Modificación ultrasónica de partículas para columnas de HPLC
Los retos de la HPLC consisten en lograr una separación rápida y eficiente para una amplia variedad de muestras. La sonicación permite modificar y funcionalizar nanopartículas, por ejemplo, microesferas de sílice o de zirkonia. La ultrasonicación es una técnica muy eficaz para sintetizar partículas de sílice de núcleo–capa, especialmente para columnas de HPLC.
Modificación ultrasónica de partículas de sílice
La estructura y el tamaño de las partículas, así como el tamaño de poro y la presión de bombeo, son los parámetros más importantes que influyen en el análisis por HPLC.
La mayoría de los sistemas de HPLC funcionan con la fase estacionaria activa unida a la superficie exterior de pequeñas partículas esféricas de sílice. Estas partículas son esferas muy pequeñas de tamaño micrométrico y nanométrico. Su tamaño varía, pero el más habitual es de aprox. 5 µm. Las partículas más pequeñas proporcionan una mayor superficie y una mejor separación, pero la presión necesaria para alcanzar la velocidad lineal óptima aumenta de forma inversamente proporcional al cuadrado del diámetro de las partículas. Esto significa que utilizar partículas de la mitad de tamaño en una columna de las mismas dimensiones duplica el rendimiento, pero al mismo tiempo cuadruplica la presión necesaria.
Los ultrasonidos de potencia son una herramienta ampliamente conocida y de eficacia demostrada para la modificación / funcionalización y dispersión de micropartículas y nanopartículas, como las de sílice. Gracias a sus resultados uniformes y altamente fiables en el procesamiento de partículas, la sonicación es el método preferido para producir partículas funcionalizadas (p. ej., partículas de núcleo–capa). Los ultrasonidos de potencia generan vibración y cavitación y aportan energía para las reacciones sonoquímicas. Por ello, los ultrasonicadores de alta potencia se utilizan con éxito en tratamientos de partículas que incluyen funcionalización / modificación, reducción de tamaño y dispersión así como para la síntesis de nanopartículas (p. ej., rutas sol-gel).
Ventajas de la modificación / funcionalización ultrasónica de partículas
- control sencillo del tamaño y la modificación de las partículas
- control total de los parámetros del proceso
- escalabilidad lineal
- aplicable a volúmenes desde muy pequeños hasta muy grandes
- seguro, fácil de usar y respetuoso con el medio ambiente
Sonicador de sonda UP400ST dispersando y funcionalizando nanopartículas de sílice
Preparación ultrasónica de partículas de sílice de núcleo–capa
Las partículas de sílice de núcleo–capa (de núcleo sólido con capa porosa o superficialmente porosas) se utilizan cada vez más para conseguir una separación muy eficiente con un caudal elevado y una contrapresión relativamente baja. Sus ventajas residen en el núcleo sólido y la capa porosa: la partícula completa de núcleo–capa constituye una partícula de mayor tamaño y permite trabajar con HPLC a una contrapresión más baja, mientras que la capa porosa y el propio núcleo sólido pequeño proporcionan una mayor superficie para el proceso de separación. La ventaja de utilizar partículas de núcleo–capa como material de relleno para columnas de HPLC es que su menor volumen de poros reduce el volumen disponible para el ensanchamiento por difusión longitudinal. El tamaño de las partículas y el espesor de la capa porosa influyen directamente en los parámetros de separación. (cf. Hayes et al. 2014)
Los materiales de relleno más utilizados en las columnas de HPLC rellenas son las microesferas de sílice convencionales. Las partículas de núcleo–capa utilizadas en cromatografía también suelen estar hechas de sílice, pero con un núcleo sólido y una capa porosa. Las partículas de sílice de núcleo–capa utilizadas en aplicaciones cromatográficas también se conocen como partículas de núcleo fusionado, de núcleo sólido o superficialmente porosas.
Los geles de sílice pueden sintetizarse mediante una ruta sol-gel sonoquímica. Los geles de sílice son la capa fina más utilizada para la separación de sustancias activas mediante cromatografía en capa fina (TLC).
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La síntesis ultrasónica (sonosíntesis) puede aplicarse fácilmente a la síntesis de otros metales u óxidos metálicos soportados sobre sílice, como TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 y muchos otros, y se utiliza no solo para modificar la sílice destinada a cartuchos cromatográficos, sino también para diversas reacciones catalíticas industriales.
Más información sobre sonicadores para la funcionalización de nanopartículas destinadas a columnas de HPLC
Dispersión ultrasónica de nanopartículas
La dispersión de partículas hasta tamaños finos y su desaglomeración son especialmente importantes para obtener el máximo rendimiento del material. Por ello, para conseguir una separación de alto rendimiento se utilizan partículas de sílice monodispersas de menor diámetro como partículas de relleno. Se ha demostrado que la sonicación es más eficaz para dispersar la sílice que otros métodos de mezclado de alto cizallamiento.
El gráfico siguiente muestra el resultado de la dispersión ultrasónica de sílice pirogénica en agua. Las mediciones se realizaron con un Malvern Mastersizer 2000.
Antes y después de la sonicación: la curva verde muestra el tamaño de las partículas antes de la sonicación; la curva roja representa la distribución de tamaños de partícula de la sílice dispersada por ultrasonidos.
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Compactación de polvos mediante sonicación
La densidad del polvo en las columnas de HPLC es esencial para lograr una elevada eficiencia de separación, un rendimiento estable de la columna, características de flujo constantes, tiempos de retención precisos, una mejor resolución y una mayor vida útil de la columna. Garantizar una densidad de relleno adecuada y uniforme es fundamental para el funcionamiento fiable y eficaz de los sistemas de HPLC. La compactación ultrasónica de polvos puede ayudar a rellenar columnas y cartuchos de HPLC de forma eficiente con una densidad de polvo óptima.
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Sonicadores industriales para la dispersión de nanopartículas con alta capacidad de procesamiento
Información de interés
¿Qué es la cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC)?
La cromatografía puede describirse como un proceso de transferencia de masa que implica adsorción. La cromatografía líquida de alto rendimiento (anteriormente también conocida como cromatografía líquida de alta presión) es una técnica de análisis que permite separar, identificar y cuantificar cada componente de una mezcla. Por otra parte, la cromatografía a escala preparativa se utiliza para purificar grandes lotes de material a escala de producción. Los analitos habituales son moléculas orgánicas, biomoléculas, iones y polímeros.
El principio de separación de la HPLC se basa en hacer pasar una fase móvil (agua, disolventes orgánicos, etc.) a través de una fase estacionaria (rellenos de partículas de sílice, monolitos, etc.) en una columna. Esto significa que un disolvente líquido a presión, que contiene los compuestos disueltos (solución de muestra), se bombea a través de una columna rellena de un material adsorbente sólido (p. ej., partículas de sílice modificadas). Como cada componente de la muestra interactúa de forma ligeramente distinta con el material adsorbente, los caudales de los diferentes componentes varían, lo que provoca su separación a medida que salen de la columna. La composición y la temperatura de la fase móvil son parámetros muy importantes para el proceso de separación, ya que influyen en las interacciones entre los componentes de la muestra y el adsorbente. La separación se basa en el reparto de los compuestos entre la fase estacionaria y la fase móvil.
Los resultados del análisis por HPLC se visualizan en forma de cromatograma. Un cromatograma es un diagrama bidimensional en el que la ordenada (eje y) indica la concentración en términos de respuesta del detector y la abscisa (eje x) representa el tiempo.
Partículas de sílice para cartuchos rellenos
Las partículas de sílice para aplicaciones cromatográficas se basan en polímeros de sílice sintéticos. En su mayoría se fabrican a partir de tetraetoxisilano, que se hidroliza parcialmente para formar polietoxisiloxanos y obtener un líquido viscoso que puede emulsionarse en una mezcla de etanol y agua bajo sonicación continua. La agitación ultrasónica genera partículas esféricas que se transforman en hidrogeles de sílice mediante una condensación hidrolítica inducida catalíticamente (conocida como método «Unger»). La condensación hidrolítica provoca una extensa reticulación a través de las especies de silanol de la superficie. Posteriormente, las esferas de hidrogel se calcinan para producir un xerogel. El tamaño de las partículas y el tamaño de poro del xerogel de sílice altamente poroso (sol-gel) dependen del valor de pH, la temperatura, el catalizador y los disolventes utilizados, así como de la concentración del sol de sílice.
Partículas no porosas frente a partículas porosas
Tanto las microesferas de sílice no porosas como las porosas se utilizan como fase estacionaria en columnas de HPLC. En las partículas no porosas pequeñas, la separación se produce en la superficie de la partícula y el ensanchamiento de banda se reduce gracias al corto recorrido de difusión, lo que permite una transferencia de masa más rápida. Sin embargo, la baja superficie disponible da lugar a resultados menos exactos, ya que la retención, el tiempo de retención, la selectividad y, por tanto, la resolución son limitados. La capacidad de carga también es un factor crítico. Las microesferas de sílice porosas aportan, además de la superficie de la partícula, la superficie de los poros, que ofrece una mayor área de contacto para interactuar con los analitos. Para garantizar un transporte de masa suficiente durante la separación en fase líquida, el tamaño de los poros debe ser superior a ∼7 nm. Para separar biomoléculas grandes, se requieren tamaños de poro de hasta 100 nm para lograr una separación eficiente.
Bibliografía/Referencias
- Czaplicki, Sylwester (2013): Cromatografía en el análisis de la bioactividad de compuestos. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Core-shell particles: Preparación, fundamentos y aplicaciones en cromatografía líquida de alto rendimiento. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36-52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Síntesis y Caracterización de Nano Sulfated Zirconia de Alta Eficacia sobre Sílice: Core-Shell Catalyst by Ultrasonic Irradiation. Revista americana de química 3(4), 2013. 96-104