合容積のプロット。理論上の不純物は、CFD シミュレーションの妥当性を確認する実験上の不純物データと同じ傾向に従います。
このテストに使用した HPLC システムは、Chemstation ソフトウェアを実行する PC によって制御される UV 検出器を備えた Agilent 1100 シリーズ HPLC でした。表 1 は、2 つのケーススタディにおける基本的な正弦波を監視することによってミキサー効率を測定するための一般的な調整条件を示しています。実験テストは 2 つの異なる溶媒の例で実行されました。ケース 1 で混合した 2 つの溶媒は、溶媒 A (脱イオン水中の 20 mM 酢酸アンモニウム) と溶媒 B (80% アセトニトリル (ACN)/20% 脱イオン水) でした。ケース 2 では、溶媒 A は脱イオン水中の 0.05% アセトン (ラベル) の溶液でした。溶媒 B は、80/20% メタノールと水の混合物です。ケース 1 では、ポンプは 0.25 ml/min ～ 1.0 ml/min の流量に設定され、ケース 2 では、ポンプは 1 ml/min の一定流量に設定されました。どちらの場合も、溶媒 A と B の混合比は 20% A/80% B でした。ケース 1 では検出器を 220 nm に設定し、ケース 2 ではアセトンの最大吸収を波長 265 nm に設定しました。
表 1. ケース 1 および 2 の HPLC 構成 ケース 1 ケース 2 ポンプ速度 0.25 ml/min ～ 1.0 ml/min 1.0 ml/min 溶媒 A 脱イオン水中の 20 mM 酢酸アンモニウム 脱イオン水中の 0.05% アセトン 溶媒 B 80% アセトニトリル (ACN) / 20% 脱イオン水 80% メタノール / 20 % 脱イオン水 溶媒比 20% A / 80% B 20% A / 80% B 検出器 220 nm 265 nm
米。6. 信号のベースライン ドリフト成分を除去するためにローパス フィルターを適用する前後で測定された混合正弦波のプロット。
図 6 は、ケース 1 の混合ベースライン ノイズの典型的な例であり、ベースライン ドリフトに重ねられた反復正弦波パターンとして示されています。ベースラインドリフトは、バックグラウンド信号のゆっくりとした増加または減少です。システムが十分な時間平衡状態に保たれない場合、通常は落下しますが、システムが完全に安定している場合でも不安定にドリフトします。このベースラインドリフトは、システムが急勾配または高背圧条件で動作しているときに増加する傾向があります。このベースラインのドリフトが存在する場合、サンプル間の結果を比較することが困難になる可能性がありますが、生データにローパス フィルターを適用してこれらの低周波変動を除去することで克服でき、それによって平坦なベースラインを持つ発振プロットが得られます。図上。図 6 には、ローパス フィルターを適用した後のミキサーのベースライン ノイズのプロットも示しています。
CFD シミュレーションと最初の実験テストが完了した後、上記の内部コンポーネントを使用して、3 つの内容積 (30 μl、60 μl、および 90 μl) の 3 つの個別のスタティック ミキサーが開発されました。この範囲は、低振幅ベースラインを生成するために改善された混合と低分散が必要な低分析物 HPLC アプリケーションに必要な容量と混合性能の範囲をカバーしています。図上。図７は、３容量のスタティックミキサーおよびミキサーを設置していない実施例１の試験システム（トレーサーとしてアセトニトリルおよび酢酸アンモニウム）で得られた基本的な正弦波測定値を示す。図 7 に示す結果の実験試験条件は、表 1 に概要を示した手順に従い、溶媒流量 0.5 ml/min で 4 つの試験すべてを通じて一定に保たれました。データセットにオフセット値を適用すると、信号が重ならないように並べて表示できます。オフセットは、ミキサーのパフォーマンス レベルを判断するために使用される信号の振幅には影響しません。ミキサーを使用しない場合の平均正弦波振幅は 0.221 mAi でしたが、30 μl、60 μl、および 90 μl での静的 Mott ミキサーの振幅はそれぞれ 0.077、0.017、0.004 mAi に低下しました。
図 7. ケース 1 (酢酸アンモニウム指示薬を含むアセトニトリル) の HPLC UV 検出器シグナル オフセットと時間の関係。ミキサーなしでの溶媒混合を示します。30 μl、60 μl、および 90 μl モット ミキサーでは、スタティック ミキサーの容量が増加するにつれて混合が向上 (シグナル振幅が低下) することが示されています。(実際のデータオフセット: 0.13 (ミキサーなし)、0.32、0.4、0.45mA (表示を改善するため)。
図に示されているデータ。図 8 は図 7 と同じですが、今回は内容積が 50 μl、150 μl、および 250 μl の 3 つの一般的に使用される HPLC スタティック ミキサーの結果が含まれています。米。図 8. スタティック ミキサー、新シリーズの Mott スタティック ミキサー、および 3 つの従来のミキサーを使用しない溶媒の混合を示す、ケース 1 (指示薬としてアセトニトリルと酢酸アンモニウム) の HPLC UV 検出器の信号オフセット対時間のプロット (実際のデータ オフセットは、表示効果を高めるため、それぞれ 0.1 (ミキサーなし)、0.32、0.48、0.6、0.7、0.8、0.9 mA です) 。ベース正弦波の減少率は、ミキサーを設置していない場合の振幅に対する正弦波の振幅の比によって計算されます。ケース 1 と 2 で測定された正弦波減衰率を、新しいスタティック ミキサーと業界で一般的に使用されている 7 つの標準ミキサーの内部容積とともに表 2 に示します。図 8 と 9 のデータ、および表 2 に示した計算は、Mott スタティック ミキサーが最大 98.1% の正弦波減衰を実現でき、これらのテスト条件下で従来の HPLC ミキサーの性能をはるかに上回っていることを示しています。図 9. ケース 2 (トレーサーとしてメタノールとアセトン) の HPLC UV 検出器信号オフセット対時間のプロット。スタティック ミキサーなし (組み合わせ)、新しいシリーズの Mott スタティック ミキサー、および 2 つの従来のミキサーを示します (実際のデータ オフセットは 0、11 (ミキサーなし。)、0.22、0.3、0.35 mA であり、表示を見やすくするためです)。業界で一般的に使用されている 7 つのミキサーも評価されました。これらには、A 社 (ミキサー A1、A2、および A3 と指定) および B 社 (ミキサー B1、B2、および B3 と指定) の 3 つの異なる内容積を持つミキサーが含まれます。C 社は 1 つのサイズのみを評価しました。
表 2. スタティック ミキサーの撹拌特性と内容積 スタティック ミキサー ケース 1 正弦波回収: アセトニトリル テスト (効率) ケース 2 正弦波回収: メタノール水テスト (効率) 内容積 (μl) ミキサーなし – - 0 モット 30 65% 67.2% 30 モット 60 92.2% 91.3% 60 モット 90 98 .1% 97.5% 90 ミキサー A1 66.4% 73.7% 50 ミキサー A2 89.8% 91.6% 150 ミキサー A3 92.2% 94.5% 250 ミキサー B1 44.8% 45.7% 9 35 ミキサー B2 845.% 96.2% 370 ミキサー C 97.2% 9 7.4% 250
図 8 および表 2 の結果を分析すると、30 μl モット スタティック ミキサーは A1 ミキサー、つまり 50 μl と同じ混合効率を持ちますが、30 μl モットの内容積は 30% 少ないことがわかります。60 µl の Mott ミキサーと内容積 150 µl の A2 ミキサーを比較すると、混合効率が 92% 対 89% とわずかに向上しましたが、より重要なのは、このより高いレベルの混合がミキサー容積の 1/3 で達成されたことです。同様のミキサーA2。90 µl Mott ミキサーの性能は、内容積 250 µl の A3 ミキサーと同じ傾向をたどりました。内容積は 3 分の 1 に減少し、混合性能が 98% および 92% 向上したことも観察されました。ミキサー B および C についても同様の結果と比較が得られました。その結果、新しいシリーズのスタティック ミキサー Mott PerfectPeakTM は、同等の競合他社のミキサーよりも高い混合効率を提供しますが、内容積が小さくなり、より優れたバックグラウンド ノイズとより優れた S/N 比、より優れた感度、分析対象物、ピーク形状、およびピーク分解能を提供します。混合効率における同様の傾向が、ケース 1 とケース 2 の両方の研究で観察されました。ケース 2 では、メタノールとアセトンを指標として、60 ml モット、同等のミキサー A1 (内容積 50 μl) および同等のミキサー B1 (内容積 35 μl) の混合効率を比較するテストを実行しました。、ミキサーがインストールされていないとパフォーマンスは低下しましたが、ベースライン分析に使用されました。60 ml モット ミキサーは、テスト グループ内で最良のミキサーであることが証明され、混合効率が 90% 向上しました。同等のミキサー A1 では混合効率が 75% 向上し、続いて同等の B1 ミキサーでも 45% の向上が見られました。流量を伴う基本的な正弦波低減テストは、ケース 1 の正弦波テストと同じ条件下で、流量のみを変更して一連のミキサーで実行されました。データは、0.25 ～ 1 ml/min の流量範囲において、正弦波の初期減少が 3 つすべてのミキサー容量で比較的一定のままであることを示しました。2 つのより小さい体積のミキサーでは、流量が減少するにつれて正弦波収縮がわずかに増加します。これは、ミキサー内の溶媒の滞留時間が増加し、拡散混合が増加するためと予想されます。流量がさらに減少するにつれて、正弦波の減算は増加すると予想されます。ただし、正弦波ベースの減衰が最も高い最大のミキサー容積では、正弦波のベース減衰は実質的に変化せず（実験の不確実性の範囲内で）、値の範囲は 95% ～ 98% でした。米。10. ケース 1 における正弦波の基本減衰と流量の関係。 テストは、アセトニトリルと水の 80/20 混合物の 80% と 20 mM 酢酸アンモニウムの 20% を注入し、流量を変化させた正弦波テストと同様の条件下で実行されました。
新しく開発された特許取得済みの PerfectPeakTM インライン スタティック ミキサーの 3 つの内容積 (30 μl、60 μl、90 μl) は、改善された混合と低分散フロアを必要とするほとんどの HPLC 分析に必要な容量と混合性能の範囲をカバーします。新しいスタティックミキサーは、新しい 3D プリンティング技術を使用して独自の 3D 構造を作成することでこれを実現し、内部混合物の単位体積あたりのベースノイズを最も高い割合で低減し、流体力学的スタティックミキシングを向上させます。従来のミキサーの内容積の1/3でベースノイズを98%削減します。このようなミキサーは、液体が内部の複雑な幾何学的な障壁を通過する際に、異なる断面積と異なる経路長を備えた相互接続された 3 次元流路で構成されます。新しいスタティックミキサーファミリーは、競合ミキサーに比べて性能が向上していますが、内容積が少ないため、信号対雑音比が向上し、定量限界が低くなり、さらにピーク形状、効率、分解能が向上して感度が向上します。
この号では、クロマトグラフィー – 環境に優しい RP-HPLC – 分析および精製においてアセトニトリルをイソプロパノールに置き換えるためのコアシェル クロマトグラフィーの使用 – 新しいガスクロマトグラフ…
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