Um novo misturador estático em linha revolucionário foi desenvolvido, projetado especificamente para atender aos rigorosos requisitos de sistemas de cromatografia líquida de alta eficiência (HPLC) e cromatografia líquida de ultra-alta eficiência (HPLC e UHPLC). A mistura inadequada de duas ou mais fases móveis pode resultar em uma relação sinal-ruído mais alta, o que reduz a sensibilidade. A mistura estática homogênea de dois ou mais fluidos com um volume interno e dimensões físicas mínimos de um misturador estático representa o mais alto padrão de um misturador estático ideal. O novo misturador estático alcança isso usando a nova tecnologia de impressão 3D para criar uma estrutura 3D exclusiva que fornece mistura estática hidrodinâmica aprimorada com a maior redução percentual na onda senoidal básica por unidade de volume interno da mistura. O uso de 1/3 do volume interno de um misturador convencional reduz a onda senoidal básica em 98%. O misturador consiste em canais de fluxo 3D interconectados com áreas de seção transversal e comprimentos de caminho variáveis ​​conforme o fluido atravessa geometrias 3D complexas. A mistura ao longo de múltiplos caminhos de fluxo tortuosos, combinada com turbulência e redemoinhos locais, resulta em misturas em escalas micro, meso e macro. Este misturador exclusivo foi projetado utilizando simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD). Os dados de teste apresentados demonstram que uma excelente mistura é alcançada com um volume interno mínimo.
Por mais de 30 anos, a cromatografia líquida tem sido usada em muitas indústrias, incluindo farmacêutica, pesticidas, proteção ambiental, forense e análise química. A capacidade de medir em partes por milhão ou menos é fundamental para o desenvolvimento tecnológico em qualquer indústria. A baixa eficiência de mistura leva a uma baixa relação sinal-ruído, o que é um incômodo para a comunidade cromatográfica em termos de limites de detecção e sensibilidade. Ao misturar dois solventes de HPLC, às vezes é necessário forçar a mistura por meios externos para homogeneizar os dois solventes, pois alguns solventes não se misturam bem. Se os solventes não forem completamente misturados, pode ocorrer degradação do cromatograma de HPLC, manifestando-se como ruído de linha de base excessivo e/ou formato de pico ruim. Com uma mistura ruim, o ruído de linha de base aparecerá como uma onda senoidal (ascendente e descendente) do sinal do detector ao longo do tempo. Ao mesmo tempo, uma mistura ruim pode levar a picos alargados e assimétricos, reduzindo o desempenho analítico, o formato e a resolução do pico. A indústria reconheceu que misturadores estáticos em linha e em T são um meio de aprimorar esses limites e permitir que os usuários alcancem limites de detecção (sensibilidades) mais baixos. O misturador estático ideal combina os benefícios de alta eficiência de mistura, baixo volume morto e baixa queda de pressão com volume mínimo e máxima vazão do sistema. Além disso, à medida que as análises se tornam mais complexas, os analistas precisam usar rotineiramente solventes mais polares e difíceis de misturar. Isso significa que uma melhor mistura é essencial para testes futuros, aumentando ainda mais a necessidade de projeto e desempenho superiores do misturador.
A Mott desenvolveu recentemente uma nova linha de misturadores estáticos em linha patenteados PerfectPeakTM com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl. Esses tamanhos abrangem a gama de volumes e características de mistura necessárias para a maioria dos testes de HPLC, onde são necessárias mistura aprimorada e baixa dispersão. Todos os três modelos têm 0,5" de diâmetro e oferecem desempenho líder do setor em um design compacto. Eles são feitos de aço inoxidável 316L, passivado para inércia, mas titânio e outras ligas metálicas resistentes à corrosão e quimicamente inertes também estão disponíveis. Esses misturadores têm uma pressão operacional máxima de até 20.000 psi. Na fig. 1a, há uma fotografia de um misturador estático Mott de 60 µl projetado para fornecer a máxima eficiência de mistura usando um volume interno menor do que os misturadores padrão deste tipo. Este novo projeto de misturador estático usa a nova tecnologia de manufatura aditiva para criar uma estrutura 3D exclusiva que usa menos fluxo interno do que qualquer misturador atualmente usado na indústria de cromatografia para obter mistura estática. Tais misturadores consistem em canais de fluxo tridimensionais interconectados com diferentes áreas de seção transversal e diferentes comprimentos de caminho à medida que o líquido atravessa barreiras geométricas complexas em seu interior. Na figura 1b, é mostrado um diagrama esquemático do novo misturador, que utiliza conexões de compressão HPLC roscadas 10-32 padrão da indústria para entrada e saída, e possui bordas sombreadas em azul na porta interna patenteada do misturador. Diferentes áreas de seção transversal dos caminhos de fluxo internos e mudanças na direção do fluxo dentro do volume de fluxo interno criam regiões de fluxo turbulento e laminar, causando mistura nas escalas micro, meso e macro. O projeto deste misturador exclusivo utilizou simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) para analisar padrões de fluxo e refinar o projeto antes da prototipagem para testes analíticos internos e avaliação de campo do cliente. A manufatura aditiva é o processo de impressão de componentes geométricos 3D diretamente de desenhos CAD, sem a necessidade de usinagem tradicional (fresadoras, tornos, etc.). Estes novos misturadores estáticos são projetados para serem fabricados usando este processo, onde o corpo do misturador é criado a partir de desenhos CAD e as peças são fabricadas (impressas) camada por camada usando manufatura aditiva. Aqui, uma camada de pó metálico com cerca de 20 mícrons de espessura é depositada, e um laser controlado por computador derrete e funde seletivamente o pó em uma forma sólida. Aplique outra camada sobre esta camada e aplique a sinterização a laser. Repita este processo até que a peça esteja completamente acabada. O pó é então removido da peça não colada a laser, deixando uma peça impressa em 3D que corresponde ao desenho CAD original. O produto final é um pouco semelhante ao processo microfluídico, com a principal diferença sendo que os componentes microfluídicos são geralmente bidimensionais (planos), enquanto usando manufatura aditiva, padrões de fluxo complexos podem ser criados em geometria tridimensional. Estas torneiras estão atualmente disponíveis como peças impressas em 3D em aço inoxidável 316L e titânio. A maioria das ligas metálicas, polímeros e algumas cerâmicas podem ser usadas para fazer componentes usando este método e serão consideradas em projetos/produtos futuros.
Arroz. 1. Fotografia (a) e diagrama (b) de um misturador estático Mott de 90 μl mostrando uma seção transversal do caminho do fluxo do fluido do misturador sombreado em azul.
Execute simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) do desempenho do misturador estático durante a fase de projeto para ajudar a desenvolver projetos eficientes e reduzir experimentos de tentativa e erro, demorados e dispendiosos. Simulação CFD de misturadores estáticos e tubulação padrão (simulação sem misturador) usando o pacote de software COMSOL Multiphysics. Modelagem usando mecânica de fluidos laminar orientada por pressão para entender a velocidade e a pressão do fluido dentro de uma peça. Essa dinâmica de fluidos, combinada com o transporte químico de compostos da fase móvel, ajuda a entender a mistura de dois líquidos concentrados diferentes. O modelo é estudado em função do tempo, igual a 10 segundos, para facilitar o cálculo durante a busca por soluções comparáveis. Dados teóricos foram obtidos em um estudo correlacionado no tempo usando a ferramenta de projeção de sonda pontual, onde um ponto no meio da saída foi escolhido para coleta de dados. O modelo CFD e os testes experimentais usaram dois solventes diferentes por meio de uma válvula de amostragem proporcional e sistema de bombeamento, resultando em um plugue de substituição para cada solvente na linha de amostragem. Esses solventes são então misturados em um misturador estático. As Figuras 2 e 3 mostram simulações de fluxo através de um tubo padrão (sem misturador) e através de um misturador estático Mott, respectivamente. A simulação foi executada em um tubo reto de 5 cm de comprimento e 0,25 mm de diâmetro interno para demonstrar o conceito de plugs alternados de água e acetonitrila pura no tubo na ausência de um misturador estático, como mostrado na Figura 2. A simulação utilizou as dimensões exatas do tubo e do misturador e uma vazão de 0,3 ml/min.
Arroz. 2. Simulação do fluxo de CFD em um tubo de 5 cm com diâmetro interno de 0,25 mm para representar o que acontece em um tubo de HPLC, ou seja, na ausência de um misturador. O vermelho representa a fração mássica de água. O azul representa a ausência de água, ou seja, acetonitrila pura. Regiões de difusão podem ser vistas entre tampões alternados de dois líquidos diferentes.
Arroz. 3. Misturador estático com volume de 30 ml, modelado no pacote de software COMSOL CFD. A legenda representa a fração mássica de água no misturador. Água pura é mostrada em vermelho e acetonitrila pura em azul. A variação na fração mássica da água simulada é representada por uma mudança na cor da mistura de dois líquidos.
A Fig. 4 mostra um estudo de validação do modelo de correlação entre eficiência de mistura e volume de mistura. À medida que o volume de mistura aumenta, a eficiência de mistura também aumenta. Até onde sabemos, outras forças físicas complexas atuando dentro do misturador não podem ser consideradas neste modelo CFD, resultando em maior eficiência de mistura em testes experimentais. A eficiência de mistura experimental foi medida como a redução percentual na sinusoide de base. Além disso, o aumento da contrapressão geralmente resulta em níveis de mistura mais elevados, que não são considerados na simulação.
As seguintes condições de HPLC e configuração de teste foram utilizadas para medir ondas senoidais brutas e comparar o desempenho relativo de diferentes misturadores estáticos. O diagrama da Figura 5 mostra um layout típico de um sistema HPLC/UHPLC. O misturador estático foi testado posicionando-o diretamente após a bomba e antes do injetor e da coluna de separação. A maioria das medições senoidais de fundo são realizadas ignorando o injetor e a coluna capilar entre o misturador estático e o detector de UV. Ao avaliar a relação sinal-ruído e/ou analisar a forma do pico, a configuração do sistema é mostrada na Figura 5.
Figura 4. Gráfico da eficiência da mistura versus volume de mistura para uma série de misturadores estáticos. A impureza teórica segue a mesma tendência dos dados experimentais de impureza, confirmando a validade das simulações de CFD.
O sistema HPLC usado para este teste foi um HPLC Agilent série 1100 com um detector UV controlado por um PC executando o software Chemstation. A Tabela 1 mostra as condições típicas de ajuste para medir a eficiência do misturador monitorando sinusoides básicos em dois estudos de caso. Testes experimentais foram realizados em dois exemplos diferentes de solventes. Os dois solventes misturados no caso 1 foram o solvente A (20 mM de acetato de amônio em água deionizada) e o solvente B (80% de acetonitrila (ACN)/20% de água deionizada). No Caso 2, o solvente A foi uma solução de 0,05% de acetona (rótulo) em água deionizada. O solvente B é uma mistura de 80/20% de metanol e água. No caso 1, a bomba foi ajustada para uma vazão de 0,25 ml/min a 1,0 ml/min, e no caso 2, a bomba foi ajustada para uma vazão constante de 1 ml/min. Em ambos os casos, a proporção da mistura dos solventes A e B foi de 20% A/80% B. O detector foi ajustado para 220 nm no caso 1, e a absorção máxima de acetona no caso 2 foi ajustada para um comprimento de onda de 265 nm.
Tabela 1. Configurações de HPLC para os Casos 1 e 2 Caso 1 Caso 2 Velocidade da bomba 0,25 ml/min a 1,0 ml/min 1,0 ml/min Solvente A 20 mM de acetato de amônio em água deionizada 0,05% de acetona em água deionizada Solvente B 80% de acetonitrila (ACN) / 20% de água deionizada 80% de metanol / 20% de água deionizada Razão de solvente 20% A / 80% B 20% A / 80% B Detector 220 nm 265 nm
Arroz. 6. Gráficos de ondas senoidais mistas medidas antes e depois da aplicação de um filtro passa-baixa para remover componentes de desvio da linha de base do sinal.
A Figura 6 é um exemplo típico de ruído de linha de base misto no Caso 1, mostrado como um padrão sinusoidal repetitivo sobreposto à deriva da linha de base. A deriva da linha de base é um aumento ou diminuição lentos no sinal de fundo. Se o sistema não for equilibrado por tempo suficiente, ele geralmente cairá, mas se desviará erraticamente mesmo quando o sistema estiver completamente estável. Essa deriva da linha de base tende a aumentar quando o sistema está operando em condições de gradiente acentuado ou alta contrapressão. Quando essa deriva da linha de base está presente, pode ser difícil comparar os resultados de amostra para amostra, o que pode ser superado aplicando um filtro passa-baixa aos dados brutos para filtrar essas variações de baixa frequência, fornecendo assim um gráfico de oscilação com uma linha de base plana. Na figura 6, a Figura 6 também mostra um gráfico do ruído de linha de base do misturador após a aplicação de um filtro passa-baixa.
Após a conclusão das simulações de CFD e dos testes experimentais iniciais, três misturadores estáticos separados foram posteriormente desenvolvidos usando os componentes internos descritos acima com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl. Essa faixa abrange a faixa de volumes e desempenho de mistura necessários para aplicações de HPLC com baixo analito, onde mistura aprimorada e baixa dispersão são necessárias para produzir linhas de base de baixa amplitude. A figura 7 mostra as medições básicas de onda senoidal obtidas no sistema de teste do Exemplo 1 (acetonitrila e acetato de amônio como traçadores) com três volumes de misturadores estáticos e nenhum misturador instalado. As condições experimentais de teste para os resultados mostrados na Figura 7 foram mantidas constantes ao longo de todos os 4 testes, de acordo com o procedimento descrito na Tabela 1, a uma vazão de solvente de 0,5 ml/min. Aplique um valor de deslocamento aos conjuntos de dados para que eles possam ser exibidos lado a lado sem sobreposição de sinal. O deslocamento não afeta a amplitude do sinal usado para avaliar o nível de desempenho do misturador. A amplitude sinusoidal média sem o misturador foi de 0,221 mAi, enquanto as amplitudes dos misturadores Mott estáticos a 30 µl, 60 µl e 90 µl caíram para 0,077, 0,017 e 0,004 mAi, respectivamente.
Figura 7. Deslocamento do sinal do detector UV de HPLC vs. tempo para o caso 1 (acetonitrila com indicador de acetato de amônio) mostrando a mistura de solvente sem misturador, misturadores Mott de 30 µl, 60 µl e 90 µl mostrando mistura melhorada (menor amplitude do sinal) conforme o volume do misturador estático aumenta. (deslocamentos de dados reais: 0,13 (sem misturador), 0,32, 0,4, 0,45 mA para melhor exibição).
Os dados mostrados na fig. 8 são os mesmos da Fig. 7, mas desta vez incluem os resultados de três misturadores estáticos de HPLC comumente usados ​​com volumes internos de 50 µl, 150 µl e 250 µl. Arroz. Figura 8. Gráfico de deslocamento do sinal do detector UV de HPLC versus tempo para o caso 1 (acetonitrila e acetato de amônio como indicadores) mostrando a mistura de solvente sem misturador estático, a nova série de misturadores estáticos Mott e três misturadores convencionais (o deslocamento de dados real é 0,1 (sem misturador), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA, respectivamente, para melhor efeito de exibição). A redução percentual da onda senoidal base é calculada pela razão entre a amplitude da onda senoidal e a amplitude sem o misturador instalado. As porcentagens de atenuação da onda senoidal medidas para os Casos 1 e 2 estão listadas na Tabela 2, juntamente com os volumes internos de um novo misturador estático e sete misturadores padrão comumente usados ​​na indústria. Os dados nas Figuras 8 e 9, bem como os cálculos apresentados na Tabela 2, mostram que o Misturador Estático Mott pode fornecer até 98,1% de atenuação da onda senoidal, excedendo em muito o desempenho de um misturador HPLC convencional sob essas condições de teste. Figura 9. Gráfico de deslocamento do sinal do detector UV HPLC versus tempo para o caso 2 (metanol e acetona como traçadores) mostrando nenhum misturador estático (combinado), uma nova série de misturadores estáticos Mott e dois misturadores convencionais (deslocamentos de dados reais são 0, 11 (sem misturador), 0,22, 0,3, 0,35 mA e para melhor exibição). Sete misturadores comumente usados ​​na indústria também foram avaliados. Isso inclui misturadores com três volumes internos diferentes da empresa A (designados como Misturadores A1, A2 e A3) e da empresa B (designados como Misturadores B1, B2 e B3). A empresa C classificou apenas um tamanho.
Tabela 2. Características de agitação do misturador estático e volume interno Caso 1 do misturador estático Recuperação sinusoidal: Teste de acetonitrila (eficiência) Caso 2 Recuperação sinusoidal: Teste de água com metanol (eficiência) Volume interno (µl) Sem misturador – - 0 Mott 30 65% 67,2% 30 Mott 60 92,2% 91,3% 60 Mott 90 98,1% 97,5% 90 Misturador A1 66,4% 73,7% 50 Misturador A2 89,8% 91,6% 150 Misturador A3 92,2% 94,5% 250 Misturador B1 44,8% 45,7% 9 35 Misturador B2 845,% 96,2% 370 Misturador C 97,2% 97,4% 250
A análise dos resultados na Figura 8 e na Tabela 2 mostra que o misturador estático Mott de 30 µl tem a mesma eficiência de mistura que o misturador A1, ou seja, 50 µl, no entanto, o Mott de 30 µl tem 30% menos volume interno. Ao comparar o misturador Mott de 60 µl com o misturador A2 de 150 µl de volume interno, houve uma ligeira melhoria na eficiência de mistura de 92% versus 89%, mas mais importante, esse nível mais alto de mistura foi alcançado em 1/3 do volume do misturador. misturador semelhante A2. O desempenho do misturador Mott de 90 µl seguiu a mesma tendência do misturador A3 com um volume interno de 250 µl. Melhorias no desempenho de mistura de 98% e 92% também foram observadas com uma redução de 3 vezes no volume interno. Resultados e comparações semelhantes foram obtidos para os misturadores B e C. Como resultado, a nova série de misturadores estáticos Mott PerfectPeakTM fornece maior eficiência de mistura do que misturadores concorrentes comparáveis, mas com menos volume interno, fornecendo melhor ruído de fundo e uma melhor relação sinal-ruído, melhor sensibilidade do analito, formato do pico e resolução do pico. Tendências semelhantes na eficiência de mistura foram observadas nos estudos do Caso 1 e do Caso 2. Para o Caso 2, foram realizados testes usando (metanol e acetona como indicadores) para comparar a eficiência de mistura de 60 ml de Mott, um misturador comparável A1 (volume interno de 50 µl) e um misturador comparável B1 (volume interno de 35 µl). , o desempenho foi ruim sem um misturador instalado, mas foi usado para análise de linha de base. O misturador Mott de 60 ml provou ser o melhor misturador no grupo de teste, proporcionando um aumento de 90% na eficiência de mistura. Um misturador A1 comparável viu uma melhoria de 75% na eficiência de mistura, seguido por uma melhoria de 45% em um misturador B1 comparável. Um teste básico de redução de onda senoidal com vazão foi realizado em uma série de misturadores sob as mesmas condições do teste de curva senoidal do Caso 1, com apenas a vazão alterada. Os dados mostraram que na faixa de vazão de 0,25 a 1 ml/min, a diminuição inicial da onda senoidal permaneceu relativamente constante para todos os três volumes de misturadores. Para os dois misturadores de menor volume, há um ligeiro aumento na contração senoidal à medida que a vazão diminui, o que é esperado devido ao aumento do tempo de residência do solvente no misturador, permitindo maior mistura por difusão. Espera-se que a subtração da onda senoidal aumente à medida que a vazão diminui ainda mais. No entanto, para o maior volume de misturador com a maior atenuação da base da onda senoidal, a atenuação da base da onda senoidal permaneceu praticamente inalterada (dentro da faixa de incerteza experimental), com valores variando de 95% a 98%. Arroz. 10. Atenuação básica de uma onda senoidal em função da vazão no caso 1. O ensaio foi realizado em condições semelhantes ao ensaio de seno com vazão variável, injetando-se 80% de uma mistura 80/20 de acetonitrila e água e 20% de acetato de amônio 20 mM.
A recém-desenvolvida linha de misturadores estáticos em linha patenteados PerfectPeakTM com três volumes internos: 30 µl, 60 µl e 90 µl cobre a faixa de volume e desempenho de mistura necessária para a maioria das análises de HPLC que exigem mistura aprimorada e pisos de baixa dispersão. O novo misturador estático alcança isso usando a nova tecnologia de impressão 3D para criar uma estrutura 3D exclusiva que fornece mistura estática hidrodinâmica aprimorada com a maior redução percentual no ruído de base por unidade de volume de mistura interna. O uso de 1/3 do volume interno de um misturador convencional reduz o ruído de base em 98%. Esses misturadores consistem em canais de fluxo tridimensionais interconectados com diferentes áreas de seção transversal e diferentes comprimentos de caminho conforme o líquido atravessa barreiras geométricas complexas em seu interior. A nova família de misturadores estáticos oferece desempenho aprimorado em relação aos misturadores concorrentes, mas com menor volume interno, resultando em melhor relação sinal-ruído e limites de quantificação mais baixos, bem como formato de pico, eficiência e resolução aprimorados para maior sensibilidade.
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