Er is een revolutionaire nieuwe inline statische mixer ontwikkeld, specifiek ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van high-performance liquid chromatography (HPLC) en ultra high-performance liquid chromatography (UHPLC) systemen. Slechte menging van twee of meer mobiele fasen kan leiden tot een hogere signaal-ruisverhouding, wat de gevoeligheid vermindert. Homogene statische menging van twee of meer vloeistoffen met een minimaal intern volume en minimale 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 procentuele reductie van de basis sinusgolf per eenheid intern volume van het mengsel. Door slechts 1/3 van het interne volume van een conventionele mixer te gebruiken, wordt de basis sinusgolf met 98% gereduceerd. De mixer bestaat uit onderling verbonden 3D-stroomkanalen met variërende dwarsdoorsneden en padlengtes naarmate de vloeistof complexe 3D-geometrieën doorloopt. Door menging langs meerdere kronkelende stromingspaden, gecombineerd met lokale turbulentie en wervelingen, vindt menging plaats op micro-, meso- en macroschaal. Deze unieke menger is ontworpen met behulp van computervloeistofdynamica (CFD)-simulaties. De gepresenteerde testgegevens tonen aan dat uitstekende menging wordt bereikt met een minimaal intern volume.
Al meer dan 30 jaar wordt vloeistofchromatografie gebruikt in tal van industrieën, waaronder de farmaceutische industrie, de pesticidenindustrie, milieubescherming, forensisch onderzoek en chemische analyse. De mogelijkheid om te meten tot op delen per miljoen (ppm) of minder is cruciaal voor technologische ontwikkeling in elke industrie. Een slechte mengefficiëntie leidt tot een slechte signaal-ruisverhouding, wat een probleem vormt voor de chromatografiegemeenschap met betrekking tot detectielimieten en gevoeligheid. Bij het mengen van twee HPLC-oplosmiddelen is het soms nodig om de menging extern 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 als overmatige basislijnruis en/of een slechte piekvorm. Bij slechte menging zal de basislijnruis zich manifesteren als een sinusgolf (stijgend en dalend) van het detectorsignaal in de tijd. Tegelijkertijd kan slechte menging leiden tot verbreding en asymmetrie van pieken, waardoor de analytische prestaties, piekvorm en piekresolutie afnemen. De industrie heeft erkend dat statische mengers in lijn en T-stukken een middel zijn om deze limieten te verbeteren en gebruikers in staat te stellen lagere detectielimieten (gevoeligheden) te bereiken. De ideale statische menger 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 te mengen oplosmiddelen gebruiken. Dit betekent dat een betere menging essentieel is voor toekomstige testen, waardoor de behoefte aan een superieur mengerontwerp en -prestatie verder toeneemt.
Mott heeft onlangs een nieuwe reeks gepatenteerde PerfectPeak™ inline statische mixers ontwikkeld met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl. Deze formaten dekken het bereik aan volumes en mengkarakteristieken dat nodig is voor de meeste HPLC-testen 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 316L roestvrij staal, gepassiveerd voor inertheid, maar titanium en andere corrosiebestendige en chemisch inerte metaallegeringen zijn ook beschikbaar. Deze mixers hebben een maximale werkdruk tot 20.000 psi. Figuur 1a toont een foto van een 60 µl Mott statische mixer, ontworpen om maximale mengefficiëntie te bieden met een kleiner intern volume dan standaard mixers van dit type. Dit nieuwe ontwerp voor een statische menger maakt gebruik van nieuwe additieve fabricagetechnologie om een ​​unieke 3D-structuur te creëren die minder interne stroming vereist dan welke menger dan ook die momenteel in de chromatografie-industrie wordt gebruikt om statische menging te bereiken. Dergelijke mengers bestaan ​​uit onderling verbonden driedimensionale stroomkanalen met verschillende dwarsdoorsneden en verschillende padlengtes, doordat de vloeistof complexe geometrische barrières binnenin passeert. Figuur 1b toont een schematisch diagram van de nieuwe menger, die gebruikmaakt van standaard 10-32 HPLC-compressiekoppelingen met schroefdraad voor inlaat en uitlaat, en waarvan de gepatenteerde interne mengpoort blauw is gearceerd. Verschillende dwarsdoorsneden van de interne stroompaden en veranderingen in de stroomrichting binnen het interne stroomvolume creëren gebieden met turbulente en laminaire stroming, wat menging op micro-, meso- en macroschaal veroorzaakt. Bij het ontwerp van deze unieke menger werden computervloeistofdynamica (CFD)-simulaties gebruikt om stromingspatronen te analyseren en het ontwerp te verfijnen voordat prototypes werden gemaakt voor interne analytische tests en evaluatie in het veld door klanten. Additieve productie is het proces waarbij 3D geometrische componenten rechtstreeks vanuit CAD-tekeningen worden geprint, zonder de noodzaak van traditionele bewerkingstechnieken (freesmachines, draaibanken, enz.). Deze nieuwe statische mengkranen zijn ontworpen om met dit proces te worden vervaardigd. De behuizing van de mengkraan wordt gemaakt op basis van CAD-tekeningen en de onderdelen worden laag voor laag 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 tot een vaste vorm samenvoegt. Vervolgens wordt een nieuwe laag aangebracht en lasergesinterd. Dit proces wordt herhaald totdat het onderdeel volledig is afgewerkt. Het poeder wordt vervolgens verwijderd van het niet-lasergelaste deel, 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 microfluïdische componenten meestal tweedimensionaal (plat) zijn, terwijl met additieve productie complexe stromingspatronen in driedimensionale geometrie kunnen worden gecreëerd. Deze kranen zijn momenteel verkrijgbaar als 3D-geprinte onderdelen in 316L roestvrij staal en titanium. De meeste metaallegeringen, polymeren en sommige keramische materialen kunnen met deze methode worden gebruikt om componenten te maken en zullen in toekomstige ontwerpen/producten worden overwogen.
Rijst. 1. Foto (a) en diagram (b) van een 90 μl Mott statische mixer met een dwarsdoorsnede van het vloeistofstroompad in de mixer, blauw gearceerd.
Voer computationele vloeistofdynamica (CFD)-simulaties uit van de prestaties van statische mengers tijdens de ontwerpfase om efficiënte ontwerpen te ontwikkelen en tijdrovende en kostbare experimenten met vallen en opstaan ​​te verminderen. CFD-simulaties van statische mengers en standaardleidingen (simulatie zonder menger) worden uitgevoerd met behulp van het COMSOL Multiphysics-softwarepakket. Modellering met behulp van drukgedreven laminaire vloeistofmechanica om de vloeistofsnelheid en -druk binnen een onderdeel te begrijpen. Deze vloeistofdynamica, gecombineerd met het chemisch transport van mobiele fasecomponenten, helpt bij het begrijpen van het mengen van twee verschillende geconcentreerde vloeistoffen. Het model wordt bestudeerd als functie van de tijd, gelijk aan 10 seconden, om de berekeningen te vereenvoudigen bij het zoeken naar vergelijkbare oplossingen. Theoretische gegevens werden verkregen in een tijdgecorreleerde studie met behulp van de puntprobe-projectietool, waarbij een punt in het midden van de uitgang werd gekozen voor gegevensverzameling. Het CFD-model en de experimentele tests maakten gebruik van twee verschillende oplosmiddelen via een proportioneel bemonsteringsventiel en 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 respectievelijk stromingssimulaties door een standaardbuis (zonder menger) en door een statische Mott-menger. De simulatie werd uitgevoerd op een rechte buis van 5 cm lang en 0,25 mm binnendiameter om het concept te demonstreren van het afwisselend toevoeren van water en zuivere acetonitril in de buis zonder statische menger, zoals weergegeven in figuur 2. De simulatie gebruikte de exacte afmetingen van de buis en de menger en een debiet van 0,3 ml/min.
Rijst. 2. Simulatie van CFD-stroming in een buis van 5 cm met een binnendiameter van 0,25 mm om weer te geven wat er in een HPLC-buis gebeurt, d.w.z. in afwezigheid van een mixer. Volledig rood geeft de massafractie van water weer. Blauw geeft de afwezigheid van water weer, d.w.z. zuivere acetonitril. Diffusiegebieden zijn zichtbaar tussen afwisselende propjes van twee verschillende vloeistoffen.
Rijst. 3. Statische menger met een volume van 30 ml, gemodelleerd in het COMSOL CFD-softwarepakket. De legenda geeft de massafractie van water in de menger weer. Zuiver water wordt in rood weergegeven en zuivere acetonitril in blauw. De verandering in de massafractie van het gesimuleerde water wordt weergegeven door een verandering in de kleur van de menging van de twee vloeistoffen.
Figuur 4 toont een validatiestudie van het correlatiemodel tussen mengrendement en mengvolume. Naarmate het mengvolume toeneemt, neemt het mengrendement toe. Voor zover de auteurs weten, kunnen andere complexe fysische krachten die in de menger werken niet in dit CFD-model worden meegenomen, wat resulteert in een hoger mengrendement in experimentele tests. Het experimentele mengrendement werd gemeten als de procentuele reductie van de basissinusoïde. Bovendien leidt een verhoogde tegendruk doorgaans tot een hoger mengniveau, waarmee in de simulatie geen rekening is gehouden.
De volgende HPLC-condities en testopstelling werden gebruikt om ruwe sinusgolven te meten en zo de relatieve prestaties van verschillende statische mixers te vergelijken. Figuur 5 toont een typische HPLC/UHPLC-systeemopstelling. De statische mixer werd getest door deze direct na de pomp en vóór de injector en scheidingskolom te plaatsen. De meeste achtergrondmetingen van sinusgolven worden uitgevoerd door de injector en capillaire kolom tussen de statische mixer en de UV-detector te omzeilen. Bij 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 onzuiverheid volgt dezelfde trend als de experimentele onzuiverheidsgegevens, wat de geldigheid 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 afstemmingscondities voor het meten van de efficiëntie van de mixer door basis sinusoïden te monitoren in twee casestudies. Experimentele tests werden uitgevoerd met twee verschillende oplosmiddelen. De twee oplosmiddelen die in case 1 werden gemengd, waren oplosmiddel A (20 mM ammoniumacetaat in gedemineraliseerd water) en oplosmiddel B (80% acetonitril (ACN)/20% gedemineraliseerd water). In case 2 was oplosmiddel A een oplossing van 0,05% aceton (label) in gedemineraliseerd water. Oplosmiddel B is een mengsel van 80/20% methanol en water. In case 1 werd de pomp ingesteld op een debiet van 0,25 ml/min tot 1,0 ml/min, en in case 2 werd de pomp ingesteld op een constant debiet van 1 ml/min. In beide gevallen was de verhouding van het mengsel van oplosmiddelen A en B 20% A/80% B. De detector was ingesteld op 220 nm in geval 1, en de maximale absorptie van aceton in geval 2 was 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 gedemineraliseerd water 0,05% aceton in gedemineraliseerd water Oplosmiddel B 80% acetonitril (ACN) / 20% gedemineraliseerd water 80% methanol / 20% gedemineraliseerd 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 het toepassen van een laagdoorlaatfilter om de basislijnverschuivingscomponenten 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 de tijd krijgt om te stabiliseren, zal de basislijn meestal dalen, maar zal deze ook onregelmatig driften wanneer het systeem volledig stabiel is. Deze basislijndrift neemt doorgaans toe wanneer het systeem werkt onder steile gradiënt- of hoge tegendrukomstandigheden. Wanneer deze basislijndrift aanwezig is, kan het moeilijk zijn om resultaten van verschillende monsters met elkaar te vergelijken. Dit kan worden verholpen door een laagdoorlaatfilter op de ruwe data toe te passen om deze laagfrequente variaties te filteren, waardoor een oscillatiegrafiek met een vlakke basislijn ontstaat. Figuur 6 toont ook een grafiek van de basislijnruis van de mixer na toepassing van een laagdoorlaatfilter.
Na voltooiing van de CFD-simulaties en de eerste experimentele tests 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 dekt het bereik van volumes en mengprestaties dat vereist is voor HPLC-toepassingen met lage analytconcentraties, waarbij verbeterde menging en lage dispersie nodig zijn om basislijnen met een lage amplitude te produceren. Figuur 7 toont basismetingen van sinusgolven verkregen op het testsysteem van voorbeeld 1 (acetonitril en ammoniumacetaat als tracers) met drie volumes statische mixers en zonder mixers. De experimentele testomstandigheden voor de resultaten in figuur 7 werden gedurende alle 4 tests constant gehouden volgens de procedure beschreven in tabel 1, met een oplosmiddelstroomsnelheid van 0,5 ml/min. Pas een offsetwaarde toe op de datasets zodat ze naast elkaar kunnen worden weergegeven zonder signaaloverlapping. De offset heeft geen invloed op de amplitude van het signaal dat wordt gebruikt om het prestatieniveau van de mixer te beoordelen. De gemiddelde amplitude van de sinusgolf zonder de mixer was 0,221 mAi, terwijl de amplitudes van de statische Mott-mixers bij 30 µl, 60 µl en 90 µl daalden tot respectievelijk 0,077, 0,017 en 0,004 mAi.
Figuur 7. Signaaloffset van de HPLC UV-detector versus tijd voor geval 1 (acetonitril met ammoniumacetaat-indicator) met menging van het oplosmiddel zonder mixer, en met Mott-mixers van 30 µl, 60 µl en 90 µl, waarbij een verbeterde menging (lagere signaalamplitude) wordt waargenomen naarmate het volume van de statische mixer toeneemt. (werkelijke data-offsets: 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 ditmaal bevatten ze de resultaten van drie veelgebruikte statische HPLC-mixers met interne volumes van 50 µl, 150 µl en 250 µl. 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 data-offset is respectievelijk 0,1 (zonder mixer), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA voor een betere weergave). De procentuele reductie van de basis sinusgolf wordt berekend als de verhouding van de amplitude van de sinusgolf tot de amplitude zonder de mixer. De gemeten percentages sinusgolfdemping voor gevallen 1 en 2 staan ​​vermeld in tabel 2, samen met de interne volumes van een nieuwe statische mixer en zeven standaardmixers die veelvuldig 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 een sinusgolfdemping tot 98,1% kan leveren, wat de prestaties van een conventionele HPLC-mixer onder deze testomstandigheden ruimschoots overtreft. Figuur 9. Grafiek van de offset van het HPLC UV-detectorsignaal versus tijd voor geval 2 (methanol en aceton als tracers) met geen statische mixer (gecombineerd), een nieuwe serie Mott statische mixers en twee conventionele mixers (werkelijke offsets zijn 0, 11 (zonder mixer), 0,22, 0,3, 0,35 mA voor een betere weergave). Zeven veelgebruikte mixers in de industrie werden ook geëvalueerd. Dit omvat 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 beoordeelde slechts één formaat.
Tabel 2. Roerkarakteristieken en intern volume van statische mixers. Statische mixer, geval 1: Sinusoïdaal herstel: Acetonitriltest (rendement) Geval 2: Sinusoïdaal herstel: Methanol-watertest (rendement) Intern volume (µl) Geen mixer – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Mixer A1 66,4% 73,7% 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
Analyse van de resultaten in Figuur 8 en Tabel 2 laat zien dat de statische Mott-mixer van 30 µl dezelfde mengefficiëntie heeft als de A1-mixer, namelijk 50 µl. De Mott-mixer van 30 µl heeft echter 30% minder intern volume. Bij vergelijking van de Mott-mixer van 60 µl met de A2-mixer met een intern volume van 150 µl, was er een lichte verbetering in de mengefficiëntie van 92% versus 89%. Belangrijker is echter dat dit hogere mengniveau werd bereikt met een volume dat slechts 1/3 kleiner was dan dat van de A2-mixer. De prestaties van de Mott-mixer van 90 µl volgden dezelfde trend als de A3-mixer met een intern volume van 250 µl. Ook hier werden verbeteringen in de mengprestaties van 98% en 92% waargenomen bij een drievoudige reductie van het interne volume. Vergelijkbare resultaten en vergelijkingen werden verkregen voor mixers B en C. De nieuwe serie statische mixers Mott PerfectPeak™ biedt een hogere mengefficiëntie dan vergelijkbare mixers van concurrenten, maar met een kleiner intern volume. Dit resulteert in een betere achtergrondruis, een betere signaal-ruisverhouding, een betere analytgevoeligheid, een betere piekvorm en een betere piekresolutie. Vergelijkbare trends in mengefficiëntie werden waargenomen in zowel Case 1 als Case 2. Voor Case 2 werden tests uitgevoerd met methanol en aceton als indicatoren om de mengefficiëntie van een 60 ml Mott-mixer, een vergelijkbare mixer A1 (intern volume 50 µl) en een vergelijkbare mixer B1 (intern volume 35 µl) te vergelijken. De prestaties waren slecht zonder mixer, maar deze werd gebruikt voor de basisanalyse. De 60 ml Mott-mixer bleek de beste mixer in de testgroep te zijn, met een toename van 90% in mengefficiëntie. Een vergelijkbare mixer A1 liet een verbetering van 75% in mengefficiëntie zien, gevolgd door een verbetering van 45% bij een vergelijkbare mixer B1. Een eenvoudige test voor de afname van de sinusgolf bij verschillende debieten werd uitgevoerd op een reeks mengers onder dezelfde omstandigheden als de sinuscurve-test in geval 1, met als enige verschil het debiet. De gegevens toonden aan dat in het debietbereik van 0,25 tot 1 ml/min de initiële afname van de sinusgolf relatief constant bleef voor alle drie de mengvolumes. Voor de twee mengers met het kleinste volume was er een lichte toename in de sinusgolfafname naarmate het debiet afnam. Dit is te verwachten vanwege de langere verblijftijd van het oplosmiddel in de menger, waardoor diffusiemenging mogelijk is. De afname van de sinusgolf zal naar verwachting toenemen naarmate het debiet verder afneemt. Voor het grootste mengvolume met de hoogste afname van de sinusgolfbasis bleef de afname van de sinusgolfbasis echter vrijwel onveranderd (binnen de experimentele onzekerheid), met waarden tussen 95% en 98%. 10. Basisdemping van een sinusgolf versus stroomsnelheid in geval 1. De test werd uitgevoerd onder omstandigheden vergelijkbaar 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 PerfectPeak™ inline statische mixers met drie interne volumes: 30 µl, 60 µl en 90 µl, bestrijkt het volume- en mengprestatiebereik dat nodig is voor de meeste HPLC-analyses die een verbeterde menging en een lage dispersievloer 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 een verbeterde hydrodynamische statische menging met de hoogste procentuele reductie van basisruis per eenheid volume intern mengsel. Door slechts 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 stroomkanalen met verschillende dwarsdoorsneden en verschillende padlengtes, doordat de vloeistof complexe geometrische barrières binnenin passeert. De nieuwe familie statische mixers biedt betere prestaties dan 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 core-shell chromatografie 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