Развиен е нов револуционерен статичен миксер во линија, специјално дизајниран да ги задоволи строгите барања на системите за високо-перформансна течна хроматографија (HPLC) и ултра-високо-перформансна течна хроматографија (HPLC и UHPLC). Лошото мешање на две или повеќе мобилни фази може да резултира со поголем однос сигнал-шум, што ја намалува чувствителноста. Хомогеното статичко мешање на две или повеќе течности со минимален внатрешен волумен и физички димензии на статичкиот миксер претставува највисок стандард на идеален статичен миксер. Новиот статичен миксер го постигнува ова со користење на нова технологија за 3D печатење за да создаде единствена 3D структура што обезбедува подобрено хидродинамичко статичко мешање со највисок процент на намалување на основниот синусоидален бран по единица внатрешен волумен на смесата. Користењето на 1/3 од внатрешниот волумен на конвенционален миксер го намалува основниот синусоидален бран за 98%. Миксерот се состои од меѓусебно поврзани 3D канали за проток со различни пресечни површини и должини на патеките додека течноста минува низ сложени 3D геометрии. Мешањето по повеќекратни кривулести патеки на проток, во комбинација со локална турбуленција и вртлози, резултира со мешање на микро, мезо и макро скали. Овој уникатен миксер е дизајниран со употреба на симулации со компјутерска динамика на флуиди (CFD). Презентираните податоци од тестовите покажуваат дека одлично мешање се постигнува со минимален внатрешен волумен.
Повеќе од 30 години, течната хроматографија се користи во многу индустрии, вклучувајќи фармацевтски производи, пестициди, заштита на животната средина, форензика и хемиска анализа. Способноста за мерење до делови на милион или помалку е клучна за технолошкиот развој во секоја индустрија. Лошата ефикасност на мешање доведува до слаб однос сигнал-шум, што е досадно за хроматографскиот свет во однос на границите на детекција и чувствителноста. При мешање на два HPLC растворувачи, понекогаш е потребно да се присили мешањето со надворешни средства за да се хомогенизираат двата растворувачи, бидејќи некои растворувачи не се мешаат добро. Ако растворувачите не се темелно измешани, може да се појави деградација на HPLC хроматограмот, што се манифестира како прекумерен шум на основната линија и/или лоша форма на пикот. Со лошо мешање, шум на основната линија ќе се појави како синусоидален бран (растечки и опаѓачки) на сигналот на детекторот со текот на времето. Во исто време, лошото мешање може да доведе до проширување и асиметрични пикови, намалувајќи ги аналитичките перформанси, формата на пикот и резолуцијата на пикот. Индустријата препозна дека линиските и те-статичките мешалки се средство за подобрување на овие граници и овозможување на корисниците да постигнат пониски граници на детекција (чувствителност). Идеалниот статички миксер ги комбинира придобивките од висока ефикасност на мешање, низок мртов волумен и низок пад на притисок со минимален волумен и максимален системски проток. Покрај тоа, како што анализата станува посложена, аналитичарите мора рутински да користат пополарни и тешки за мешање растворувачи. Ова значи дека подоброто мешање е задолжително за идните тестирања, што дополнително ја зголемува потребата за супериорен дизајн и перформанси на миксер.
Mott неодамна разви нова линија на патентирани PerfectPeakTM статички миксери во линија со три внатрешни волумени: 30 µl, 60 µl и 90 µl. Овие големини го покриваат опсегот на волумени и карактеристики на мешање потребни за повеќето HPLC тестови каде што е потребно подобрено мешање и ниска дисперзија. Сите три модели се со дијаметар од 0,5″ и испорачуваат водечки перформанси во индустријата во компактен дизајн. Тие се изработени од не'рѓосувачки челик 316L, пасивиран за инертност, но достапни се и титаниум и други метални легури отпорни на корозија и хемиски инертни. Овие миксери имаат максимален работен притисок до 20.000 psi. На сл. 1a е прикажана фотографија од статички миксер Mott од 60 µl дизајниран да обезбеди максимална ефикасност на мешање, а воедно да користи помал внатрешен волумен од стандардните миксери од овој тип. Овој нов дизајн на статички миксер користи нова технологија за производство на адитиви за да создаде единствена 3D структура што користи помалку внатрешен проток од кој било миксер што моментално се користи во индустријата за хроматографија за да се постигне статичко мешање. Ваквите миксери се состојат од меѓусебно поврзани тридимензионални канали за проток со различни површини на пресек и различни должини на патеките додека течноста преминува низ сложени геометриски бариери внатре. На сл. Слика 1б е прикажан шематски дијаграм на новиот миксер, кој користи индустриски стандардни HPLC компресиски фитинзи со навој 10-32 за влез и излез, и има засенчени сини граници на патентираниот внатрешен отвор за миксер. Различните површини на пресек на внатрешните патеки на проток и промените во насоката на проток во рамките на внатрешниот волумен на проток создаваат региони на турбулентен и ламинарен проток, предизвикувајќи мешање на микро, мезо и макро размери. Дизајнот на овој уникатен миксер користел симулации на компјутерска динамика на флуиди (CFD) за да ги анализира шемите на проток и да го усоврши дизајнот пред да направи прототип за аналитичко тестирање во рамките на компанијата и евалуација на терен од страна на клиентите. Адитивното производство е процес на печатење на 3D геометриски компоненти директно од CAD цртежи без потреба од традиционална машинска обработка (фрезови, стругови итн.). Овие нови статички миксери се дизајнирани да бидат произведени со користење на овој процес, каде што телото на миксерот се создава од CAD цртежи, а деловите се изработуваат (печатат) слој по слој со користење на адитивно производство. Тука се нанесува слој од метален прав со дебелина од околу 20 микрони, а компјутерски контролиран ласер селективно го топи и го спојува правот во цврста форма. Нанесете уште еден слој врз овој слој и нанесете ласерско синтерување. Повторете го овој процес додека делот не е целосно завршен. Потоа, правот се отстранува од делот што не е врзан со ласер, оставајќи 3D печатен дел што се совпаѓа со оригиналниот CAD цртеж. Финалниот производ е донекаде сличен на микрофлуидниот процес, со главна разлика што микрофлуидните компоненти се обично дводимензионални (рамни), додека со користење на адитивно производство, може да се создадат сложени шеми на проток во тридимензионална геометрија. Овие славини моментално се достапни како 3D печатени делови од нерѓосувачки челик 316L и титаниум. Повеќето метални легури, полимери и некои керамики може да се користат за производство на компоненти со користење на овој метод и ќе бидат земени предвид во идните дизајни/производи.
Ориз. 1. Фотографија (а) и дијаграм (б) од статичен миксер Mott од 90 μl што прикажува пресек на патеката на проток на течноста за миксер засенчена во сина боја.
Спроведете симулации на компјутерска динамика на флуиди (CFD) за перформансите на статичкиот миксер за време на фазата на дизајнирање за да помогнете во развојот на ефикасни дизајни и да ги намалите долготрајните и скапи експерименти со обиди и грешки. CFD симулација на статички миксер и стандардни цевки (симулација без миксер) со користење на софтверскиот пакет COMSOL Multiphysics. Моделирање со употреба на ламинарна механика на флуиди управувана од притисок за да се разбере брзината и притисокот на течноста во делот. Оваа динамика на флуиди, во комбинација со хемискиот транспорт на соединенија во мобилната фаза, помага да се разбере мешањето на две различни концентрирани течности. Моделот се изучува како функција на времето, еднаква на 10 секунди, за полесно пресметување при пребарување на споредливи решенија. Теоретските податоци се добиени во временски корелирана студија со користење на алатката за проекција на точкаста сонда, каде што за собирање податоци е избрана точка во средината на излезот. CFD моделот и експерименталните тестови користеле два различни растворувачи преку пропорционален вентил за земање примероци и систем за пумпање, што резултирало со заменски приклучок за секој растворувач во линијата за земање примероци. Овие растворувачи потоа се мешаат во статичен миксер. Сликите 2 и 3 покажуваат симулации на проток низ стандардна цевка (без миксер) и низ статичен миксер Mott, соодветно. Симулацијата беше извршена на права цевка долга 5 cm и внатрешна ширина од 0,25 mm за да се демонстрира концептот на наизменично внесување на вода и чист ацетонитрил во цевката во отсуство на статичен миксер, како што е прикажано на Слика 2. Симулацијата ги користеше точните димензии на цевката и миксер и брзина на проток од 0,3 ml/min.
Ориз. 2. Симулација на проток на CFD во цевка од 5 cm со внатрешен дијаметар од 0,25 mm за да се претстави што се случува во HPLC цевка, т.е. во отсуство на миксер. Целосната црвена боја го претставува масениот удел на вода. Сината боја го претставува недостатокот на вода, т.е. чист ацетонитрил. Дифузиските региони може да се видат помеѓу наизменични приклучоци на две различни течности.
Ориз. 3. Статичен миксер со волумен од 30 ml, моделиран во софтверскиот пакет COMSOL CFD. Легендата го претставува масениот удел на водата во миксерот. Чистата вода е прикажана со црвена боја, а чистиот ацетонитрил со сина боја. Промената на масениот удел на симулираната вода е претставена со промена на бојата на мешањето на две течности.
На сл. 4 е прикажана студија за валидација на корелацискиот модел помеѓу ефикасноста на мешање и волуменот на мешање. Како што се зголемува волуменот на мешање, ефикасноста на мешање ќе се зголемува. Според знаењето на авторите, други сложени физички сили што дејствуваат во внатрешноста на миксерот не можат да се земат предвид во овој CFD модел, што резултира со поголема ефикасност на мешање во експерименталните тестови. Експерименталната ефикасност на мешање беше измерена како процентно намалување на основниот синусоид. Покрај тоа, зголемениот повратен притисок обично резултира со повисоки нивоа на мешање, кои не се земаат предвид во симулацијата.
Следните HPLC услови и тест-поставки беа користени за мерење на сурови синусни бранови за да се споредат релативните перформанси на различни статички миксери. Дијаграмот на Слика 5 покажува типичен распоред на HPLC/UHPLC системот. Статичкиот миксер беше тестиран со поставување на миксерот директно по пумпата и пред инјекторот и колоната за одвојување. Повеќето синусоидни мерења во позадина се прават заобиколувајќи го инјекторот и капиларната колона помеѓу статичкиот миксер и UV детекторот. При евалуација на односот сигнал-шум и/или анализа на обликот на врвот, конфигурацијата на системот е прикажана на Слика 5.
Слика 4. Графикон на ефикасноста на мешање во однос на волуменот на мешање за низа статички миксери. Теоретската нечистотија го следи истиот тренд како и експерименталните податоци за нечистотиите, потврдувајќи ја валидноста на CFD симулациите.
HPLC системот што се користеше за овој тест беше Agilent 1100 Series HPLC со UV детектор контролиран од компјутер на кој работи софтверот Chemstation. Табела 1 ги прикажува типичните услови за подесување за мерење на ефикасноста на миксерот со следење на основните синусоиди во две студии на случај. Експерименталните тестови беа спроведени на два различни примери на растворувачи. Двата растворувачи измешани во случај 1 беа растворувач А (20 mM амониум ацетат во дејонизирана вода) и растворувач Б (80% ацетонитрил (ACN)/20% дејонизирана вода). Во случај 2, растворувачот А беше раствор од 0,05% ацетон (ознака) во дејонизирана вода. Растворувачот Б е мешавина од 80/20% метанол и вода. Во случај 1, пумпата беше поставена на брзина на проток од 0,25 ml/min до 1,0 ml/min, а во случај 2, пумпата беше поставена на константна брзина на проток од 1 ml/min. Во двата случаи, односот на смесата од растворувачи А и Б беше 20% A/80% B. Детекторот беше поставен на 220 nm во случај 1, а максималната апсорпција на ацетон во случај 2 беше поставена на бранова должина од 265 nm.
Табела 1. HPLC конфигурации за случаи 1 и 2 Случај 1 Случај 2 Брзина на пумпата 0,25 ml/min до 1,0 ml/min 1,0 ml/min Растворувач A 20 mM амониум ацетат во дејонизирана вода 0,05% Ацетон во дејонизирана вода Растворувач B 80% Ацетонитрил (ACN) / 20% дејонизирана вода 80% метанол / 20% дејонизирана вода Однос на растворувачи 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 nm 265 nm
Ориз. 6. Графикони на мешани синусни бранови мерени пред и по примена на нископропусен филтер за отстранување на компонентите на поместување на основната линија од сигналот.
Слика 6 е типичен пример за мешан шум на основната линија во Случај 1, прикажан како повторувачки синусоиден модел надреден на поместување на основната линија. Поместувањето на основната линија е бавно зголемување или намалување на сигналот во позадина. Ако на системот не му се дозволи да се изедначи доволно долго, тој обично ќе падне, но ќе поместува непредвидливо дури и кога системот е целосно стабилен. Ова поместување на основната линија има тенденција да се зголемува кога системот работи во услови на стрмен градиент или висок притисок. Кога е присутно ова поместување на основната линија, може да биде тешко да се споредат резултатите од примерок до примерок, што може да се надмине со примена на нископропусен филтер на суровите податоци за да се филтрираат овие варијации со ниска фреквенција, со што се обезбедува осцилационен дијаграм со рамна основна линија. На сл. Слика 6, исто така, покажува дијаграм на бучавата на основната линија на миксерот по примена на нископропусен филтер.
По завршувањето на CFD симулациите и почетното експериментално тестирање, последователно беа развиени три одделни статички миксери со користење на внатрешните компоненти опишани погоре со три внатрешни волумени: 30 µl, 60 µl и 90 µl. Овој опсег го опфаќа опсегот на волумени и перформанси на мешање потребни за HPLC апликации со ниска содржина на аналити каде што се потребни подобрено мешање и ниска дисперзија за да се добијат основни линии со мала амплитуда. На сл. 7 се прикажани основните мерења на синусоиден бран добиени на тест системот од Пример 1 (ацетонитрил и амониум ацетат како трасери) со три волумени на статички миксери и без инсталирани миксери. Експерименталните услови за тестирање за резултатите прикажани на Слика 7 беа одржани константни во текот на сите 4 тестови според постапката наведена во Табела 1 при брзина на проток на растворувач од 0,5 ml/min. Применете вредност на поместување на множествата податоци за да можат да се прикажат еден до друг без преклопување на сигналите. Поместувањето не влијае на амплитудата на сигналот што се користи за проценка на нивото на перформанси на миксерот. Просечната синусоидална амплитуда без миксер беше 0,221 mAi, додека амплитудите на статичките Mott миксери на 30 µl, 60 µl и 90 µl паднаа на 0,077, 0,017 и 0,004 mAi, соодветно.
Слика 7. Поместување на сигналот на HPLC UV детекторот во однос на времето за Случај 1 (ацетонитрил со индикатор за амониум ацетат) што покажува мешање на растворувачот без миксер, Mott миксери од 30 µl, 60 µl и 90 µl што покажуваат подобрено мешање (пониска амплитуда на сигналот) како што се зголемува волуменот на статичкиот миксер. (вистински поместувања на податоците: 0,13 (без миксер), 0,32, 0,4, 0,45mA за подобар приказ).
Податоците прикажани на сл. 8 се исти како и на сл. 7, но овој пат тие ги вклучуваат резултатите од три најчесто користени HPLC статички миксери со внатрешни волумени од 50 µl, 150 µl и 250 µl. Ориз. Слика 8. График на поместување на сигналот на HPLC UV детекторот во однос на времето за случај 1 (ацетонитрил и амониум ацетат како индикатори) што го прикажува мешањето на растворувачот без статички миксер, новата серија на Mott статички миксери и три конвенционални миксери (вистинското поместување на податоците е 0,1 (без миксер), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA соодветно за подобар ефект на прикажување). Процентот на намалување на основниот синусоидален бран се пресметува со односот на амплитудата на синусоидниот бран кон амплитудата без инсталиран миксер. Измерените проценти на слабеење на синусниот бран за случаите 1 и 2 се наведени во Табела 2, заедно со внатрешните волумени на нов статичен миксер и седум стандардни миксерки што најчесто се користат во индустријата. Податоците на сликите 8 и 9, како и пресметките презентирани во Табела 2, покажуваат дека Mott Static Mixer може да обезбеди до 98,1% слабеење на синусниот бран, што далеку ги надминува перформансите на конвенционален HPLC миксер под овие услови на тестирање. Слика 9. Графикон на поместување на сигналот на HPLC UV детекторот во однос на времето за случај 2 (метанол и ацетон како трасери) што не покажува статичен миксер (комбиниран), нова серија на Mott статички миксерки и два конвенционални миксерки (вистинските поместувања на податоците се 0, 11 (без миксер), 0,22, 0,3, 0,35 mA и за подобар приказ). Исто така, беа оценети седум најчесто користени миксерки во индустријата. Тука спаѓаат миксери со три различни внатрешни волумени од компанијата А (назначен миксер A1, A2 и A3) и компанијата Б (назначен миксер B1, B2 и B3). Компанијата Ц оценила само една големина.
Табела 2. Карактеристики на мешање и внатрешен волумен на статички миксер Случај 1 Синусоидно обновување: Тест на ацетонитрил (ефикасност) Случај 2 Синусоидно обновување: Тест на метанол и вода (ефикасност) Внатрешен волумен (µl) Не Миксер – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Миксер A1 66,4% 73,7% 50 Миксер A2 89,8% 91,6% 150 Миксер A3 92,2% 94,5% 250 Миксер B1 44,8% 45,7% 9 35 Миксер B2 845,% 96,2% 370 Миксер C 97,2% 97,4% 250
Анализата на резултатите на Слика 8 и Табела 2 покажува дека статичкиот миксер Mott од 30 µl има иста ефикасност на мешање како миксерот A1, т.е. 50 µl, но Mott од 30 µl има 30% помал внатрешен волумен. При споредување на миксерот Mott од 60 µl со миксерот A2 со внатрешен волумен од 150 µl, имаше мало подобрување во ефикасноста на мешање од 92% наспроти 89%, но што е поважно, ова повисоко ниво на мешање беше постигнато на 1/3 од волуменот на миксерот. сличен миксер A2. Перформансите на миксерот Mott од 90 µl го следеа истиот тренд како и миксерот A3 со внатрешен волумен од 250 µl. Подобрувања во перформансите на мешање од 98% и 92% беа забележани и со 3-кратно намалување на внатрешниот волумен. Слични резултати и споредби беа добиени за миксерите Б и Ц. Како резултат на тоа, новата серија статички миксери Mott PerfectPeakTM обезбедува поголема ефикасност на мешање од споредливите конкурентски миксери, но со помал внатрешен волумен, обезбедувајќи подобар фонски шум и подобар однос сигнал-шум, подобра чувствителност на аналити, облик на врв и резолуција на врв. Слични трендови во ефикасноста на мешање беа забележани и во студиите Случај 1 и Случај 2. За Случај 2, тестовите беа извршени со употреба на (метанол и ацетон како индикатори) за да се спореди ефикасноста на мешање на 60 ml Mott, споредлив миксер A1 (внатрешен волумен 50 µl) и споредлив миксер B1 (внатрешен волумен 35 µl). Перформансите беа лоши без инсталиран миксер, но беше користен за основна анализа. Миксерот Mott од 60 ml се покажа како најдобар миксер во тест групата, обезбедувајќи зголемување од 90% на ефикасноста на мешање. Споредлив миксер A1 забележа подобрување од 75% во ефикасноста на мешање, проследено со подобрување од 45% во споредлив миксер B1. Основен тест за намалување на синусоидниот бран со брзина на проток беше спроведен на серија миксери под истите услови како и тестот на синусоидната крива во Случај 1, при што само брзината на проток беше променета. Податоците покажаа дека во опсегот на брзина на проток од 0,25 до 1 ml/min, почетното намалување на синусоидниот бран остана релативно константно за сите три волумени на миксерот. За двата миксери со помал волумен, има мало зголемување на синусоидалната контракција како што се намалува брзината на проток, што се очекува поради зголеменото време на престој на растворувачот во миксерот, што овозможува зголемено дифузно мешање. Се очекува одземањето на синусоидниот бран да се зголеми како што протокот се намалува понатаму. Сепак, за најголемиот волумен на миксерот со највисоко слабеење на синусоидната база, слабеењето на синусоидната база остана практично непроменето (во опсегот на експериментална неизвесност), со вредности кои се движат од 95% до 98%. Ориз. 10. Основно слабеење на синусоидален бран во однос на брзината на проток во случај 1. Тестот е спроведен под услови слични на синусоидалниот тест со променлива брзина на проток, со вбризгување на 80% од мешавина од ацетонитрил и вода во сооднос 80/20 и 20% од амониум ацетат од 20 mM.
Новоразвиената линија на патентирани PerfectPeakTM статички миксери во линија со три внатрешни волумени: 30 µl, 60 µl и 90 µl го покрива опсегот на волумен и перформанси на мешање потребни за повеќето HPLC анализи кои бараат подобрено мешање и нискодисперзивни подови. Новиот статички миксер го постигнува ова со користење на нова технологија за 3D печатење за да создаде уникатна 3D структура која обезбедува подобрено хидродинамичко статичко мешање со највисок процент на намалување на основниот шум по единица волумен на внатрешна смеса. Користењето на 1/3 од внатрешниот волумен на конвенционален миксер го намалува основниот шум за 98%. Ваквите миксери се состојат од меѓусебно поврзани тридимензионални канали за проток со различни површини на пресек и различни должини на патеките додека течноста преминува сложени геометриски бариери внатре. Новото семејство на статички миксери обезбедува подобрени перформанси во однос на конкурентските миксери, но со помал внатрешен волумен, што резултира со подобар однос сигнал-шум и пониски граници на квантификација, како и подобрена форма на врвот, ефикасност и резолуција за поголема чувствителност.
Во ова издание Хроматографија – Еколошки прифатлива RP-HPLC – Употреба на хроматографија со јадро-обвивка за замена на ацетонитрил со изопропанол во анализа и прочистување – Нов гасен хроматограф за…
Бизнис центар Интернешнл Лабмејт Лимитед Оук Корт Сандриџ Парк, Портерс Вуд Сент Албанс Хартфордшир AL3 6PH Обединето Кралство