Nový revolučný inline statický mixér bol vyvinutý špeciálne pre splnenie prísnych požiadaviek systémov vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie (HPLC) a ultra vysokoúčinnej kvapalinovej chromatografie (HPLC a UHPLC).Zlé zmiešanie dvoch alebo viacerých mobilných fáz môže viesť k vyššiemu pomeru signálu k šumu, čo znižuje citlivosť.Homogénne statické miešanie dvoch alebo viacerých kvapalín s minimálnym vnútorným objemom a fyzikálnymi rozmermi statického miešadla predstavuje najvyšší štandard ideálneho statického miešadla.Nový statický mixér to dosahuje použitím novej technológie 3D tlače na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá poskytuje vylepšené hydrodynamické statické miešanie s najvyšším percentuálnym znížením základnej sínusovej vlny na jednotku vnútorného objemu zmesi.Použitie 1/3 vnútorného objemu bežného mixéra znižuje základnú sínusovú vlnu o 98%.Miešačka pozostáva z prepojených 3D prietokových kanálov s rôznymi plochami prierezu a dĺžkou dráhy, keď tekutina prechádza cez zložité 3D geometrie.Miešanie na viacerých kľukatých dráhach toku v kombinácii s lokálnymi turbulenciami a vírmi vedie k miešaniu na mikro, mezo a makro úrovniach.Tento unikátny mixér je navrhnutý pomocou výpočtovej simulácie dynamiky tekutín (CFD).Uvedené testovacie údaje ukazujú, že vynikajúce premiešanie sa dosiahne s minimálnym vnútorným objemom.
Už viac ako 30 rokov sa kvapalinová chromatografia používa v mnohých priemyselných odvetviach, vrátane farmaceutických výrobkov, pesticídov, ochrany životného prostredia, forenznej a chemickej analýzy.Schopnosť merať na častice na milión alebo menej je rozhodujúca pre technologický rozvoj v akomkoľvek odvetví.Nízka účinnosť miešania vedie k slabému pomeru signálu k šumu, čo je pre chromatografickú komunitu obťažujúce z hľadiska limitov detekcie a citlivosti.Pri miešaní dvoch rozpúšťadiel pre HPLC je niekedy potrebné vynútiť miešanie externými prostriedkami, aby sa tieto dve rozpúšťadlá homogenizovali, pretože niektoré rozpúšťadlá sa zle miešajú.Ak rozpúšťadlá nie sú dôkladne premiešané, môže dôjsť k degradácii HPLC chromatogramu, ktorá sa prejaví nadmerným šumom základnej línie a/alebo zlým tvarom piku.Pri slabom miešaní sa bude základný šum javiť ako sínusová vlna (stúpajúca a klesajúca) signálu detektora v priebehu času.Zlé miešanie môže zároveň viesť k rozšíreniu a asymetrickým vrcholom, čo znižuje analytický výkon, tvar vrcholu a rozlíšenie vrcholu.Priemysel uznal, že in-line a T-statické mixéry sú prostriedkom na zlepšenie týchto limitov a umožňujú používateľom dosiahnuť nižšie limity detekcie (citlivosti).Ideálny statický mixér kombinuje výhody vysokej účinnosti miešania, nízkeho mŕtveho objemu a nízkej tlakovej straty s minimálnym objemom a maximálnou priepustnosťou systému.Okrem toho, keď sa analýza stáva zložitejšou, analytici musia bežne používať polárnejšie a ťažko miešateľné rozpúšťadlá.To znamená, že lepšie miešanie je nevyhnutnosťou pre budúce testovanie, čo ďalej zvyšuje potrebu vynikajúceho dizajnu a výkonu mixéra.
Spoločnosť Mott nedávno vyvinula nový rad patentovaných inline statických mixérov PerfectPeakTM s tromi vnútornými objemami: 30 µl, 60 µl a 90 µl.Tieto veľkosti pokrývajú rozsah objemov a charakteristík miešania potrebných pre väčšinu testov HPLC, kde sa vyžaduje lepšie miešanie a nízka disperzia.Všetky tri modely majú priemer 0,5″ a poskytujú špičkový výkon v kompaktnom dizajne.Sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele 316L, pasivovanej pre inertnosť, ale sú k dispozícii aj titánové a iné korózii odolné a chemicky inertné kovové zliatiny.Tieto mixéry majú maximálny prevádzkový tlak až 20 000 psi.Na obr.1a je fotografia 60 ul statického mixéra Mott navrhnutého tak, aby poskytoval maximálnu účinnosť miešania pri použití menšieho vnútorného objemu ako štandardné mixéry tohto typu.Tento nový dizajn statického mixéra využíva novú technológiu výroby aditív na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá na dosiahnutie statického miešania využíva menší vnútorný prietok ako ktorýkoľvek mixér, ktorý sa v súčasnosti používa v chromatografickom priemysle.Takéto zmiešavače pozostávajú z prepojených trojrozmerných prietokových kanálov s rôznymi plochami prierezu a rôznymi dĺžkami dráhy, keď kvapalina prechádza cez zložité geometrické bariéry vo vnútri.Na obr.Obrázok 1b zobrazuje schematický diagram nového mixéra, ktorý používa priemyselné štandardné 10-32 závitové HPLC kompresné fitingy pre vstup a výstup a má tieňované modré okraje patentovaného vnútorného portu mixéra.Rôzne plochy prierezu vnútorných dráh prúdenia a zmeny smeru prúdenia v rámci vnútorného objemu prúdenia vytvárajú oblasti turbulentného a laminárneho prúdenia, čo spôsobuje miešanie na mikro, mezo a makroúrovni.Pri návrhu tohto jedinečného mixéra sa použili simulácie výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) na analýzu vzorcov prúdenia a zdokonalenie návrhu pred vytvorením prototypu na interné analytické testovanie a vyhodnotenie v teréne zákazníka.Aditívna výroba je proces tlače 3D geometrických komponentov priamo z CAD výkresov bez potreby tradičného obrábania (frézky, sústruhy atď.).Tieto nové statické mixéry sú navrhnuté tak, aby sa vyrábali pomocou tohto procesu, kde je telo mixéra vytvorené z výkresov CAD a diely sú vyrábané (vytlačené) vrstva po vrstve pomocou aditívnej výroby.Tu sa nanesie vrstva kovového prášku s hrúbkou asi 20 mikrónov a počítačom riadený laser selektívne roztaví a spojí prášok do pevnej formy.Naneste ďalšiu vrstvu na túto vrstvu a naneste laserové spekanie.Tento postup opakujte, kým nie je diel úplne hotový.Prášok sa potom odstráni z časti, ktorá nie je spojená laserom, a zostane 3D vytlačená časť, ktorá sa zhoduje s pôvodným výkresom CAD.Konečný produkt je do istej miery podobný mikrofluidnému procesu, s hlavným rozdielom, že mikrofluidné komponenty sú zvyčajne dvojrozmerné (ploché), pri použití aditívnej výroby je možné vytvárať zložité vzory toku v trojrozmernej geometrii.Tieto batérie sú v súčasnosti dostupné ako 3D tlačené diely z nehrdzavejúcej ocele 316L a titánu.Väčšina kovových zliatin, polyméry a niektoré keramiky sa môžu použiť na výrobu komponentov pomocou tejto metódy a budú sa brať do úvahy pri budúcich dizajnoch/produktoch.
Ryža.1. Fotografia (a) a diagram (b) 90 μl statického mixéra Mott zobrazujúci priečny rez dráhy toku tekutiny mixéra vytieňovaný modrou farbou.
Spustite simulácie výpočtovej dynamiky tekutín (CFD) výkonu statického mixéra počas fázy návrhu, aby ste pomohli vyvinúť efektívne návrhy a znížili časovo náročné a nákladné experimenty typu pokus-omyl.CFD simulácia statických mixérov a štandardného potrubia (simulácia bez mixéra) pomocou softvérového balíka COMSOL Multiphysics.Modelovanie pomocou tlakovo riadenej laminárnej mechaniky tekutín na pochopenie rýchlosti a tlaku tekutiny v súčiastke.Táto dynamika tekutín v kombinácii s chemickým transportom zlúčenín mobilnej fázy pomáha pochopiť miešanie dvoch rôznych koncentrovaných kvapalín.Model sa študuje ako funkcia času, ktorá sa rovná 10 sekundám, pre zjednodušenie výpočtu pri hľadaní porovnateľných riešení.Teoretické údaje boli získané v časovo korelovanej štúdii pomocou nástroja bodovej projekcie sondy, kde bol na zber údajov zvolený bod v strede východu.Model CFD a experimentálne testy používali dve rôzne rozpúšťadlá prostredníctvom proporcionálneho vzorkovacieho ventilu a čerpacieho systému, výsledkom čoho bola výmenná zátka pre každé rozpúšťadlo vo vzorkovacom potrubí.Tieto rozpúšťadlá sa potom zmiešajú v statickom mixéri.Obrázky 2 a 3 znázorňujú simulácie prúdenia cez štandardné potrubie (bez mixéra) a cez statický mixér Mott.Simulácia prebiehala na rovnej trubici s dĺžkou 5 cm a vnútorným priemerom 0,25 mm, aby sa demonštrovala koncepcia striedania zátok vody a čistého acetonitrilu do trubice v neprítomnosti statického mixéra, ako je znázornené na obrázku 2. Pri simulácii sa použili presné rozmery trubice a mixéra a prietok 0,3 ml/min.
Ryža.2. Simulácia toku CFD v 5 cm skúmavke s vnútorným priemerom 0,25 mm na znázornenie toho, čo sa deje v HPLC skúmavke, tj v neprítomnosti mixéra.Plná červená predstavuje hmotnostný podiel vody.Modrá predstavuje nedostatok vody, teda čistého acetonitrilu.Oblasti difúzie možno vidieť medzi striedajúcimi sa zátkami dvoch rôznych kvapalín.
Ryža.3. Statický mixér s objemom 30 ml, modelovaný v softvérovom balíku COMSOL CFD.Legenda predstavuje hmotnostný podiel vody v mixéri.Čistá voda je znázornená červenou farbou a čistý acetonitril modrou farbou.Zmena hmotnostného podielu simulovanej vody je reprezentovaná zmenou farby zmiešania dvoch kvapalín.
Na obr.4 ukazuje validačnú štúdiu korelačného modelu medzi účinnosťou miešania a objemom miešania.So zvyšujúcim sa objemom miešania sa zvyšuje účinnosť miešania.Pokiaľ je autorom známe, v tomto CFD modeli nie je možné počítať s inými zložitými fyzikálnymi silami pôsobiacimi vo vnútri mixéra, čo vedie k vyššej účinnosti miešania v experimentálnych testoch.Experimentálna účinnosť miešania bola meraná ako percentuálne zníženie základnej sínusoidy.Okrem toho zvýšený protitlak zvyčajne vedie k vyšším úrovniam miešania, ktoré sa pri simulácii nezohľadňujú.
Nasledujúce podmienky HPLC a nastavenie testu sa použili na meranie surových sínusových vĺn na porovnanie relatívneho výkonu rôznych statických mixérov.Diagram na obrázku 5 ukazuje typické usporiadanie systému HPLC/UHPLC.Statický mixér sa testoval umiestnením mixéra priamo za čerpadlo a pred injektor a separačnú kolónu.Väčšina sínusových meraní pozadia sa vykonáva obídením injektora a kapilárnej kolóny medzi statickým mixérom a UV detektorom.Pri hodnotení pomeru signálu k šumu a/alebo analýze tvaru piku je konfigurácia systému znázornená na obrázku 5.
Obrázok 4. Graf účinnosti miešania versus objem miešania pre rad statických miešačov.Teoretická nečistota sleduje rovnaký trend ako experimentálne údaje o nečistote potvrdzujúce platnosť CFD simulácií.
HPLC systém použitý na tento test bol Agilent 1100 Series HPLC s UV detektorom riadeným PC so softvérom Chemstation.Tabuľka 1 ukazuje typické podmienky ladenia na meranie účinnosti mixéra monitorovaním základných sínusoidov v dvoch prípadových štúdiách.Experimentálne testy sa uskutočnili na dvoch rôznych príkladoch rozpúšťadiel.Dve rozpúšťadlá zmiešané v prípade 1 boli rozpúšťadlo A (20 mM octan amónny v deionizovanej vode) a rozpúšťadlo B (80 % acetonitril (ACN)/20 % deionizovaná voda).V prípade 2 bol rozpúšťadlom A roztok 0,05 % acetónu (označenie) v deionizovanej vode.Rozpúšťadlo B je zmes 80/20 % metanolu a vody.V prípade 1 bolo čerpadlo nastavené na prietok 0,25 ml/min až 1,0 ml/min a v prípade 2 bolo čerpadlo nastavené na konštantný prietok 1 ml/min.V oboch prípadoch bol pomer zmesi rozpúšťadiel A a B 20 % A/80 % B. Detektor bol nastavený na 220 nm v prípade 1 a maximálna absorpcia acetónu v prípade 2 bola nastavená na vlnovú dĺžku 265 nm.
Tabuľka 1. Konfigurácia HPLC pre prípady 1 a 2 Prípad 1 Prípad 2 Rýchlosť pumpy 0,25 ml/min až 1,0 ml/min 1,0 ml/min Rozpúšťadlo A 20 mM octan amónny v deionizovanej vode 0,05 % acetón v deionizovanej vode Rozpúšťadlo B 80 % acetonitril % acetonitril % deionizovaný voda 20 % deionizovaná voda (20 % deionizovaná voda Pomer rozpúšťadiel 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Ryža.6. Grafy zmiešaných sínusových vĺn nameraných pred a po aplikácii dolnopriepustného filtra na odstránenie základných zložiek driftu signálu.
Obrázok 6 je typickým príkladom zmiešaného základného šumu v prípade 1, znázorneného ako opakujúci sa sínusový vzor superponovaný na posun základnej čiary.Posun základnej čiary je pomalý nárast alebo pokles signálu pozadia.Ak systému nie je umožnené dostatočne dlho sa vyrovnať, zvyčajne spadne, ale bude sa nepravidelne unášať, aj keď je systém úplne stabilný.Tento posun základnej línie má tendenciu sa zvyšovať, keď systém pracuje v podmienkach strmého stúpania alebo vysokého protitlaku.Keď je prítomný tento posun základnej línie, môže byť ťažké porovnávať výsledky medzi vzorkami, čo sa dá prekonať aplikáciou dolnopriepustného filtra na nespracované údaje, aby sa odfiltrovali tieto nízkofrekvenčné variácie, čím sa poskytne oscilačný graf s plochou základnou čiarou.Na obr.Obrázok 6 tiež ukazuje graf základnej úrovne hluku mixéra po aplikácii dolnopriepustného filtra.
Po dokončení CFD simulácií a počiatočnom experimentálnom testovaní boli následne vyvinuté tri samostatné statické mixéry s použitím vnútorných komponentov opísaných vyššie s tromi vnútornými objemami: 30 ul, 60 ul a 90 ul.Tento rozsah pokrýva rozsah objemov a miešacích výkonov požadovaných pre aplikácie HPLC s nízkym obsahom analytu, kde je potrebné lepšie miešanie a nízka disperzia na vytvorenie základných línií s nízkou amplitúdou.Na obr.7 ukazuje základné merania sínusových vĺn získané na testovacom systéme z príkladu 1 (acetonitril a octan amónny ako indikátory) s tromi objemami statických mixérov a bez inštalovaných mixérov.Experimentálne testovacie podmienky pre výsledky znázornené na obrázku 7 sa udržiavali konštantné počas všetkých 4 testov podľa postupu uvedeného v tabuľke 1 pri prietoku rozpúšťadla 0,5 ml/min.Použite hodnotu posunu na množiny údajov, aby sa dali zobraziť vedľa seba bez prekrývania signálov.Offset neovplyvňuje amplitúdu signálu použitého na posúdenie úrovne výkonu mixéra.Priemerná sínusová amplitúda bez mixéra bola 0,221 mAi, zatiaľ čo amplitúdy statických mixérov Mott pri 30 ul, 60 ul a 90 ul klesli na 0,077, 0,017 a 0,004 mAi, v tomto poradí.
Obrázok 7. Posun signálu HPLC UV detektora vs. čas pre Prípad 1 (acetonitril s indikátorom octanu amónneho) zobrazujúci miešanie rozpúšťadla bez mixéra, 30 ul, 60 ul a 90 ul Mottových mixérov, ktoré vykazujú zlepšené miešanie (nižšia amplitúda signálu) so zvyšujúcim sa objemom statického mixéra.(skutočné posuny údajov: 0,13 (bez mixéra), 0,32, 0,4, 0,45 mA pre lepšie zobrazenie).
Údaje zobrazené na obr.8 sú rovnaké ako na obr. 7, ale tentoraz zahŕňajú výsledky troch bežne používaných HPLC statických mixérov s vnútornými objemami 50 ul, 150 ul a 250 ul.Ryža.Obrázok 8. Posun signálu HPLC UV detektora proti času pre prípad 1 (acetonitril a octan amónny ako indikátory) zobrazujúci miešanie rozpúšťadla bez statického miešača, nový rad statických miešačov Mott a tri bežné miešačky (aktuálny posun údajov je 0,1 (bez miešača), 0,32, 0,0,8, 0,48, 0,0, v tomto poradí pre zobrazenie lepšieho efektu 0,48,0,0 ).Percentuálne zníženie základnej sínusovej vlny sa vypočíta ako pomer amplitúdy sínusovej vlny k amplitúde bez nainštalovaného zmiešavača.Namerané percentá útlmu sínusovej vlny pre prípady 1 a 2 sú uvedené v tabuľke 2 spolu s vnútornými objemami nového statického mixéra a siedmich štandardných mixérov bežne používaných v priemysle.Údaje na obrázkoch 8 a 9, ako aj výpočty uvedené v tabuľke 2 ukazujú, že statický mixér Mott môže poskytnúť až 98,1 % zoslabenie sínusovej vlny, čo ďaleko prevyšuje výkon bežného mixéra HPLC za týchto testovacích podmienok.Obrázok 9. Posun signálu HPLC UV detektora v závislosti od času pre prípad 2 (metanol a acetón ako indikátory), ktorý neukazuje žiadny statický mixér (kombinovaný), novú sériu statických mixérov Mott a dva konvenčné mixéry (aktuálne odchýlky údajov sú 0, 11 (bez mixéra), 0,22, 0,3, 0,35 mA pre lepšie zobrazenie).Hodnotených bolo aj sedem bežne používaných mixérov v priemysle.Patria sem miešačky s tromi rôznymi vnútornými objemami od spoločnosti A (označené ako Miešačka A1, A2 a A3) a spoločnosti B (označené ako Miešačka B1, B2 a B3).Spoločnosť C ohodnotila iba jednu veľkosť.
Tabuľka 2. Charakteristiky miešania statického mixéra a vnútorný objem Prípad statického mixéra 1 Sínusová regenerácia: Test acetonitrilu (účinnosť) Prípad 2 Sínusová regenerácia: Test metanolu a vody (Účinnosť) Vnútorný objem (µl) Bez mixéra – - 0 Mott 30 65% 3600 Mott 30 65% 607,2% Mott. 90 98,1% 97,5% 90 Miešačka A1 66,4% 73,7% 50 Miešačka A2 89,8% 91,6% 150 Miešačka A3 92,2% 94,5% 250 Miešačka B1 44,8% 45,7% B293 Miešačka 95,7% B293 Miešačka B1 44,8% 45,7% B293 Miešačka ,2 % 97,4 % 250
Analýza výsledkov na obrázku 8 a tabuľke 2 ukazuje, že 30 ul statický mixér Mott má rovnakú účinnosť miešania ako mixér A1, tj 50 ul, avšak 30 ul Mott má o 30 % menší vnútorný objem.Pri porovnaní 60 ul mixéra Mott so 150 ul mixéra s vnútorným objemom A2 došlo k miernemu zlepšeniu účinnosti miešania 92 % oproti 89 %, ale čo je dôležitejšie, táto vyššia úroveň miešania sa dosiahla pri 1/3 objemu mixéra.podobný mixér A2.Výkon 90 µl mixéra Mott sledoval rovnaký trend ako mixér A3 s vnútorným objemom 250 µl.Boli tiež pozorované zlepšenia výkonu miešania o 98 % a 92 % s trojnásobným znížením vnútorného objemu.Podobné výsledky a porovnania boli získané pre mixéry B a C. Výsledkom je, že nová séria statických mixérov Mott PerfectPeakTM poskytuje vyššiu účinnosť mixovania ako porovnateľné konkurenčné mixéry, ale s menším vnútorným objemom, poskytuje lepší šum na pozadí a lepší pomer signálu k šumu, lepšiu citlivosť Analyte, tvar vrcholov a rozlíšenie vrcholov.Podobné trendy v účinnosti miešania boli pozorované v štúdiách 1. aj 2. prípadu.V prípade 2 boli uskutočnené testy s použitím (metanol a acetón ako indikátory) na porovnanie účinnosti miešania 60 ml Mott, porovnateľného mixéra A1 (vnútorný objem 50 ul) a porovnateľného mixéra B1 (vnútorný objem 35 ul)., výkon bol slabý bez nainštalovaného mixéra, ale bol použitý na analýzu základnej línie.60 ml mixér Mott sa ukázal ako najlepší mixér v testovacej skupine, ktorý poskytuje 90% zvýšenie účinnosti miešania.Porovnateľný mixér A1 zaznamenal 75 % zlepšenie účinnosti miešania, po ktorom nasledovalo 45 % zlepšenie v porovnateľnom mixéri B1.Základný test redukcie sínusovej vlny s prietokom bol vykonaný na sérii mixérov za rovnakých podmienok ako test sínusovej krivky v prípade 1, len so zmenenou prietokovou rýchlosťou.Dáta ukázali, že v rozsahu prietokov od 0,25 do 1 ml/min zostal počiatočný pokles sínusovej vlny relatívne konštantný pre všetky tri objemy mixéra.V prípade dvoch mixérov s menším objemom dochádza k miernemu zvýšeniu sínusovej kontrakcie, keď sa prietok znižuje, čo sa očakáva v dôsledku predĺženej doby zotrvania rozpúšťadla v mixéri, čo umožňuje zvýšené difúzne miešanie.Očakáva sa, že odčítanie sínusovej vlny sa bude zvyšovať, keď sa prietok ďalej znižuje.Avšak pre najväčší objem mixéra s najvyšším základným útlmom sínusovej vlny zostal základný útlm sínusovej vlny prakticky nezmenený (v rozsahu experimentálnej neistoty) s hodnotami v rozmedzí od 95 % do 98 %.Ryža.10. Základné zoslabenie sínusovej vlny verzus prietok v prípade 1. Test sa uskutočnil za podmienok podobných sínusovému testu s premenlivým prietokom, vstrekovaním 80 % zmesi acetonitrilu a vody 80/20 a 20 % 20 mM octanu amónneho.
Novo vyvinutý rad patentovaných inline statických mixérov PerfectPeakTM s tromi vnútornými objemami: 30 µl, 60 µl a 90 µl pokrýva rozsah objemu a výkonu miešania požadovaný pre väčšinu HPLC analýz vyžadujúcich vylepšené miešanie a nízku disperziu.Nový statický mixér to dosahuje použitím novej technológie 3D tlače na vytvorenie jedinečnej 3D štruktúry, ktorá poskytuje vylepšené hydrodynamické statické miešanie s najvyšším percentuálnym znížením základného hluku na jednotku objemu vnútornej zmesi.Použitie 1/3 vnútorného objemu bežného mixéra znižuje základný hluk o 98%.Takéto zmiešavače pozostávajú z prepojených trojrozmerných prietokových kanálov s rôznymi plochami prierezu a rôznymi dĺžkami dráhy, keď kvapalina prechádza cez zložité geometrické bariéry vo vnútri.Nová rodina statických mixérov poskytuje lepší výkon v porovnaní s konkurenčnými mixérmi, ale s menším vnútorným objemom, čo vedie k lepšiemu pomeru signálu k šumu a nižším limitom kvantifikácie, ako aj k zlepšenému tvaru špičky, účinnosti a rozlíšeniu pre vyššiu citlivosť.
V tomto čísle Chromatografia – Ekologická RP-HPLC – Využitie jadrovej a plášťovej chromatografie na nahradenie acetonitrilu izopropanolom pri analýze a čistení – Nový plynový chromatograf pre…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Spojené kráľovstvo