Ultrahangos részecskemódosítás HPLC-oszlopokhoz
A HPLC kihívása a minták széles körének gyors és hatékony elválasztása. Az ultrahangos kezelés lehetővé teszi nanorészecskék, például szilícium-dioxid- vagy cirkónium-dioxid-mikrogömbök módosítását és funkcionalizálását. Az ultrahangos kezelés igen sikeres technika mag–héj szerkezetű szilícium-dioxid-részecskék szintézisére, különösen HPLC-oszlopokhoz.
Szilícium-dioxid-részecskék ultrahangos módosítása
A részecskeszerkezet és a részecskeméret, valamint a pórusméret és a szivattyúnyomás a HPLC-elemzést befolyásoló legfontosabb paraméterek.
A legtöbb HPLC-rendszerben az aktív állófázis kis, gömb alakú szilícium-dioxid-részecskék külső felületéhez kapcsolódik. A részecskék igen apró, a mikro- és nanoméret-tartományba eső gyöngyök. A gyöngyök részecskemérete változó, de a leggyakoribb részecskeméret körülbelül 5µm. A kisebb részecskék nagyobb felületet és jobb elválasztást biztosítanak, de az optimális lineáris sebességhez szükséges nyomás a részecskeátmérő négyzetével fordítottan arányosan növekszik. Ez azt jelenti, hogy feleakkora részecskék használata azonos oszlopméret mellett megkétszerezi a teljesítményt, ugyanakkor a szükséges nyomás megnégyszereződik.
A nagy teljesítményű ultrahang jól ismert és bevált eszköz a mikro- és nanorészecskék, például a szilícium-dioxid módosítására / funkcionalizálására és diszpergálására. A részecskefeldolgozás során elért egyenletes és rendkívül megbízható eredményei miatt az ultrahangos kezelés a funkcionalizált részecskék (például mag–héj szerkezetű részecskék) előállításának előnyben részesített módszere. A nagy teljesítményű ultrahang rezgést és kavitációt hoz létre, valamint energiát juttat be a szonokémiai reakciókhoz. Ezáltal a nagy teljesítményű ultrahangos készülékeket sikeresen alkalmazzák részecskekezelésekhez, többek között funkcionalizáláshoz / módosításhoz, méretcsökkentéshez és diszpergáláshoz valamint nanorészecskék szintéziséhez (pl. szol–gél eljárásokkal).
Az ultrahangos részecskemódosítás / funkcionalizálás előnyei
- a részecskeméret és a módosítás egyszerű szabályozása
- a folyamatparaméterek teljes körű szabályozása
- lineáris méretnövelhetőség
- igen kis térfogatoktól igen nagy térfogatokig alkalmazható
- biztonságos, felhasználó- és környezetbarát
UP400ST szondás ultrahangos készülék szilícium-dioxid-nanorészecskék diszpergálása és funkcionalizálása közben
Mag–héj szerkezetű szilícium-dioxid-részecskék ultrahangos előállítása
A mag–héj szerkezetű szilícium-dioxid-részecskék (porózus héjú szilárd maggal rendelkező vagy felületileg porózus részecskék) egyre elterjedtebbek a nagy térfogatáram és viszonylag alacsony ellennyomás mellett végzett, rendkívül hatékony elválasztásban. Előnyeik a szilárd magban és a porózus héjban rejlenek: a teljes mag–héj szerkezetű részecske nagyobb részecskét alkot, és lehetővé teszi a HPLC alacsonyabb ellennyomás melletti működtetését, miközben a porózus héj és maga a kis szilárd mag nagyobb felületet biztosít az elválasztási folyamathoz. A mag–héj szerkezetű részecskék HPLC-oszlopok töltetanyagaként történő használatának előnye, hogy a kisebb pórustérfogat csökkenti a longitudinális diffúzió okozta sávszélesedéshez rendelkezésre álló térfogatot. A részecskeméret és a porózus héj vastagsága közvetlenül befolyásolja az elválasztási paramétereket. (vö. Hayes et al. 2014)
A töltött HPLC-oszlopok leggyakrabban használt töltetanyagai a hagyományos szilícium-dioxid-mikrogömbök. A kromatográfiában használt mag–héj szerkezetű részecskék általában szintén szilícium-dioxidból készülnek, de szilárd maggal és porózus héjjal rendelkeznek. A kromatográfiás alkalmazásokban használt mag–héj szerkezetű szilícium-dioxid-részecskék összeolvasztott magvú, szilárd magvú vagy felületileg porózus részecskékként is ismertek.
A szilikagélek szonokémiai szol–gél eljárással szintetizálhatók. A szilikagélek a vékonyréteg-kromatográfiával (TLC) végzett hatóanyag-elválasztás leggyakrabban használt vékonyrétegei.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a szol–gél folyamatok szonokémiai eljárásáról!
Az ultrahangos szintézis (szonoszintézis) könnyen alkalmazható más, szilícium-dioxid-hordozós fémek vagy fém-oxidok, például TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 és számos további anyag szintézisére, és nemcsak a kromatográfiás patronokhoz használt szilícium-dioxid módosítására, hanem különféle ipari katalitikus reakciókhoz is használják.
Tudjon meg többet a HPLC-oszlopokhoz használt nanorészecskék funkcionalizálására szolgáló ultrahangos készülékekről
Nanorészecskék ultrahangos diszpergálása
A részecskék finom diszpergálása és deagglomerálása különösen fontos az anyag teljes teljesítményének eléréséhez. Ezért a nagy teljesítményű elválasztáshoz kisebb átmérőjű, monodiszperz szilícium-dioxid-részecskéket használnak töltetrészecskékként. Az ultrahangos kezelés bizonyítottan hatékonyabb a szilícium-dioxid diszpergálásában, mint más, nagy nyíróhatású keverési módszerek.
Az alábbi diagram a pirogén szilícium-dioxid vízben történő ultrahangos diszpergálásának eredményét mutatja. A méréseket Malvern Mastersizer 2000 készülékkel végezték.
Ultrahangos kezelés előtt és után: a zöld görbe az ultrahangos kezelés előtti részecskeméretet mutatja, a piros görbe az ultrahanggal diszpergált szilícium-dioxid részecskeméret-eloszlását ábrázolja.
Kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a szilícium-dioxid (SiO2) ultrahangos diszpergálásáról!
Portömörítés ultrahangos kezeléssel
A HPLC-oszlopokban a por sűrűsége elengedhetetlen a nagy elválasztási hatékonyság, a stabil oszlopteljesítmény, az állandó áramlási jellemzők, a pontos retenciós idők, a jobb felbontás és az oszlop hosszabb élettartamának eléréséhez. A megfelelő és egyenletes töltetsűrűség biztosítása alapvető a HPLC-rendszerek megbízható és hatékony működéséhez. Az ultrahangos portömörítés segíthet a HPLC-oszlopok és -patronok hatékony, optimális porsűrűséget biztosító megtöltésében.
Tudjon meg többet az ultrahangos portömörítésről!
Ipari ultrahangos készülékek nanorészecskék nagy áteresztőképességű diszpergálásához
Hasznos tudnivalók
Mi a nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (HPLC)?
A kromatográfia adszorpcióval járó anyagátadási folyamatként írható le. A nagy teljesítményű folyadékkromatográfia (korábban nagynyomású folyadékkromatográfiaként is ismert) olyan analitikai technika, amellyel egy keverék minden összetevője elválasztható, azonosítható és mennyiségileg meghatározható. Alternatív megoldásként a preparatív kromatográfiát nagy anyagtételek termelési léptékű tisztítására használják. A jellemző vizsgálandó komponensek szerves molekulák, biomolekulák, ionok és polimerek.
A HPLC-elválasztás elve azon alapul, hogy egy mozgófázist (vizet, szerves oldószereket stb.) vezetnek át az oszlopban lévő állófázison (részecskés szilícium-dioxid-tölteteken, monolitokon stb.). Ez azt jelenti, hogy egy nyomás alatt álló, az oldott vegyületeket tartalmazó folyékony oldószert (mintaoldatot) szivattyúznak át egy szilárd adszorbensanyaggal (például módosított szilícium-dioxid-részecskékkel) töltött oszlopon. Mivel a minta egyes összetevői kissé eltérő módon lépnek kölcsönhatásba az adszorbensanyaggal, a különböző összetevők térfogatáramai eltérnek, ami az oszlopból való kiáramlásuk során az összetevők elválasztásához vezet. A mozgófázis összetétele és hőmérséklete az elválasztási folyamat igen fontos paraméterei, amelyek befolyásolják a minta összetevői és az adszorbens között létrejövő kölcsönhatásokat. Az elválasztás a vegyületek állófázis és mozgófázis közötti megoszlásán alapul.
A HPLC-elemzés eredményeit kromatogramként jelenítik meg. A kromatogram kétdimenziós diagram, amelynek ordinátája (y-tengelye) a koncentrációt a detektorválasz alapján adja meg, abszcisszája (x-tengelye) pedig az időt ábrázolja.
Szilícium-dioxid-részecskék töltött patronokhoz
A kromatográfiás alkalmazásokhoz használt szilícium-dioxid-részecskék szintetikus szilícium-dioxid-polimereken alapulnak. Többnyire tetraetoxi-szilánból készülnek, amelyet részlegesen polietoxi-sziloxánokká hidrolizálnak, hogy olyan viszkózus folyadékot képezzenek, amely folyamatos ultrahangos kezelés mellett etanol–víz elegyben emulgeálható. Az ultrahangos keverés gömb alakú részecskéket hoz létre, amelyek katalitikusan előidézett hidrolitikus kondenzációval (az úgynevezett „Unger”-módszerrel) szilícium-dioxid-hidrogélekké alakulnak. A hidrolitikus kondenzáció a felületi szilanolcsoportok révén kiterjedt térhálósodást okoz. Ezt követően a hidrogélgömböket kalcinálják, hogy xerogélt állítsanak elő. Az erősen porózus szilícium-dioxid-xerogél (szol–gél) részecskeméretét és pórusméretét a pH-érték, a hőmérséklet, az alkalmazott katalizátor és oldószerek, valamint a szilícium-dioxid-szol koncentrációja befolyásolja.
Nem porózus és porózus részecskék összehasonlítása
A HPLC-oszlopokban mind a nem porózus, mind a porózus szilícium-dioxid-mikrogömböket állófázisként használják. A kis, nem porózus részecskék esetében az elválasztás a részecske felületén történik, és a rövid diffúziós út miatt mérséklődik a sávszélesedés, ezáltal gyorsabb anyagátadás megy végbe. A kis felület azonban pontatlanabb eredményekhez vezet, mivel a retenció, a retenciós idő, a szelektivitás és így a felbontás is korlátozott. A terhelhetőség szintén kritikus tényező. A porózus szilícium-dioxid-mikrogömbök a részecskefelület mellett a pórusfelületet is biztosítják, amely nagyobb érintkezési felületet kínál a vizsgálandó komponensekkel való kölcsönhatáshoz. A folyadékfázisú elválasztás során megfelelő anyagtranszport biztosításához a pórusméretnek meg kell haladnia a ∼7nm-t. Nagy biomolekulák elválasztásához akár 100nm-es pórusméretek is szükségesek a hatékony elválasztás eléréséhez.
Szakirodalom/Hivatkozások
- Czaplicki, Sylwester (2013): Kromatográfia a vegyületek bioaktivitásának elemzésében. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (szerk.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Mag–héj szerkezetű részecskék: előállítás, alapelvek és alkalmazások a nagy teljesítményű folyadékkromatográfiában. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Szilícium-dioxid-hordozós, rendkívül hatékony, szulfatált cirkónium-dioxid-nanorészecskék szintézise és jellemzése: mag–héj szerkezetű katalizátor előállítása ultrahangos besugárzással. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104