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）システムの厳しい要件を満たすように特別に設計された、革新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つ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、感度が低下します。スタティックミキサーの内部容積と物理的寸法を最小限に抑えつつ、2つ以上の流体を均一にスタティック混合することは、理想的なスタティックミキサーの最高水準です。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独自の3D構造を作成することでこれを実現し、混合物の内部容積あたりのベース正弦波の低減率が最大となる、改善された流体力学的スタティック混合を提供します。従来のミキサーの内部容積の1/3を使用することで、ベース正弦波を98%低減できます。ミキサーは、流体が複雑な3D形状を通過するにつれて断面積と経路長が変化する相互接続された3D流路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は、局所的な乱流や渦と相まって、ミクロ、メソ、マクロの各スケールで混合をもたらします。この独自のミキサーは、計算流体力学（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、最小限の内部容積で優れた混合が実現されることを示しています。
30年以上にわたり、液体クロマトグラフィーは医薬品、農薬、環境保護、法医学、化学分析など、多くの産業で利用されてきました。ppm以下の濃度で測定できる能力は、あらゆる産業における技術開発にとって不可欠です。混合効率が低いと信号対雑音比が低下し、検出限界や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ものもあるため、外部手段を用いて強制的に混合し、均一化する必要がある場合があります。溶媒が十分に混合されないと、HPLCクロマトグラムが劣化し、過剰なベースラインノイズやピーク形状の悪化として現れることがあります。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（上昇と下降）として現れます。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します。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、ユーザーがより低い検出限界（感度）を達成できるように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を、最小限の容量と最大限のシステムスループットと組み合わせたものです。さらに、分析が複雑化するにつれて、分析者はより極性が高く混合しにくい溶媒を日常的に使用する必要があります。これは、将来の試験においてより良い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。
Mott は最近、内部容量が 30 µl、60 µl、90 µl の 3 種類ある、特許取得済みの PerfectPeak™ インライン静的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、混合の改善と分散の低減が求められるほとんどの HPLC テストに必要な容量と混合特性の範囲をカバーしています。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発揮します。これらは、不活性にするために不動態化処理された 316L ステンレス鋼で作られていますが、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可能です。これらのミキサーの最大動作圧力は最大 20,000 psi です。図 1a は、このタイプの標準的なミキサーよりも小さな内部容量を使用しながら最大の混合効率を提供するように設計された 60 µl Mott 静的ミキサーの写真です。この新しい静的ミキサーの設計は、新しい積層造形技術を使用して独自の 3D 構造を作成し、静的混合を実現するためにクロマトグラフィー業界で現在使用されているどのミキサーよりも少ない内部流量を使用します。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通過する際に、断面積と経路長が異なる相互接続された三次元流路で構成されています。図1bは、新しいミキサーの概略図を示しています。このミキサーは、入口と出口に業界標準の10-32ネジ付きHPLC圧縮継手を使用し、特許取得済みの内部ミキサーポートの青い境界線が網掛けされています。内部流路の断面積の違いと内部流路容積内での流れ方向の変化により、乱流と層流の領域が生成され、ミクロ、メソ、マクロスケールでの混合が起こります。この独自のミキサーの設計では、計算流体力学（CFD）シミュレーションを使用して流れパターンを分析し、社内分析テストと顧客の現場評価のためのプロトタイプを作成する前に設計を改良しました。積層造形は、従来の機械加工（フライス盤、旋盤など）を必要とせずに、CAD図面から直接3D幾何学的コンポーネントを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、CAD図面に基づいてミキサー本体を作成し、積層造形を用いて部品を層ごとに製造（プリント）するこのプロセスで製造されるように設計されています。ここでは、厚さ約20ミクロンの金属粉末の層を堆積させ、コンピューター制御のレーザーで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重ね、レーザー焼結を行います。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図面に一致する3Dプリント部品が残ります。最終製品はマイクロ流体プロセスと多少似ていますが、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、積層造形を使用すると3次元形状で複雑な流れパターンを作成できる点です。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スは、この方法を使用して部品を作成するために使用でき、将来の設計/製品で検討される予定です。
米。1. 90 μl モット静的ミキサーの写真（a）と図（b）。ミキサーの流体流路の断面を青色で網掛けして示す。
設計段階で静的ミキサーの性能の計算流体力学 (CFD) シミュレーションを実行して、効率的な設計の開発と、時間とコストのかかる試行錯誤実験の削減に役立てます。COMSOL Multiphysics ソフトウェアパッケージを使用して、静的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 シミュレーションを実行します。圧力駆動層流流体力学を使用してモデル化し、部品内の流体速度と圧力を理解します。この流体力学は、移動相化合物の化学輸送と組み合わされて、2 種類の異なる濃縮液体の混合を理解するのに役立ちます。モデルは、比較可能なソリューションを探索しながら計算を容易にするために、10 秒に等しい時間の関数として研究されます。理論データは、ポイントプローブ投影ツールを使用した時間相関研究で取得され、データ収集のために出口の中央の点が選択されました。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 種類の異なる溶媒を使用し、サンプリングライン内の各溶媒の交換プラグができました。これらの溶媒は、静的ミキサーで混合されます。図2と図3は、それぞれ標準パイプ（ミキサーなし）とモット静的ミキサーを通る流れのシミュレーションを示しています。図2に示すように、静的ミキサーがない場合、長さ5cm、内径0.25mmの直管に水と純粋なアセトニトリルのプラグを交互に注入するという概念を実証するために、シミュレーションを実行しました。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と、0.3ml/分の流量を使用しました。
米。2. 内径0.25 mm、長さ5 cmのチューブ内でのCFD流れのシミュレーション。これは、ミキサーがないHPLCチューブ内で何が起こるかを再現したものです。赤色は水の質量分率を表します。青色は水がない状態、つまり純粋なアセトニトリルを表します。2種類の異なる液体のプラグが交互に並ぶ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。純水は赤色、純アセトニトリルは青色で示されています。シミュレーションされた水の質量分率の変化は、2つの液体の混合色の変化によって表されます。
図4は、混合効率と混合量の相関モデルの検証研究を示しています。混合量が増加すると、混合効率も増加します。著者らの知る限り、ミキサー内部で作用するその他の複雑な物理的力は、このCFDモデルでは考慮されておらず、実験試験では混合効率が高くなっています。実験的な混合効率は、基本正弦波の減少率として測定されました。さらに、背圧の増加は通常、混合レベルを上昇させますが、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条件と試験設定を使用して、生の正弦波を測定し、異なる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の図は、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テストしました。ほとんどのバックグラウンド正弦波測定は、スタティックミキサーとUV検出器の間にある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いました。信号対雑音比を評価したり、ピーク形状を分析したりする際のシステム構成を図5に示します。
図4．各種スタティックミキサーにおける混合効率と混合量の関係を示すグラフ。理論上の不純物濃度は実験的に得られた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が確認された。
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典型的なチューニング条件を示しています。実験テストは、2つの異なる溶媒の例で実施されました。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）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、ポンプは0.25 ml/minから1.0 ml/minの流量に設定され、ケース2では、ポンプは1 ml/minの一定流量に設定されました。いずれの場合も、溶媒Aと溶媒Bの混合比は20%A/80%Bであった。ケース1では検出器を220nmに設定し、ケース2ではアセトンの最大吸収波長を265nmに設定した。
表1. ケース1およびケース2のHPLC構成 ケース1 ケース2 ポンプ速度 0.25 ml/min～1.0 ml/min 1.0 ml/min 溶媒A 脱イオン水中の20 mM酢酸アンモニウム 脱イオン水中の0.05%アセトン 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後に測定された混合正弦波のプロット。
図 6 は、ケース 1 における混合ベースライン ノイズの典型的な例であり、ベースライン ドリフトに重ね合わされた繰り返しの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。システムが十分に平衡状態になるまで放置されないと、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条件下で動作しているとき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場合、サンプル間の結果を比較することが困難になる場合がありますが、生データにローパス フィルタを適用してこれらの低周波変動をフィルタリングすることで、ベースラインが平坦な振動プロットを得ることができます。図 6 には、ローパス フィルタを適用した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テストを完了した後、上記で説明した内部コンポーネントを使用して、内部容量が 30 µl、60 µl、90 µl の 3 つの独立したスタティック ミキサーが開発されました。この範囲は、低振幅ベースラインを生成するために混合の改善と分散の低減が求められる低分析物 HPLC アプリケーションに必要な容量と混合性能の範囲をカバーしています。図 7 には、スタティック ミキサーの 3 つの容量とミキサーが設置されていない場合の、実施例 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) で得られた基本的な正弦波の測定結果が示されています。図 7 に示す結果の実験テスト条件は、表 1 に概説されている手順に従って、溶媒流量 0.5 ml/min で 4 つのテストすべてで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して、信号の重なりなしに並べて表示できるようにします。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。ミキサーなしの場合の平均正弦波振幅は0.221 mAiであったが、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に低下した。
図7. ケース1（酢酸アンモニウム指示薬入りアセトニトリル）におけるHPLC UV検出器信号オフセット対時間。ミキサーなし、30 µl、60 µl、90 µlのMottミキサーを使用した溶媒混合を示し、静的ミキサーの容量が増加するにつれて混合が改善される（信号振幅が低下する）ことを示している。（実際のデータオフセット：0.13（ミキサーなし）、0.32、0.4、0.45mA（表示を分かりやすくするため））。
図 8 に示すデータは図 7 と同じですが、今回は内部容量が 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 (アセトニトリルと酢酸アンモニウムを指示薬として使用) の HPLC UV 検出器信号オフセット対時間プロット。スタティック ミキサーなし、新しいシリーズの Mott スタティック ミキサー、および 3 つの従来型ミキサー (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) での溶媒の混合を示しています。 ベース正弦波の減少率は、正弦波の振幅とミキサーを設置しない場合の振幅の比によって計算されます。ケース 1 と 2 の測定された正弦波減衰率を表 2 に示します。表 2 には、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部容積も示されています。図 8 と 9 のデータ、および表 2 に示されている計算結果は、Mott スタティック ミキサーが最大 98.1% の正弦波減衰を実現でき、これらのテスト条件下での従来の HPLC ミキサーの性能をはるかに上回っていることを示しています。図 9. ケース 2 (メタノールとアセトンをトレーサーとして使用) の HPLC UV 検出器信号オフセット対時間プロット。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 つの従来型ミキサー (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 で、表示を良くするために 0 に設定されています)。業界で一般的に使用されている 7 つのミキサーも評価しました。これらには、A社製の3種類の内部容量を持つミキサー（ミキサーA1、A2、A3と表記）と、B社製のミキサー（ミキサーB1、B2、B3と表記）が含まれます。C社製のミキサーは1種類のサイズのみでした。
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: アセトニトリル試験 (効率) ケース 2 正弦波回収: 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 および表 2 の結果を分析すると、30 µl Mott スタティックミキサーは A1 ミキサーと同じ混合効率、つまり 50 µl であることがわかりますが、30 µl Mott は内部容積が 30% 少なくなっています。60 µl Mott ミキサーと内部容積 150 µl の A2 ミキサーを比較すると、混合効率は 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積の 1/3 で達成されたことです。同様のミキサー A2。90 µl Mott ミキサーの性能は、内部容積 250 µl の A3 ミキサーと同じ傾向を示しました。内部容積が 3 分の 1 に減少した場合でも、混合性能が 98% と 92% 向上しました。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。その結果、新しい静的ミキサー Mott PerfectPeakTM シリーズは、同等の競合ミキサーよりも高い混合効率を提供しますが、内部容量は少なく、バックグラウンド ノイズと信号対雑音比、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。混合効率の同様の傾向は、ケース 1 とケース 2 の両方の研究で観察されました。ケース 2 では、60 ml Mott、同等のミキサー A1 (内部容量 50 µl)、および同等のミキサー B1 (内部容量 35 µl) の混合効率を比較するために、(メタノールとアセトンを指標として使用) でテストを実施しました。ミキサーを取り付けないとパフォーマンスは劣っていましたが、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証明され、混合効率が 90% 向上しました。同等のミキサー A1 では混合効率が 75% 向上し、同等のミキサー B1 では 45% 向上しました。流量を変えた基本的な正弦波減衰試験を、ケース 1 の正弦曲線試験と同じ条件下で、流量のみを変えて一連のミキサーで実施した。データによると、流量が 0.25 ～ 1 ml/min の範囲では、正弦波の初期減衰は、3 つのミキサー容量すべてで比較的一定であった。容量の小さい 2 つのミキサーでは、流量が減少するにつれて正弦波の収縮がわずかに増加したが、これはミキサー内の溶媒の滞留時間が増加し、拡散混合が増加するため予想される。流量がさらに減少すると、正弦波の減算が増加すると予想される。しかし、正弦波の基底減衰が最も大きい最大のミキサー容量では、正弦波の基底減衰は実質的に変化せず (実験的不確実性の範囲内)、値は 95% ～ 98% の範囲であった。 10. ケース1における流量に対する正弦波の基本減衰。このテストは、可変流量での正弦波テストと同様の条件下で実施され、アセトニトリルと水の80/20混合物の80%と20mM酢酸アンモニウムの20%を注入した。
新たに開発された特許取得済みのPerfectPeak™インラインスタティックミキサーシリーズは、内部容量が30 µl、60 µl、90 µlの3種類あり、混合性能と分散フロアの改善が求められるほとんどのHPLC分析に必要な容量と混合性能の範囲をカバーします。この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用いて独自の3D構造を作成することで、内部混合液の単位容量あたりのベースノイズを最大割合で低減し、流体力学的スタティック混合を改善しています。従来のミキサーの内部容量の1/3を使用することで、ベースノイズを98%削減できます。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次元流路で構成されています。この新しいスタティックミキサーシリーズは、競合製品よりも内部容量が少ないにもかかわらず、性能が向上しており、信号対雑音比の向上、定量限界の低下、ピーク形状の改善、効率と分解能の向上による高感度化を実現しています。
今号の内容：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けるアセトニトリルをイソプロパノールに置き換えるための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…
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