高性能液体クロマトグラフィー (HPLC) および超高性能液体クロマトグラフィー (HPLC および UHPLC) システムの厳格な要件を満たすように特別に設計された画期的な新しいインライン スタティック ミキサーが開発されました。2 種類以上の移動相の混合が不十分だと、信号対雑音比が高くなり、感度が低下する可能性があります。スタティック ミキサーの最小内容積と物理的寸法で 2 種類以上の流体を均一に静的に混合することが、理想的なスタティック ミキサーの最高水準を表しています。新しいスタティック ミキサーは、新しい 3D プリント技術を使用して、混合物の単位内容積あたりの基本正弦波の削減率が最も高い、流体力学的静的混合が改善された独自の 3D 構造を作成することでこれを実現しています。従来のミキサーの内容積の 1/3 を使用すると、基本正弦波が 98% 削減されます。ミキサーは、流体が複雑な 3D 形状を通過するときに断面積と経路長が変化する相互接続された 3D フロー チャネルで構成されています。複数の曲がりくねった流路に沿った混合と局所的な乱流および渦流の組み合わせにより、ミクロ、メソ、マクロスケールでの混合が実現します。この独自のミキサーは、数値流体力学（CFD）シミュレーションを用いて設計されています。提示された試験データは、最小限の内容積で優れた混合が達成されることを示しています。
液体クロマトグラフィーは、30年以上にわたり、医薬品、農薬、環境保護、法医学、化学分析など、多くの業界で利用されてきました。ppm以下の測定能力は、あらゆる業界の技術開発において不可欠です。混合効率が悪いと信号対雑音比が低下し、検出限界と感度の点でクロマトグラフィー業界にとって悩みの種となります。2種類のHPLC溶媒を混合する場合、溶媒によっては混ざりにくいため、外部手段で強制的に混合して2種類の溶媒を均質化させる必要がある場合があります。溶媒が完全に混合されていないと、HPLCクロマトグラムの劣化が生じ、ベースラインノイズが過剰になったり、ピーク形状が悪化したりすることがあります。混合が不十分な場合、ベースラインノイズは検出器信号の正弦波（立ち上がりと立ち下がり）として時間とともに現れます。同時に、混合が不十分だとピークが広がり、非対称になり、分析性能、ピーク形状、ピーク分解能が低下する可能性があります。業界では、インライン型およびT字型スタティックミキサーがこれらの限界を改善し、より低い検出限界（感度）を実現する手段であることが認識されています。理想的なスタティックミキサーは、高い混合効率、低いデッドボリューム、低い圧力損失といった利点に加え、最小限の容量と最大のシステムスループットを兼ね備えています。さらに、分析が複雑になるにつれて、分析者はより極性が高く混合が難しい溶媒を日常的に使用する必要があります。これは、将来の試験ではより優れた混合が不可欠であることを意味し、優れたミキサーの設計と性能に対するニーズがさらに高まっています。
モットは最近、30µl、60µl、90µlの3つの内容積を持つ、特許取得済みのPerfectPeakTMインラインスタティックミキサーの新シリーズを開発しました。これらのサイズは、混合の改善と低拡散が求められるほとんどのHPLC試験に必要な範囲の容量と混合特性をカバーします。3つのモデルはすべて直径0.5インチで、コンパクトな設計で業界をリードする性能を提供します。これらは316Lステンレス鋼で作られており、不活性のために不動態化されていますが、チタンやその他の耐腐食性および化学的に不活性な金属合金も利用できます。これらのミキサーの最大動作圧力は20,000psiです。図1aは、このタイプの標準的なミキサーよりも小さい内容積でありながら最大の混合効率を提供するように設計された60µlのモットスタティックミキサーの写真です。この新しいスタティックミキサーの設計では、新しい積層製造技術を使用して、クロマトグラフィー業界で現在静的混合を実現するために使用されているどのミキサーよりも少ない内部流量で、独自の3D構造を生み出しています。このようなミキサーは、液体が内部で複雑な幾何学的障壁を通過する際に、断面積と経路長が異なる相互接続された 3 次元フロー チャネルで構成されます。図 1b は、入口と出口に業界標準の 10-32 スレッド HPLC 圧縮フィッティングを使用し、特許取得済みの内部ミキサー ポートの境界が青色で網掛けされた新しいミキサーの概略図を示します。内部フロー パスの断面積が異なり、内部フロー ボリューム内の流れ方向が変化することで、乱流と層流の領域が生成され、マイクロ、メソ、マクロ スケールで混合が起こります。この独自のミキサーの設計では、数値流体力学 (CFD) シミュレーションを使用してフロー パターンを分析し、社内分析テストと顧客のフィールド評価用の試作品を作成する前に設計を改良しました。付加製造とは、従来の機械加工 (フライス盤、旋盤など) を必要とせずに、CAD 図面から 3D 形状コンポーネントを直接印刷するプロセスです。これらの新しいスタティックミキサーは、このプロセスを用いて製造されるように設計されています。このプロセスでは、ミキサー本体をCAD図面から作成し、部品を積層造形法を用いて層ごとに製造（印刷）します。このプロセスでは、約20ミクロンの厚さの金属粉末層を堆積させ、コンピュータ制御のレーザーが粉末を選択的に溶融・融合させて固体にします。この層の上に別の層を塗布し、レーザー焼結法を適用します。部品が完全に完成するまでこのプロセスを繰り返します。その後、レーザー接合されていない部分から粉末を除去し、元のCAD図面と一致する3Dプリント部品を残します。最終製品はマイクロ流体プロセスに似ていますが、主な違いは、マイクロ流体部品は通常2次元（平面）であるのに対し、積層造形法を用いると複雑な流動パターンを3次元形状で作成できることです。これらの蛇口は現在、316Lステンレス鋼とチタン製の3Dプリント部品として入手可能です。ほとんどの金属合金、ポリマー、および一部のセラミックは、この方法を用いて部品を製造でき、将来の設計/製品で検討される予定です。
米。1. 90μlのモットスタティックミキサーの写真（a）と図（b）。ミキサーの流体流路の断面が青で示されています。
設計段階でスタティックミキサーの性能に関する数値流体力学（CFD）シミュレーションを実行することで、効率的な設計の開発を支援し、時間とコストのかかる試行錯誤の実験を削減します。COMSOL Multiphysicsソフトウェアパッケージを用いたスタティックミキサーと標準配管（ミキサーなしのシミュレーション）のCFDシミュレーション。圧力駆動型層流流体力学を用いたモデリングにより、部品内の流体速度と圧力を解析します。この流体力学と移動相化合物の化学輸送を組み合わせることで、2種類の異なる高濃度液体の混合挙動を理解するのに役立ちます。このモデルは、比較可能な解を探す際の計算を容易にするため、10秒を基準とした時間の関数として検討されます。理論データは、ポイントプローブ投影ツールを用いた時間相関解析によって得られ、出口の中央の点がデータ収集に選択されました。CFDモデルと実験テストでは、比例サンプリングバルブとポンプシステムを介して2種類の溶媒を使用し、サンプリングライン内の溶媒ごとに交換用プラグを使用しました。これらの溶媒は、スタティックミキサー内で混合されます。図2と図3は、それぞれ標準配管（ミキサーなし）とモットスタティックミキサーを通過する流れのシミュレーションを示しています。このシミュレーションは、図2に示すように、スタティックミキサーなしで水と純アセトニトリルを交互にチューブ内に注入する概念を示すために、長さ5cm、内径0.25mmの直管で実行されました。シミュレーションでは、チューブとミキサーの正確な寸法を使用し、流量は0.3ml/分としました。
ライス。2. 内径0.25 mm、直径5 cmのチューブ内の流れをCFDでシミュレーションし、ミキサーがない場合のHPLCチューブ内の流れを再現しました。赤色は水の質量分率、青色は水がない場合、つまり純粋なアセトニトリルを表します。2種類の異なる液体が交互に並んだプラグ間に拡散領域が見られます。
米。3. COMSOL CFDソフトウェアパッケージでモデル化された、容量30mlのスタティックミキサー。凡例はミキサー内の水の質量分率を表しています。純水は赤、純アセトニトリルは青で示されています。シミュレーションで得られた水の質量分率の変化は、2つの液体が混合される際の色の変化によって表されています。
図4は、混合効率と混合容積の相関モデルの検証研究を示しています。混合容積が増加すると、混合効率も増加します。著者らの知る限り、このCFDモデルではミキサー内部に作用する他の複雑な物理的力を考慮できず、その結果、実験では混合効率が高くなっています。実験での混合効率は、基本正弦波の減少率として測定されました。また、背圧の上昇は通常、混合レベルを高めますが、これはシミュレーションでは考慮されていません。
以下のHPLC条件と試験設定を用いて、生の正弦波を測定し、様々なスタティックミキサーの相対的な性能を比較しました。図5は、典型的なHPLC/UHPLCシステムのレイアウトを示しています。スタティックミキサーは、ポンプの直後、インジェクターと分離カラムの前に配置して試験しました。バックグラウンド正弦波測定のほとんどは、スタティックミキサーとUV検出器の間のインジェクターとキャピラリーカラムをバイパスして行われます。S/N比の評価やピーク形状の解析を行う場合は、図5に示すシステム構成を使用します。
図4. 各種スタティックミキサーの混合効率と混合容積の関係。理論上の不純物濃度は実験上の不純物濃度データと同じ傾向を示しており、CFDシミュレーションの妥当性を裏付けています。
このテストに使用した HPLC システムは、Chemstation ソフトウェアを実行する PC で制御される UV 検出器を備えた Agilent 1100 シリーズ HPLC でした。表 1 は、2 つのケース スタディで基本正弦波を監視することによってミキサー効率を測定するための一般的なチューニング条件を示しています。実験テストは、2 つの異なる溶媒例で実行されました。ケース 1 で混合された 2 つの溶媒は、溶媒 A (脱イオン水中の 20 mM 酢酸アンモニウム) と溶媒 B (80% アセトニトリル (ACN)/20% 脱イオン水) でした。ケース 2 では、溶媒 A は脱イオン水中の 0.05% アセトン (ラベル) の溶液でした。溶媒 B は、80/20% メタノールと水の混合物です。ケース 1 では、ポンプの流量は 0.25 ml/分～1.0 ml/分に設定され、ケース 2 では、ポンプは 1 ml/分の一定流量に設定されました。どちらの場合も、溶媒 A と B の混合比は 20% A/80% B でした。検出器はケース 1 では 220 nm に設定され、ケース 2 のアセトンの最大吸収は 265 nm の波長に設定されました。
表1. ケース1と2のHPLC構成 ケース1 ケース2 ポンプ速度 0.25 ml/分～1.0 ml/分 1.0 ml/分 溶媒A 20 mM酢酸アンモニウム（脱イオン水） 0.05%アセトン（脱イオン水） 溶媒B 80%アセトニトリル（ACN）/ 20%脱イオン水 80%メタノール/ 20%脱イオン水 溶媒比 20% A / 80% B 20% A / 80% B 検出器 220 nm 265 nm
ライス。6. 信号のベースラインドリフト成分を除去するためにローパスフィルターを適用する前と適用した後で測定された混合正弦波のグラフ。
図 6 は、ケース 1 の混合ベースライン ノイズの一般的な例であり、ベースライン ドリフトに重ねられた繰り返される正弦波パターンとして示されています。ベースライン ドリフトは、バックグラウンド信号の緩やかな増加または減少です。システムが十分な時間平衡化できない場合、通常は低下しますが、システムが完全に安定している場合でも不規則にドリフトします。このベースライン ドリフトは、システムが急勾配または高背圧状態で動作している場合に増加する傾向があります。このベースライン ドリフトが存在すると、サンプル間の結果の比較が困難になる可能性がありますが、生データにローパス フィルターを適用してこれらの低周波の変動を除去することで、平坦なベースラインを持つ振動プロットを提供することでこれを克服できます。図 6 には、ローパス フィルター適用後のミキサーのベースライン ノイズのプロットも示されています。
CFDシミュレーションと初期実験試験を完了した後、上記の内部コンポーネントを用いて、30µl、60µl、90µlの3種類の内部容量を持つ3台のスタティックミキサーを開発しました。この範囲は、低振幅ベースラインを生成するために混合性能の向上と低分散が求められる、分析対象物濃度の低いHPLCアプリケーションに必要な容量範囲と混合性能をカバーします。図7は、例1のテストシステム（トレーサーとしてアセトニトリルと酢酸アンモニウムを使用）で、3種類のスタティックミキサーを使用した場合とミキサーを設置しなかった場合の基本的な正弦波測定結果を示しています。図7に示す結果の実験試験条件は、表1に示す手順に従い、溶媒流量0.5ml/分で4つのテストすべてを通して一定に保たれました。データセットにオフセット値を適用することで、信号が重ならないように並べて表示できます。オフセットは、ミキサーの性能レベルを判断するために使用される信号の振幅には影響しません。ミキサーなしの平均正弦波振幅は 0.221 mAi でしたが、30 µl、60 µl、90 µl の静的モット ミキサーの振幅はそれぞれ 0.077、0.017、0.004 mAi に低下しました。
図 7: ケース 1 (酢酸アンモニウム指示薬を含むアセトニトリル) の HPLC UV 検出器信号オフセットと時間の関係。ミキサーなし、30 µl、60 µl、90 µl のモットミキサーを使用した場合の溶媒混合で、スタティックミキサーの容量が増加するにつれて混合が改善されます (信号振幅が低下)。(実際のデータ オフセット: 0.13 (ミキサーなし)、0.32、0.4、0.45 mA (表示を見やすくするため))。
図 8 に示すデータは図 7 と同じですが、今回は、内容積が 50 µl、150 µl、250 µl の 3 つの一般的な HPLC スタティック ミキサーの結果が含まれています。図 8. ケース 1 (指示薬としてアセトニトリルと酢酸アンモニウム) の HPLC UV 検出器信号オフセットと時間のプロット。スタティック ミキサーなしの溶媒の混合、新しいシリーズの Mott スタティック ミキサー、および 3 つの従来のミキサーを示しています (実際のデータ オフセットは、表示効果を高めるためにそれぞれ 0.1 (ミキサーなし)、0.32、0.48、0.6、0.7、0.8、0.9 mA です)。基本正弦波のパーセンテージの減少は、ミキサーを設置していない場合の振幅に対する正弦波の振幅の比によって計算されます。ケース 1 と 2 で測定された正弦波減衰率は、新しいスタティックミキサーと業界で一般的に使用されている 7 つの標準ミキサーの内容積とともに、表 2 に示されています。図 8 と 9 のデータ、および表 2 に示されている計算から、Mott スタティックミキサーは最大 98.1% の正弦波減衰を提供でき、これらのテスト条件下では従来の HPLC ミキサーの性能をはるかに上回っていることがわかります。図 9. ケース 2 (トレーサーとしてメタノールとアセトンを使用) の HPLC UV 検出器信号オフセットと時間のプロット。スタティックミキサーなし (組み合わせ)、新しいシリーズの Mott スタティックミキサー、および 2 つの従来のミキサーが表示されています (実際のデータ オフセットは 0、11 (ミキサーなし)、0.22、0.3、0.35 mA、および見やすくするためのものです)。業界で一般的に使用されている 7 つのミキサーも評価されました。これらには、A社（ミキサーA1、A2、A3と指定）とB社（ミキサーB1、B2、B3と指定）の3種類の内容積を持つミキサーが含まれます。C社は1種類のサイズのみを定格としていました。
表 2. スタティックミキサーの撹拌特性と内部容積 スタティックミキサー ケース 1 正弦波回収率：アセトニトリル試験（効率） ケース 2 正弦波回収率：メタノール水試験（効率） 内部容積（µl） ミキサーなし – - 0 Mott 30 65% 67.2% 30 Mott 60 92.2% 91.3% 60 Mott 90 98.1% 97.5% 90 ミキサー A1 66.4% 73.7% 50 ミキサー A2 89.8% 91.6% 150 ミキサー A3 92.2% 94.5% 250 ミキサー B1 44.8% 45.7% 9 35 ミキサー B2 845.% 96.2% 370 ミキサー C 97.2% 97.4% 250
図 8 と表 2 の結果を分析すると、30 µl Mott スタティック ミキサーの混合効率は A1 ミキサー (50 µl) と同じであることがわかりますが、30 µl Mott は内容積が 30% 少なくなっています。60 µl Mott ミキサーと内容積 150 µl の A2 ミキサーを比較すると、混合効率が 92% 対 89% とわずかに向上しましたが、さらに重要なのは、この高いレベルの混合がミキサー容量の 1/3 で達成されたことです。同様のミキサー A2。90 µl Mott ミキサーのパフォーマンスは、内容積 250 µl の A3 ミキサーと同じ傾向を示しました。内容積が 3 分の 1 に減少したにもかかわらず、混合性能が 98% と 92% 向上したことも確認されました。ミキサー B および C でも同様の結果と比較が得られました。結果として、新しいシリーズのスタティック ミキサー Mott PerfectPeakTM は、同等の競合他社のミキサーよりも高い混合効率を提供しながら、内容積が小さいため、バックグラウンド ノイズと信号対雑音比が優れ、分析対象物の感度、ピーク形状、ピーク分解能が向上しています。 ケース 1 とケース 2 の両方の調査で、混合効率の同様の傾向が見られました。 ケース 2 では、メタノールとアセトンを指標として使用してテストを実行し、60 ml Mott、同等のミキサー A1 (内容積 50 µl)、および同等のミキサー B1 (内容積 35 µl) の混合効率を比較しました。 では、ミキサーを設置しないとパフォーマンスが不十分でしたが、ベースライン分析に使用されました。 60 ml Mott ミキサーはテスト グループで最高のミキサーであることが判明し、混合効率が 90% 増加しましたケース1の正弦曲線テストと同じ条件で、流量のみを変更した一連のミキサーで、流量による基本的な正弦波減衰テストを実施しました。データは、流量0.25〜1 ml / minの範囲で、正弦波の初期減少が3つのミキサー容量すべてで比較的一定のままであることを示しました。2つの小容量ミキサーでは、流量が低下すると正弦波収縮がわずかに増加しますが、これはミキサー内の溶媒の滞留時間が長くなり、拡散混合が増加するためと予想されます。正弦波の減算は、流量がさらに減少するにつれて増加すると予想されます。ただし、正弦波の基本減衰が最も高い最大ミキサー容量では、正弦波の基本減衰は実質的に変化せず（実験不確かさの範囲内）、値は95％〜98％の範囲でした。 10. ケース 1 における正弦波の基本減衰と流量の関係。このテストは、アセトニトリルと水の 80/20 混合液の 80% と 20 mM 酢酸アンモニウムの 20% を注入し、可変流量で正弦波テストと同様の条件下で実施しました。
30 µl、60 µl、90 µlの3つの内容積を持つ、特許取得済みのPerfectPeakTMインラインスタティックミキサーの新製品シリーズは、優れた混合性能と低い拡散フロアを必要とするほとんどのHPLC分析に必要な容量と混合性能範囲をカバーします。新しいスタティックミキサーは、新しい3Dプリンティング技術を使用して、内部混合物の単位容量あたりのベースノイズを最も高い割合で低減する、流体力学的スタティックミキシングを向上させる独自の3D構造を作成することでこれを実現しています。従来のミキサーの内容積の1/3を使用することで、ベースノイズが98%低減します。このようなミキサーは、液体が内部の複雑な幾何学的障壁を横切る際に、断面積と経路長が異なる相互接続された3次元フローチャネルで構成されています。新しいスタティックミキサーファミリーは、競合するミキサーよりも優れた性能を提供しながら内容積が小さいため、信号対雑音比が向上し、定量限界が低くなるほか、ピーク形状、効率、分解能が向上して感度が向上します。
この号では、クロマトグラフィー、環境に優しいRP-HPLC、分析および精製においてアセトニトリルをイソプロパノールに置き換えるコアシェルクロマトグラフィーの使用、新しいガスクロマトグラフ…について取り上げます。
ビジネスセンターインターナショナルラボメイトリミテッドオークコートサンドリッジパーク、ポーターズウッドセントオールバンズハートフォードシャーAL3 6PHイギリス