Revolučný nový inline statický mixér bol vyvinutý špeciálne na splnenie prísnych požiadaviek systémov vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie (HPLC) a ultravysokovýkonnej kvapalinovej chromatografie (HPLC a UHPLC). Zlé miešanie dvoch alebo viacerých mobilných fáz môže viesť k vyššiemu pomeru signálu k šumu, čo znižuje citlivosť. Homogénne statické miešanie dvoch alebo viacerých kvapalín s minimálnym vnútorným objemom a fyzikálnymi rozmermi statického mixéra predstavuje najvyšší štandard ideálneho statického mixéra. Nový statický mixér to dosahuje použitím novej technológie 3D tlače na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá poskytuje vylepšené hydrodynamické statické miešanie s najvyšším percentuálnym znížením základnej sínusoidy na jednotku vnútorného objemu zmesi. Použitie 1/3 vnútorného objemu konvenčného mixéra znižuje základnú sínusoidu o 98 %. Mixér pozostáva z prepojených 3D prietokových kanálov s rôznymi prierezovými plochami a dĺžkami dráh, keď kvapalina prechádza zložitými 3D geometriami. Miešanie pozdĺž viacerých kľukatých dráh prúdenia v kombinácii s lokálnou turbulenciou a vírmi vedie k miešaniu na mikro, mezo a makro úrovni. Tento unikátny mixér je navrhnutý s použitím simulácií výpočtovej dynamiky tekutín (CFD). Prezentované testovacie údaje ukazujú, že vynikajúce miešanie sa dosahuje s minimálnym vnútorným objemom.
Kvapalinová chromatografia sa už viac ako 30 rokov používa v mnohých odvetviach vrátane farmaceutického priemyslu, pesticídov, ochrany životného prostredia, forenznej vedy a chemickej analýzy. Schopnosť merať s presnosťou na častice na milión alebo menej je kľúčová pre technologický rozvoj v každom odvetví. Nízka účinnosť miešania vedie k nízkemu pomeru signálu k šumu, čo je pre chromatografickú komunitu nepríjemné z hľadiska detekčných limitov a citlivosti. Pri miešaní dvoch HPLC rozpúšťadiel je niekedy potrebné vynútiť miešanie externými prostriedkami, aby sa obe rozpúšťadlá homogenizovali, pretože niektoré rozpúšťadlá sa dobre nemiešajú. Ak sa rozpúšťadlá dôkladne nezmiešajú, môže dôjsť k degradácii HPLC chromatogramu, ktorá sa prejavuje ako nadmerný základný šum a/alebo zlý tvar píku. Pri zlom miešaní sa základný šum v priebehu času objaví ako sínusová vlna (stúpajúca a klesajúca) signálu detektora. Zároveň môže zlé miešanie viesť k rozšíreniu a asymetrickým píkom, čo znižuje analytický výkon, tvar píku a rozlíšenie píku. Priemysel si uvedomil, že radové a T-v tvare statické miešačky sú prostriedkom na zlepšenie týchto limitov a umožňujú používateľom dosiahnuť nižšie detekčné limity (citlivosť). Ideálny statický mixér kombinuje výhody vysokej účinnosti miešania, nízkeho mŕtveho objemu a nízkeho poklesu tlaku s minimálnym objemom a maximálnou priepustnosťou systému. Okrem toho, keďže analýza sa stáva komplexnejšou, analytici musia rutinne používať polárnejšie a ťažko miešateľné rozpúšťadlá. To znamená, že lepšie miešanie je nevyhnutnosťou pre budúce testovanie, čo ďalej zvyšuje potrebu vynikajúceho dizajnu a výkonu mixéra.
Spoločnosť Mott nedávno vyvinula nový rad patentovaných inline statických miešačov PerfectPeak™ s tromi vnútornými objemami: 30 µl, 60 µl a 90 µl. Tieto veľkosti pokrývajú rozsah objemov a charakteristík miešania potrebných pre väčšinu HPLC testov, kde sa vyžaduje lepšie miešanie a nízka disperzia. Všetky tri modely majú priemer 0,5″ a poskytujú špičkový výkon v kompaktnom dizajne. Sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele 316L, pasivovanej pre inertnosť, ale k dispozícii je aj titán a iné kovové zliatiny odolné voči korózii a chemicky inertné. Tieto miešače majú maximálny prevádzkový tlak až 20 000 psi. Na obr. 1a je fotografia statického miešača Mott s objemom 60 µl, ktorý je navrhnutý tak, aby poskytoval maximálnu účinnosť miešania pri použití menšieho vnútorného objemu ako štandardné miešače tohto typu. Tento nový dizajn statického miešača využíva novú technológiu aditívnej výroby na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá využíva menší vnútorný prietok ako ktorýkoľvek miešač, ktorý sa v súčasnosti používa v chromatografickom priemysle na dosiahnutie statického miešania. Takéto miešačky pozostávajú z prepojených trojrozmerných prietokových kanálov s rôznymi prierezovými plochami a rôznymi dĺžkami dráh, keď kvapalina prechádza cez zložité geometrické bariéry vo vnútri. Na obr. Obrázok 1b znázorňuje schematický diagram nového miešača, ktorý používa štandardné kompresné spojky HPLC so závitom 10-32 pre vstup a výstup a má tieňované modré okraje patentovaného vnútorného portu miešača. Rôzne prierezové plochy vnútorných prietokových dráh a zmeny smeru prúdenia vo vnútornom objeme prúdenia vytvárajú oblasti turbulentného a laminárneho prúdenia, čo spôsobuje miešanie na mikro, mezo a makro úrovni. Pri návrhu tohto jedinečného miešača sa použili simulácie výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) na analýzu vzorcov prúdenia a spresnenie návrhu pred vytvorením prototypu pre interné analytické testovanie a hodnotenie zákazníkom v teréne. Aditívna výroba je proces tlače 3D geometrických komponentov priamo z CAD výkresov bez potreby tradičného obrábania (frézky, sústruhy atď.). Tieto nové statické miešačky sú navrhnuté na výrobu pomocou tohto procesu, kde sa teleso miešača vytvára z CAD výkresov a diely sa vyrábajú (tlačia) vrstvu po vrstve pomocou aditívnej výroby. Tu sa nanesie vrstva kovového prášku s hrúbkou približne 20 mikrónov a počítačom riadený laser selektívne roztaví a spojí prášok do pevnej formy. Na túto vrstvu sa nanesie ďalšia vrstva a aplikuje sa laserové spekanie. Tento proces opakujte, kým nie je diel úplne dokončený. Prášok sa potom odstráni z dielu, ktorý nie je spojený laserom, čím zostane 3D tlačený diel, ktorý zodpovedá pôvodnému CAD výkresu. Konečný produkt je do istej miery podobný mikrofluidnému procesu, s hlavným rozdielom v tom, že mikrofluidné komponenty sú zvyčajne dvojrozmerné (ploché), zatiaľ čo pomocou aditívnej výroby je možné vytvárať zložité vzory prúdenia v trojrozmernej geometrii. Tieto kohútiky sú v súčasnosti dostupné ako 3D tlačené diely z nehrdzavejúcej ocele 316L a titánu. Väčšinu kovových zliatin, polymérov a niektorých keramických materiálov je možné použiť na výrobu komponentov pomocou tejto metódy a budú zohľadnené v budúcich návrhoch/produktoch.
Ryža. 1. Fotografia (a) a diagram (b) 90 μl Mott statického miešača zobrazujúci prierez dráhy prúdenia kvapaliny miešača, vytieňovaný modrou farbou.
Spustite výpočtové simulácie dynamiky tekutín (CFD) výkonu statického miešača počas fázy návrhu, aby ste pomohli vyvinúť efektívne návrhy a skrátili časovo náročné a nákladné experimenty metódou pokus-omyl. CFD simulácia statických miešačov a štandardných potrubí (simulácia bez miešača) pomocou softvérového balíka COMSOL Multiphysics. Modelovanie pomocou laminárnej mechaniky tekutín riadenej tlakom na pochopenie rýchlosti a tlaku tekutiny v danom diele. Táto dynamika tekutín v kombinácii s chemickým transportom zlúčenín mobilnej fázy pomáha pochopiť miešanie dvoch rôznych koncentrovaných kvapalín. Model sa študuje ako funkcia času, ktorá sa rovná 10 sekundám, pre jednoduchší výpočet pri hľadaní porovnateľných riešení. Teoretické údaje boli získané v časovo korelovanej štúdii pomocou nástroja bodovej projekcie sondy, kde bol na zber údajov zvolený bod v strede výstupu. Model CFD a experimentálne testy použili dve rôzne rozpúšťadlá prostredníctvom proporcionálneho vzorkovacieho ventilu a čerpacieho systému, čo viedlo k náhradnej zátke pre každé rozpúšťadlo vo vzorkovacom potrubí. Tieto rozpúšťadlá sa potom zmiešajú v statickom miešači. Obrázky 2 a 3 znázorňujú simulácie prúdenia cez štandardné potrubie (bez miešača) a cez statický miešač Mott. Simulácia bola spustená na rovnej trubici s dĺžkou 5 cm a vnútorným priemerom 0,25 mm, aby sa demonštroval koncept striedavého vpúšťania vody a čistého acetonitrilu do trubice bez statického miešadla, ako je znázornené na obrázku 2. Simulácia použila presné rozmery trubice a miešadla a prietok 0,3 ml/min.
Ryža. 2. Simulácia prúdenia CFD v 5 cm skúmavke s vnútorným priemerom 0,25 mm na znázornenie toho, čo sa deje v HPLC skúmavke, t. j. bez miešadla. Plná červená farba predstavuje hmotnostný podiel vody. Modrá predstavuje nedostatok vody, t. j. čistý acetonitril. Difúzne oblasti možno pozorovať medzi striedajúcimi sa zátkami dvoch rôznych kvapalín.
Ryža. 3. Statický mixér s objemom 30 ml, modelovaný v softvérovom balíku COMSOL CFD. Legenda predstavuje hmotnostný podiel vody v mixéri. Čistá voda je zobrazená červenou farbou a čistý acetonitril modrou farbou. Zmena hmotnostného podielu simulovanej vody je znázornená zmenou farby miešania dvoch kvapalín.
Na obr. 4 je znázornená validačná štúdia korelačného modelu medzi účinnosťou miešania a objemom miešania. So zvyšujúcim sa objemom miešania sa zvyšuje aj účinnosť miešania. Podľa vedomostí autorov nie je možné v tomto CFD modeli zohľadniť iné zložité fyzikálne sily pôsobiace vo vnútri miešača, čo má za následok vyššiu účinnosť miešania v experimentálnych testoch. Experimentálna účinnosť miešania bola meraná ako percentuálne zníženie základnej sínusoidy. Okrem toho zvýšený protitlak zvyčajne vedie k vyšším úrovniam miešania, ktoré sa v simulácii nezohľadňujú.
Na meranie surových sínusových vĺn s cieľom porovnať relatívne výkonnosť rôznych statických miešačov boli použité nasledujúce podmienky HPLC a testovacie nastavenie. Diagram na obrázku 5 znázorňuje typické rozloženie systému HPLC/UHPLC. Statický miešač bol testovaný umiestnením miešača priamo za čerpadlo a pred injektor a separačnú kolónu. Väčšina meraní sínusového tvaru pozadia sa vykonáva obchádzaním injektora a kapilárnej kolóny medzi statickým miešačom a UV detektorom. Pri hodnotení pomeru signálu k šumu a/alebo analýze tvaru píku je konfigurácia systému znázornená na obrázku 5.
Obrázok 4. Graf účinnosti miešania v závislosti od objemu miešania pre rôzne statické miešačky. Teoretické nečistoty sledujú rovnaký trend ako experimentálne údaje o nečistotách, čo potvrdzuje platnosť CFD simulácií.
HPLC systém použitý na tento test bol Agilent 1100 Series HPLC s UV detektorom riadeným PC so softvérom Chemstation. Tabuľka 1 zobrazuje typické podmienky ladenia na meranie účinnosti mixéra monitorovaním základných sínusoid v dvoch prípadových štúdiách. Experimentálne testy boli vykonané na dvoch rôznych príkladoch rozpúšťadiel. Dve rozpúšťadlá zmiešané v prípade 1 boli rozpúšťadlo A (20 mM octan amónny v deionizovanej vode) a rozpúšťadlo B (80 % acetonitril (ACN) / 20 % deionizovaná voda). V prípade 2 bolo rozpúšťadlom A roztok 0,05 % acetónu (označenie) v deionizovanej vode. Rozpúšťadlo B je zmes 80/20 % metanolu a vody. V prípade 1 bolo čerpadlo nastavené na prietok 0,25 ml/min až 1,0 ml/min a v prípade 2 bolo čerpadlo nastavené na konštantný prietok 1 ml/min. V oboch prípadoch bol pomer zmesi rozpúšťadiel A a B 20 % A/80 % B. Detektor bol v prípade 1 nastavený na 220 nm a maximálna absorpcia acetónu v prípade 2 bola nastavená na vlnovú dĺžku 265 nm.
Tabuľka 1. Konfigurácie HPLC pre prípady 1 a 2 Prípad 1 Prípad 2 Rýchlosť čerpadla ​​0,25 ml/min až 1,0 ml/min 1,0 ml/min Rozpúšťadlo A 20 mM octan amónny v deionizovanej vode 0,05 % acetón v deionizovanej vode Rozpúšťadlo B 80 % acetonitril (ACN) / 20 % deionizovaná voda 80 % metanol / 20 % deionizovaná voda Pomer rozpúšťadiel 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Ryža. 6. Grafy zmiešaných sínusových vĺn meraných pred a po aplikácii dolnopriepustného filtra na odstránenie zložiek driftu základnej línie signálu.
Obrázok 6 je typickým príkladom zmiešaného základného šumu v prípade 1, znázorneného ako opakujúci sa sínusový vzor superponovaný na drift základnej línie. Drift základnej línie je pomalé zvyšovanie alebo znižovanie signálu pozadia. Ak sa systému nepovolí dostatočne dlho na vyváženie, zvyčajne klesne, ale bude sa driftovať nepravidelne, aj keď je systém úplne stabilný. Tento drift základnej línie má tendenciu sa zvyšovať, keď systém pracuje v podmienkach strmého gradientu alebo vysokého protitlaku. Keď je tento drift základnej línie prítomný, môže byť ťažké porovnávať výsledky medzi vzorkami, čo sa dá prekonať použitím dolnopriepustného filtra na nespracované dáta, aby sa odfiltrovali tieto nízkofrekvenčné variácie, čím sa získa graf oscilácie s plochou základnou líniou. Na obr. Obrázok 6 tiež zobrazuje graf základného šumu mixéra po použití dolnopriepustného filtra.
Po dokončení CFD simulácií a počiatočného experimentálneho testovania boli následne vyvinuté tri samostatné statické miešačky s použitím vyššie opísaných vnútorných komponentov s tromi vnútornými objemami: 30 µl, 60 µl a 90 µl. Tento rozsah pokrýva rozsah objemov a výkonu miešania potrebný pre aplikácie HPLC s nízkym obsahom analytov, kde je potrebné lepšie miešanie a nízka disperzia na dosiahnutie základných liniek s nízkou amplitúdou. Na obr. 7 sú znázornené základné merania sínusovej vlny získané na testovacom systéme z príkladu 1 (acetonitril a octan amónny ako stopovače) s tromi objemami statických miešačiek a bez nainštalovaných miešačiek. Experimentálne testovacie podmienky pre výsledky uvedené na obrázku 7 boli udržiavané konštantné počas všetkých 4 testov podľa postupu uvedeného v tabuľke 1 pri prietoku rozpúšťadla 0,5 ml/min. Na súbory údajov sa aplikuje hodnota ofsetu tak, aby sa dali zobraziť vedľa seba bez prekrývania signálu. Offset neovplyvňuje amplitúdu signálu použitého na posúdenie úrovne výkonu miešačky. Priemerná sínusová amplitúda bez mixéra bola 0,221 mAi, zatiaľ čo amplitúdy statických Mottových mixérov pri 30 µl, 60 µl a 90 µl klesli na 0,077, 0,017 a 0,004 mAi.
Obrázok 7. Offset signálu HPLC UV detektora v závislosti od času pre prípad 1 (acetonitril s indikátorom octanom amónnym) znázorňujúci miešanie rozpúšťadla bez miešadla, 30 µl, 60 µl a 90 µl Mottove miešadlá vykazujúce zlepšené miešanie (nižšia amplitúda signálu) so zvyšujúcim sa objemom statického miešadla. (offsety skutočných údajov: 0,13 (bez miešadla), 0,32, 0,4, 0,45 mA pre lepšie zobrazenie).
Údaje zobrazené na obr. 8 sú rovnaké ako na obr. 7, ale tentoraz zahŕňajú výsledky troch bežne používaných statických miešačov HPLC s vnútornými objemami 50 µl, 150 µl a 250 µl. Obrázok 8. Graf závislosti posunu signálu UV detektora HPLC od času pre prípad 1 (acetonitril a octan amónny ako indikátory) znázorňujúci miešanie rozpúšťadla bez statického miešača, novej série statických miešačov Mott a troch konvenčných miešačov (skutočný posun údajov je 0,1 (bez miešača), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA pre lepší efekt zobrazenia). Percentuálne zníženie základnej sínusovej vlny sa vypočíta pomerom amplitúdy sínusovej vlny k amplitúde bez nainštalovaného miešača. Namerané percentá útlmu sínusovej vlny pre prípady 1 a 2 sú uvedené v tabuľke 2 spolu s vnútornými objemami nového statického miešača a siedmich štandardných miešačov bežne používaných v priemysle. Údaje na obrázkoch 8 a 9, ako aj výpočty uvedené v tabuľke 2, ukazujú, že statický miešač Mott dokáže zabezpečiť útlm sínusovej vlny až do 98,1 %, čo výrazne prevyšuje výkon konvenčného HPLC miešača za týchto testovacích podmienok. Obrázok 9. Graf posunu signálu HPLC UV detektora v závislosti od času pre prípad 2 (metanol a acetón ako stopovače) zobrazujúci žiadny statický miešač (kombinované), novú sériu statických miešačov Mott a dva konvenčné miešače (skutočné posuny údajov sú 0, 11 (bez miešača), 0,22, 0,3, 0,35 mA a pre lepšie zobrazenie). Hodnotených bolo aj sedem bežne používaných miešačov v priemysle. Patria sem miešače s tromi rôznymi vnútornými objemami od spoločnosti A (označené ako miešač A1, A2 a A3) a spoločnosti B (označené ako miešač B1, B2 a B3). Spoločnosť C uviedla iba jednu veľkosť.
Tabuľka 2. Charakteristiky miešania statického mixéra a vnútorný objem statického mixéra Prípad 1 Sínusová výťažnosť: Test s acetonitrilom (účinnosť) Prípad 2 Sínusová výťažnosť: Test s metanolom a vodou (účinnosť) Vnútorný objem (µl) Bez mixéra – - 0 Mott 30 65 % 67,2 % 30 Mott 60 92,2 % 91,3 % 60 Mott 90 98,1 % 97,5 % 90 Mixér A1 66,4 % 73,7 % 50 Mixér A2 89,8 % 91,6 % 150 Mixér A3 92,2 % 94,5 % 250 Mixér B1 44,8 % 45,7 % 9 35 Mixér B2 845 % 96,2 % 370 Mixér C 97,2 % 97,4 % 250
Analýza výsledkov na obrázku 8 a v tabuľke 2 ukazuje, že 30 µl Mott statický mixér má rovnakú účinnosť miešania ako mixér A1, t. j. 50 µl, avšak 30 µl Mott má o 30 % menší vnútorný objem. Pri porovnaní 60 µl Mott mixéra s 150 µl vnútorným objemom A2 došlo k miernemu zlepšeniu účinnosti miešania o 92 % oproti 89 %, ale čo je dôležitejšie, táto vyššia úroveň miešania sa dosiahla pri 1/3 objemu mixéra. Výkon podobného mixéra A2. Výkon 90 µl Mott mixéra sledoval rovnaký trend ako mixér A3 s vnútorným objemom 250 µl. Zlepšenie výkonu miešania o 98 % a 92 % sa pozorovalo aj pri 3-násobnom znížení vnútorného objemu. Podobné výsledky a porovnania boli získané pre miešačky B a C. Výsledkom je, že nová séria statických miešačiek Mott PerfectPeak™ poskytuje vyššiu účinnosť miešania ako porovnateľné konkurenčné miešačky, ale s menším vnútorným objemom, čo poskytuje lepší šum pozadia a lepší pomer signálu k šumu, lepšiu citlivosť analytu, tvar píku a rozlíšenie píku. Podobné trendy v účinnosti miešania boli pozorované v štúdiách prípadu 1 aj prípadu 2. V prípade prípadu 2 boli vykonané testy s použitím (metanolu a acetónu ako indikátorov) na porovnanie účinnosti miešania 60 ml miešačky Mott, porovnateľného miešačky A1 (vnútorný objem 50 µl) a porovnateľnej miešačky B1 (vnútorný objem 35 µl). Výkon bez nainštalovanej miešačky bol slabý, ale bola použitá na základnú analýzu. 60 ml miešačka Mott sa ukázala ako najlepšia miešačka v testovanej skupine, ktorá poskytla 90 % zvýšenie účinnosti miešania. Porovnateľná miešačka A1 zaznamenala 75 % zlepšenie účinnosti miešania, po ktorom nasledovalo 45 % zlepšenie v porovnateľnej miešačke B1. Základný test redukcie sínusoidy s prietokom sa vykonal na sérii miešačiek za rovnakých podmienok ako test sínusoidnej krivky v prípade 1, pričom sa zmenil iba prietok. Údaje ukázali, že v rozsahu prietokov od 0,25 do 1 ml/min zostal počiatočný pokles sínusoidy relatívne konštantný pre všetky tri objemy miešačiek. Pri dvoch miešačoch s menším objemom dochádza k miernemu nárastu sínusoidnej kontrakcie so znižovaním prietoku, čo sa očakáva v dôsledku predĺženého času zotrvania rozpúšťadla v miešačke, čo umožňuje zvýšené difúzne miešanie. Očakáva sa, že odčítanie sínusoidy sa bude zvyšovať s ďalším znižovaním prietoku. Avšak pri najväčšom objeme miešačky s najvyšším základným útlmom sínusoidy zostal základný útlm sínusoidy prakticky nezmenený (v rozsahu experimentálnej neistoty) s hodnotami v rozmedzí od 95 % do 98 %. 10. Základný útlm sínusovej vlny v závislosti od prietoku v prípade 1. Test sa uskutočnil za podmienok podobných sínusovému testu s premenlivým prietokom, vstreknutím 80 % zmesi acetonitrilu a vody v pomere 80/20 a 20 % 20 mM octanu amónneho.
Novovyvinutý rad patentovaných inline statických miešačov PerfectPeak™ s tromi vnútornými objemami: 30 µl, 60 µl a 90 µl pokrýva rozsah objemu a výkonu miešania potrebný pre väčšinu HPLC analýz vyžadujúcich vylepšené miešanie a nízke disperzné podlahy. Nový statický miešač to dosahuje použitím novej technológie 3D tlače na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá poskytuje vylepšené hydrodynamické statické miešanie s najvyšším percentuálnym znížením základného šumu na jednotku objemu vnútornej zmesi. Použitie 1/3 vnútorného objemu konvenčného miešača znižuje základný šum o 98 %. Takéto miešače pozostávajú z prepojených trojrozmerných prietokových kanálov s rôznymi prierezovými plochami a rôznymi dĺžkami dráh, keď kvapalina prechádza cez zložité geometrické bariéry vo vnútri. Nová rodina statických miešačov poskytuje lepší výkon oproti konkurenčným miešačom, ale s menším vnútorným objemom, čo vedie k lepšiemu pomeru signálu k šumu a nižším kvantifikačným limitom, ako aj k vylepšenému tvaru píku, účinnosti a rozlíšeniu pre vyššiu citlivosť.
V tomto čísle Chromatografia – Ekologická RP-HPLC – Použitie core-shell chromatografie na nahradenie acetonitrilu izopropanolom v analýze a čistení – Nový plynový chromatograf pre…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Spojené kráľovstvo