اصلاح فراصوتی ذرات برای ستون‌های HPLC
از چالش‌های HPLC، جداسازی سریع و کارآمد طیف گسترده‌ای از نمونه‌هاست. فراصوت‌دهی امکان اصلاح و عامل‌دارسازی نانوذرات، مانند ریزکره‌های سیلیکا یا زیرکونیا، را فراهم می‌کند. فراصوت‌دهی روشی بسیار موفق برای سنتز ذرات سیلیکای هسته–پوسته، به‌ویژه برای ستون‌های HPLC، است.
اصلاح فراصوتی ذرات سیلیکا
ساختار و اندازهٔ ذرات، همراه با اندازهٔ منافذ و فشار پمپ، مهم‌ترین پارامترهای مؤثر بر آنالیز HPLC هستند.
بیشتر سامانه‌های HPLC با فاز ساکن فعالی کار می‌کنند که به سطح بیرونی ذرات کروی کوچک سیلیکا متصل است. این ذرات، دانه‌های بسیار کوچکی در محدودهٔ میکرو و نانو هستند. اندازهٔ این دانه‌ها متفاوت است، اما اندازهٔ حدود 5µm رایج‌ترین اندازهٔ ذرات است. ذرات کوچک‌تر سطح بیشتری و جداسازی بهتری فراهم می‌کنند، اما فشار موردنیاز برای دستیابی به سرعت خطی بهینه، متناسب با معکوس مجذور قطر ذرات افزایش می‌یابد. این بدان معناست که استفاده از ذراتی با نصف اندازه، در ستونی با همان ابعاد، عملکرد را دو برابر می‌کند، اما هم‌زمان فشار موردنیاز چهار برابر می‌شود.
فراصوت پرتوان ابزاری شناخته‌شده و اثبات‌شده برای اصلاح / عامل‌دارسازی و پراکنده‌سازی ریزذرات و نانوذراتی مانند سیلیکا است. به‌دلیل نتایج یکنواخت و بسیار قابل‌اعتماد آن در فرآوری ذرات، فراصوت‌دهی روش ترجیحی برای تولید ذرات عامل‌دارشده، مانند ذرات هسته–پوسته، است. فراصوت پرتوان ارتعاش و کاویتاسیون ایجاد می‌کند و انرژی لازم برای واکنش‌های سونوشیمیایی را وارد سامانه می‌کند. ازاین‌رو، دستگاه‌های فراصوت پرتوان با موفقیت برای تیمار ذرات به کار می‌روند، از جمله عامل‌دارسازی / اصلاح, کاهش اندازه و پراکنده‌سازی و همچنین برای سنتز نانوذرات (برای مثال، مسیرهای سل–ژل).
مزایای اصلاح / عامل‌دارسازی فراصوتی ذرات
- کنترل آسان اندازه و اصلاح ذرات
- کنترل کامل پارامترهای فرایند
- مقیاس‌پذیری خطی
- قابل‌استفاده برای حجم‌های بسیار کم تا بسیار زیاد
- ایمن، کاربرپسند و سازگار با محیط‌زیست
سونیکاتور پروبی UP400ST در حال پراکنده‌سازی و عامل‌دارسازی نانوذرات سیلیکا
تهیهٔ فراصوتی ذرات سیلیکای هسته–پوسته
ذرات سیلیکای هسته–پوسته (با هستهٔ جامد و پوستهٔ متخلخل، یا دارای تخلخل سطحی) به‌طور فزاینده‌ای برای جداسازی بسیار کارآمد با دبی بالا و فشار برگشتی نسبتاً کم استفاده شده‌اند. مزیت آن‌ها در هستهٔ جامد و پوستهٔ متخلخلشان است: مجموعهٔ هسته و پوسته، ذره‌ای بزرگ‌تر تشکیل می‌دهد و امکان کارکرد HPLC را با فشار برگشتی کمتر فراهم می‌کند، درحالی‌که پوستهٔ متخلخل و خود هستهٔ جامد کوچک، سطح بیشتری برای فرایند جداسازی فراهم می‌کنند. مزیت استفاده از ذرات هسته–پوسته به‌عنوان مادهٔ پرکنندهٔ ستون‌های HPLC این است که حجم کمتر منافذ، حجم موجود برای پهن‌شدگی ناشی از نفوذ طولی را کاهش می‌دهد. اندازهٔ ذرات و ضخامت پوستهٔ متخلخل مستقیماً بر پارامترهای جداسازی تأثیر دارند. (رجوع کنید به Hayes et al. 2014)
پرکاربردترین مواد پرکننده برای ستون‌های پرشدهٔ HPLC، ریزکره‌های متداول سیلیکا هستند. ذرات هسته–پوستهٔ مورداستفاده در کروماتوگرافی نیز معمولاً از سیلیکا ساخته می‌شوند، اما دارای هستهٔ جامد و پوستهٔ متخلخل هستند. ذرات سیلیکای هسته–پوسته که در کاربردهای کروماتوگرافی استفاده می‌شوند، با نام‌های ذرات با هستهٔ ذوب‌شده، هستهٔ جامد یا دارای تخلخل سطحی نیز شناخته می‌شوند.
ژل‌های سیلیکا را می‌توان از مسیر سونوشیمیایی سل–ژل سنتز کرد. ژل‌های سیلیکا پرکاربردترین لایهٔ نازک برای جداسازی مواد فعال به روش کروماتوگرافی لایه‌نازک (TLC) هستند.
برای آشنایی بیشتر با مسیر سونوشیمیایی فرایندهای سل–ژل، اینجا کلیک کنید!
سنتز فراصوتی (سونوسنتز) را می‌توان به‌راحتی برای سنتز سایر فلزات یا اکسیدهای فلزی بر پایهٔ سیلیکا، مانند TiO2/SiO2، CuO/SiO2، Pt/SiO2>، Au/SiO2 و بسیاری موارد دیگر به کار برد. این روش نه‌تنها برای اصلاح سیلیکا در کارتریج‌های کروماتوگرافی، بلکه برای واکنش‌های کاتالیستی گوناگون صنعتی نیز استفاده می‌شود.
دربارهٔ سونیکاتورهای عامل‌دارسازی نانوذرات برای ستون‌های HPLC بیشتر بخوانید
پراکنده‌سازی فراصوتی نانوذرات
پراکنده‌سازی ذرات تا اندازه‌های ریز و کلوخه‌زدایی آن‌ها برای دستیابی به عملکرد کامل ماده اهمیت ویژه‌ای دارد. ازاین‌رو، برای جداسازی با عملکرد بالا، از ذرات سیلیکای تک‌پراکن با قطرهای کوچک‌تر به‌عنوان ذرات پرکننده استفاده می‌شود. ثابت شده است که فراصوت‌دهی در پراکنده‌سازی سیلیکا از سایر روش‌های اختلاط با برش بالا مؤثرتر است.
نمودار زیر نتیجهٔ پراکنده‌سازی فراصوتی سیلیکای دودزا در آب را نشان می‌دهد. اندازه‌گیری‌ها با استفاده از دستگاه Malvern Mastersizer 2000 انجام شده‌اند.
پیش و پس از فراصوت‌دهی: منحنی سبز اندازهٔ ذرات پیش از فراصوت‌دهی را نشان می‌دهد؛ منحنی قرمز توزیع اندازهٔ ذرات سیلیکای پراکنده‌شده با فراصوت است.
برای مطالعهٔ بیشتر دربارهٔ پراکنده‌سازی فراصوتی سیلیکا (SiO2)، اینجا کلیک کنید!
متراکم‌سازی پودر با استفاده از فراصوت‌دهی
چگالی پودر در ستون‌های HPLC برای دستیابی به بازده بالای جداسازی، عملکرد پایدار ستون، ویژگی‌های ثابت جریان، زمان‌های بازداری دقیق، قدرت تفکیک بهتر و عمر طولانی‌تر ستون ضروری است. اطمینان از چگالی مناسب و یکنواخت بستر پرشده، برای کارکرد قابل‌اعتماد و مؤثر سامانه‌های HPLC بنیادی است. متراکم‌سازی فراصوتی پودر می‌تواند به پرکردن کارآمد ستون‌ها و کارتریج‌های HPLC با چگالی بهینهٔ پودر کمک کند.
دربارهٔ متراکم‌سازی فراصوتی پودر بیشتر بدانید!
سونیکاتورهای صنعتی برای پراکنده‌سازی نانوذرات با ظرفیت پردازش بالا
دانستنی‌های مفید
کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (HPLC) چیست؟
کروماتوگرافی را می‌توان فرایند انتقال جرمی توصیف کرد که شامل جذب سطحی است. کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا، که پیش‌تر با نام کروماتوگرافی مایع پرفشار نیز شناخته می‌شد، یک روش آنالیز است که با آن می‌توان هر جزء یک مخلوط را جداسازی، شناسایی و اندازه‌گیری کمّی کرد. همچنین، کروماتوگرافی در مقیاس تهیه‌ای برای خالص‌سازی بچ‌های بزرگ مواد در مقیاس تولید به کار می‌رود. آنالیت‌های معمول شامل مولکول‌های آلی، زیست‌مولکول‌ها، یون‌ها و پلیمرها هستند.
اصل جداسازی در HPLC بر عبور یک فاز متحرک، مانند آب و حلال‌های آلی، از میان یک فاز ساکن، مانند بسترهای پرشده از ذرات سیلیکا و ساختارهای یکپارچه، درون ستون استوار است. به این معنا که یک حلال مایع تحت فشار، حاوی ترکیبات حل‌شده (محلول نمونه)، از درون ستونی پر از مادهٔ جاذب جامد، مانند ذرات سیلیکای اصلاح‌شده، پمپ می‌شود. ازآنجاکه برهم‌کنش هر جزء نمونه با مادهٔ جاذب اندکی متفاوت است، دبی اجزای مختلف با یکدیگر تفاوت دارد و در نتیجه، اجزا هنگام خروج از ستون از هم جدا می‌شوند. ترکیب و دمای فاز متحرک از پارامترهای بسیار مهم فرایند جداسازی هستند که بر برهم‌کنش‌های میان اجزای نمونه و جاذب تأثیر می‌گذارند. جداسازی بر توزیع ترکیبات میان فازهای ساکن و متحرک استوار است.
نتایج آنالیز HPLC به‌صورت کروماتوگرام نمایش داده می‌شوند. کروماتوگرام نموداری دوبعدی است که محور عمودی آن (محور y) غلظت را برحسب پاسخ آشکارساز نشان می‌دهد و محور افقی آن (محور x) بیانگر زمان است.
ذرات سیلیکا برای کارتریج‌های پرشده
ذرات سیلیکا برای کاربردهای کروماتوگرافی بر پایهٔ پلیمرهای سنتزی سیلیکا هستند. این ذرات عمدتاً از تترااتوکسی‌سیلان ساخته می‌شوند که به‌طور جزئی به پلی‌اتوکسی‌سیلوکسان‌ها هیدرولیز می‌شود تا مایعی گران‌رو تشکیل دهد که بتوان آن را تحت فراصوت‌دهی پیوسته در مخلوط اتانول و آب امولسیون کرد. هم‌زدن فراصوتی ذرات کروی ایجاد می‌کند که از طریق تراکم هیدرولیزی القاشده با کاتالیزور، معروف به روش «Unger»، به هیدروژل‌های سیلیکا تبدیل می‌شوند. تراکم هیدرولیزی از طریق گونه‌های سیلانول سطحی باعث ایجاد پیوندهای عرضی گسترده می‌شود. سپس کره‌های هیدروژل کلسینه می‌شوند تا زروژل تولید شود. اندازهٔ ذرات و اندازهٔ منافذ زروژل سیلیکای بسیار متخلخل (سل–ژل) تحت تأثیر مقدار pH، دما، کاتالیزور و حلال‌های مورداستفاده و همچنین غلظت سل سیلیکا قرار می‌گیرند.
ذرات غیرمتخلخل در مقایسه با ذرات متخلخل
ریزکره‌های سیلیکای غیرمتخلخل و متخلخل هر دو به‌عنوان فاز ساکن در ستون‌های HPLC استفاده می‌شوند. در ذرات کوچک غیرمتخلخل، جداسازی روی سطح ذره رخ می‌دهد و به‌دلیل کوتاه‌بودن مسیر نفوذ، پهن‌شدگی باند کاهش می‌یابد و در نتیجه انتقال جرم سریع‌تر انجام می‌شود. بااین‌حال، مساحت سطح کم به نتایج کم‌دقت‌تری منجر می‌شود، زیرا بازداری، زمان بازداری، گزینش‌پذیری و در نتیجه قدرت تفکیک محدود هستند. ظرفیت بارگذاری نیز عاملی تعیین‌کننده است. ریزکره‌های سیلیکای متخلخل، علاوه بر سطح ذره، سطح منافذ را نیز فراهم می‌کنند که سطح تماس بیشتری برای برهم‌کنش با آنالیت‌ها در اختیار می‌گذارد. برای اطمینان از انتقال جرم کافی طی جداسازی در فاز مایع، اندازهٔ منافذ باید بیش از ∼7nm باشد. برای جداسازی زیست‌مولکول‌های بزرگ، منافذی با اندازهٔ تا 100nm لازم است تا جداسازی کارآمد حاصل شود.
منابع علمی / مراجع
- Czaplicki, Sylwester (2013): کروماتوگرافی در تجزیه و تحلیل زیست فعالی ترکیبات. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- هیز، ریچارد؛ احمدا، ادهم؛ لبه، تونی؛ ژانگ ، هایفی (2014): ذرات هسته پوسته: آماده سازی ، اصول و کاربردها در کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا. J. کروماتوگر. A 1357 ، 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): سنتز و شناسایی نانو سولفات زیرکونیا بسیار مؤثر بر روی سیلیس: کاتالیزور هسته-پوسته به روش پرتودهی فراصوت. مجله شیمی آمریکا 3(4)، 2013. 96-104