Ultraheli abil tehtav osakeste modifitseerimine HPLC kolonnide jaoks
HPLC väljakutseteks on kiire ja efektiivne eraldamine paljude erinevate proovide puhul. Ultraheli töötlus (sonikeerimine) võimaldab nanoosakesi modifitseerida ja funktsionaliseerida, nt ränidioksiidi või tsirkooniumdioksiidi mikrosfääre. Ultrahelitöötlus on väga edukas meetod core–shell ränidioksiidiosakeste sünteesimiseks, eriti HPLC kolonnide jaoks.
Ränidioksiidiosakeste modifitseerimine ultraheli abil
Osakeste struktuur ja osakeste suurus, samuti pooride suurus ja pumba rõhk on kõige olulisemad HPLC analüüsi mõjutavad parameetrid.
Suurem osa HPLC süsteemidest töötab nii, et aktiivne statsionaarne faas on kinnitatud väikeste sfääriliste ränidioksiidiosakeste välispinnale. Osakesed on väga väikesed kerakesed mikro- ja nanovahemikus. Kerakeste osakeste suurused varieeruvad, kuid kõige levinum on osakeste suurus ca 5µm. Väiksemad osakesed pakuvad suuremat pindala ja paremat eraldamist, kuid optimaalse lineaarkiiruse jaoks vajalik rõhk kasvab osakese läbimõõdu ruudu pöördväärtuse võrra. See tähendab, et poole väiksemate osakeste kasutamine sama kolonni suuruse juures kahekordistab jõudluse, kuid samal ajal neljakordistub vajalik rõhk.
Jõuultraheli on hästi tuntud ja end tõestanud vahend mikro- ja nanoosakeste, näiteks ränidioksiidi, modifitseerimiseks / funktsionaliseerimiseks ja dispergeerimiseks. Tänu ühtlastele ja väga usaldusväärsetele tulemustele osakeste töötlemisel on ultraheli töötlus (sonikeerimine) eelistatud meetod funktsionaliseeritud osakeste (nt core-shell osakeste) tootmiseks. Jõuultraheli tekitab vibratsiooni, kavitatsiooni ja annab energiat sonokeemilisteks reaktsioonideks. Seetõttu kasutatakse suure võimsusega sonikaatoreid edukalt osakeste töötlemiseks, sealhulgas funktsionaliseerimiseks / modifitseerimiseks, osakeste suuruse vähendamiseks ja dispergeerimiseks samuti nanoosakeste sünteesiks (nt sool-geel meetodid).
Ultraheli abil toimuva osakeste modifitseerimise / funktsionaliseerimise eelised
- osakeste suuruse ja modifitseerimise lihtne kontroll
- täielik kontroll protsessiparameetrite üle
- lineaarne skaleeritavus
- kasutatav väga väikestest kuni väga suurte mahtudeni
- ohutu, kasutaja- ja keskkonnasõbralik
Sondtüüpi sonikaator UP400ST dispergeerimas ja funktsionaliseerimas ränidioksiidi nanoosakesi
Core–shell ränidioksiidiosakeste ettevalmistamine ultraheli abil
Core–shell ränidioksiidiosakesi (tahke tuumaga ja poorse kestaga ehk pealispinnalt poorseid) on üha enam kasutatud väga efektiivseks eraldamiseks kiire vooluhulga ja suhteliselt madala vastusurvega. Eelised tulenevad nende tahkest tuumast ja poorsest kestast: terve core-shell osake moodustab suurema osakese ja võimaldab HPLC-d käitada madalama vastusurve juures, samal ajal kui poorne kest ja väike tahke tuum ise annavad eraldusprotsessile suurema pindala. Core–shell osakeste kasutamise eeliseks HPLC kolonnide pakkematerjalina on see, et väiksem poorimaht vähendab mahtu, mis on olemas pikisuunalisest difusioonist tuleneva laienemise jaoks. Osakeste suurus ja poorse kesta paksus mõjutavad otseselt eraldusparameetreid. (vrd Hayes et al. 2014)
HPLC pakitud kolonnide kõige sagedamini kasutatavad pakkematerjalid on tavapärased ränidioksiidi mikrosfäärid. Kromatograafias kasutatavad core–shell osakesed on samuti tavaliselt valmistatud ränidioksiidist, kuid tahke tuuma ja poorse kestaga. Kromatograafilistes rakendustes kasutatavaid core–shell ränidioksiidiosakesi tuntakse ka kui fused-core, tahke tuumaga või pealispinnalt poorseid osakesi.
Silikageele saab sünteesida sonokeemilise sool-geel meetodi kaudu. Silikageelid on kõige sagedamini kasutatav õhuke kiht toimeainete eraldamiseks õhukese kihi kromatograafia (TLC) abil.
Klõpsake siin, et saada rohkem teada sool-geel protsesside sonokeemilisest meetodist!
Ultraheli abil toimuvat sünteesi (sonosüntees) saab hõlpsasti rakendada ka teiste ränidioksiidil toetuvate metallide või metalloksiidide sünteesiks, näiteks TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 ja paljud teised, ning seda kasutatakse mitte ainult ränidioksiidi modifitseerimiseks kromatograafiakassettide jaoks, vaid ka mitmesugusteks tööstuslikeks katalüütilisteks reaktsioonideks.
Loe lähemalt sonikaatoritest nanoosakeste funktsionaliseerimiseks HPLC kolonnide jaoks
Nanoosakeste ultraheli dispergeerimine
Osakeste peenjaotusega dispersioon ja deaglomeratsioon on eriti oluline, et saavutada materjali täielik jõudlus. Seetõttu kasutatakse kõrgefektiivseks eralduseks pakkeosakestena väiksema läbimõõduga monodisperssseid ränidioksiidi osakesi. Sonikeerimine on osutunud ränidioksiidi dispergeerimisel tõhusamaks kui muud suure nihkejõuga segamismeetodid.
Alljärgnev graafik näitab suitsuräni (fumed silica) ultraheli dispergeerimise tulemust vees. Mõõtmised tehti Malvern Mastersizer 2000 abil.
Enne ja pärast sonikeerimist: roheline kõver näitab osakeste suurust enne sonikeerimist, punane kõver on ultraheliga dispergeeritud ränidioksiidi osakeste suurusjaotus.
Klõpsake siin, et lugeda lähemalt ränidioksiidi (SiO2) ultraheli dispergeerimise kohta!
Pulbri tihendamine ultraheli abil
Pulbri tihedus HPLC kolonnides on oluline kõrge eralduse efektiivsuse, stabiilse kolonni jõudluse, ühtlaste vooluomaduste, täpsete retentsiooniaegade, parema lahutuse ja pikema kolonni eluea saavutamiseks. Sobiva ja ühtlase pakketiheduse tagamine on HPLC süsteemide usaldusväärse ja tõhusa töö alus. Ultraheli pulbri tihendamine aitab täita HPLC kolonne ja kassette tõhusalt optimaalse pulbritihedusega.
Loe lähemalt ultraheli pulbri tihendamise kohta!
Tööstuslikud sonikaatorid nanoosakeste suure läbilaskevõimega dispergeerimiseks
Teadmisi, mida tasub teada
Mis on kõrgefektiivne vedelikkromatograafia (HPLC)?
Kromatograafiat võib kirjeldada kui adsorptsiooniga seotud massiülekande protsessi. Kõrgefektiivne vedelikkromatograafia (varem tuntud ka kui kõrgsurve-vedelikkromatograafia) on analüüsimeetod, mille abil saab segu iga komponendi eraldada, identifitseerida ja kvantifitseerida. Teise võimalusena kasutatakse preparatiivse skaala kromatograafiat suurte materjalipartiide puhastamiseks tootmismastaabis. Tüüpilised analüüdid on orgaanilised molekulid, biomolekulid, ioonid ja polümeerid.
HPLC eralduse põhimõte tugineb sellele, et liikuv faas (vesi, orgaanilised lahustid jne) juhitakse kolonnis läbi statsionaarse faasi (osakestest ränidioksiidi pakked, monoliidid jne). See tähendab, et surve all olev vedel lahusti, mis sisaldab lahustunud ühendeid (proovilahus), pumbatakse läbi kolonni, mis on täidetud tahke adsorbentmaterjaliga (nt modifitseeritud ränidioksiidi osakesed). Kuna iga proovi komponent interakteerub adsorbentmaterjaliga veidi erinevalt, on eri komponentide vooluhulgad erinevad ja see viib komponentide eraldumiseni, kui nad kolonnist välja voolavad. Liikuva faasi koostis ja temperatuur on eraldusprotsessi jaoks väga olulised parameetrid, mis mõjutavad proovi komponentide ja adsorbendi vahel toimuvaid interaktsioone. Eraldus põhineb ühendite jaotumisel statsionaarse ja liikuva faasi vahel.
HPLC analüüsitulemused visualiseeritakse kromatogrammina. Kromatogramm on kahemõõtmeline diagramm, mille ordinaat (y-telg) näitab kontsentratsiooni detektori signaali kaudu ja abstsiss (x-telg) kujutab aega.
Ränidioksiidi osakesed pakitud kassettidele
Kromatograafias kasutatavad ränidioksiidi osakesed põhinevad sünteetilistel ränidioksiidi polümeeridel. Enamasti valmistatakse need tetraetoksüsilaanist, mis hüdrolüüsitakse osaliselt polüetoksüsiloksaanideks, et moodustada viskoosne vedelik, mida saab pideva sonikeerimise all emulgeerida etanooli ja vee segus. Ultraheli segamine tekitab sfäärilisi osakesi, mis muudetakse ränidioksiidi hüdrogeelideks katalüütiliselt esilekutsutud hüdrolüütilise kondensatsiooni teel (tuntud kui „Ungeri“ meetod). Hüdrolüütiline kondensatsioon põhjustab ulatuslikku ristsidumist pinna silanoolrühmade kaudu. Seejärel kaltsineeritakse hüdrogeelisfäärid, et saada kserogeel. Väga poorse ränidioksiidi kserogeeli (sool-geel) mõjutavad pH-väärtus, temperatuur, kasutatud katalüsaator ja lahustid ning ränidioksiidi soolkontsentratsioon.
Mittepoorsed ja poorsed osakesed
Nii mittepoorseid kui ka poorseid ränidioksiidi mikrosfääre kasutatakse HPLC kolonnides statsionaarse faasina. Väikeste mittepoorsete osakeste puhul toimub eraldumine osakese pinnal ning ribade laienemine väheneb lühikese difusioonitee tõttu, mistõttu toimub kiirem massiülekanne. Väikese eripinna tõttu on tulemused aga ebatäpsemad, kuna retentsioon, retentsiooniaeg, selektiivsus ja seega ka lahutusvõime on piiratud. Ka laadimismaht on kriitiline tegur. Poorsed ränidioksiidi mikrosfäärid pakuvad lisaks osakese pinnale ka poori pinda, mis pakub analüütidega vastasmõjuks suuremat kontaktpinda. Piisava massiülekande tagamiseks vedelikufaasi eraldamisel peab pooride suurus olema üle ∼7nm. Suurte biomolekulide eraldamiseks on tõhusa eraldumise saavutamiseks vaja kuni 100nm suuruseid poore.
Kirjandus/viited
- Czaplicki, Sylwester (2013): Kromatograafia ühendite bioaktiivsuse analüüsis. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Serv, Tony; Zhang, Haifei (2014): Südamik-kesta osakesed: ettevalmistamine, alused ja rakendused kõrgefektiivses vedelikkromatograafias. J. Kromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Üliefektiivse nano-sulfaaditud tsirkooniumoksiidi süntees ja iseloomustamine ränidioksiidi kohal: südamik-kesta katalüsaator ultraheli kiiritamise teel. Ameerika keemia ajakiri 3(4), 2013. 96-104