Ultraschall-modifiziertes HPLC-Säulenmaterial

Die schnelle und effiziente Trennung zahlreicher Substanzen in den Proben ist eine große Herausforderung in der HPLC-Analyse .

Mittels Ultraschall werden Nanopartikel, z.B. Silica- oder Zirkonia-Mikrosphären für HPLC-Säulen funktionalisiert.

Ultraschall ist eine sehr erfolgreiche Technik, um Core-Shell-Silicapartikel für HPLC-Säulen zu synthetisieren.

Ultraschall-Modifizierung von Silicapartikeln

Partikelstruktur und -größe gehören ebenso wie die Porengröße der Partikel und der Pumpendruck zu den wichtigsten Parameter, welche die HPLC-Analytik beeinflussen.
Für die meisten HPLC-Systemen werden kleine sphärische Silicapartikel verwendet, auf deren Oberfläche sich die aktive stationäre Phase befindet. Bei den Partikel handelt es sich um sehr kleine Körner im mikro- und nano-skaligen Bereich. Die Partikelgrößen variieren, aber eine Korngröße von ca. 5µm ist am häufigsten. Kleinere Partikel sorgen für eine größere Oberfläche und eine bessere Trennung, allerdings erhöht sich der Druckbedarf, der für eine optimale lineare Geschwindigkeit benötigt wird, stark, da sich der Druck mit dem inversen der Partikeldurchmesser quadriert. Dies bedeutet, dass Teilchen mit halb so groß und gleichzeitig die Spaltengröße, verdoppelt sich die Leistung, aber gleichzeitig wird der erforderliche Druck vervierfacht.
Hochleistungs-Ultraschall ist ein weithin bekannte und bewährte Technologie für die Modifikation bzw. Funktionalisierung und Dispersion von mikro- und nano-skaligen Partikel, wie z.B Silica. Aufgrund der gleichmäßigen und zuverlässigen Ergebnisse, die durch die ultraschall-gestützte Partikelverarbeitung erzielt werden, ist die Beschallung die bevorzugte Methode, um funktionalisierte Partikeln (z.B. Core-Shell-Partikel) zu produzieren. Hochleistungs-Ultraschall erzeugt hochenergetische Schwingungen sowie Kavitation und induziert Energie für sonochemische Reaktionen. Deshalb werden Hochleistungs-Ultraschallgeräte erfolgreich für die Verarbeitung von Partikeln eingesetzt, z.B. für die Funktionalisierung / Modifikation, Zerkleinerung & Dispersion sowie für Synthese (z.B. Sol-Gel-Prozesse)

Vorteile der ultraschall-gestützten Partikel-Modifikation / Funktionalisierung

einfache Kontrolle über Partikelgröße und Modifikation
volle Kontrolle über die Prozessparameter
Lineare Skalierbarkeit
anwendbar von sehr kleinen bis sehr großen Mengen
sicher, bediener- & umweltfreundlich

Die Partikel für die stationäre Phase in HPLC-Säulen können mittels Ultraschall modifiziert werden.

HPLC-Säulen sind meist mit Silica gepackt.

UIP16000 industrielles Ultraschallsystem (zum Vergrößern anklicken!)

Industrielles Ultraschallsystem für Inline-Prozesse

Ultraschall-gestützte Herstellung von Core-Shell-Silica-Partikeln

Core-Shell-Silica-Partikel (Kern/Hülle-Nanopartikel = Feststoffkern aus einem Material mit poröser Hülle aus einem anderen Material) werden zunehmend für hocheffiziente Trennung bei schnellen Durchflussraten und relativ geringem Gegendruck verwendet. Der Vorteile liegt in ihrem festen Kern und der porösen Hülle: Der gesamte Core-Shell-Partikel bildet einen größeren Partikel, wodurch es möglich wird, die HPLC bei geringerem Gegendruck zu betreiben, während die poröse Hülle und der kleine Feststoffkern selbst eine größere Oberfläche für den Trennvorgang bieten. Core-Shell-Partikel werden gerne als Packungsmaterial für HPLC-Säulen eingesetzt, da das kleinere Porenvolumen die Bandenverbreiterung durch die Längsdiffusion reduziert. Partikelgröße und die Dicke der porösen Hülle haben direkten Einfluss auf die Trennung-Parameter. (vgl. Hayes et al. 2014)
Silica-Mikrosphären sind das am häufigsten verwendete Packungsmaterial für gepackte HPLC-Säulen. Die Core-Shell-Partikel für Chromatographieanwendungen werden in der Regel ebenfalls aus Silica hergestellt, sie bestehen allerdings aus einem festen Kern und einer poröse Hülle. Core-Shell-Silica-Partikel für chromatographische Anwendungen werden auch Fused-Core, Solid-Core oder oberflächenporöse Partikel genannt.
Silica-Gele können über Sol-Gel-Verfahren sonochemisch synthetisiert werden. Silica-Gele sind die am häufigsten verwendete Dünnschicht, die für die Trennung von Wirkstoffen mittels Dünnschichtchromatographie (DC / TLC) eingesetzt werden.
Klicken Sie hier, um mehr über das sonochemische Verfahren für Sol-Gel-Prozesse zu lesen!
Die ultraschall-gestützte Synthese (Sono-Synthese) kann einfach für die Synthese von anderen Silica-basierten Metallen oder Metalloxiden, wie z.B. TiO₂/ SiO₂, CuO/SiO₂, Pt/SiO₂, Au/SiO₂ und viele weiteren Stoffe angewendet werden. Die Ultraschall-Synthese dient nicht nur der Modifikation von Silica für Chromatographiesäulen, sondern wird auch für verschiedene industrielle katalytische Reaktionen eingesetzt.

Ultraschalldispersion

Ein fein-körnige Dispersion und Deagglomerisation von Partikeln ist besonders wichtig, um die Materialeigenschaften voll ausschöpfen zu können. Daher werden für die High-Performance-Trennung monodisperse Silica-Partikel verwendet, die einen kleineren Partikeldurchmessern als herkömmliches Packungsmaterial aufweisen. Die Beschallung ist das Dispergieren von Silica bewiesenermaßen deutlich effektiver als andere High-Shear-Verfahren.
Die unten stehende Grafik zeigt das Ergebnis der Ultraschall-Dispergierung von pyrogenem Silica in Wasser. Die Messungen wurden mit einem Malvern Mastersizer 2000 durchgeführt.

Durch die Dispergierung mittels Ultraschall wird eine sehr engbandige Partikelgrößenverteilung erzielt.

Partikelgrößenverteilung VOR (grün) und NACH (rot) der Ultraschalldispergierung: die grüne Kurve zeigt die Partikelgröße vor der Beschallung, die rote Kurve ist die Korngrößenverteilung des ultraschall-dispergierten Silicas.

Klicken Sie hier für weitere informationen über das Ultraschall-Dispergieren von Silica (SiO₂)!

1,5kW Ultraschalldispergator für die Verarbeitung von Partikeln (zum Vergrößern anklicken!)

Ultraschall-Dispergator UIP1500hdT (1500W)

Literatur

Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatography in Bioactivity Analysis of Compounds. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Core–shell particles: Preparation, fundamentals and applications in high performance liquid chromatography. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synthesis and Characterization of Highly Effective Nano Sulfated Zirconia over Silica: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96-104

Wissenswertes

Über HPLC

Bei der Chromatographie handelt es sich um einen Stoffaustausch-Prozess mit Adsorption. Die Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie (früher auch bekannt als Hochdruck-Flüssigkeitschromatographie) ist ein Analyseverfahren, mit dem jede Komponente eines Gemisches getrennt, identifiziert, und quantifiziert werden können. Alternativ kann die präparative Prozesskalachromatografie für die Reinigung von großen Materialchargen im Produktionsmaßstab eingesetzt werden. Typische Analyten sind organische Moleküle, Biomoleküle, Ionen und Polymere.
Das Prinzip der HPLC-Trennung beruht auf einer mobilen Phase (Wasser, organischen Lösungsmitteln, usw.), welches durch die stationäre Phase (Silica-Packmaterial, Monolithen, etc.) in der HPLC-Säule geleitet wird. Das unter Druck stehende Lösungsmittel, in dem sich die gelösten Verbindungen (gelöste Probe) befinden, wird durch eine Säule gepumt, welche mit einem festen Adsorptionsmaterial (z.B. modifizierten Silika-Partikeln) befüllt ist. Da jede Komponente in der Probe etwas anders mit dem Adsorbens interagiert, variieren die Volumenströme für die verschiedenen Komponenten und führen damit beim Austritt aus der Säule zur Trennung der Komponenten. Die Zusammensetzung und Temperatur der mobilen Phase sind äußerst wichtige Parameter für den Trennprozess, da sie die Wechselwirkungen zwischen Komponenten der Probe und dem Adsorbens, die passieren beeinflussen. Die Trennung beruht auf der Partition der Verbindungen an die stationäre und mobile Phase.
Die Egebnisse der HPLC-Analyse werden als Chromatogramm visualisiert. Ein Chromatogramm ist ein zweidimensionales Diagramm: Auf der Ordinate (y-Achse) wird die Konzentration in Bezug auf die Detektorreaktion angegeben. Auf der Abszisse (x-Achse) wird die Zeit abgetragen.

Silica-Partikel für gepackte Säulen

Silica-Partikel für chromatographische Anwendungen basieren auf synthetischen Silica-Polymeren. Meist bestehen sie aus Tetraethoxysilan, die teilweise zu Polyethoxysiloxan hydrolysierte sind, um eine zähe Flüssigkeit zu erzeugen, welche in einem Ethanol-Wasser-Gemisch unter kontinuierlicher Beschallung emulgiert werden kann. Die Agitation mit Ultraschall erzeugt sphärische Partikel, die durch eine katalytisch induzierte hydrolytische Kondensation (bekannt als "Unger"-Methode) in Silica-Hydrogele umgewandelt werden. Die hydrolytische Kondensation führt zu einer stark ausgeprägten Vernetzung über die Oberfläche der Silanol-Arten. Anschließend werden die Hydrogel-Sphären kalziniert, um ein Xerogel zu produzieren. Die Partikelgröße und die Porengröße des hochporösen Silica-Xerogels (Sol-Gel) wird über pH-Wert, Temperatur, Katalysator und Lösungsmittel sowie die Silica-Sol-Konzentration gesteuert.

Nicht-poröse vs. poröse Partikel

Sowohl die nicht-porösen als auch die porösen Silica-Mikrosphären dienen als stationäre Phase in HPLC-Säulen. Bei den kleinen, nicht-porösen Partikel erfolgt die Trennung an der Partikeloberfläche und Bandenverbreiterung wird aufgrund des kurzen Diffusionsweges erleichtert, so dass sich der Stoffaustausch schneller vollzieht. Allerdings führt die geringere Partikeloberfläche zu ungenaueren Ergebnissen, da Verweilzeit, Selektivität und daher auch die Auflösung eingeschränkt sind. Auch die Kapazität ist ein kritischer Faktor. Poröse Silica-Mikrosphären weist neben der Partikeloberfläche zusätzlich die Porenoberfläche auf und bietet daher deutlich mehr Kontaktfläche für die Interaktion mit den Analyten. Um einen ausreichende Stofftransport in der flüssigen Phasentrennung zu gewährleisten, müssen die Porengrößen eine Größe von mehr als ∼7nm aufweisen. Um große Biomoleküle zu trennen, sind Porengrößen von bis zu 100 nm für eine effiziente Trennung erforderlich.