Un nou mixer static revoluționar în linie 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 deficitară 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 unei noi 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 per unitatea de volum intern a amestecului. Utilizarea a 1/3 din volumul intern al unui mixer convențional reduce unda sinusoidală de bază cu 98%. Mixerul este format din canale de curgere 3D interconectate, cu arii ale secțiunii transversale și lungimi ale traseului variabile, pe măsură ce fluidul traversează geometrii 3D complexe. Amestecarea de-a lungul mai multor trasee de curgere sinuoase, combinată cu turbulențe și vârtejuri locale, are ca rezultat amestecarea la scări micro, mezo și macro. Acest mixer unic este proiectat folosind simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD). Datele testelor prezentate arată că se obține o amestecare excelentă cu un volum intern minim.
De peste 30 de ani, cromatografia lichidă a fost utilizată în multe industrii, inclusiv în industria farmaceutică, pesticide, protecția mediului, criminalistică și analiză chimică. Capacitatea de a măsura până la părți per milion sau mai puțin este esențială pentru dezvoltarea tehnologică în orice industrie. O eficiență slabă a amestecării duce la un raport semnal-zgomot slab, ceea ce reprezintă o problemă pentru comunitatea cromatografiei în ceea ce privește limitele de detecție și sensibilitatea. La amestecarea a doi solvenți HPLC, uneori este necesar să se forțeze amestecarea prin mijloace externe pentru a omogeniza cei doi solvenți, deoarece unii solvenți nu se amestecă bine. Dacă solvenții nu sunt amestecați complet, poate apărea degradarea cromatogramei HPLC, manifestându-se ca un zgomot de bază excesiv și/sau o formă slabă a vârfului. În cazul amestecării slabe, zgomotul de bază va apărea ca o undă sinusoidală (ascendentă și descendentă) a semnalului detectorului în timp. În același timp, amestecarea slabă poate duce la lărgirea și asimetria vârfurilor, reducând performanța analitică, forma vârfului și rezoluția vârfului. Industria a recunoscut că mixerele statice în linie și în formă de T sunt un mijloc de îmbunătățire a acestor limite și de a permite utilizatorilor să atingă limite de detecție (sensibilități) mai mici. Amestecatorul static ideal combină beneficiile unei eficiențe ridicate de amestecare, volumului mort redus și căderii de presiune reduse cu volum minim și debit maxim al sistemului. În plus, pe măsură ce analiza devine mai complexă, analiștii trebuie să utilizeze în mod curent solvenți mai polari și mai dificil de amestecat. Aceasta înseamnă că o amestecare mai bună este o necesitate pentru testele viitoare, crescând și mai mult nevoia de un design și o performanță superioare ale amestecătorului.
Mott a dezvoltat recent o nouă gamă de mixere statice în linie PerfectPeak™ brevetate, 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 unde sunt necesare o amestecare îmbunătățită și o dispersie redusă. 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. În fig. 1a este o fotografie a unui mixer static Mott de 60 µl, conceput pentru a oferi o eficiență maximă de amestecare, utilizând în același timp un volum intern mai mic decât mixerele standard de acest tip. Acest nou design de mixer static utilizează o nouă tehnologie de fabricație aditivă pentru a crea o structură 3D unică, care utilizează un flux intern mai mic 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 arii ale secțiunii transversale și diferite lungimi ale traseului, pe măsură ce lichidul traversează bariere geometrice complexe în interior. În fig. Figura 1b este prezentată o diagramă schematică a noului mixer, care utilizează fitinguri de compresie HPLC filetate 10-32, standard în industrie, pentru intrare și ieșire și are margini albastre umbrite ale orificiului intern patentat al mixerului. Diferitele arii ale secțiunii transversale ale traseelor ​​de curgere interne și modificările direcției de curgere în volumul intern al fluxului creează regiuni de curgere turbulentă și laminară, provocând amestecarea la scări micro, mezo și macro. Designul acestui mixer unic a utilizat simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) pentru a analiza modelele de curgere și a rafina designul înainte de prototipare pentru testare analitică internă și evaluare pe teren de către clienți. Fabricația aditivă este procesul de imprimare a componentelor geometrice 3D direct din desene CAD, fără a fi nevoie de prelucrare tradițională (freze, strunguri etc.). Aceste noi mixere statice sunt proiectate pentru a fi fabricate folosind acest proces, în care corpul mixerului este creat din desene CAD, iar piesele sunt fabricate (imprimate) strat cu strat folosind fabricația aditivă. Aici se depune un strat de pulbere metalică cu o grosime de aproximativ 20 de microni, iar un laser controlat de computer topește și contopește selectiv pulberea într-o formă solidă. Se aplică un alt strat peste acest strat și se aplică sinterizarea cu laser. Se repetă acest proces până când piesa este complet finisată. Pulberea este apoi îndepărtată de pe piesa nelipită cu laser, lăsând o piesă imprimată 3D care corespunde desenului CAD original. Produsul final este oarecum similar cu procesul microfluidic, principala diferență fiind că componentele microfluidice sunt de obicei bidimensionale (plate), în timp ce folosind fabricația aditivă, se pot crea 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, polimerilor și unele ceramice pot fi utilizate pentru a realiza componente folosind această metodă și vor fi luate în considerare în proiectele/produsele viitoare.
Rice. 1. Fotografia (a) și diagrama (b) ale unui mixer static Mott de 90 μl, care prezintă o secțiune transversală a traseului de curgere al fluidului mixerului, hașurată cu albastru.
Executați simulări de dinamică computațională a fluidelor (CFD) ale performanței mixerului static în timpul fazei de proiectare pentru a ajuta la dezvoltarea unor modele eficiente și a reduce experimentele de încercare și eroare, care consumă timp și sunt costisitoare. Simulare CFD a mixerelor statice și a conductelor standard (simulare fără mixer) utilizând pachetul software COMSOL Multiphysics. Modelare utilizând mecanica fluidelor laminare acționată de presiune pentru a înțelege viteza și presiunea fluidului într-o piesă. 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 a facilita calculul în timp ce se caută soluții comparabile. Datele teoretice au fost obținute într-un studiu corelat în timp utilizând instrumentul de proiecție a sondei punctuale, unde a fost ales un punct din mijlocul ieșirii pentru colectarea datelor. Modelul CFD și testele experimentale au utilizat 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 curgere printr-o conductă standard (fără mixer) și, respectiv, printr-un mixer static Mott. Simularea a fost efectuată pe un tub drept cu lungimea de 5 cm și diametrul interior de 0,25 mm pentru a demonstra conceptul de dopuri alternante de apă și acetonitril pur în tub în absența unui mixer static, așa cum se arată în Figura 2. Simularea a utilizat dimensiunile exacte ale tubului și mixerului și un debit de 0,3 ml/min.
Rice. 2. Simulare a fluxului CFD într-un tub de 5 cm cu un diametru intern de 0,25 mm pentru a reprezenta ce se întâmplă într-un tub HPLC, adică în absența unui mixer. Roșul complet reprezintă fracția masică de apă. Albastrul reprezintă lipsa apei, adică acetonitrilului pur. Regiunile de difuzie pot fi observate între dopuri alternante ale două lichide diferite.
Orez. 3. Mixer static cu un volum de 30 ml, modelat în pachetul software COMSOL CFD. Legenda reprezintă fracția masică de apă din mixer. Apa pură este afișată cu roșu, iar acetonitrilul pur cu albastru. Modificarea fracției masice a apei simulate este reprezentată de o modificare a culorii amestecării a două lichide.
În figura 4 este prezentat un studiu de validare a modelului de corelație dintre eficiența amestecării și volumul amestecării. Pe măsură ce volumul amestecării crește, eficiența amestecării va crește. Din câte știu autorii, alte forțe fizice complexe care acționează în interiorul mixerului nu pot fi luate în considerare în acest model CFD, rezultând o eficiență de amestecare mai mare în testele experimentale. Eficiența amestecării experimentale a fost măsurată ca procent de reducere a sinusoidei de bază. În plus, creșterea contrapresiunii duce de obicei la niveluri de amestecare mai ridicate, care nu sunt luate în considerare în simulare.
Următoarele condiții HPLC și configurații de testare au fost utilizate pentru a măsura undele sinusoidale brute și a compara performanța relativă a diferitelor mixere statice. Diagrama din Figura 5 prezintă o configurație tipică a sistemului HPLC/UHPLC. Mixerul static a fost testat prin plasarea mixerului direct după pompă și înainte de injector și coloana de separare. Majoritatea măsurătorilor sinusoidale de fundal se fac ocolind injectorul și coloana capilară dintre mixerul static și detectorul UV. La evaluarea raportului semnal-zgomot și/sau la analiza formei vârfului, configurația sistemului este prezentată în Figura 5.
Figura 4. Diagrama eficienței amestecării în funcție de volumul amestecării pentru o gamă 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 pe 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. Testele experimentale au fost efectuate pe două exemple diferite de solvenți. Cei doi solvenți amestecați în cazul 1 au fost solventul A (20 mM acetat de amoniu 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 amestecului 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.
Tabelul 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 20 mM acetat de amoniu în apă deionizată 0,05% acetonă în apă deionizată Solvent B 80% acetonitril (ACN) / 20% apă deionizată 80% metanol / 20% apă deionizată Raport solvent 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Rice. 6. Grafice ale undelor sinusoidale mixte măsurate înainte și după aplicarea unui filtru trece-jos pentru a elimina componentele de deviație a liniei de bază ale semnalului.
Figura 6 este un exemplu tipic de zgomot de bază mixt în Cazul 1, prezentat ca un model sinusoidal repetitiv suprapus peste deviația liniei de bază. Deviația liniei de bază este o creștere sau o scădere lentă a semnalului de fundal. Dacă sistemul nu este lăsat să se echilibreze suficient de mult timp, acesta va scădea de obicei, dar va devia erratic chiar și atunci când sistemul este complet stabil. Această deviație a liniei de bază tinde să crească atunci când sistemul funcționează în condiții de gradient abrupt sau contrapresiune ridicată. Când este prezentă această deviație a liniei de bază, poate fi dificil să se compare rezultatele de la o probă la alta, ceea ce poate fi depășit 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. În 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, au fost dezvoltate ulterior trei mixere statice separate folosind componentele interne descrise mai sus, cu trei volume interne: 30 µl, 60 µl și 90 µl. Acest interval acoperă gama de volume și performanța de amestecare necesare pentru aplicațiile HPLC cu conținut scăzut de analiți, unde sunt necesare o amestecare îmbunătățită și o dispersie scăzută pentru a produce linii de bază cu amplitudine redusă. În figura 7 sunt prezentate măsurători sinusoidale de bază obținute pe sistemul de testare din Exemplul 1 (acetonitril și acetat de amoniu ca trasori) cu trei volume de mixere statice și fără mixere instalate. Condițiile experimentale de testare pentru rezultatele prezentate în Figura 7 au fost menținute constante pe parcursul tuturor celor 4 teste, conform procedurii descrise în Tabelul 1, la un debit de solvent de 0,5 ml/min. Aplicați o valoare de offset seturilor de date, astfel încât acestea să poată fi afișate alăturate fără suprapunere de semnal. 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 µl, 60 µl și 90 µl au scăzut la 0,077, 0,017 și respectiv 0,004 mAi.
Figura 7. Decalajul semnalului detectorului UV HPLC în funcție de timp pentru cazul 1 (acetonitril cu indicator acetat de amoniu) care prezintă amestecarea solventului fără mixer, mixere Mott de 30 µl, 60 µl și 90 µl prezentând o amestecare îmbunătățită (amplitudine mai mică a semnalului) pe măsură ce volumul mixerului static crește. (decalaje ale datelor 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 data aceasta includ rezultatele a trei mixere statice HPLC utilizate în mod obișnuit, cu volume interne de 50 µl, 150 µl și 250 µl. Rice. Figura 8. Graficul offset-ului semnalului detectorului UV HPLC în funcție de timp pentru Cazul 1 (acetonitril și acetat de amoniu ca indicatori) care prezintă amestecarea solventului fără mixer static, noua serie de mixere statice Mott și trei mixere convenționale (offset-ul real al datelor este 0,1 (fără mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, respectiv 0,9 mA pentru un efect de afișare mai bun). Reducerea procentuală a undei sinusoidale de bază este calculată prin raportul dintre amplitudinea undei sinusoidale și amplitudinea fără mixerul instalat. Procentele de atenuare a undei sinusoidale măsurate pentru Cazurile 1 și 2 sunt enumerate în Tabelul 2, împreună cu volumele interne ale unui mixer static nou și ale a 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 oferi o atenuare sinusoidală de până la 98,1%, depășind cu mult performanța unui mixer HPLC convențional în aceste condiții de testare. Figura 9. Graficul offset-ului semnalului detectorului UV HPLC în funcție de timp pentru cazul 2 (metanol și acetonă ca trasori), fără mixer static (combinat), o nouă serie de mixere statice Mott și două mixere convenționale (offseturile datelor reale sunt 0, 11 (fără mixer), 0,22, 0,3, 0,35 mA și 0,35 mA pentru o afișare mai bună). De asemenea, au fost evaluate șapte mixere utilizate în mod obișnuit în industrie. Acestea includ mixere cu trei volume interne diferite de la compania A (denumite Mixer A1, A2 și A3) și de la compania B (denumite Mixer B1, B2 și B3). Compania C a evaluat o singură dimensiune.
Tabelul 2. Caracteristicile de agitare ale mixerului static și volumul intern Mixer static Cazul 1 Recuperare sinusoidală: Test de acetonitril (eficiență) Cazul 2 Recuperare sinusoidală: Test de metanol și apă (eficiență) Volum intern (µl) Fără mixer – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 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% 9 35 Mixer B2 845% 96,2% 370 Mixer C 97,2% 97,4% 250
Analiza rezultatelor din Figura 8 și Tabelul 2 arată că mixerul static Mott de 30 µl are aceeași eficiență de amestecare ca și mixerul A1, adică 50 µl, însă Mott de 30 µl are un volum intern cu 30% mai mic. La compararea mixerului Mott de 60 µl cu mixerul A2 cu volum intern de 150 µl, s-a observat 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, similar cu mixerul 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 3 ori a volumului intern. Rezultate și comparații similare au fost obținute pentru mixerele B și C. Drept 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 fond mai bun și un raport semnal-zgomot mai bun, o sensibilitate mai bună la analiți, o formă a vârfului și o rezoluție a vârfului. Tendințe similare în ceea ce privește eficiența amestecării au fost observate atât în ​​studiile Cazului 1, cât și în cele ale Cazului 2. Pentru Cazul 2, testele au fost efectuate utilizând (metanol și acetonă ca indicatori) pentru a compara eficiența amestecării a 60 ml Mott, a unui mixer comparabil A1 (volum intern 50 µl) și a unui mixer comparabil B1 (volum intern 35 µl). Performanța a fost slabă fără un mixer instalat, dar a fost utilizat pentru analiza de referință. Mixerul Mott de 60 ml s-a dovedit a fi cel mai bun mixer din grupul de testare, oferind o creștere de 90% a eficienței amestecării. Un mixer comparabil A1 a înregistrat o îmbunătățire de 75% a eficienței amestecării, urmată de o îmbunătățire de 45% la un mixer comparabil B1. Un test de bază de reducere a undei sinusoidale cu debit a fost efectuat pe o serie de mixere în aceleași condiții ca și testul curbei sinusoidale din Cazul 1, modificându-se doar debitul. Datele au arătat că, în intervalul de debite 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 staționare crescut al solventului în mixer, permițând o amestecare prin difuzie crescută. Se așteaptă ca scăderea undei sinusoidale să crească pe măsură ce debitul scade în continuare. Cu toate acestea, pentru cel mai mare volum al mixerului cu cea mai mare atenuare a bazei undei sinusoidale, atenuarea bazei undei sinusoidale a rămas practic neschimbată (în intervalul de incertitudine experimentală), cu valori cuprinse între 95% și 98%. 10. Atenuarea de bază a unei unde sinusoidale în funcție de debit în cazul 1. Testul a fost efectuat în condiții similare testului sinusoidal cu debit variabil, injectând 80% dintr-un amestec 80/20 de acetonitril și apă și 20% acetat de amoniu 20 mM.
Noua gamă de mixere statice în linie PerfectPeakTM patentate, cu trei volume interne: 30 µl, 60 µl și 90 µl, acoperă intervalul de performanță de volum și amestecare necesar pentru majoritatea analizelor HPLC care necesită amestecare îmbunătățită și etaje cu dispersie redusă. Noul mixer static realizează acest lucru prin utilizarea unei noi 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 zgomotului de bază per unitatea de volum a amestecului 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 arii ale secțiunii transversale și diferite lungimi ale traseului, pe măsură ce lichidul traversează bariere geometrice complexe în interior. Noua familie de mixere statice oferă performanțe îmbunătățite față de mixerele competitive, dar cu un volum intern mai mic, rezultând un raport semnal-zgomot mai bun și limite de cuantificare mai mici, precum și o formă a vârfului, o eficiență și o rezoluție îmbunătățite pentru o sensibilitate mai mare.
În această ediție, Cromatografie – RP-HPLC ecologică – Utilizarea cromatografiei core-shell pentru înlocuirea acetonitrilului cu izopropanol în analiză și purificare – Cromatograf de gaze nou pentru…
Centru de afaceri internațional Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Regatul Unit