Разработан революционный новый проточный статический смеситель, специально предназначенный для удовлетворения строгих требований систем высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) и сверхвысокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ и СВЭЖХ). Плохое смешивание двух или более подвижных фаз может привести к более высокому соотношению сигнал/шум, что снижает чувствительность. Однородное статическое смешивание двух или более жидкостей с минимальным внутренним объемом и физическими размерами статического смесителя представляет собой наивысший стандарт идеального статического смесителя. Новый статический смеситель достигает этого за счет использования новой технологии 3D-печати для создания уникальной 3D-структуры, которая обеспечивает улучшенное гидродинамическое статическое смешивание с максимальным процентным уменьшением базовой синусоидальной волны на единицу внутреннего объема смеси. Использование 1/3 внутреннего объема обычного смесителя уменьшает базовую синусоидальную волну на 98%. Смеситель состоит из взаимосвязанных 3D-каналов потока с изменяющимися площадями поперечного сечения и длинами пути по мере прохождения жидкости через сложные 3D-геометрии. Смешивание вдоль множества извилистых потоков в сочетании с локальной турбулентностью и вихрями приводит к перемешиванию на микро-, мезо- и макроуровнях. Этот уникальный смеситель разработан с использованием методов вычислительной гидродинамики (CFD). Представленные данные испытаний показывают, что превосходное перемешивание достигается при минимальном внутреннем объеме.
Более 30 лет жидкостная хроматография используется во многих отраслях промышленности, включая фармацевтику, производство пестицидов, охрану окружающей среды, криминалистику и химический анализ. Возможность измерения с точностью до частей на миллион или менее имеет решающее значение для технологического развития в любой отрасли. Низкая эффективность смешивания приводит к низкому соотношению сигнал/шум, что является проблемой для хроматографического сообщества с точки зрения пределов обнаружения и чувствительности. При смешивании двух растворителей для ВЭЖХ иногда необходимо принудительно перемешивать их внешними средствами для гомогенизации, поскольку некоторые растворители плохо смешиваются. Если растворители не перемешиваются тщательно, может произойти ухудшение хроматограммы ВЭЖХ, проявляющееся в виде чрезмерного фонового шума и/или плохой формы пиков. При плохом смешивании фоновый шум будет выглядеть как синусоида (подъем и спад) сигнала детектора во времени. В то же время плохое смешивание может привести к расширению и асимметрии пиков, снижая аналитическую эффективность, форму пиков и разрешение пиков. В отрасли признано, что статические смесители, устанавливаемые в линию или тройник, являются средством улучшения этих пределов и позволяют пользователям достигать более низких пределов обнаружения (чувствительности). Идеальный статический смеситель сочетает в себе преимущества высокой эффективности смешивания, малого мертвого объема и малого перепада давления с минимальным объемом и максимальной производительностью системы. Кроме того, по мере усложнения анализа аналитикам приходится регулярно использовать более полярные и трудносмешиваемые растворители. Это означает, что для будущих исследований необходимо улучшить смешивание, что еще больше повышает потребность в более совершенной конструкции и производительности смесителей.
Компания Mott недавно разработала новую линейку запатентованных статических смесителей PerfectPeak™ с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл. Эти размеры охватывают диапазон объемов и характеристик смешивания, необходимых для большинства ВЭЖХ-тестов, где требуется улучшенное смешивание и низкая дисперсия. Все три модели имеют диаметр 0,5 дюйма и обеспечивают лучшие в отрасли характеристики при компактной конструкции. Они изготовлены из нержавеющей стали 316L, пассивированной для инертности, но также доступны титан и другие коррозионностойкие и химически инертные металлические сплавы. Максимальное рабочее давление этих смесителей составляет до 20 000 фунтов на квадратный дюйм. На рис. 1а показана фотография статического смесителя Mott объемом 60 мкл, разработанного для обеспечения максимальной эффективности смешивания при меньшем внутреннем объеме, чем у стандартных смесителей этого типа. В этой новой конструкции статического смесителя используется новая технология аддитивного производства для создания уникальной 3D-структуры, которая использует меньший внутренний поток, чем любой смеситель, используемый в настоящее время в хроматографической промышленности для достижения статического смешивания. Такие смесители состоят из взаимосвязанных трехмерных каналов с различными поперечными сечениями и разной длиной пути, по мере того как жидкость преодолевает сложные геометрические барьеры внутри. На рис. 1b показана схематическая диаграмма нового смесителя, в котором для входа и выхода используются стандартные резьбовые компрессионные фитинги 10-32 для ВЭЖХ, а запатентованный внутренний порт смесителя обозначен синим цветом. Различные поперечные сечения внутренних каналов потока и изменения направления потока внутри внутреннего объема создают области турбулентного и ламинарного потока, вызывая перемешивание на микро-, мезо- и макроуровнях. При проектировании этого уникального смесителя использовались методы вычислительной гидродинамики (CFD) для анализа закономерностей потока и уточнения конструкции перед созданием прототипа для внутренних аналитических испытаний и оценки заказчиком в полевых условиях. Аддитивное производство — это процесс печати трехмерных геометрических компонентов непосредственно с чертежей САПР без необходимости традиционной механической обработки (фрезерные станки, токарные станки и т. д.). Эти новые статические смесители разработаны для изготовления с использованием процесса, при котором корпус смесителя создается на основе чертежей САПР, а детали изготавливаются (печатаются) послойно с помощью аддитивного производства. Наносится слой металлического порошка толщиной около 20 микрон, и управляемый компьютером лазер избирательно расплавляет и сплавляет порошок в твердую форму. Поверх этого слоя наносится еще один слой, и происходит лазерное спекание. Этот процесс повторяется до полной готовности детали. Затем порошок удаляется с детали, не скрепленной лазером, в результате чего получается 3D-печатная деталь, соответствующая исходному чертежу САПР. Конечный продукт несколько похож на микрофлюидный процесс, с той лишь разницей, что микрофлюидные компоненты обычно двухмерные (плоские), тогда как при использовании аддитивного производства сложные схемы потоков могут быть созданы в трехмерной геометрии. В настоящее время эти смесители доступны в виде 3D-печатных деталей из нержавеющей стали 316L и титана. Большинство металлических сплавов, полимеров и некоторые виды керамики могут быть использованы для изготовления компонентов этим методом и будут рассмотрены в будущих проектах/продуктах.
Рис. 1. Фотография (а) и схема (б) статического смесителя Мотта объемом 90 мкл, на которой показано поперечное сечение пути потока жидкости в смесителе, выделенное синим цветом.
Проведение моделирования производительности статического смесителя с помощью вычислительной гидродинамики (CFD) на этапе проектирования помогает разработать эффективные конструкции и сократить трудоемкие и дорогостоящие эксперименты методом проб и ошибок. CFD-моделирование статических смесителей и стандартных трубопроводов (моделирование без смесителя) с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics. Моделирование с использованием механики ламинарных жидкостей, управляемой давлением, для понимания скорости и давления жидкости внутри детали. Эта гидродинамика в сочетании с химическим переносом соединений подвижной фазы помогает понять смешивание двух различных концентрированных жидкостей. Модель изучается как функция времени, равного 10 секундам, для упрощения вычислений при поиске сопоставимых решений. Теоретические данные были получены в ходе исследования с временной корреляцией с использованием инструмента проекции точечного зонда, где для сбора данных была выбрана точка в середине выходного отверстия. В CFD-моделировании и экспериментальных испытаниях использовались два разных растворителя через пропорциональный пробоотборный клапан и насосную систему, что приводило к замене пробки для каждого растворителя в линии отбора проб. Затем эти растворители смешивались в статическом смесителе. На рисунках 2 и 3 показаны результаты моделирования потока через стандартную трубу (без смесителя) и через статический смеситель Мотта соответственно. Моделирование проводилось на прямой трубе длиной 5 см и внутренним диаметром 0,25 мм, чтобы продемонстрировать концепцию попеременного введения порций воды и чистого ацетонитрила в трубу в отсутствие статического смесителя, как показано на рисунке 2. В моделировании использовались точные размеры трубы и смесителя, а также скорость потока 0,3 мл/мин.
Рис. 2. Моделирование потока CFD в трубке длиной 5 см с внутренним диаметром 0,25 мм, имитирующее процессы в трубке ВЭЖХ, то есть в отсутствие смесителя. Красный цвет обозначает массовую долю воды. Синий цвет обозначает отсутствие воды, то есть чистый ацетонитрил. Области диффузии видны между чередующимися порциями двух разных жидкостей.
Рис. 3. Статический смеситель объемом 30 мл, смоделированный в программном пакете COMSOL CFD. Легенда отображает массовую долю воды в смесителе. Чистая вода показана красным цветом, а чистый ацетонитрил — синим. Изменение массовой доли моделируемой воды представлено изменением цвета смешивания двух жидкостей.
На рис. 4 представлено исследование валидации корреляционной модели между эффективностью смешивания и объемом смешивания. С увеличением объема смешивания эффективность смешивания возрастает. Насколько известно авторам, в данной CFD-модели не учитываются другие сложные физические силы, действующие внутри смесителя, что приводит к более высокой эффективности смешивания в экспериментальных испытаниях. Экспериментальная эффективность смешивания измерялась как процентное уменьшение базовой синусоиды. Кроме того, увеличение противодавления обычно приводит к более высоким уровням смешивания, которые не учитываются в моделировании.
Для измерения исходных синусоидальных сигналов и сравнения относительной эффективности различных статических смесителей использовались следующие условия ВЭЖХ и тестовая установка. На схеме на рисунке 5 показана типичная схема системы ВЭЖХ/УВЭЖХ. Статический смеситель тестировался путем размещения его непосредственно после насоса и перед инжектором и разделительной колонкой. Большинство фоновых синусоидальных измерений проводилось в обход инжектора и капиллярной колонки между статическим смесителем и УФ-детектором. При оценке отношения сигнал/шум и/или анализе формы пика конфигурация системы показана на рисунке 5.
Рисунок 4. График зависимости эффективности смешивания от объема смешивания для ряда статических смесителей. Теоретическая концентрация примесей следует той же тенденции, что и экспериментальные данные по концентрации примесей, что подтверждает достоверность CFD-моделирования.
Для данного теста использовалась система ВЭЖХ Agilent 1100 Series с УФ-детектором, управляемая ПК с программным обеспечением Chemstation. В таблице 1 показаны типичные условия настройки для измерения эффективности смесителя путем мониторинга основных синусоид в двух примерах. Экспериментальные тесты проводились на двух различных примерах растворителей. В первом случае смешивались два растворителя: растворитель А (20 мМ ацетата аммония в деионизированной воде) и растворитель В (80% ацетонитрила (ACN)/20% деионизированной воды). Во втором случае растворитель А представлял собой раствор 0,05% ацетона (метка) в деионизированной воде. Растворитель В представлял собой смесь 80/20% метанола и воды. В первом случае скорость потока насоса была установлена ​​на уровне от 0,25 мл/мин до 1,0 мл/мин, а во втором случае — на постоянной скорости потока 1 мл/мин. В обоих случаях соотношение смеси растворителей А и В составляло 20% А/80% В. В первом случае детектор был настроен на 220 нм, а во втором случае максимальное поглощение ацетона было установлено на длину волны 265 нм.
Таблица 1. Конфигурации ВЭЖХ для случаев 1 и 2. Случай 1 Случай 2 Скорость насоса 0,25 мл/мин до 1,0 мл/мин 1,0 мл/мин Растворитель A 20 мМ ацетат аммония в деионизированной воде 0,05% ацетон в деионизированной воде Растворитель B 80% ацетонитрил (ACN) / 20% деионизированная вода 80% метанол / 20% деионизированная вода Соотношение растворителей 20% A / 80% B 20% A / 80% B Детектор 220 нм 265 нм
Рис. 6. Графики смешанных синусоидальных волн, измеренных до и после применения фильтра нижних частот для удаления составляющих дрейфа базовой линии сигнала.
На рисунке 6 представлен типичный пример смешанного фонового шума в случае 1, показанный в виде повторяющегося синусоидального паттерна, наложенного на дрейф базовой линии. Дрейф базовой линии — это медленное увеличение или уменьшение фонового сигнала. Если системе не дать достаточно времени для достижения равновесия, он обычно будет снижаться, но будет непредсказуемо дрейфовать даже при полной стабильности системы. Этот дрейф базовой линии имеет тенденцию увеличиваться при работе системы в условиях крутого градиента или высокого противодавления. При наличии этого дрейфа базовой линии может быть сложно сравнивать результаты от образца к образцу, что можно преодолеть, применив низкочастотный фильтр к исходным данным для фильтрации этих низкочастотных вариаций, тем самым получив график колебаний с плоской базовой линией. На рисунке 6 также показан график фонового шума смесителя после применения низкочастотного фильтра.
После завершения CFD-моделирования и первоначального экспериментального тестирования были разработаны три отдельных статических смесителя с использованием описанных выше внутренних компонентов и тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл. Этот диапазон охватывает диапазон объемов и производительности смешивания, необходимых для ВЭЖХ с низким содержанием аналитов, где требуется улучшенное смешивание и низкая дисперсия для получения базовых линий с низкой амплитудой. На рис. 7 показаны базовые измерения синусоидальной волны, полученные на тестовой системе из Примера 1 (ацетонитрил и ацетат аммония в качестве трассеров) с тремя объемами статических смесителей и без установленных смесителей. Экспериментальные условия для результатов, показанных на рис. 7, оставались постоянными на протяжении всех 4 тестов в соответствии с процедурой, описанной в Таблице 1, при скорости потока растворителя 0,5 мл/мин. Примените значение смещения к наборам данных, чтобы их можно было отображать рядом без перекрытия сигналов. Смещение не влияет на амплитуду сигнала, используемого для оценки уровня производительности смесителя. Средняя амплитуда синусоидального сигнала без смесителя составляла 0,221 мАi, в то время как амплитуды статических смесителей Мотта при объемах 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл снизились до 0,077, 0,017 и 0,004 мАi соответственно.
Рисунок 7. Смещение сигнала УФ-детектора ВЭЖХ в зависимости от времени для случая 1 (ацетонитрил с индикатором ацетата аммония), демонстрирующее смешивание растворителей без миксера, а также с миксерами Мотта объемом 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл, показывающее улучшенное смешивание (меньшую амплитуду сигнала) по мере увеличения объема статического миксера. (Фактические смещения данных: 0,13 (без миксера), 0,32, 0,4, 0,45 мА для лучшего отображения).
Данные, представленные на рис. 8, идентичны данным на рис. 7, но на этот раз они включают результаты трех широко используемых статических смесителей для ВЭЖХ с внутренними объемами 50 мкл, 150 мкл и 250 мкл. Рис. Рисунок 8. График зависимости смещения сигнала УФ-детектора ВЭЖХ от времени для случая 1 (ацетонитрил и ацетат аммония в качестве индикаторов), показывающий смешивание растворителя без статического смесителя, новой серии статических смесителей Мотта и трех обычных смесителей (фактическое смещение данных составляет 0,1 (без смесителя), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 мА соответственно для лучшего отображения). Процентное снижение базовой синусоидальной волны рассчитывается как отношение амплитуды синусоидальной волны к амплитуде без установленного смесителя. В таблице 2 приведены измеренные проценты ослабления синусоидального сигнала для случаев 1 и 2, а также внутренние объемы нового статического смесителя и семи стандартных смесителей, широко используемых в промышленности. Данные на рисунках 8 и 9, а также расчеты, представленные в таблице 2, показывают, что статический смеситель Мотта может обеспечить ослабление синусоидального сигнала до 98,1%, что значительно превосходит характеристики обычного смесителя ВЭЖХ в данных условиях испытаний. Рисунок 9. График смещения сигнала УФ-детектора ВЭЖХ в зависимости от времени для случая 2 (метанол и ацетон в качестве трассеров), показывающий отсутствие статического смесителя (в совокупности), новую серию статических смесителей Мотта и два обычных смесителя (фактические смещения данных составляют 0, 11 (без смесителя), 0,22, 0,3, 0,35 мА и для лучшего отображения). Также были оценены семь широко используемых в промышленности смесителей. В их число входят смесители с тремя различными внутренними объемами от компании A (обозначенные как смесители A1, A2 и A3) и компании B (обозначенные как смесители B1, B2 и B3). Компания C оценила только один размер.
Таблица 2. Характеристики перемешивания статического миксера и внутренний объем. Статический миксер. Случай 1. Синусоидальное извлечение: тест с ацетонитрилом (эффективность). Случай 2. Синусоидальное извлечение: тест с метанолом и водой (эффективность). Внутренний объем (мкл). Без миксера – - 0. Mott 30 65% 67,2% 30. Mott 60 92,2% 91,3% 60. Mott 90 98,1% 97,5% 90. Миксер A1 66,4% 73,7% 50. Миксер A2 89,8% 91,6% 150. Миксер A3 92,2% 94,5% 250. Миксер B1 44,8% 45,7% 9 35. Миксер B2 845% 96,2% 370. Миксер C 97,2% 97,4% 250
Анализ результатов на рисунке 8 и в таблице 2 показывает, что статический смеситель Mott объемом 30 мкл имеет ту же эффективность смешивания, что и смеситель A1, т.е. 50 мкл, однако внутренний объем смесителя Mott объемом 30 мкл на 30% меньше. При сравнении смесителя Mott объемом 60 мкл со смесителем A2 с внутренним объемом 150 мкл наблюдалось небольшое улучшение эффективности смешивания: 92% против 89%, но, что более важно, этот более высокий уровень смешивания был достигнут при уменьшении объема смесителя в 1/3 раза. Производительность смесителя Mott объемом 90 мкл следовала той же тенденции, что и у смесителя A3 с внутренним объемом 250 мкл. Также наблюдалось улучшение эффективности смешивания на 98% и 92% при трехкратном уменьшении внутреннего объема. Аналогичные результаты и сравнения были получены для смесителей B и C. В результате новая серия статических смесителей Mott PerfectPeak™ обеспечивает более высокую эффективность смешивания, чем сопоставимые смесители конкурентов, но с меньшим внутренним объемом, что обеспечивает лучший фоновый шум и лучшее соотношение сигнал/шум, лучшую чувствительность к аналиту, форму пика и разрешение пика. Аналогичные тенденции в эффективности смешивания наблюдались как в исследовании Case 1, так и в исследовании Case 2. В исследовании Case 2 тесты проводились с использованием (метанола и ацетона в качестве индикаторов) для сравнения эффективности смешивания 60-мл смесителя Mott, сопоставимого смесителя A1 (внутренний объем 50 мкл) и сопоставимого смесителя B1 (внутренний объем 35 мкл). Производительность без установленного смесителя была низкой, но он использовался для базового анализа. 60-мл смеситель Mott оказался лучшим смесителем в тестовой группе, обеспечив увеличение эффективности смешивания на 90%. Сопоставимый смеситель A1 показал улучшение эффективности смешивания на 75%, за ним следует улучшение на 45% у сопоставимого смесителя B1. Базовый тест на уменьшение синусоидальной волны в зависимости от скорости потока был проведен на серии смесителей в тех же условиях, что и тест синусоидальной кривой в случае 1, с изменением только скорости потока. Данные показали, что в диапазоне скоростей потока от 0,25 до 1 мл/мин начальное уменьшение синусоидальной волны оставалось относительно постоянным для всех трех объемов смесителей. Для двух смесителей меньшего объема наблюдается небольшое увеличение синусоидального сжатия по мере уменьшения скорости потока, что ожидаемо из-за увеличения времени пребывания растворителя в смесителе, что обеспечивает более интенсивное диффузионное перемешивание. Ожидается, что уменьшение синусоидальной волны будет увеличиваться по мере дальнейшего уменьшения потока. Однако для наибольшего объема смесителя с наибольшим ослаблением синусоидальной волны ослабление синусоидальной волны оставалось практически неизменным (в пределах экспериментальной погрешности), со значениями от 95% до 98%. 10. Базовое затухание синусоидальной волны в зависимости от скорости потока в случае 1. Тест проводился в условиях, аналогичных тесту с синусоидальной волной, с переменным расходом, при этом вводилось 80% смеси ацетонитрила и воды в соотношении 80/20 и 20% 20 мМ ацетата аммония.
Новая линейка запатентованных статических смесителей PerfectPeak™ с тремя внутренними объемами: 30 мкл, 60 мкл и 90 мкл, охватывает диапазон объемов и производительности смешивания, необходимых для большинства анализов ВЭЖХ, требующих улучшенного смешивания и низкого уровня дисперсии. Новый статический смеситель достигает этого за счет использования новой технологии 3D-печати для создания уникальной 3D-структуры, обеспечивающей улучшенное гидродинамическое статическое смешивание с максимальным процентным снижением фонового шума на единицу объема внутренней смеси. Использование 1/3 внутреннего объема обычного смесителя снижает фоновый шум на 98%. Такие смесители состоят из взаимосвязанных трехмерных каналов потока с различными площадями поперечного сечения и различной длиной пути, поскольку жидкость пересекает сложные геометрические барьеры внутри. Новое семейство статических смесителей обеспечивает улучшенные характеристики по сравнению с конкурирующими смесителями, но с меньшим внутренним объемом, что приводит к лучшему соотношению сигнал/шум и более низким пределам количественного определения, а также к улучшенной форме пика, эффективности и разрешению для повышения чувствительности.
В этом выпуске: Хроматография – Экологически чистая обращенно-фазовая ВЭЖХ – Использование хроматографии типа «ядро-оболочка» для замены ацетонитрила изопропанолом в анализе и очистке – Новый газовый хроматограф для…
Business Center International Labmate Limited, Oak Court, Sandridge Park, Porters Wood, St Albans, Hertfordshire, AL3 6PH, Великобритания