Ultrazvuková modifikace částic pro kolony HPLC
Výzvou v HPLC je rychlá a účinná separace širokého spektra vzorků. Sonikace umožňuje modifikovat a funkcionalizovat nanočástice, např. mikrokuličky oxidu křemičitého nebo oxidu zirkoničitého. Ultrasonikace je velmi úspěšnou technikou pro syntézu částic oxidu křemičitého typu jádro–obal (core–shell), zejména pro kolony HPLC.
Ultrazvuková modifikace částic oxidu křemičitého
Struktura a velikost částic, stejně jako velikost pórů a tlak čerpadla, jsou nejdůležitějšími parametry ovlivňujícími analýzu HPLC.
Většina systémů HPLC pracuje s aktivní stacionární fází navázanou na vnější povrch malých kulovitých částic oxidu křemičitého. Tyto částice jsou velmi malé kuličky v mikro- a nanometrickém rozsahu. Velikost částic kuliček se liší, nejběžnější je však velikost částic přibližně 5µm. Menší částice poskytují větší povrch a lepší separaci, avšak tlak potřebný pro optimální lineární rychlost roste s převrácenou hodnotou druhé mocniny průměru částic. To znamená, že použití částic poloviční velikosti při stejné velikosti kolony zdvojnásobí výkon, ale zároveň se požadovaný tlak zčtyřnásobí.
Výkonový ultrazvuk je dobře známým a osvědčeným nástrojem pro modifikaci / funkcionalizaci a dispergaci mikro- a nanočástic, jako je oxid křemičitý. Díky jednotným a vysoce spolehlivým výsledkům při zpracování částic je sonikace preferovanou metodou pro výrobu funkcionalizovaných částic (např. částic typu jádro-obal). Výkonový ultrazvuk vytváří vibrace, kavitaci a dodává energii pro sonochemické reakce. Vysoce výkonné sonikátory se proto úspěšně používají pro úpravy částic, včetně funkcionalizace / modifikace, zmenšování velikosti a dispergace a také pro syntézu nanočástic (např. postupy sol-gel).
Výhody ultrazvukové modifikace / funkcionalizace částic
- snadná kontrola velikosti a modifikace částic
- plná kontrola procesních parametrů
- lineární škálovatelnost
- použitelnost od velmi malých po velmi velké objemy
- bezpečné, uživatelsky přívětivé a šetrné k životnímu prostředí
Sonikátor se sondou UP400ST při dispergaci a funkcionalizaci nanočástic oxidu křemičitého
Ultrazvuková příprava částic oxidu křemičitého typu jádro–obal
Částice oxidu křemičitého typu jádro–obal (s pevným jádrem a porézním obalem neboli povrchově porézní) se stále častěji používají pro vysoce účinnou separaci při vysokém průtoku a relativně nízkém zpětném tlaku. Výhody spočívají v jejich pevném jádru a porézním obalu: Celá částice jádro-obal tvoří větší částici a umožňuje provozovat HPLC při nižším zpětném tlaku, zatímco porézní obal a samotné malé pevné jádro poskytují větší povrch pro separační proces. Výhodou použití částic jádro–obal jako náplňového materiálu pro kolony HPLC je, že menší objem pórů snižuje objem, který je k dispozici pro rozšiřování v důsledku podélné difuze. Velikost částic a tloušťka porézního obalu mají přímý vliv na separační parametry. (srov. Hayes et al. 2014)
Nejčastěji používanými náplňovými materiály pro plněné kolony HPLC jsou konvenční mikrokuličky oxidu křemičitého. Částice jádro–obal používané pro chromatografii jsou obvykle rovněž z oxidu křemičitého, avšak s pevným jádrem a porézním obalem. Částice oxidu křemičitého typu jádro–obal používané pro chromatografické aplikace jsou známé také jako částice fused-core, solid core nebo povrchově porézní částice.
Silikagely lze syntetizovat sonochemickou cestou sol-gel. Silikagely jsou nejčastěji používanou tenkou vrstvou pro separaci účinných látek pomocí tenkovrstvé chromatografie (TLC).
Klikněte zde a zjistěte více o sonochemické cestě pro procesy sol-gel!
Ultrazvukovou syntézu (sonosyntézu) lze snadno aplikovat na syntézu dalších kovů nebo oxidů kovů nesených na oxidu křemičitém, jako jsou TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 a mnoho dalších, a používá se nejen pro modifikaci oxidu křemičitého pro chromatografické kartuše, ale také pro různé průmyslové katalytické reakce.
Přečtěte si více o sonikátorech pro funkcionalizaci nanočástic pro kolony HPLC
Ultrazvuková dispergace nanočástic
Jemná dispergace a deaglomerace částic jsou obzvláště důležité pro dosažení plného výkonu materiálu. Proto se pro vysoce účinnou separaci používají jako náplňové částice monodisperzní částice oxidu křemičitého s menšími průměry. Sonikace se prokázala jako účinnější při dispergaci oxidu křemičitého než jiné metody míchání s vysokým smykem.
Níže uvedený graf ukazuje výsledek ultrazvukové dispergace pyrogenního oxidu křemičitého ve vodě. Měření byla provedena pomocí přístroje Malvern Mastersizer 2000.
Před sonikací a po ní: Zelená křivka ukazuje velikost částic před sonikací, červená křivka představuje distribuci velikosti částic ultrazvukem dispergovaného oxidu křemičitého.
Klikněte zde a přečtěte si více o ultrazvukové dispergaci oxidu křemičitého (SiO2)!
Zhutňování prášku pomocí sonikace
Hustota prášku v kolonách HPLC je zásadní pro dosažení vysoké účinnosti separace, stabilního výkonu kolony, konzistentních průtokových charakteristik, přesných retenčních časů, lepšího rozlišení a delší životnosti kolony. Zajištění vhodné a rovnoměrné hustoty náplně je základem spolehlivého a efektivního provozu systémů HPLC. Ultrazvukové zhutňování prášku může pomoci efektivně plnit kolony a kartuše HPLC s optimální hustotou prášku.
Zjistěte více o ultrazvukovém zhutňování prášků!
Průmyslové sonikátory pro vysokokapacitní dispergaci nanočástic
Fakta, která stojí za to znát
Co je vysokoúčinná kapalinová chromatografie (HPLC)?
Chromatografii lze popsat jako proces přenosu hmoty zahrnující adsorpci. Vysokoúčinná kapalinová chromatografie (dříve známá také jako vysokotlaká kapalinová chromatografie) je analytická technika, pomocí níž lze každou složku směsi separovat, identifikovat a kvantifikovat. Alternativně se chromatografie v preparativním měřítku používá k purifikaci velkých šarží materiálu ve výrobním měřítku. Typickými analyty jsou organické molekuly, biomolekuly, ionty a polymery.
Princip separace HPLC spočívá v tom, že mobilní fáze (voda, organická rozpouštědla atd.) prochází stacionární fází (částicové náplně z oxidu křemičitého, monolity atd.) v koloně. To znamená, že kapalné rozpouštědlo pod tlakem, které obsahuje rozpuštěné látky (roztok vzorku), je čerpáno kolonou naplněnou pevným adsorpčním materiálem (např. modifikovanými částicemi oxidu křemičitého). Protože každá složka vzorku interaguje s adsorpčním materiálem mírně odlišně, průtoky jednotlivých složek se liší a vedou tak k separaci složek při jejich výtoku z kolony. Složení a teplota mobilní fáze jsou velmi důležitými parametry separačního procesu, které ovlivňují interakce probíhající mezi složkami vzorku a adsorbentem. Separace je založena na rozdělování látek mezi stacionární a mobilní fázi.
Výsledky analýzy HPLC se zobrazují jako chromatogram. Chromatogram je dvourozměrný diagram, v němž osa pořadnic (osa y) udává koncentraci vyjádřenou odezvou detektoru a osa úseček (osa x) představuje čas.
Částice oxidu křemičitého pro plněné kartuše
Částice oxidu křemičitého pro chromatografické aplikace jsou založeny na syntetických polymerech oxidu křemičitého. Většinou se vyrábějí z tetraethoxysilanu, který se částečně hydrolyzuje na polyethoxysiloxany, aby vznikla viskózní kapalina, kterou lze emulgovat ve směsi ethanolu a vody za kontinuální sonikace. Ultrazvukové míchání vytváří kulovité částice, které se katalyticky indukovanou hydrolytickou kondenzací (známou jako „Ungerova“ metoda) přeměňují na hydrogely oxidu křemičitého. Hydrolytická kondenzace způsobuje rozsáhlé zesítění prostřednictvím povrchových silanolových skupin. Následně se hydrogelové kuličky kalcinují za vzniku xerogelu. Velikost částic a velikost pórů vysoce porézního xerogelu oxidu křemičitého (sol-gel) jsou ovlivněny hodnotou pH, teplotou, použitým katalyzátorem a rozpouštědly a také koncentrací solu oxidu křemičitého.
Neporézní vs. porézní částice
Jako stacionární fáze v kolonách HPLC se používají neporézní i porézní mikrokuličky oxidu křemičitého. U malých neporézních částic probíhá separace na povrchu částic a rozšiřování zón je zmírněno díky krátké difuzní dráze, čímž dochází k rychlejšímu přenosu hmoty. Malý povrch však vede k méně přesným výsledkům, protože retence, retenční čas, selektivita, a tedy i rozlišení jsou omezené. Kritickým faktorem je rovněž zatěžovací kapacita. Porézní mikrokuličky oxidu křemičitého poskytují kromě povrchu částic navíc i povrch pórů, který nabízí větší kontaktní plochu pro interakci s analyty. Pro zajištění dostatečného přenosu hmoty během separace v kapalné fázi musí mít póry velikost větší než ∼7nm. K separaci velkých biomolekul jsou pro dosažení účinné separace zapotřebí póry o velikosti až 100nm.
Literatura/Reference
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatografie v analýze bioaktivity látek. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Hrana, Tony; Zhang, Haifei (2014): Částice jádra-slupka: Příprava, základy a aplikace ve vysokoúčinné kapalinové chromatografii. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Syntéza a charakterizace vysoce účinného nanosulfatovaného oxidu zirkoničitého nad oxidem křemičitým: Core-Shell katalyzátor ultrazvukovým ozařováním. Americký časopis chemie 3(4), 2013. 96-104