Modificación ultrasónica de partículas para columnas de HPLC
- Los retos en HPLC son una separación rápida y eficaz para una amplia gama de muestras.
- La sonicación permite modificar y funcionalizar nanopartículas, por ejemplo, microesferas de sílice o zirconia.
- La ultrasonicación es una técnica muy eficaz para sintetizar partículas de sílice con núcleo, especialmente para columnas de HPLC.
Modificación ultrasónica de partículas de sílice
La estructura y el tamaño de las partículas, así como el tamaño de los poros y la presión de la bomba, son los parámetros más importantes que influyen en el análisis por HPLC.
La mayoría de los sistemas HPLC funcionan con la fase estacionaria activa adherida al exterior de pequeñas partículas esféricas de sílice. Las partículas son microesferas muy pequeñas en el rango micro y nano. Los tamaños de las partículas varían, pero lo más común es un tamaño de aproximadamente 5 µm. Las partículas más pequeñas proporcionan una mayor superficie y una mejor separación, pero la presión necesaria para una velocidad lineal óptima aumenta por el inverso del diámetro de la partícula al cuadrado. Esto significa que utilizando partículas de la mitad de tamaño y con el mismo tamaño de columna, se duplica el rendimiento, pero al mismo tiempo se cuadruplica la presión requerida.
ultrasonido de potencia es una herramienta bien conocida y probada para la modificación/funcionalización y dispersión de micro y nanopartículas como la sílice. Debido a sus resultados uniformes y altamente fiables en el procesamiento de partículas, la sonicación es el método preferido para producir partículas funcionalizadas (por ejemplo, partículas core-shell). Los ultrasonidos de alta potencia crean vibración, cavitación e inducen energía para las reacciones sonoquímicas. Por ello, los ultrasonidos de alta potencia se utilizan con éxito para el tratamiento de partículas, por ejemplo funcionalización / modificación, Reducción de tamaño & dispersión así como para síntesis (por ejemplo Procesos sol-gel).
Ventajas de la modificación / funcionalización de partículas por ultrasonidos
- fácil control del tamaño y la modificación de las partículas
- control total de los parámetros del proceso
- escalabilidad lineal
- aplicable desde volúmenes muy pequeños a muy grandes
- seguro y fácil de usar & respetuoso con el medio ambiente
Las columnas de HPLC suelen estar rellenas de sílice.
Sistema industrial de ultrasonidos para procesos en línea
Preparación por ultrasonidos de partículas de sílice con núcleo de cáscara
Partículas de sílice con núcleo (núcleo sólido con carcasa porosa o superficialmente porosa) se utilizan cada vez más para separaciones de alta eficacia con un caudal rápido y una contrapresión relativamente baja. Las ventajas residen en su núcleo sólido y su cubierta porosa: El núcleo completo forma una partícula más grande y permite trabajar con HPLC a una contrapresión más baja, mientras que la cubierta porosa y el pequeño núcleo sólido proporcionan una mayor superficie para el proceso de separación. La ventaja de utilizar partículas con núcleo como material de relleno para columnas de HPLC es que el menor volumen de poros reduce el volumen presente para el ensanchamiento por difusión longitudinal. El tamaño de las partículas y el grosor de la cubierta porosa influyen directamente en los parámetros de separación. (cf. Hayes et al. 2014)
Los materiales de relleno más utilizados para las columnas de HPLC empaquetadas son las microesferas de sílice convencionales. Las partículas core-shell utilizadas para cromatografía también suelen estar hechas de sílice, pero con un núcleo sólido y una cubierta porosa. Las partículas de sílice con núcleo en forma de concha utilizadas para aplicaciones cromatográficas también se conocen como partículas de núcleo fundido, de núcleo sólido o superficialmente porosas.
geles de sílice pueden sintetizarse mediante la 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 por sílice, como TiO2/SiO2CuO/SiO2Pt/SiO2Au/SiO2 y muchos otros, y se utiliza no sólo para modificar la sílice de los cartuchos cromatográficos, sino también para diversas reacciones catalíticas industriales.
dispersión ultrasónica
Una dispersión y desaglomeración de partículas de tamaño fino es especialmente importante para obtener el pleno rendimiento del material. Por lo tanto, para una separación de alto rendimiento se utilizan partículas de sílice monodispersas con diámetros más pequeños como partículas de empaquetamiento. Se ha demostrado que la sonicación es más eficaz en la dispersión de sílice que otros métodos de mezclado de alto cizallamiento.
El gráfico siguiente muestra el resultado de la dispersión ultrasónica de sílice pirógena en agua. Las mediciones se obtuvieron utilizando un Malvern Mastersizer 2000.
Antes y después de la sonicación: La curva verde muestra el tamaño de partícula antes de la sonicación, la curva roja es la distribución del tamaño de partícula de la sílice dispersada por ultrasonidos.
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Literatura/Referencias
- Czaplicki, Sylwester (2013): Cromatografía en el análisis de la bioactividad de compuestos. En: 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
Información interesante
Acerca de HPLC
La cromatografía puede describirse como un proceso de transferencia de masa que implica adsorción. La cromatografía líquida de alto rendimiento (antes también conocida como cromatografía líquida de alta presión) es una técnica de análisis mediante la cual se puede separar, identificar y cuantificar cada componente de una mezcla. Alternativamente, la cromatografía a escala preparativa se utiliza para la purificación de grandes lotes de material a escala de producción. Los analitos típicos son moléculas orgánicas, biomoléculas, iones y polímeros.
El principio de la separación por HPLC se basa en el paso de una fase móvil (agua, disolventes orgánicos, etc.) a través de una fase estacionaria (paquetes de partículas de sílice, monolitos, etc.) en una columna. Es decir, un disolvente líquido presurizado, que contiene los compuestos disueltos (solución de la muestra), se bombea a través de una columna llena de un material adsorbente sólido (por ejemplo, partículas de sílice modificada). Como cada componente de la muestra interactúa de forma ligeramente diferente con el material adsorbente, los caudales de los distintos componentes varían y conducen así a la separación de los componentes a medida que fluyen fuera de la columna. La composición y la temperatura de la fase móvil son parámetros muy importantes para el proceso de separación que influyen en las interacciones que se producen entre los componentes de la muestra y el adsorbente. La separación se basa en la partición de los compuestos hacia 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 envasados
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 a polietoxisiloxanos para formar un líquido viscoso que puede emulsionarse en una mezcla de etanol y agua bajo sonicación continua. La agitación ultrasónica crea 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. Después, las esferas de hidrogel se calcinan para producir un xerogel. El tamaño de las partículas y de los poros del xerogel de sílice altamente poroso (procesos sol-gel) están influidos por el valor del pH, la temperatura, el catalizador utilizado y los disolventes, así como por la concentración de sol de sílice.
Partículas no porosas frente a porosas
Las microesferas de sílice, tanto porosas como no porosas, se utilizan como fase estacionaria en columnas de HPLC. En el caso de las partículas no porosas pequeñas, la separación se produce en la superficie de la partícula y se alivia el ensanchamiento de banda debido al corto trayecto de difusión, con lo que se produce una transferencia de masa más rápida. Sin embargo, la baja superficie da lugar a resultados más inexactos, 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 porosa proporcionan, además de la superficie de la partícula, la superficie del poro, que ofrece más área de contacto para interactuar con los analitos. Para garantizar un transporte de masa suficiente durante la separación de fases líquidas, los poros deben tener un tamaño superior a ∼7nm . Para separar biomoléculas grandes, se requieren tamaños de poros de hasta 100 nm para lograr una separación eficaz.