En revolutionerande ny inline statisk mixer har utvecklats specifikt utformad för att möta de stränga kraven inom högpresterande vätskekromatografi (HPLC) och ultrahögpresterande vätskekromatografi (HPLC och UHPLC). Dålig blandning av två eller flera mobila faser kan resultera i ett högre signal-brusförhållande, vilket minskar känsligheten. Homogen statisk blandning av två eller flera vätskor med en minimal intern volym och fysiska dimensioner hos en statisk mixer representerar den högsta standarden för en idealisk statisk mixer. Den nya statiska mixern uppnår detta genom att använda ny 3D-utskriftsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som ger förbättrad hydrodynamisk statisk blandning med den högsta procentuella minskningen av bassinusvåg per enhet intern volym av blandningen. Genom att använda 1/3 av den interna volymen hos en konventionell mixer minskar den grundläggande sinusvågen med 98 %. Mixern består av sammankopplade 3D-flödeskanaler med varierande tvärsnittsareor och banlängder när vätskan passerar komplexa 3D-geometrier. Blandning längs flera slingrande flödesvägar, i kombination med lokal turbulens och virvlar, resulterar i blandning på mikro-, meso- och makroskala. Denna unika mixer är konstruerad med hjälp av CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics). De presenterade testdata visar att utmärkt blandning uppnås med en minimal intern volym.
I mer än 30 år har vätskekromatografi använts inom många industrier, inklusive läkemedel, bekämpningsmedel, miljöskydd, forensik och kemisk analys. Förmågan att mäta till miljondelar eller mindre är avgörande för den tekniska utvecklingen inom alla branscher. Dålig blandningseffektivitet leder till dåligt signal-brusförhållande, vilket är en irritation för kromatografibranschen när det gäller detektionsgränser och känslighet. Vid blandning av två HPLC-lösningsmedel är det ibland nödvändigt att tvinga fram blandning med externa medel för att homogenisera de två lösningsmedlen eftersom vissa lösningsmedel inte blandas väl. Om lösningsmedlen inte blandas noggrant kan HPLC-kromatogrammet försämras, vilket manifesterar sig som överdrivet baslinjebrus och/eller dålig toppform. Vid dålig blandning kommer baslinjebruset att uppstå som en sinusvåg (stigande och fallande) av detektorsignalen över tid. Samtidigt kan dålig blandning leda till bredare och asymmetriska toppar, vilket minskar analytisk prestanda, toppform och toppupplösning. Industrin har insett att inline- och T-formade statiska blandare är ett sätt att förbättra dessa gränser och låta användare uppnå lägre detektionsgränser (känsligheter). Den ideala statiska mixern kombinerar fördelarna med hög blandningseffektivitet, låg dödvolym och lågt tryckfall med minimal volym och maximal systemgenomströmning. Dessutom, i takt med att analysen blir mer komplex, måste analytiker rutinmässigt använda mer polära och svårblandade lösningsmedel. Detta innebär att bättre blandning är ett måste för framtida tester, vilket ytterligare ökar behovet av överlägsen mixerdesign och prestanda.
Mott har nyligen utvecklat en ny serie patenterade PerfectPeak™ inline statiska blandare med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl. Dessa storlekar täcker det volym- och blandningsspektrum som behövs för de flesta HPLC-tester där förbättrad blandning och låg dispersion krävs. Alla tre modellerna har en diameter på 0,5 tum och levererar branschledande prestanda i en kompakt design. De är tillverkade av 316L rostfritt stål, passiverat för inerthet, men titan och andra korrosionsbeständiga och kemiskt inerta metalllegeringar finns också tillgängliga. Dessa blandare har ett maximalt driftstryck på upp till 20 000 psi. I figur 1a visas ett fotografi av en 60 µl Mott statisk blandare utformad för att ge maximal blandningseffektivitet samtidigt som den använder en mindre intern volym än standardblandare av denna typ. Denna nya statiska blandardesign använder ny additiv tillverkningsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som använder mindre internt flöde än någon blandare som för närvarande används inom kromatografiindustrin för att uppnå statisk blandning. Sådana blandare består av sammankopplade tredimensionella flödeskanaler med olika tvärsnittsareor och olika banlängder när vätskan korsar komplexa geometriska barriärer inuti. Figur 1b visar ett schematiskt diagram över den nya blandaren, som använder industristandard 10-32 gängade HPLC-kompressionskopplingar för inlopp och utlopp, och har skuggade blå kanter av den patenterade interna blandarporten. Olika tvärsnittsareor av de interna flödesvägarna och förändringar i flödesriktning inom den interna flödesvolymen skapar områden med turbulent och laminärt flöde, vilket orsakar blandning på mikro-, meso- och makroskala. Konstruktionen av denna unika blandare använde beräkningsmässiga fluiddynamiksimuleringar (CFD) för att analysera flödesmönster och förfina designen innan prototypframställning för intern analytisk testning och kundutvärdering. Additiv tillverkning är processen att skriva ut 3D-geometriska komponenter direkt från CAD-ritningar utan behov av traditionell bearbetning (fräsmaskiner, svarvar etc.). Dessa nya statiska blandare är konstruerade för att tillverkas med denna process, där blandarkroppen skapas från CAD-ritningar och delarna tillverkas (skrivs ut) lager för lager med hjälp av additiv tillverkning. Här deponeras ett cirka 20 mikron tjockt lager metallpulver, och en datorstyrd laser smälter och sammansmälter selektivt pulvret till en fast form. Applicera ytterligare ett lager ovanpå detta lager och applicera lasersintring. Upprepa denna process tills delen är helt färdig. Pulvret avlägsnas sedan från den icke-laserbundna delen, vilket lämnar en 3D-utskriven del som matchar den ursprungliga CAD-ritningen. Slutprodukten är något lik den mikrofluidiska processen, med den största skillnaden att de mikrofluidiska komponenterna vanligtvis är tvådimensionella (platta), medan man med hjälp av additiv tillverkning kan skapa komplexa flödesmönster i tredimensionell geometri. Dessa kranar finns för närvarande tillgängliga som 3D-utskrivna delar i 316L rostfritt stål och titan. De flesta metalllegeringar, polymerer och vissa keramiker kan användas för att tillverka komponenter med denna metod och kommer att beaktas i framtida design/produkter.
Ris. 1. Fotografi (a) och diagram (b) av en 90 μl Mott statisk mixer som visar ett tvärsnitt av mixerns vätskeflödesväg skuggad i blått.
Kör beräkningsmässiga fluiddynamiksimuleringar (CFD) av statiska blandares prestanda under designfasen för att hjälpa till att utveckla effektiva konstruktioner och minska tidskrävande och kostsamma trial-and-error-experiment. CFD-simulering av statiska blandare och standardrörledningar (simulering utan blandare) med hjälp av COMSOL Multiphysics-programvarupaketet. Modellering med hjälp av tryckdriven laminär fluidmekanik för att förstå fluidhastighet och tryck i en del. Denna fluiddynamik, i kombination med den kemiska transporten av mobila fasföreningar, hjälper till att förstå blandningen av två olika koncentrerade vätskor. Modellen studeras som en funktion av tid, lika med 10 sekunder, för att underlätta beräkningen samtidigt som man söker efter jämförbara lösningar. Teoretiska data erhölls i en tidskorrelerad studie med hjälp av punktprobprojektionsverktyget, där en punkt mitt i utgången valdes för datainsamling. CFD-modellen och experimentella tester använde två olika lösningsmedel genom en proportionell provtagningsventil och ett pumpsystem, vilket resulterade i en ersättningsplugg för varje lösningsmedel i provtagningsledningen. Dessa lösningsmedel blandas sedan i en statisk blandare. Figur 2 och 3 visar flödessimuleringar genom ett standardrör (utan blandare) respektive genom en Mott statisk blandare. Simuleringen kördes på ett rakt rör 5 cm långt och 0,25 mm innerdiameter för att demonstrera konceptet med alternerande pluggar av vatten och ren acetonitril i röret i frånvaro av en statisk blandare, såsom visas i figur 2. Simuleringen använde rörets och blandarens exakta dimensioner och en flödeshastighet på 0,3 ml/min.
Ris. 2. Simulering av CFD-flöde i ett 5 cm rör med en innerdiameter på 0,25 mm för att representera vad som händer i ett HPLC-rör, dvs. i frånvaro av en mixer. Helrött representerar massfraktionen av vatten. Blått representerar avsaknaden av vatten, dvs. ren acetonitril. Diffusionsområden kan ses mellan alternerande pluggar av två olika vätskor.
Ris. 3. Statisk mixer med en volym på 30 ml, modellerad i programvarupaketet COMSOL CFD. Förklaringen representerar massfraktionen av vattnet i mixern. Rent vatten visas i rött och ren acetonitril i blått. Förändringen i massfraktionen av det simulerade vattnet representeras av en färgförändring vid blandningen av två vätskor.
Figur 4 visar en valideringsstudie av korrelationsmodellen mellan blandningseffektivitet och blandningsvolym. När blandningsvolymen ökar, ökar blandningseffektiviteten. Såvitt författarna vet kan andra komplexa fysikaliska krafter som verkar inuti blandaren inte beaktas i denna CFD-modell, vilket resulterar i högre blandningseffektivitet i experimentella tester. Den experimentella blandningseffektiviteten mättes som den procentuella minskningen av bassinusformen. Dessutom resulterar ökat mottryck vanligtvis i högre blandningsnivåer, vilket inte beaktas i simuleringen.
Följande HPLC-förhållanden och testuppställning användes för att mäta råa sinusvågor för att jämföra den relativa prestandan hos olika statiska blandare. Diagrammet i figur 5 visar en typisk HPLC/UHPLC-systemlayout. Den statiska blandaren testades genom att placera blandaren direkt efter pumpen och före injektorn och separationskolonnen. De flesta sinusformade bakgrundsmätningar görs genom att förbigå injektorn och kapillärkolonnen mellan den statiska blandaren och UV-detektorn. Vid utvärdering av signal-brusförhållandet och/eller analys av toppformen visas systemkonfigurationen i figur 5.
Figur 4. Diagram över blandningseffektivitet kontra blandningsvolym för ett intervall av statiska blandare. Den teoretiska föroreningen följer samma trend som de experimentella föroreningsdata, vilket bekräftar giltigheten av CFD-simuleringarna.
HPLC-systemet som användes för detta test var en Agilent 1100-serie HPLC med en UV-detektor styrd av en PC som kör Chemstation-programvaran. Tabell 1 visar typiska inställningsförhållanden för att mäta blandarens effektivitet genom att övervaka basiska sinusoider i två fallstudier. Experimentella tester utfördes på två olika exempel på lösningsmedel. De två lösningsmedlen som blandades i fall 1 var lösningsmedel A (20 mM ammoniumacetat i avjoniserat vatten) och lösningsmedel B (80 % acetonitril (ACN)/20 % avjoniserat vatten). I fall 2 var lösningsmedel A en lösning av 0,05 % aceton (märkning) i avjoniserat vatten. Lösningsmedel B är en blandning av 80/20 % metanol och vatten. I fall 1 var pumpen inställd på ett flöde på 0,25 ml/min till 1,0 ml/min, och i fall 2 var pumpen inställd på ett konstant flöde på 1 ml/min. I båda fallen var förhållandet mellan blandningen av lösningsmedel A och B 20 % A/80 % B. Detektorn var inställd på 220 nm i fall 1, och den maximala absorptionen av aceton i fall 2 var inställd på en våglängd på 265 nm.
Tabell 1. HPLC-konfigurationer för fall 1 och 2 Fall 1 Fall 2 Pumphastighet 0,25 ml/min till 1,0 ml/min 1,0 ml/min Lösningsmedel A 20 mM ammoniumacetat i avjoniserat vatten 0,05 % aceton i avjoniserat vatten Lösningsmedel B 80 % acetonitril (ACN) / 20 % avjoniserat vatten 80 % metanol / 20 % avjoniserat vatten Lösningsmedelsförhållande 20 % A / 80 % B 20 % A / 80 % B Detektor 220 nm 265 nm
Ris. 6. Diagram över blandade sinusvågor mätta före och efter applicering av ett lågpassfilter för att ta bort baslinjedriftkomponenter i signalen.
Figur 6 är ett typiskt exempel på blandat baslinjebrus i fall 1, visat som ett upprepande sinusformat mönster ovanpå baslinjedriften. Baslinjedrift är en långsam ökning eller minskning av bakgrundssignalen. Om systemet inte tillåts komma i jämvikt tillräckligt länge kommer det vanligtvis att minska, men kommer att drifta oregelbundet även när systemet är helt stabilt. Denna baslinjedrift tenderar att öka när systemet arbetar i branta lutningar eller förhållanden med högt mottryck. När denna baslinjedrift föreligger kan det vara svårt att jämföra resultat från prov till prov, vilket kan övervinnas genom att tillämpa ett lågpassfilter på rådata för att filtrera bort dessa lågfrekventa variationer, vilket ger ett oscillationsdiagram med en plan baslinje. I fig. 6 visas också ett diagram över mixerns baslinjebrus efter applicering av ett lågpassfilter.
Efter att CFD-simuleringarna och den inledande experimentella testningen hade slutförts, utvecklades tre separata statiska blandare med de interna komponenter som beskrivs ovan med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl. Detta intervall täcker det volym- och blandningsprestandaintervall som krävs för HPLC-applikationer med låg analythalt där förbättrad blandning och låg dispersion krävs för att producera baslinjer med låg amplitud. Figur 7 visar grundläggande sinusvågsmätningar erhållna på testsystemet i exempel 1 (acetonitril och ammoniumacetat som spårämnen) med tre volymer statiska blandare och inga installerade blandare. Experimentella testförhållanden för resultaten som visas i figur 7 hölls konstanta under alla fyra tester enligt proceduren som beskrivs i tabell 1 vid ett lösningsmedelsflöde på 0,5 ml/min. Tillämpa ett offsetvärde på dataseten så att de kan visas sida vid sida utan signalöverlappning. Offset påverkar inte amplituden hos den signal som används för att bedöma blandarens prestandanivå. Den genomsnittliga sinusformade amplituden utan mixern var 0,221 mAi, medan amplituderna för de statiska Mott-mixrarna vid 30 µl, 60 µl och 90 µl sjönk till 0,077, 0,017 respektive 0,004 mAi.
Figur 7. HPLC UV-detektorsignalförskjutning kontra tid för fall 1 (acetonitril med ammoniumacetatindikator) som visar lösningsmedelsblandning utan mixer, 30 µl, 60 µl och 90 µl Mott-mixrar som visar förbättrad blandning (lägre signalamplitud) när volymen hos den statiska mixern ökar. (faktiska dataförskjutningar: 0,13 (ingen mixer), 0,32, 0,4, 0,45 mA för bättre visning).
Data som visas i figur 8 är desamma som i figur 7, men den här gången inkluderar de resultaten från tre vanligt förekommande statiska HPLC-blandare med interna volymer på 50 µl, 150 µl och 250 µl. Figur 8. HPLC UV-detektorsignalförskjutning kontra tidsdiagram för fall 1 (acetonitril och ammoniumacetat som indikatorer) som visar blandning av lösningsmedel utan statisk blandare, den nya serien av statiska Mott-blandare och tre konventionella blandare (faktisk dataförskjutning är 0,1 (utan blandare), 0,32, 0,48, 0,6, 0,7, 0,8, 0,9 mA respektive för bättre visningseffekt). Den procentuella minskningen av bassinusvågen beräknas genom förhållandet mellan sinusvågens amplitud och amplituden utan att blandaren är installerad. De uppmätta sinusvågsdämpningsprocenterna för fall 1 och 2 listas i tabell 2, tillsammans med de interna volymerna för en ny statisk bländare och sju standardblandare som vanligtvis används inom industrin. Uppgifterna i figur 8 och 9, liksom beräkningarna som presenteras i tabell 2, visar att Mott Static Mixer kan ge upp till 98,1 % sinusvågsdämpning, vilket vida överträffar prestandan hos en konventionell HPLC-blandare under dessa testförhållanden. Figur 9. HPLC UV-detektorsignalförskjutning kontra tid-diagram för fall 2 (metanol och aceton som spårämnen) som visar ingen statisk bländare (kombinerad), en ny serie Mott statiska bländare och två konventionella bländare (faktiska dataförskjutningar är 0, 11 (utan bländare), 0,22, 0,3, 0,35 mA och för bättre visning). Sju vanligt förekommande bländare inom industrin utvärderades också. Dessa inkluderar blandare med tre olika interna volymer från företag A (betecknade blandare A1, A2 och A3) och företag B (betecknade blandare B1, B2 och B3). Företag C betygsatte endast en storlek.
Tabell 2. Omrörningsegenskaper för statisk mixer och intern volym Statisk mixer Fall 1 Sinusformad återvinning: Acetonitriltest (effektivitet) Fall 2 Sinusformad återvinning: Metanolvattentest (effektivitet) Intern volym (µl) Ingen 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
Analys av resultaten i figur 8 och tabell 2 visar att den statiska Mott-blandaren på 30 µl har samma blandningseffektivitet som A1-blandaren, dvs. 50 µl, men 30 µl Mott har 30 % mindre intern volym. Vid jämförelse av 60 µl Mott-blandaren med A2-blandaren med 150 µl intern volym, sågs en liten förbättring av blandningseffektiviteten på 92 % jämfört med 89 %, men ännu viktigare är att denna högre blandningsnivå uppnåddes vid 1/3 av blandarvolymen. Prestandan för 90 µl Mott-blandaren följde samma trend som A3-blandaren med en intern volym på 250 µl. Förbättringar i blandningsprestanda på 98 % och 92 % observerades också med en trefaldig minskning av den interna volymen. Liknande resultat och jämförelser erhölls för blandarna B och C. Som ett resultat ger den nya serien av statiska blandare, Mott PerfectPeak™, högre blandningseffektivitet än jämförbara konkurrerande blandare, men med mindre intern volym, vilket ger bättre bakgrundsbrus och ett bättre signal-brusförhållande, bättre känslighet för analyt, toppform och toppupplösning. Liknande trender i blandningseffektivitet observerades i både fall 1- och fall 2-studierna. För fall 2 utfördes tester med (metanol och aceton som indikatorer) för att jämföra blandningseffektiviteten hos 60 ml Mott, en jämförbar blandare A1 (intern volym 50 µl) och en jämförbar blandare B1 (intern volym 35 µl). Prestandan var dålig utan en installerad blandare, men den användes för baslinjeanalys. 60 ml Mott-blandaren visade sig vara den bästa blandaren i testgruppen och gav en ökning av blandningseffektiviteten med 90 %. En jämförbar blandare A1 såg en förbättring av blandningseffektiviteten med 75 %. En jämförbar blandare A1 såg en förbättring av blandningseffektiviteten med 45 %. Ett grundläggande sinusvågsreduktionstest med flödeshastighet utfördes på en serie blandare under samma förhållanden som sinuskurvtestet i fall 1, med endast flödeshastigheten ändrad. Data visade att inom flödeshastighetsintervallet 0,25 till 1 ml/min förblev den initiala minskningen av sinusvågen relativt konstant för alla tre blandarvolymer. För de två blandarna med mindre volymer sker en liten ökning av sinusformad kontraktion när flödeshastigheten minskar, vilket förväntas på grund av lösningsmedlets ökade uppehållstid i blandaren, vilket möjliggör ökad diffusionsblandning. Subtraktionen av sinusvågen förväntas öka när flödet minskar ytterligare. För den största blandarvolymen med den högsta sinusvågsbasdämpningen förblev dock sinusvågsbasdämpningen praktiskt taget oförändrad (inom intervallet för experimentell osäkerhet), med värden från 95 % till 98 %. 10. Grunddämpning av en sinusvåg kontra flödeshastighet i fall 1. Testet utfördes under förhållanden liknande sinustestet med variabel flödeshastighet, där 80 % av en 80/20-blandning av acetonitril och vatten och 20 % av 20 mM ammoniumacetat injicerades.
Det nyutvecklade sortimentet av patenterade PerfectPeakTM inline statiska blandare med tre interna volymer: 30 µl, 60 µl och 90 µl täcker det volym- och blandningsprestandaområde som krävs för de flesta HPLC-analyser som kräver förbättrad blandning och låga dispersionsgolv. Den nya statiska blandaren uppnår detta genom att använda ny 3D-utskriftsteknik för att skapa en unik 3D-struktur som ger förbättrad hydrodynamisk statisk blandning med den högsta procentuella minskningen av basbrus per volymenhet intern blandning. Genom att använda 1/3 av den interna volymen hos en konventionell blandare minskas basbruset med 98 %. Sådana blandare består av sammankopplade tredimensionella flödeskanaler med olika tvärsnittsareor och olika väglängder när vätskan korsar komplexa geometriska barriärer inuti. Den nya familjen av statiska blandare ger förbättrad prestanda jämfört med konkurrerande blandare, men med mindre intern volym, vilket resulterar i bättre signal-brusförhållande och lägre kvantifieringsgränser, samt förbättrad toppform, effektivitet och upplösning för högre känslighet.
I detta nummer Kromatografi – Miljövänlig RP-HPLC – Användning av kärna-skal-kromatografi för att ersätta acetonitril med isopropanol vid analys och rening – Ny gaskromatograf för…
Business Center International Labmate Limited Oak Court Sandridge Park, Porters Wood St Albans Hertfordshire AL3 6PH Storbritannien