En revolutionerande ny inline statisk mixer har utvecklats speciellt utformad för att möta de stränga kraven för högpresterande vätskekromatografi (HPLC) och ultrahögpresterande vätskekromatografi (HPLC och UHPLC) system.Dålig blandning av två eller flera mobila faser kan resultera i ett högre signal-brusförhållande, vilket minskar känsligheten.Homogen statisk blandning av två eller flera vätskor med en minimal inre volym och fysiska dimensioner av en statisk mixer representerar den högsta standarden för en idealisk statisk mixer.Den nya statiska mixern uppnår detta genom att använda ny 3D-utskriftsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som ger förbättrad hydrodynamisk statisk blandning med den högsta procentuella minskningen av bas sinusvåg per enhet intern volym av blandningen.Att använda 1/3 av den interna volymen i en konventionell mixer minskar den grundläggande sinusvågen med 98 %.Blandaren består av sammankopplade 3D-flödeskanaler med varierande tvärsnittsareor och banlängder när vätskan passerar komplexa 3D-geometrier.Blandning längs flera slingrande flödesvägar, kombinerat med lokal turbulens och virvlar, resulterar i blandning på mikro-, meso- och makroskala.Denna unika mixer är designad med hjälp av CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics).Testdata som presenteras visar att utmärkt blandning uppnås med en minimal inre volym.
I mer än 30 år har vätskekromatografi använts i många industrier, inklusive läkemedel, bekämpningsmedel, miljöskydd, kriminalteknik och kemisk analys.Förmågan att mäta till delar per miljon eller mindre är avgörande för teknisk utveckling i alla branscher.Dålig blandningseffektivitet leder till dåligt signal-brusförhållande, vilket är ett irritationsmoment för kromatografisamhället när det gäller detektionsgränser och känslighet.När man blandar två HPLC-lösningsmedel är det ibland nödvändigt att tvinga fram blandning med externa medel för att homogenisera de två lösningsmedlen eftersom vissa lösningsmedel inte blandas väl.Om lösningsmedel inte blandas ordentligt kan nedbrytning av HPLC-kromatogrammet inträffa, vilket visar sig som överdrivet baslinjeljud och/eller dålig toppform.Med dålig blandning kommer baslinjebrus att visas som en sinusvåg (stigande och fallande) av detektorsignalen över tiden.Samtidigt kan dålig blandning leda till breddande och asymmetriska toppar, vilket minskar analytisk prestanda, toppform och toppupplösning.Branschen har insett att in-line och tee statiska blandare är ett sätt att förbättra dessa gränser och tillåta användare att uppnå lägre detektionsgränser (känsligheter).Den idealiska statiska blandaren kombinerar fördelarna med hög blandningseffektivitet, låg dödvolym och lågt tryckfall med minimal volym och maximal systemgenomströmning.Dessutom, när analysen blir mer komplex, måste analytiker rutinmässigt använda mer polära och svårblandade lösningsmedel.Detta innebär att bättre blandning är ett måste för framtida tester, vilket ytterligare ökar behovet av överlägsen mixerdesign och prestanda.
Mott har nyligen utvecklat en ny serie patenterade PerfectPeakTM inline statiska blandare med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl.Dessa storlekar täcker intervallet av volymer och blandningsegenskaper som behövs för de flesta HPLC-tester där förbättrad blandning och låg dispersion krävs.Alla tre modellerna är 0,5 tum i diameter och levererar branschledande prestanda i en kompakt design.De är gjorda av 316L rostfritt stål, passiverade för tröghet, men titan och andra korrosionsbeständiga och kemiskt inerta metallegeringar finns också tillgängliga.Dessa blandare har ett maximalt arbetstryck på upp till 20 000 psi.På fig.1a är ett fotografi av en 60 µl Mott statisk mixer utformad för att ge maximal blandningseffektivitet samtidigt som en mindre intern volym används än standardblandare av denna typ.Denna nya statiska mixerdesign använder ny additiv tillverkningsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som använder mindre internt flöde än någon mixer som för närvarande används inom kromatografiindustrin för att uppnå statisk blandning.Sådana blandare består av sammankopplade tredimensionella flödeskanaler med olika tvärsnittsareor och olika väglängder när vätskan passerar komplexa geometriska barriärer inuti.På fig.Figur 1b visar ett schematiskt diagram av den nya mixern, som använder industristandard 10-32 gängade HPLC kompressionskopplingar för inlopp och utlopp, och har skuggade blå kanter av den patenterade interna mixerporten.Olika tvärsnittsareor av de interna flödesvägarna och förändringar i flödesriktningen inom den interna flödesvolymen skapar regioner med turbulent och laminärt flöde, vilket orsakar blandning på mikro-, meso- och makroskalorna.Utformningen av denna unika mixer använde simuleringar av beräkningsvätskedynamik (CFD) för att analysera flödesmönster och förfina designen före prototyper för interna analytiska tester och utvärdering av kundfält.Additiv tillverkning är processen att skriva ut 3D-geometriska komponenter direkt från CAD-ritningar utan behov av traditionell bearbetning (fräsmaskiner, svarvar, etc.).Dessa nya statiska blandare är designade för att tillverkas med denna process, där blandarkroppen skapas från CAD-ritningar och delarna tillverkas (trycks) lager för lager med hjälp av additiv tillverkning.Här avsätts ett lager av metallpulver som är cirka 20 mikrometer tjockt, och en datorstyrd laser smälter selektivt och smälter samman pulvret till en fast form.Applicera ytterligare ett lager ovanpå detta lager och applicera lasersintring.Upprepa denna process tills delen är helt färdig.Pulvret tas sedan bort från den icke-laserbundna delen, vilket lämnar en 3D-utskriven del som matchar den ursprungliga CAD-ritningen.Slutprodukten är något lik den mikrofluidiska processen, med den största skillnaden är att de mikrofluidiska komponenterna vanligtvis är tvådimensionella (platta), medan man använder additiv tillverkning, kan komplexa flödesmönster skapas i tredimensionell geometri.Dessa kranar finns för närvarande som 3D-printade delar i 316L rostfritt stål och titan.De flesta metallegeringar, polymerer och vissa keramer kan användas för att tillverka komponenter med denna metod och kommer att övervägas i framtida konstruktioner/produkter.
Ris.1. Fotografi (a) och diagram (b) av en 90 μl Mott statisk bländare som visar ett tvärsnitt av blandarvätskans flödesbana skuggad i blått.
Kör CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics) av statisk mixerprestanda under designfasen för att hjälpa till att utveckla effektiva konstruktioner och minska tidskrävande och kostsamma försök-och-fel-experiment.CFD-simulering av statiska blandare och standardrör (no-mixer-simulering) med hjälp av mjukvarupaketet COMSOL Multiphysics.Modellering med hjälp av tryckdriven laminär vätskemekanik för att förstå vätskehastighet och tryck inom en del.Denna vätskedynamik, i kombination med den kemiska transporten av föreningar i mobilfas, hjälper till att förstå blandningen av två olika koncentrerade vätskor.Modellen studeras som en funktion av tiden, lika med 10 sekunder, för att underlätta beräkningen samtidigt som man söker efter jämförbara lösningar.Teoretiska data erhölls i en tidskorrelerad studie med hjälp av punktsondsprojektionsverktyget, där en punkt i mitten av utgången valdes för datainsamling.CFD-modellen och experimentella tester använde två olika lösningsmedel genom en proportionell provtagningsventil och ett pumpsystem, vilket resulterade i en ersättningsplugg för varje lösningsmedel i provtagningsledningen.Dessa lösningsmedel blandas sedan i en statisk bländare.Figurerna 2 och 3 visar flödessimuleringar genom ett standardrör (ingen blandare) respektive genom en Mott statisk blandare.Simuleringen kördes på ett rakt rör 5 cm långt och 0,25 mm ID för att demonstrera konceptet med att alternerande pluggar av vatten och ren acetonitril in i röret i frånvaro av en statisk bländare, som visas i figur 2. Simuleringen använde de exakta dimensionerna på röret och blandaren och en flödeshastighet på 0,3 ml/min.
Ris.2. Simulering av CFD-flöde i ett 5 cm rör med en innerdiameter på 0,25 mm för att representera vad som händer i ett HPLC-rör, dvs i frånvaro av en mixer.Helrött representerar massan av vatten.Blått representerar bristen på vatten, dvs ren acetonitril.Diffusionsområden kan ses mellan omväxlande pluggar av två olika vätskor.
Ris.3. Statisk mixer med en volym på 30 ml, modellerad i mjukvarupaketet COMSOL CFD.Teckenförklaringen representerar massan av vatten i blandaren.Rent vatten visas i rött och ren acetonitril i blått.Förändringen i massfraktionen av det simulerade vattnet representeras av en förändring i färgen på blandningen av två vätskor.
På fig.4 visar en valideringsstudie av korrelationsmodellen mellan blandningseffektivitet och blandningsvolym.När blandningsvolymen ökar kommer blandningseffektiviteten att öka.Såvitt författarna vet kan andra komplexa fysiska krafter som verkar inuti mixern inte redovisas i denna CFD-modell, vilket resulterar i högre blandningseffektivitet i experimentella tester.Den experimentella blandningseffektiviteten mättes som den procentuella minskningen av bassinusformen.Dessutom ger ökat mottryck vanligtvis högre blandningsnivåer, vilket inte beaktas i simuleringen.
Följande HPLC-förhållanden och testinställningar användes för att mäta rå sinusvågor för att jämföra den relativa prestandan för olika statiska blandare.Diagrammet i figur 5 visar en typisk HPLC/UHPLC-systemlayout.Den statiska blandaren testades genom att placera blandaren direkt efter pumpen och före injektorn och separationskolonnen.De flesta sinusformade bakgrundsmätningar görs förbi injektorn och kapillärkolonnen mellan den statiska blandaren och UV-detektorn.När man utvärderar signal-brusförhållandet och/eller analyserar toppformen, visas systemkonfigurationen i figur 5.
Figur 4. Ritning av blandningseffektivitet kontra blandningsvolym för en rad statiska blandare.Den teoretiska föroreningen följer samma trend som de experimentella föroreningsdata som bekräftar giltigheten av CFD-simuleringarna.
HPLC-systemet som användes för detta test var en Agilent 1100 Series HPLC med en UV-detektor styrd av en PC som kör Chemstation-mjukvara.Tabell 1 visar typiska avstämningsförhållanden för att mäta mixereffektivitet genom att övervaka grundläggande sinusoider i två fallstudier.Experimentella tester utfördes på två olika exempel på lösningsmedel.De två lösningsmedlen som blandades i fall 1 var lösningsmedel A (20 mM ammoniumacetat i avjoniserat vatten) och lösningsmedel B (80 % acetonitril (ACN)/20 % avjoniserat vatten).I fall 2 var lösningsmedel A en lösning av 0,05 % aceton (etikett) i avjoniserat vatten.Lösningsmedel B är en blandning av 80/20% metanol och vatten.I fall 1 ställdes pumpen in på en flödeshastighet av 0,25 ml/min till 1,0 ml/min, och i fall 2 ställdes pumpen in på en konstant flödeshastighet av 1 ml/min.I båda fallen var förhållandet mellan blandningen av lösningsmedel A och B 20 % A/80 % B. Detektorn ställdes till 220 nm i fall 1, och den maximala absorptionen av aceton i fall 2 ställdes till en våglängd av 265 nm.
Tabell 1. HPLC-konfigurationer för fall 1 och 2 Fall 1 Fall 2 Pumphastighet 0,25 ml/min till 1,0 ml/min 1,0 ml/min Lösningsmedel A 20 mM ammoniumacetat i avjoniserat vatten 0,05 % Aceton i avjoniserat vatten Lösningsmedel B 80 % Acetonitriliserat vatten 80 % Acetonitril 0,80 % Acetonitril 0,80 % ACN %02 vatten avjoniserat vatten Lösningsmedelsförhållande 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Ris.6. Plots av blandade sinusvågor uppmätt före och efter applicering av ett lågpassfilter för att ta bort baslinjedriftkomponenter från signalen.
Figur 6 är ett typiskt exempel på blandat baslinjebrus i fall 1, visat som ett upprepande sinusformigt mönster överlagrat på baslinjedrift.Baslinjedrift är en långsam ökning eller minskning av bakgrundssignalen.Om systemet inte tillåts utjämnas tillräckligt länge kommer det vanligtvis att falla, men kommer att driva oregelbundet även när systemet är helt stabilt.Denna baslinjedrift tenderar att öka när systemet arbetar i brant lutning eller högt mottryck.När denna baslinjedrift är närvarande kan det vara svårt att jämföra resultat från prov till prov, vilket kan övervinnas genom att applicera ett lågpassfilter på rådata för att filtrera bort dessa lågfrekventa variationer, och därigenom tillhandahålla en oscillationsplot med en platt baslinje.På fig.Figur 6 visar också en kurva över mixerns baslinjebrus efter applicering av ett lågpassfilter.
Efter att ha slutfört CFD-simuleringarna och initiala experimentella tester utvecklades tre separata statiska blandare med användning av de interna komponenterna som beskrivs ovan med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl.Detta intervall täcker intervallet av volymer och blandningsprestanda som krävs för HPLC-tillämpningar med låg analyt där förbättrad blandning och låg dispersion krävs för att producera baslinjer med låg amplitud.På fig.7 visar grundläggande sinusvågsmätningar erhållna på testsystemet i exempel 1 (acetonitril och ammoniumacetat som spårämnen) med tre volymer statiska bländare och inga bländare installerade.Experimentella testbetingelser för resultaten som visas i figur 7 hölls konstanta under alla fyra testerna enligt proceduren som beskrivs i Tabell 1 vid en lösningsmedelsflödeshastighet av 0,5 ml/min.Tillämpa ett offsetvärde på datamängderna så att de kan visas sida vid sida utan signalöverlappning.Offset påverkar inte amplituden på signalen som används för att bedöma mixerns prestandanivå.Den genomsnittliga sinusformade amplituden utan mixern var 0,221 mAi, medan amplituderna för de statiska Mott-blandarna vid 30 µl, 60 µl och 90 µl sjönk till 0,077, 0,017 respektive 0,004 mAi.
Figur 7. HPLC UV-detektorsignalförskjutning vs. tid för fall 1 (acetonitril med ammoniumacetatindikator) som visar lösningsmedelsblandning utan blandare, 30 µl, 60 µl och 90 µl Mott-blandare som visar förbättrad blandning (lägre signalamplitud ökar den statiska blandningsvolymen).(faktiska dataförskjutningar: 0,13 (ingen mixer), 0,32, 0,4, 0,45mA för bättre visning).
Data som visas i fig.8 är desamma som i Fig. 7, men den här gången inkluderar de resultaten från tre vanliga HPLC statiska bländare med inre volymer på 50 µl, 150 µl och 250 µl.Ris.Figur 8. HPLC UV-detektorsignalförskjutning mot tidsdiagram för fall 1 (acetonitril och ammoniumacetat som indikatorer) som visar blandningen av lösningsmedel utan statisk bländare, den nya serien av Mott statiska bländare och tre konventionella bländare (faktisk dataförskjutning är 0,1 (utan bländare), 0,48,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0 A respektive för bättre visningseffekt).Den procentuella reduktionen av basens sinusvåg beräknas av förhållandet mellan sinusvågens amplitud och amplituden utan att mixern är installerad.De uppmätta sinusvågsdämpningsprocenten för fall 1 och 2 listas i tabell 2, tillsammans med de interna volymerna för en ny statisk blandare och sju standardblandare som vanligtvis används inom industrin.Data i figurerna 8 och 9, såväl som beräkningarna som presenteras i tabell 2, visar att Mott Static Mixer kan ge upp till 98,1 % sinusvågsdämpning, vilket vida överstiger prestandan hos en konventionell HPLC-blandare under dessa testförhållanden.Figur 9. HPLC UV-detektors signaloffset kontra tidsdiagram för fall 2 (metanol och aceton som spårämnen) som inte visar någon statisk mixer (kombinerad), en ny serie av Mott statiska blandare och två konventionella mixers (faktiska dataförskjutningar är 0, 11 (utan mixer. ), 0,22, 0,33,A för bättre display).Sju vanliga blandare i branschen utvärderades också.Dessa inkluderar blandare med tre olika interna volymer från företag A (betecknad Mixer A1, A2 och A3) och företag B (betecknat Mixer B1, B2 och B3).Företag C betygsatte bara en storlek.
Tabell 2. Egenskaper för omrörning av statisk mixer och intern volym Statisk mixerfall 1 Sinusformad återhämtning: Acetonitriltest (effektivitet) Fall 2 Sinusformad återvinning: Metanol Vattentest (effektivitet) Intern volym (µl) Ingen mixer – - 0 Mott 30 62% 61,20 % 397 62 % 397 % 39,2 % 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mixer A1 66,4% 73,7% 50 Mixer A2 89,8% 91,6% 150 Mixer A3 92,2% 94,5% 250 Mixer B1 44,8% B 44,8% 9305. er C 97,2% 97,4% 250
Analys av resultaten i figur 8 och tabell 2 visar att den statiska 30 µl Mott-blandaren har samma blandningseffektivitet som Al-blandaren, dvs 50 µl, men 30 µl Mott har 30 % mindre intern volym.När man jämförde 60 µl Mott-blandaren med 150 µl A2-blandaren med inre volym, var det en liten förbättring av blandningseffektiviteten på 92 % jämfört med 89 %, men ännu viktigare, denna högre nivå av blandning uppnåddes vid 1/3 av blandarvolymen.liknande blandare A2.Prestandan för 90 µl Mott-blandaren följde samma trend som A3-blandaren med en intern volym på 250 µl.Förbättringar i blandningsprestanda på 98 % och 92 % observerades också med en 3-faldig minskning av inre volym.Liknande resultat och jämförelser erhölls för blandare B och C. Som ett resultat ger den nya serien av statiska blandare Mott PerfectPeakTM högre blandningseffektivitet än jämförbara konkurrerande blandare, men med mindre intern volym, vilket ger bättre bakgrundsljud och ett bättre signal-brusförhållande, bättre känslighet Analyt, toppform och toppupplösning.Liknande trender i blandningseffektivitet observerades i både fall 1 och fall 2 studier.För fall 2 utfördes tester med användning av (metanol och aceton som indikatorer) för att jämföra blandningseffektivitet på 60 ml Mott, en jämförbar bländare A1 (intern volym 50 µl) och en jämförbar bländare B1 (intern volym 35 µl)., prestanda var dålig utan en mixer installerad, men den användes för baslinjeanalys.Mott-blandaren på 60 ml visade sig vara den bästa blandaren i testgruppen, och gav en 90% ökning av blandningseffektiviteten.En jämförbar mixer A1 såg en 75 % förbättring i blandningseffektivitet följt av en 45 % förbättring i en jämförbar B1 mixer.Ett grundläggande sinusvågsreduktionstest med flödeshastighet utfördes på en serie blandare under samma förhållanden som sinuskurvtestet i fall 1, med endast flödeshastigheten ändrad.Data visade att inom området för flödeshastigheter från 0,25 till 1 ml/min förblev den initiala minskningen av sinusvågen relativt konstant för alla tre blandarvolymerna.För de två mindre volymblandarna finns det en liten ökning av sinusformad kontraktion när flödeshastigheten minskar, vilket förväntas på grund av den ökade uppehållstiden för lösningsmedlet i blandaren, vilket möjliggör ökad diffusionsblandning.Subtraktionen av sinusvågen förväntas öka när flödet minskar ytterligare.Men för den största mixervolymen med den högsta sinusvågsbasdämpningen förblev sinusvågsbasdämpningen praktiskt taget oförändrad (inom intervallet för experimentell osäkerhet), med värden från 95 % till 98 %.Ris.10. Grundläggande dämpning av en sinusvåg mot flödeshastighet i fall 1. Testet utfördes under förhållanden liknande sinustestet med variabel flödeshastighet, injicering av 80% av en 80/20-blandning av acetonitril och vatten och 20% av 20 mM ammoniumacetat.
Det nyutvecklade sortimentet av patenterade PerfectPeakTM inline statiska blandare med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl täcker volymen och blandningsprestandaintervallet som krävs för de flesta HPLC-analyser som kräver förbättrad blandning och låg dispersionsgolv.Den nya statiska mixern uppnår detta genom att använda ny 3D-utskriftsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som ger förbättrad hydrodynamisk statisk blandning med den högsta procentuella minskningen av basljud per volymenhet intern blandning.Genom att använda 1/3 av den interna volymen i en konventionell mixer reduceras basljudet med 98 %.Sådana blandare består av sammankopplade tredimensionella flödeskanaler med olika tvärsnittsareor och olika väglängder när vätskan passerar komplexa geometriska barriärer inuti.Den nya familjen av statiska blandare ger förbättrad prestanda jämfört med konkurrerande blandare, men med mindre intern volym, vilket resulterar i bättre signal-brusförhållande och lägre kvantifieringsgränser, samt förbättrad toppform, effektivitet och upplösning för högre känslighet.
I detta nummer Kromatografi – Miljövänlig RP-HPLC – Användning av kärn-skal-kromatografi för att ersätta acetonitril med isopropanol vid analys och rening – Ny gaskromatograf för...
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Storbritannien