고성능 액체 크로마토그래피(HPLC) 및 초고성능 액체 크로마토그래피(HPLC 및 UHPLC) 시스템의 엄격한 요구 사항을 충족하도록 특별히 설계된 혁신적인 새로운 인라인 정적 혼합기가 개발되었습니다.둘 이상의 이동상이 제대로 혼합되지 않으면 신호 대 잡음비가 높아져 감도가 감소할 수 있습니다.Static Mixer의 최소 내부 부피와 물리적 치수로 두 개 이상의 유체를 균일하게 정적 혼합하는 것은 이상적인 Static Mixer의 최고 표준을 나타냅니다.새로운 정적 혼합기는 새로운 3D 프린팅 기술을 사용하여 혼합물의 단위 내부 부피당 기본 사인파의 가장 높은 비율 감소와 함께 개선된 유체역학적 정적 혼합을 제공하는 고유한 3D 구조를 생성함으로써 이를 달성합니다.기존 믹서의 내부 부피의 1/3을 사용하면 기본 사인파가 98% 감소합니다.혼합기는 유체가 복잡한 3D 형상을 통과할 때 다양한 단면적과 경로 길이를 갖는 상호 연결된 3D 흐름 채널로 구성됩니다.여러 구불구불한 흐름 경로를 따라 혼합하고 국지적인 난류 및 소용돌이와 결합하면 마이크로, 메조 및 매크로 스케일에서 혼합이 발생합니다.이 고유한 믹서는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 설계되었습니다.제시된 테스트 데이터는 최소 내부 부피로 우수한 혼합이 달성되었음을 보여줍니다.
30년 이상 동안 액체 크로마토그래피는 제약, 살충제, 환경 보호, 법의학 및 화학 분석을 포함한 많은 산업에서 사용되었습니다.ppm 이하로 측정하는 능력은 모든 산업의 기술 개발에 매우 ​​중요합니다.낮은 혼합 효율성은 낮은 신호 대 잡음비로 이어지며, 이는 검출 한계 및 감도 측면에서 크로마토그래피 커뮤니티에 골칫거리입니다.두 가지 HPLC 용매를 혼합할 때 일부 용매가 잘 섞이지 않기 때문에 두 용매를 균질화하기 위해 외부 수단으로 강제 혼합해야 하는 경우가 있습니다.용매가 완전히 혼합되지 않으면 HPLC 크로마토그램이 저하되어 과도한 베이스라인 노이즈 및/또는 불량한 피크 모양으로 나타날 수 있습니다.믹싱이 불량하면 베이스라인 노이즈가 시간 경과에 따라 검출기 신호의 사인파(상승 및 하강)로 나타납니다.동시에 혼합이 불량하면 피크가 넓어지고 비대칭이 되어 분석 성능, 피크 모양 및 피크 분해능이 저하될 수 있습니다.업계에서는 인라인 및 티 스태틱 믹서가 이러한 한계를 개선하고 사용자가 더 낮은 검출 한계(감도)를 달성할 수 있는 수단임을 인식했습니다.이상적인 정적 믹서는 높은 혼합 효율, 낮은 데드 볼륨 및 낮은 압력 강하의 이점을 최소 볼륨 및 최대 시스템 처리량과 결합합니다.또한 분석이 더욱 복잡해짐에 따라 분석가는 극성이 더 강하고 혼합하기 어려운 용매를 일상적으로 사용해야 합니다.이것은 더 나은 혼합이 향후 테스트를 위한 필수 사항임을 의미하며 우수한 혼합기 설계 및 성능에 대한 필요성을 더욱 증가시킵니다.
Mott는 최근 30µl, 60µl 및 90µl의 3가지 내부 용적이 있는 새로운 범위의 특허받은 PerfectPeakTM 인라인 정적 믹서를 개발했습니다.이러한 크기는 향상된 혼합 및 낮은 분산이 필요한 대부분의 HPLC 테스트에 필요한 부피 및 혼합 특성 범위를 포괄합니다.세 가지 모델 모두 직경이 0.5인치이며 컴팩트한 디자인으로 업계 최고의 성능을 제공합니다.그들은 316L 스테인리스강으로 만들어지고 불활성을 위해 부동태화되었지만 티타늄 및 기타 내부식성과 화학적으로 불활성인 금속 합금도 사용할 수 있습니다.이 믹서의 최대 작동 압력은 최대 20,000psi입니다.무화과에.1a는 이 유형의 표준 혼합기보다 더 작은 내부 부피를 사용하면서 최대 혼합 효율을 제공하도록 설계된 60µl Mott 정적 혼합기의 사진입니다.이 새로운 정적 혼합기 설계는 새로운 적층 제조 기술을 사용하여 정적 혼합을 달성하기 위해 현재 크로마토그래피 산업에서 사용되는 혼합기보다 적은 내부 흐름을 사용하는 고유한 3D 구조를 생성합니다.이러한 혼합기는 액체가 내부의 복잡한 기하학적 장벽을 통과할 때 단면적이 다르고 경로 길이가 다른 상호 연결된 3차원 흐름 채널로 구성됩니다.무화과에.그림 1b는 입구와 출구에 산업 표준 10-32 스레드 HPLC 압축 피팅을 사용하고 특허받은 내부 믹서 포트의 음영 처리된 파란색 테두리가 있는 새로운 믹서의 개략도를 보여줍니다.내부 흐름 경로의 다른 단면적과 내부 흐름 체적 내에서 흐름 방향의 변화는 난류 및 층류 영역을 생성하여 마이크로, 메소 및 매크로 스케일에서 혼합을 일으킵니다.이 고유한 믹서의 설계는 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 사용하여 흐름 패턴을 분석하고 사내 분석 테스트 및 고객 현장 평가를 위한 프로토타이핑 전에 설계를 개선했습니다.적층 제조는 기존 기계 가공(밀링 머신, 선반 등) 없이 CAD 도면에서 직접 3D 기하학적 구성 요소를 인쇄하는 프로세스입니다.이 새로운 스태틱 믹서는 이 공정을 사용하여 제조되도록 설계되었습니다. 여기서 믹서 본체는 CAD 도면에서 생성되고 부품은 적층 제조를 사용하여 레이어별로 제작(인쇄)됩니다.여기에서 약 20미크론 두께의 금속 분말 층이 증착되고 컴퓨터 제어 레이저가 분말을 선택적으로 녹이고 융합하여 고체 형태로 만듭니다.이 레이어 위에 다른 레이어를 적용하고 레이저 소결을 적용합니다.부품이 완전히 완성될 때까지 이 과정을 반복합니다.그런 다음 비레이저 접합 부품에서 분말을 제거하여 원본 CAD 도면과 일치하는 3D 인쇄 부품을 남깁니다.최종 제품은 미세유체 공정과 다소 유사하지만 주요 차이점은 미세유체 구성 요소가 일반적으로 2차원(평면)인 반면 적층 제조를 사용하면 복잡한 흐름 패턴을 3차원 형상으로 만들 수 있다는 것입니다.이 수도꼭지는 현재 316L 스테인리스 스틸 및 티타늄으로 3D 프린팅된 부품으로 제공됩니다.대부분의 금속 합금, 폴리머 및 일부 세라믹은 이 방법을 사용하여 구성 요소를 만드는 데 사용할 수 있으며 향후 디자인/제품에서 고려될 것입니다.
쌀.1. 파란색으로 음영 처리된 혼합기 유체 흐름 경로의 단면을 보여주는 90μl Mott 정적 혼합기의 사진(a) 및 다이어그램(b).
설계 단계에서 정적 혼합기 성능의 전산유체역학(CFD) 시뮬레이션을 실행하여 효율적인 설계를 개발하고 시간과 비용이 많이 드는 시행착오 실험을 줄이는 데 도움을 줍니다.COMSOL Multiphysics 소프트웨어 패키지를 사용한 정적 혼합기 및 표준 배관(혼합기 없는 시뮬레이션)의 CFD 시뮬레이션.부품 내의 유체 속도와 압력을 이해하기 위해 압력 기반 층류 유체 역학을 사용하여 모델링합니다.이동상 화합물의 화학적 수송과 결합된 이 유체 역학은 두 가지 다른 농축 액체의 혼합을 이해하는 데 도움이 됩니다.이 모델은 비교 가능한 솔루션을 검색하는 동안 쉽게 계산할 수 있도록 10초에 해당하는 시간의 함수로 연구됩니다.이론적 데이터는 데이터 수집을 위해 출구 중간 지점을 선택한 포인트 프로브 프로젝션 도구를 사용한 시간 상관 연구에서 얻었습니다.CFD 모델 및 실험 테스트는 비례 샘플링 밸브 및 펌핑 시스템을 통해 두 가지 다른 용매를 사용하여 샘플링 라인의 각 용매에 대한 교체 플러그를 만들었습니다.그런 다음 이러한 용매를 정적 혼합기에서 혼합합니다.그림 2와 3은 각각 표준 파이프(믹서 없음)와 Mott 정적 믹서를 통한 흐름 시뮬레이션을 보여줍니다.시뮬레이션은 그림 2와 같이 정적 혼합기가 없는 상태에서 튜브에 물과 순수한 아세토니트릴을 번갈아 플러그하는 개념을 보여주기 위해 길이 5cm, ID 0.25mm의 직선형 튜브에서 실행되었습니다. 시뮬레이션에서는 튜브와 혼합기의 정확한 치수와 0.3ml/min의 유속을 사용했습니다.
쌀.2. 내부 직경이 0.25mm인 5cm 튜브에서 CFD 흐름을 시뮬레이션하여 HPLC 튜브에서, 즉 믹서가 없을 때 발생하는 현상을 나타냅니다.전체 빨간색은 물의 질량 분율을 나타냅니다.파란색은 물 부족, 즉 순수한 아세토니트릴을 나타냅니다.확산 영역은 서로 다른 두 액체의 교대 플러그 사이에서 볼 수 있습니다.
쌀.3. COMSOL CFD 소프트웨어 패키지에서 모델링된 30ml 용량의 정적 혼합기.범례는 믹서에 있는 물의 질량 분율을 나타냅니다.순수한 물은 빨간색으로 표시되고 순수한 아세토니트릴은 파란색으로 표시됩니다.시뮬레이션된 물의 질량 분율 변화는 두 액체의 혼합 색상 변화로 표현됩니다.
무화과에.도 4는 혼합 효율과 혼합 부피 사이의 상관관계 모델의 검증 연구를 보여준다.혼합량이 증가하면 혼합 효율이 증가합니다.저자가 아는 한, 믹서 내부에 작용하는 다른 복잡한 물리적 힘은 이 CFD 모델에서 설명할 수 없으므로 실험 테스트에서 더 높은 혼합 효율을 초래합니다.실험 혼합 효율은 기본 정현파의 백분율 감소로 측정되었습니다.또한 배압이 증가하면 일반적으로 혼합 수준이 높아져 시뮬레이션에서 고려되지 않습니다.
다음 HPLC 조건 및 테스트 설정을 사용하여 원시 사인파를 측정하여 서로 다른 정적 혼합기의 상대적 성능을 비교했습니다.그림 5의 다이어그램은 일반적인 HPLC/UHPLC 시스템 레이아웃을 보여줍니다.정적 혼합기는 펌프 바로 뒤와 인젝터 및 분리 컬럼 앞에 혼합기를 배치하여 테스트했습니다.대부분의 백그라운드 정현파 측정은 인젝터와 정적 혼합기와 UV 검출기 사이의 모세관 컬럼을 우회하여 이루어집니다.신호 대 잡음비를 평가하거나 피크 모양을 분석할 때 시스템 구성은 그림 5에 나와 있습니다.
그림 4. 정적 혼합기 범위에 대한 혼합 효율 대 혼합 부피 도표.이론적 불순물은 CFD 시뮬레이션의 유효성을 확인하는 실험적 불순물 데이터와 동일한 경향을 따릅니다.
이 테스트에 사용된 HPLC 시스템은 Chemstation 소프트웨어를 실행하는 PC로 제어되는 UV 검출기가 있는 Agilent 1100 시리즈 HPLC였습니다.표 1은 두 가지 사례 연구에서 기본 정현파를 모니터링하여 믹서 효율을 측정하기 위한 일반적인 튜닝 조건을 보여줍니다.용매의 두 가지 다른 예에 대해 실험적 테스트를 수행했습니다.사례 1에서 혼합된 2개의 용매는 용매 A(탈이온수 중 20mM 암모늄 아세테이트) 및 용매 B(80% 아세토니트릴(ACN)/20% 탈이온수)였다.사례 2에서 용매 A는 탈이온수에 0.05% 아세톤(라벨) 용액이었습니다.용매 B는 80/20% 메탄올과 물의 혼합물입니다.case 1은 펌프의 유속을 0.25 ml/min에서 1.0 ml/min으로 설정하였고, case 2는 펌프의 유속을 1 ml/min으로 일정하게 설정하였다.두 경우 모두 용매 A와 B의 혼합 비율은 20% A/80% B였다. 검출기는 case 1에서 220nm로 설정했고, case 2에서 아세톤의 최대 흡수는 265nm의 파장으로 설정했다.
표 1. 사례 1 및 2에 대한 HPLC 구성 사례 1 사례 2 펌프 속도 0.25 ml/min 내지 1.0 ml/min 1.0 ml/min 용매 A 탈이온수 중 20 mM 암모늄 아세테이트 탈이온수 중 0.05% 아세톤 용매 B 80% 아세토니트릴(ACN)/20% 탈이온수 80% 메탄올/20% 탈이온수 용매 비율 20% A / 80% B 20% A / 80% B 검출기 220nm 265nm
쌀.6. 신호의 기준 드리프트 성분을 제거하기 위해 저역 통과 필터를 적용하기 전과 후에 측정된 혼합 사인파의 플롯.
그림 6은 사례 1에서 혼합된 기준선 노이즈의 일반적인 예이며 기준선 드리프트에 중첩된 반복 정현파 패턴으로 표시됩니다.기준선 드리프트는 배경 신호의 느린 증가 또는 감소입니다.시스템이 충분히 오랫동안 평형을 이루도록 허용되지 않으면 일반적으로 떨어지지만 시스템이 완전히 안정적인 경우에도 불규칙하게 표류합니다.이 베이스라인 드리프트는 시스템이 가파른 기울기 또는 높은 배압 조건에서 작동할 때 증가하는 경향이 있습니다.이 기준선 드리프트가 있는 경우 샘플 간에 결과를 비교하기 어려울 수 있습니다. 이는 원시 데이터에 저역 통과 필터를 적용하여 이러한 저주파 변동을 필터링하여 평탄한 기준선이 있는 진동 플롯을 제공함으로써 극복할 수 있습니다.무화과에.그림 6은 또한 저역 통과 필터를 적용한 후 믹서의 베이스라인 노이즈 플롯을 보여줍니다.
CFD 시뮬레이션 및 초기 실험 테스트를 완료한 후 위에서 설명한 내부 구성 요소를 사용하여 30µl, 60µl 및 90µl의 세 가지 내부 부피가 있는 세 개의 개별 정적 믹서가 개발되었습니다.이 범위는 저진폭 베이스라인을 생성하기 위해 개선된 혼합 및 저분산이 필요한 낮은 분석물 HPLC 응용 분야에 필요한 부피 및 혼합 성능 범위를 포괄합니다.무화과에.도 7은 정적 혼합기의 3개 부피 및 혼합기가 설치되지 않은 실시예 1의 테스트 시스템(추적자로서 아세토니트릴 및 암모늄 아세테이트)에서 얻은 기본 사인파 측정치를 보여준다.그림 7에 표시된 결과에 대한 실험 테스트 조건은 용매 유속 0.5ml/분에서 표 1에 요약된 절차에 따라 4가지 테스트 모두에서 일정하게 유지되었습니다.신호가 겹치지 않고 나란히 표시될 수 있도록 데이터 세트에 오프셋 값을 적용합니다.오프셋은 믹서의 성능 수준을 판단하는 데 사용되는 신호의 진폭에 영향을 주지 않습니다.믹서가 없는 평균 정현파 진폭은 0.221mAi인 반면 정적 Mott 믹서의 진폭은 30µl, 60µl 및 90µl에서 각각 0.077, 0.017 및 0.004mAi로 떨어졌습니다.
그림 7. 혼합기 없이 용매 혼합, 30µl, 60µl 및 90µl Mott 혼합기에서 정적 혼합기의 부피가 증가함에 따라 개선된 혼합(낮은 신호 진폭)을 보여주는 사례 1(암모늄 아세테이트 지시약 포함 아세토니트릴)의 HPLC UV 검출기 신호 오프셋 대 시간.(실제 데이터 오프셋: 0.13(믹서 없음), 더 나은 디스플레이를 위한 0.32, 0.4, 0.45mA).
그림에 표시된 데이터.8은 그림 7과 동일하지만 이번에는 내부 부피가 50µl, 150µl 및 250µl인 일반적으로 사용되는 세 가지 HPLC 정적 혼합기의 결과를 포함합니다.쌀.그림 8. 정적 혼합기, Mott 정적 혼합기의 새로운 시리즈 및 3개의 기존 혼합기(실제 데이터 오프셋은 더 나은 디스플레이 효과를 위해 각각 0.1(혼합기 없음), 0.32, 0.48, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9mA임) 없이 용매의 혼합을 보여주는 사례 1(지표로 아세토니트릴 및 암모늄 아세테이트)에 대한 HPLC UV 검출기 신호 오프셋 대 시간 플롯.기본 사인파의 감소율은 믹서가 설치되지 않은 진폭에 대한 사인파의 진폭 비율로 계산됩니다.사례 1과 2에 대해 측정된 사인파 감쇠 백분율은 업계에서 일반적으로 사용되는 새로운 정적 믹서 및 7개의 표준 믹서의 내부 부피와 함께 표 2에 나열되어 있습니다.그림 8 및 9의 데이터와 표 2에 제시된 계산은 Mott Static Mixer가 이러한 테스트 조건에서 기존 HPLC 믹서의 성능을 훨씬 능가하는 최대 98.1%의 사인파 감쇠를 제공할 수 있음을 보여줍니다.그림 9. 정적 혼합기(결합), 새로운 Mott 정적 혼합기 시리즈 및 2개의 기존 혼합기(실제 데이터 오프셋은 0, 11(혼합기 없음), 0.22, 0.3, 0.35mA이며 더 나은 표시를 위해)를 보여주는 사례 2(추적자로서의 메탄올 및 아세톤)에 대한 HPLC UV 검출기 신호 오프셋 대 시간 플롯.업계에서 일반적으로 사용되는 7가지 믹서도 평가했습니다.여기에는 회사 A(믹서 A1, A2 및 A3로 지정됨) 및 회사 B(믹서 B1, B2 및 B3로 지정됨)의 세 가지 내부 볼륨이 있는 믹서가 포함됩니다.회사 C는 한 사이즈만 평가했습니다.
표 2. 정적 혼합기 교반 특성 및 내부 부피 정적 혼합기 사례 1 사인곡선 회수: 아세토니트릴 테스트(효율) 사례 2 사인곡선 회수: 메탄올 물 테스트(효율) 내부 부피(µl) 믹서 없음 – - 0 Mott 30 65% 67.2% 30 Mott 60 92.2% 91.3% 60 Mott 90 98 .1% 97.5% 90 믹서 A1 66.4% 73.7% 50 믹서 A2 89.8% 91.6% 150 믹서 A3 92.2% 94.5% 250 믹서 B1 44.8% 45.7% 9 35 믹서 B2 845.% 96.2% 370 믹서 C 97.2% 9 7.4% 250
그림 8과 표 2의 결과를 분석하면 30µl Mott 정적 혼합기가 A1 혼합기와 동일한 혼합 효율(즉, 50µl)을 갖지만 30µl Mott는 내부 부피가 30% 적다는 것을 보여줍니다.60µl Mott 믹서와 150µl 내부 부피 A2 믹서를 비교할 때 혼합 효율이 92% 대 89%로 약간 향상되었지만 더 중요한 것은 이 높은 수준의 혼합이 믹서 부피의 1/3에서 달성되었다는 것입니다.유사한 믹서 A2.90µl Mott 믹서의 성능은 내부 부피가 250µl인 A3 믹서와 동일한 경향을 따랐습니다.98% 및 92%의 혼합 성능 향상도 내부 부피의 3배 감소로 관찰되었습니다.혼합기 B와 C에 대해서도 비슷한 결과와 비교 결과가 얻어졌습니다. 그 결과, 새로운 정적 혼합기 Mott PerfectPeakTM 시리즈는 비슷한 경쟁사 혼합기보다 더 높은 혼합 효율을 제공하지만 더 적은 내부 부피로 더 나은 배경 잡음과 더 나은 신호 대 잡음비, 더 나은 감도 분석물, 피크 모양 및 피크 분해능을 제공합니다.사례 1 및 사례 2 연구 모두에서 혼합 효율의 유사한 경향이 관찰되었습니다.사례 2의 경우, 60ml Mott, 유사한 혼합기 A1(내부 부피 50μl) 및 유사한 혼합기 B1(내부 부피 35μl)의 혼합 효율을 비교하기 위해 (지시약으로 메탄올 및 아세톤)을 사용하여 테스트를 수행했습니다., 믹서가 설치되어 있지 않으면 성능이 좋지 않았지만 기준선 분석에 사용되었습니다.60ml Mott 믹서는 테스트 그룹에서 최고의 믹서로 입증되어 혼합 효율이 90% 증가했습니다.비교 가능한 Mixer A1은 혼합 효율이 75% 향상되었고 B1 믹서에서는 45% 개선되었습니다.유속만 변경한 상태에서 Case 1의 사인 곡선 테스트와 동일한 조건에서 일련의 믹서에서 유속을 사용한 기본 사인파 저감 테스트를 수행했습니다.데이터는 0.25 ~ 1 ml/min의 유속 범위에서 사인파의 초기 감소가 세 가지 혼합기 부피 모두에 대해 상대적으로 일정하게 유지됨을 보여주었습니다.두 개의 더 작은 부피의 혼합기의 경우 유속이 감소함에 따라 사인파 수축이 약간 증가하는데, 이는 혼합기에서 용매의 체류 시간 증가로 인해 확산 혼합이 증가할 것으로 예상됩니다.사인파의 뺄셈은 유량이 더 감소함에 따라 증가할 것으로 예상됩니다.그러나 사인파 기본 감쇠가 가장 높은 가장 큰 믹서 볼륨의 경우 사인파 기본 감쇠는 95%에서 98% 범위의 값으로 거의 변하지 않고(실험적 불확실성 범위 내에서) 유지되었습니다.쌀.10. 사례 1의 사인파 대 유량의 기본 감쇠. 테스트는 가변 유량으로 사인 테스트와 유사한 조건에서 수행되었으며, 아세토니트릴과 물의 80/20 혼합물 80%와 20mM 암모늄 아세테이트 20%를 주입했습니다.
30µl, 60µl 및 90µl의 3가지 내부 용적이 있는 새로 개발된 특허 받은 PerfectPeakTM 인라인 정적 혼합기는 개선된 혼합 및 저분산 플로어가 필요한 대부분의 HPLC 분석에 필요한 용적 및 혼합 성능 범위를 포함합니다.새로운 정적 믹서는 새로운 3D 프린팅 기술을 사용하여 내부 혼합물의 단위 부피당 기본 소음의 가장 높은 백분율 감소와 함께 개선된 유체역학적 정적 혼합을 제공하는 고유한 3D 구조를 생성함으로써 이를 달성합니다.기존 믹서 내부 볼륨의 1/3을 사용하여 베이스 노이즈를 98%까지 줄입니다.이러한 혼합기는 액체가 내부의 복잡한 기하학적 장벽을 통과할 때 단면적이 다르고 경로 길이가 다른 상호 연결된 3차원 흐름 채널로 구성됩니다.새로운 정적 혼합기 제품군은 경쟁 혼합기보다 향상된 성능을 제공하지만 내부 부피가 적어 신호 대 잡음비가 향상되고 정량 한계가 낮아지며 피크 모양, 효율성 및 분해능이 향상되어 감도가 높아집니다.
이번 호에서는 크로마토그래피 – 환경 친화적인 RP-HPLC – 분석 및 정제에서 아세토니트릴을 이소프로판올로 대체하기 위해 코어쉘 크로마토그래피 사용 – 새로운 가스 크로마토그래피…
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