Modification de particules par ultrasons pour les colonnes HPLC
Les enjeux de la HPLC sont d’obtenir une séparation rapide et efficace pour une large gamme d’échantillons. La sonication permet de modifier et de fonctionnaliser des nanoparticules, par exemple des microsphères de silice ou de zircone. Le traitement par ultrasons est une technique très efficace pour synthétiser des particules de silice cœur–coquille, notamment pour les colonnes HPLC.
Modification de particules de silice par ultrasons
La structure et la taille des particules, ainsi que la taille des pores et la pression de la pompe, sont les paramètres les plus importants qui influencent l’analyse HPLC.
La plupart des systèmes HPLC fonctionnent avec une phase stationnaire active fixée à la surface externe de petites particules sphériques de silice. Ces particules sont de très petites billes de taille micrométrique et nanométrique. La taille des billes varie, mais une taille de particule d’environ 5µm est la plus courante. Des particules plus petites offrent une surface plus grande et une meilleure séparation, mais la pression nécessaire pour obtenir une vitesse linéaire optimale augmente proportionnellement à l’inverse du carré du diamètre des particules. Cela signifie que l’utilisation de particules deux fois plus petites, pour une colonne de mêmes dimensions, double les performances, mais quadruple en même temps la pression nécessaire.
Les ultrasons de puissance constituent un outil bien connu et éprouvé pour la modification / fonctionnalisation et la dispersion de microparticules et de nanoparticules telles que la silice. Grâce à ses résultats uniformes et très fiables dans le traitement des particules, la sonication est la méthode privilégiée pour produire des particules fonctionnalisées, par exemple des particules cœur–coquille. Les ultrasons de puissance créent des vibrations et de la cavitation et apportent de l’énergie aux réactions sonochimiques. Ainsi, les sonicateurs de forte puissance sont utilisés avec succès pour des traitements de particules comprenant la fonctionnalisation / modification, réduction de taille et dispersion ainsi que pour la synthèse de nanoparticules (par exemple par des voies sol-gel).
Avantages de la modification / fonctionnalisation des particules par ultrasons
- contrôle facile de la taille et de la modification des particules
- maîtrise complète des paramètres du procédé
- mise à l’échelle linéaire
- applicable à des volumes allant de très petits à très grands
- sûr, facile à utiliser et respectueux de l’environnement
Sonicateur à sonde UP400ST dispersant et fonctionnalisant des nanoparticules de silice
Préparation de particules de silice cœur–coquille par ultrasons
Les particules de silice cœur–coquille (à cœur solide et coquille poreuse, ou superficiellement poreuses) sont de plus en plus utilisées pour obtenir une séparation très efficace avec un débit élevé et une contre-pression relativement faible. Leurs avantages résident dans leur cœur solide et leur coquille poreuse : la particule cœur–coquille complète constitue une particule plus grande et permet de faire fonctionner la HPLC à une contre-pression plus faible, tandis que la coquille poreuse et le petit cœur solide lui-même offrent une surface plus grande pour le processus de séparation. L’avantage de l’utilisation de particules cœur–coquille comme matériau de remplissage des colonnes HPLC est que le plus faible volume des pores réduit le volume contribuant à l’élargissement dû à la diffusion longitudinale. La taille des particules et l’épaisseur de la coquille poreuse influencent directement les paramètres de séparation. (cf. Hayes et al. 2014)
Les matériaux de remplissage les plus fréquemment utilisés pour les colonnes HPLC remplies sont les microsphères de silice conventionnelles. Les particules cœur–coquille utilisées en chromatographie sont généralement elles aussi constituées de silice, mais possèdent un cœur solide et une coquille poreuse. Les particules de silice cœur–coquille utilisées dans les applications chromatographiques sont également connues sous les noms de particules « fused-core », à cœur solide ou superficiellement poreuses.
Les gels de silice peuvent être synthétisés par une voie sol-gel sonochimique. Les gels de silice constituent la couche mince la plus fréquemment utilisée pour séparer des substances actives par chromatographie sur couche mince (TLC).
Cliquez ici pour en savoir plus sur la voie sonochimique des procédés sol-gel !
La synthèse par ultrasons (sono-synthèse) peut facilement être appliquée à la synthèse d’autres métaux ou oxydes métalliques supportés sur silice, tels que TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 et bien d’autres. Elle est utilisée pour la modification de la silice destinée aux cartouches chromatographiques, mais aussi pour diverses réactions catalytiques industrielles.
En savoir plus sur les sonicateurs pour la fonctionnalisation de nanoparticules destinées aux colonnes HPLC
Dispersion de nanoparticules par ultrasons
La dispersion fine et la désagglomération des particules sont particulièrement importantes pour exploiter pleinement les performances du matériau. Ainsi, pour obtenir une séparation haute performance, des particules de silice monodisperses de plus petit diamètre sont utilisées comme particules de remplissage. Il a été démontré que la sonication est plus efficace pour disperser la silice que d’autres méthodes de mélange à fort cisaillement.
Le graphique ci-dessous présente le résultat de la dispersion par ultrasons de silice pyrogénée dans l’eau. Les mesures ont été réalisées à l’aide d’un Malvern Mastersizer 2000.
Avant et après sonication : la courbe verte montre la taille des particules avant sonication ; la courbe rouge représente la distribution granulométrique de la silice dispersée par ultrasons.
Cliquez ici pour en savoir plus sur la dispersion de silice (SiO2) par ultrasons !
Compactage des poudres par sonication
La densité de la poudre dans les colonnes HPLC est essentielle pour obtenir une séparation très efficace, des performances stables de la colonne, des caractéristiques d’écoulement constantes, des temps de rétention précis, une meilleure résolution et une durée de vie prolongée de la colonne. Garantir une densité de remplissage appropriée et uniforme est fondamental pour le fonctionnement fiable et efficace des systèmes HPLC. Le compactage des poudres par ultrasons peut aider à remplir efficacement les colonnes et les cartouches HPLC avec une densité de poudre optimale.
En savoir plus sur le compactage des poudres par ultrasons !
Sonicateurs industriels pour la dispersion de nanoparticules à haute capacité de traitement
Informations utiles
Qu’est-ce que la chromatographie liquide haute performance (HPLC) ?
La chromatographie peut être décrite comme un processus de transfert de matière impliquant l’adsorption. La chromatographie liquide haute performance (autrefois également appelée chromatographie liquide haute pression) est une technique d’analyse permettant de séparer, d’identifier et de quantifier chaque composant d’un mélange. La chromatographie préparative est également utilisée pour purifier de grands lots de matière à l’échelle de la production. Les analytes typiques sont des molécules organiques, des biomolécules, des ions et des polymères.
Le principe de la séparation HPLC repose sur le passage d’une phase mobile (eau, solvants organiques, etc.) à travers une phase stationnaire (garnissages de particules de silice, monolithes, etc.) dans une colonne. Autrement dit, un solvant liquide sous pression contenant les composés dissous (solution d’échantillon) est pompé à travers une colonne remplie d’un matériau adsorbant solide, par exemple des particules de silice modifiées. Comme chaque composant de l’échantillon interagit de manière légèrement différente avec le matériau adsorbant, les débits des différents composants varient, ce qui entraîne leur séparation lorsqu’ils sortent de la colonne. La composition et la température de la phase mobile sont des paramètres très importants du processus de séparation, car elles influencent les interactions entre les composants de l’échantillon et l’adsorbant. La séparation repose sur la répartition des composés entre la phase stationnaire et la phase mobile.
Les résultats de l’analyse HPLC sont représentés sous la forme d’un chromatogramme. Un chromatogramme est un diagramme bidimensionnel dont l’ordonnée (axe y) indique la concentration sous la forme de la réponse du détecteur, tandis que l’abscisse (axe x) représente le temps.
Particules de silice pour les cartouches remplies
Les particules de silice destinées aux applications chromatographiques sont constituées de polymères synthétiques de silice. Elles sont principalement fabriquées à partir de tétraéthoxysilane, partiellement hydrolysé en polyéthoxysiloxanes afin de former un liquide visqueux pouvant être émulsionné dans un mélange éthanol-eau sous sonication continue. L’agitation ultrasonore crée des particules sphériques qui sont transformées en hydrogels de silice par une condensation hydrolytique induite catalytiquement, connue sous le nom de méthode « Unger ». La condensation hydrolytique provoque une réticulation importante par l’intermédiaire des espèces silanol de surface. Les sphères d’hydrogel sont ensuite calcinées pour produire un xérogel. La taille des particules et la taille des pores du xérogel de silice hautement poreux (sol-gel) sont influencées par le pH, la température, le catalyseur et les solvants utilisés, ainsi que par la concentration du sol de silice.
Particules non poreuses et particules poreuses
Les microsphères de silice non poreuses et poreuses sont toutes deux utilisées comme phase stationnaire dans les colonnes HPLC. Pour les petites particules non poreuses, la séparation se produit à la surface des particules et l’élargissement des bandes est réduit grâce au court trajet de diffusion, ce qui permet un transfert de matière plus rapide. Toutefois, la faible surface disponible entraîne des résultats moins précis, car la rétention, le temps de rétention, la sélectivité et, par conséquent, la résolution sont limités. La capacité de charge est également un facteur critique. Outre la surface des particules, les microsphères de silice poreuses offrent la surface des pores, ce qui augmente la surface de contact disponible pour interagir avec les analytes. Pour garantir un transfert de matière suffisant lors de la séparation en phase liquide, la taille des pores doit être supérieure à ∼7nm. Pour séparer de grandes biomolécules, des tailles de pores allant jusqu’à 100nm sont nécessaires afin d’obtenir une séparation efficace.
Bibliographie/Références
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatographie dans l’analyse de la bioactivité des composés. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard ; Ahmeda, Adham ; Edge, Tony ; Zhang, Haifei (2014) : Core-shell particles : Preparation, fundamentals and applications in high performance liquid chromatography. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36-52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synthèse et caractérisation de la nano zircone sulfatée très efficace sur la silice : Catalyseur Core-Shell par irradiation ultrasonique. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96-104