En revolusjonerende ny inline statisk mikser er utviklet spesielt designet for å møte de strenge kravene til høyytelses væskekromatografi (HPLC) og ultra høy ytelse væskekromatografi (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 til en statisk blander representerer den høyeste standarden for en ideell statisk blander.Den nye statiske mikseren oppnår dette ved å bruke ny 3D-utskriftsteknologi for å skape en unik 3D-struktur som gir forbedret hydrodynamisk statisk miksing med den høyeste prosentvise reduksjonen i basissinusbølge per enhet internt volum av blandingen.Ved å bruke 1/3 av det interne volumet til en konvensjonell mikser reduseres den grunnleggende sinusbølgen med 98 %.Blanderen består av sammenkoblede 3D-strømningskanaler med varierende tverrsnittsarealer og banelengder når væsken krysser komplekse 3D-geometrier.Blanding langs flere kronglete strømningsbaner, kombinert med lokal turbulens og virvler, resulterer i blanding på mikro-, meso- og makroskalaen.Denne unike mikseren er designet ved hjelp av beregningsbasert fluiddynamikk (CFD) simuleringer.Testdataene som presenteres viser at utmerket blanding oppnås med et minimum internt volum.
I mer enn 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 blandeeffektivitet fører til dårlig signal-til-støy-forhold, noe som er til irritasjon for kromatografimiljøet når det gjelder deteksjonsgrenser og følsomhet.Når du 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 løsemidler ikke blandes grundig, kan nedbrytning av HPLC-kromatogrammet forekomme, noe som viser seg som overdreven grunnlinjestøy og/eller dårlig toppform.Ved dårlig blanding vil grunnlinjestøy vises som en sinusbølge (stigende og fallende) av detektorsignalet over tid.Samtidig kan dårlig blanding føre til utvidede og asymmetriske topper, noe som reduserer analytisk ytelse, toppform og toppoppløsning.Industrien har erkjent at in-line og tee statiske miksere er et middel til å forbedre disse grensene og tillate brukere å oppnå lavere deteksjonsgrenser (sensitiviteter).Den ideelle statiske blanderen kombinerer fordelene med høy blandeeffektivitet, lavt dødvolum og lavt trykkfall med minimalt volum og maksimal systemgjennomstrømning.I tillegg, ettersom analysen blir mer kompleks, må analytikere rutinemessig bruke mer polare og vanskelig blandede løsemidler.Dette betyr at bedre blanding er et must for fremtidig testing, noe som øker behovet for overlegen mikserdesign og ytelse ytterligere.
Mott har nylig utviklet en ny serie patenterte PerfectPeakTM inline statiske miksere med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl.Disse størrelsene dekker omfanget av volumer og blandingsegenskaper som er nødvendig 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 treghet, men titan og andre korrosjonsbestandige og kjemisk inerte metalllegeringer er også tilgjengelig.Disse mikserne har et maksimalt driftstrykk på opptil 20 000 psi.På fig.1a er et fotografi av en 60 µl Mott statisk mikser designet for å gi maksimal mikseeffektivitet mens du bruker et mindre internt volum enn standard miksere av denne typen.Denne nye statiske mikserdesignen bruker ny additiv produksjonsteknologi for å skape en unik 3D-struktur som bruker mindre intern flyt enn noen mikser som for tiden brukes i kromatografiindustrien for å oppnå statisk miksing.Slike blandere består av sammenkoblede tredimensjonale strømningskanaler med forskjellige tverrsnittsarealer og forskjellige veilengder når væsken krysser komplekse geometriske barrierer på innsiden.På fig.Figur 1b viser et skjematisk diagram av den nye mikseren, som bruker industristandard 10-32 gjengede HPLC kompresjonsfittings for innløp og utløp, og har skyggelagte blå kanter av den patenterte interne mikserporten.Ulike tverrsnittsarealer av de indre strømningsbanene og endringer i strømningsretningen i det indre strømningsvolumet skaper områder med turbulent og laminær strømning, noe som forårsaker blanding på mikro-, meso- og makroskalaen.Utformingen av denne unike mikseren brukte simuleringer av beregningsvæskedynamikk (CFD) for å analysere strømningsmønstre og avgrense designet før prototyping for intern analytisk testing og kundefeltevaluering.Additiv produksjon er prosessen med å skrive ut 3D geometriske komponenter direkte fra CAD-tegninger uten behov for tradisjonell maskinering (fresemaskiner, dreiebenker, etc.).Disse nye statiske mikserne er designet for å produseres ved hjelp av denne prosessen, hvor mikserkroppen er laget ut fra CAD-tegninger og delene blir produsert (trykt) lag for lag ved hjelp av additiv produksjon.Her avsettes et lag med ca 20 mikron tykt metallpulver, og en datastyrt laser smelter selektivt og smelter sammen pulveret til en fast form.Påfør et nytt lag på toppen av dette laget og påfør lasersintring.Gjenta denne prosessen til delen er helt ferdig.Pulveret fjernes deretter fra den ikke-laserbundne delen, og etterlater en 3D-printet del som samsvarer med den originale CAD-tegningen.Sluttproduktet ligner noe på den mikrofluidiske prosessen, med hovedforskjellen at de mikrofluidiske komponentene vanligvis er todimensjonale (flate), mens ved bruk av additiv produksjon kan komplekse strømningsmønstre skapes i tredimensjonal geometri.Disse kranene er for tiden tilgjengelige som 3D-printede deler i 316L rustfritt stål og titan.De fleste metalllegeringer, polymerer og noe keramikk 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 mikservæskestrømningsbanen skyggelagt i blått.
Kjør computational fluid dynamics (CFD)-simuleringer av statisk blanderytelse under designfasen for å hjelpe til med å utvikle effektive design og redusere tidkrevende og kostbare prøving-og-feil-eksperimenter.CFD-simulering av statiske miksere og standard rør (no-mixer simulering) ved bruk av COMSOL Multiphysics programvarepakke.Modellering ved hjelp av trykkdrevet laminær fluidmekanikk for å forstå væskehastighet og trykk i en del.Denne væskedynamikken, kombinert med kjemisk transport av mobilfaseforbindelser, bidrar til å forstå blandingen av to forskjellige konsentrerte væsker.Modellen studeres som en funksjon av tid, lik 10 sekunder, for å lette beregningen mens man søker etter sammenlignbare løsninger.Teoretiske data ble innhentet i en tidskorrelert studie ved bruk av punktsondeprojeksjonsverktøyet, hvor et punkt i midten av utgangen ble valgt for datainnsamling.CFD-modellen og eksperimentelle tester brukte to forskjellige løsemidler gjennom en proporsjonal prøvetakingsventil og et pumpesystem, noe som resulterte i en erstatningsplugg for hvert løsemiddel i prøvetakingsledningen.Disse løsningsmidlene blandes deretter i en statisk mikser.Figur 2 og 3 viser strømningssimuleringer gjennom henholdsvis et standardrør (ingen blander) og gjennom en Mott statisk blander.Simuleringen ble kjørt på et rett rør 5 cm langt og 0,25 mm ID for å demonstrere konseptet med å veksle plugger av vann og ren acetonitril inn i røret i fravær av en statisk blander, som vist i figur 2. Simuleringen brukte de nøyaktige dimensjonene til røret og blanderen og en strømningshastighet på 0,3 ml/min.
Ris.2. Simulering av CFD-strømning i et 5 cm rør med en innvendig diameter på 0,25 mm for å representere hva som skjer i et HPLC-rør, dvs. i fravær av en blander.Helrødt representerer massefraksjonen av vann.Blå representerer mangel på vann, altså ren acetonitril.Diffusjonsområder kan sees mellom vekslende plugger av to forskjellige væsker.
Ris.3. Statisk mikser med et volum på 30 ml, modellert i COMSOL CFD-programvarepakken.Legenden representerer massefraksjonen av vann i blanderen.Rent vann vises i rødt og rent acetonitril i blått.Endringen i massefraksjonen til det simulerte vannet er representert ved en endring i fargen på blandingen av to væsker.
På fig.4 viser en valideringsstudie av korrelasjonsmodellen mellom blandeeffektivitet og blandevolum.Ettersom blandevolumet øker, vil blandeeffektiviteten øke.Så vidt forfatterne vet, kan ikke andre komplekse fysiske krefter som virker inne i blanderen gjøres rede for 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 gir økt mottrykk vanligvis høyere blandingsnivåer, som ikke er tatt hensyn til i simuleringen.
Følgende HPLC-betingelser 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 blanderen ble testet ved å plassere blanderen rett etter pumpen og før injektoren og separasjonskolonnen.De fleste sinusformede bakgrunnsmålinger gjøres utenom injektoren og kapillærkolonnen mellom den statiske blanderen og UV-detektoren.Når du evaluerer signal-til-støy-forholdet og/eller analyserer toppformen, er systemkonfigurasjonen vist i figur 5.
Figur 4. Plott av blandeeffektivitet versus blandevolum for en rekke statiske blandere.Den teoretiske urenheten følger samme trend som de eksperimentelle urenhetsdataene som bekrefter gyldigheten av CFD-simuleringene.
HPLC-systemet som ble brukt for denne testen var en Agilent 1100 Series HPLC med en UV-detektor kontrollert av en PC som kjører Chemstation-programvare.Tabell 1 viser typiske innstillingsforhold for måling av blandereffektivitet ved å overvåke grunnleggende sinusoider i to casestudier.Eksperimentelle tester ble utført på to forskjellige eksempler på løsemidler.De to løsningsmidlene blandet i tilfelle 1 var løsningsmiddel A (20 mM ammoniumacetat i avionisert vann) og løsningsmiddel B (80 % acetonitril (ACN)/20 % avionisert vann).I tilfelle 2 var løsningsmiddel A en løsning av 0,05 % aceton (etikett) i avionisert vann.Løsningsmiddel 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 løsningsmidler A og B 20 % A/80 % B. Detektoren ble satt til 220 nm i tilfelle 1, og maksimal absorpsjon 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 % Acetonitriisert vann 80 % Acetonitriisert 0,2 % 0,2 % Acetonitril vann /2 avionisert vann Løsemiddelforhold 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Ris.6. Plott av blandede sinusbølger målt før og etter påføring av et lavpassfilter for å fjerne basislinjedriftkomponenter i signalet.
Figur 6 er et typisk eksempel på blandet grunnlinjestøy i tilfelle 1, vist som et repeterende sinusformet mønster overlagret på grunnlinjedrift.Grunnlinjedrift er en langsom økning eller reduksjon i bakgrunnssignalet.Hvis systemet ikke får ekvilibrere 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 bratt gradient eller 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.På fig.Figur 6 viser også et plott av mikserens grunnlinjestøy etter påføring av et lavpassfilter.
Etter å ha fullført CFD-simuleringene og innledende eksperimentell testing, ble tre separate statiske miksere deretter utviklet ved å bruke de interne komponentene beskrevet ovenfor med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl.Dette området dekker volumet og blandingsytelsen som kreves for HPLC-applikasjoner med lav analytt der forbedret blanding og lav dispersjon er nødvendig for å produsere grunnlinjer med lav amplitude.På fig.7 viser grunnleggende sinusbølgemålinger oppnådd på testsystemet i eksempel 1 (acetonitril og ammoniumacetat som sporstoffer) med tre volumer statiske blandere og ingen blandere installert.Eksperimentelle testbetingelser for resultatene vist i figur 7 ble holdt konstant gjennom alle 4 testene i henhold til prosedyren skissert i tabell 1 ved en løsningsmiddelstrømhastighet på 0,5 ml/min.Bruk en forskyvningsverdi på datasettene slik at de kan vises side ved side uten signaloverlapping.Offset påvirker ikke amplituden til signalet som brukes til å bedømme ytelsesnivået til mikseren.Gjennomsnittlig sinusformet amplitude uten mikseren var 0,221 mAi, mens amplitudene til de statiske Mott-blanderne 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 blander, 30 µl, 60 µl og 90 µl Mott-miksere som viser forbedret blanding (lavere signalamplitude øker det statiske mikservolumet).(faktiske dataforskyvninger: 0,13 (ingen mikser), 0,32, 0,4, 0,45mA for bedre visning).
Dataene vist i fig.8 er de samme som i fig. 7, men denne gangen inkluderer de resultatene av tre vanlig brukte HPLC statiske blandere med interne volumer på 50 ul, 150 ul og 250 ul.Ris.Figur 8. HPLC UV-detektorsignalforskyvning versus tidsplott for tilfelle 1 (acetonitril og ammoniumacetat som indikatorer) som viser blandingen av løsemiddel uten statisk blander, den nye serien av Mott statiske blandere, og tre konvensjonelle blandere (faktisk dataforskyvning er 0,1 (uten blander), 0,48, 0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0. A henholdsvis for bedre visningseffekt).Den prosentvise reduksjonen av basissinusbølgen beregnes av forholdet mellom amplituden til sinusbølgen og amplituden uten at blanderen er installert.De målte sinusbølgedempningsprosentene for tilfelle 1 og 2 er oppført i tabell 2, sammen med de interne volumene til en ny statisk mikser og syv standard miksere som vanligvis brukes i industrien.Dataene i figur 8 og 9, samt beregningene presentert i tabell 2, viser at Mott Static Mixer kan gi opptil 98,1 % sinusbølgedempning, som langt overgår ytelsen til en konvensjonell HPLC-mikser under disse testforholdene.Figur 9. HPLC UV-detektorsignalforskyvning versus tidsplott for tilfelle 2 (metanol og aceton som sporstoffer) som ikke viser noen statisk mikser (kombinert), en ny serie Mott statiske miksere og to konvensjonelle miksere (faktiske dataforskyvninger er 0, 11 (uten mikser. ), 0,22, 0,35,A for bedre visning).Syv vanlige miksere i industrien ble også evaluert.Disse inkluderer blandebatterier med tre forskjellige interne volumer fra selskap A (betegnet Blander A1, A2 og A3) og selskap B (betegnet Blander B1, B2 og B3).Firma C vurderte bare én størrelse.
Tabell 2. Omrøringsegenskaper for statisk mikser og internt volum Statisk miksertilfelle 1 Sinusformet gjenvinning: Acetonitriltest (effektivitet) Tilfelle 2 Sinusformet gjenvinning: Metanol Vanntest (effektivitet) Internt volum (µl) Ingen blander – - 0 Mott 30 62% 69,20 % 31,20 % 31,2 % 39,2 %. 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Blandebatteri A1 66,4% 73,7% 50 Blandebatteri A2 89,8% 91,6% 150 Blandebatteri A3 92,2% 94,5% 250 Blandebatteri B1 44,8% 44,8% 9305% 9305. er C 97,2 % 97,4 % 250
Analyse av resultatene i figur 8 og tabell 2 viser at den statiske mikseren på 30 µl Mott har samme blandeeffektivitet som A1-mikseren, dvs. 50 µl, men 30 µl Mott har 30 % mindre indre volum.Ved sammenligning av 60 µl Mott-mikseren med 150 µl internt volum A2-mikser, var det en liten forbedring i blandeeffektivitet på 92 % mot 89 %, men enda viktigere, dette høyere blandenivået ble oppnådd ved 1/3 av mikservolumet.lignende mikser A2.Ytelsen til 90 µl Mott-mikseren fulgte samme trend som A3-mikseren med et internt volum på 250 µl.Forbedringer i blandingsytelsen på 98 % og 92 % ble også observert med en 3 ganger reduksjon i indre volum.Lignende resultater og sammenligninger ble oppnådd for miksere B og C. Som et resultat gir den nye serien med statiske miksere Mott PerfectPeakTM høyere mikseeffektivitet enn sammenlignbare konkurrerende miksere, men med mindre internt volum, og gir bedre bakgrunnsstøy og et bedre signal-til-støyforhold, bedre følsomhet Analyt, toppform og toppoppløsning.Lignende trender i blandingseffektivitet ble observert i både case 1 og case 2 studier.For tilfelle 2 ble tester utført med (metanol og aceton som indikatorer) for å sammenligne blandeeffektivitet på 60 ml Mott, en sammenlignbar blander A1 (internt volum 50 µl) og en sammenlignbar mikser B1 (internt volum 35 µl)., ytelsen var dårlig uten en mikser installert, men den ble brukt til grunnlinjeanalyse.60 ml Mott-mikseren viste seg å være den beste mikseren i testgruppen, og ga en 90 % økning i blandeeffektiviteten.En sammenlignbar mikser A1 så en 75 % forbedring i blandeeffektivitet etterfulgt av en 45 % forbedring i en sammenlignbar B1 mikser.En grunnleggende sinusbølgereduksjonstest med strømningshastighet ble utført på en serie blandere under samme forhold som sinuskurvetesten i tilfelle 1, med bare strømningshastigheten endret.Dataene viste at i området for strømningshastigheter fra 0,25 til 1 ml/min, forble den første reduksjonen i sinusbølgen relativt konstant for alle tre blandervolumene.For de to mindre volumblanderne er det en liten økning i sinusformet sammentrekning ettersom strømningshastigheten avtar, noe som forventes på grunn av den økte oppholdstiden for løsningsmidlet i blanderen, noe som gir økt diffusjonsblanding.Subtraksjonen av sinusbølgen forventes å øke når strømmen avtar ytterligere.For det største mikservolumet med den høyeste sinusbølgebasedempingen forble imidlertid sinusbølgebasedempningen praktisk talt uendret (innenfor området for eksperimentell usikkerhet), med verdier fra 95 % til 98 %.Ris.10. Grunnleggende demping av en sinusbølge versus strømningshastighet i tilfelle 1. Testen ble utført under forhold som ligner på sinustesten med variabel strømningshastighet, og injiserte 80 % av en 80/20 blanding av acetonitril og vann og 20 % 20 mM ammoniumacetat.
Den nyutviklede serien av patenterte PerfectPeakTM inline statiske blandere med tre interne volumer: 30 µl, 60 µl og 90 µl dekker volumet 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-utskriftsteknologi for å skape en unik 3D-struktur som gir forbedret hydrodynamisk statisk miksing med den høyeste prosentvise reduksjonen i grunnstøy per volumenhet intern blanding.Ved å bruke 1/3 av det interne volumet til en konvensjonell mikser reduseres grunnstøyen med 98 %.Slike blandere består av sammenkoblede tredimensjonale strømningskanaler med forskjellige tverrsnittsarealer og forskjellige veilengder når væsken krysser komplekse geometriske barrierer på innsiden.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 dette nummeret Kromatografi – Miljøvennlig RP-HPLC – Bruk av kjerne-skallkromatografi for å erstatte acetonitril med isopropanol i analyse og rensing – Ny gasskromatograf for...
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Storbritannia