Революционно 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.Гомогенное статическое смешивание двух или более жидкостей при минимальном внутреннем объеме и физических размерах 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 уменьшением базовой синусоиды на единицу внутреннего объема смеси.Использование 1/3 внутреннего объема обычного микшера уменьшает основную синусоиду на 98%.Смеситель состоит из взаимосвязанных трехмерных проточных каналов с различной площадью поперечного сечения и длины пути, поскольку жидкость пересекает сложные трехмерные геометрические формы.Смешивание на нескольких извилистых путях потока в сочетании с локальной турбулентностью и водоворотами приводит к перемешиванию на микро-, мезо- и макромасштабах.Этот уникальный смеситель разработан с использованием моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).Представленные данные испытаний показывают, что отличное смешивание достигается при минимальном внутреннем объеме.
Более 30 лет жидкостная хроматография используется во многих отраслях, включая фармацевтику, производство пестицидов, защиту окружающей среды, судебную экспертизу и химический анализ.Возможность измерения с точностью до частей на миллион или меньше имеет решающее значение для технологического развития в любой отрасли.Низкая эффективность смешивания приводит к плохому соотношению сигнал/шум, что раздражает хроматографическое сообщество с точки зрения пределов обнаружения и чувствительности.При смешивании двух растворителей для ВЭЖХ иногда необходимо принудительное смешивание с помощью внешних средств для гомогенизации двух растворителей, поскольку некоторые растворители плохо смешиваются.Если растворители смешаны недостаточно тщательно, может произойти ухудшение хроматограммы ВЭЖХ, проявляющееся в виде чрезмерного шума базовой линии и/или плохой формы пика.При плохом микшировании базовый шум будет выглядеть как синусоидальная волна (нарастающая и падающая) сигнала детектора с течением времени.В то же время плохое смешивание может привести к уширению и асимметрии пиков, что ухудшает аналитические характеристики, форму пиков и разрешение пиков.Промышленность признала, 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 перемешивания, малого мертвого объема и низкого перепада давления с минимальным объемом и максимальной производительностью системы.Кроме того, по мере усложнения анализа аналитикам приходится регулярно использовать более полярные и трудно смешиваемые растворители.Это означает, что лучшее смешивание является обязательным условием для будущих испытаний, что еще больше увеличивает потребность в улучшенной конструкции и производительности микшера.
Компания Mott недавно 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 требуется улучшенное смешивание и низкая дисперсия.Все три модели имеют диаметр 0,5 дюйма и обеспечивают лучшую в отрасли производительность при компактном дизайне.Они изготавливаются из нержавеющей стали 316L, пассивированной для инертности, но также доступны титановые и другие коррозионно-стойкие и химически инертные металлические сплавы.Эти смесители имеют максимальное рабочее давление до 20 000 фунтов на квадратный дюйм.На рис.1а представляет собой фотографию статического смесителя Mott на 60 мкл, предназначенного для обеспечения максимальной эффективности перемешивания при использовании меньшего внутреннего объема, чем у стандартных смесителей этого типа.В этой новой конструкции статического смесителя используется новая технология аддитивного производства для создания уникальной трехмерной структуры, которая использует меньший внутренний поток, чем любой смеситель, используемый в настоящее время в хроматографической промышленности для достижения статического смешивания.Такие смесители состоят из соединенных между собой трехмерных проточных каналов с разной площадью поперечного сечения и разной длиной пути по мере прохождения жидкостью внутри сложных геометрических барьеров.На рис.На рис. 1b показана принципиальная схема нового смесителя, в котором для впуска и выпуска используются стандартные резьбовые фитинги для ВЭЖХ с резьбой 10-32, а запатентованное внутреннее отверстие смесителя имеет заштрихованные синие края.Различные площади поперечного сечения путей внутреннего потока и изменения направления потока внутри внутреннего объема потока создают области турбулентного и ламинарного потока, вызывая перемешивание на микро-, мезо- и макромасштабах.В конструкции этого уникального смесителя использовалось моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) для анализа режимов потока и уточнения конструкции перед созданием прототипа для внутренних аналитических испытаний и оценки заказчиком в полевых условиях.Аддитивное производство — это процесс печати 3D-геометрических компонентов непосредственно из чертежей САПР без необходимости традиционной механической обработки (фрезерные станки, токарные станки и т. д.).Эти новые статические смесители предназначены для производства с использованием этого процесса, при котором корпус смесителя создается на основе чертежей САПР, а детали изготавливаются (печатаются) слой за слоем с использованием аддитивного производства.Здесь наносится слой металлического порошка толщиной около 20 микрон, а управляемый компьютером лазер избирательно плавит и сплавляет порошок в твердую форму.Нанесите еще один слой поверх этого слоя и примените лазерное спекание.Повторяйте этот процесс, пока деталь не будет полностью закончена.Затем порошок удаляется с детали, не связанной лазером, оставляя деталь, напечатанную на 3D-принтере, которая соответствует исходному чертежу САПР.Конечный продукт чем-то похож на микрофлюидный процесс, с основным отличием в том, что микрофлюидные компоненты обычно двумерные (плоские), тогда как с помощью аддитивного производства можно создавать сложные схемы потоков в трехмерной геометрии.Эти смесители в настоящее время доступны в виде 3D-печатных деталей из нержавеющей стали 316L и титана.Большинство металлических сплавов, полимеров и некоторых видов керамики можно использовать для изготовления компонентов с использованием этого метода, и это будет учитываться в будущих разработках/продуктах.
Рис.1. Фотография (а) и диаграмма (б) статического смесителя Мотта объемом 90 мкл, показывающие поперечное сечение пути потока жидкости смесителя, заштрихованное синим цветом.
Выполняйте моделирование производительности статического смесителя методом вычислительной гидродинамики (CFD) на этапе проектирования, чтобы помочь разработать эффективные конструкции и сократить трудоемкие и дорогостоящие эксперименты методом проб и ошибок.CFD-моделирование 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 гидродинамика в сочетании с химическим транспортом соединений подвижной фазы помогает понять смешивание двух различных концентрированных жидкостей.Модель исследуется в зависимости от времени, равного 10 секундам, для простоты расчета при поиске сопоставимых решений.Теоретические данные были получены в коррелированном по времени исследовании с использованием инструмента проекции точечного зонда, где для сбора данных была выбрана точка в середине выхода.Модель CFD и экспериментальные испытания использовали два разных растворителя через пропорциональный пробоотборный клапан и насосную систему, что привело к замене заглушки для каждого растворителя в линии отбора проб.Затем эти растворители смешивают в статическом смесителе.На рисунках 2 и 3 показано моделирование 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, чтобы продемонстрировать концепцию чередующихся пробок воды и чистого ацетонитрила в трубку в отсутствие 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 5-сантиметровой трубке с внутренним диаметром 0,25 мм для представления того, что происходит в пробирке для ВЭЖХ, т.е. в отсутствие смесителя.Полный красный цвет представляет собой массовую долю воды.Синий представляет отсутствие воды, т.е. чистый ацетонитрил.Между чередующимися пробками двух разных жидкостей можно увидеть диффузионные области.
Рис.3. Статический смеситель объемом 30 мл, смоделированный в программном комплексе COMSOL CFD.Легенда представляет собой массовую долю воды в смесителе.Чистая вода показана красным цветом, а чистый ацетонитрил – синим.Изменение массовой доли моделируемой воды представлено изменением цвета смешения двух жидкостей.
На рис.4 показано проверочное исследование 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 перемешивания в экспериментальных испытаниях.Экспериментальную эффективность смешения измеряли как процент уменьшения базовой синусоиды.Кроме того, повышенное противодавление обычно приводит к более высоким уровням смешивания, которые не учитываются при моделировании.
Следующие условия ВЭЖХ и тестовая установка использовались для измерения необработанных синусоидальных волн для сравнения относительных характеристик различных статических смесителей.На рисунке 5 показана типичная компоновка системы ВЭЖХ/УВЭЖХ.Статический смеситель испытывали, помещая смеситель непосредственно после насоса и перед инжектором и разделительной колонной.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 о примеси, подтверждающие правильность моделирования CFD.
Система ВЭЖХ, использованная для этого теста, представляла собой ВЭЖХ Agilent серии 1100 с УФ-детектором, управляемым ПК с установленным программным обеспечением Chemstation.В таблице 1 показаны типичные условия настройки для измерения эффективности смесителя путем мониторинга основных синусоид в двух тематических исследованиях.Экспериментальные испытания были проведены на двух различных примерах растворителей.Два растворителя, смешанные в случае 1, представляли собой растворитель А (20 мМ ацетата аммония в деионизированной воде) и растворитель В (80% ацетонитрила (ACN)/20% деионизированной воды).В случае 2 растворителем А был раствор 0,05% ацетона (этикетка) в деионизированной воде.Растворитель B представляет собой смесь 80/20% метанола и воды.В случае 1 насос был настроен на скорость потока от 0,25 мл/мин до 1,0 мл/мин, а в случае 2 насос был настроен на постоянную скорость потока 1 мл/мин.В обоих случаях соотношение смеси растворителей А и В составляло 20% А/80% В. Детектор был настроен на 220 нм в случае 1, а максимальное поглощение ацетона в случае 2 было установлено на длину волны 265 нм.
Таблица 1. Конфигурации ВЭЖХ для случаев 1 и 2 Случай 1 Случай 2 Скорость насоса От 0,25 мл/мин до 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 % ацетонитрил (ACN) / 20 % деионизированная вода 80 % метанол / 20 % деионизированная вода Соотношение растворителей 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Детектор 220 нм 265 нм
Рис.6. Графики смешанных синусоидальных волн, измеренные до и после применения фильтра нижних частот для удаления компонентов дрейфа базовой линии сигнала.
Рисунок 6 представляет собой типичный пример смешанного шума базовой линии в Случае 1, показанный как повторяющийся синусоидальный узор, наложенный на дрейф базовой линии.Дрейф базовой линии — это медленное увеличение или уменьшение фонового сигнала.Если системе не дают уравновеситься достаточно долго, она обычно падает, но будет беспорядочно дрейфовать, даже когда система полностью стабильна.Этот дрейф базовой линии имеет тенденцию увеличиваться, когда система работает в условиях крутого градиента или высокого противодавления.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 вариации, тем самым получив график колебаний с плоской базовой линией.На рис.На рис. 6 также показан график шума базовой линии микшера после применения фильтра нижних частот.
После завершения моделирования CFD и первоначального экспериментального тестирования были впоследствии разработаны три отдельных статических смесителя с использованием описанных выше внутренних компонентов 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 требуется улучшенное смешивание и низкая дисперсия для получения базовых линий с низкой амплитудой.На рис.7 показаны основные измерения синусоидальной волны, полученные на испытательной системе примера 1 (ацетонитрил и ацетат аммония в качестве индикаторов) с тремя объемами статических смесителей и без установленных смесителей.Условия экспериментальных испытаний для результатов, показанных на фиг.7, поддерживались постоянными на протяжении всех 4 испытаний в соответствии с процедурой, изложенной в таблице 1, при скорости потока растворителя 0,5 мл/мин.Примените значение смещения к наборам данных, чтобы они могли отображаться рядом без перекрытия сигналов.Смещение не влияет на амплитуду сигнала, используемого для оценки уровня производительности микшера.Средняя синусоидальная амплитуда без смесителя составила 0,221 мАи, 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 мАи соответственно.
Рис. 7. Смещение сигнала УФ-детектора ВЭЖХ в зависимости от времени для случая 1 (ацетонитрил с индикатором ацетата аммония), показывающее смешивание растворителя без смесителя, смесителей Мотта на 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл, демонстрирующее улучшение смешивания (более низкая амплитуда сигнала) по мере увеличения объема статического смесителя.(фактические смещения данных: 0,13 (без микшера), 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 широко используемых статических смесителей для 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 Mott 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 как отношение амплитуды синусоиды к амплитуде без установленного смесителя.Измеренные проценты затухания синусоидальной волны для случаев 1 и 2 перечислены в таблице 2 вместе с внутренними объемами нового статического смесителя и семи стандартных смесителей, обычно используемых в промышленности.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 намного превышает характеристики обычного смесителя для ВЭЖХ в этих условиях испытаний.Рисунок 9. График зависимости смещения сигнала УФ-детектора ВЭЖХ от времени для случая 2 (метанол и ацетон в качестве трассеров), показывающий отсутствие статического смесителя (в сочетании), 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 широко используемых в промышленности смесителей.К ним относятся смесители с тремя различными внутренними объемами от компании A (обозначенные как Mixer A1, A2 и A3) и компании B (обозначенные как Mixer B1, B2 и B3).Компания C оценила только один размер.
Таблица 2. Характеристики перемешивания статического смесителя и внутренний объем Статический смеситель Случай 1 Синусоидальное извлечение: испытание с ацетонитрилом (эффективность) Случай 2 Синусоидальное извлечение: испытание с метанолом и водой (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 А1 66,4% 73,7% 50 Смеситель А2 89,8% 91,6% 150 Смеситель А3 92,2% 94,5% 250 Смеситель В1 44,8% 45,7% 9 35 Смеситель В2 845,% 96,2% 370 Смеситель С 97,2% 9 7,4% 250
Анализ результатов на Рисунке 8 и в Таблице 2 показывает, что статический смеситель Mott на 30 мкл имеет такую ​​же эффективность смешивания, как и смеситель A1, т.е. 50 мкл, однако внутренний объем Mott на 30 мкл меньше на 30%.При сравнении смесителя Мотта на 60 мкл со смесителем А2 с внутренним объемом 150 мкл эффективность смешивания немного повысилась до 92 % по сравнению с 89 %, но, что более важно, этот более высокий уровень смешивания был достигнут при 1/3 объема смесителя.аналогичный смеситель A2.Производительность смесителя Мотта на 90 мкл соответствовала той же тенденции, что и у смесителя А3 с внутренним объемом 250 мкл.Также наблюдалось улучшение производительности смешивания на 98% и 92% при 3-кратном уменьшении внутреннего объема.Аналогичные результаты и сравнения были получены для микшеров B и C. В результате новая серия статических микшеров Mott PerfectPeakTM обеспечивает более высокую эффективность микширования, чем сопоставимые микшеры конкурентов, но с меньшим внутренним объемом, обеспечивая лучший фоновый шум и лучшее отношение сигнал/шум, лучшую чувствительность анализируемого вещества, форму пика и разрешение пика.Аналогичные тенденции в эффективности смешивания наблюдались как в исследованиях «Случай 1», так и «Случай 2».Для случая 2 были проведены тесты с использованием (метанол и ацетон в качестве индикаторов) для сравнения эффективности смешивания 60 мл Мотта, сравнимого смесителя А1 (внутренний объем 50 мкл) и сравнимого смесителя В1 (внутренний объем 35 мкл)., производительность была низкой без установленного микшера, но он использовался для базового анализа.Смеситель Mott объемом 60 мл оказался лучшим смесителем в тестовой группе, обеспечив повышение эффективности перемешивания на 90%.Сопоставимый смеситель A1 показал повышение эффективности смешивания на 75%, за которым последовало улучшение на 45% по сравнению с сопоставимым смесителем B1.Базовый тест на уменьшение синусоидальной волны с расходом был проведен на серии смесителей в тех же условиях, что и тест на синусоиду в Случае 1, с изменением только расхода.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 меньшего объема наблюдается небольшое увеличение синусоидального сжатия по мере уменьшения скорости потока, что ожидается из-за увеличения времени пребывания растворителя в смесителе, что позволяет усилить диффузионное перемешивание.Ожидается, что вычитание синусоиды будет увеличиваться по мере дальнейшего уменьшения потока.Однако для самого большого объема смесителя с наибольшим затуханием основания синусоиды затухание основания синусоиды оставалось практически неизменным (в пределах экспериментальной погрешности) со значениями в диапазоне от 95% до 98%.Рис.10. Основное затухание синусоидальной волны в зависимости от скорости потока в случае 1. Испытание проводили в условиях, аналогичных синусоидальному испытанию с переменным расходом, вводя 80% смеси ацетонитрила и воды 80/20 и 20% 20 мМ ацетата аммония.
Недавно разработанный ассортимент запатентованных статических смесителей PerfectPeakTM с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл охватывает диапазон объемов и производительности смешивания, необходимых для большинства анализов ВЭЖХ, требующих улучшенного смешивания и низкого уровня дисперсии.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 основного шума на единицу объема внутренней смеси.Использование 1/3 внутреннего объема обычного микшера снижает базовый шум на 98%.Такие смесители состоят из соединенных между собой трехмерных проточных каналов с разной площадью поперечного сечения и разной длиной пути по мере прохождения жидкостью внутри сложных геометрических барьеров.Новое семейство статических микшеров обеспечивает улучшенную производительность по сравнению с микшерами конкурентов, но с меньшим внутренним объемом, что приводит к лучшему отношению сигнал/шум и более низким пределам количественного анализа, а также к 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 Соединенное Королевство