Hiukkasten ultraäänimuokkaus HPLC-kolonneja varten
HPLC:n haasteena on monenlaisten näytteiden nopea ja tehokas erotus. Ultraäänikäsittely mahdollistaa nanohiukkasten, esimerkiksi silika- tai zirkoniumdioksidimikropallojen, muokkauksen ja funktionalisoinnin. Ultraäänikäsittely on erittäin toimiva tekniikka ydin–kuorirakenteisten silikahiukkasten syntetisointiin erityisesti HPLC-kolonneja varten.
Silikahiukkasten ultraäänimuokkaus
Hiukkasten rakenne ja hiukkaskoko sekä huokoskoko ja pumpun paine ovat tärkeimmät HPLC-analyysiin vaikuttavat parametrit.
Useimmissa HPLC-järjestelmissä aktiivinen stationäärifaasi on kiinnittynyt pienten pallomaisten silikahiukkasten ulkopintaan. Hiukkaset ovat hyvin pieniä mikro- ja nanokokoluokan helmiä. Helmien hiukkaskoot vaihtelevat, mutta noin 5µm:n hiukkaskoko on yleisin. Pienemmät hiukkaset tarjoavat suuremman pinta-alan ja paremman erotuksen, mutta optimaaliseen lineaariseen nopeuteen tarvittava paine kasvaa kääntäen verrannollisesti hiukkasen halkaisijan neliöön. Tämä tarkoittaa, että hiukkaskoon puolittaminen kolonnin koon pysyessä samana kaksinkertaistaa suorituskyvyn, mutta samalla tarvittava paine nelinkertaistuu.
Tehoultraääni on tunnettu ja hyväksi todettu menetelmä mikro- ja nanohiukkasten, kuten silikan, muokkaukseen / funktionalisointiin ja dispergointiin. Hiukkasten käsittelyssä saavutettavien tasalaatuisten ja erittäin luotettavien tulosten ansiosta ultraäänikäsittely on ensisijainen menetelmä funktionalisoitujen hiukkasten, esimerkiksi ydin–kuorirakenteisten hiukkasten, valmistukseen. Tehoultraääni synnyttää värähtelyä ja kavitaatiota sekä tuo energiaa sonokemiallisiin reaktioihin. Näin ollen suuritehoisia ultraäänilaitteita käytetään menestyksekkäästi hiukkasten käsittelyihin, kuten funktionalisointiin / muokkaukseen, koon pienentämiseen ja dispergointiin sekä nanohiukkasten synteesiin (esim. sooli-geelimenetelmiin).
Hiukkasten ultraäänimuokkauksen / funktionalisoinnin edut
- hiukkaskoon ja muokkauksen helppo hallinta
- prosessiparametrien täydellinen hallinta
- lineaarinen skaalattavuus
- soveltuu hyvin pienistä erittäin suuriin tilavuuksiin
- turvallinen, käyttäjä- ja ympäristöystävällinen
Anturityyppinen ultraäänilaite UP400ST dispergoi ja funktionalisoi silikananohiukkasia
Ydin–kuorirakenteisten silikahiukkasten valmistus ultraäänellä
Ydin–kuorirakenteiset silikahiukkaset (kiinteä ydin ja huokoinen kuori eli pinnallisesti huokoiset hiukkaset) ovat yleistyneet erittäin tehokkaassa erotuksessa, jossa tilavuusvirta on suuri ja vastapaine suhteellisen alhainen. Niiden edut perustuvat kiinteään ytimeen ja huokoiseen kuoreen: koko ydin–kuorirakenne muodostaa suuremman hiukkasen ja mahdollistaa HPLC:n käytön alhaisemmalla vastapaineella, kun taas huokoinen kuori ja pieni kiinteä ydin itsessään tarjoavat suuremman pinta-alan erotusprosessiin. Ydin–kuorirakenteisten hiukkasten käytön etuna HPLC-kolonnien pakkausmateriaalina on se, että pienempi huokostilavuus vähentää pitkittäisdiffuusiosta johtuvaan levenemiseen käytettävissä olevaa tilavuutta. Hiukkaskoko ja huokoisen kuoren paksuus vaikuttavat suoraan erotusparametreihin. (vrt. Hayes ym. 2014)
Pakattujen HPLC-kolonnien yleisimmin käytetyt pakkausmateriaalit ovat tavanomaisia silikamikropalloja. Kromatografiassa käytetyt ydin–kuorirakenteiset hiukkaset valmistetaan yleensä myös silikasta, mutta niissä on kiinteä ydin ja huokoinen kuori. Kromatografisissa sovelluksissa käytetyt ydin–kuorirakenteiset silikahiukkaset tunnetaan myös sulatetun ytimen hiukkasina, kiinteäytimisinä hiukkasina tai pinnallisesti huokoisina hiukkasina.
Silikageelejä voidaan syntetisoida sonokemiallisella sooli-geelimenetelmällä. Silikageelit ovat yleisimmin käytetty ohutkerros aktiivisten aineiden erotuksessa ohutkerroskromatografialla (TLC).
Lue lisää sooli-geeliprosessien sonokemiallisesta menetelmästä napsauttamalla tästä!
Ultraäänisynteesiä (sonosynteesiä) voidaan helposti soveltaa muiden silikalla tuettujen metallien tai metallioksidien, kuten TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 ja monien muiden, synteesiin. Sitä käytetään paitsi silikan muokkaukseen kromatografisia patruunoita varten myös erilaisiin teollisiin katalyyttisiin reaktioihin.
Lue lisää ultraäänilaitteista nanohiukkasten funktionalisointiin HPLC-kolonneja varten
Nanohiukkasten ultraäänidispergointi
Hiukkasten hienojakoinen dispergointi ja agglomeraattien hajottaminen ovat erityisen tärkeitä materiaalin täyden suorituskyvyn saavuttamiseksi. Siksi tehokkaassa erotuksessa pakkaushiukkasina käytetään halkaisijaltaan pienempiä monodisperssejä silikahiukkasia. Ultraäänikäsittely on osoittautunut silikan dispergoinnissa tehokkaammaksi kuin muut suuria leikkausvoimia käyttävät sekoitusmenetelmät.
Alla oleva kuvaaja esittää tuloksen pyrogeenisen silikan ultraäänidispergoinnista veteen. Mittaukset tehtiin Malvern Mastersizer 2000 -laitteella.
Ennen ultraäänikäsittelyä ja sen jälkeen: vihreä käyrä näyttää hiukkaskoon ennen ultraäänikäsittelyä, ja punainen käyrä kuvaa ultraäänellä dispergoidun silikan hiukkaskokojakaumaa.
Lue lisää silikan (SiO2) ultraäänidispergoinnista napsauttamalla tästä!
Jauheen tiivistäminen ultraäänikäsittelyllä
HPLC-kolonnien jauhetiheys on olennainen tekijä korkean erotustehokkuuden, vakaan kolonnin suorituskyvyn, yhdenmukaisten virtausominaisuuksien, tarkkojen retentioaikojen, paremman erotuskyvyn ja kolonnin pidemmän käyttöiän saavuttamisessa. Sopivan ja tasaisen pakkaustiheyden varmistaminen on HPLC-järjestelmien luotettavan ja tehokkaan toiminnan perusta. Jauheen ultraäänitiivistäminen voi auttaa täyttämään HPLC-kolonnit ja -patruunat tehokkaasti optimaalisella jauhetiheydellä.
Lue lisää jauheen ultraäänitiivistämisestä!
Teolliset ultraäänilaitteet nanohiukkasten dispergointiin suurella käsittelykapasiteetilla
Hyödyllistä tietoa
Mitä on korkean erotuskyvyn nestekromatografia (HPLC)?
Kromatografiaa voidaan kuvata aineensiirtoprosessiksi, johon liittyy adsorptiota. Korkean erotuskyvyn nestekromatografia (aiemmin myös korkeapainenestekromatografia) on analyysitekniikka, jolla seoksen jokainen komponentti voidaan erottaa, tunnistaa ja määrittää määrällisesti. Vaihtoehtoisesti preparatiivisen mittakaavan kromatografiaa käytetään suurten materiaalierien puhdistamiseen tuotantomittakaavassa. Tyypillisiä analyyttejä ovat orgaaniset molekyylit, biomolekyylit, ionit ja polymeerit.
HPLC-erotuksen periaate perustuu liikkuvan faasin (vesi, orgaaniset liuottimet jne.) johtamiseen kolonnissa olevan stationäärifaasin (silikahiukkasista koostuvat pakkaukset, monoliitit jne.) läpi. Tämä tarkoittaa, että paineistettu nestemäinen liuotin, joka sisältää liuenneet yhdisteet (näyteliuos), pumpataan kiinteällä adsorbenttimateriaalilla (esim. muokatuilla silikahiukkasilla) täytetyn kolonnin läpi. Koska näytteen jokainen komponentti vuorovaikuttaa adsorbenttimateriaalin kanssa hieman eri tavalla, eri komponenttien tilavuusvirrat vaihtelevat, mikä johtaa komponenttien erottumiseen niiden virratessa ulos kolonnista. Liikkuvan faasin koostumus ja lämpötila ovat erotusprosessin kannalta erittäin tärkeitä parametreja, jotka vaikuttavat näytekomponenttien ja adsorbentin välisiin vuorovaikutuksiin. Erotus perustuu yhdisteiden jakautumiseen stationäärifaasin ja liikkuvan faasin välillä.
HPLC-analyysin tulokset esitetään kromatogrammina. Kromatogrammi on kaksiulotteinen kuvaaja, jossa ordinaatta (y-akseli) esittää pitoisuuden detektorivasteena ja abskissa (x-akseli) esittää ajan.
Silikahiukkaset pakattuja patruunoita varten
Kromatografisissa sovelluksissa käytettävät silikahiukkaset perustuvat synteettisiin silikapolymeereihin. Ne valmistetaan useimmiten tetraetoksisilaanista, joka hydrolysoidaan osittain polyetoksisiloksaaneiksi viskoosin nesteen muodostamiseksi. Tämä neste voidaan emulgoida etanolin ja veden seokseen jatkuvassa ultraäänikäsittelyssä. Ultraäänisekoitus muodostaa pallomaisia hiukkasia, jotka muunnetaan silikahydrogeeleiksi katalyyttisesti käynnistetyn hydrolyyttisen kondensaation avulla (tunnetaan Ungerin menetelmänä). Hydrolyyttinen kondensaatio aiheuttaa laajamittaista ristisilloittumista pinnan silanoliryhmien välityksellä. Tämän jälkeen hydrogeelipallot kalsinoidaan kserogeelin valmistamiseksi. Erittäin huokoisen silikakserogeelin (sooli-geeli) hiukkaskokoon ja huokoskokoon vaikuttavat pH-arvo, lämpötila, käytetty katalyytti ja liuottimet sekä silikasoolin pitoisuus.
Huokosettomat ja huokoiset hiukkaset
Sekä huokosettomia että huokoisia silikamikropalloja käytetään HPLC-kolonnien stationäärifaasina. Pienillä huokosettomilla hiukkasilla erotus tapahtuu hiukkasen pinnalla, ja vyöhykkeiden leveneminen vähenee lyhyen diffuusiomatkan ansiosta, jolloin aineensiirto nopeutuu. Pieni pinta-ala johtaa kuitenkin epätarkempiin tuloksiin, sillä retentio, retentioaika, selektiivisyys ja siten erotuskyky ovat rajallisia. Myös kuormituskapasiteetti on kriittinen tekijä. Huokoiset silikamikropallot tarjoavat hiukkasen pinnan lisäksi huokosten pinnan, joka antaa enemmän kosketuspinta-alaa vuorovaikutukseen analyyttien kanssa. Riittävän aineensiirron varmistamiseksi nestefaasierotuksessa huokoskoon on oltava suurempi kuin ∼7nm. Suurten biomolekyylien tehokkaaseen erotukseen tarvitaan huokoskokoja aina 100nm:iin asti.
Kirjallisuus/viitteet
- Czaplicki, Sylwester (2013): Kromatografia yhdisteiden bioaktiivisuuden analyysissä. Teoksessa: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (toim.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Ydin–kuorirakenteiset hiukkaset: valmistus, perusteet ja sovellukset korkean erotuskyvyn nestekromatografiassa. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Silikalla tuetun erittäin tehokkaan sulfatoidun nanozirkoniumdioksidin synteesi ja karakterisointi: ydin–kuorirakenteinen katalyytti ultraäänisäteilytyksellä. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104