En revolusjonerende ny inline statisk mikser er utviklet spesielt for å møte de strenge kravene til høytrykksvæskekromatografi (HPLC) og ultrahøytrykksvæskekromatografi (HPLC og UHPLC) systemer. Dårlig blanding av to eller flere mobile faser kan resultere i et høyere signal-til-støy-forhold, noe som reduserer følsomheten. Homogen statisk blanding av to eller flere væsker med et minimum indre volum og fysiske dimensjoner for en statisk mikser representerer den høyeste standarden for en ideell statisk mikser. Den nye statiske mikseren oppnår dette ved å bruke ny 3D-printingsteknologi for å lage en unik 3D-struktur som gir forbedret hydrodynamisk statisk blanding med den høyeste prosentvise reduksjonen i basissinusbølge per enhet indre volum av blandingen. Bruk av 1/3 av det indre volumet til en konvensjonell mikser reduserer den grunnleggende sinusbølgen med 98 %. Mikseren består av sammenkoblede 3D-strømningskanaler med varierende tverrsnittsarealer og banelengder etter hvert som væsken krysser komplekse 3D-geometrier. Blanding langs flere kronglete strømningsbaner, kombinert med lokal turbulens og virvler, resulterer i blanding på mikro-, meso- og makroskala. Denne unike mikseren er designet ved hjelp av beregningsbaserte fluiddynamikksimuleringer (CFD). Testdataene som presenteres viser at utmerket blanding oppnås med et minimalt internt volum.
I over 30 år har væskekromatografi blitt brukt i mange bransjer, inkludert legemidler, plantevernmidler, miljøvern, rettsmedisin og kjemisk analyse. Evnen til å måle til deler per million eller mindre er avgjørende for teknologisk utvikling i enhver bransje. Dårlig blandingseffektivitet fører til dårlig signal-til-støy-forhold, noe som er irriterende for kromatografimiljøet når det gjelder deteksjonsgrenser og følsomhet. Når man blander to HPLC-løsningsmidler, er det noen ganger nødvendig å tvinge blanding med eksterne midler for å homogenisere de to løsningsmidlene fordi noen løsningsmidler ikke blandes godt. Hvis løsningsmidlene ikke blandes grundig, kan det oppstå degradering av HPLC-kromatogrammet, som manifesterer seg som overdreven baseline-støy og/eller dårlig toppform. Ved dårlig blanding vil baseline-støy vises som en sinusbølge (stigende og synkende) av detektorsignalet over tid. Samtidig kan dårlig blanding føre til utvidede og asymmetriske topper, noe som reduserer analytisk ytelse, toppform og toppoppløsning. Bransjen har erkjent at in-line og T-formede statiske blandere er et middel for å forbedre disse grensene og la brukere oppnå lavere deteksjonsgrenser (følsomheter). Den ideelle statiske mikseren kombinerer fordelene med høy blandeeffektivitet, lavt dødvolum og lavt trykkfall med minimalt volum og maksimal systemgjennomstrømning. I tillegg, etter hvert som analysen blir mer kompleks, må analytikere rutinemessig bruke mer polare og vanskelig blandbare løsemidler. Dette betyr at bedre blanding er et must for fremtidig testing, noe som ytterligere øker behovet for overlegen mikserdesign og ytelse.
Mott har nylig utviklet en ny serie patenterte PerfectPeak™ inline statiske blandere med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl. Disse størrelsene dekker volumene og blandingsegenskapene som trengs for de fleste HPLC-tester der forbedret blanding og lav dispersjon er nødvendig. Alle tre modellene er 0,5 tommer i diameter og leverer bransjeledende ytelse i en kompakt design. De er laget av 316L rustfritt stål, passivert for inerthet, men titan og andre korrosjonsbestandige og kjemisk inerte metalllegeringer er også tilgjengelige. Disse blanderne har et maksimalt driftstrykk på opptil 20 000 psi. Figur 1a viser et fotografi av en 60 µl Mott statisk mikser designet for å gi maksimal blandingseffektivitet samtidig som den bruker et mindre internt volum enn standardblandere av denne typen. Denne nye statiske mikserdesignen bruker ny additiv produksjonsteknologi for å skape en unik 3D-struktur som bruker mindre intern strømning enn noen mikser som for tiden brukes i kromatografiindustrien for å oppnå statisk blanding. Slike miksere består av sammenkoblede tredimensjonale strømningskanaler med forskjellige tverrsnittsarealer og forskjellige banelengder når væsken krysser komplekse geometriske barrierer inni. Figur 1b viser et skjematisk diagram av den nye mikseren, som bruker industristandard 10-32 gjengede HPLC-kompresjonskoblinger for innløp og utløp, og har skyggelagte blå kanter av den patenterte interne mikserporten. Ulike tverrsnittsarealer av de interne strømningsbanene og endringer i strømningsretning innenfor det interne strømningsvolumet skaper områder med turbulent og laminær strømning, noe som forårsaker blanding på mikro-, meso- og makroskala. Utformingen av denne unike mikseren brukte beregningsbaserte fluiddynamikksimuleringer (CFD) for å analysere strømningsmønstre og forbedre designet før prototyping for intern analytisk testing og kundeevaluering i felt. Additiv produksjon er prosessen med å skrive ut 3D-geometriske komponenter direkte fra CAD-tegninger uten behov for tradisjonell maskinering (fresemaskiner, dreiebenker osv.). Disse nye statiske mikserne er designet for å bli produsert ved hjelp av denne prosessen, der mikserkroppen lages fra CAD-tegninger og delene fremstilles (skrives ut) lag for lag ved hjelp av additiv produksjon. Her avsettes et lag med metallpulver på omtrent 20 mikron, og en datastyrt laser smelter og sammensmelter pulveret til en fast form. Påfør et nytt lag oppå dette laget og påfør lasersintring. Gjenta denne prosessen til delen er helt ferdig. Pulveret fjernes deretter fra den ikke-laserbundne delen, slik at det blir en 3D-printet del som samsvarer med den originale CAD-tegningen. Sluttproduktet ligner noe på mikrofluidprosessen, med hovedforskjellen at de mikrofluidiske komponentene vanligvis er todimensjonale (flate), mens komplekse strømningsmønstre kan lages i tredimensjonal geometri ved bruk av additiv produksjon. Disse kranene er for tiden tilgjengelige som 3D-printede deler i 316L rustfritt stål og titan. De fleste metalllegeringer, polymerer og noen keramikktyper kan brukes til å lage komponenter ved hjelp av denne metoden, og vil bli vurdert i fremtidige design/produkter.
Ris. 1. Fotografi (a) og diagram (b) av en 90 μl Mott statisk mikser som viser et tverrsnitt av blandevæskens strømningsbane skyggelagt i blått.
Kjør beregningsbaserte fluiddynamikksimuleringer (CFD) av statiske blandeenheters ytelse i designfasen for å bidra til å utvikle effektive design og redusere tidkrevende og kostbare prøving-og-feiling-eksperimenter. CFD-simulering av statiske blandere og standard rørledninger (simulering uten blander) ved hjelp av programvarepakken COMSOL Multiphysics. Modellering ved hjelp av trykkdrevet laminær fluidmekanikk for å forstå fluidhastighet og -trykk i en del. Denne fluiddynamikken, kombinert med den kjemiske transporten av mobile faseforbindelser, bidrar til å forstå blandingen av to forskjellige konsentrerte væsker. Modellen studeres som en funksjon av tid, lik 10 sekunder, for enkel beregning mens man søker etter sammenlignbare løsninger. Teoretiske data ble innhentet i en tidskorrelert studie ved hjelp av punktprobeprojeksjonsverktøyet, hvor et punkt midt i utløpet ble valgt for datainnsamling. CFD-modellen og eksperimentelle tester brukte to forskjellige løsemidler gjennom en proporsjonal prøvetakingsventil og pumpesystem, noe som resulterte i en erstatningsplugg for hvert løsemiddel i prøvetakingslinjen. Disse løsemidlene blandes deretter i en statisk mikser. Figur 2 og 3 viser strømningssimuleringer gjennom henholdsvis et standardrør (uten mikser) og gjennom en Mott statisk mikser. Simuleringen ble kjørt på et rett rør med en lengde på 5 cm og en innerdiameter på 0,25 mm for å demonstrere konseptet med å veksle mellom plugger av vann og ren acetonitril i røret uten en statisk mikser, som vist i figur 2. Simuleringen brukte de nøyaktige dimensjonene til røret og mikseren og en strømningshastighet på 0,3 ml/min.
Ris. 2. Simulering av CFD-strømning i et 5 cm rør med en indre diameter på 0,25 mm for å representere hva som skjer i et HPLC-rør, dvs. uten mikser. Full rød farge representerer massefraksjonen av vann. Blå representerer mangel på vann, dvs. ren acetonitril. Diffusjonsområder kan sees mellom alternerende plugger av to forskjellige væsker.
Ris. 3. Statisk mikser med et volum på 30 ml, modellert i programvarepakken COMSOL CFD. Forklaringen representerer massefraksjonen av vann i mikseren. Rent vann er vist i rødt og ren acetonitril i blått. Endringen i massefraksjonen til det simulerte vannet er representert ved en endring i fargen på blandingen av to væsker.
Figur 4 viser en valideringsstudie av korrelasjonsmodellen mellom blandingseffektivitet og blandingsvolum. Etter hvert som blandingsvolumet øker, vil blandingseffektiviteten øke. Så vidt forfatterne vet, kan ikke andre komplekse fysiske krefter som virker inne i mikseren, tas hensyn til i denne CFD-modellen, noe som resulterer i høyere blandingseffektivitet i eksperimentelle tester. Den eksperimentelle blandingseffektiviteten ble målt som prosentvis reduksjon i basissinusoiden. I tillegg resulterer økt mottrykk vanligvis i høyere blandingsnivåer, noe som ikke er tatt med i betraktningen i simuleringen.
Følgende HPLC-forhold og testoppsett ble brukt til å måle rå sinusbølger for å sammenligne den relative ytelsen til forskjellige statiske miksere. Diagrammet i figur 5 viser et typisk HPLC/UHPLC-systemoppsett. Den statiske mikseren ble testet ved å plassere mikseren rett etter pumpen og før injektoren og separasjonskolonnen. De fleste sinusformede bakgrunnsmålinger gjøres ved å omgå injektoren og kapillærkolonnen mellom den statiske mikseren og UV-detektoren. Når signal-til-støy-forholdet evalueres og/eller toppformen analyseres, vises systemkonfigurasjonen i figur 5.
Figur 4. Plott av blandingseffektivitet kontra blandingsvolum for en rekke statiske blandere. Den teoretiske urenheten følger samme trend som de eksperimentelle urenhetsdataene, noe som bekrefter gyldigheten av CFD-simuleringene.
HPLC-systemet som ble brukt til denne testen var en Agilent 1100-serie HPLC med en UV-detektor styrt av en PC som kjører Chemstation-programvare. Tabell 1 viser typiske innstillingsforhold for måling av blandereffektivitet ved å overvåke basiske sinusoider i to casestudier. Eksperimentelle tester ble utført på to forskjellige eksempler på løsemidler. De to løsemidlene som ble blandet i tilfelle 1 var løsemiddel A (20 mM ammoniumacetat i avionisert vann) og løsemiddel B (80 % acetonitril (ACN)/20 % avionisert vann). I tilfelle 2 var løsemiddel A en løsning av 0,05 % aceton (merket) i avionisert vann. Løsemiddel B er en blanding av 80/20 % metanol og vann. I tilfelle 1 ble pumpen satt til en strømningshastighet på 0,25 ml/min til 1,0 ml/min, og i tilfelle 2 ble pumpen satt til en konstant strømningshastighet på 1 ml/min. I begge tilfeller var forholdet mellom blandingen av løsningsmidlene A og B 20 % A/80 % B. Detektoren ble satt til 220 nm i tilfelle 1, og den maksimale absorpsjonen av aceton i tilfelle 2 ble satt til en bølgelengde på 265 nm.
Tabell 1. HPLC-konfigurasjoner for tilfelle 1 og 2 Tilfelle 1 Tilfelle 2 Pumpehastighet ​​0,25 ml/min til 1,0 ml/min 1,0 ml/min Løsemiddel A 20 mM ammoniumacetat i avionisert vann 0,05 % aceton i avionisert vann Løsemiddel B 80 % acetonitril (ACN) / 20 % avionisert vann 80 % metanol / 20 % avionisert vann Løsemiddelforhold 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Rice. 6. Plott av blandede sinusbølger målt før og etter bruk av et lavpassfilter for å fjerne driftkomponenter i signalets grunnlinje.
Figur 6 er et typisk eksempel på blandet grunnlinjestøy i tilfelle 1, vist som et repeterende sinusformet mønster lagt over grunnlinjedrift. Grunnlinjedrift er en langsom økning eller reduksjon i bakgrunnssignalet. Hvis systemet ikke får likevekt lenge nok, vil det vanligvis falle, men vil drive uberegnelig selv når systemet er helt stabilt. Denne grunnlinjedriften har en tendens til å øke når systemet opererer i bratte gradienter eller forhold med høyt mottrykk. Når denne grunnlinjedriften er tilstede, kan det være vanskelig å sammenligne resultater fra prøve til prøve, noe som kan overvinnes ved å bruke et lavpassfilter på rådataene for å filtrere ut disse lavfrekvente variasjonene, og dermed gi et oscillasjonsplott med en flat grunnlinje. Figur 6 viser også et plott av miksers grunnlinjestøy etter bruk av et lavpassfilter.
Etter at CFD-simuleringene og den innledende eksperimentelle testingen var fullført, ble det deretter utviklet tre separate statiske miksere ved hjelp av de interne komponentene beskrevet ovenfor med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl. Dette området dekker volumene og blandingsytelsen som kreves for HPLC-applikasjoner med lav analyttinnhold, der forbedret blanding og lav dispersjon er nødvendig for å produsere baselinjer med lav amplitude. Figur 7 viser grunnleggende sinusbølgemålinger oppnådd på testsystemet i eksempel 1 (acetonitril og ammoniumacetat som sporstoffer) med tre volumer statiske miksere og ingen miksere installert. Eksperimentelle testbetingelser for resultatene vist i figur 7 ble holdt konstante gjennom alle fire testene i henhold til prosedyren beskrevet i tabell 1 ved en løsemiddelstrømningshastighet på 0,5 ml/min. Bruk en offset-verdi på datasettene slik at de kan vises side om side uten signaloverlapping. Offset påvirker ikke amplituden til signalet som brukes til å bedømme mikserens ytelsesnivå. Den gjennomsnittlige sinusformede amplituden uten mikseren var 0,221 mAi, mens amplitudene til de statiske Mott-mikserne ved 30 µl, 60 µl og 90 µl falt til henholdsvis 0,077, 0,017 og 0,004 mAi.
Figur 7. HPLC UV-detektorsignalforskyvning vs. tid for tilfelle 1 (acetonitril med ammoniumacetatindikator) som viser løsningsmiddelblanding uten mikser, 30 µl, 60 µl og 90 µl Mott-miksere som viser forbedret blanding (lavere signalamplitude) etter hvert som volumet til den statiske mikseren øker. (faktiske dataforskyvninger: 0,13 (ingen mikser), 0,32, 0,4, 0,45 mA for bedre visning).
Dataene vist i figur 8 er de samme som i figur 7, men denne gangen inkluderer de resultatene fra tre vanlige HPLC-statiske blandere med interne volumer på 50 µl, 150 µl og 250 µl. Figur 8. HPLC UV-detektorsignalforskyvning versus tidsplott for tilfelle 1 (acetonitril og ammoniumacetat som indikatorer) som viser blanding av løsemiddel uten statisk mikser, den nye serien med Mott statiske blandere og tre konvensjonelle blandere (faktisk dataforskyvning er henholdsvis 0,1 (uten mikser), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA for bedre visningseffekt). Den prosentvise reduksjonen av basissinusbølgen beregnes ved forholdet mellom amplituden til sinusbølgen og amplituden uten installert blander. De målte prosentene for sinusbølgedemping for tilfelle 1 og 2 er listet opp i tabell 2, sammen med de interne volumene til en ny statisk mikser og syv standardmiksere som er vanlig brukt i industrien. Dataene i figur 8 og 9, samt beregningene presentert i tabell 2, viser at Mott Static Mixer kan gi opptil 98,1 % sinusbølgedemping, noe som langt overgår ytelsen til en konvensjonell HPLC-mikser under disse testforholdene. Figur 9. HPLC UV-detektorsignalforskyvning versus tid-plott for tilfelle 2 (metanol og aceton som sporstoffer) som viser ingen statisk mikser (kombinert), en ny serie med Mott statiske miksere og to konvensjonelle miksere (faktiske dataforskyvninger er 0, 11 (uten mikser), 0,22, 0,3, 0,35 mA og for bedre visning). Syv vanlige miksere i industrien ble også evaluert. Disse inkluderer blandere med tre forskjellige interne volumer fra selskap A (betegnet blander A1, A2 og A3) og selskap B (betegnet blander B1, B2 og B3). Selskap C vurderte kun én størrelse.
Tabell 2. Omrøringsegenskaper for statisk mikser og internt volum Statisk mikser Tilfelle 1 Sinusformet gjenvinning: Acetonitril-test (effektivitet) Tilfelle 2 Sinusformet gjenvinning: Metanol-vann-test (effektivitet) Internt volum (µl) Ingen mikser – - 0 Mott 30 65 % 67,2 % 30 Mott 60 92,2 % 91,3 % 60 Mott 90 98,1 % 97,5 % 90 Blander A1 66,4 % 73,7 % 50 Blander A2 89,8 % 91,6 % 150 Blander A3 92,2 % 94,5 % 250 Blander B1 44,8 % 45,7 % 9 35 Blander B2 845 % 96,2 % 370 Blander C 97,2 % 97,4 % 250
Analyse av resultatene i figur 8 og tabell 2 viser at den statiske Mott-mikseren på 30 µl har samme blandeeffektivitet som A1-mikseren, dvs. 50 µl. Imidlertid har 30 µl Mott 30 % mindre internt volum. Ved sammenligning av 60 µl Mott-mikseren med A2-mikseren med 150 µl internt volum, var det en liten forbedring i blandeeffektiviteten på 92 % mot 89 %, men enda viktigere er at dette høyere blandenivået ble oppnådd ved 1/3 av blandevolumet. Ytelsen til 90 µl Mott-mikseren fulgte samme trend som A3-mikseren med et internt volum på 250 µl. Forbedringer i blandeytelse på 98 % og 92 % ble også observert med en tredobling av internt volum. Lignende resultater og sammenligninger ble oppnådd for mikserne B og C. Som et resultat gir den nye serien med statiske miksere, Mott PerfectPeak™, høyere blandeeffektivitet enn sammenlignbare konkurrerende miksere, men med mindre internt volum, noe som gir bedre bakgrunnsstøy og et bedre signal-til-støy-forhold, bedre følsomhet for analytt, toppform og toppoppløsning. Lignende trender i blandeeffektivitet ble observert i både Case 1- og Case 2-studiene. For Case 2 ble det utført tester med (metanol og aceton som indikatorer) for å sammenligne blandeeffektiviteten til 60 ml Mott, en sammenlignbar mikser A1 (internt volum 50 µl) og en sammenlignbar mikser B1 (internt volum 35 µl). Ytelsen var dårlig uten installert mikser, men den ble brukt til baseline-analyse. 60 ml Mott-mikseren viste seg å være den beste mikseren i testgruppen, og ga en økning på 90 % i blandeeffektivitet. En sammenlignbar mikser A1 så en forbedring på 75 % i blandeeffektivitet, etterfulgt av en forbedring på 45 % i en sammenlignbar B1-mikser. En grunnleggende sinusbølgereduksjonstest med strømningshastighet ble utført på en serie miksere under de samme forholdene som sinuskurvetesten i tilfelle 1, med kun endret strømningshastighet. Dataene viste at i strømningshastighetsområdet fra 0,25 til 1 ml/min forble den første reduksjonen i sinusbølgen relativt konstant for alle tre mikservolumene. For de to mikserne med mindre volum er det en liten økning i sinusformet sammentrekning når strømningshastigheten synker, noe som er forventet på grunn av den økte oppholdstiden til løsningsmidlet i mikseren, noe som gir økt diffusjonsblanding. Subtraksjonen av sinusbølgen forventes å øke etter hvert som strømningen synker ytterligere. For det største mikservolumet med den høyeste sinusbølgebasedempningen forble imidlertid sinusbølgebasedempningen tilnærmet uendret (innenfor området for eksperimentell usikkerhet), med verdier fra 95 % til 98 %. 10. Grunnleggende demping av en sinusbølge versus strømningshastighet i tilfelle 1. Testen ble utført under forhold som ligner sinustesten med variabel strømningshastighet, ved injisering av 80 % av en 80/20 blanding av acetonitril og vann og 20 % av 20 mM ammoniumacetat.
Den nyutviklede serien med patenterte PerfectPeakTM inline statiske miksere med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl dekker volum- og blandingsytelsesområdet som kreves for de fleste HPLC-analyser som krever forbedret blanding og lavdispersjonsgulv. Den nye statiske mikseren oppnår dette ved å bruke ny 3D-printingsteknologi for å lage en unik 3D-struktur som gir forbedret hydrodynamisk statisk blanding med den høyeste prosentvise reduksjonen i basestøy per volumenhet av intern blanding. Bruk av 1/3 av det interne volumet til en konvensjonell mikser reduserer basestøy med 98 %. Slike miksere består av sammenkoblede tredimensjonale strømningskanaler med forskjellige tverrsnittsarealer og forskjellige banelengder når væsken krysser komplekse geometriske barrierer inni. Den nye familien av statiske miksere gir forbedret ytelse i forhold til konkurrerende miksere, men med mindre internt volum, noe som resulterer i bedre signal-til-støy-forhold og lavere kvantifiseringsgrenser, samt forbedret toppform, effektivitet og oppløsning for høyere følsomhet.
I denne utgaven Kromatografi – Miljøvennlig RP-HPLC – Bruk av kjerne-skall-kromatografi for å erstatte acetonitril med isopropanol i analyse og rensing – Ny gasskromatograf for…
Forretningssenter International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Storbritannia