Революційно новий вбудований статичний змішувач було розроблено спеціально для задоволення суворих вимог систем високоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ) та надвисокоефективної рідинної хроматографії (ВЕРХ та УВЕРХ). Погане змішування двох або більше рухомих фаз може призвести до вищого співвідношення сигнал/шум, що знижує чутливість. Однорідне статичне змішування двох або більше рідин з мінімальним внутрішнім об'ємом та фізичними розмірами статичного змішувача являє собою найвищий стандарт ідеального статичного змішувача. Новий статичний змішувач досягає цього за допомогою нової технології 3D-друку для створення унікальної 3D-структури, яка забезпечує покращене гідродинамічне статичне змішування з найвищим відсотком зменшення базової синусоїди на одиницю внутрішнього об'єму суміші. Використання 1/3 внутрішнього об'єму звичайного змішувача зменшує основну синусоїду на 98%. Змішувач складається з взаємопов'язаних 3D-каналів потоку з різною площею поперечного перерізу та довжиною шляху, коли рідина проходить складні 3D-геометрії. Змішування вздовж кількох звивистих шляхів потоку в поєднанні з локальною турбулентністю та вихорами призводить до змішування на мікро-, мезо- та макрорівнях. Цей унікальний змішувач розроблено з використанням обчислювального моделювання гідродинаміки (CFD). Представлені дані випробувань показують, що чудове змішування досягається при мінімальному внутрішньому об'ємі.
Вже понад 30 років рідинна хроматографія використовується в багатьох галузях промисловості, включаючи фармацевтику, пестициди, захист навколишнього середовища, криміналістику та хімічний аналіз. Здатність вимірювати з точністю до мільйонних частин або менше є критично важливою для технологічного розвитку в будь-якій галузі. Низька ефективність змішування призводить до поганого співвідношення сигнал/шум, що є проблемою для хроматографічної спільноти з точки зору меж виявлення та чутливості. Під час змішування двох розчинників для ВЕРХ іноді необхідно примусово змішувати їх зовнішніми засобами для гомогенізації двох розчинників, оскільки деякі розчинники погано змішуються. Якщо розчинники не ретельно перемішані, може відбутися погіршення хроматограми ВЕРХ, що проявляється як надмірний базовий шум та/або погана форма піку. При поганому змішуванні базовий шум з часом виглядатиме як синусоїда (зростаюча та спадаюча) сигналу детектора. Водночас погане змішування може призвести до розширення та асиметричних піків, знижуючи аналітичну продуктивність, форму піку та роздільну здатність піку. Галузь визнала, що статичні змішувачі вбудованого та Т-подібного типу є засобом покращення цих меж та дозволяє користувачам досягати нижчих меж виявлення (чутливості). Ідеальний статичний змішувач поєднує переваги високої ефективності змішування, низького мертвого об'єму та низького перепаду тиску з мінімальним об'ємом та максимальною пропускною здатністю системи. Крім того, оскільки аналіз стає складнішим, аналітикам доводиться регулярно використовувати більш полярні та важкозмішувані розчинники. Це означає, що краще змішування є обов'язковим для майбутніх випробувань, що ще більше підвищує потребу в покращеній конструкції та продуктивності змішувача.
Нещодавно компанія Mott розробила нову лінійку запатентованих статичних змішувачів PerfectPeak™ з трьома внутрішніми об'ємами: 30 мкл, 60 мкл та 90 мкл. Ці розміри охоплюють діапазон об'ємів та характеристик змішування, необхідних для більшості тестів ВЕРХ, де потрібне покращене змішування та низька дисперсія. Усі три моделі мають діаметр 0,5 дюйма та забезпечують провідну в галузі продуктивність у компактному дизайні. Вони виготовлені з нержавіючої сталі 316L, пасивованої для інертності, але також доступні титан та інші корозійностійкі та хімічно інертні металеві сплави. Ці змішувачі мають максимальний робочий тиск до 20 000 фунтів на квадратний дюйм. На рис. 1a зображено фотографію статичного змішувача Mott об'ємом 60 мкл, розробленого для забезпечення максимальної ефективності змішування при використанні меншого внутрішнього об'єму, ніж у стандартних змішувачів цього типу. У цій новій конструкції статичного змішувача використовується нова технологія адитивного виробництва для створення унікальної 3D-структури, яка використовує менший внутрішній потік, ніж будь-який змішувач, що зараз використовується в хроматографічній галузі, для досягнення статичного змішування. Такі змішувачі складаються з взаємопов'язаних тривимірних каналів потоку з різною площею поперечного перерізу та різною довжиною шляху, коли рідина перетинає складні геометричні бар'єри всередині. На рис. 1b показано схематичну діаграму нового змішувача, в якому використовуються стандартні промислові компресійні фітинги ВЕРХ з різьбою 10-32 для входу та виходу, а також затінені сині межі запатентованого внутрішнього порту змішувача. Різні площі поперечного перерізу внутрішніх шляхів потоку та зміни напрямку потоку в межах внутрішнього об'єму потоку створюють області турбулентного та ламінарного потоку, що призводить до перемішування на мікро-, мезо- та макрорівнях. У конструкції цього унікального змішувача використовувалося моделювання обчислювальної гідродинаміки (CFD) для аналізу картин потоку та вдосконалення конструкції перед створенням прототипів для власних аналітичних випробувань та оцінки замовником на місцях. Адитивне виробництво - це процес друку 3D-геометричних компонентів безпосередньо з креслень САПР без необхідності традиційної обробки (фрезерні верстати, токарні верстати тощо). Ці нові статичні змішувачі призначені для виробництва з використанням цього процесу, де корпус змішувача створюється з креслень САПР, а деталі виготовляються (друкуються) шар за шаром за допомогою адитивного виробництва. Тут наноситься шар металевого порошку товщиною близько 20 мікрон, і лазер з комп'ютерним керуванням вибірково плавить і сплавляє порошок у тверду форму. Поверх цього шару нанесіть ще один шар і зробіть лазерне спікання. Повторюйте цей процес, доки деталь не буде повністю готова. Потім порошок видаляється з нелазерної з'єднаної деталі, залишаючи 3D-друковану деталь, яка відповідає оригінальному кресленню CAD. Кінцевий продукт дещо схожий на мікрофлюїдний процес, з головною відмінністю в тому, що мікрофлюїдні компоненти зазвичай двовимірні (плоскі), тоді як за допомогою адитивного виробництва можна створювати складні схеми потоку в тривимірній геометрії. Ці змішувачі наразі доступні у вигляді 3D-друкованих деталей з нержавіючої сталі 316L та титану. Більшість металевих сплавів, полімерів та деяких керамічних виробів можна використовувати для виготовлення компонентів за допомогою цього методу, і вони будуть розглянуті в майбутніх конструкціях/продуктах.
Рис. 1. Фотографія (a) та діаграма (b) статичного змішувача Мотта об'ємом 90 мкл, що показує поперечний переріз шляху потоку рідини змішувача, затінений синім кольором.
Виконайте обчислювальне моделювання гідродинаміки (CFD) продуктивності статичного змішувача на етапі проектування, щоб допомогти розробити ефективні конструкції та зменшити трудомісткі та дорогі експерименти методом спроб і помилок. CFD-моделювання статичних змішувачів та стандартних трубопроводів (моделювання без змішувача) за допомогою програмного пакета COMSOL Multiphysics. Моделювання за допомогою ламінарної гідромеханіки, керованої тиском, для розуміння швидкості та тиску рідини всередині деталі. Ця гідродинаміка, у поєднанні з хімічним перенесенням сполук рухомої фази, допомагає зрозуміти змішування двох різних концентрованих рідин. Модель вивчається як функція часу, що дорівнює 10 секундам, для зручності розрахунків під час пошуку порівнянних рішень. Теоретичні дані були отримані в дослідженні з кореляцією в часі за допомогою інструменту проекції точкового зонда, де для збору даних була обрана точка посередині виходу. У моделі CFD та експериментальних випробуваннях використовувалися два різні розчинники через пропорційний пробовідбірний клапан та систему насосів, що призвело до заміни заглушки для кожного розчинника в пробовідбірній лінії. Потім ці розчинники змішуються в статичному змішувачі. На рисунках 2 та 3 показано моделювання потоку через стандартну трубу (без змішувача) та через статичний змішувач Мотта відповідно. Моделювання проводилося на прямій трубці довжиною 5 см та внутрішнім діаметром 0,25 мм, щоб продемонструвати концепцію чергування вливання води та чистого ацетонітрилу в трубку за відсутності статичного змішувача, як показано на рисунку 2. У моделюванні використовувалися точні розміри трубки та змішувача, а також швидкість потоку 0,3 мл/хв.
Рис. 2. Моделювання потоку CFD у 5-сантиметровій трубці з внутрішнім діаметром 0,25 мм для відображення того, що відбувається в пробірці ВЕРХ, тобто за відсутності змішувача. Повністю червоний колір позначає масову частку води. Синій колір позначає відсутність води, тобто чистий ацетонітрил. Між чергуючими пробками двох різних рідин можна побачити області дифузії.
Рис. 3. Статичний змішувач об'ємом 30 мл, змодельований у програмному пакеті COMSOL CFD. У легенді позначено масову частку води у змішувачі. Чиста вода показана червоним кольором, а чистий ацетонітрил – синім. Зміна масової частки змодельованої води представлена ​​зміною кольору змішування двох рідин.
На рис. 4 показано валідаційне дослідження моделі кореляції між ефективністю змішування та об'ємом змішування. Зі збільшенням об'єму змішування ефективність змішування зростатиме. Наскільки відомо авторам, інші складні фізичні сили, що діють всередині змішувача, не можуть бути враховані в цій моделі CFD, що призводить до вищої ефективності змішування в експериментальних випробуваннях. Експериментальна ефективність змішування вимірювалася як відсоткове зменшення базової синусоїди. Крім того, збільшення протитиску зазвичай призводить до вищих рівнів змішування, що не враховується в моделюванні.
Для вимірювання необроблених синусоїдальних хвиль з метою порівняння відносної продуктивності різних статичних змішувачів було використано наступні умови ВЕРХ та тестову установку. На діаграмі на рисунку 5 показано типове розташування системи ВЕРХ/УВЕРХ. Статичний змішувач було протестовано, розмістивши змішувач безпосередньо після насоса та перед інжектором і розділювальною колоною. Більшість фонових синусоїдальних вимірювань проводяться, минаючи інжектор і капілярну колону між статичним змішувачем і УФ-детектором. Під час оцінки співвідношення сигнал/шум та/або аналізу форми піку конфігурація системи показана на рисунку 5.
Рисунок 4. Графік залежності ефективності змішування від об'єму змішування для ряду статичних змішувачів. Теоретична домішка відповідає тій самій тенденції, що й експериментальні дані щодо домішок, що підтверджує достовірність моделювання CFD.
Для цього тесту використовувалася система ВЕРХ Agilent серії 1100 з УФ-детектором, керованим ПК з програмним забезпеченням Chemstation. У таблиці 1 наведено типові умови налаштування для вимірювання ефективності змішувача шляхом моніторингу основних синусоїд у двох тематичних дослідженнях. Експериментальні випробування проводилися на двох різних прикладах розчинників. У випадку 1 двома розчинниками, змішаними в цьому випадку, були розчинник A (20 мМ ацетат амонію в деіонізованій воді) та розчинник B (80% ацетонітрилу (ACN)/20% деіонізованої води). У випадку 2 розчинник A був розчином 0,05% ацетону (позначення) в деіонізованій воді. Розчинник B являє собою суміш 80/20% метанолу та води. У випадку 1 насос було встановлено на швидкість потоку від 0,25 мл/хв до 1,0 мл/хв, а у випадку 2 насос було встановлено на постійну швидкість потоку 1 мл/хв. В обох випадках співвідношення суміші розчинників A та B становило 20% A/80% B. Детектор був встановлений на 220 нм у випадку 1, а максимальне поглинання ацетону у випадку 2 було встановлено на довжину хвилі 265 нм.
Таблиця 1. Конфігурації ВЕРХ для випадків 1 та 2 Випадок 1 Випадок 2 Швидкість насоса ​​0,25 мл/хв до 1,0 мл/хв 1,0 мл/хв Розчинник A 20 мМ ацетат амонію в деіонізованій воді 0,05% ацетон у деіонізованій воді Розчинник B 80% ацетонітрил (ACN) / 20% деіонізована вода 80% метанол / 20% деіонізована вода Співвідношення розчинників 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 нм 265 нм
Рис. 6. Діаграми змішаних синусоїд, виміряних до та після застосування низькочастотного фільтра для видалення компонентів дрейфу базової лінії сигналу.
На рисунку 6 показано типовий приклад змішаного базового шуму у випадку 1, показаного як повторювана синусоїдальна картина, накладена на дрейф базової лінії. Дрейф базової лінії – це повільне збільшення або зменшення фонового сигналу. Якщо системі не дозволити врівноважитись достатньо довго, вона зазвичай падатиме, але дрейфуватиме хаотично, навіть коли система повністю стабільна. Цей дрейф базової лінії має тенденцію до збільшення, коли система працює в умовах крутого градієнта або високого протитиску. Коли цей дрейф базової лінії присутній, може бути важко порівнювати результати від зразка до зразка, що можна подолати, застосувавши низькочастотний фільтр до необроблених даних, щоб відфільтрувати ці низькочастотні коливання, тим самим забезпечуючи графік коливань з плоскою базовою лінією. На рис. 6 також показано графік базового шуму змішувача після застосування низькочастотного фільтра.
Після завершення CFD-моделювання та початкових експериментальних випробувань, було розроблено три окремі статичні змішувачі з використанням описаних вище внутрішніх компонентів з трьома внутрішніми об'ємами: 30 мкл, 60 мкл та 90 мкл. Цей діапазон охоплює діапазон об'ємів та продуктивності змішування, необхідних для застосувань ВЕРХ з низьким вмістом аналіту, де потрібне покращене змішування та низька дисперсія для отримання базових ліній з низькою амплітудою. На рис. 7 показано основні вимірювання синусоїди, отримані на тестовій системі з Прикладу 1 (ацетонітрил та ацетат амонію як трасери) з трьома об'ємами статичних змішувачів та без встановлених змішувачів. Експериментальні умови випробувань для результатів, показаних на Рис. 7, підтримувалися постійними протягом усіх 4 випробувань відповідно до процедури, описаної в Таблиці 1, при швидкості потоку розчинника 0,5 мл/хв. Застосуйте значення зміщення до наборів даних, щоб їх можна було відображати поруч без перекриття сигналів. Зміщення не впливає на амплітуду сигналу, що використовується для оцінки рівня продуктивності змішувача. Середня синусоїдальна амплітуда без змішувача становила 0,221 мАі, тоді як амплітуди статичних змішувачів Мотта при 30 мкл, 60 мкл та 90 мкл знизилися до 0,077, 0,017 та 0,004 мАі відповідно.
Рисунок 7. Зміщення сигналу УФ-детектора ВЕРХ у залежності від часу для випадку 1 (ацетонітрил з індикатором ацетатом амонію), що показує змішування розчинника без змішувача, змішувачі Мотта об'ємом 30 мкл, 60 мкл та 90 мкл демонструють покращене змішування (нижча амплітуда сигналу) зі збільшенням об'єму статичного змішувача. (фактичні зміщення даних: 0,13 (без змішувача), 0,32, 0,4, 0,45 мА для кращого відображення).
Дані, показані на рис. 8, такі ж, як і на рис. 7, але цього разу вони включають результати трьох поширених статичних змішувачів ВЕРХ із внутрішніми об'ємами 50 мкл, 150 мкл та 250 мкл. Рис. 8. Графік залежності зміщення сигналу УФ-детектора ВЕРХ від часу для випадку 1 (ацетонітрил та ацетат амонію як індикатори), що показує змішування розчинника без статичного змішувача, нової серії статичних змішувачів Mott та трьох звичайних змішувачів (фактичне зміщення даних становить 0,1 (без змішувача), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 мА відповідно для кращого ефекту відображення). Відсоток зменшення базової синусоїди розраховується як відношення амплітуди синусоїди до амплітуди без встановленого змішувача. Виміряні відсотки ослаблення синусоїди для випадків 1 та 2 наведено в таблиці 2 разом із внутрішніми об'ємами нового статичного змішувача та семи стандартних змішувачів, що зазвичай використовуються в промисловості. Дані на рисунках 8 та 9, а також розрахунки, представлені в таблиці 2, показують, що статичний змішувач Mott може забезпечити ослаблення синусоїди до 98,1%, що значно перевищує продуктивність звичайного ВЕРХ-змішувача за цих умов випробування. Рисунок 9. Графік залежності зміщення сигналу УФ-детектора ВЕРХ від часу для випадку 2 (метанол та ацетон як трасери), що показує відсутність статичного змішувача (комбіновано), нову серію статичних змішувачів Mott та два звичайні змішувачі (фактичні зміщення даних становлять 0, 11 (без змішувача), 0,22, 0,3, 0,35 мА та для кращого відображення). Також було оцінено сім поширених у галузі змішувачів. До них належать змішувачі з трьома різними внутрішніми об'ємами від компанії A (позначені як Змішувач A1, A2 та A3) та компанії B (позначені як Змішувач B1, B2 та B3). Компанія C оцінила лише один розмір.
Таблиця 2. Характеристики перемішування та внутрішній об'єм статичного змішувача. Випадок 1. Синусоїдальне відновлення: тест з ацетонітрилом (ефективність). Випадок 2. Синусоїдальне відновлення: тест з метанолом та водою (ефективність). Внутрішній об'єм (мкл). Без змішувача – - 0. Мотт 30 65% 67,2% 30. Мотт 60 92,2% 91,3% 60. Мотт 90 98,1% 97,5% 90. Змішувач A1 66,4% 73,7% 50. Змішувач A2 89,8% 91,6% 150. Змішувач A3 92,2% 94,5% 250. Змішувач B1 44,8% 45,7% 9. 35. Змішувач B2 845% 96,2% 370. Змішувач C 97,2% 97,4% 250.
Аналіз результатів на рисунку 8 та в таблиці 2 показує, що статичний змішувач Мотта об'ємом 30 мкл має таку ж ефективність змішування, як і змішувач А1, тобто 50 мкл, проте Мотт об'ємом 30 мкл має на 30% менший внутрішній об'єм. При порівнянні змішувача Мотта об'ємом 60 мкл зі змішувачем А2 внутрішнім об'ємом 150 мкл спостерігалося незначне покращення ефективності змішування на 92% проти 89%, але що більш важливо, цей вищий рівень змішування був досягнутий при 1/3 об'єму змішувача. Продуктивність змішувача Мотта об'ємом 90 мкл відповідала тій самій тенденції, що й змішувача А3 з внутрішнім об'ємом 250 мкл. Покращення продуктивності змішування на 98% та 92% також спостерігалося при 3-кратному зменшенні внутрішнього об'єму. Подібні результати та порівняння були отримані для змішувачів B та C. В результаті, нова серія статичних змішувачів Mott PerfectPeak™ забезпечує вищу ефективність змішування, ніж порівнянні змішувачі конкурентів, але з меншим внутрішнім об'ємом, забезпечуючи кращий фоновий шум та краще співвідношення сигнал/шум, кращу чутливість аналіту, форму піку та роздільну здатність піку. Подібні тенденції ефективності змішування спостерігалися як у дослідженнях випадку 1, так і у випадку 2. Для випадку 2 були проведені випробування з використанням (метанолу та ацетону як індикаторів) для порівняння ефективності змішування 60 мл Mott, порівнянного змішувача A1 (внутрішній об'єм 50 мкл) та порівнянного змішувача B1 (внутрішній об'єм 35 мкл). Продуктивність була низькою без встановленого змішувача, але його було використано для базового аналізу. Змішувач Mott на 60 мл виявився найкращим змішувачем у тестовій групі, забезпечивши 90% збільшення ефективності змішування. Порівнянний змішувач A1 показав 75% покращення ефективності змішування, а потім 45% покращення у порівнянному змішувачі B1. Базовий тест на зменшення синусоїдального стиснення зі швидкістю потоку був проведений на серії змішувачів за тих самих умов, що й тест синусоїдальної кривої у випадку 1, зі зміною лише швидкості потоку. Дані показали, що в діапазоні швидкостей потоку від 0,25 до 1 мл/хв початкове зменшення синусоїдального стиснення залишалося відносно постійним для всіх трьох об'ємів змішувача. Для двох змішувачів з меншим об'ємом спостерігається незначне збільшення синусоїдального стиснення зі зменшенням швидкості потоку, що очікується через збільшення часу перебування розчинника в змішувачі, що дозволяє збільшити дифузійне перемішування. Очікується, що зменшення синусоїдального стиснення збільшиться зі зменшенням потоку. Однак для найбільшого об'єму змішувача з найвищим базовим затуханням синусоїдального стиснення базове затухання синусоїдального стиснення залишилося практично незмінним (в межах діапазону експериментальної невизначеності), зі значеннями від 95% до 98%. Рис. 10. Базове затухання синусоїди в залежності від швидкості потоку у випадку 1. Випробування проводилося за умов, подібних до випробування синусоїди зі змінною швидкістю потоку, вводячи 80% суміші ацетонітрилу та води 80/20 та 20% 20 мМ ацетату амонію.
Нещодавно розроблена лінійка запатентованих статичних змішувачів PerfectPeak™ з трьома внутрішніми об'ємами: 30 мкл, 60 мкл та 90 мкл охоплює діапазон об'ємів та продуктивності змішування, необхідний для більшості аналізів ВЕРХ, що вимагають покращеного змішування та низьких рівнів дисперсії. Новий статичний змішувач досягає цього завдяки використанню нової технології 3D-друку для створення унікальної 3D-структури, яка забезпечує покращене гідродинамічне статичне змішування з найвищим відсотком зниження базового шуму на одиницю об'єму внутрішньої суміші. Використання 1/3 внутрішнього об'єму звичайного змішувача зменшує базовий шум на 98%. Такі змішувачі складаються з взаємопов'язаних тривимірних каналів потоку з різною площею поперечного перерізу та різною довжиною шляху, коли рідина перетинає складні геометричні бар'єри всередині. Нове сімейство статичних змішувачів забезпечує покращену продуктивність порівняно з конкуруючими змішувачами, але з меншим внутрішнім об'ємом, що призводить до кращого співвідношення сигнал/шум та нижчих меж кількісного визначення, а також покращеної форми піку, ефективності та роздільної здатності для вищої чутливості.
У цьому випуску Хроматографія – Екологічно чиста RP-HPLC – Використання хроматографії типу «ядро-оболонка» для заміни ацетонітрилу ізопропанолом в аналізі та очищенні – Новий газовий хроматограф для…
Бізнес-центр International Labmate Limited, Оук-Корт, Сендрідж-Парк, Портерс-Вуд, Сент-Олбанс, Гартфордшир AL3 6PH, Велика Британія