Modifica delle particelle mediante ultrasuoni per colonne HPLC
Le sfide dell’HPLC consistono nell’ottenere una separazione rapida ed efficiente per un’ampia gamma di campioni. La sonicazione consente di modificare e funzionalizzare nanoparticelle, ad esempio microsfere di silice o zirconia. Il trattamento a ultrasuoni è una tecnica di grande efficacia per sintetizzare particelle di silice core–shell, in particolare per le colonne HPLC.
Modifica delle particelle di silice mediante ultrasuoni
La struttura e le dimensioni delle particelle, insieme alle dimensioni dei pori e alla pressione della pompa, sono i parametri più importanti che influenzano l’analisi HPLC.
La maggior parte dei sistemi HPLC opera con la fase stazionaria attiva legata alla superficie esterna di piccole particelle sferiche di silice. Le particelle sono sfere molto piccole, con dimensioni nell’ordine dei micrometri e dei nanometri. Le dimensioni delle sfere variano, ma la dimensione più comune delle particelle è di circa 5µm. Le particelle più piccole offrono una superficie maggiore e una separazione migliore, ma la pressione necessaria per ottenere una velocità lineare ottimale aumenta in proporzione all’inverso del quadrato del diametro delle particelle. Ciò significa che utilizzare particelle di dimensioni dimezzate, mantenendo le stesse dimensioni della colonna, raddoppia le prestazioni, ma al tempo stesso quadruplica la pressione necessaria.
Gli ultrasuoni di potenza sono uno strumento ben noto e collaudato per la modifica / funzionalizzazione e la dispersione di micro- e nanoparticelle, come quelle di silice. Grazie ai risultati uniformi e altamente affidabili nel trattamento delle particelle, la sonicazione è il metodo preferito per produrre particelle funzionalizzate (ad esempio particelle core–shell). Gli ultrasuoni di potenza generano vibrazioni e cavitazione e forniscono energia per le reazioni sonochimiche. Pertanto, i sonicatori ad alta potenza vengono utilizzati con successo per trattamenti delle particelle che comprendono funzionalizzazione / modifica, riduzione delle dimensioni e dispersione nonché per la sintesi di nanoparticelle (ad esempio processi sol-gel).
Vantaggi della modifica / funzionalizzazione delle particelle mediante ultrasuoni
- facile controllo delle dimensioni e della modifica delle particelle
- controllo completo dei parametri di processo
- scalabilità lineare
- applicabile a volumi da molto piccoli a molto grandi
- sicura, facile da usare e rispettosa dell’ambiente
Sonicatore a sonda UP400ST che disperde e funzionalizza nanoparticelle di silice
Preparazione di particelle di silice core–shell mediante ultrasuoni
Particelle di silice core–shell (con nucleo solido e guscio poroso oppure superficialmente porose) sono sempre più utilizzate per una separazione altamente efficiente con portata elevata e contropressione relativamente bassa. I vantaggi risiedono nel nucleo solido e nel guscio poroso: la particella core–shell nel suo complesso costituisce una particella più grande e consente di utilizzare l’HPLC a una contropressione inferiore, mentre il guscio poroso e il piccolo nucleo solido stesso forniscono una superficie maggiore per il processo di separazione. Il vantaggio dell’utilizzo di particelle core–shell come materiale di impaccamento per le colonne HPLC è che il minore volume dei pori riduce il volume disponibile per l’allargamento dovuto alla diffusione longitudinale. Le dimensioni delle particelle e lo spessore del guscio poroso influenzano direttamente i parametri di separazione. (cfr. Hayes et al. 2014)
I materiali di impaccamento più frequentemente utilizzati per le colonne HPLC impaccate sono le microsfere di silice convenzionali. Anche le particelle core–shell utilizzate per la cromatografia sono generalmente costituite da silice, ma con un nucleo solido e un guscio poroso. Le particelle di silice core–shell utilizzate nelle applicazioni cromatografiche sono note anche come particelle fused-core, a nucleo solido o superficialmente porose.
Gel di silice possono essere sintetizzati mediante un processo sol-gel sonochimico. I gel di silice sono lo strato sottile più frequentemente utilizzato per la separazione di sostanze attive mediante cromatografia su strato sottile (TLC).
Fai clic qui per saperne di più sul percorso sonochimico per i processi sol-gel!
La sintesi a ultrasuoni (sonosintesi) può essere facilmente applicata alla sintesi di altri metalli o ossidi metallici supportati su silice, come TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 e molti altri, ed è utilizzata non solo per la modifica della silice destinata alle cartucce cromatografiche, ma anche per varie reazioni catalitiche industriali.
Scopri di più sui sonicatori per la funzionalizzazione delle nanoparticelle per colonne HPLC
Dispersione di nanoparticelle mediante ultrasuoni
La dispersione in particelle di piccole dimensioni e la deagglomerazione sono particolarmente importanti per ottenere le massime prestazioni del materiale. Pertanto, per una separazione ad alte prestazioni si utilizzano particelle di silice monodisperse con diametri più piccoli come particelle di impaccamento. La sonicazione si è dimostrata più efficace nella dispersione della silice rispetto ad altri metodi di miscelazione ad alto taglio.
Il grafico seguente mostra il risultato della dispersione di silice pirogenica in acqua mediante ultrasuoni. Le misurazioni sono state ottenute utilizzando un Malvern Mastersizer 2000.
Prima e dopo la sonicazione: la curva verde mostra le dimensioni delle particelle prima della sonicazione, mentre la curva rossa rappresenta la distribuzione granulometrica della silice dispersa mediante ultrasuoni.
Fai clic qui per saperne di più sulla dispersione della silice (SiO2) mediante ultrasuoni!
Compattazione delle polveri mediante sonicazione
La densità della polvere nelle colonne HPLC è essenziale per ottenere un’elevata efficienza di separazione, prestazioni stabili della colonna, caratteristiche di flusso costanti, tempi di ritenzione accurati, una migliore risoluzione e una maggiore durata della colonna. Garantire una densità di impaccamento adeguata e uniforme è fondamentale per il funzionamento affidabile ed efficace dei sistemi HPLC. La compattazione delle polveri mediante ultrasuoni può contribuire a riempire in modo efficiente colonne e cartucce HPLC con una densità della polvere ottimale.
Scopri di più sulla compattazione delle polveri mediante ultrasuoni!
Sonicatori industriali per la dispersione di nanoparticelle con elevata capacità di trattamento
Informazioni utili
Che cos’è la cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC)?
La cromatografia può essere descritta come un processo di trasferimento di massa che coinvolge l’adsorbimento. La cromatografia liquida ad alte prestazioni (in passato nota anche come cromatografia liquida ad alta pressione) è una tecnica analitica che consente di separare, identificare e quantificare ogni componente di una miscela. In alternativa, la cromatografia su scala preparativa viene utilizzata per la purificazione di grandi lotti di materiale su scala produttiva. Gli analiti tipici sono molecole organiche, biomolecole, ioni e polimeri.
Il principio della separazione HPLC si basa sul passaggio di una fase mobile (acqua, solventi organici, ecc.) attraverso una fase stazionaria (impaccamenti di particelle di silice, monoliti, ecc.) all’interno di una colonna. Ciò significa che un solvente liquido sotto pressione, contenente i composti disciolti (soluzione del campione), viene pompato attraverso una colonna riempita con un materiale adsorbente solido (ad esempio particelle di silice modificate). Poiché ogni componente del campione interagisce in modo leggermente diverso con il materiale adsorbente, le portate dei diversi componenti variano, determinandone così la separazione all’uscita dalla colonna. La composizione e la temperatura della fase mobile sono parametri molto importanti per il processo di separazione, poiché influenzano le interazioni tra i componenti del campione e l’adsorbente. La separazione si basa sulla ripartizione dei composti tra la fase stazionaria e la fase mobile.
I risultati dell’analisi HPLC vengono visualizzati sotto forma di cromatogramma. Un cromatogramma è un diagramma bidimensionale in cui l’ordinata (asse y) indica la concentrazione in termini di risposta del rivelatore e l’ascissa (asse x) rappresenta il tempo.
Particelle di silice per cartucce impaccate
Le particelle di silice per applicazioni cromatografiche sono basate su polimeri sintetici di silice. Per lo più sono ottenute da tetraetossisilano, che viene parzialmente idrolizzato a polietossisilossani per formare un liquido viscoso emulsionabile in una miscela di etanolo e acqua sotto sonicazione continua. L’agitazione a ultrasuoni genera particelle sferiche, che vengono trasformate in idrogel di silice mediante una condensazione idrolitica indotta cataliticamente (nota come metodo ‘Unger’). La condensazione idrolitica determina un’estesa reticolazione attraverso le specie silanoliche superficiali. Successivamente, le sfere di idrogel vengono calcinate per produrre uno xerogel. Le dimensioni delle particelle e dei pori dello xerogel di silice altamente poroso (sol-gel) sono influenzate dal valore del pH, dalla temperatura, dal catalizzatore e dai solventi utilizzati, nonché dalla concentrazione del sol di silice.
Particelle non porose e porose a confronto
Sia le microsfere di silice non porose sia quelle porose vengono utilizzate come fase stazionaria nelle colonne HPLC. Per le piccole particelle non porose, la separazione avviene sulla superficie delle particelle e l’allargamento delle bande è attenuato dal breve percorso di diffusione, con un conseguente trasferimento di massa più rapido. Tuttavia, la superficie ridotta comporta risultati meno precisi, poiché la ritenzione, il tempo di ritenzione, la selettività e quindi la risoluzione sono limitati. Anche la capacità di carico è un fattore critico. Oltre alla superficie delle particelle, le microsfere di silice porose offrono anche la superficie dei pori, che fornisce una maggiore area di contatto per l’interazione con gli analiti. Per garantire un trasporto di massa sufficiente durante la separazione in fase liquida, le dimensioni dei pori devono essere superiori a ∼7nm. Per separare biomolecole di grandi dimensioni, sono necessari pori con dimensioni fino a 100nm per ottenere una separazione efficiente.
Bibliografia/Riferimenti
- Czaplicki, Sylwester (2013): La cromatografia nell’analisi della bioattività dei composti. 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): Sintesi e caratterizzazione di zirconia nano-solfatata altamente efficace su silice: Catalizzatore Core-Shell mediante irraggiamento ultrasonico. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104