Революционный новый встроенный статический смеситель был разработан специально для удовлетворения строгих требований систем высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ и УВЭЖХ). Плохое смешивание двух или более подвижных фаз может привести к более высокому отношению сигнал/шум, что снижает чувствительность. Однородное статическое смешивание двух или более жидкостей с минимальным внутренним объемом и физическими размерами статического смесителя представляет собой наивысший стандарт идеального статического смесителя. Новый статический смеситель достигает этого за счет использования новой технологии 3D-печати для создания уникальной 3D-структуры, которая обеспечивает улучшенное гидродинамическое статическое смешивание с самым высоким процентным снижением базовой синусоиды на единицу внутреннего объема смеси. Использование 1/3 внутреннего объема обычного смесителя снижает базовую синусоиду на 98%. Смеситель состоит из взаимосвязанных 3D-каналов потока с различными площадями поперечного сечения и длинами пути, поскольку жидкость проходит через сложные 3D-геометрии. Смешивание по нескольким извилистым путям потока в сочетании с локальной турбулентностью и завихрениями приводит к смешиванию в микро-, мезо- и макромасштабах. Этот уникальный смеситель разработан с использованием моделирования вычислительной гидродинамики (CFD). Представленные данные испытаний показывают, что превосходное смешивание достигается при минимальном внутреннем объеме.
Более 30 лет жидкостная хроматография используется во многих отраслях промышленности, включая фармацевтику, пестициды, охрану окружающей среды, криминалистику и химический анализ. Возможность измерения с точностью до частей на миллион или ниже имеет решающее значение для технологического развития в любой отрасли. Низкая эффективность смешивания приводит к плохому соотношению сигнал/шум, что является раздражителем для сообщества хроматографистов с точки зрения пределов обнаружения и чувствительности. При смешивании двух растворителей ВЭЖХ иногда необходимо принудительно смешивать внешними средствами для гомогенизации двух растворителей, поскольку некоторые растворители плохо смешиваются. Если растворители не тщательно перемешаны, может произойти ухудшение хроматограммы ВЭЖХ, проявляющееся в виде чрезмерного шума базовой линии и/или плохой формы пика. При плохом смешивании шум базовой линии будет выглядеть как синусоида (восходящая и нисходящая) сигнала детектора с течением времени. В то же время плохое смешивание может привести к уширению и асимметричности пиков, что снижает аналитическую производительность, форму пика и разрешение пика. В отрасли признано, что встроенные и тройниковые статические смесители являются средством улучшения этих пределов и позволяют пользователям достигать более низких пределов обнаружения (чувствительности). Идеальный статический смеситель сочетает в себе преимущества высокой эффективности смешивания, малого мертвого объема и низкого перепада давления с минимальным объемом и максимальной пропускной способностью системы. Кроме того, поскольку анализ становится более сложным, аналитики должны регулярно использовать более полярные и трудносмешиваемые растворители. Это означает, что лучшее смешивание является обязательным условием для будущих испытаний, что еще больше увеличивает потребность в превосходной конструкции и производительности смесителя.
Недавно компания Mott разработала новую линейку запатентованных встроенных статических смесителей PerfectPeakTM с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл. Эти размеры охватывают диапазон объемов и характеристик смешивания, необходимых для большинства тестов ВЭЖХ, где требуются улучшенное смешивание и низкая дисперсия. Все три модели имеют диаметр 0,5 дюйма и обеспечивают лидирующие в отрасли характеристики в компактном исполнении. Они изготовлены из нержавеющей стали 316L, пассивированной для инертности, но также доступны титан и другие коррозионно-стойкие и химически инертные металлические сплавы. Эти смесители имеют максимальное рабочее давление до 20 000 фунтов на кв. дюйм. На рис. 1а представлена ​​фотография статического смесителя Mott объемом 60 мкл, разработанного для обеспечения максимальной эффективности смешивания при использовании меньшего внутреннего объема, чем стандартные смесители этого типа. Эта новая конструкция статического смесителя использует новую технологию аддитивного производства для создания уникальной трехмерной структуры, которая использует меньший внутренний поток, чем любой смеситель, который в настоящее время используется в хроматографической промышленности для достижения статического смешивания. Такие смесители состоят из взаимосвязанных трехмерных каналов потока с различными площадями поперечного сечения и различной длиной пути, поскольку жидкость пересекает сложные геометрические барьеры внутри. На рис. Рисунок 1b показывает принципиальную схему нового смесителя, который использует стандартные для отрасли резьбовые фитинги HPLC 10-32 для входа и выхода и имеет затененные синие границы запатентованного порта внутреннего смесителя. Различные площади поперечного сечения внутренних путей потока и изменения направления потока во внутреннем объеме потока создают области турбулентного и ламинарного потока, вызывая смешивание в микро-, мезо- и макромасштабах. Конструкция этого уникального смесителя использовала моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) для анализа схем потока и уточнения конструкции перед созданием прототипа для внутренних аналитических испытаний и оценки на месте заказчиком. Аддитивное производство — это процесс печати 3D-геометрических компонентов непосредственно с чертежей САПР без необходимости традиционной обработки (фрезерные станки, токарные станки и т. д.). Эти новые статические смесители предназначены для производства с использованием этого процесса, где корпус смесителя создается из чертежей САПР, а детали изготавливаются (печатаются) слой за слоем с использованием аддитивного производства. Здесь наносится слой металлического порошка толщиной около 20 микрон, а лазер с компьютерным управлением выборочно расплавляет и сплавляет порошок в твердую форму. Нанесите еще один слой поверх этого слоя и примените лазерное спекание. Повторяйте этот процесс до тех пор, пока деталь не будет полностью закончена. Затем порошок удаляется из детали, не связанной лазером, оставляя 3D-печатную деталь, которая соответствует исходному чертежу САПР. Конечный продукт несколько похож на микрофлюидный процесс, с основным отличием в том, что микрофлюидные компоненты обычно двумерные (плоские), в то время как с помощью аддитивного производства можно создавать сложные схемы течения в трехмерной геометрии. Эти краны в настоящее время доступны в виде деталей, напечатанных на 3D-принтере из нержавеющей стали 316L и титана. Большинство металлических сплавов, полимеров и некоторые виды керамики могут быть использованы для изготовления компонентов с использованием этого метода и будут рассмотрены в будущих проектах/продуктах.
Рис. 1. Фотография (а) и схема (б) статического смесителя Мотта объемом 90 мкл, показывающие поперечное сечение пути потока жидкости в смесителе, заштрихованное синим цветом.
Запустите моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) производительности статического смесителя на этапе проектирования, чтобы помочь разработать эффективные конструкции и сократить трудоемкие и дорогостоящие эксперименты методом проб и ошибок. Моделирование CFD статических смесителей и стандартных трубопроводов (моделирование без смесителя) с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics. Моделирование с использованием ламинарной механики жидкости, управляемой давлением, для понимания скорости жидкости и давления внутри детали. Эта динамика жидкости в сочетании с химическим переносом соединений подвижной фазы помогает понять смешивание двух различных концентрированных жидкостей. Модель изучается как функция времени, равного 10 секундам, для простоты расчета при поиске сопоставимых решений. Теоретические данные были получены в коррелированном по времени исследовании с использованием инструмента проецирования точечного зонда, где для сбора данных была выбрана точка в середине выхода. Модель CFD и экспериментальные испытания использовали два разных растворителя через пропорциональный клапан отбора проб и систему накачки, что привело к замене заглушки для каждого растворителя в линии отбора проб. Затем эти растворители смешиваются в статическом смесителе. На рисунках 2 и 3 показаны моделирования потока через стандартную трубу (без смесителя) и через статический смеситель Мотта соответственно. Моделирование проводилось на прямой трубке длиной 5 см и внутренним диаметром 0,25 мм для демонстрации концепции чередующихся пробок воды и чистого ацетонитрила в трубке при отсутствии статического смесителя, как показано на рисунке 2. В моделировании использовались точные размеры трубки и смесителя и скорость потока 0,3 мл/мин.
Рис. 2. Моделирование потока CFD в трубке длиной 5 см с внутренним диаметром 0,25 мм для представления того, что происходит в трубке HPLC, т. е. при отсутствии смесителя. Полностью красный цвет представляет массовую долю воды. Синий цвет представляет отсутствие воды, т. е. чистый ацетонитрил. Области диффузии можно увидеть между чередующимися пробками двух разных жидкостей.
Рис. 3. Статический смеситель объемом 30 мл, смоделированный в программном пакете COMSOL CFD. Легенда отображает массовую долю воды в смесителе. Чистая вода показана красным цветом, а чистый ацетонитрил — синим. Изменение массовой доли имитируемой воды отображено изменением цвета смешивания двух жидкостей.
На рис. 4 показано исследование валидации модели корреляции между эффективностью смешивания и объемом смешивания. По мере увеличения объема смешивания эффективность смешивания будет увеличиваться. Насколько известно авторам, другие сложные физические силы, действующие внутри смесителя, не могут быть учтены в этой модели CFD, что приводит к более высокой эффективности смешивания в экспериментальных испытаниях. Экспериментальная эффективность смешивания измерялась как процентное уменьшение базовой синусоиды. Кроме того, повышенное противодавление обычно приводит к более высоким уровням смешивания, которые не учитываются при моделировании.
Следующие условия ВЭЖХ и испытательная установка использовались для измерения необработанных синусоидальных волн с целью сравнения относительной производительности различных статических смесителей. Диаграмма на рисунке 5 показывает типичную схему системы ВЭЖХ/УВЭЖХ. Статический смеситель был протестирован путем размещения смесителя непосредственно после насоса и перед инжектором и разделительной колонкой. Большинство фоновых синусоидальных измерений выполняются в обход инжектора и капиллярной колонки между статическим смесителем и УФ-детектором. При оценке отношения сигнал/шум и/или анализе формы пика конфигурация системы показана на рисунке 5.
Рисунок 4. График зависимости эффективности смешивания от объема смешивания для ряда статических смесителей. Теоретическая примесь следует той же тенденции, что и экспериментальные данные по примесям, подтверждая достоверность моделирования CFD.
В качестве системы ВЭЖХ для этого теста использовалась система ВЭЖХ Agilent 1100 Series с УФ-детектором, управляемая ПК с программным обеспечением Chemstation. В таблице 1 показаны типичные условия настройки для измерения эффективности смесителя путем мониторинга основных синусоид в двух примерах. Экспериментальные испытания проводились на двух разных примерах растворителей. Два растворителя, смешанных в случае 1, представляли собой растворитель A (20 мМ ацетата аммония в деионизированной воде) и растворитель B (80% ацетонитрила (ACN)/20% деионизированной воды). В случае 2 растворитель A представлял собой раствор 0,05% ацетона (метка) в деионизированной воде. Растворитель B представляет собой смесь 80/20% метанола и воды. В случае 1 насос был установлен на скорость потока от 0,25 мл/мин до 1,0 мл/мин, а в случае 2 насос был установлен на постоянную скорость потока 1 мл/мин. В обоих случаях соотношение смеси растворителей A и B составляло 20% A/80% B. Детектор был установлен на 220 нм в случае 1, а максимальное поглощение ацетона в случае 2 было установлено на длине волны 265 нм.
Таблица 1. Конфигурации ВЭЖХ для случаев 1 и 2 Случай 1 Случай 2 Скорость насоса 0,25 мл/мин - 1,0 мл/мин 1,0 мл/мин Растворитель A 20 мМ ацетат аммония в деионизированной воде 0,05% ацетон в деионизированной воде Растворитель B 80% ацетонитрила (ACN) / 20% деионизированной воды 80% метанола / 20% деионизированной воды Соотношение растворителей 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 нм 265 нм
Рис. 6. Графики смешанных синусоидальных волн, измеренных до и после применения фильтра нижних частот для удаления компонентов дрейфа базовой линии сигнала.
Рисунок 6 является типичным примером смешанного шума базовой линии в случае 1, показанным как повторяющийся синусоидальный рисунок, наложенный на дрейф базовой линии. Дрейф базовой линии представляет собой медленное увеличение или уменьшение фонового сигнала. Если системе не позволяют уравновеситься достаточно долго, он обычно падает, но будет дрейфовать хаотично, даже когда система полностью стабильна. Этот дрейф базовой линии имеет тенденцию увеличиваться, когда система работает в условиях крутого градиента или высокого обратного давления. Когда присутствует этот дрейф базовой линии, может быть сложно сравнивать результаты от образца к образцу, что можно преодолеть, применив фильтр нижних частот к необработанным данным, чтобы отфильтровать эти низкочастотные изменения, тем самым обеспечивая график колебаний с плоской базовой линией. На рис. Рисунок 6 также показывает график шума базовой линии смесителя после применения фильтра нижних частот.
После завершения моделирования CFD и начальных экспериментальных испытаний были разработаны три отдельных статических смесителя с использованием внутренних компонентов, описанных выше, с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл. Этот диапазон охватывает диапазон объемов и производительности смешивания, необходимых для приложений ВЭЖХ с низким содержанием аналита, где для получения базовых линий с низкой амплитудой требуются улучшенное смешивание и низкая дисперсия. На рис. 7 показаны основные измерения синусоидальной волны, полученные на тестовой системе из Примера 1 (ацетонитрил и ацетат аммония в качестве трассеров) с тремя объемами статических смесителей и без установленных смесителей. Экспериментальные условия испытаний для результатов, показанных на Рисунке 7, поддерживались постоянными на протяжении всех 4 испытаний в соответствии с процедурой, описанной в Таблице 1, при скорости потока растворителя 0,5 мл/мин. Примените значение смещения к наборам данных, чтобы их можно было отображать рядом без перекрытия сигналов. Смещение не влияет на амплитуду сигнала, используемого для оценки уровня производительности смесителя. Средняя амплитуда синусоиды без смесителя составила 0,221 мА, в то время как амплитуды статических смесителей Мотта при 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл снизились до 0,077, 0,017 и 0,004 мА соответственно.
Рисунок 7. Смещение сигнала УФ-детектора ВЭЖХ в зависимости от времени для случая 1 (ацетонитрил с индикатором ацетатом аммония), показывающее смешивание растворителей без смесителя, смесители Мотта на 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл, показывающие улучшенное смешивание (более низкая амплитуда сигнала) по мере увеличения объема статического смесителя. (фактические смещения данных: 0,13 (без смесителя), 0,32, 0,4, 0,45 мА для лучшего отображения).
Данные, показанные на рис. 8, такие же, как на рис. 7, но на этот раз они включают результаты трех обычно используемых статических смесителей ВЭЖХ с внутренними объемами 50 мкл, 150 мкл и 250 мкл. Рис. Рисунок 8. График смещения сигнала УФ-детектора ВЭЖХ в зависимости от времени для случая 1 (ацетонитрил и ацетат аммония в качестве индикаторов), показывающий смешивание растворителя без статического смесителя, новой серии статических смесителей Мотта и трех обычных смесителей (фактическое смещение данных составляет 0,1 (без смесителя), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 мА соответственно для лучшего эффекта отображения). Процентное уменьшение базовой синусоиды рассчитывается по отношению амплитуды синусоиды к амплитуде без установленного смесителя. Измеренные проценты затухания синусоидальной волны для случаев 1 и 2 приведены в таблице 2 вместе с внутренними объемами нового статического смесителя и семи стандартных смесителей, обычно используемых в отрасли. Данные на рисунках 8 и 9, а также расчеты, представленные в таблице 2, показывают, что статический смеситель Mott может обеспечить затухание синусоидальной волны до 98,1%, что значительно превышает производительность обычного смесителя HPLC в этих условиях испытаний. Рисунок 9. График смещения сигнала УФ-детектора HPLC в зависимости от времени для случая 2 (метанол и ацетон в качестве трассеров), показывающий отсутствие статического смесителя (комбинированного), новую серию статических смесителей Mott и два обычных смесителя (фактические смещения данных составляют 0, 11 (без смесителя), 0,22, 0,3, 0,35 мА и для лучшего отображения). Также были оценены семь обычно используемых в отрасли смесителей. К ним относятся смесители с тремя различными внутренними объемами от компании A (обозначенные как смесители A1, A2 и A3) и компании B (обозначенные как смесители B1, B2 и B3). Компания C оценила только один размер.
Таблица 2. Характеристики перемешивания статического смесителя и внутренний объем Статический смеситель Случай 1 Синусоидальное восстановление: Тест ацетонитрила (эффективность) Случай 2 Синусоидальное восстановление: Тест метанола в воде (эффективность) Внутренний объем (мкл) Без смесителя – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Смеситель A1 66,4% 73,7% 50 Смеситель A2 89,8% 91,6% 150 Смеситель A3 92,2% 94,5% 250 Смеситель B1 44,8% 45,7% 9 35 Смеситель B2 845.% 96,2% 370 Смеситель C 97,2% 97,4% 250
Анализ результатов на рисунке 8 и в таблице 2 показывает, что статический смеситель Mott объемом 30 мкл имеет такую ​​же эффективность смешивания, как и смеситель A1, т. е. 50 мкл, однако, у Mott объемом 30 мкл внутренний объем на 30% меньше. При сравнении смесителя Mott объемом 60 мкл со смесителем A2 с внутренним объемом 150 мкл было отмечено небольшое улучшение эффективности смешивания — 92% против 89%, но что еще важнее, этот более высокий уровень смешивания был достигнут при 1/3 объема смесителя. аналогичного смесителя A2. Производительность смесителя Mott объемом 90 мкл следовала той же тенденции, что и у смесителя A3 с внутренним объемом 250 мкл. Улучшения производительности смешивания на 98% и 92% также наблюдались при 3-кратном уменьшении внутреннего объема. Аналогичные результаты и сравнения были получены для смесителей B и C. В результате новая серия статических смесителей Mott PerfectPeakTM обеспечивает более высокую эффективность смешивания, чем сопоставимые смесители конкурентов, но с меньшим внутренним объемом, обеспечивая лучший фоновый шум и лучшее соотношение сигнал/шум, лучшую чувствительность к аналиту, форму пика и разрешение пика. Аналогичные тенденции в эффективности смешивания наблюдались в исследованиях как Case 1, так и Case 2. Для Case 2 были проведены испытания с использованием (метанола и ацетона в качестве индикаторов) для сравнения эффективности смешивания 60 мл Mott, сопоставимого смесителя A1 (внутренний объем 50 мкл) и сопоставимого смесителя B1 (внутренний объем 35 мкл). , производительность была плохой без установленного смесителя, но он использовался для базового анализа. Смеситель Mott объемом 60 мл оказался лучшим смесителем в тестовой группе, обеспечив 90%-ное увеличение эффективности смешивания. Сопоставимый смеситель A1 показал 75%-ное улучшение эффективности смешивания, за которым последовало 45%-ное улучшение в сопоставимом смесителе B1. Базовый тест на уменьшение синусоидальной волны со скоростью потока был проведен на серии смесителей в тех же условиях, что и тест с синусоидальной кривой в случае 1, при этом изменялась только скорость потока. Данные показали, что в диапазоне скоростей потока от 0,25 до 1 мл/мин начальное уменьшение синусоиды оставалось относительно постоянным для всех трех объемов смесителя. Для двух смесителей с меньшим объемом наблюдается небольшое увеличение синусоидального сокращения по мере уменьшения скорости потока, что ожидается из-за увеличенного времени пребывания растворителя в смесителе, что позволяет увеличить диффузионное смешивание. Ожидается, что вычитание синусоиды увеличится по мере дальнейшего уменьшения потока. Однако для самого большого объема смесителя с самым высоким затуханием основания синусоиды затухание основания синусоиды оставалось практически неизменным (в пределах экспериментальной неопределенности) со значениями в диапазоне от 95% до 98%. Рис. 10. Базовое затухание синусоиды в зависимости от скорости потока в случае 1. Тест проводился в условиях, аналогичных тесту с синусоидой, с переменной скоростью потока, с введением 80% смеси ацетонитрила и воды в соотношении 80/20 и 20% 20 мМ ацетата аммония.
Недавно разработанный ряд запатентованных встроенных статических смесителей PerfectPeakTM с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл охватывает объем и диапазон производительности смешивания, необходимые для большинства анализов ВЭЖХ, требующих улучшенного смешивания и низкого уровня дисперсии. Новый статический смеситель достигает этого, используя новую технологию 3D-печати для создания уникальной 3D-структуры, которая обеспечивает улучшенное гидродинамическое статическое смешивание с самым высоким процентным снижением базового шума на единицу объема внутренней смеси. Использование 1/3 внутреннего объема обычного смесителя снижает базовый шум на 98%. Такие смесители состоят из взаимосвязанных трехмерных каналов потока с различными площадями поперечного сечения и различной длиной пути, поскольку жидкость пересекает сложные геометрические барьеры внутри. Новое семейство статических смесителей обеспечивает улучшенную производительность по сравнению с конкурирующими смесителями, но с меньшим внутренним объемом, что приводит к лучшему соотношению сигнал/шум и более низким пределам количественного определения, а также улучшенной форме пика, эффективности и разрешению для более высокой чувствительности.
В этом выпуске Хроматография – Экологически чистая ОФ-ВЭЖХ – Использование хроматографии ядро-оболочка для замены ацетонитрила изопропанолом в анализе и очистке – Новый газовый хроматограф для…
Бизнес-центр International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH United Kingdom