Mixer statis inline baru yang revolusioner telah dikembangkan secara khusus dirancang untuk memenuhi persyaratan ketat sistem kromatografi cair kinerja tinggi (HPLC) dan kromatografi cair kinerja sangat tinggi (HPLC dan UHPLC).Pencampuran yang buruk dari dua atau lebih fase gerak dapat menghasilkan rasio signal-to-noise yang lebih tinggi, yang mengurangi sensitivitas.Pencampuran statis homogen dari dua atau lebih cairan dengan volume internal minimum dan dimensi fisik dari mixer statis mewakili standar tertinggi dari mixer statis yang ideal.Mixer statis baru mencapai ini dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D baru untuk membuat struktur 3D unik yang menyediakan pencampuran statis hidrodinamik yang lebih baik dengan pengurangan persentase tertinggi dalam gelombang sinus dasar per unit volume internal campuran.Menggunakan 1/3 dari volume internal mixer konvensional mengurangi gelombang sinus dasar sebesar 98%.Mixer terdiri dari saluran aliran 3D yang saling berhubungan dengan berbagai luas penampang dan panjang jalur saat fluida melintasi geometri 3D yang kompleks.Pencampuran sepanjang beberapa jalur aliran berliku, dikombinasikan dengan turbulensi lokal dan pusaran, menghasilkan pencampuran pada skala mikro, meso, dan makro.Mixer unik ini dirancang menggunakan simulasi dinamika fluida komputasi (CFD).Data uji yang disajikan menunjukkan bahwa pencampuran yang sangat baik dicapai dengan volume internal minimum.
Selama lebih dari 30 tahun, kromatografi cair telah digunakan di banyak industri, termasuk farmasi, pestisida, perlindungan lingkungan, forensik, dan analisis kimia.Kemampuan untuk mengukur ke bagian per juta atau kurang sangat penting untuk pengembangan teknologi di industri apa pun.Efisiensi pencampuran yang buruk menyebabkan rasio signal-to-noise yang buruk, yang mengganggu komunitas kromatografi dalam hal batas deteksi dan sensitivitas.Saat mencampur dua pelarut HPLC, kadang-kadang diperlukan pencampuran paksa dengan cara eksternal untuk menghomogenkan kedua pelarut karena beberapa pelarut tidak tercampur dengan baik.Jika pelarut tidak tercampur sempurna, degradasi kromatogram HPLC dapat terjadi, yang bermanifestasi sebagai kebisingan dasar yang berlebihan dan/atau bentuk puncak yang buruk.Dengan pencampuran yang buruk, noise baseline akan muncul sebagai gelombang sinus (naik dan turun) dari sinyal detektor dari waktu ke waktu.Pada saat yang sama, pencampuran yang buruk dapat menyebabkan pelebaran dan puncak asimetris, mengurangi kinerja analitik, bentuk puncak, dan resolusi puncak.Industri telah mengakui bahwa mixer statis in-line dan tee adalah sarana untuk meningkatkan batas ini dan memungkinkan pengguna untuk mencapai batas deteksi yang lebih rendah (sensitivitas).Mixer statis yang ideal menggabungkan keunggulan efisiensi pencampuran tinggi, volume mati rendah, dan penurunan tekanan rendah dengan volume minimum dan throughput sistem maksimum.Selain itu, karena analisis menjadi lebih kompleks, analis harus secara rutin menggunakan pelarut yang lebih polar dan sulit dicampur.Ini berarti pencampuran yang lebih baik adalah suatu keharusan untuk pengujian di masa mendatang, yang semakin meningkatkan kebutuhan akan desain dan kinerja mixer yang unggul.
Mott baru-baru ini mengembangkan rangkaian baru mixer statis inline PerfectPeakTM yang telah dipatenkan dengan tiga volume internal: 30 µl, 60 µl, dan 90 µl.Ukuran ini mencakup kisaran volume dan karakteristik pencampuran yang diperlukan untuk sebagian besar pengujian HPLC di mana diperlukan pencampuran yang lebih baik dan dispersi yang rendah.Ketiga model tersebut berdiameter 0,5″ dan menghadirkan kinerja terdepan di industri dalam desain yang ringkas.Mereka terbuat dari baja tahan karat 316L, dipasivasi untuk kelembaman, tetapi titanium dan paduan logam tahan korosi dan lembam lainnya juga tersedia.Mixer ini memiliki tekanan operasi maksimum hingga 20.000 psi.Pada ara.1a adalah foto mixer statis Mott 60 µl yang dirancang untuk memberikan efisiensi pencampuran maksimum saat menggunakan volume internal yang lebih kecil daripada mixer standar jenis ini.Desain mixer statis baru ini menggunakan teknologi manufaktur aditif baru untuk membuat struktur 3D unik yang menggunakan lebih sedikit aliran internal daripada mixer mana pun yang saat ini digunakan dalam industri kromatografi untuk mencapai pencampuran statis.Pencampur semacam itu terdiri dari saluran aliran tiga dimensi yang saling berhubungan dengan luas penampang yang berbeda dan panjang jalur yang berbeda saat cairan melintasi penghalang geometris kompleks di dalamnya.Pada ara.Gambar 1b menunjukkan diagram skematis dari mixer baru, yang menggunakan fiting kompresi HPLC berulir 10-32 standar industri untuk inlet dan outlet, dan telah menaungi batas biru dari port mixer internal yang telah dipatenkan.Area penampang yang berbeda dari jalur aliran internal dan perubahan arah aliran dalam volume aliran internal menciptakan daerah aliran turbulen dan laminar, menyebabkan pencampuran pada skala mikro, meso, dan makro.Desain mixer unik ini menggunakan simulasi komputasi dinamika fluida (CFD) untuk menganalisis pola aliran dan menyempurnakan desain sebelum membuat prototipe untuk pengujian analitik internal dan evaluasi lapangan pelanggan.Manufaktur aditif adalah proses pencetakan komponen geometris 3D langsung dari gambar CAD tanpa memerlukan permesinan tradisional (mesin penggilingan, mesin bubut, dll.).Mixer statis baru ini dirancang untuk diproduksi menggunakan proses ini, di mana badan mixer dibuat dari gambar CAD dan bagian-bagiannya dibuat (dicetak) lapis demi lapis menggunakan pembuatan aditif.Di sini, lapisan bubuk logam setebal 20 mikron disimpan, dan laser yang dikendalikan komputer secara selektif meleleh dan menggabungkan bubuk menjadi bentuk padat.Terapkan lapisan lain di atas lapisan ini dan terapkan laser sintering.Ulangi proses ini sampai bagian tersebut benar-benar selesai.Serbuk kemudian dihilangkan dari bagian yang tidak terikat laser, meninggalkan bagian cetakan 3D yang cocok dengan gambar CAD asli.Produk akhir agak mirip dengan proses mikofluida, dengan perbedaan utama adalah bahwa komponen mikofluida biasanya dua dimensi (datar), sementara menggunakan pembuatan aditif, pola aliran yang kompleks dapat dibuat dalam geometri tiga dimensi.Faucet ini saat ini tersedia sebagai komponen cetak 3D dalam baja tahan karat 316L dan titanium.Sebagian besar paduan logam, polimer, dan beberapa keramik dapat digunakan untuk membuat komponen menggunakan metode ini dan akan dipertimbangkan dalam desain/produk mendatang.
Beras.1. Foto (a) dan diagram (b) dari mixer statis Mott 90 μl yang menunjukkan penampang jalur aliran fluida mixer yang diarsir dengan warna biru.
Jalankan simulasi dinamika fluida komputasional (CFD) dari kinerja mixer statis selama fase desain untuk membantu mengembangkan desain yang efisien dan mengurangi eksperimen trial-and-error yang memakan waktu dan mahal.Simulasi CFD mixer statis dan perpipaan standar (simulasi tanpa mixer) menggunakan paket perangkat lunak COMSOL Multiphysics.Pemodelan menggunakan mekanika fluida laminar yang digerakkan oleh tekanan untuk memahami kecepatan dan tekanan fluida di dalam suatu bagian.Dinamika fluida ini, dikombinasikan dengan transpor kimia senyawa fase gerak, membantu memahami pencampuran dua cairan pekat yang berbeda.Model dipelajari sebagai fungsi waktu, sama dengan 10 detik, untuk memudahkan perhitungan sambil mencari solusi yang sebanding.Data teoritis diperoleh dalam studi korelasi waktu menggunakan alat proyeksi probe titik, di mana titik di tengah jalan keluar dipilih untuk pengumpulan data.Model CFD dan pengujian eksperimental menggunakan dua pelarut berbeda melalui katup pengambilan sampel proporsional dan sistem pemompaan, menghasilkan sumbat pengganti untuk setiap pelarut di jalur pengambilan sampel.Pelarut ini kemudian dicampur dalam mixer statis.Gambar 2 dan 3 menunjukkan simulasi aliran melalui pipa standar (tanpa mixer) dan melalui mixer statis Mott.Simulasi dijalankan pada tabung lurus dengan panjang 5 cm dan ID 0,25 mm untuk mendemonstrasikan konsep bolak-balik sumbat air dan asetonitril murni ke dalam tabung tanpa adanya pengaduk statis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2. Simulasi menggunakan dimensi tabung dan pengaduk yang tepat dan laju aliran 0,3 ml/menit.
Beras.2. Simulasi aliran CFD dalam tabung 5 cm dengan diameter dalam 0,25 mm untuk mewakili apa yang terjadi dalam tabung HPLC, yaitu tanpa adanya mixer.Merah penuh mewakili fraksi massa air.Biru melambangkan kekurangan air, yaitu asetonitril murni.Daerah difusi dapat dilihat antara colokan bolak-balik dari dua cairan yang berbeda.
Beras.3. Pengaduk statis dengan volume 30 ml, dimodelkan dalam paket perangkat lunak COMSOL CFD.Legenda mewakili fraksi massa air dalam mixer.Air murni ditunjukkan dengan warna merah dan asetonitril murni dengan warna biru.Perubahan fraksi massa air yang disimulasikan diwakili oleh perubahan warna pencampuran dua cairan.
Pada ara.4 menunjukkan studi validasi model korelasi antara efisiensi pencampuran dan volume pencampuran.Dengan meningkatnya volume pencampuran, efisiensi pencampuran akan meningkat.Sepengetahuan penulis, gaya fisik kompleks lainnya yang bekerja di dalam mixer tidak dapat diperhitungkan dalam model CFD ini, menghasilkan efisiensi pencampuran yang lebih tinggi dalam pengujian eksperimental.Efisiensi pencampuran eksperimental diukur sebagai persentase pengurangan sinusoid dasar.Selain itu, tekanan balik yang meningkat biasanya menghasilkan tingkat pencampuran yang lebih tinggi, yang tidak diperhitungkan dalam simulasi.
Kondisi HPLC berikut dan pengaturan pengujian digunakan untuk mengukur gelombang sinus mentah untuk membandingkan kinerja relatif dari berbagai mixer statis.Diagram pada Gambar 5 menunjukkan tata letak sistem HPLC/UHPLC tipikal.Pengaduk statis diuji dengan menempatkan pengaduk langsung setelah pompa dan sebelum injektor dan kolom pemisah.Sebagian besar pengukuran sinusoidal latar dilakukan dengan melewati injektor dan kolom kapiler antara pengaduk statis dan detektor UV.Saat mengevaluasi rasio signal-to-noise dan/atau menganalisis bentuk puncak, konfigurasi sistem ditunjukkan pada Gambar 5.
Gambar 4. Plot efisiensi pencampuran versus volume pencampuran untuk berbagai mixer statis.Pengotor teoretis mengikuti tren yang sama dengan data pengotor eksperimental yang mengonfirmasi validitas simulasi CFD.
Sistem HPLC yang digunakan untuk pengujian ini adalah HPLC Seri Agilent 1100 dengan detektor UV yang dikendalikan oleh PC yang menjalankan perangkat lunak Chemstation.Tabel 1 menunjukkan kondisi penyetelan tipikal untuk mengukur efisiensi mixer dengan memantau sinusoid dasar dalam dua studi kasus.Uji eksperimental dilakukan pada dua contoh pelarut yang berbeda.Dua pelarut yang dicampur dalam kasus 1 adalah pelarut A (20 mM amonium asetat dalam air deionisasi) dan pelarut B (80% asetonitril (ACN)/20% air deionisasi).Dalam Kasus 2, pelarut A adalah larutan aseton 0,05% (label) dalam air deionisasi.Pelarut B adalah campuran 80/20% metanol dan air.Dalam kasus 1, pompa diatur ke laju aliran 0,25 ml/menit hingga 1,0 ml/menit, dan dalam kasus 2, pompa diatur ke laju aliran konstan 1 ml/menit.Dalam kedua kasus, rasio campuran pelarut A dan B adalah 20% A/80% B. Detektor diatur ke 220 nm dalam kasus 1, dan penyerapan aseton maksimum dalam kasus 2 diatur ke panjang gelombang 265 nm.
Tabel 1. Konfigurasi HPLC untuk Kasus 1 dan 2 Kasus 1 Kasus 2 Kecepatan Pompa 0,25 ml/menit hingga 1,0 ml/menit 1,0 ml/menit Pelarut A 20 mM amonium asetat dalam air deionisasi 0,05% Aseton dalam air deionisasi Pelarut B 80% Asetonitril (ACN) / 20% air deionisasi 80% metanol / 20% air deionisasi Rasio pelarut Detektor 20% A / 80% B 20% A / 80% B 220 nm 265 nm
Beras.6. Plot gelombang sinus campuran yang diukur sebelum dan sesudah menerapkan filter low-pass untuk menghilangkan komponen drift baseline dari sinyal.
Gambar 6 adalah contoh tipikal dari noise baseline campuran dalam Kasus 1, ditunjukkan sebagai pola sinusoidal berulang yang ditumpangkan pada pergeseran baseline.Penyimpangan garis dasar adalah peningkatan atau penurunan lambat dalam sinyal latar belakang.Jika sistem tidak dibiarkan untuk mencapai kesetimbangan cukup lama, biasanya sistem akan jatuh, tetapi akan menyimpang secara tidak menentu bahkan ketika sistem benar-benar stabil.Penyimpangan baseline ini cenderung meningkat ketika sistem beroperasi dalam kondisi gradien yang curam atau tekanan balik yang tinggi.Ketika drift baseline ini ada, akan sulit untuk membandingkan hasil dari sampel ke sampel, yang dapat diatasi dengan menerapkan filter low-pass ke data mentah untuk menyaring variasi frekuensi rendah ini, sehingga memberikan plot osilasi dengan baseline datar.Pada ara.Gambar 6 juga menunjukkan plot noise dasar mixer setelah menerapkan filter low-pass.
Setelah menyelesaikan simulasi CFD dan pengujian eksperimental awal, tiga mixer statis terpisah selanjutnya dikembangkan menggunakan komponen internal yang dijelaskan di atas dengan tiga volume internal: 30 µl, 60 µl, dan 90 µl.Kisaran ini mencakup kisaran volume dan kinerja pencampuran yang diperlukan untuk aplikasi HPLC analit rendah di mana pencampuran yang lebih baik dan dispersi rendah diperlukan untuk menghasilkan baseline amplitudo rendah.Pada ara.Gambar 7 menunjukkan pengukuran gelombang sinus dasar yang diperoleh pada sistem uji Contoh 1 (asetonitril dan amonium asetat sebagai perunut) dengan tiga volume pengaduk statis dan tidak ada pengaduk yang terpasang.Kondisi pengujian eksperimental untuk hasil yang ditunjukkan pada Gambar 7 dipertahankan konstan selama keempat pengujian sesuai dengan prosedur yang diuraikan pada Tabel 1 pada laju alir pelarut 0,5 ml/menit.Terapkan nilai offset ke kumpulan data sehingga dapat ditampilkan berdampingan tanpa tumpang tindih sinyal.Offset tidak mempengaruhi amplitudo sinyal yang digunakan untuk menilai tingkat performa mixer.Amplitudo sinusoidal rata-rata tanpa mixer adalah 0,221 mAi, sedangkan amplitudo mixer Mott statis pada 30 µl, 60 µl, dan 90 µl masing-masing turun menjadi 0,077, 0,017, dan 0,004 mAi.
Gambar 7. Offset Sinyal Detektor UV HPLC vs. Waktu untuk Kasus 1 (asetonitril dengan indikator amonium asetat) menunjukkan pencampuran pelarut tanpa mixer, 30 µl, 60 µl dan 90 µl Mott mixer menunjukkan peningkatan pencampuran (amplitudo sinyal lebih rendah) seiring dengan peningkatan volume mixer statis.(offset data aktual: 0,13 (tanpa mixer), 0,32, 0,4, 0,45mA untuk tampilan yang lebih baik).
Data yang ditunjukkan pada gambar.8 sama seperti pada Gambar 7, tetapi kali ini menyertakan hasil dari tiga mixer statis HPLC yang umum digunakan dengan volume internal 50 µl, 150 µl dan 250 µl.Beras.Gambar 8. HPLC UV Detector Signal Offset versus Time Plot untuk Kasus 1 (Acetonitril dan Ammonium Acetate sebagai indikator) menunjukkan pencampuran pelarut tanpa mixer statis, seri baru mixer statis Mott, dan tiga mixer konvensional (offset data aktual masing-masing adalah 0,1 (tanpa mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA masing-masing untuk efek tampilan yang lebih baik).Persentase pengurangan gelombang sinus dasar dihitung dengan rasio amplitudo gelombang sinus terhadap amplitudo tanpa mixer terpasang.Persentase atenuasi gelombang sinus yang diukur untuk Kasus 1 dan 2 tercantum dalam Tabel 2, bersama dengan volume internal mixer statis baru dan tujuh mixer standar yang biasa digunakan di industri.Data pada Gambar 8 dan 9, serta perhitungan yang disajikan pada Tabel 2, menunjukkan bahwa Mott Static Mixer dapat memberikan redaman gelombang sinus hingga 98,1%, jauh melebihi kinerja mixer HPLC konvensional dalam kondisi pengujian ini.Gambar 9. Offset sinyal detektor UV HPLC versus plot waktu untuk kasus 2 (metanol dan aseton sebagai pelacak) tidak menunjukkan mixer statis (gabungan), seri baru mixer statis Mott dan dua mixer konvensional (offset data aktual adalah 0, 11 (tanpa mixer. ), 0,22, 0,3, 0,35 mA dan untuk tampilan yang lebih baik).Tujuh mixer yang biasa digunakan di industri juga dievaluasi.Ini termasuk mixer dengan tiga volume internal yang berbeda dari perusahaan A (ditunjuk Mixer A1, A2 dan A3) dan perusahaan B (ditunjuk Mixer B1, B2 dan B3).Perusahaan C hanya memberi peringkat satu ukuran.
Tabel 2. Karakteristik pengadukan mixer statis dan volume internal statis mixer case 1 Pemulihan sinusoidal: uji asetonitril (efisiensi) Kasus 2 Pemulihan sinusoidal: uji air metanol (efisiensi) volume internal (μL) Tidak ada mixer - - 0 Mott 30 65% 67.2% 30 MOTT 60 92.2% 91.3% 60 mott 60 67% 97.2% 30% 92.22.2% 91. 50 Mixer A2 89.8% 91.6% 150 Mixer A3 92.2% 94.5% 250 Mixer B1 44.8% 45.7% 9 35 Mixer B2 845.% 96.2% 370 Mixer C 97.2% 97.4% 250
Analisis hasil pada Gambar 8 dan Tabel 2 menunjukkan bahwa mixer statis Mott 30 µl memiliki efisiensi pencampuran yang sama dengan mixer A1, yaitu 50 µl, namun Mott 30 µl memiliki volume internal 30% lebih sedikit.Saat membandingkan 60 µl Mott mixer dengan 150 µl internal volume A2 mixer, terdapat sedikit peningkatan dalam efisiensi pencampuran sebesar 92% versus 89%, namun yang lebih penting, tingkat pencampuran yang lebih tinggi ini dicapai pada 1/3 volume mixer.mixer serupa A2.Kinerja mixer Mott 90 µl mengikuti tren yang sama dengan mixer A3 dengan volume internal 250 µl.Peningkatan kinerja pencampuran sebesar 98% dan 92% juga diamati dengan pengurangan volume internal 3 kali lipat.Hasil dan perbandingan yang serupa diperoleh untuk mixer B dan C. Hasilnya, seri baru mixer statis Mott PerfectPeakTM memberikan efisiensi pencampuran yang lebih tinggi daripada mixer pesaing yang sebanding, tetapi dengan volume internal yang lebih kecil, menghasilkan kebisingan latar belakang yang lebih baik dan rasio signal-to-noise yang lebih baik, analit sensitivitas yang lebih baik, bentuk puncak dan resolusi puncak.Tren serupa dalam efisiensi pencampuran diamati pada studi Kasus 1 dan Kasus 2.Untuk Kasus 2, pengujian dilakukan menggunakan (metanol dan aseton sebagai indikator) untuk membandingkan efisiensi pencampuran Mott 60 ml, mixer A1 yang sebanding (volume internal 50 µl) dan mixer B1 yang sebanding (volume internal 35 µl)., kinerja buruk tanpa mixer terpasang, tetapi digunakan untuk analisis dasar.Mixer Mott 60 ml terbukti menjadi mixer terbaik dalam kelompok uji, memberikan peningkatan efisiensi pencampuran sebesar 90%.Mixer A1 yang sebanding melihat peningkatan 75% dalam efisiensi pencampuran diikuti dengan peningkatan 45% pada mixer B1 yang sebanding.Uji reduksi gelombang sinus dasar dengan laju aliran dilakukan pada rangkaian pencampur dalam kondisi yang sama dengan uji kurva sinus pada Kasus 1, dengan hanya laju aliran yang berubah.Data menunjukkan bahwa dalam kisaran laju alir dari 0,25 hingga 1 ml/menit, penurunan awal gelombang sinus relatif konstan untuk ketiga volume pencampur.Untuk dua pencampur volume yang lebih kecil, ada sedikit peningkatan kontraksi sinusoidal saat laju aliran menurun, yang diperkirakan karena waktu tinggal pelarut yang meningkat dalam pencampur, yang memungkinkan pencampuran difusi meningkat.Pengurangan gelombang sinus diharapkan meningkat karena aliran semakin berkurang.Namun, untuk volume mixer terbesar dengan redaman basis gelombang sinus tertinggi, atenuasi basis gelombang sinus hampir tidak berubah (dalam kisaran ketidakpastian eksperimental), dengan nilai berkisar antara 95% hingga 98%.Beras.10. Atenuasi dasar gelombang sinus versus laju aliran dalam kasus 1. Pengujian dilakukan pada kondisi yang serupa dengan pengujian sinus dengan laju aliran variabel, menginjeksi 80% campuran asetonitril dan air 80/20 dan 20% amonium asetat 20 mM.
Ragam mixer statis inline PerfectPeakTM yang baru dikembangkan dengan tiga volume internal: 30 µl, 60 µl, dan 90 µl mencakup volume dan rentang kinerja pencampuran yang diperlukan untuk sebagian besar analisis HPLC yang membutuhkan pencampuran yang lebih baik dan lantai dispersi rendah.Mixer statis baru mencapai ini dengan menggunakan teknologi pencetakan 3D baru untuk membuat struktur 3D unik yang menyediakan pencampuran statis hidrodinamik yang lebih baik dengan pengurangan persentase tertinggi dalam kebisingan dasar per satuan volume campuran internal.Menggunakan 1/3 volume internal mixer konvensional mengurangi kebisingan dasar hingga 98%.Pencampur semacam itu terdiri dari saluran aliran tiga dimensi yang saling berhubungan dengan luas penampang yang berbeda dan panjang jalur yang berbeda saat cairan melintasi penghalang geometris kompleks di dalamnya.Keluarga baru mixer statis memberikan peningkatan kinerja dibandingkan mixer pesaing, tetapi dengan volume internal yang lebih sedikit, menghasilkan rasio signal-to-noise yang lebih baik dan batas kuantisasi yang lebih rendah, serta bentuk puncak yang lebih baik, efisiensi dan resolusi untuk sensitivitas yang lebih tinggi.
Dalam edisi ini Kromatografi – RP-HPLC yang ramah lingkungan – Penggunaan kromatografi core-shell untuk menggantikan asetonitril dengan isopropanol dalam analisis dan pemurnian – Kromatografi gas baru untuk…
Pusat Bisnis Internasional Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Inggris Raya