Un nouveau mélangeur statique en ligne révolutionnaire a été développé spécifiquement pour répondre aux exigences strictes des systèmes de chromatographie liquide haute performance (HPLC) et de chromatographie liquide ultra haute performance (HPLC et UHPLC). Un mauvais mélange de deux phases mobiles ou plus peut entraîner un rapport signal/bruit élevé, ce qui réduit la sensibilité. Le mélange statique homogène de deux fluides ou plus, avec un volume interne et des dimensions physiques minimaux, représente le standard le plus élevé pour un mélangeur statique idéal. Ce nouveau mélangeur statique y parvient grâce à une nouvelle technologie d'impression 3D qui crée une structure 3D unique offrant un mélange statique hydrodynamique amélioré avec le pourcentage le plus élevé de réduction de l'onde sinusoïdale de base par unité de volume interne du mélange. L'utilisation d'un tiers du volume interne d'un mélangeur conventionnel réduit l'onde sinusoïdale de base de 98 %. Le mélangeur est constitué de canaux d'écoulement 3D interconnectés, dont les sections transversales et les longueurs de trajet varient selon les géométries 3D complexes du fluide. Le mélange le long de multiples trajectoires d'écoulement tortueuses, combiné à des turbulences et des tourbillons locaux, produit un mélange aux échelles micro, méso et macro. Ce mélangeur unique est conçu à l'aide de simulations de dynamique des fluides numérique (CFD). Les données d'essai présentées montrent 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 l'industrie pharmaceutique, les pesticides, la protection de l'environnement, la criminalistique et l'analyse chimique. La capacité à mesurer à l'échelle des parties par million (ppm) ou moins est essentielle au développement technologique de toute industrie. Un mélange inefficace entraîne un mauvais rapport signal/bruit, ce qui constitue un obstacle 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 pour homogénéiser les deux solvants, car certains solvants ne se mélangent pas bien. Un mélange incomplet peut entraîner une dégradation du chromatogramme HPLC, se traduisant par un bruit de base excessif et/ou une mauvaise forme de pic. En cas de mélange inadéquat, le bruit de base se présentera sous la forme d'une onde sinusoïdale (montante et descendante) du signal du détecteur au fil du temps. Parallèlement, un mélange inadéquat 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'abaisser les seuils de détection (sensibilités). Le mélangeur statique idéal combine les avantages d'une grande efficacité de mélange, d'un faible volume mort et d'une faible perte de charge avec un volume minimal et un débit système maximal. De plus, à mesure que les analyses deviennent plus complexes, les analystes doivent régulièrement utiliser des solvants plus polaires et difficiles à mélanger. Un meilleur mélange est donc indispensable pour les futurs tests, ce qui accroît encore la nécessité d'une conception et de performances supérieures des mélangeurs.
Mott a récemment développé une nouvelle gamme de mélangeurs statiques en ligne brevetés PerfectPeakTM, disponibles en trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl. Ces tailles couvrent la plage de volumes et de caractéristiques de mélange nécessaires à la plupart des tests HPLC, exigeant un mélange amélioré et une faible dispersion. Les trois modèles, d'un diamètre de 12,7 mm, offrent des performances de pointe dans un format compact. Fabriqués en acier inoxydable 316L, passivé pour une meilleure inertie, ils sont également disponibles en titane et autres alliages métalliques résistants à la corrosion et chimiquement inertes. Ces mélangeurs ont une pression de fonctionnement maximale de 20 000 psi. La figure 1a illustre un mélangeur statique Mott de 60 µl, conçu pour offrir une efficacité de mélange maximale tout en utilisant un volume interne plus petit que les mélangeurs standard de ce type. Ce nouveau mélangeur statique utilise une nouvelle technologie de fabrication additive pour créer une structure 3D unique qui utilise un flux interne inférieur à celui des mélangeurs actuellement utilisés dans l'industrie de la chromatographie pour réaliser un mélange statique. Ces mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés, présentant des sections transversales et des longueurs de trajet variables, le liquide traversant des barrières géométriques complexes à l'intérieur. La figure 1b présente un schéma du nouveau mélangeur, qui utilise des raccords à compression HPLC filetés 10-32 standard pour l'entrée et la sortie, et dont l'orifice interne breveté est bordé de bleu. Les différentes sections transversales des trajets d'écoulement internes et les changements de direction d'écoulement au sein du volume d'écoulement interne créent des zones d'écoulement turbulent et laminaire, provoquant 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 schémas d'écoulement et affiner la conception avant le prototypage en vue de tests analytiques en interne et d'évaluations sur le terrain par les clients. La fabrication additive consiste à imprimer des composants géométriques 3D directement à partir de plans 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 plans CAO et 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 contrôlé par ordinateur la fond et la fusionne sélectivement pour obtenir une forme solide. Une autre couche est ensuite appliquée par-dessus, puis le frittage laser est appliqué. Répétez ce processus jusqu'à ce que la pièce soit entièrement terminée. La poudre est ensuite retirée de la pièce non liée par laser, laissant une pièce imprimée en 3D conforme au plan CAO d'origine. Le produit final est similaire au procédé microfluidique, à la principale différence que les composants microfluidiques sont généralement bidimensionnels (plats), tandis que la fabrication additive permet de créer des schémas d'écoulement complexes en géométrie tridimensionnelle. 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 selon cette méthode et seront pris en compte dans les conceptions et produits futurs.
Riz. 1. Photographie (a) et schéma (b) d'un mélangeur statique Mott de 90 μl montrant une coupe transversale du trajet d'écoulement du fluide du mélangeur ombré en bleu.
Exécutez des simulations de dynamique des fluides numérique (CFD) des performances des mélangeurs statiques pendant la phase de conception afin de développer des conceptions efficaces et de réduire les essais-erreurs longs et coûteux. Simulation CFD de mélangeurs statiques et de tuyauteries standard (simulation sans mélangeur) à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics. Modélisation par la mécanique des fluides laminaires pilotée par pression pour comprendre la vitesse et la pression du fluide dans une pièce. Cette dynamique des fluides, combinée au transport chimique des composés de la phase mobile, permet de comprendre le mélange de deux liquides concentrés différents. Le modèle est étudié en fonction du temps, égal à 10 secondes, pour faciliter les calculs lors de la recherche de solutions comparables. Les données théoriques ont été obtenues lors d'une étude corrélée dans le temps à l'aide de l'outil de projection par sonde ponctuelle, où un point au milieu de la sortie a été choisi pour la collecte des données. Le modèle CFD et les tests expérimentaux ont utilisé deux solvants différents via une vanne d'échantillonnage proportionnelle et un système de pompage, ce qui a nécessité un bouchon de remplacement pour chaque solvant de la ligne d'échantillonnage. Ces solvants sont ensuite mélangés dans un mélangeur statique. Les figures 2 et 3 présentent des simulations d'écoulement respectivement à travers un tuyau standard (sans mélangeur) et à travers un mélangeur statique Mott. 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 concept d'alternance de bouchons d'eau et d'acétonitrile pur dans le tube en l'absence de mélangeur statique, comme illustré à la figure 2. La simulation a utilisé les dimensions exactes du tube et du mélangeur, ainsi qu'un débit de 0,3 ml/min.
Riz. 2. Simulation de l'écoulement CFD dans un tube de 5 cm de diamètre interne de 0,25 mm pour représenter ce qui se passe dans un tube HPLC, c'est-à-dire en l'absence de mélangeur. Le rouge complet représente la fraction massique d'eau. Le bleu représente l'absence d'eau, c'est-à-dire l'acétonitrile pur. Des zones de diffusion sont visibles entre les bouchons alternés de deux liquides différents.
Riz. 3. Mélangeur statique d'un volume de 30 ml, modélisé avec le logiciel COMSOL CFD. La légende représente 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 de l'eau simulée est représentée par un changement de couleur lors du mélange de deux liquides.
La figure 4 présente une étude de validation du modèle de corrélation entre l'efficacité et le volume de mélange. L'augmentation du volume de mélange entraîne une augmentation de l'efficacité. À la connaissance des auteurs, d'autres forces physiques complexes agissant à l'intérieur du mélangeur ne peuvent être prises en compte dans ce modèle CFD, ce qui entraîne une efficacité de mélange supérieure lors des essais expérimentaux. L'efficacité de mélange expérimentale a été mesurée comme le pourcentage de réduction de la sinusoïde de base. De plus, une augmentation de la contre-pression entraîne généralement des niveaux de mélange plus élevés, qui ne sont pas pris en compte dans la simulation.
Les conditions HPLC et la configuration d'essai suivantes ont été utilisées pour mesurer les ondes sinusoïdales brutes afin de comparer les performances relatives de différents mélangeurs statiques. Le schéma de la figure 5 illustre une configuration 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 contournant l'injecteur et la colonne capillaire, entre le mélangeur statique et le détecteur UV. Lors de l'évaluation du rapport signal/bruit et/ou de l'analyse de la forme des pics, la configuration du système est illustrée à la figure 5.
Figure 4. Graphique de l'efficacité de mélange en fonction du volume de mélange pour une gamme de mélangeurs statiques. L'impureté théorique suit la même tendance que les données expérimentales, confirmant la validité des simulations CFD.
Le système HPLC utilisé pour ce test était un HPLC Agilent série 1100 équipé d'un détecteur UV contrôlé par un PC exécutant le logiciel Chemstation. Le tableau 1 présente les conditions de réglage typiques pour mesurer l'efficacité du mélangeur en surveillant les sinusoïdes de base dans deux études de cas. Des tests expérimentaux ont été réalisés sur deux exemples différents de solvants. Les deux solvants mélangés dans le cas 1 étaient le solvant A (20 mM d'acétate d'ammonium dans de l'eau déionisée) et le solvant B (80 % d'acétonitrile (ACN)/20 % d'eau déionisée). Dans le cas 2, le solvant A était une solution de 0,05 % d'acétone (marqueur) dans de l'eau déionisée. Le solvant B est un mélange de 80/20 % de méthanol et d'eau. Dans le cas 1, la pompe était réglée à un débit de 0,25 ml/min à 1,0 ml/min, et dans le cas 2, à un débit constant de 1 ml/min. Dans les deux cas, le rapport du mélange de solvants A et B était de 20 % A/80 % B. Le détecteur était réglé à 220 nm dans le cas 1, et l'absorption maximale de l'acétone dans le cas 2 était réglée 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 20 mM d'acétate d'ammonium dans de l'eau déionisée 0,05 % d'acétone dans de l'eau déionisée Solvant B 80 % d'acétonitrile (ACN) / 20 % d'eau déionisée 80 % de méthanol / 20 % d'eau déionisée Rapport de solvant 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Détecteur 220 nm 265 nm
Riz. 6. Tracés d'ondes sinusoïdales mixtes mesurées avant et après l'application d'un filtre passe-bas pour supprimer les composantes de dérive de base du signal.
La figure 6 est un exemple typique de bruit de base mixte dans le cas 1, représenté par un motif sinusoïdal répétitif superposé à une dérive de base. La dérive de base est une lente augmentation ou diminution du signal de fond. Si le système n'est pas laissé s'équilibrer suffisamment longtemps, il diminue généralement, mais dérive de manière erratique même lorsque le système est complètement stable. Cette dérive de base a tendance à augmenter lorsque le système fonctionne dans des conditions de gradient élevé ou de forte contre-pression. Lorsque cette dérive de base est présente, il peut être difficile de comparer les résultats d'un échantillon à l'autre. Ceci peut être résolu en appliquant un filtre passe-bas aux données brutes pour filtrer ces variations basse fréquence, ce qui fournit un tracé d'oscillation avec une ligne de base plate. La figure 6 montre également un tracé du bruit de base du mélangeur après application d'un filtre passe-bas.
Après avoir réalisé les simulations CFD et les premiers essais expérimentaux, trois mélangeurs statiques distincts ont été développés à l'aide des composants internes décrits ci-dessus, avec trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl. Cette plage couvre les volumes et les performances de mélange requis pour les applications HPLC à faible concentration d'analytes, où un mélange amélioré et une faible dispersion sont nécessaires pour produire des lignes de base de faible amplitude. La figure 7 présente des mesures d'onde sinusoïdale de base obtenues sur le système d'essai de l'exemple 1 (acétonitrile et acétate d'ammonium comme traceurs) avec trois volumes de mélangeurs statiques et aucun mélangeur installé. Les conditions expérimentales pour les résultats présentés à la figure 7 ont été maintenues constantes tout au long des quatre essais, conformément à la procédure décrite dans le tableau 1, à un débit de solvant de 0,5 ml/min. Appliquez une valeur de décalage aux ensembles de données afin qu'ils puissent être affichés côte à côte sans chevauchement des signaux. Le décalage n'affecte pas l'amplitude du signal utilisé pour évaluer les performances du mélangeur. L'amplitude sinusoïdale moyenne sans le mélangeur était de 0,221 mAi, tandis que les amplitudes des mélangeurs statiques Mott à 30 µl, 60 µl et 90 µl tombaient 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 de solvants sans mélangeur, les mélangeurs Mott de 30 µl, 60 µl et 90 µl montrant un mélange amélioré (amplitude du signal plus faible) à mesure que le volume du mélangeur statique augmente. (décalages de données réels : 0,13 (sans mélangeur), 0,32, 0,4, 0,45 mA pour un meilleur affichage).
Français Les données présentées dans la fig. 8 sont les mêmes que dans la fig. 7, mais cette fois, elles incluent les résultats de trois mélangeurs statiques HPLC couramment utilisés avec des volumes internes de 50 µl, 150 µl et 250 µl. Riz. Figure 8. Graphique du décalage du signal du détecteur UV HPLC en fonction du temps pour le cas 1 (acétonitrile et acétate d'ammonium comme indicateurs) montrant le mélange du solvant sans mélangeur statique, la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott et trois mélangeurs conventionnels (le décalage des données réel est de 0,1 (sans mélangeur), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respectivement pour un meilleur effet d'affichage). Le pourcentage de réduction de l'onde sinusoïdale de base est calculé par le rapport de l'amplitude de l'onde sinusoïdale à l'amplitude sans le mélangeur installé. Français Les pourcentages d'atténuation de l'onde sinusoïdale mesurés pour les cas 1 et 2 sont répertoriés 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 jusqu'à 98,1 % d'atténuation de l'onde sinusoïdale, dépassant de loin les performances d'un mélangeur HPLC conventionnel dans ces conditions de test. Figure 9. Graphique du 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 de données réels sont de 0, 11 (sans mélangeur), 0,22, 0,3, 0,35 mA et pour un meilleur affichage). Sept mélangeurs couramment utilisés dans l'industrie ont également été évalués. Il s'agit de mélangeurs à trois volumes internes différents de la société A (désignés mélangeurs A1, A2 et A3) et de la société B (désignés mélangeurs B1, B2 et B3). La société C n'a évalué qu'une seule taille.
Tableau 2. Caractéristiques d'agitation et volume interne du mélangeur statique Mélangeur statique Cas 1 Récupération sinusoïdale : Test à l'acétonitrile (efficacité) Cas 2 Récupération sinusoïdale : Test à l'eau méthanolique (efficacité) 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 845 % 96,2 % 370 Mélangeur C 97,2 % 97,4 % 250
Français L'analyse des résultats de la Figure 8 et du Tableau 2 montre que le mélangeur statique Mott de 30 µl a la même efficacité de mélange que le mélangeur A1, c'est-à-dire 50 µl, cependant, le Mott de 30 µl a un volume interne inférieur de 30 %. En comparant le mélangeur Mott de 60 µl avec le mélangeur A2 de volume interne de 150 µl, il y a eu une légère amélioration de l'efficacité de mélange de 92 % contre 89 %, mais plus important encore, ce niveau de mélange plus élevé a été atteint à 1/3 du volume du mélangeur. mélangeur A2 similaire. Les performances du mélangeur Mott de 90 µl ont suivi la même tendance que le mélangeur A3 avec un volume interne de 250 µl. Des améliorations des performances de mélange de 98 % et 92 % ont également été observées avec une réduction de 3 fois du volume interne. Français Des résultats et des comparaisons similaires ont été obtenus pour les mélangeurs B et C. Par conséquent, la nouvelle série de mélangeurs statiques Mott PerfectPeakTM offre une efficacité de mélange supérieure à celle des mélangeurs concurrents comparables, mais avec un volume interne inférieur, offrant un meilleur bruit de fond et un meilleur rapport signal/bruit, une meilleure sensibilité à l'analyte, une meilleure forme de pic et une meilleure résolution de pic. Des tendances similaires en matière d'efficacité de mélange ont été observées dans les études de cas 1 et 2. Pour le cas 2, des tests ont été effectués en utilisant (le méthanol et l'acétone comme indicateurs) pour comparer l'efficacité de mélange de 60 ml de Mott, d'un mélangeur comparable A1 (volume interne de 50 µl) et d'un mélangeur comparable B1 (volume interne de 35 µl). , les performances étaient médiocres sans mélangeur installé, mais il a été utilisé pour l'analyse de base. Le mélangeur Mott de 60 ml s'est avéré être le meilleur mélangeur du groupe test, offrant une augmentation de 90 % de l'efficacité de mélange. Un mélangeur A1 comparable a constaté une amélioration de 75 % de l'efficacité de mélange, suivie d'une amélioration de 45 % dans un mélangeur B1 comparable. Un essai de réduction de l'onde sinusoïdale de base avec débit a été réalisé sur une série de mélangeurs dans les mêmes conditions que l'essai de la courbe sinusoïdale du cas 1, avec seulement le débit modifié. Les données ont montré que dans la plage de débits de 0,25 à 1 ml/min, la diminution initiale de l'onde sinusoïdale est restée 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 à mesure que le débit diminue, ce qui est attendu en raison du temps de séjour accru du solvant dans le mélangeur, permettant un mélange par diffusion accru. La soustraction de l'onde sinusoïdale devrait augmenter à mesure que le débit diminue davantage. Cependant, pour le plus grand volume de mélangeur avec l'atténuation de base de l'onde sinusoïdale la plus élevée, l'atténuation de base de l'onde sinusoïdale est restée pratiquement inchangée (dans la plage d'incertitude expérimentale), avec des valeurs allant de 95 % à 98 %. Riz. 10. Atténuation basique 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 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 PerfectPeakTM, avec trois volumes internes : 30 µl, 60 µl et 90 µl, couvre la plage de volumes et de performances de mélange requise pour la plupart des analyses HPLC nécessitant un mélange amélioré et des planchers à faible dispersion. Ce nouveau mélangeur statique y parvient grâce à une nouvelle technologie d'impression 3D. Cette structure 3D unique offre un mélange statique hydrodynamique amélioré avec la plus forte réduction du bruit de fond par unité de volume de mélange interne. L'utilisation d'un tiers du volume interne d'un mélangeur conventionnel réduit le bruit de fond de 98 %. Ces mélangeurs sont constitués de canaux d'écoulement tridimensionnels interconnectés, présentant des sections transversales et des longueurs de trajet variables lorsque le liquide traverse des barrières géométriques complexes. Cette nouvelle famille de mélangeurs statiques offre des performances supérieures à celles des mélangeurs concurrents, mais avec un volume interne réduit, ce qui se traduit par un meilleur rapport signal/bruit et des limites de quantification plus basses, ainsi que par une forme de pic, une efficacité et une résolution améliorées pour une sensibilité accrue.
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