Revolucionaren nov linijski statični mešalnik je bil razvit posebej za izpolnjevanje strogih zahtev sistemov visokozmogljive tekočinske kromatografije (HPLC) in ultra visokozmogljive tekočinske kromatografije (HPLC in UHPLC). Slabo mešanje dveh ali več mobilnih faz lahko povzroči višje razmerje signal/šum, kar zmanjša občutljivost. Homogeno statično mešanje dveh ali več tekočin z minimalno notranjo prostornino in fizičnimi dimenzijami statičnega mešalnika predstavlja najvišji standard idealnega statičnega mešalnika. Novi statični mešalnik to doseže z uporabo nove tehnologije 3D-tiskanja za ustvarjanje edinstvene 3D-strukture, ki zagotavlja izboljšano hidrodinamično statično mešanje z najvišjim odstotkom zmanjšanja osnovnega sinusnega vala na enoto notranje prostornine mešanice. Uporaba 1/3 notranje prostornine običajnega mešalnika zmanjša osnovni sinusni val za 98 %. Mešalnik je sestavljen iz medsebojno povezanih 3D-tokovnih kanalov z različnimi prečnimi prerezi in dolžinami poti, ko tekočina prečka kompleksne 3D-geometrije. Mešanje vzdolž več vijugastih tokovnih poti v kombinaciji z lokalno turbulenco in vrtinci povzroči mešanje na mikro, mezo in makro ravni. Ta edinstveni mešalnik je zasnovan z uporabo simulacij računalniške dinamike tekočin (CFD). Predstavljeni testni podatki kažejo, da se odlično mešanje doseže z minimalno notranjo prostornino.
Tekočinska kromatografija se že več kot 30 let uporablja v številnih panogah, vključno s farmacevtsko industrijo, pesticidi, varstvom okolja, forenziko in kemijsko analizo. Zmožnost merjenja na delcev na milijon ali manj je ključnega pomena za tehnološki razvoj v kateri koli panogi. Slaba učinkovitost mešanja vodi do slabega razmerja signal/šum, kar je moteče za kromatografsko skupnost glede meja zaznavnosti in občutljivosti. Pri mešanju dveh topil HPLC je včasih treba mešanje prisiliti z zunanjimi sredstvi, da se obe topilni enoti homogenizirata, ker se nekatera topila ne mešajo dobro. Če topila niso temeljito premešana, lahko pride do degradacije kromatograma HPLC, ki se kaže kot prekomeren šum osnovne linije in/ali slaba oblika vrha. Pri slabem mešanju se bo šum osnovne linije sčasoma pojavil kot sinusni val (naraščajoč in padajoč) signala detektorja. Hkrati lahko slabo mešanje povzroči razširitev in asimetrične vrhove, kar zmanjša analitično učinkovitost, obliko vrhov in ločljivost vrhov. Industrija je prepoznala, da so linijski in T-vmesni statični mešalniki sredstvo za izboljšanje teh meja in omogočanje uporabnikom, da dosežejo nižje meje zaznavnosti (občutljivosti). Idealni statični mešalnik združuje prednosti visoke učinkovitosti mešanja, nizke mrtve prostornine in nizkega padca tlaka z minimalno prostornino in maksimalno pretočnostjo sistema. Poleg tega morajo analitiki, ko analiza postaja vse bolj zapletena, rutinsko uporabljati bolj polarna in težko mešljiva topila. To pomeni, da je boljše mešanje nujno za prihodnje testiranje, kar še povečuje potrebo po vrhunski zasnovi in ​​zmogljivosti mešalnika.
Mott je pred kratkim razvil novo serijo patentiranih linijskih statičnih mešalnikov PerfectPeak™ s tremi notranjimi prostorninami: 30 µl, 60 µl in 90 µl. Te velikosti pokrivajo razpon prostornin in mešalnih značilnosti, potrebnih za večino HPLC testov, kjer sta potrebna izboljšano mešanje in nizka disperzija. Vsi trije modeli imajo premer 0,5″ (0,5″) in zagotavljajo vodilno zmogljivost v industriji v kompaktni zasnovi. Izdelani so iz nerjavečega jekla 316L, pasiviziranega za inertnost, na voljo pa so tudi titan in druge korozijsko odporne in kemično inertne kovinske zlitine. Ti mešalniki imajo največji obratovalni tlak do 20.000 psi (20.000 psi). Na sliki 1a je fotografija 60 µl statičnega mešalnika Mott, zasnovanega za zagotavljanje največje učinkovitosti mešanja ob uporabi manjše notranje prostornine kot standardni mešalniki te vrste. Ta nova zasnova statičnega mešalnika uporablja novo tehnologijo aditivne proizvodnje za ustvarjanje edinstvene 3D-strukture, ki za doseganje statičnega mešanja uporablja manjši notranji pretok kot kateri koli mešalnik, ki se trenutno uporablja v kromatografski industriji. Takšni mešalniki so sestavljeni iz medsebojno povezanih tridimenzionalnih pretočnih kanalov z različnimi prečnimi prerezi in različnimi dolžinami poti, ko tekočina prečka kompleksne geometrijske ovire v notranjosti. Slika 1b prikazuje shematski diagram novega mešalnika, ki za vhod in izhod uporablja industrijski standardni 10-32 navojni kompresijski fiting za HPLC ter ima osenčene modre robove patentirane notranje mešalne odprtine. Različne prečne površine notranjih pretočnih poti in spremembe smeri toka znotraj notranjega pretočnega volumna ustvarjajo območja turbulentnega in laminarnega toka, kar povzroča mešanje na mikro, mezo in makro ravni. Pri zasnovi tega edinstvenega mešalnika so bile uporabljene simulacije računalniške dinamike tekočin (CFD) za analizo vzorcev toka in izboljšanje zasnove pred izdelavo prototipov za interno analitično testiranje in terensko oceno s strani strank. Aditivna proizvodnja je postopek tiskanja 3D geometrijskih komponent neposredno iz CAD risb brez potrebe po tradicionalni obdelavi (rezkalni stroji, stružnice itd.). Ti novi statični mešalniki so zasnovani za izdelavo s tem postopkom, kjer je telo mešalnika ustvarjeno iz CAD risb, deli pa so izdelani (natisnjeni) plast za plastjo z uporabo aditivne proizvodnje. Tukaj se nanese plast kovinskega prahu, debela približno 20 mikronov, ki jo računalniško voden laser selektivno stopi in združi v trdno snov. Na to plast nanesite še eno plast in nato sledi lasersko sintranje. Postopek ponavljajte, dokler del ni popolnoma dokončan. Prah se nato odstrani z dela, ki ni bil lasersko spojen, tako da ostane 3D-natisnjen del, ki se ujema z originalno CAD risbo. Končni izdelek je nekoliko podoben mikrofluidnemu postopku, glavna razlika pa je v tem, da so mikrofluidne komponente običajno dvodimenzionalne (ravne), medtem ko je z uporabo aditivne proizvodnje mogoče ustvariti kompleksne vzorce toka v tridimenzionalni geometriji. Te pipe so trenutno na voljo kot 3D-natisnjeni deli iz nerjavečega jekla 316L in titana. Večina kovinskih zlitin, polimerov in nekaterih keramičnih izdelkov se lahko uporabi za izdelavo komponent s to metodo in bodo upoštevani v prihodnjih zasnovah/izdelkih.
Riž. 1. Fotografija (a) in diagram (b) 90 μl Mott statičnega mešalnika, ki prikazuje prečni prerez poti pretoka tekočine mešalnika, osenčen z modro barvo.
Izvedite računalniške simulacije dinamike tekočin (CFD) delovanja statičnega mešalnika med fazo načrtovanja, da pomagate razviti učinkovite zasnove in zmanjšate časovno potratne in drage poskuse in napake. CFD simulacija statičnih mešalnikov in standardnih cevovodov (simulacija brez mešalnika) z uporabo programskega paketa COMSOL Multiphysics. Modeliranje z uporabo laminarne mehanike tekočin, ki jo poganja tlak, za razumevanje hitrosti in tlaka tekočine znotraj dela. Ta dinamika tekočin, skupaj s kemičnim transportom spojin mobilne faze, pomaga razumeti mešanje dveh različnih koncentriranih tekočin. Model je preučevan kot funkcija časa, enaka 10 sekundam, za lažji izračun med iskanjem primerljivih rešitev. Teoretični podatki so bili pridobljeni v časovno korelirani študiji z uporabo orodja za projekcijo točkovne sonde, kjer je bila za zbiranje podatkov izbrana točka na sredini izhoda. Model CFD in eksperimentalni testi so uporabili dve različni topilni enoti prek proporcionalnega vzorčnega ventila in črpalnega sistema, kar je povzročilo nadomestni čep za vsako topilo v vzorčni liniji. Ta topila se nato zmešajo v statičnem mešalniku. Sliki 2 in 3 prikazujeta simulacije pretoka skozi standardno cev (brez mešalnika) oziroma skozi statični mešalnik Mott. Simulacija je bila izvedena na ravni cevi dolžine 5 cm in notranjega premera 0,25 mm, da bi se prikazal koncept izmeničnega vbrizgavanja vode in čistega acetonitrila v cev brez statičnega mešalnika, kot je prikazano na sliki 2. Simulacija je uporabila natančne dimenzije cevi in ​​mešalnika ter pretok 0,3 ml/min.
Riž. 2. Simulacija CFD toka v 5 cm epruveti z notranjim premerom 0,25 mm za predstavitev dogajanja v HPLC epruveti, tj. brez mešalnika. Popolnoma rdeča barva predstavlja masni delež vode. Modra barva predstavlja odsotnost vode, tj. čisti acetonitril. Med izmenjujočimi se čepi dveh različnih tekočin so vidna difuzijska območja.
Riž. 3. Statični mešalnik s prostornino 30 ml, modeliran v programskem paketu COMSOL CFD. Legenda predstavlja masni delež vode v mešalniku. Čista voda je prikazana z rdečo barvo, čisti acetonitril pa z modro. Sprememba masnega deleža simulirane vode je predstavljena s spremembo barve mešanice dveh tekočin.
Na sliki 4 je prikazana validacijska študija korelacijskega modela med učinkovitostjo mešanja in prostornino mešanja. Z naraščanjem prostornine mešanja se povečuje tudi učinkovitost mešanja. Po avtorjevem vedenju v tem CFD modelu ni mogoče upoštevati drugih kompleksnih fizikalnih sil, ki delujejo znotraj mešalnika, kar ima za posledico večjo učinkovitost mešanja v eksperimentalnih testih. Eksperimentalna učinkovitost mešanja je bila izmerjena kot odstotek zmanjšanja osnovne sinusoide. Poleg tega povečan protitlak običajno povzroči višje ravni mešanja, ki se v simulaciji ne upoštevajo.
Za merjenje surovih sinusnih valov za primerjavo relativne učinkovitosti različnih statičnih mešalnikov so bili uporabljeni naslednji pogoji HPLC in testna postavitev. Diagram na sliki 5 prikazuje tipično postavitev sistema HPLC/UHPLC. Statični mešalnik je bil preizkušen tako, da je bil mešalnik nameščen neposredno za črpalko in pred injektorjem ter ločevalno kolono. Večina meritev sinusoidnega ozadja se izvede mimo injektorja in kapilarne kolone med statičnim mešalnikom in UV detektorjem. Pri ocenjevanju razmerja signal/šum in/ali analizi oblike vrha je konfiguracija sistema prikazana na sliki 5.
Slika 4. Graf učinkovitosti mešanja glede na mešalni volumen za vrsto statičnih mešalnikov. Teoretična nečistoča sledi istemu trendu kot eksperimentalni podatki o nečistočah, kar potrjuje veljavnost simulacij CFD.
Za ta test je bil uporabljen HPLC sistem Agilent serije 1100 z UV detektorjem, ki ga je krmil računalnik s programsko opremo Chemstation. Tabela 1 prikazuje tipične pogoje nastavitve za merjenje učinkovitosti mešalnika s spremljanjem osnovnih sinusoidov v dveh študijah primerov. Eksperimentalni testi so bili izvedeni na dveh različnih primerih topil. V primeru 1 sta bili mešani dve topilni mešanici topila A (20 mM amonijev acetat v deionizirani vodi) in topilo B (80 % acetonitril (ACN)/20 % deionizirana voda). V primeru 2 je bilo topilo A raztopina 0,05 % acetona (oznaka) v deionizirani vodi. Topilo B je mešanica 80/20 % metanola in vode. V primeru 1 je bila črpalka nastavljena na pretok od 0,25 ml/min do 1,0 ml/min, v primeru 2 pa na konstanten pretok 1 ml/min. V obeh primerih je bilo razmerje mešanice topil A in B 20 % A/80 % B. Detektor je bil v primeru 1 nastavljen na 220 nm, v primeru 2 pa na valovno dolžino 265 nm.
Tabela 1. Konfiguracije HPLC za primera 1 in 2 Primer 1 Primer 2 Hitrost črpalke ​​0,25 ml/min do 1,0 ml/min 1,0 ml/min Topilo A 20 mM amonijev acetat v deionizirani vodi 0,05 % aceton v deionizirani vodi Topilo B 80 % acetonitril (ACN) / 20 % deionizirana voda 80 % metanol / 20 % deionizirana voda Razmerje topil 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Riž. 6. Diagrami mešanih sinusnih valov, izmerjenih pred in po uporabi nizkoprepustnega filtra za odstranitev komponent osnovnega drifta signala.
Slika 6 je tipičen primer mešanega osnovnega šuma v primeru 1, prikazan kot ponavljajoči se sinusoidni vzorec, ki se prekriva z osnovnim premikom. Osnovni premik je počasno povečanje ali zmanjšanje signala ozadja. Če se sistem ne uravnoteži dovolj dolgo, bo običajno padel, vendar bo neenakomerno nihal, tudi ko je sistem popolnoma stabilen. Ta osnovni premik se ponavadi poveča, ko sistem deluje v strmih gradientih ali pogojih visokega protitlaka. Ko je ta osnovni premik prisoten, je lahko težko primerjati rezultate med vzorci, kar je mogoče premagati z uporabo nizkoprepustnega filtra na surovih podatkih, da se te nizkofrekvenčne spremembe izločijo, s čimer se dobi diagram nihanja z ravno osnovno linijo. Na sliki 6 je prikazan tudi diagram osnovnega šuma mešalnika po uporabi nizkoprepustnega filtra.
Po zaključku CFD simulacij in začetnih eksperimentalnih testiranj so bili z uporabo zgoraj opisanih notranjih komponent razviti trije ločeni statični mešalniki s tremi notranjimi volumni: 30 µl, 60 µl in 90 µl. To območje zajema območje volumnov in mešalne zmogljivosti, potrebne za aplikacije HPLC z nizko vsebnostjo analita, kjer sta potrebna izboljšano mešanje in nizka disperzija za doseganje nizkih amplitudnih baznih linij. Slika 7 prikazuje osnovne meritve sinusnega vala, pridobljene na testnem sistemu iz primera 1 (acetonitril in amonijev acetat kot sledilnika) s tremi volumni statičnih mešalnikov in brez nameščenih mešalnikov. Eksperimentalni testni pogoji za rezultate, prikazane na sliki 7, so bili konstantni med vsemi 4 testi v skladu s postopkom, opisanim v tabeli 1, pri pretoku topila 0,5 ml/min. Na nabore podatkov uporabite vrednost odmika, da jih je mogoče prikazati drug ob drugem brez prekrivanja signalov. Odmik ne vpliva na amplitudo signala, ki se uporablja za presojo ravni delovanja mešalnika. Povprečna sinusna amplituda brez mešalnika je bila 0,221 mAi, medtem ko so se amplitude statičnih Mottovih mešalnikov pri 30 µl, 60 µl in 90 µl znižale na 0,077, 0,017 oziroma 0,004 mAi.
Slika 7. Odmik signala UV detektorja HPLC v odvisnosti od časa za primer 1 (acetonitril z indikatorjem amonijev acetat), ki prikazuje mešanje topila brez mešalnika, ter mešalniki Mott s prostornino 30 µl, 60 µl in 90 µl, ki kažejo izboljšano mešanje (nižja amplituda signala) z naraščanjem prostornine statičnega mešalnika. (dejanski odmiki podatkov: 0,13 (brez mešalnika), 0,32, 0,4, 0,45 mA za boljši prikaz).
Podatki, prikazani na sliki 8, so enaki kot na sliki 7, vendar tokrat vključujejo rezultate treh pogosto uporabljenih statičnih mešalnikov HPLC z notranjimi volumni 50 µl, 150 µl in 250 µl. Rice. Slika 8. Graf odmika signala UV detektorja HPLC v odvisnosti od časa za primer 1 (acetonitril in amonijev acetat kot indikatorja), ki prikazuje mešanje topila brez statičnega mešalnika, nove serije statičnih mešalnikov Mott in treh običajnih mešalnikov (dejanski odmik podatkov je 0,1 (brez mešalnika), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA za boljši učinek prikaza). Odstotno zmanjšanje osnovnega sinusnega vala se izračuna kot razmerje med amplitudo sinusnega vala in amplitudo brez nameščenega mešalnika. Izmerjeni odstotki slabljenja sinusnega vala za primera 1 in 2 so navedeni v tabeli 2, skupaj z notranjimi volumni novega statičnega mešalnika in sedmih standardnih mešalnikov, ki se pogosto uporabljajo v industriji. Podatki na slikah 8 in 9 ter izračuni, predstavljeni v tabeli 2, kažejo, da lahko Mott statični mešalnik zagotovi do 98,1 % slabljenja sinusnega vala, kar daleč presega zmogljivost običajnega HPLC mešalnika v teh preskusnih pogojih. Slika 9. Diagram odmika signala HPLC UV detektorja v odvisnosti od časa za primer 2 (metanol in aceton kot sledilnika), ki prikazuje brez statičnega mešalnika (kombinirano), novo serijo Mott statičnih mešalnikov in dva običajna mešalnika (dejanski odmiki podatkov so 0, 11 (brez mešalnika), 0,22, 0,3, 0,35 mA in za boljši prikaz). Ocenjenih je bilo tudi sedem pogosto uporabljenih mešalnikov v industriji. Mednje spadajo mešalniki s tremi različnimi notranjimi prostorninami podjetja A (označeni kot mešalnik A1, A2 in A3) in podjetja B (označeni kot mešalnik B1, B2 in B3). Podjetje C je ocenilo samo eno velikost.
Tabela 2. Značilnosti mešanja statičnega mešalnika in notranji volumen statičnega mešalnika Primer 1 Sinusoidni izkoristek: Test z acetonitrilom (učinkovitost) Primer 2 Sinusoidni izkoristek: Test z metanolom in vodo (učinkovitost) Notranji volumen (µl) Brez mešalnika – - 0 Mott 30 65 % 67,2 % 30 Mott 60 92,2 % 91,3 % 60 Mott 90 98,1 % 97,5 % 90 Mešalnik A1 66,4 % 73,7 % 50 Mešalnik A2 89,8 % 91,6 % 150 Mešalnik A3 92,2 % 94,5 % 250 Mešalnik B1 44,8 % 45,7 % 9 35 Mešalnik B2 845 % 96,2 % 370 Mešalnik C 97,2 % 97,4 % 250
Analiza rezultatov na sliki 8 in v tabeli 2 kaže, da ima 30 µl Mott statični mešalnik enako učinkovitost mešanja kot mešalnik A1, tj. 50 µl, vendar ima 30 µl Mott 30 % manjši notranji volumen. Pri primerjavi 60 µl Mott mešalnika z mešalnikom A2 z notranjim volumnom 150 µl je prišlo do rahlega izboljšanja učinkovitosti mešanja za 92 % v primerjavi z 89 %, še pomembneje pa je, da je bila ta višja raven mešanja dosežena pri 1/3 volumna mešalnika. Zmogljivost 90 µl Mott mešalnika je sledila istemu trendu kot mešalnik A3 z notranjim volumnom 250 µl. Izboljšave učinkovitosti mešanja za 98 % in 92 % so bile opažene tudi pri 3-kratnem zmanjšanju notranjega volumna. Podobni rezultati in primerjave so bili pridobljeni za mešalnika B in C. Posledično nova serija statičnih mešalnikov Mott PerfectPeak™ zagotavlja večjo učinkovitost mešanja kot primerljivi konkurenčni mešalniki, vendar z manjšo notranjo prostornino, kar zagotavlja boljši šum v ozadju in boljše razmerje signal/šum, boljšo občutljivost analita, obliko vrhov in ločljivost vrhov. Podobni trendi v učinkovitosti mešanja so bili opaženi v študijah primera 1 in primera 2. V primeru 2 so bili opravljeni testi z uporabo (metanola in acetona kot indikatorja) za primerjavo učinkovitosti mešanja 60 ml mešalnika Mott, primerljivega mešalnika A1 (notranja prostornina 50 µl) in primerljivega mešalnika B1 (notranja prostornina 35 µl). Zmogljivost je bila brez nameščenega mešalnika slaba, vendar je bil uporabljen za osnovno analizo. 60 ml mešalnik Mott se je izkazal za najboljšega mešalnika v testni skupini, saj je zagotovil 90-odstotno povečanje učinkovitosti mešanja. Primerljiv mešalnik A1 je pokazal 75-odstotno izboljšanje učinkovitosti mešanja, sledilo pa je 45-odstotno izboljšanje v primerljivem mešalniku B1. Osnovni test redukcije sinusnega vala s pretokom je bil izveden na seriji mešalnikov pod enakimi pogoji kot test sinusne krivulje v primeru 1, pri čemer se je spremenil le pretok. Podatki so pokazali, da je v območju pretokov od 0,25 do 1 ml/min začetno zmanjšanje sinusnega vala ostalo relativno konstantno za vse tri volumne mešalnikov. Pri dveh mešalnikih z manjšim volumnom se sinusna kontrakcija rahlo poveča, ko se pretok zmanjša, kar je pričakovano zaradi daljšega časa zadrževanja topila v mešalniku, kar omogoča povečano difuzijsko mešanje. Pričakuje se, da se bo odštevanje sinusnega vala povečalo z nadaljnjim zmanjšanjem pretoka. Vendar pa je pri največjem volumnu mešalnika z najvišjim slabljenjem baze sinusnega vala slabljenje baze sinusnega vala ostalo praktično nespremenjeno (znotraj območja eksperimentalne negotovosti), z vrednostmi od 95 % do 98 %. 10. Osnovno slabljenje sinusnega vala glede na pretok v primeru 1. Preskus je bil izveden pod pogoji, podobnimi sinusnemu preskusu s spremenljivim pretokom, pri čemer je bilo vbrizganih 80 % mešanice acetonitrila in vode v razmerju 80/20 ter 20 % 20 mM amonijevega acetata.
Novo razvita serija patentiranih linijskih statičnih mešalnikov PerfectPeakTM s tremi notranjimi volumni: 30 µl, 60 µl in 90 µl pokriva območje volumna in mešalne zmogljivosti, ki je potrebno za večino HPLC analiz, ki zahtevajo izboljšano mešanje in nizke disperzijske talne površine. Novi statični mešalnik to doseže z uporabo nove tehnologije 3D-tiskanja, s katero ustvari edinstveno 3D-strukturo, ki zagotavlja izboljšano hidrodinamično statično mešanje z najvišjim odstotkom zmanjšanja osnovnega šuma na enoto volumna notranje mešanice. Uporaba 1/3 notranje prostornine običajnega mešalnika zmanjša osnovni šum za 98 %. Takšni mešalniki so sestavljeni iz medsebojno povezanih tridimenzionalnih pretočnih kanalov z različnimi prečnimi prerezi in različnimi dolžinami poti, ko tekočina prečka kompleksne geometrijske ovire v notranjosti. Nova družina statičnih mešalnikov zagotavlja izboljšano zmogljivost v primerjavi s konkurenčnimi mešalniki, vendar z manjšo notranjo prostornino, kar ima za posledico boljše razmerje signal/šum in nižje meje kvantifikacije, pa tudi izboljšano obliko, učinkovitost in ločljivost vrhov za večjo občutljivost.
V tej številki Kromatografija – Okolju prijazna RP-HPLC – Uporaba kromatografije z jedrom in lupino za zamenjavo acetonitrila z izopropanolom pri analizi in čiščenju – Nov plinski kromatograf za…
Poslovni center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Združeno kraljestvo