Revolucionarni nov linijski statični mešalnik je bil razvit posebej za izpolnjevanje strogih zahtev sistemov tekočinske kromatografije visoke ločljivosti (HPLC) in tekočinske kromatografije ultra visoke ločljivosti (HPLC in UHPLC).Slabo mešanje dveh ali več mobilnih faz lahko povzroči višje razmerje med signalom in šumom, kar zmanjša občutljivost.Homogeno statično mešanje dveh ali več tekočin z minimalnim notranjim volumnom 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 med seboj povezanih 3D pretočnih kanalov z različnimi površinami preseka in dolžinami poti, ko tekočina prečka kompleksne 3D geometrije.Mešanje vzdolž več vijugastih poti toka v kombinaciji z lokalnimi turbulencami 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 je odlično mešanje doseženo z minimalno notranjo prostornino.
Že več kot 30 let se tekočinska kromatografija uporablja v številnih panogah, vključno s farmacijo, pesticidi, varstvom okolja, forenziko in kemijsko analizo.Sposobnost merjenja do delcev na milijon ali manj je ključnega pomena za tehnološki razvoj v kateri koli industriji.Slaba učinkovitost mešanja povzroči slabo razmerje med signalom in šumom, kar moti kromatografsko skupnost v smislu meja zaznavanja in občutljivosti.Pri mešanju dveh topil HPLC je včasih treba prisiliti mešanje z zunanjimi sredstvi za homogenizacijo obeh topil, ker se nekatera topila ne mešajo dobro.Če topila niso temeljito premešana, lahko pride do degradacije kromatograma HPLC, kar se kaže kot čezmeren osnovni šum in/ali slaba oblika vrha.Pri slabem mešanju se bo osnovni šum pojavil kot sinusni val (naraščajoči in padajoči) signala detektorja skozi čas.Hkrati lahko slabo mešanje povzroči razširitev in asimetrične vrhove, kar zmanjša analitično zmogljivost, obliko vrha in ločljivost vrha.Industrija je priznala, da so linijski in tee statični mešalniki sredstvo za izboljšanje teh meja in omogočanje uporabnikom, da dosežejo nižje meje zaznavanja (občutljivosti).Idealen statični mešalnik združuje prednosti visoke učinkovitosti mešanja, majhne mrtve prostornine in nizkega padca tlaka z minimalno prostornino in največjim pretokom sistema.Poleg tega morajo analitiki, ko postane analiza bolj zapletena, rutinsko uporabljati bolj polarna topila, ki jih je težko mešati.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 inline statičnih mešalnikov PerfectPeakTM s tremi notranjimi volumni: 30 µl, 60 µl in 90 µl.Te velikosti pokrivajo razpon volumnov in značilnosti mešanja, potrebne za večino testov HPLC, kjer sta potrebna izboljšano mešanje in nizka disperzija.Vsi trije modeli imajo premer 0,5″ in zagotavljajo vodilno zmogljivost v industriji v kompaktni zasnovi.Izdelani so iz nerjavečega jekla 316L, pasiviranega za inertnost, na voljo pa so tudi titan in druge korozijsko odporne in kemično inertne kovinske zlitine.Ti mešalniki imajo največji delovni tlak do 20.000 psi.Na sl.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 izdelave za ustvarjanje edinstvene 3D strukture, ki uporablja manj notranjega pretoka kot kateri koli mešalnik, ki se trenutno uporablja v kromatografski industriji za doseganje statičnega mešanja.Takšni mešalniki so sestavljeni iz medsebojno povezanih tridimenzionalnih pretočnih kanalov z različnimi površinami prečnega prereza in različnimi dolžinami poti, ko tekočina prečka kompleksne geometrijske ovire v notranjosti.Na sl.Slika 1b prikazuje shematski diagram novega mešalnika, ki uporablja industrijske standardne 10-32 kompresijske priključke za HPLC z navojem za vstop in izstop in ima zasenčene modre obrobe patentiranega notranjega priključka mešalnika.Različne površine prečnega prereza notranjih pretočnih poti in spremembe smeri toka v notranjem volumnu pretoka ustvarjajo področja turbulentnega in laminarnega toka, kar povzroča mešanje na mikro, mezo in makro lestvici.Zasnova tega edinstvenega mešalnika je uporabila simulacije računalniške dinamike tekočin (CFD) za analizo vzorcev pretoka in izboljšanje zasnove pred izdelavo prototipov za interno analitično testiranje in oceno na terenu pri strankah.Aditivna proizvodnja je postopek tiskanja 3D geometrijskih komponent neposredno iz risb CAD brez potrebe po tradicionalni strojni obdelavi (rezkalni stroji, stružnice itd.).Ti novi statični mešalniki so zasnovani za proizvodnjo po tem postopku, kjer je telo mešalnika ustvarjeno iz risb CAD, deli pa so izdelani (natisnjeni) plast za plastjo z uporabo aditivnega izdelave.Tu se nanese približno 20 mikronov debela plast kovinskega prahu, računalniško voden laser pa prašek selektivno stali in stopi v trdno obliko.Na vrh te plasti nanesite še en sloj in uporabite lasersko sintranje.Ta postopek ponavljajte, dokler del ni popolnoma dokončan.Prah se nato odstrani z nelasersko vezanega dela, pri čemer ostane 3D natisnjen del, ki se ujema z originalno risbo CAD.Končni izdelek je nekoliko podoben mikrofluidnemu procesu, glavna razlika pa je v tem, da so mikrofluidne komponente običajno dvodimenzionalne (ploske), 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.Večino kovinskih zlitin, polimerov in nekaj keramike je mogoče uporabiti za izdelavo komponent s to metodo in bodo upoštevani pri prihodnjih načrtih/izdelkih.
riž.1. Fotografija (a) in diagram (b) 90 μl statičnega mešalnika Mott, ki prikazuje prečni prerez poti pretoka mešalne tekočine, osenčen z modro.
Zaženite simulacije računalniške dinamike tekočin (CFD) delovanja statičnega mešalnika med fazo načrtovanja, da pomagate pri razvoju učinkovitih načrtov in zmanjšate zamudne in drage poskuse in napake.CFD simulacija statičnih mešalnikov in standardnih cevovodov (simulacija brez mešalnikov) z uporabo programskega paketa COMSOL Multiphysics.Modeliranje z uporabo mehanike laminarne tekočine, ki jo poganja tlak, za razumevanje hitrosti in tlaka tekočine v delu.Ta dinamika tekočin v kombinaciji s kemičnim transportom spojin mobilne faze pomaga razumeti mešanje dveh različnih koncentriranih tekočin.Model preučujemo v odvisnosti od časa, enakega 10 sekundam, zaradi lažjega izračuna pri iskanju primerljivih rešitev.Teoretični podatki so bili pridobljeni v časovno korelirani študiji z orodjem za projekcijo točke sonde, kjer je bila za zbiranje podatkov izbrana točka na sredini izhoda.Model CFD in eksperimentalni testi so uporabili dve različni topili prek proporcionalnega ventila za vzorčenje in črpalnega sistema, kar je povzročilo nadomestni čep za vsako topilo v liniji za vzorčenje.Ta topila se nato zmešajo v statičnem mešalniku.Sliki 2 in 3 prikazujeta simulacije toka 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 prikazali koncept izmeničnih vložkov vode in čistega acetonitrila v cev brez statičnega mešalnika, kot je prikazano na sliki 2. Simulacija je uporabila natančne dimenzije cevi in ​​mešalnika ter hitrost pretoka 0,3 ml/min.
riž.2. Simulacija CFD toka v 5 cm epruveti z notranjim premerom 0,25 mm, ki predstavlja dogajanje v HPLC epruveti, tj. v odsotnosti mešalnika.Polna rdeča barva predstavlja masni delež vode.Modra barva predstavlja pomanjkanje vode, torej čistega acetonitrila.Med izmeničnima čepoma dveh različnih tekočin lahko opazimo območja difuzije.
riž.3. Statični mešalnik volumna 30 ml, modeliran v programskem paketu COMSOL CFD.Legenda predstavlja masni delež vode v mešalniku.Čista voda je prikazana v rdeči barvi, čisti acetonitril pa v modri barvi.Sprememba masnega deleža simulirane vode je predstavljena s spremembo barve mešanice dveh tekočin.
Na sl.Slika 4 prikazuje validacijsko študijo korelacijskega modela med učinkovitostjo mešanja in prostornino mešanja.Ko se volumen mešanja poveča, se poveča učinkovitost mešanja.Kolikor je avtorjem znano, drugih kompleksnih fizičnih sil, ki delujejo znotraj mešalnika, ni mogoče upoštevati v tem modelu CFD, kar ima za posledico večjo učinkovitost mešanja v eksperimentalnih testih.Eksperimentalna učinkovitost mešanja je bila izmerjena kot odstotek zmanjšanja osnovnega sinusoida.Poleg tega povečan protitlak običajno povzroči višje nivoje mešanja, ki se v simulaciji ne upoštevajo.
Za merjenje neobdelanih 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 postavljen neposredno za črpalko in pred injektorjem in ločevalno kolono.Večina sinusnih meritev ozadja se izvede mimo injektorja in kapilarne kolone med statičnim mešalnikom in UV detektorjem.Pri ocenjevanju razmerja med signalom in šumom in/ali analizi oblike vrha je konfiguracija sistema prikazana na sliki 5.
Slika 4. Graf učinkovitosti mešanja glede na prostornino mešanja za vrsto statičnih mešalnikov.Teoretične nečistoče sledijo istemu trendu kot eksperimentalni podatki o nečistotah, ki potrjujejo veljavnost simulacij CFD.
Sistem HPLC, uporabljen za ta test, je bil HPLC serije Agilent 1100 z UV detektorjem, ki ga nadzira osebni računalnik s programsko opremo Chemstation.Tabela 1 prikazuje tipične nastavitvene pogoje za merjenje učinkovitosti mešalnika s spremljanjem osnovnih sinusoidov v dveh študijah primera.Eksperimentalna testiranja so bila izvedena na dveh različnih primerih topil.Dve topili, pomešani v primeru 1, sta bili topilo A (20 mM amonijevega acetata 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 zmes 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 je bila črpalka nastavljena 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, največja absorpcija acetona v primeru 2 pa je bila nastavljena 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 amonijevega acetata v deionizirani vodi 0,05 % Aceton v deionizirani vodi Topilo B 80 % Acetonitril (ACN) / 20 % deionizirana voda 80 % metanol / 20 % deionizirane vode Razmerje topila 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
riž.6. Grafi mešanih sinusnih valov, izmerjenih pred in po uporabi nizkopasovnega filtra za odstranitev komponent odmika osnovne črte signala.
Slika 6 je tipičen primer mešanega hrupa osnovne črte v primeru 1, ki je prikazan kot ponavljajoči se sinusoidni vzorec, ki je prekrit z odmikom osnovne črte.Premik osnovne črte je počasno povečanje ali zmanjšanje signala v ozadju.Če se sistemu dovolj dolgo ne dovoli, da se uravnoteži, bo običajno padel, vendar se bo neenakomerno premikal, tudi ko je sistem popolnoma stabilen.Ta premik osnovne črte se ponavadi poveča, ko sistem deluje v strmem gradientu ali pogojih visokega protitlaka.Ko je prisoten ta odmik osnovne črte, je lahko težko primerjati rezultate od vzorca do vzorca, kar je mogoče premagati z uporabo nizkopasovnega filtra za neobdelane podatke, da se izločijo te nizkofrekvenčne variacije, s čimer se zagotovi graf nihanja z ravno osnovno črto.Na sl.Slika 6 prikazuje tudi graf osnovnega šuma mešalnika po uporabi nizkopasovnega filtra.
Po zaključku simulacij CFD in začetnega eksperimentalnega testiranja so bili nato razviti trije ločeni statični mešalniki z uporabo zgoraj opisanih notranjih komponent s tremi notranjimi volumni: 30 µl, 60 µl in 90 µl.Ta razpon pokriva razpon volumnov in zmogljivosti mešanja, potrebne za aplikacije HPLC z nizko vsebnostjo analitov, kjer sta potrebna izboljšano mešanje in nizka disperzija za izdelavo osnovnih linij nizke amplitude.Na sl.7 prikazuje osnovne meritve sinusnega valovanja, dobljene na testnem sistemu Primera 1 (acetonitril in amonijev acetat kot sledilnika) s tremi volumni statičnih mešalnikov in brez nameščenih mešalnikov.Eksperimentalni preskusni pogoji za rezultate, prikazane na sliki 7, so ostali konstantni med vsemi 4 preskusi v skladu s postopkom, opisanim v tabeli 1, pri hitrosti pretoka topila 0,5 ml/min.Uporabite vrednost odmika za nabore podatkov, da jih je mogoče prikazati drug ob drugem brez prekrivanja signala.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 amplitude statičnih Mottovih mešalnikov pri 30 µl, 60 µl in 90 µl padle na 0,077, 0,017 oziroma 0,004 mAi.
Slika 7. Odmik signala HPLC UV detektorja v primerjavi s časom za primer 1 (acetonitril z indikatorjem amonijevega acetata), ki prikazuje mešanje topila brez mešalnika, 30 µl, 60 µl in 90 µl Mott mešalniki, ki kažejo izboljšano mešanje (nižja amplituda signala), ko se prostornina statičnega mešalnika poveča.(dejanski odmiki podatkov: 0,13 (brez mešalnika), 0,32, 0,4, 0,45 mA za boljši prikaz).
Podatki, prikazani na sl.8 so enaki kot na sliki 7, vendar tokrat vključujejo rezultate treh običajno uporabljenih statičnih mešalnikov HPLC z notranjimi volumni 50 µl, 150 µl in 250 µl.riž.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).Odstotek zmanjšanja osnovnega sinusnega vala se izračuna z razmerjem 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 prostorninami novega statičnega mešalnika in sedmih standardnih mešalnikov, ki se običajno uporabljajo v industriji.Podatki na slikah 8 in 9 ter izračuni, predstavljeni v tabeli 2, kažejo, da lahko statični mešalnik Mott zagotovi do 98,1 % dušenja sinusnega valovanja, kar močno presega zmogljivost običajnega mešalnika HPLC pod temi testnimi pogoji.Slika 9. Zamik signala HPLC UV detektorja v odvisnosti od časa za primer 2 (metanol in aceton kot sledilnika), ki prikazuje brez statičnega mešalnika (kombinirano), novo serijo statičnih mešalnikov Mott in dva običajna mešalnika (dejanski zamiki 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.Sem spadajo mešalniki s tremi različnimi notranjimi prostorninami podjetja A (označeni mešalnik A1, A2 in A3) in podjetja B (označeni mešalnik B1, B2 in B3).Podjetje C je ocenilo samo eno velikost.
Tabela 2. Značilnosti mešanja statičnega mešalnika in notranja prostornina Statični mešalnik Primer 1 Sinusno okrevanje: Acetonitrilni test (učinkovitost) Primer 2 Sinusno obnavljanje: Test metanola z vodo (učinkovitost) Notranja prostornina (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 tabeli 2 kaže, da ima 30 µl statični mešalnik Mott enako učinkovitost mešanja kot mešalnik A1, tj. 50 µl, vendar ima 30 µl Mott 30 % manjšo notranjo prostornino.Pri primerjavi 60 µl mešalnika Mott z mešalnikom 150 µl notranje prostornine A2 je prišlo do rahlega izboljšanja učinkovitosti mešanja za 92 % v primerjavi z 89 %, kar je še pomembneje, ta višja raven mešanja je bila dosežena pri 1/3 prostornine mešalnika.podoben mešalnik A2.Delovanje 90 µl mešalnika Mott je sledilo istemu trendu kot mešalnik A3 z notranjo prostornino 250 µl.Opazili so tudi izboljšave pri mešanju za 98 % in 92 % s 3-kratnim zmanjšanjem notranje prostornine.Podobni rezultati in primerjave so bili pridobljeni za mešalnika B in C. Kot rezultat, nova serija statičnih mešalnikov Mott PerfectPeakTM zagotavlja višjo učinkovitost mešanja kot primerljivi konkurenčni mešalniki, vendar z manjšo notranjo prostornino, ki zagotavlja boljši šum v ozadju in boljše razmerje med signalom in šumom, boljšo občutljivost analita, obliko vrha in ločljivost vrha.Podobne trende v učinkovitosti mešanja so opazili v študijah primera 1 in 2.Za primer 2 so bili testi izvedeni z uporabo (metanol in aceton kot indikatorja) za primerjavo učinkovitosti mešanja 60 ml Mott, primerljivega mešalnika A1 (notranja prostornina 50 µl) in primerljivega mešalnika B1 (notranja prostornina 35 µl)., je bilo delovanje brez nameščenega mešalnika slabo, vendar je bil uporabljen za osnovno analizo.60 ml mešalnik Mott se je izkazal kot najboljši mešalnik v testni skupini, saj je zagotovil 90-odstotno povečanje učinkovitosti mešanja.Primerljiv mešalnik A1 je zabeležil 75-odstotno izboljšanje učinkovitosti mešanja, ki mu je sledilo 45-odstotno izboljšanje v primerljivem mešalniku B1.Osnovni preskus zmanjšanja sinusnega vala s stopnjo pretoka je bil izveden na seriji mešalnikov pod enakimi pogoji kot preskus sinusne krivulje v primeru 1, pri čemer se je spremenila samo stopnja pretoka.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 mešalnika.Pri dveh mešalnikih z manjšim volumnom se sinusno krčenje rahlo poveča, ko se pretok zmanjša, kar je pričakovano zaradi podaljšanega časa zadrževanja topila v mešalniku, kar omogoča povečano difuzijsko mešanje.Pričakuje se, da se bo odštevanje sinusnega vala povečalo, ko se pretok še zmanjša.Vendar pa je za največjo prostornino mešalnika z največjim osnovnim slabljenjem sinusnega vala ostalo slabljenje osnovnega sinusnega vala skoraj nespremenjeno (znotraj območja eksperimentalne negotovosti), z vrednostmi v razponu od 95 % do 98 %.riž.10. Osnovno slabljenje sinusnega vala v primerjavi s hitrostjo pretoka v primeru 1. Preskus je bil izveden pod pogoji, podobnimi sinusnemu testu s spremenljivo hitrostjo pretoka, z vbrizgavanjem 80 % mešanice 80/20 acetonitrila in vode ter 20 % 20 mM amonijevega acetata.
Na novo razvita paleta patentiranih inline statičnih mešalnikov PerfectPeakTM s tremi notranjimi volumni: 30 µl, 60 µl in 90 µl pokriva obseg volumna in zmogljivosti mešanja, ki sta potrebna za večino analiz HPLC, ki zahtevajo izboljšano mešanje in nizka disperzijska tla.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 šuma na enoto prostornine notranje mešanice.Uporaba 1/3 notranje prostornine običajnega mešalnika zmanjša osnovni hrup za 98 %.Takšni mešalniki so sestavljeni iz medsebojno povezanih tridimenzionalnih pretočnih kanalov z različnimi površinami prečnega prereza 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 med signalom in šumom in nižje kvantitativne meje, kot tudi izboljšano obliko vrhov, učinkovitost in ločljivost za večjo občutljivost.
V tej številki Kromatografija – Okolju prijazna RP-HPLC – Uporaba kromatografije jedra in lupine za zamenjavo acetonitrila z izopropanolom pri analizi in čiščenju – Nov plinski kromatograf za…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Združeno kraljestvo