Ultrazvučna modifikacija čestica za HPLC kolone
Izazovi u HPLC-u su brzo i efikasno odvajanje za širok spektar uzoraka. Sonikacija omogućava modifikaciju i funkcionalizaciju nano čestica, npr. mikrosfere silicijum dioksida ili cirkonija. Ultrazvuk je vrlo uspješna tehnika za sintetizaciju čestica silicijum dioksida jezgro-ljuska, posebno za HPLC kolone.
Ultrazvučna modifikacija čestica silicijum dioksida
Struktura čestica i veličina čestica, kao i veličina pora i pritisak pumpe su najvažniji parametri koji utiču na HPLC analizu.
Većina HPLC sistema radi sa aktivnom stacionarnom fazom pričvršćenom na spoljašnjost malih sferičnih čestica silicijum dioksida. Čestice su vrlo male perle u mikro i nano opsegu. Veličina čestica perli varira, ali veličina čestica je cca. 5µm je najčešći. Manje čestice pružaju veću površinu i bolje odvajanje, ali pritisak potreban za optimalnu linearnu brzinu povećava se obrnuto od kvadrata prečnika čestica. To znači da korištenje čestica upola manje veličine i iste veličine kolone udvostručuje učinak, ali se istovremeno potreban pritisak učetvorostruči.
ultrazvuk snage je dobro poznato i dokazano sredstvo za modifikaciju/funkcionalizaciju i disperziju mikro- i nano-čestica kao što je silicijum dioksid. Zbog ujednačenih i vrlo pouzdanih rezultata u obradi čestica, sonikacija je poželjna metoda za proizvodnju funkcionaliziranih čestica (npr. čestica jezgra-ljuska). Snažni ultrazvuk stvara vibracije, kavitaciju i inducira energiju za sonohemijske reakcije. Stoga se ultrazvučni aparati velike snage uspješno koriste za tretmane čestica, uključujući funkcionalizacija / modifikacija, Smanjenje veličine & disperzija kao i za nanočestice sinteza (npr sol-gel putevi).
Prednosti ultrazvučne modifikacije/funkcionalizacije čestica
- laka kontrola veličine čestica i modifikacija
- potpuna kontrola nad parametrima procesa
- linearnu skalabilnost
- primjenjiv od vrlo malih do vrlo velikih količina
- sigurno, korisnik- & ekološki prihvatljiv
Sonikator tipa sonde UP400St dispergujući i funkcionalizirajući nanočestice silicijum dioksida
Ultrazvučna priprema čestica silicijum dioksida jezgra-ljuska
Čestice silicijum dioksida jezgro-ljuska (čvrsto jezgro sa poroznom ljuskom ili površinski porozno) se sve više koriste za visoko efikasno odvajanje sa velikom brzinom protoka i relativno malim protivpritiskom. Prednosti leže u njihovoj čvrstoj jezgri i poroznoj ljusci: Kompletna čestica jezgro-ljuska formira veću česticu i omogućava rad HPLC-a pri nižem povratnom pritisku, dok sama porozna ljuska i mala čvrsta jezgra pružaju veću površinu za odvajanje proces. Prednosti upotrebe čestica jezgro-ljuska kao materijala za pakovanje za HPLC kolone su da manji volumen pora smanjuje volumen prisutan za širenje zbog uzdužne difuzije. Veličina čestica i debljina porozne ljuske imaju direktan utjecaj na parametre razdvajanja. (usp. Hayes et al. 2014.)
Najčešće korišćeni materijali za pakovanje za pakovane HPLC kolone su konvencionalne mikrosfere od silicijum dioksida. Čestice jezgro-ljuska koje se koriste za hromatografiju obično su takođe napravljene od silicijum dioksida, ali sa čvrstim jezgrom i poroznom ljuskom. Čestice silicijum dioksida sa jezgrom i ljuskom koje se koriste za hromatografske aplikacije poznate su i kao fuzionisano jezgro, čvrsto jezgro ili površinsko porozne čestice.
Silika gelovi mogu se sintetizirati sonohemijskim sol-gel putem. Silika gelovi su najčešće korišćeni tanki slojevi za odvajanje aktivnih supstanci putem tankoslojne hromatografije (TLC).
Kliknite ovdje da saznate više o sonohemijskom putu za sol-gel procese!
The ultrasonic synthesis (sono-synthesis) can be readily applied to the synthesis of other silica-supported metals or metal oxides, such as TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 and many others, and is used not only for silica modification for chromatographic cartridges, but also for various industrial catalytic reactions.
Ultrazvučna disperzija nanočestica
Disperzija fine veličine i deaglomeracija čestica je posebno važna za postizanje potpunih performansi materijala. Stoga se za visokoučinkovito odvajanje koriste monodisperzne čestice silicijum dioksida manjeg promjera kao čestice pakiranja. Dokazano je da je ultrazvuk učinkovitiji u dispergiranju silicijum dioksida od drugih metoda miješanja sa visokim smicanjem.
Grafikon ispod prikazuje rezultat ultrazvučnog raspršivanja isparenog silicijum dioksida u vodi. Mjerenja su dobijena pomoću Malvern Mastersizer 2000.
Prije i poslije ultrazvučne obrade: zelena kriva pokazuje veličinu čestica prije ultrazvučne obrade, crvena krivulja je raspodjela veličine čestica ultrazvučno raspršenog silicijum dioksida.
Kliknite ovdje da pročitate više o ultrazvučnom raspršivanju silicijum dioksida (SiO2)!
Zbijanje praha pomoću ultrazvuka
Gustina praha u HPLC kolonama je neophodna za postizanje visoke efikasnosti odvajanja, stabilne performanse kolone, konzistentne karakteristike protoka, tačna vremena zadržavanja, poboljšanu rezoluciju i produženi vijek trajanja kolone. Osiguravanje odgovarajuće i ujednačene gustine pakovanja je fundamentalno za pouzdan i efikasan rad HPLC sistema. Ultrazvučno sabijanje praha može pomoći da se HPLC kolone i kertridži efikasno popune sa optimalnom gustinom praha.
Saznajte više o ultrazvučnom kompaktiranju praha!
Industrijski sonikatori za visokopropusnu disperziju nanočestica
Činjenice koje vrijedi znati
Šta je tečna hromatografija visokih performansi (HPLC)?
Kromatografija se može opisati kao proces prijenosa mase koji uključuje adsorpciju. Tečna hromatografija visokih performansi (ranije poznata i kao tečna hromatografija visokog pritiska) je tehnika analize kojom se svaka komponenta mešavine može odvojiti, identifikovati i kvantificirati. Alternativno, preparativna hromatografija se koristi za pročišćavanje velikih serija materijala u proizvodnoj skali. Tipični analiti su organske molekule, biomolekule, joni i polimeri.
Princip HPLC odvajanja se zasniva na propuštanju mobilne faze (voda, organski rastvarači, itd.) kroz stacionarnu fazu (čestica silicijum dioksida, monoliti, itd.) u koloni. To znači da se tekući rastvarač pod pritiskom, koji sadrži rastvorena jedinjenja (rastvor uzorka), pumpa kroz kolonu napunjenu čvrstim adsorbujućim materijalom (npr. modifikovane čestice silicijum dioksida). Kako svaka komponenta u uzorku malo drugačije stupa u interakciju s adsorbirajućim materijalom, brzine protoka za različite komponente variraju i dovode do odvajanja komponenti dok istječu iz kolone. Sastav i temperatura mobilne faze su veoma važni parametri za proces separacije koji utiču na interakcije koje se dešavaju između komponenti uzorka i adsorbenta. Razdvajanje se zasniva na podjeli spojeva na stacionarnu i mobilnu fazu.
Rezultati analize HPLC-a su vizualizirani kao hromatogram. Kromatogram je dvodimenzionalni dijagram sa ordinatom (y-osa) koja daje koncentraciju u smislu odgovora detektora, a apscisa (x-osa) predstavlja vrijeme.
Čestice silicijevog dioksida za upakovane patrone
Čestice silicijevog dioksida za hromatografske aplikacije su bazirane na sintetičkim polimerima silicijum dioksida. Uglavnom su napravljeni od tetraetoksisilana koji su djelomično hidrolizirani u polietoksisiloksane kako bi se formirala viskozna tekućina koja se može emulgirati u mješavini etanola i vode uz kontinuiranu sonikaciju. Ultrazvučna agitacija stvara sferične čestice, koje se pretvaraju u hidrogelove silicijevog dioksida kroz katalitički indukovanu hidrolitičku kondenzaciju (poznatu kao 'Ungerova' metoda). Hidrolitska kondenzacija uzrokuje ekstenzivno umrežavanje preko površinskih silanolnih vrsta. Nakon toga, hidrogel sfere se kalciniraju da bi se dobio kserogel. Veličina čestica i veličina pora visoko poroznog silicijum kserogela (sol-gel) su pod utjecajem pH vrijednosti, temperature, korištenog katalizatora i rastvarača, kao i koncentracije silicijum sola.
Neporozne vs porozne čestice
I neporozne i porozne silicijumske mikrosfere se koriste kao stacionarna faza u HPLC kolonama. Za male neporozne čestice, razdvajanje se događa na površini čestice, a širenje trake je ublaženo zbog kratkog puta difuzije, čime dolazi do bržeg prijenosa mase. Međutim, mala površina rezultira netočnim rezultatima, jer su zadržavanje, vrijeme zadržavanja, selektivnost i stoga rezolucija ograničeni. Kapacitet opterećenja je takođe kritičan faktor. Porozne mikrosfere od silicijum dioksida osim površine čestica pružaju i površinu pora, što nudi više kontaktne površine za interakciju sa analitima. Da bi se osigurao dovoljan transport mase tokom odvajanja tečne faze, veličine pora moraju imati veličinu veću od ∼7nm. Za odvajanje velikih biomolekula potrebne su veličine pora do 100 nm kako bi se postiglo efikasno odvajanje.
Literatura/Reference
- Czaplicki, Sylwester (2013): Kromatografija u analizi bioaktivnosti spojeva. U: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Čestice jezgra-ljuska: Priprema, osnove i primjene u tečnoj hromatografiji visokih performansi. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, SD; Sing, Shailandra (2013): Sinteza i karakterizacija visoko efikasnog nano sulfatnog cirkonijuma preko silicijum dioksida: katalizator sa jezgrom i ljuskom ultrazvučnim zračenjem. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96-104