تعديل الجسيمات بالموجات فوق الصوتية لأعمدة HPLC
تتمثل التحديات في الاستشراب السائل عالي الأداء (HPLC) في تحقيق فصل سريع وفعّال لمجموعة واسعة من العينات. تتيح المعالجة بالموجات فوق الصوتية تعديل الجسيمات النانوية وإكسابها وظائف، مثل الكريات المجهرية من السيليكا أو الزركونيا. وتُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية تقنية ناجحة للغاية لتخليق جسيمات السيليكا ذات البنية لب–غلاف، ولا سيما لأعمدة HPLC.
تعديل جسيمات السيليكا بالموجات فوق الصوتية
تُعد بنية الجسيمات وحجمها، إلى جانب حجم المسام وضغط المضخة، أهم المعلمات المؤثرة في تحليل HPLC.
تعمل معظم أنظمة HPLC بطور ثابت فعّال مثبت على السطح الخارجي لجسيمات سيليكا كروية صغيرة. وهذه الجسيمات عبارة عن حبيبات صغيرة جدًا تقع ضمن النطاقين الميكرومتري والنانومتري. وتختلف أحجام هذه الحبيبات، لكن الحجم الأكثر شيوعًا للجسيمات هو نحو 5µm. توفر الجسيمات الأصغر مساحة سطح أكبر وفصلًا أفضل، لكن الضغط اللازم لتحقيق السرعة الخطية المثلى يزداد بما يتناسب عكسيًا مع مربع قطر الجسيم. وهذا يعني أن استخدام جسيمات بنصف الحجم، مع الإبقاء على حجم العمود نفسه، يضاعف الأداء، لكنه يزيد الضغط المطلوب إلى أربعة أمثاله في الوقت نفسه.
تُعد الموجات فوق الصوتية عالية القدرة أداة معروفة ومثبتة لتعديل الجسيمات الميكرومترية والنانوية، مثل السيليكا، وإكسابها وظائف وتشتيتها. ونظرًا إلى نتائجها المتجانسة والموثوقة للغاية في معالجة الجسيمات، تُعد المعالجة بالموجات فوق الصوتية الطريقة المفضلة لإنتاج جسيمات مُكسَبة وظائف، مثل الجسيمات ذات البنية لب–غلاف. وتُحدث الموجات فوق الصوتية عالية القدرة اهتزازًا وتجويفًا وتوفر الطاقة للتفاعلات الكيميائية الصوتية. ولذلك تُستخدم أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية عالية القدرة بنجاح في معالجة الجسيمات، بما يشمل إكساب الوظائف / التعديل, تقليل الحجم والتشتيت وكذلك في تخليق الجسيمات النانوية (مثل مسارات السول–جل).
مزايا تعديل الجسيمات / إكسابها وظائف بالموجات فوق الصوتية
- سهولة التحكم في حجم الجسيمات وتعديلها
- التحكم الكامل في معلمات العملية
- قابلية التوسع الخطي
- قابلية التطبيق على أحجام صغيرة جدًا وصولًا إلى أحجام كبيرة جدًا
- آمنة وسهلة الاستخدام وصديقة للبيئة
جهاز المعالجة بالموجات فوق الصوتية ذو المسبار UP400ST لتشتيت جسيمات السيليكا النانوية وإكسابها وظائف
تحضير جسيمات السيليكا ذات البنية لب–غلاف بالموجات فوق الصوتية
جسيمات السيليكا ذات البنية لب–غلاف (ذات لب صلب وغلاف مسامي، أو ذات مسامية سطحية) تُستخدم على نحو متزايد لتحقيق فصل عالي الكفاءة بمعدل تدفق مرتفع وضغط خلفي منخفض نسبيًا. وتكمن مزاياها في لبها الصلب وغلافها المسامي: فالجسيم الكامل ذو البنية لب–غلاف يشكل جسيمًا أكبر ويتيح تشغيل HPLC بضغط خلفي أقل، بينما يوفر الغلاف المسامي واللب الصلب الصغير نفسه مساحة سطح أكبر لعملية الفصل. ومن فوائد استخدام الجسيمات ذات البنية لب–غلاف مادةً لحشو أعمدة HPLC أن حجم المسام الأصغر يقلل الحجم المتاح للاتساع الناتج عن الانتشار الطولي. ويؤثر حجم الجسيمات وسُمك الغلاف المسامي تأثيرًا مباشرًا في معلمات الفصل. (راجع Hayes وآخرين، 2014)
أكثر مواد الحشو استخدامًا لأعمدة HPLC المحشوة هي كريات السيليكا المجهرية التقليدية. وعادةً ما تُصنع الجسيمات ذات البنية لب–غلاف المستخدمة في الاستشراب من السيليكا أيضًا، ولكن بلب صلب وغلاف مسامي. وتُعرف جسيمات السيليكا ذات البنية لب–غلاف المستخدمة في التطبيقات الاستشرابية أيضًا باسم الجسيمات ذات اللب المنصهر أو اللب الصلب أو المسامية السطحية.
هلامات السيليكا يمكن تخليقها عبر مسار السول–جل الكيميائي الصوتي. وهلامات السيليكا هي الطبقة الرقيقة الأكثر استخدامًا لفصل المواد الفعالة بواسطة استشراب الطبقة الرقيقة (TLC).
انقر هنا لمعرفة المزيد عن المسار الكيميائي الصوتي لعمليات السول–جل!
يمكن تطبيق التخليق بالموجات فوق الصوتية (التخليق الصوتي) بسهولة على تخليق معادن أخرى أو أكاسيد معادن مدعومة على السيليكا، مثل TiO2/SiO2 وCuO/SiO2 وPt/SiO2> وAu/SiO2 وغيرها الكثير، ويُستخدم ليس فقط لتعديل السيليكا للخراطيش الاستشرابية، بل أيضًا في تفاعلات تحفيزية صناعية متنوعة.
اقرأ المزيد عن أجهزة المعالجة بالموجات فوق الصوتية لإكساب الجسيمات النانوية وظائف لأعمدة HPLC
تشتيت الجسيمات النانوية بالموجات فوق الصوتية
يكتسب تشتيت الجسيمات إلى أحجام دقيقة وتفكيك تكتلاتها أهمية خاصة للاستفادة من الأداء الكامل للمادة. ولذلك تُستخدم جسيمات سيليكا أحادية التشتت ذات أقطار أصغر بوصفها جسيمات حشو لتحقيق فصل عالي الأداء. وقد ثبت أن المعالجة بالموجات فوق الصوتية أكثر فعالية في تشتيت السيليكا من طرق الخلط الأخرى ذات القص العالي.
يوضح الرسم البياني أدناه نتيجة تشتيت السيليكا المدخنة في الماء بالموجات فوق الصوتية. وقد أُجريت القياسات باستخدام جهاز Malvern Mastersizer 2000.
قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية وبعدها: يوضح المنحنى الأخضر حجم الجسيمات قبل المعالجة بالموجات فوق الصوتية، ويمثل المنحنى الأحمر توزيع أحجام جسيمات السيليكا المشتتة بالموجات فوق الصوتية.
انقر هنا لقراءة المزيد عن تشتيت السيليكا (SiO2) بالموجات فوق الصوتية!
دمك المساحيق باستخدام المعالجة بالموجات فوق الصوتية
تُعد كثافة المسحوق في أعمدة HPLC ضرورية لتحقيق كفاءة فصل عالية، وأداء مستقر للعمود، وخصائص تدفق متسقة، وأزمنة احتجاز دقيقة، وتحسين قدرة الفصل، وإطالة العمر التشغيلي للعمود. ويُعد ضمان كثافة حشو مناسبة ومتجانسة أمرًا أساسيًا لتشغيل أنظمة HPLC بموثوقية وفعالية. ويمكن لدمك المساحيق بالموجات فوق الصوتية أن يساعد على ملء أعمدة HPLC وخراطيشها بكفاءة وبكثافة مسحوق مثلى.
تعرّف على المزيد عن دمك المساحيق بالموجات فوق الصوتية!
أجهزة معالجة صناعية بالموجات فوق الصوتية لتشتيت الجسيمات النانوية بمعدل معالجة مرتفع
حقائق جديرة بالمعرفة
ما هو الاستشراب السائل عالي الأداء (HPLC)؟
يمكن وصف الاستشراب بأنه عملية انتقال كتلة تنطوي على الامتزاز. والاستشراب السائل عالي الأداء، الذي كان يُعرف سابقًا أيضًا باسم الاستشراب السائل عالي الضغط، هو تقنية تحليل يمكن بواسطتها فصل كل مكوّن من مكونات الخليط وتحديد هويته وقياس كميته. ويُستخدم الاستشراب على النطاق التحضيري، كخيار آخر، لتنقية دفعات كبيرة من المواد على نطاق الإنتاج. وتشمل المواد المُحلَّلة النموذجية الجزيئات العضوية والجزيئات الحيوية والأيونات والبوليمرات.
يعتمد مبدأ الفصل في HPLC على تمرير طور متحرك، مثل الماء والمذيبات العضوية وغيرها، عبر طور ثابت، مثل حشوات جسيمات السيليكا والكتل المتجانسة وغيرها، داخل عمود. وهذا يعني أن مذيبًا سائلًا مضغوطًا يحتوي على المركبات المذابة (محلول العينة) يُضخ عبر عمود مملوء بمادة صلبة مازّة، مثل جسيمات السيليكا المعدلة. ونظرًا إلى أن كل مكوّن في العينة يتفاعل مع المادة المازّة بطريقة تختلف قليلًا عن المكونات الأخرى، فإن معدلات التدفق للمكونات المختلفة تتباين، مما يؤدي إلى فصلها عند خروجها من العمود. ويُعد تركيب الطور المتحرك ودرجة حرارته معلمتين بالغتي الأهمية لعملية الفصل، إذ يؤثران في التفاعلات التي تحدث بين مكونات العينة والمادة المازّة. ويستند الفصل إلى توزع المركبات بين الطور الثابت والطور المتحرك.
تُعرض نتائج تحليل HPLC في صورة مخطط استشرابي. والمخطط الاستشرابي رسم ثنائي الأبعاد يوضح فيه المحور الرأسي (المحور y) التركيز بدلالة استجابة الكاشف، بينما يمثل المحور الأفقي (المحور x) الزمن.
جسيمات السيليكا للخراطيش المحشوة
تستند جسيمات السيليكا المستخدمة في التطبيقات الاستشرابية إلى بوليمرات السيليكا الاصطناعية. وتُصنع في الغالب من رباعي إيثوكسي السيلان الذي يتحلل مائيًا جزئيًا إلى بولي إيثوكسي السيلوكسانات لتكوين سائل لزج يمكن استحلابه في خليط من الإيثانول والماء تحت المعالجة المستمرة بالموجات فوق الصوتية. ويُنتج التحريك بالموجات فوق الصوتية جسيمات كروية تتحول إلى هلامات مائية من السيليكا عبر تكاثف تحللي مائي مستحث تحفيزيًا، يُعرف باسم طريقة ‘Unger’. ويسبب هذا التكاثف تشابكًا واسعًا عبر أنواع السيلانول السطحية. وبعد ذلك تُكلَّس كريات الهلام المائي لإنتاج هلام جاف. ويتأثر حجم الجسيمات وحجم المسام في هلام السيليكا الجاف ذي المسامية العالية (السول–جل) بقيمة pH ودرجة الحرارة والمحفز والمذيبات المستخدمة، وكذلك بتركيز سول السيليكا.
الجسيمات غير المسامية مقابل الجسيمات المسامية
تُستخدم كريات السيليكا المجهرية غير المسامية والمسامية على حد سواء طورًا ثابتًا في أعمدة HPLC. وفي الجسيمات الصغيرة غير المسامية، يحدث الفصل على سطح الجسيم ويقل اتساع الحزمة بسبب قِصر مسار الانتشار، مما يؤدي إلى انتقال كتلة أسرع. إلا أن مساحة السطح المنخفضة تؤدي إلى نتائج أقل دقة، لأن الاحتجاز وزمن الاحتجاز والانتقائية، وبالتالي قدرة الفصل، تكون محدودة. وتُعد سعة التحميل عاملًا حاسمًا أيضًا. وتوفر كريات السيليكا المجهرية المسامية، إلى جانب سطح الجسيم، سطح المسام أيضًا، مما يتيح مساحة تماس أكبر للتفاعل مع المواد المُحلَّلة. ولضمان انتقال كافٍ للكتلة أثناء الفصل في الطور السائل، يجب أن تكون أحجام المسام أكبر من ∼7nm. ولفصل الجزيئات الحيوية الكبيرة، يلزم استخدام أحجام مسام تصل إلى 100nm لتحقيق فصل فعّال.
المؤلفات/المراجع
- Czaplicki, Sylwester (2013): الاستشراب في تحليل النشاط الحيوي للمركبات. في: الاستشراب العمودي، Dr. Dean Martin (محرر)، InTech، DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): الجسيمات ذات البنية لب–غلاف: التحضير والأسس والتطبيقات في الاستشراب السائل عالي الأداء. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): تخليق وتوصيف الزركونيا النانوية المُكبْرَتة عالية الفعالية على السيليكا: محفز ذو بنية لب–غلاف بواسطة التشعيع بالموجات فوق الصوتية. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104