Un mélangeur statique en ligne révolutionnaire a été spécialement conçu pour répondre aux exigences strictes des systèmes de chromatographie liquide haute performance (HPLC) et ultra haute performance (UHPLC). Un mélange insuffisant de deux phases mobiles ou plus peut entraîner un rapport signal/bruit élevé, réduisant ainsi la sensibilité. Un mélange statique homogène de deux fluides ou plus, avec un volume interne et des dimensions physiques minimales, représente le summum de la performance pour un mélangeur statique idéal. Ce nouveau mélangeur statique atteint cet objectif grâce à une technologie d'impression 3D innovante permettant de créer une structure 3D unique. Cette structure assure un mélange statique hydrodynamique amélioré, avec une réduction maximale de la sinusoïde de base par unité de volume interne du mélange. L'utilisation d'un volume interne trois fois inférieur à celui d'un mélangeur conventionnel permet de réduire la sinusoïde de base de 98 %. Le mélangeur est constitué de canaux d'écoulement 3D interconnectés, présentant des sections et des longueurs de parcours variables, permettant au fluide de traverser des géométries 3D complexes. Le mélange, combiné à de multiples trajectoires sinueuses et à la turbulence et aux tourbillons locaux, s'effectue aux échelles micro, méso et macro. Ce mélangeur unique a été conçu à l'aide de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD). Les données expérimentales présentées démontrent qu'un excellent mélange est obtenu avec un volume interne minimal.
Depuis plus de 30 ans, la chromatographie liquide est utilisée dans de nombreux secteurs, notamment pharmaceutique, phytosanitaire, environnemental, médico-légal et chimique. La capacité de mesurer des concentrations inférieures ou égales à la partie par million est essentielle au développement technologique de tout secteur. Un mélange insuffisant entraîne un faible rapport signal/bruit, ce qui constitue un inconvénient majeur pour la communauté chromatographique en termes de limites de détection et de sensibilité. Lors du mélange de deux solvants HPLC, il est parfois nécessaire de forcer le mélange par des moyens externes afin de les homogénéiser, car certains solvants sont peu miscibles. Si les solvants ne sont pas parfaitement mélangés, le chromatogramme HPLC peut se dégrader, se manifestant par un bruit de fond excessif et/ou une mauvaise forme des pics. En cas de mauvais mélange, le bruit de fond apparaît comme une sinusoïde (montée et descente) du signal du détecteur au fil du temps. Parallèlement, un mauvais mélange peut entraîner un élargissement et une asymétrie des pics, réduisant ainsi les performances analytiques, la forme et la résolution des pics. L'industrie a reconnu que les mélangeurs statiques en ligne et en T permettent d'améliorer ces limites et d'atteindre des seuils de détection (sensibilité) plus bas. Le mélangeur statique idéal combine les avantages d'une efficacité de mélange élevée, d'un faible volume mort et d'une faible perte de charge, tout en minimisant le volume et en maximisant le débit du système. De plus, la complexité croissante des analyses oblige les analystes à utiliser régulièrement des solvants plus polaires et difficiles à mélanger. Un meilleur mélange est donc indispensable pour les analyses futures, ce qui renforce la nécessité de concevoir des mélangeurs plus performants.
Mott a récemment mis au point une nouvelle gamme de mélangeurs statiques en ligne brevetés PerfectPeak™ disponibles en trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl. Ces volumes couvrent la gamme de volumes et de caractéristiques de mélange nécessaires à la plupart des analyses HPLC exigeant un mélange optimal et une faible dispersion. D'un diamètre de 12,7 mm (0,5 pouce), les trois modèles offrent des performances de pointe dans un format compact. Fabriqués en acier inoxydable 316L passivé pour une inertie chimique optimale, ils sont également disponibles en titane et autres alliages métalliques résistants à la corrosion et chimiquement inertes. Ces mélangeurs supportent une pression de service maximale de 1 408 bar (20 000 psi). La figure 1a présente une photographie d'un mélangeur statique Mott de 60 µl, conçu pour une efficacité de mélange maximale avec un volume interne inférieur à celui des mélangeurs standards de ce type. Ce nouveau mélangeur statique utilise une technologie de fabrication additive innovante pour créer une structure 3D unique, générant un débit interne inférieur à celui de tous les mélangeurs actuellement utilisés dans l'industrie de la chromatographie pour obtenir un mélange statique. Ces mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés, présentant des sections et des longueurs de parcours différentes, le liquide traversant des obstacles géométriques complexes à l'intérieur. La figure 1b illustre le schéma de ce nouveau mélangeur, qui utilise des raccords à compression HPLC filetés 10-32 standard pour l'entrée et la sortie, et dont les contours bleus délimitent l'orifice de mélange interne breveté. Les différentes sections des canaux d'écoulement internes et les changements de direction du flux au sein du volume interne créent des zones d'écoulement turbulent et laminaire, induisant un mélange aux échelles micro, méso et macro. La conception de ce mélangeur unique a fait appel à des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) pour analyser les profils d'écoulement et optimiser la conception avant la réalisation de prototypes destinés aux tests analytiques internes et à l'évaluation sur le terrain par le client. La fabrication additive est un procédé d'impression de composants géométriques 3D directement à partir de dessins CAO, sans recourir à l'usinage traditionnel (fraiseuses, tours, etc.). Ces nouveaux mélangeurs statiques sont conçus pour être fabriqués selon ce procédé. Le corps du mélangeur est créé à partir de dessins CAO, puis les pièces sont fabriquées (imprimées) couche par couche par fabrication additive. Une couche de poudre métallique d'environ 20 microns d'épaisseur est déposée, puis un laser piloté par ordinateur la fait fondre et la fusionne sélectivement pour obtenir une forme solide. Une seconde couche est ensuite appliquée, suivie d'un frittage laser. Ce processus est répété jusqu'à l'obtention de la pièce finale. La poudre est alors retirée de la partie non frittée au laser, laissant une pièce imprimée en 3D conforme au dessin CAO original. Le produit final est comparable au procédé microfluidique, la principale différence étant que les composants microfluidiques sont généralement bidimensionnels (plats), tandis que la fabrication additive permet de créer des flux complexes en trois dimensions. Ces robinets sont actuellement disponibles sous forme de pièces imprimées en 3D en acier inoxydable 316L et en titane. La plupart des alliages métalliques, des polymères et certaines céramiques peuvent être utilisés pour fabriquer des composants par cette méthode et seront envisagés pour les conceptions et produits futurs.
Riz. 1. Photographie (a) et diagramme (b) d'un mélangeur statique Mott de 90 μl montrant une section transversale du chemin d'écoulement du fluide du mélangeur ombré en bleu.
Des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) des performances d'un mélangeur statique sont réalisées dès la phase de conception afin d'optimiser les conceptions et de réduire les essais empiriques, longs et coûteux. La simulation CFD de mélangeurs statiques et de tuyauteries standard (simulation sans mélangeur) est effectuée à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics. La modélisation, basée sur la mécanique des fluides laminaires sous pression, permet de comprendre la vitesse et la pression du fluide au sein d'une pièce. Cette dynamique des fluides, combinée au transport chimique des composés de la phase mobile, contribue à la compréhension du mélange de deux liquides de concentrations différentes. Le modèle est étudié en fonction du temps, par intervalles de 10 secondes, afin de simplifier les calculs lors de la recherche de solutions comparables. Les données théoriques ont été obtenues par une étude temporelle corrélée, à l'aide de l'outil de projection de sonde ponctuelle, un point situé au milieu de la sortie ayant été sélectionné pour la collecte des données. Le modèle CFD et les essais expérimentaux utilisent deux solvants différents, injectés par un système de vanne d'échantillonnage proportionnelle et de pompage, nécessitant un bouchon de remplacement pour chaque solvant dans la ligne d'échantillonnage. Ces solvants sont ensuite mélangés dans un mélangeur statique. Les figures 2 et 3 présentent des simulations d'écoulement dans un tube standard (sans mélangeur) et dans un mélangeur statique Mott, respectivement. La simulation a été réalisée sur un tube droit de 5 cm de long et de 0,25 mm de diamètre intérieur afin de démontrer le principe de l'injection alternée de bouchons d'eau et d'acétonitrile pur dans le tube en l'absence de mélangeur statique, comme illustré sur la figure 2. La simulation a utilisé les dimensions exactes du tube et du mélangeur, ainsi qu'un débit de 0,3 ml/min.
2. Simulation CFD d'un écoulement dans un tube de 5 cm de long et de 0,25 mm de diamètre intérieur, simulant un tube HPLC (absence de mélangeur). La zone rouge représente la fraction massique d'eau, tandis que la zone bleue représente l'absence d'eau (acétonitrile pur). Des zones de diffusion sont visibles entre les bouchons alternés des deux liquides.
Riz. 3. Mélangeur statique d'un volume de 30 ml, modélisé à l'aide du logiciel de CFD COMSOL. La légende indique la fraction massique d'eau dans le mélangeur. L'eau pure est représentée en rouge et l'acétonitrile pur en bleu. La variation de la fraction massique d'eau simulée est représentée par un changement de couleur du mélange des deux liquides.
La figure 4 présente une étude de validation du modèle de corrélation entre l'efficacité et le volume de mélange. L'efficacité du mélange augmente avec le volume. À la connaissance des auteurs, ce modèle CFD ne prend pas en compte d'autres forces physiques complexes agissant à l'intérieur du mélangeur, ce qui explique l'efficacité de mélange plus élevée observée lors des essais expérimentaux. L'efficacité de mélange expérimentale a été mesurée comme la réduction en pourcentage de la sinusoïde de base. Par ailleurs, une contre-pression accrue induit généralement des niveaux de mélange plus élevés, effets non pris en compte dans la simulation.
Les conditions HPLC et la configuration de test suivantes ont été utilisées pour mesurer les signaux sinusoïdaux bruts et comparer les performances relatives de différents mélangeurs statiques. Le schéma de la figure 5 illustre l'agencement typique d'un système HPLC/UHPLC. Le mélangeur statique a été testé en le plaçant directement après la pompe et avant l'injecteur et la colonne de séparation. La plupart des mesures de bruit de fond sinusoïdal sont effectuées en court-circuitant l'injecteur et la colonne capillaire entre le mélangeur statique et le détecteur UV. La configuration du système utilisée pour l'évaluation du rapport signal/bruit et/ou l'analyse de la forme des pics est présentée figure 5.
Figure 4. Graphique de l'efficacité de mélange en fonction du volume de mélange pour différents mélangeurs statiques. L'impureté théorique suit la même tendance que les données expérimentales, confirmant ainsi la validité des simulations CFD.
Le système HPLC utilisé pour ce test était un système Agilent série 1100 équipé d'un détecteur UV et piloté par un PC exécutant le logiciel Chemstation. Le tableau 1 présente les conditions de réglage typiques pour la mesure de l'efficacité du mélangeur par le suivi de sinusoïdes de base dans deux études de cas. Les tests expérimentaux ont été réalisés avec deux solvants différents. Dans le cas 1, les deux solvants mélangés étaient le solvant A (acétate d'ammonium 20 mM dans de l'eau désionisée) et le solvant B (80 % d'acétonitrile (ACN) / 20 % d'eau désionisée). Dans le cas 2, le solvant A était une solution d'acétone à 0,05 % (indiquée par l'étiquette) dans de l'eau désionisée. Le solvant B est un mélange de méthanol (80 %) et d'eau (20 %). Dans le cas 1, le débit de la pompe était réglé entre 0,25 ml/min et 1,0 ml/min, et dans le cas 2, il était maintenu constant à 1 ml/min. Dans les deux cas, le rapport du mélange de solvants A et B était de 20 % A/80 % B. Le détecteur a été réglé sur 220 nm dans le cas 1, et l'absorption maximale de l'acétone dans le cas 2 a été fixée à une longueur d'onde de 265 nm.
Tableau 1. Configurations HPLC pour les cas 1 et 2 Cas 1 Cas 2 Vitesse de la pompe 0,25 ml/min à 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvant A Acétate d'ammonium 20 mM dans de l'eau désionisée Acétone 0,05 % dans de l'eau désionisée Solvant B Acétonitrile (ACN) 80 % / eau désionisée Méthanol 80 % / eau désionisée Rapport de solvants 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Détecteur 220 nm 265 nm
Rice. 6. Graphiques d'ondes sinusoïdales mixtes mesurées avant et après l'application d'un filtre passe-bas pour supprimer les composantes de dérive de la ligne de base du signal.
La figure 6 illustre un exemple typique de bruit de fond mixte dans le cas 1, sous la forme d'un motif sinusoïdal répétitif superposé à une dérive de la ligne de base. Cette dérive correspond à une lente augmentation ou diminution du signal de fond. Si le système n'a pas le temps de s'équilibrer suffisamment longtemps, le signal de fond finit généralement par diminuer, mais il dérive de manière erratique même lorsque le système est parfaitement stable. Cette dérive a tendance à s'accentuer lorsque le système fonctionne dans des conditions de gradient élevé ou de forte contre-pression. En présence de cette dérive, la comparaison des résultats d'un échantillon à l'autre peut s'avérer difficile. Pour y remédier, il est possible d'appliquer un filtre passe-bas aux données brutes afin d'éliminer ces variations basse fréquence et d'obtenir ainsi un graphique d'oscillations avec une ligne de base plate. La figure 6 présente également un graphique du bruit de fond du mélangeur après application d'un filtre passe-bas.
Après avoir réalisé les simulations CFD et les essais expérimentaux initiaux, trois mélangeurs statiques distincts ont été développés à partir des composants internes décrits précédemment, avec trois volumes internes différents : 30 µl, 60 µl et 90 µl. Cette gamme couvre les volumes et les performances de mélange requis pour les applications HPLC à faible concentration d’analyte, où un mélange optimisé et une faible dispersion sont nécessaires pour obtenir des lignes de base de faible amplitude. La figure 7 présente les mesures de signaux sinusoïdaux obtenus sur le système de test de l’exemple 1 (acétonitrile et acétate d’ammonium comme traceurs) avec les trois volumes de mélangeurs statiques et sans mélangeur. Les conditions expérimentales ayant permis d’obtenir les résultats présentés sur la figure 7 ont été maintenues constantes pour les quatre tests, conformément à la procédure décrite dans le tableau 1, à un débit de solvant de 0,5 ml/min. Un décalage a été appliqué aux ensembles de données afin de permettre leur affichage côte à côte sans chevauchement des signaux. Ce décalage n’affecte pas l’amplitude du signal utilisé pour évaluer les performances du mélangeur. L'amplitude sinusoïdale moyenne sans mélangeur était de 0,221 mAi, tandis que les amplitudes des mélangeurs Mott statiques à 30 µl, 60 µl et 90 µl sont tombées respectivement à 0,077, 0,017 et 0,004 mAi.
Figure 7. Décalage du signal du détecteur UV HPLC en fonction du temps pour le cas 1 (acétonitrile avec indicateur d'acétate d'ammonium) montrant le mélange du solvant sans agitateur, et avec des agitateurs Mott de 30 µl, 60 µl et 90 µl. Le mélange est amélioré (amplitude du signal plus faible) lorsque le volume de l'agitateur statique augmente. (Décalages des données réelles : 0,13 mA (sans agitateur), 0,32 mA, 0,4 mA et 0,45 mA pour une meilleure visualisation).
Les données présentées dans la figure 8 sont identiques à celles de la figure 7, mais incluent cette fois les résultats obtenus avec trois mélangeurs statiques HPLC couramment utilisés, de volumes internes respectifs de 50 µl, 150 µl et 250 µl. Figure 8. Courbe de l'écart du signal du détecteur UV HPLC en fonction du temps pour le cas 1 (acétonitrile et acétate d'ammonium comme indicateurs), illustrant le mélange du solvant sans mélangeur statique, avec la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott et avec trois mélangeurs conventionnels (les valeurs d'écart réelles sont respectivement de 0,1 mA (sans mélangeur), 0,32 mA, 0,48 mA, 0,6 mA, 0,7 mA, 0,8 mA et 0,9 mA pour une meilleure lisibilité). La réduction en pourcentage de l'amplitude de la sinusoïde de base est calculée par le rapport de cette amplitude à celle obtenue sans mélangeur. Les pourcentages d'atténuation de l'onde sinusoïdale mesurés pour les cas 1 et 2 sont indiqués dans le tableau 2, ainsi que les volumes internes d'un nouveau mélangeur statique et de sept mélangeurs standard couramment utilisés dans l'industrie. Les données des figures 8 et 9, ainsi que les calculs présentés dans le tableau 2, montrent que le mélangeur statique Mott peut fournir une atténuation de l'onde sinusoïdale allant jusqu'à 98,1 %, surpassant largement les performances d'un mélangeur HPLC conventionnel dans ces conditions de test. Figure 9. Courbe de décalage du signal du détecteur UV HPLC en fonction du temps pour le cas 2 (méthanol et acétone comme traceurs) montrant l'absence de mélangeur statique (combiné), une nouvelle série de mélangeurs statiques Mott et deux mélangeurs conventionnels (les décalages réels sont de 0, 11 (sans mélangeur), 0,22, 0,3, 0,35 mA et pour une meilleure lisibilité). Sept mélangeurs couramment utilisés dans l'industrie ont également été évalués. Ces mélangeurs présentent trois volumes internes différents, provenant respectivement des sociétés A (désignées mélangeur A1, A2 et A3) et B (désignées mélangeur B1, B2 et B3). La société C ne propose qu'une seule taille.
Tableau 2. Caractéristiques d'agitation et volume interne des mélangeurs statiques. Cas 1 : Récupération sinusoïdale (Efficacité) – Test à l'acétonitrile. Cas 2 : Récupération sinusoïdale (Efficacité) – Test au méthanol et à l'eau. Volume interne (µl) – Sans mélangeur – – 0 – Mott 30 65 % 67,2 % – 30 – Mott 60 92,2 % 91,3 % – 60 – Mott 90 98,1 % 97,5 % – 90 – Mélangeur A1 66,4 % 73,7 % – 50 – Mélangeur A2 89,8 % 91,6 % – 150 – Mélangeur A3 92,2 % 94,5 % – 250 – Mélangeur B1 44,8 % 45,7 % – 9 – 35 – Mélangeur B2 84,5 % 96,2 % – 370 – Mélangeur C 97,2 % 97,4 % – 250
L'analyse des résultats présentés dans la figure 8 et le tableau 2 montre que le mélangeur statique Mott de 30 µl offre la même efficacité de mélange que le mélangeur A1 (50 µl), tout en présentant un volume interne inférieur de 30 %. La comparaison du mélangeur Mott de 60 µl avec le mélangeur A2 (volume interne de 150 µl) révèle une légère amélioration de l'efficacité de mélange (92 % contre 89 %). Plus important encore, ce niveau de mélange supérieur est atteint avec un volume trois fois inférieur à celui du mélangeur A2. Les performances du mélangeur Mott de 90 µl suivent la même tendance que celles du mélangeur A3 (volume interne de 250 µl). Des améliorations de l'efficacité de mélange de 98 % et 92 % ont également été observées, avec un volume interne trois fois plus petit. Des résultats et des comparaisons similaires ont été obtenus pour les mélangeurs B et C. Ainsi, la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott PerfectPeak™ offre une efficacité de mélange supérieure à celle des mélangeurs concurrents comparables, tout en nécessitant un volume interne réduit. Il en résulte une meilleure réduction du bruit de fond, un meilleur rapport signal/bruit, une sensibilité accrue à l'analyte, une forme de pic et une résolution de pic améliorées. Des tendances similaires en matière d'efficacité de mélange ont été observées dans les études de cas 1 et 2. Dans le cas 2, des tests ont été réalisés (avec du méthanol et de l'acétone comme indicateurs) afin de comparer l'efficacité de mélange d'un mélangeur Mott de 60 ml, d'un mélangeur comparable A1 (volume interne de 50 µl) et d'un mélangeur comparable B1 (volume interne de 35 µl). Sans mélangeur, les performances étaient médiocres, mais le système a été utilisé pour l'analyse de référence. Le mélangeur Mott de 60 ml s'est avéré être le plus performant du groupe testé, avec une augmentation de 90 % de l'efficacité de mélange. Le mélangeur comparable A1 a affiché une amélioration de 75 %, tandis que le mélangeur comparable B1 a enregistré une amélioration de 45 %. Un test de réduction de la sinusoïde en fonction du débit a été réalisé sur une série de mélangeurs dans les mêmes conditions que le test de courbe sinusoïdale du cas 1, seul le débit variant. Les données ont montré que, pour des débits compris entre 0,25 et 1 ml/min, la diminution initiale de la sinusoïde restait relativement constante pour les trois volumes de mélangeur. Pour les deux mélangeurs de plus petit volume, on observe une légère augmentation de la contraction sinusoïdale lorsque le débit diminue, ce qui est attendu compte tenu de l'augmentation du temps de séjour du solvant dans le mélangeur, favorisant ainsi le mélange par diffusion. La soustraction de la sinusoïde devrait augmenter lorsque le débit diminue encore. Cependant, pour le mélangeur de plus grand volume présentant la plus forte atténuation de la base de la sinusoïde, cette dernière est restée pratiquement inchangée (dans la limite de l'incertitude expérimentale), avec des valeurs comprises entre 95 % et 98 %. 10. Atténuation de base d'une onde sinusoïdale en fonction du débit dans le cas 1. Le test a été réalisé dans des conditions similaires au test sinusoïdal avec un débit variable, en injectant 80 % d'un mélange 80/20 d'acétonitrile et d'eau et 20 % d'acétate d'ammonium 20 mM.
La nouvelle gamme de mélangeurs statiques en ligne brevetés PerfectPeak™ (30 µl, 60 µl et 90 µl) couvre les besoins en volume et en performances de mélange de la plupart des analyses HPLC exigeant un mélange optimisé et une faible dispersion. Ce nouveau mélangeur statique utilise une technologie d'impression 3D innovante pour créer une structure 3D unique, assurant un mélange statique hydrodynamique amélioré et une réduction maximale du bruit de fond par unité de volume. Son volume interne, trois fois inférieur à celui d'un mélangeur conventionnel, permet de réduire le bruit de fond de 98 %. Ces mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés, présentant des sections et des longueurs de parcours différentes, le liquide traversant des obstacles géométriques complexes. Cette nouvelle gamme de mélangeurs statiques offre des performances supérieures aux mélangeurs concurrents, tout en réduisant le volume interne. Il en résulte un meilleur rapport signal/bruit, des limites de quantification plus basses, une forme de pic améliorée, une efficacité et une résolution accrues pour une sensibilité optimale.
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