Partikelmodifikation med ultralyd til HPLC-kolonner

Udfordringerne inden for HPLC er hurtig og effektiv separation af en bred vifte af prøver. Sonikering gør det muligt at modificere og funktionalisere nanopartikler, f.eks. mikrosfærer af silica eller zirconiumdioxid. Sonikering er en meget vellykket teknik til syntese af kerne–skal-silicapartikler, især til HPLC-kolonner.

Modifikation af silicapartikler med ultralyd

Partikelstruktur og partikelstørrelse samt porestørrelse og pumpetryk er de vigtigste parametre, der påvirker HPLC-analysen.
De fleste HPLC-systemer fungerer med den aktive stationære fase bundet til ydersiden af små, sfæriske silicapartikler. Partiklerne er meget små kugler i mikro- og nanostørrelsesområdet. Kuglernes partikelstørrelser varierer, men en partikelstørrelse på ca. 5µm er mest almindelig. Mindre partikler giver et større overfladeareal og en bedre separation, men det tryk, der kræves for at opnå optimal lineær hastighed, stiger omvendt proportionalt med kvadratet på partikeldiameteren. Det betyder, at brug af partikler med den halve størrelse og med samme kolonnestørrelse fordobler ydeevnen, men samtidig firedobles det nødvendige tryk.
Højintensiv ultralyd er et velkendt og gennemprøvet værktøj til modifikation / funktionalisering og dispergering af mikro- og nanopartikler såsom silica. På grund af de ensartede og meget pålidelige resultater ved partikelbehandling er sonikering den foretrukne metode til fremstilling af funktionaliserede partikler (f.eks. kerne–skal-partikler). Højintensiv ultralyd skaber vibrationer og kavitation og tilfører energi til sonokemiske reaktioner. Derfor anvendes sonikatorer med høj effekt med succes til partikelbehandlinger, herunder funktionalisering / modifikation, størrelsesreduktion og dispergering samt til syntese af nanopartikler (f.eks. sol-gel-processer).

Fordele ved partikelmodifikation / funktionalisering med ultralyd

• nem styring af partikelstørrelse og modifikation
• fuld kontrol over procesparametrene
• lineær skalerbarhed
• anvendelig til meget små såvel som meget store volumener
• sikker, brugervenlig og miljøvenlig

Fremstilling af kerne–skal-silicapartikler med ultralyd

Kerne–skal-silicapartikler (fast kerne med porøs skal eller overfladisk porøse) anvendes i stigende grad til højeffektiv separation med høj flowrate og relativt lavt modtryk. Fordelene ligger i deres faste kerne og porøse skal: Den samlede kerne–skal-partikel danner en større partikel og gør det muligt at udføre HPLC ved et lavere modtryk, mens den porøse skal og selve den lille faste kerne giver et større overfladeareal til separationsprocessen. Fordelen ved at bruge kerne–skal-partikler som pakkemateriale til HPLC-kolonner er, at det mindre porevolumen reducerer det volumen, der er til rådighed for båndspredning som følge af longitudinel diffusion. Partikelstørrelsen og tykkelsen af den porøse skal har direkte indflydelse på separationsparametrene. (jf. Hayes et al. 2014)
De hyppigst anvendte pakkematerialer til pakkede HPLC-kolonner er konventionelle silicamikrosfærer. De kerne–skal-partikler, der anvendes til kromatografi, er normalt også fremstillet af silica, men med en fast kerne og en porøs skal. Kerne–skal-silicapartikler, som anvendes til kromatografiske formål, er også kendt som partikler med smeltet kerne, fast kerne eller overfladisk porøse partikler.
Silicageler kan syntetiseres via en sonokemisk sol-gel-proces. Silicageler er det hyppigst anvendte tynde lag til separation af aktive stoffer ved tyndtlagskromatografi (TLC).
Klik her for at få mere at vide om den sonokemiske metode til sol-gel-processer!
Ultralydssyntese (sonosyntese) kan let anvendes til syntese af andre metaller eller metaloxider på silicabærere, såsom TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 og mange andre, og bruges ikke kun til modifikation af silica til kromatografiske patroner, men også til forskellige industrielle katalytiske reaktioner.
Læs mere om sonikatorer til funktionalisering af nanopartikler til HPLC-kolonner

Dispergering af nanopartikler med ultralyd

Dispergering af partikler til en fin partikelstørrelse og deagglomerering er særligt vigtigt for at udnytte materialets fulde ydeevne. Derfor anvendes monodisperse silicapartikler med mindre diametre som pakkepartikler til separation med høj ydeevne. Sonikering har vist sig at være mere effektiv til dispergering af silica end andre blandingsmetoder med høj forskydning.
Grafen nedenfor viser resultatet af dispergering af pyrogen silica i vand med ultralyd. Målingerne blev foretaget med en Malvern Mastersizer 2000.

Før og efter sonikering: Den grønne kurve viser partikelstørrelsen før sonikering, og den røde kurve er partikelstørrelsesfordelingen for silica dispergeret med ultralyd.

Klik her for at læse mere om dispergering af silica (SiO2) med ultralyd!

Pulverkomprimering ved hjælp af sonikering

Pulverdensiteten i HPLC-kolonner er afgørende for at opnå høj separationseffektivitet, stabil kolonneydelse, ensartede strømningsegenskaber, præcise retentionstider, forbedret opløsning og længere kolonnelevetid. En passende og ensartet pakningsdensitet er grundlæggende for pålidelig og effektiv drift af HPLC-systemer. Pulverkomprimering med ultralyd kan hjælpe med at fylde HPLC-kolonner og patroner effektivt med optimal pulverdensitet.
Få mere at vide om pulverkomprimering med ultralyd!