È stato sviluppato un nuovo rivoluzionario miscelatore statico in linea, specificamente progettato per soddisfare i severi requisiti dei sistemi di cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC) e di cromatografia liquida ad altissime prestazioni (HPLC e UHPLC).Una scarsa miscelazione di due o più fasi mobili può comportare un rapporto segnale/rumore più elevato, che riduce la sensibilità.La miscelazione statica omogenea di due o più fluidi con un volume interno minimo e dimensioni fisiche di un miscelatore statico rappresenta lo standard più elevato di un miscelatore statico ideale.Il nuovo miscelatore statico ottiene questo risultato utilizzando la nuova tecnologia di stampa 3D per creare una struttura 3D unica che fornisce una migliore miscelazione statica idrodinamica con la più alta percentuale di riduzione dell'onda sinusoidale di base per unità di volume interno della miscela.L'utilizzo di 1/3 del volume interno di un mixer convenzionale riduce l'onda sinusoidale di base del 98%.Il miscelatore è costituito da canali di flusso 3D interconnessi con diverse aree della sezione trasversale e lunghezze del percorso mentre il fluido attraversa complesse geometrie 3D.La miscelazione lungo più percorsi di flusso tortuosi, combinata con turbolenze e vortici locali, si traduce in miscelazione su scala micro, meso e macro.Questo mixer unico è progettato utilizzando simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD).I dati dei test presentati mostrano che si ottiene un'eccellente miscelazione con un volume interno minimo.
Per più di 30 anni, la cromatografia liquida è stata utilizzata in molti settori, tra cui prodotti farmaceutici, pesticidi, protezione ambientale, medicina legale e analisi chimiche.La capacità di misurare in parti per milione o meno è fondamentale per lo sviluppo tecnologico in qualsiasi settore.Una scarsa efficienza di miscelazione porta a uno scarso rapporto segnale-rumore, che è un fastidio per la comunità cromatografica in termini di limiti di rilevamento e sensibilità.Quando si miscelano due solventi HPLC, a volte è necessario forzare la miscelazione con mezzi esterni per omogeneizzare i due solventi perché alcuni solventi non si miscelano bene.Se i solventi non vengono miscelati accuratamente, può verificarsi la degradazione del cromatogramma HPLC, che si manifesta con un rumore eccessivo della linea di base e/o una forma dei picchi scadente.Con una miscelazione scadente, il rumore della linea di base apparirà come un'onda sinusoidale (in salita e in discesa) del segnale del rivelatore nel tempo.Allo stesso tempo, una miscelazione scadente può portare a picchi allargati e asimmetrici, riducendo le prestazioni analitiche, la forma dei picchi e la risoluzione dei picchi.L'industria ha riconosciuto che i miscelatori statici in linea ea T sono un mezzo per migliorare questi limiti e consentire agli utenti di raggiungere limiti di rilevamento inferiori (sensibilità).Il miscelatore statico ideale combina i vantaggi di un'elevata efficienza di miscelazione, basso volume morto e bassa caduta di pressione con volume minimo e massima produttività del sistema.Inoltre, man mano che l'analisi diventa più complessa, gli analisti devono utilizzare abitualmente solventi più polari e difficili da miscelare.Ciò significa che una migliore miscelazione è un must per i test futuri, aumentando ulteriormente la necessità di un design e prestazioni del mixer superiori.
Mott ha recentemente sviluppato una nuova gamma di miscelatori statici in linea brevettati PerfectPeakTM con tre volumi interni: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Queste dimensioni coprono la gamma di volumi e le caratteristiche di miscelazione necessarie per la maggior parte dei test HPLC in cui sono richieste una migliore miscelazione e una bassa dispersione.Tutti e tre i modelli hanno un diametro di 0,5″ e offrono prestazioni leader del settore in un design compatto.Sono realizzati in acciaio inossidabile 316L, passivato per inerzia, ma sono disponibili anche titanio e altre leghe metalliche resistenti alla corrosione e chimicamente inerti.Questi miscelatori hanno una pressione massima di esercizio fino a 20.000 psi.Sulla fig.1a è una fotografia di un miscelatore statico Mott da 60 µl progettato per fornire la massima efficienza di miscelazione utilizzando un volume interno inferiore rispetto ai miscelatori standard di questo tipo.Questo nuovo design del miscelatore statico utilizza una nuova tecnologia di produzione additiva per creare una struttura 3D unica che utilizza meno flusso interno rispetto a qualsiasi miscelatore attualmente utilizzato nell'industria della cromatografia per ottenere la miscelazione statica.Tali miscelatori sono costituiti da canali di flusso tridimensionali interconnessi con diverse sezioni trasversali e diverse lunghezze del percorso mentre il liquido attraversa complesse barriere geometriche all'interno.Sulla fig.La Figura 1b mostra un diagramma schematico del nuovo miscelatore, che utilizza raccordi a compressione HPLC filettati standard del settore 10-32 per l'ingresso e l'uscita e presenta bordi blu ombreggiati della porta del miscelatore interno brevettato.Diverse sezioni trasversali dei percorsi del flusso interno e cambiamenti nella direzione del flusso all'interno del volume del flusso interno creano regioni di flusso turbolento e laminare, causando miscelazione alle scale micro, meso e macro.La progettazione di questo miscelatore unico ha utilizzato simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) per analizzare i modelli di flusso e perfezionare il progetto prima della prototipazione per i test analitici interni e la valutazione sul campo del cliente.La manifattura additiva è il processo di stampa di componenti geometrici 3D direttamente da disegni CAD senza la necessità di lavorazioni tradizionali (fresatrici, torni, ecc.).Questi nuovi miscelatori statici sono progettati per essere fabbricati utilizzando questo processo, in cui il corpo del miscelatore viene creato da disegni CAD e le parti vengono fabbricate (stampate) strato per strato utilizzando la produzione additiva.Qui viene depositato uno strato di polvere metallica di circa 20 micron di spessore e un laser controllato da computer fonde selettivamente e fonde la polvere in una forma solida.Applicare un altro strato sopra questo strato e applicare la sinterizzazione laser.Ripeti questo processo fino a quando la parte non è completamente finita.La polvere viene quindi rimossa dalla parte non incollata al laser, lasciando una parte stampata in 3D che corrisponde al disegno CAD originale.Il prodotto finale è in qualche modo simile al processo microfluidico, con la differenza principale che i componenti microfluidici sono solitamente bidimensionali (piatti), mentre utilizzando la produzione additiva è possibile creare schemi di flusso complessi in geometria tridimensionale.Questi rubinetti sono attualmente disponibili come parti stampate in 3D in acciaio inossidabile 316L e titanio.La maggior parte delle leghe metalliche, i polimeri e alcune ceramiche possono essere utilizzate per realizzare componenti utilizzando questo metodo e saranno presi in considerazione in progetti/prodotti futuri.
Riso.1. Fotografia (a) e diagramma (b) di un miscelatore statico Mott da 90 μl che mostrano una sezione trasversale del percorso del flusso del fluido del miscelatore ombreggiato in blu.
Esegui simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) delle prestazioni del miscelatore statico durante la fase di progettazione per aiutare a sviluppare progetti efficienti e ridurre i lunghi e costosi esperimenti per tentativi ed errori.Simulazione CFD di miscelatori statici e tubazioni standard (simulazione senza miscelatore) utilizzando il pacchetto software COMSOL Multiphysics.Modellazione utilizzando la meccanica dei fluidi laminare basata sulla pressione per comprendere la velocità e la pressione del fluido all'interno di una parte.Questa fluidodinamica, combinata con il trasporto chimico dei composti in fase mobile, aiuta a comprendere la miscelazione di due diversi liquidi concentrati.Il modello è studiato in funzione del tempo, pari a 10 secondi, per facilità di calcolo durante la ricerca di soluzioni confrontabili.I dati teorici sono stati ottenuti in uno studio correlato nel tempo utilizzando lo strumento di proiezione della sonda puntuale, in cui è stato scelto un punto al centro dell'uscita per la raccolta dei dati.Il modello CFD ei test sperimentali hanno utilizzato due diversi solventi attraverso una valvola di campionamento proporzionale e un sistema di pompaggio, risultando in un tappo sostitutivo per ciascun solvente nella linea di campionamento.Questi solventi vengono quindi miscelati in un miscelatore statico.Le figure 2 e 3 mostrano simulazioni di flusso attraverso un tubo standard (senza miscelatore) e attraverso un miscelatore statico Mott, rispettivamente.La simulazione è stata eseguita su un tubo diritto lungo 5 cm e con un diametro interno di 0,25 mm per dimostrare il concetto di tappi alternati di acqua e acetonitrile puro nel tubo in assenza di un miscelatore statico, come mostrato nella Figura 2. La simulazione ha utilizzato le dimensioni esatte del tubo e del miscelatore e una portata di 0,3 ml/min.
Riso.2. Simulazione del flusso CFD in un tubo da 5 cm con un diametro interno di 0,25 mm per rappresentare ciò che accade in un tubo HPLC, cioè in assenza di un miscelatore.Il rosso pieno rappresenta la frazione di massa dell'acqua.Il blu rappresenta la mancanza di acqua, cioè acetonitrile puro.Le regioni di diffusione possono essere viste tra tappi alternati di due diversi liquidi.
Riso.3. Miscelatore statico con un volume di 30 ml, modellato nel pacchetto software COMSOL CFD.La legenda rappresenta la frazione di massa dell'acqua nel miscelatore.L'acqua pura è mostrata in rosso e l'acetonitrile puro in blu.Il cambiamento nella frazione di massa dell'acqua simulata è rappresentato da un cambiamento nel colore della miscelazione di due liquidi.
Sulla fig.4 mostra uno studio di validazione del modello di correlazione tra efficienza di miscelazione e volume di miscelazione.All'aumentare del volume di miscelazione, l'efficienza di miscelazione aumenterà.A conoscenza degli autori, in questo modello CFD non è possibile tenere conto di altre forze fisiche complesse che agiscono all'interno del mixer, con conseguente maggiore efficienza di miscelazione nei test sperimentali.L'efficienza di miscelazione sperimentale è stata misurata come riduzione percentuale della sinusoide di base.Inoltre, l'aumento della contropressione di solito comporta livelli di miscelazione più elevati, che non vengono presi in considerazione nella simulazione.
Le seguenti condizioni HPLC e la configurazione del test sono state utilizzate per misurare le onde sinusoidali grezze per confrontare le prestazioni relative di diversi miscelatori statici.Il diagramma in Figura 5 mostra un tipico layout del sistema HPLC/UHPLC.Il miscelatore statico è stato testato posizionando il miscelatore direttamente dopo la pompa e prima dell'iniettore e della colonna di separazione.La maggior parte delle misure sinusoidali di fondo vengono effettuate bypassando l'iniettore e la colonna capillare tra il miscelatore statico e il rivelatore UV.Quando si valuta il rapporto segnale/rumore e/o si analizza la forma del picco, la configurazione del sistema è mostrata nella Figura 5.
Figura 4. Grafico dell'efficienza di miscelazione rispetto al volume di miscelazione per una gamma di miscelatori statici.L'impurità teorica segue la stessa tendenza dei dati di impurità sperimentali confermando la validità delle simulazioni CFD.
Il sistema HPLC utilizzato per questo test era un HPLC Agilent serie 1100 con un rivelatore UV controllato da un PC che esegue il software Chemstation.La tabella 1 mostra le condizioni di regolazione tipiche per misurare l'efficienza del mixer monitorando le sinusoidi di base in due casi di studio.Sono state effettuate prove sperimentali su due diversi esempi di solventi.I due solventi miscelati nel caso 1 erano il solvente A (acetato di ammonio 20 mM in acqua deionizzata) e il solvente B (80% acetonitrile (ACN)/20% acqua deionizzata).Nel caso 2, il solvente A era una soluzione allo 0,05% di acetone (etichetta) in acqua deionizzata.Il solvente B è una miscela di 80/20% di metanolo e acqua.Nel caso 1, la pompa è stata impostata su una portata da 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, e nel caso 2, la pompa è stata impostata su una portata costante di 1 ml/min.In entrambi i casi, il rapporto della miscela di solventi A e B era 20% A/80% B. Il rivelatore è stato impostato su 220 nm nel caso 1 e l'assorbimento massimo di acetone nel caso 2 è stato impostato su una lunghezza d'onda di 265 nm.
Tabella 1. Configurazioni HPLC per i casi 1 e 2 Caso 1 Caso 2 Velocità della pompa da 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvente A Acetato di ammonio 20 mM in acqua deionizzata Acetone 0,05% in acqua deionizzata Solvente B 80% acetonitrile (ACN) / 20% acqua deionizzata 80% metanolo / 20% acqua deionizzata Rapporto solvente 20% A / 80% B 20% A / 80% B Rilevatore 220 nm 265 nm
Riso.6. Grafici di onde sinusoidali miste misurate prima e dopo l'applicazione di un filtro passa-basso per rimuovere i componenti di deriva della linea di base del segnale.
La Figura 6 è un tipico esempio di rumore della linea di base misto nel Caso 1, mostrato come un motivo sinusoidale ripetuto sovrapposto alla deriva della linea di base.La deriva della linea di base è un lento aumento o diminuzione del segnale di fondo.Se al sistema non viene permesso di equilibrarsi abbastanza a lungo, di solito cadrà, ma andrà alla deriva in modo irregolare anche quando il sistema è completamente stabile.Questa deriva della linea di base tende ad aumentare quando il sistema funziona in condizioni di forte pendenza o di elevata contropressione.Quando è presente questa deriva della linea di base, può essere difficile confrontare i risultati da campione a campione, problema che può essere superato applicando un filtro passa-basso ai dati grezzi per filtrare queste variazioni a bassa frequenza, fornendo così un grafico delle oscillazioni con una linea di base piatta.Sulla fig.La Figura 6 mostra anche un grafico del rumore di base del mixer dopo l'applicazione di un filtro passa-basso.
Dopo aver completato le simulazioni CFD e i test sperimentali iniziali, sono stati successivamente sviluppati tre miscelatori statici separati utilizzando i componenti interni sopra descritti con tre volumi interni: 30 µl, 60 µl e 90 µl.Questa gamma copre la gamma di volumi e le prestazioni di miscelazione richieste per applicazioni HPLC a basso contenuto di analita in cui sono necessarie una migliore miscelazione e una bassa dispersione per produrre linee di base di bassa ampiezza.Sulla fig.7 mostra misurazioni di onde sinusoidali di base ottenute sul sistema di test dell'Esempio 1 (acetonitrile e acetato di ammonio come traccianti) con tre volumi di miscelatori statici e nessun miscelatore installato.Le condizioni di prova sperimentali per i risultati mostrati nella Figura 7 sono state mantenute costanti durante tutte e 4 le prove secondo la procedura descritta nella Tabella 1 ad una velocità di flusso del solvente di 0,5 ml/min.Applicare un valore di offset ai set di dati in modo che possano essere visualizzati fianco a fianco senza sovrapposizione del segnale.L'offset non influisce sull'ampiezza del segnale utilizzato per giudicare il livello delle prestazioni del mixer.L'ampiezza sinusoidale media senza il miscelatore era di 0,221 mAi, mentre le ampiezze dei miscelatori Mott statici a 30 µl, 60 µl e 90 µl scendevano rispettivamente a 0,077, 0,017 e 0,004 mAi.
Figura 7. Offset del segnale del rivelatore UV HPLC rispetto al tempo per il caso 1 (acetonitrile con indicatore di acetato di ammonio) che mostra la miscelazione del solvente senza miscelatore, miscelatori Mott da 30 µl, 60 µl e 90 µl che mostrano una miscelazione migliorata (ampiezza del segnale inferiore) all'aumentare del volume del miscelatore statico.(offset dati effettivi: 0,13 (nessun mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA per una migliore visualizzazione).
I dati riportati in fig.8 sono gli stessi della Fig. 7, ma questa volta includono i risultati di tre miscelatori statici per HPLC di uso comune con volumi interni di 50 µl, 150 µl e 250 µl.Riso.Figura 8. Offset del segnale del rivelatore UV HPLC rispetto al grafico temporale per il caso 1 (acetonitrile e acetato di ammonio come indicatori) che mostra la miscelazione del solvente senza miscelatore statico, la nuova serie di miscelatori statici Mott e tre miscelatori convenzionali (l'effettivo offset dei dati è 0,1 (senza miscelatore), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA rispettivamente per un migliore effetto di visualizzazione).La riduzione percentuale dell'onda sinusoidale di base è calcolata dal rapporto tra l'ampiezza dell'onda sinusoidale e l'ampiezza senza il mixer installato.Le percentuali di attenuazione dell'onda sinusoidale misurate per i Casi 1 e 2 sono elencate nella Tabella 2, insieme ai volumi interni di un nuovo mixer statico e sette mixer standard comunemente usati nel settore.I dati nelle figure 8 e 9, così come i calcoli presentati nella tabella 2, mostrano che il miscelatore statico Mott può fornire un'attenuazione dell'onda sinusoidale fino al 98,1%, superando di gran lunga le prestazioni di un miscelatore HPLC convenzionale in queste condizioni di prova.Figura 9. Grafico dell'offset del segnale del rivelatore UV HPLC rispetto al tempo per il caso 2 (metanolo e acetone come traccianti) che non mostra alcun miscelatore statico (combinato), una nuova serie di miscelatori statici Mott e due miscelatori convenzionali (gli offset effettivi dei dati sono 0, 11 (senza miscelatore), 0,22, 0,3, 0,35 mA e per una migliore visualizzazione).Sono stati valutati anche sette miscelatori comunemente usati nel settore.Questi includono miscelatori con tre diversi volumi interni della società A (designati Mixer A1, A2 e A3) e della società B (designati Mixer B1, B2 e B3).L'azienda C ha valutato solo una dimensione.
Tabella 2. Caratteristiche di agitazione del miscelatore statico e volume interno Miscelatore statico Caso 1 Recupero sinusoidale: test acetonitrile (efficienza) Caso 2 Recupero sinusoidale: test acqua metanolo (efficienza) Volume interno (µl) Nessun miscelatore – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97 .5% 90 Miscelatore A1 66.4% 73.7% 50 Miscelatore A2 89.8% 91.6% 150 Miscelatore A3 92.2% 94.5% 250 Miscelatore B1 44.8% 45.7% 9 35 Miscelatore B2 845.% 96.2% 370 Miscelatore C 97.2% 97.4% 2 50
L'analisi dei risultati in Figura 8 e Tabella 2 mostra che il mixer statico Mott da 30 µl ha la stessa efficienza di miscelazione del mixer A1, cioè 50 µl, tuttavia, il Mott da 30 µl ha il 30% in meno di volume interno.Confrontando il mixer Mott da 60 µl con il mixer A2 con volume interno da 150 µl, si è verificato un leggero miglioramento nell'efficienza di miscelazione del 92% rispetto all'89%, ma soprattutto, questo livello di miscelazione più elevato è stato raggiunto a 1/3 del volume del mixer.miscelatore simile A2.Le prestazioni del mixer Mott da 90 µl hanno seguito lo stesso andamento del mixer A3 con un volume interno di 250 µl.Sono stati inoltre osservati miglioramenti nelle prestazioni di miscelazione del 98% e del 92% con una riduzione di 3 volte del volume interno.Risultati e confronti simili sono stati ottenuti per i mixer B e C. Di conseguenza, la nuova serie di mixer statici Mott PerfectPeakTM offre una maggiore efficienza di miscelazione rispetto ai mixer concorrenti comparabili, ma con un volume interno inferiore, fornendo un migliore rumore di fondo e un migliore rapporto segnale-rumore, migliore sensibilità Analita, forma del picco e risoluzione del picco.Tendenze simili nell'efficienza di miscelazione sono state osservate in entrambi gli studi del Caso 1 e del Caso 2.Per il caso 2, i test sono stati eseguiti utilizzando (metanolo e acetone come indicatori) per confrontare l'efficienza di miscelazione di 60 ml Mott, un mixer comparabile A1 (volume interno 50 µl) e un mixer comparabile B1 (volume interno 35 µl)., le prestazioni erano scarse senza un mixer installato, ma è stato utilizzato per l'analisi di riferimento.Il miscelatore Mott da 60 ml si è rivelato il miglior miscelatore nel gruppo di test, fornendo un aumento del 90% dell'efficienza di miscelazione.Un mixer A1 comparabile ha visto un miglioramento dell'efficienza di miscelazione del 75%, seguito da un miglioramento del 45% in un mixer B1 comparabile.Un test base di riduzione dell'onda sinusoidale con portata è stato eseguito su una serie di miscelatori nelle stesse condizioni del test della curva sinusoidale nel caso 1, con solo la portata modificata.I dati hanno mostrato che nell'intervallo di portate da 0,25 a 1 ml/min, la diminuzione iniziale dell'onda sinusoidale è rimasta relativamente costante per tutti e tre i volumi del miscelatore.Per i due miscelatori di volume inferiore, si verifica un leggero aumento della contrazione sinusoidale al diminuire della portata, previsto a causa dell'aumento del tempo di permanenza del solvente nel miscelatore, che consente una maggiore miscelazione per diffusione.Si prevede che la sottrazione dell'onda sinusoidale aumenti man mano che il flusso diminuisce ulteriormente.Tuttavia, per il volume del mixer più grande con la massima attenuazione della base dell'onda sinusoidale, l'attenuazione della base dell'onda sinusoidale è rimasta praticamente invariata (all'interno dell'intervallo di incertezza sperimentale), con valori compresi tra il 95% e il 98%.Riso.10. Attenuazione di base di un'onda sinusoidale rispetto alla portata nel caso 1. Il test è stato eseguito in condizioni simili al test sinusoidale con portata variabile, iniettando l'80% di una miscela 80/20 di acetonitrile e acqua e il 20% di acetato di ammonio 20 mM.
La nuova gamma di miscelatori statici in linea brevettati PerfectPeakTM con tre volumi interni: 30 µl, 60 µl e 90 µl copre il volume e la gamma di prestazioni di miscelazione richieste per la maggior parte delle analisi HPLC che richiedono una migliore miscelazione e piani a bassa dispersione.Il nuovo miscelatore statico raggiunge questo obiettivo utilizzando la nuova tecnologia di stampa 3D per creare una struttura 3D unica che fornisce una miscelazione statica idrodinamica migliorata con la più alta percentuale di riduzione del rumore di base per unità di volume della miscela interna.L'utilizzo di 1/3 del volume interno di un mixer convenzionale riduce il rumore di fondo del 98%.Tali miscelatori sono costituiti da canali di flusso tridimensionali interconnessi con diverse sezioni trasversali e diverse lunghezze del percorso mentre il liquido attraversa complesse barriere geometriche all'interno.La nuova famiglia di mixer statici offre prestazioni migliori rispetto ai mixer della concorrenza, ma con un volume interno inferiore, con conseguente migliore rapporto segnale/rumore e limiti di quantificazione inferiori, nonché forma dei picchi, efficienza e risoluzione migliorate per una maggiore sensibilità.
In questo numero Cromatografia – RP-HPLC ecocompatibile – Uso della cromatografia core-shell per sostituire l'acetonitrile con l'isopropanolo nell'analisi e nella purificazione – Nuovo gascromatografo per…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Regno Unito