Er is een revolutionaire nieuwe inline statische mixer ontwikkeld, speciaal ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van systemen voor hogeprestatievloeistofchromatografie (HPLC) en ultrahogeprestatievloeistofchromatografie (HPLC en UHPLC). Slechte menging van twee of meer mobiele fasen kan resulteren in een hogere signaal-ruisverhouding, wat de gevoeligheid vermindert. Homogene statische menging van twee of meer vloeistoffen met een minimaal intern volume en de fysieke afmetingen van een statische mixer vertegenwoordigt de hoogste standaard voor een ideale statische mixer. De nieuwe statische mixer bereikt dit door gebruik te maken van nieuwe 3D-printtechnologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die zorgt voor verbeterde hydrodynamische statische menging met de hoogste percentagereductie van de basissinusgolf per eenheid intern volume van het mengsel. Door 1/3 van het interne volume van een conventionele mixer te gebruiken, wordt de basissinusgolf met 98% gereduceerd. De mixer bestaat uit onderling verbonden 3D-stroomkanalen met variërende dwarsdoorsneden en padlengtes terwijl de vloeistof complexe 3D-geometrieën doorkruist. Mengen langs meerdere kronkelige stromingspaden, gecombineerd met lokale turbulentie en wervelingen, resulteert in menging op micro-, meso- en macroschaal. Deze unieke mixer is ontworpen met behulp van computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulaties. De gepresenteerde testgegevens tonen aan dat uitstekende menging wordt bereikt met een minimaal intern volume.
Vloeistofchromatografie wordt al meer dan 30 jaar gebruikt in vele industrieën, waaronder de farmaceutische industrie, de pesticidenindustrie, de milieubescherming, de forensische wetenschap en de chemische analyse. Het vermogen om tot op ppm (parts per million) of minder te meten, is cruciaal voor de technologische ontwikkeling in elke industrie. Een slechte mengefficiëntie leidt tot een slechte signaal-ruisverhouding, wat een doorn in het oog is van de chromatografiegemeenschap wat betreft detectielimieten en gevoeligheid. Bij het mengen van twee HPLC-oplosmiddelen is het soms nodig om de menging met externe middelen te forceren om de twee oplosmiddelen te homogeniseren, omdat sommige oplosmiddelen niet goed mengen. Als oplosmiddelen niet grondig worden gemengd, kan degradatie van het HPLC-chromatogram optreden, wat zich manifesteert in overmatige basislijnruis en/of een slechte piekvorm. Bij slechte menging zal basislijnruis zich na verloop van tijd voordoen als een sinusgolf (stijgend en dalend) van het detectorsignaal. Tegelijkertijd kan slechte menging leiden tot bredere en asymmetrische pieken, waardoor de analytische prestaties, piekvorm en piekresolutie afnemen. De industrie heeft erkend dat in-line en T-stuk statische mixers een manier zijn om deze limieten te verbeteren en gebruikers in staat te stellen lagere detectielimieten (gevoeligheden) te bereiken. De ideale statische mixer combineert de voordelen van een hoge mengefficiëntie, een laag dood volume en een lage drukval met een minimaal volume en een maximale systeemdoorvoer. Bovendien moeten analisten, naarmate analyses complexer worden, routinematig meer polaire en moeilijk mengbare oplosmiddelen gebruiken. Dit betekent dat betere menging een must is voor toekomstige tests, waardoor de behoefte aan een superieur mixerontwerp en -prestaties verder toeneemt.
Mott heeft onlangs een nieuwe reeks gepatenteerde PerfectPeakTM inline statische mixers ontwikkeld met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl. Deze formaten bestrijken het volumebereik en de mengkarakteristieken die nodig zijn voor de meeste HPLC-tests waarbij verbeterde menging en lage dispersie vereist zijn. Alle drie de modellen hebben een diameter van 0,5 inch en leveren toonaangevende prestaties in een compact ontwerp. Ze zijn gemaakt van roestvrij staal 316L, gepassiveerd voor inertheid, maar titanium en andere corrosiebestendige en chemisch inerte metaallegeringen zijn ook verkrijgbaar. Deze mixers hebben een maximale werkdruk tot 20.000 psi. Afb. 1a toont een foto van een 60 µl Mott statische mixer, ontworpen om maximale mengefficiëntie te bieden met een kleiner intern volume dan standaardmixers van dit type. Dit nieuwe ontwerp van de statische mixer maakt gebruik van nieuwe additieve productietechnologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die minder interne stroming gebruikt dan alle andere mixers die momenteel in de chromatografie-industrie worden gebruikt om statische menging te bereiken. Dergelijke mixers bestaan ​​uit onderling verbonden driedimensionale stromingskanalen met verschillende dwarsdoorsneden en padlengtes, terwijl de vloeistof complexe geometrische barrières binnenin passeert. In fig. 1b wordt een schema weergegeven van de nieuwe mixer, die gebruikmaakt van industriestandaard 10-32 HPLC-knelkoppelingen met schroefdraad voor de in- en uitlaat, en met gearceerde blauwe randen van de gepatenteerde interne mixerpoort. Verschillende dwarsdoorsneden van de interne stromingspaden en veranderingen in de stromingsrichting binnen het interne stromingsvolume creëren gebieden met turbulente en laminaire stroming, wat menging op micro-, meso- en macroschaal veroorzaakt. Het ontwerp van deze unieke mixer is gebaseerd op computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulaties om stromingspatronen te analyseren en het ontwerp te verfijnen, voordat er een prototype werd gemaakt voor interne analytische tests en evaluatie bij de klant in het veld. Additieve productie is het proces waarbij 3D-geometrische componenten rechtstreeks vanuit CAD-tekeningen worden geprint, zonder dat traditionele bewerkingen (freesmachines, draaibanken, enz.) nodig zijn. Deze nieuwe statische mengers zijn ontworpen om met dit proces te worden geproduceerd, waarbij de mengerbehuizing wordt gemaakt op basis van CAD-tekeningen en de onderdelen laag voor laag worden gefabriceerd (geprint) met behulp van additieve productie. Hierbij wordt een laag metaalpoeder van ongeveer 20 micron dik aangebracht, waarna een computergestuurde laser het poeder selectief smelt en samensmelt tot een vaste vorm. Breng vervolgens een tweede laag aan en pas lasersintering toe. Herhaal dit proces totdat het onderdeel volledig is voltooid. Het poeder wordt vervolgens van het niet-lasergebonden onderdeel verwijderd, waardoor een 3D-geprint onderdeel overblijft dat overeenkomt met de originele CAD-tekening. Het eindproduct is enigszins vergelijkbaar met het microfluïdische proces, met als belangrijkste verschil dat de microfluïdische componenten meestal tweedimensionaal (plat) zijn, terwijl met behulp van additieve productie complexe stromingspatronen in driedimensionale geometrie kunnen worden gecreëerd. Deze kranen zijn momenteel verkrijgbaar als 3D-geprinte onderdelen in roestvrij staal 316L en titanium. De meeste metaallegeringen, polymeren en sommige keramische materialen kunnen worden gebruikt om met deze methode componenten te maken. Deze worden meegenomen in toekomstige ontwerpen/producten.
Rijst. 1. Foto (a) en diagram (b) van een 90 μl Mott statische mixer met een dwarsdoorsnede van het stromingspad van de mixervloeistof, gearceerd in blauw.
Voer computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulaties uit van de prestaties van statische mengers tijdens de ontwerpfase om efficiënte ontwerpen te ontwikkelen en tijdrovende en kostbare trial-and-error-experimenten te verminderen. CFD-simulatie van statische mengers en standaardleidingen (simulatie zonder menger) met behulp van het COMSOL Multiphysics-softwarepakket. Modellering met drukgestuurde laminaire vloeistofmechanica om de vloeistofsnelheid en -druk binnen een onderdeel te begrijpen. Deze vloeistofdynamica, gecombineerd met het chemische transport van mobiele faseverbindingen, helpt bij het begrijpen van de menging van twee verschillende geconcentreerde vloeistoffen. Het model wordt bestudeerd als een functie van tijd, gelijk aan 10 seconden, voor eenvoudige berekeningen tijdens het zoeken naar vergelijkbare oplossingen. Theoretische gegevens werden verkregen in een tijdgecorreleerde studie met behulp van de puntprobeprojectietool, waarbij een punt in het midden van de uitlaat werd gekozen voor gegevensverzameling. Het CFD-model en de experimentele tests gebruikten twee verschillende oplosmiddelen via een proportionele bemonsteringsklep en een pompsysteem, wat resulteerde in een vervangende plug voor elk oplosmiddel in de bemonsteringsleiding. Deze oplosmiddelen worden vervolgens gemengd in een statische menger. Figuur 2 en 3 tonen stromingssimulaties door respectievelijk een standaardbuis (zonder mixer) en een statische Mott-mixer. De simulatie werd uitgevoerd met een rechte buis van 5 cm lang en 0,25 mm binnendiameter om het concept van afwisselende toevoer van water en zuivere acetonitril in de buis bij afwezigheid van een statische mixer te demonstreren, zoals weergegeven in figuur 2. De simulatie gebruikte de exacte afmetingen van de buis en de mixer en een stroomsnelheid van 0,3 ml/min.
Rijst. 2. Simulatie van CFD-stroming in een 5 cm buis met een binnendiameter van 0,25 mm om te laten zien wat er gebeurt in een HPLC-buis, d.w.z. zonder mixer. Volledig rood geeft de massafractie water aan. Blauw geeft het gebrek aan water aan, d.w.z. zuiver acetonitril. Diffusiegebieden zijn te zien tussen afwisselende klonten van twee verschillende vloeistoffen.
Rijst. 3. Statische mixer met een volume van 30 ml, gemodelleerd in het COMSOL CFD-softwarepakket. De legenda geeft de massafractie van water in de mixer weer. Zuiver water wordt in rood weergegeven en zuiver acetonitril in blauw. De verandering in de massafractie van het gesimuleerde water wordt weergegeven door een kleurverandering van het mengsel van twee vloeistoffen.
Figuur 4 toont een validatiestudie van het correlatiemodel tussen mengrendement en mengvolume. Naarmate het mengvolume toeneemt, neemt ook het mengrendement toe. Voor zover de auteurs weten, kunnen andere complexe fysieke krachten die in de mixer werken niet worden meegenomen in dit CFD-model, wat resulteert in een hoger mengrendement in experimentele tests. Het experimentele mengrendement werd gemeten als de procentuele reductie in de basissinusoïde. Bovendien resulteert een verhoogde tegendruk doorgaans in hogere mengniveaus, waarmee in de simulatie geen rekening wordt gehouden.
De volgende HPLC-omstandigheden en testopstelling werden gebruikt om ruwe sinusgolven te meten en zo de relatieve prestaties van verschillende statische mixers te vergelijken. Het diagram in Figuur 5 toont een typische HPLC/UHPLC-systeemopstelling. De statische mixer werd getest door de mixer direct na de pomp en vóór de injector en de scheidingskolom te plaatsen. De meeste sinusvormige achtergrondmetingen worden uitgevoerd door de injector en de capillaire kolom tussen de statische mixer en de UV-detector te omzeilen. Voor het evalueren van de signaal-ruisverhouding en/of het analyseren van de piekvorm wordt de systeemconfiguratie weergegeven in Figuur 5.
Figuur 4. Grafiek van de mengefficiëntie versus het mengvolume voor een reeks statische mengers. De theoretische verontreinigingswaarde volgt dezelfde trend als de experimentele verontreinigingsgegevens, wat de validiteit van de CFD-simulaties bevestigt.
Het HPLC-systeem dat voor deze test werd gebruikt, was een Agilent 1100 Series HPLC met een UV-detector, aangestuurd door een pc met Chemstation-software. Tabel 1 toont typische afstemmingsomstandigheden voor het meten van de mixerefficiëntie door middel van het monitoren van basis sinusoïden in twee casestudies. Er werden experimentele tests uitgevoerd met twee verschillende voorbeelden van oplosmiddelen. De twee oplosmiddelen die in geval 1 werden gemengd, waren oplosmiddel A (20 mM ammoniumacetaat in gedeïoniseerd water) en oplosmiddel B (80% acetonitril (ACN)/20% gedeïoniseerd water). In geval 2 was oplosmiddel A een oplossing van 0,05% aceton (gelabeld) in gedeïoniseerd water. Oplosmiddel B is een mengsel van 80/20% methanol en water. In geval 1 werd de pomp ingesteld op een debiet van 0,25 ml/min tot 1,0 ml/min, en in geval 2 werd de pomp ingesteld op een constant debiet van 1 ml/min. In beide gevallen bedroeg de verhouding van het mengsel van oplosmiddelen A en B 20% A/80% B. In geval 1 werd de detector ingesteld op 220 nm en in geval 2 werd de maximale absorptie van aceton ingesteld op een golflengte van 265 nm.
Tabel 1. HPLC-configuraties voor gevallen 1 en 2 Geval 1 Geval 2 Pompsnelheid 0,25 ml/min tot 1,0 ml/min 1,0 ml/min Oplosmiddel A 20 mM ammoniumacetaat in gedeïoniseerd water 0,05% Aceton in gedeïoniseerd water Oplosmiddel B 80% Acetonitril (ACN) / 20% gedeïoniseerd water 80% methanol / 20% gedeïoniseerd water Oplosmiddelverhouding 20% ​​A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Rijst. 6. Grafieken van gemengde sinusgolven gemeten vóór en na toepassing van een laagdoorlaatfilter om basislijndriftcomponenten van het signaal te verwijderen.
Figuur 6 is een typisch voorbeeld van gemengde basislijnruis in geval 1, weergegeven als een herhalend sinusvormig patroon gesuperponeerd op basislijndrift. Basislijndrift is een langzame toename of afname van het achtergrondsignaal. Als het systeem niet lang genoeg in evenwicht kan komen, zal het meestal dalen, maar zelfs bij volledige stabiliteit onregelmatig afdrijven. Deze basislijndrift neemt meestal toe wanneer het systeem werkt onder steile hellingen of bij hoge tegendruk. Wanneer deze basislijndrift aanwezig is, kan het moeilijk zijn om de resultaten van monster tot monster te vergelijken. Dit kan worden verholpen door een laagdoorlaatfilter op de ruwe data toe te passen om deze laagfrequente variaties eruit te filteren, waardoor een oscillatiegrafiek met een vlakke basislijn ontstaat. In figuur 6 is ook een grafiek te zien van de basislijnruis van de mixer na toepassing van een laagdoorlaatfilter.
Na voltooiing van de CFD-simulaties en de eerste experimentele testen werden vervolgens drie afzonderlijke statische mixers ontwikkeld met behulp van de hierboven beschreven interne componenten, met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl. Dit bereik omvat het bereik van volumes en mengprestaties dat vereist is voor HPLC-toepassingen met een laag gehalte aan analyten, waarbij verbeterde menging en lage dispersie vereist zijn om basislijnen met een lage amplitude te produceren. Figuur 7 toont basissinusgolfmetingen verkregen met het testsysteem van voorbeeld 1 (acetonitril en ammoniumacetaat als tracers) met drie volumes statische mixers en zonder geïnstalleerde mixers. De experimentele testomstandigheden voor de resultaten in figuur 7 werden gedurende alle vier de tests constant gehouden volgens de procedure in tabel 1 bij een oplosmiddelstroomsnelheid van 0,5 ml/min. Pas een offsetwaarde toe op de datasets zodat ze naast elkaar kunnen worden weergegeven zonder signaaloverlap. Offset heeft geen invloed op de amplitude van het signaal dat wordt gebruikt om het prestatieniveau van de mixer te beoordelen. De gemiddelde sinusvormige amplitude zonder de mixer bedroeg 0,221 mAi, terwijl de amplitudes van de statische Mott-mixers bij 30 µl, 60 µl en 90 µl respectievelijk daalden tot 0,077, 0,017 en 0,004 mAi.
Figuur 7. Signaaloffset van HPLC UV-detector versus tijd voor geval 1 (acetonitril met ammoniumacetaatindicator), waarbij oplosmiddelen worden gemengd zonder mixer, Mott-mixers van 30 µl, 60 µl en 90 µl laten een verbeterde menging zien (lagere signaalamplitude) naarmate het volume van de statische mixer toeneemt. (werkelijke gegevensoffsets: 0,13 (geen mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA voor een betere weergave).
De gegevens in figuur 8 zijn dezelfde als in figuur 7, maar deze keer bevatten ze de resultaten van drie veelgebruikte statische HPLC-mixers met interne volumes van 50 µl, 150 µl en 250 µl. Rice. Figuur 8. HPLC UV-detectorsignaaloffset versus tijdgrafiek voor geval 1 (acetonitril en ammoniumacetaat als indicatoren) met de menging van oplosmiddel zonder statische mixer, de nieuwe serie Mott-statische mixers en drie conventionele mixers (de werkelijke dataoffset is respectievelijk 0,1 (zonder mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8 en 0,9 mA voor een beter weergave-effect). De procentuele reductie van de basissinusgolf wordt berekend door de amplitude van de sinusgolf te verhouden tot de amplitude zonder de mixer. De gemeten sinusgolfverzwakkingspercentages voor Cases 1 en 2 staan ​​vermeld in Tabel 2, samen met de interne volumes van een nieuwe statische mixer en zeven standaardmixers die veel in de industrie worden gebruikt. De gegevens in Figuren 8 en 9, evenals de berekeningen in Tabel 2, tonen aan dat de Mott statische mixer tot 98,1% sinusgolfverzwakking kan bieden, wat de prestaties van een conventionele HPLC-mixer onder deze testomstandigheden ruimschoots overtreft. Figuur 9. HPLC UV-detectorsignaaloffset versus tijdgrafiek voor case 2 (methanol en aceton als tracers), met geen statische mixer (gecombineerd), een nieuwe serie Mott statische mixers en twee conventionele mixers (werkelijke dataoffsets zijn 0, 11 (zonder mixer), 0,22, 0,3 en 0,35 mA voor een betere weergave). Zeven veelgebruikte mixers in de industrie werden eveneens geëvalueerd. Hieronder vallen mixers met drie verschillende interne volumes van bedrijf A (aangeduid als mixer A1, A2 en A3) en bedrijf B (aangeduid als mixer B1, B2 en B3). Bedrijf C heeft slechts één formaat.
Tabel 2. Statische menger roerkarakteristieken en intern volume Statische menger Geval 1 Sinusoïdale terugwinning: Acetonitriltest (efficiëntie) Geval 2 Sinusoïdale terugwinning: Methanol-watertest (efficiëntie) Intern volume (µl) Geen menger – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Menger A1 66,4% 73,7% 50 Menger A2 89,8% 91,6% 150 Menger A3 92,2% 94,5% 250 Menger B1 44,8% 45,7% 9 35 Menger B2 845,% 96,2% 370 Menger C 97,2% 97,4% 250
Analyse van de resultaten in figuur 8 en tabel 2 laat zien dat de 30 µl Mott statische mixer dezelfde mengefficiëntie heeft als de A1-mixer, d.w.z. 50 µl. De 30 µl Mott heeft echter 30% minder intern volume. Bij vergelijking van de 60 µl Mott-mixer met de A2-mixer met 150 µl intern volume, was er een lichte verbetering in mengefficiëntie van 92% versus 89%. Belangrijker nog, dit hogere mengniveau werd bereikt met 1/3 van het mixervolume. De prestaties van de 90 µl Mott-mixer volgden dezelfde trend als die van de A3-mixer met een intern volume van 250 µl. Verbeteringen in mengprestaties van 98% en 92% werden ook waargenomen bij een drievoudige vermindering van het interne volume. Vergelijkbare resultaten en vergelijkingen werden verkregen voor mixers B en C. Als resultaat biedt de nieuwe serie statische mixers Mott PerfectPeakTM een hogere mengefficiëntie dan vergelijkbare mixers van concurrenten, maar met minder intern volume, wat zorgt voor betere achtergrondruis en een betere signaal-ruisverhouding, betere gevoeligheid Analyt, piekvorm en piekresolutie. Vergelijkbare trends in mengefficiëntie werden waargenomen in zowel Case 1 als Case 2 studies. Voor Case 2 werden tests uitgevoerd met (methanol en aceton als indicatoren) om de mengefficiëntie van 60 ml Mott, een vergelijkbare mixer A1 (intern volume 50 µl) en een vergelijkbare mixer B1 (intern volume 35 µl) te vergelijken. , de prestaties waren slecht zonder dat er een mixer geïnstalleerd was, maar deze werd gebruikt voor baseline-analyse. De 60 ml Mott-mixer bleek de beste mixer in de testgroep te zijn, met een 90% hogere mengefficiëntie. Een vergelijkbare Mixer A1 zag een verbetering van 75% in mengefficiëntie, gevolgd door een verbetering van 45% in een vergelijkbare B1-mixer. Een eenvoudige sinusgolfreductietest met stroomsnelheid werd uitgevoerd op een reeks mixers onder dezelfde omstandigheden als de sinuscurvetest in Case 1, waarbij alleen de stroomsnelheid werd gewijzigd. De gegevens toonden aan dat in het bereik van stroomsnelheden van 0,25 tot 1 ml/min de initiële afname van de sinusgolf relatief constant bleef voor alle drie de mixervolumes. Voor de twee kleinere volumemixers is er een lichte toename van de sinusvormige contractie naarmate de stroomsnelheid afneemt, wat verwacht wordt vanwege de langere verblijftijd van het oplosmiddel in de mixer, waardoor er meer diffusiemenging mogelijk is. De aftrekking van de sinusgolf zal naar verwachting toenemen naarmate de stroomsnelheid verder afneemt. Voor het grootste mixervolume met de hoogste basisverzwakking van de sinusgolf bleef de basisverzwakking van de sinusgolf echter vrijwel onveranderd (binnen het bereik van de experimentele onzekerheid), met waarden variërend van 95% tot 98%. Rice. 10. Basisdemping van een sinusgolf versus stroomsnelheid in geval 1. De test werd uitgevoerd onder omstandigheden die vergelijkbaar zijn met de sinustest met variabele stroomsnelheid, waarbij 80% van een 80/20-mengsel van acetonitril en water en 20% van 20 mM ammoniumacetaat werd geïnjecteerd.
De nieuw ontwikkelde reeks gepatenteerde PerfectPeakTM inline statische mixers met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl, bestrijkt het volume- en mengprestatiebereik dat vereist is voor de meeste HPLC-analyses die verbeterde menging en lage dispersievloeren vereisen. De nieuwe statische mixer bereikt dit door gebruik te maken van nieuwe 3D-printtechnologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die zorgt voor verbeterde hydrodynamische statische menging met de hoogste percentagereductie in basisruis per volume-eenheid van het interne mengsel. Door 1/3 van het interne volume van een conventionele mixer te gebruiken, wordt de basisruis met 98% verminderd. Dergelijke mixers bestaan ​​uit onderling verbonden driedimensionale stromingskanalen met verschillende dwarsdoorsneden en padlengtes naarmate de vloeistof complexe geometrische barrières binnenin passeert. De nieuwe familie statische mixers biedt verbeterde prestaties ten opzichte van concurrerende mixers, maar met een kleiner intern volume, wat resulteert in een betere signaal-ruisverhouding en lagere kwantificeringslimieten, evenals een verbeterde piekvorm, efficiëntie en resolutie voor een hogere gevoeligheid.
In dit nummer Chromatografie – Milieuvriendelijke RP-HPLC – Gebruik van kern-schilchromatografie ter vervanging van acetonitril door isopropanol bij analyse en zuivering – Nieuwe gaschromatograaf voor…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Verenigd Koninkrijk