Un nou mixer static revoluționar a fost dezvoltat special conceput pentru a îndeplini cerințele stricte ale sistemelor de cromatografie lichidă de înaltă performanță (HPLC) și cromatografie lichidă de ultra-înaltă performanță (HPLC și UHPLC).Amestecarea slabă a două sau mai multe faze mobile poate duce la un raport semnal-zgomot mai mare, ceea ce reduce sensibilitatea.Amestecarea statică omogenă a două sau mai multe fluide cu un volum intern minim și dimensiuni fizice ale unui mixer static reprezintă cel mai înalt standard al unui mixer static ideal.Noul mixer static realizează acest lucru prin utilizarea noii tehnologii de imprimare 3D pentru a crea o structură 3D unică care oferă o amestecare statică hidrodinamică îmbunătățită cu cel mai mare procent de reducere a undei sinusoidale de bază pe unitatea de volum intern al amestecului.Utilizarea a 1/3 din volumul intern al unui mixer convențional reduce unda sinusoidală de bază cu 98%.Mixerul constă din canale de curgere 3D interconectate, cu zone de secțiune transversală și lungimi de cale diferite, pe măsură ce fluidul traversează geometrii 3D complexe.Amestecarea de-a lungul mai multor căi de curgere sinuoase, combinată cu turbulențe locale și turbulențe, are ca rezultat amestecarea la scara micro, mezo și macro.Acest mixer unic este proiectat folosind simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD).Datele de testare prezentate arată că amestecarea excelentă se realizează cu un volum intern minim.
De mai bine de 30 de ani, cromatografia lichidă a fost utilizată în multe industrii, inclusiv farmaceutice, pesticide, protecția mediului, criminalistică și analize chimice.Capacitatea de a măsura în părți pe milion sau mai puțin este esențială pentru dezvoltarea tehnologică în orice industrie.Eficiența slabă de amestecare duce la un raport semnal-zgomot slab, ceea ce este o supărare pentru comunitatea cromatografiei în ceea ce privește limitele de detectare și sensibilitatea.Când amestecați doi solvenți HPLC, uneori este necesar să forțați amestecarea prin mijloace externe pentru a omogeniza cei doi solvenți deoarece unii solvenți nu se amestecă bine.Dacă solvenții nu sunt bine amestecați, poate apărea degradarea cromatogramei HPLC, manifestându-se ca zgomot de bază excesiv și/sau formă slabă a vârfului.Cu o amestecare slabă, zgomotul de bază va apărea ca o undă sinusoidală (în creștere și în scădere) a semnalului detectorului în timp.În același timp, amestecarea slabă poate duce la lărgirea și vârfurile asimetrice, reducând performanța analitică, forma vârfului și rezoluția vârfului.Industria a recunoscut că mixerele statice în linie și tee reprezintă un mijloc de îmbunătățire a acestor limite și de a le permite utilizatorilor să atingă limite de detecție (sensibilități) mai mici.Mixerul static ideal combină beneficiile eficienței ridicate de amestecare, volumul mort scăzut și căderea scăzută de presiune cu volum minim și debit maxim al sistemului.În plus, pe măsură ce analiza devine mai complexă, analiștii trebuie să utilizeze în mod obișnuit solvenți mai polari și greu de amestecat.Aceasta înseamnă că o amestecare mai bună este o necesitate pentru testele viitoare, crescând și mai mult nevoia de design și performanță superioare a mixerului.
Mott a dezvoltat recent o nouă gamă de mixere statice inline patentate PerfectPeakTM cu trei volume interne: 30 µl, 60 µl și 90 µl.Aceste dimensiuni acoperă gama de volume și caracteristici de amestecare necesare pentru majoritatea testelor HPLC în care sunt necesare amestecări îmbunătățite și dispersie scăzută.Toate cele trei modele au un diametru de 0,5″ și oferă performanțe de vârf în industrie într-un design compact.Sunt fabricate din oțel inoxidabil 316L, pasivat pentru inerție, dar sunt disponibile și titan și alte aliaje metalice rezistente la coroziune și inerte chimic.Aceste mixere au o presiune maximă de funcționare de până la 20.000 psi.Pe fig.1a este o fotografie a unui mixer static Mott de 60 µl conceput pentru a oferi o eficiență maximă de amestecare în timp ce se utilizează un volum intern mai mic decât mixerele standard de acest tip.Acest nou design de mixer static folosește o nouă tehnologie de fabricație aditivă pentru a crea o structură 3D unică care utilizează mai puțin flux intern decât orice mixer utilizat în prezent în industria cromatografiei pentru a realiza amestecarea statică.Astfel de mixere constau din canale de curgere tridimensionale interconectate, cu diferite zone de secțiune transversală și lungimi de cale diferite, pe măsură ce lichidul traversează bariere geometrice complexe în interior.Pe fig.Figura 1b prezintă o diagramă schematică a noului mixer, care utilizează fitinguri de compresie HPLC filetate standard 10-32 pentru intrare și ieșire și are margini albastre umbrite ale portului intern patentat al mixerului.Diferite zone de secțiune transversală ale căilor de curgere interne și modificările direcției fluxului în volumul de curgere intern creează regiuni de curgere turbulentă și laminară, provocând amestecarea la scara micro, mezo și macro.Designul acestui mixer unic a folosit simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) pentru a analiza modelele de curgere și pentru a perfecționa designul înainte de prototipare pentru testarea analitică internă și evaluarea pe teren a clienților.Fabricația aditivă este procesul de imprimare a componentelor geometrice 3D direct din desene CAD fără a fi nevoie de prelucrare tradițională (mașini de frezat, strunguri etc.).Aceste noi mixere statice sunt proiectate pentru a fi fabricate folosind acest proces, în care corpul mixerului este creat din desene CAD și piesele sunt fabricate (imprimate) strat cu strat folosind fabricarea aditivă.Aici, se depune un strat de pulbere metalică de aproximativ 20 de microni grosime, iar un laser controlat de computer topește selectiv și topește pulberea într-o formă solidă.Aplicați un alt strat deasupra acestui strat și aplicați sinterizarea cu laser.Repetați acest proces până când piesa este complet terminată.Pulberea este apoi îndepărtată din partea nelegată cu laser, lăsând o parte imprimată 3D care se potrivește cu desenul CAD original.Produsul final este oarecum similar cu procesul microfluidic, principala diferență fiind că componentele microfluidice sunt de obicei bidimensionale (plate), în timp ce utilizând fabricarea aditivă, pot fi create modele complexe de curgere în geometrie tridimensională.Aceste robinete sunt disponibile în prezent ca piese imprimate 3D din oțel inoxidabil 316L și titan.Majoritatea aliajelor metalice, polimerii și unele ceramice pot fi utilizate pentru a face componente folosind această metodă și vor fi luate în considerare în proiectele/produsele viitoare.
Orez.1. Fotografia (a) și diagrama (b) ale unui mixer static Mott de 90 μl care arată o secțiune transversală a căii de curgere a fluidului de amestecare umbrită în albastru.
Rulați simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) ale performanței mixerului static în timpul fazei de proiectare pentru a ajuta la dezvoltarea de proiecte eficiente și pentru a reduce experimentele de încercare și eroare, consumatoare de timp și costisitoare.Simulare CFD a mixerelor statice și a conductelor standard (simulare fără amestecător) folosind pachetul software COMSOL Multiphysics.Modelarea folosind mecanica fluidelor laminare condusă de presiune pentru a înțelege viteza fluidului și presiunea din interiorul unei piese.Această dinamică a fluidelor, combinată cu transportul chimic al compușilor în fază mobilă, ajută la înțelegerea amestecării a două lichide concentrate diferite.Modelul este studiat în funcție de timp, egal cu 10 secunde, pentru ușurința calculului în căutarea unor soluții comparabile.Datele teoretice au fost obținute într-un studiu corelat în timp utilizând instrumentul de proiecție a sondei punctului, unde a fost ales un punct din mijlocul ieșirii pentru colectarea datelor.Modelul CFD și testele experimentale au folosit doi solvenți diferiți printr-o supapă de eșantionare proporțională și un sistem de pompare, rezultând un dop de înlocuire pentru fiecare solvent din linia de eșantionare.Acești solvenți sunt apoi amestecați într-un mixer static.Figurile 2 și 3 prezintă simulări de debit printr-o țeavă standard (fără mixer) și, respectiv, printr-un mixer static Mott.Simularea a fost efectuată pe un tub drept de 5 cm lungime și 0,25 mm ID pentru a demonstra conceptul de alternare a dopurilor de apă și acetonitril pur în tub în absența unui mixer static, așa cum se arată în Figura 2. Simularea a folosit dimensiunile exacte ale tubului și mixerului și un debit de 0,3 ml/min.
Orez.2. Simularea fluxului CFD într-un tub de 5 cm cu un diametru interior de 0,25 mm pentru a reprezenta ceea ce se întâmplă într-un tub HPLC, adică în absența unui mixer.Roșu complet reprezintă fracția de masă a apei.Albastrul reprezintă lipsa apei, adică acetonitril pur.Regiunile de difuzie pot fi văzute între dopuri alternative a două lichide diferite.
Orez.3. Mixer static cu volum de 30 ml, modelat în pachetul software COMSOL CFD.Legenda reprezintă fracția de masă a apei din mixer.Apa pură este prezentată în roșu și acetonitril pur în albastru.Modificarea fracției de masă a apei simulate este reprezentată de o schimbare a culorii amestecării a două lichide.
Pe fig.4 prezintă un studiu de validare a modelului de corelație între eficiența amestecării și volumul de amestecare.Pe măsură ce volumul de amestecare crește, eficiența amestecării va crește.Din cunoștințele autorilor, alte forțe fizice complexe care acționează în interiorul mixerului nu pot fi luate în considerare în acest model CFD, rezultând o eficiență mai mare de amestecare în testele experimentale.Eficiența de amestecare experimentală a fost măsurată ca reducere procentuală în sinusoida de bază.În plus, contrapresiunea crescută are ca rezultat, de obicei, niveluri de amestecare mai mari, care nu sunt luate în considerare în simulare.
Următoarele condiții HPLC și configurația de testare au fost utilizate pentru a măsura undele sinusoidale brute pentru a compara performanța relativă a diferitelor mixere statice.Diagrama din Figura 5 prezintă un aspect tipic al sistemului HPLC/UHPLC.Mixerul static a fost testat prin plasarea mixerului direct după pompă și înaintea injectorului și a coloanei de separare.Cele mai multe măsurători sinusoidale de fond sunt realizate ocolind injectorul și coloana capilară dintre mixerul static și detectorul UV.Când se evaluează raportul semnal-zgomot și/sau se analizează forma vârfului, configurația sistemului este prezentată în Figura 5.
Figura 4. Graficul eficienței amestecării în funcție de volumul de amestecare pentru o serie de mixere statice.Impuritatea teoretică urmează aceeași tendință ca și datele experimentale privind impuritățile, confirmând validitatea simulărilor CFD.
Sistemul HPLC utilizat pentru acest test a fost un HPLC Agilent seria 1100 cu un detector UV controlat de un PC care rulează software-ul Chemstation.Tabelul 1 prezintă condițiile tipice de reglare pentru măsurarea eficienței mixerului prin monitorizarea sinusoidelor de bază în două studii de caz.Au fost efectuate teste experimentale pe două exemple diferite de solvenți.Cei doi solvenți amestecați în cazul 1 au fost solventul A (acetat de amoniu 20 mM în apă deionizată) și solventul B (80% acetonitril (ACN)/20% apă deionizată).În cazul 2, solventul A a fost o soluție de 0,05% acetonă (etichetă) în apă deionizată.Solventul B este un amestec de 80/20% metanol și apă.În cazul 1, pompa a fost setată la un debit de 0,25 ml/min până la 1,0 ml/min, iar în cazul 2, pompa a fost setată la un debit constant de 1 ml/min.În ambele cazuri, raportul dintre amestecul de solvenți A și B a fost de 20% A/80% B. Detectorul a fost setat la 220 nm în cazul 1, iar absorbția maximă a acetonei în cazul 2 a fost setată la o lungime de undă de 265 nm.
Tabel 1. Configurații HPLC pentru cazurile 1 și 2 Cazul 1 Cazul 2 Viteza pompei 0,25 ml/min până la 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvent A Acetat de amoniu 20 mM în apă deionizată 0,05% Acetonă în apă deionizată Solvent B 80% Acetonitril (ACN) 80% apă deionizată/80% apă deionizată/apă deionizată 80% Raport solvent 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Orez.6. Grafice ale undelor sinusoidale mixte măsurate înainte și după aplicarea unui filtru trece-jos pentru a elimina componentele de derivare a liniei de bază ale semnalului.
Figura 6 este un exemplu tipic de zgomot mixt de linie de bază în cazul 1, prezentat ca un model sinusoidal repetat suprapus pe derivea liniei de bază.Deviația de bază este o creștere sau o scădere lentă a semnalului de fundal.Dacă sistemul nu este lăsat să se echilibreze suficient de mult, de obicei va cădea, dar va deriva neregulat chiar și atunci când sistemul este complet stabil.Această deviere a liniei de bază tinde să crească atunci când sistemul funcționează în condiții de gradient abrupt sau de contrapresiune ridicată.Când este prezentă această deviere a liniei de bază, poate fi dificil să se compare rezultatele de la probă la probă, care pot fi depășite prin aplicarea unui filtru trece-jos la datele brute pentru a filtra aceste variații de frecvență joasă, oferind astfel un grafic de oscilație cu o linie de bază plată.Pe fig.Figura 6 prezintă, de asemenea, un grafic al zgomotului de bază al mixerului după aplicarea unui filtru trece-jos.
După finalizarea simulărilor CFD și a testelor experimentale inițiale, trei mixere statice separate au fost dezvoltate ulterior folosind componentele interne descrise mai sus cu trei volume interne: 30 µl, 60 µl și 90 µl.Această gamă acoperă gama de volume și performanța de amestecare necesare pentru aplicațiile HPLC cu analiți scăzuti în care sunt necesare amestecare îmbunătățită și dispersie scăzută pentru a produce linii de bază cu amplitudine redusă.Pe fig.7 prezintă măsurători de bază sinusoidală obţinute pe sistemul de testare din Exemplul 1 (acetonitril şi acetat de amoniu ca marcatori) cu trei volume de amestecătoare statice şi nici un amestecător instalat.Condițiile de testare experimentale pentru rezultatele prezentate în Figura 7 au fost menținute constante pe parcursul tuturor celor 4 teste conform procedurii prezentate în Tabelul 1 la un debit de solvent de 0,5 ml/min.Aplicați o valoare de decalaj la seturile de date, astfel încât acestea să poată fi afișate unul lângă altul fără suprapunerea semnalului.Offset-ul nu afectează amplitudinea semnalului utilizat pentru a evalua nivelul de performanță al mixerului.Amplitudinea sinusoidală medie fără mixer a fost de 0,221 mAi, în timp ce amplitudinile mixerelor statice Mott la 30 pl, 60 pl și 90 pl au scăzut la 0,077, 0,017 și, respectiv, 0,004 mAi.
Figura 7. Compensarea semnalului detectorului UV HPLC față de timpul pentru cazul 1 (acetonitril cu indicator de acetat de amoniu) care arată amestecarea solvenților fără mixer, mixere Mott de 30 µl, 60 µl și 90 µl care arată o amestecare îmbunătățită (amplitudine mai mică a semnalului) pe măsură ce volumul mixerului static crește.(offset de date reale: 0,13 (fără mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA pentru o afișare mai bună).
Datele prezentate în fig.8 sunt aceleași ca în Fig. 7, dar de această dată ele includ rezultatele a trei mixere statice HPLC utilizate în mod obișnuit cu volume interne de 50 ui, 150 ui și 250 ui.Orez.Figura 8. Graficul de compensare a semnalului detectorului UV HPLC în funcție de timp pentru cazul 1 (acetonitril și acetat de amoniu ca indicatori) care arată amestecarea solventului fără mixer static, noua serie de mixere statice Mott și trei mixere convenționale (decalajul real al datelor este de 0,1 (fără mixer), 0,32, 0,6, 48, 80,90, respectiv 0,48, 80,90 m, respectiv 0,90 m. efect).Reducerea procentuală a undei sinusoidale de bază este calculată prin raportul dintre amplitudinea undei sinusoidale și amplitudinea fără mixerul instalat.Procentele măsurate de atenuare a undei sinusoidale pentru cazurile 1 și 2 sunt enumerate în Tabelul 2, împreună cu volumele interne ale unui nou mixer static și ale șapte mixere standard utilizate în mod obișnuit în industrie.Datele din figurile 8 și 9, precum și calculele prezentate în tabelul 2, arată că mixerul static Mott poate furniza până la 98,1% atenuare sinusoidală, depășind cu mult performanța unui mixer HPLC convențional în aceste condiții de testare.Figura 9. Graficul de compensare a semnalului detectorului UV HPLC în funcție de timp pentru cazul 2 (metanol și acetonă ca trasori) care nu prezintă amestecător static (combinat), o nouă serie de mixere statice Mott și două mixere convenționale (decalajele reale ale datelor sunt 0, 11 (fără mixer), 0,22, 0,3, 0, 35 m, 0 și 35 mA și mai bine.Au fost evaluate, de asemenea, șapte mixere utilizate în mod obișnuit în industrie.Acestea includ mixere cu trei volume interne diferite de la compania A (denumit Mixer A1, A2 și A3) și compania B (denumit Mixer B1, B2 și B3).Compania C a evaluat o singură mărime.
Tabel 2. Caracteristici de agitare a mixerului static și volumul intern Mixer static Cazul 1 Recuperare sinusoidală: Test cu acetonitril (eficiență) Cazul 2 Recuperare sinusoidală: Test cu apă metanol (eficiență) Volum intern (µl) Fără mixer – - 0 Mott 30 65% 30 65% 391,26% 0 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mixer A1 66,4% 73,7% 50 Mixer A2 89,8% 91,6% 150 Mixer A3 92,2% 94,5% 250 Mixer B1 44,8% 45,7% Mixer B92 45,7% 45,7% Mixer 45,7% C 97,2% 97,4% 250
Analiza rezultatelor din Figura 8 și Tabelul 2 arată că mixerul static Mott de 30 ui are aceeași eficiență de amestecare ca și mixerul A1, adică 50 ui, totuși, Mott de 30 ui are cu 30% mai puțin volum intern.Când se compară mixerul Mott de 60 µl cu mixerul A2 cu volum intern de 150 µl, a existat o ușoară îmbunătățire a eficienței de amestecare de 92% față de 89%, dar mai important, acest nivel mai ridicat de amestecare a fost atins la 1/3 din volumul mixerului.mixer similar A2.Performanța mixerului Mott de 90 µl a urmat aceeași tendință ca și mixerul A3 cu un volum intern de 250 µl.De asemenea, s-au observat îmbunătățiri ale performanței de amestecare de 98% și 92% cu o reducere de trei ori a volumului intern.Rezultate și comparații similare s-au obținut pentru mixerele B și C. Ca urmare, noua serie de mixere statice Mott PerfectPeakTM oferă o eficiență de amestecare mai mare decât mixerele concurente comparabile, dar cu un volum intern mai mic, oferind un zgomot de fundal mai bun și un raport semnal-zgomot mai bun, o sensibilitate mai bună Analyte, formă de vârf și rezoluție de vârf.Tendințe similare în ceea ce privește eficiența amestecării au fost observate atât în ​​studiile de Caz 1, cât și de Cazul 2.Pentru cazul 2, testele au fost efectuate folosind (metanol și acetonă ca indicatori) pentru a compara eficiența de amestecare de 60 ml Mott, un mixer comparabil A1 (volum intern 50 µl) și un mixer comparabil B1 (volum intern 35 µl)., performanța a fost slabă fără un mixer instalat, dar a fost folosit pentru analiza de bază.Mixerul Mott de 60 ml s-a dovedit a fi cel mai bun mixer din grupul de testare, oferind o creștere cu 90% a eficienței de amestecare.Un mixer comparabil A1 a înregistrat o îmbunătățire cu 75% a eficienței de amestecare, urmată de o îmbunătățire cu 45% la un mixer B1 comparabil.Un test de bază de reducere a undei sinusoidale cu debitul a fost efectuat pe o serie de mixere în aceleași condiții ca testul curbei sinusoidale din Cazul 1, cu doar debitul modificat.Datele au arătat că în intervalul debitelor de la 0,25 la 1 ml/min, scăderea inițială a undei sinusoidale a rămas relativ constantă pentru toate cele trei volume ale mixerului.Pentru cele două mixere cu volum mai mic, există o ușoară creștere a contracției sinusoidale pe măsură ce debitul scade, ceea ce este de așteptat datorită timpului de rezidență crescut al solventului în mixer, permițând amestecarea prin difuzie crescută.Scăderea undei sinusoidale este de așteptat să crească pe măsură ce debitul scade în continuare.Cu toate acestea, pentru cel mai mare volum de mixer cu cea mai mare atenuare a bazei de undă sinusoidală, atenuarea bazei de undă sinusoidală a rămas practic neschimbată (în intervalul de incertitudine experimentală), cu valori variind de la 95% la 98%.Orez.10. Atenuarea de bază a undei sinusoidale față de debit în cazul 1. Testul a fost efectuat în condiții similare testului sinusoid cu debit variabil, injectând 80% dintr-un amestec 80/20 de acetonitril și apă și 20% acetat de amoniu 20 mM.
Gama nou dezvoltată de mixere statice în linie PerfectPeakTM patentate cu trei volume interne: 30 µl, 60 µl și 90 µl acoperă volumul și intervalul de performanță de amestecare necesare pentru majoritatea analizelor HPLC care necesită amestecare îmbunătățită și podele cu dispersie scăzută.Noul mixer static realizează acest lucru prin utilizarea noii tehnologii de imprimare 3D pentru a crea o structură 3D unică, care oferă amestecare statică hidrodinamică îmbunătățită, cu cel mai mare procent de reducere a zgomotului de bază pe unitate de volum de amestec intern.Utilizarea a 1/3 din volumul intern al unui mixer convențional reduce zgomotul de bază cu 98%.Astfel de mixere constau din canale de curgere tridimensionale interconectate, cu diferite zone de secțiune transversală și lungimi de cale diferite, pe măsură ce lichidul traversează bariere geometrice complexe în interior.Noua familie de mixere statice oferă performanțe îmbunătățite față de mixerele concurente, dar cu un volum intern mai mic, rezultând un raport semnal-zgomot mai bun și limite de cuantificare mai mici, precum și o formă îmbunătățită a vârfului, eficiență și rezoluție pentru o sensibilitate mai mare.
În acest număr Cromatografia – RP-HPLC ecologic – Utilizarea cromatografiei miez-înveliș pentru a înlocui acetonitrilul cu izopropanol în analiză și purificare – Nou gaz cromatograf pentru...
Centru de afaceri International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Regatul Unit