Ultrasone deeltjesmodificatie voor HPLC-kolommen
De uitdagingen in HPLC zijn een snelle en efficiënte scheiding voor een breed scala aan monsters. Sonicatie maakt het mogelijk om nanodeeltjes te modificeren en te functionaliseren, bijvoorbeeld silica of zirkonia microsferen. Ultrasoon is een zeer succesvolle techniek om core-shell silica deeltjes te synthetiseren, met name voor HPLC-kolommen.
Ultrasone modificatie van silicadeeltjes
Deeltjesstructuur, deeltjesgrootte, poriegrootte en pompdruk zijn de belangrijkste parameters die de HPLC-analyse beïnvloeden.
De meeste HPLC-systemen werken met de actieve stationaire fase aan de buitenkant van kleine bolvormige silica deeltjes. De deeltjes zijn zeer kleine bolletjes in het micro- en nanobereik. De deeltjesgrootte van de bolletjes varieert, maar een deeltjesgrootte van ongeveer 5 µm is het meest gebruikelijk. Kleinere deeltjes zorgen voor een groter oppervlak en een betere scheiding, maar de druk die nodig is voor een optimale lineaire snelheid neemt toe met het omgekeerde van de deeltjesdiameter in het kwadraat. Dit betekent dat bij gebruik van deeltjes met de helft van de grootte en bij dezelfde kolomgrootte, de prestaties verdubbelen, maar tegelijkertijd de vereiste druk verviervoudigen.
Krachtige ultrasoontechniek is een bekend en bewezen hulpmiddel voor de modificatie/functionalisering en dispersie van micro- en nanopartikels zoals silica. Vanwege de uniforme en zeer betrouwbare resultaten bij het verwerken van deeltjes, is sonificatie de methode bij uitstek om gefunctionaliseerde deeltjes te produceren (bijv. core-shell deeltjes). Krachtig ultrageluid creëert trillingen, cavitatie en induceert energie voor sonochemische reacties. Daardoor worden krachtige ultrasone apparaten met succes gebruikt voor de behandeling van deeltjes, waaronder functionalisatie / modificatie, Grootte Vermindering & dispersie en voor nanodeeltjes synthese (bijv. solgelroutes).
Voordelen van ultrasone deeltjesmodificatie/functionalisering
- eenvoudige controle over de deeltjesgrootte en modificatie
- volledige controle over de procesparameters
- lineaire schaalbaarheid
- toepasbaar van zeer kleine tot zeer grote volumes
- veilig, gebruiks- & milieuvriendelijk
Sonde-type sonicator UP400St dispergeren en functionaliseren van silicanopartikels
Ultrasone bereiding van Core-Shell silicadeeltjes
Core-shell silicadeeltjes (vaste kern met poreus omhulsel of oppervlakkig poreus) worden steeds vaker gebruikt voor een zeer efficiënte scheiding met snelle stroomsnelheid en relatief lage tegendruk. De voordelen liggen in de vaste kern en het poreuze omhulsel: Het volledige core-shell deeltje vormt een groter deeltje en maakt het mogelijk om de HPLC bij een lagere tegendruk uit te voeren, terwijl de poreuze schil en de kleine vaste kern zelf zorgen voor een groter oppervlak voor het scheidingsproces. Het voordeel van het gebruik van core-shell deeltjes als verpakkingsmateriaal voor HPLC-kolommen is dat het kleinere poriënvolume het volume vermindert dat aanwezig is voor verbreding door longitudinale diffusie. De deeltjesgrootte en de dikte van de poreuze schil hebben een directe invloed op de scheidingsparameters. (vgl. Hayes et al. 2014)
De meest gebruikte verpakkingsmaterialen voor verpakte HPLC-kolommen zijn conventionele silica microsferen. De core-shell partikels die voor chromatografie worden gebruikt, zijn meestal ook gemaakt van silica, maar met een vaste kern en een poreus omhulsel. Core-shell silica deeltjes zoals gebruikt voor chromatografische toepassingen zijn ook bekend als fused-core, solid core of oppervlakkig poreuze deeltjes.
silicagel kunnen worden gesynthetiseerd via de sonochemische sol-gelroute. Silicagels zijn de meest gebruikte dunne lagen voor de scheiding van actieve stoffen via dunnelaagchromatografie (TLC).
Klik hier voor meer informatie over de sonochemische route voor solgelprocessen!
The ultrasonic synthesis (sono-synthesis) can be readily applied to the synthesis of other silica-supported metals or metal oxides, such as TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 and many others, and is used not only for silica modification for chromatographic cartridges, but also for various industrial catalytic reactions.
Lees meer over sonicators voor nanodeeltjesfunctionalisering voor HPLC-kolommen
Ultrasone dispersie van nanodeeltjes
Een fijne dispersie en deagglomeratie van de deeltjes is bijzonder belangrijk om de volledige prestatie van het materiaal te verkrijgen. Daarom worden voor een scheiding met hoge prestaties monodisperse silicadeeltjes met kleinere diameters gebruikt als pakkingdeeltjes. Het is bewezen dat sonificatie effectiever is bij het dispergeren van silica dan andere mengmethoden met hoge schuifspanning.
De onderstaande grafiek toont het resultaat van ultrasoon dispergeren van pyrogeen kiezelzuur in water. De metingen zijn uitgevoerd met een Malvern Mastersizer 2000.
Voor en na sonicatie: De groene curve toont de deeltjesgrootte vóór sonicatie, de rode curve is de deeltjesgrootteverdeling van ultrasoon gedispergeerd silica.
Klik hier om meer te lezen over ultrasoon dispergeren van Silica (SiO2)!
Poederverdichting met Sonicatie
Poederdichtheid in HPLC-kolommen is essentieel voor het bereiken van een hoge scheidingsefficiëntie, stabiele kolomprestaties, consistente stroomkarakteristieken, nauwkeurige retentietijden, verbeterde resolutie en een langere levensduur van de kolom. Het garanderen van de juiste en uniforme verpakkingsdichtheid is van fundamenteel belang voor een betrouwbare en effectieve werking van HPLC-systemen. Ultrasoon compacteren van poeder kan helpen om HPLC-kolommen en -patronen efficiënt te vullen met een optimale poederdichtheid.
Meer informatie over ultrasoon poederpersen!
Industriële sonicators voor de snelle dispersie van nanodeeltjes
Wetenswaardigheden
Wat is hogedrukvloeistofchromatografie (HPLC)?
Chromatografie kan worden beschreven als een massatransferproces met adsorptie. Hogeprestatievloeistofchromatografie (vroeger ook hogedrukvloeistofchromatografie genoemd) is een analysetechniek waarmee elke component van een mengsel kan worden gescheiden, geïdentificeerd en gekwantificeerd. Als alternatief wordt chromatografie op voorbereidende schaal gebruikt voor de zuivering van grote partijen materiaal op productieschaal. Typische analyten zijn organische moleculen, biomoleculen, ionen en polymeren.
Het principe van HPLC-scheiding berust op een mobiele fase (water, organische oplosmiddelen, etc.) die door een stationaire fase (silica deeltjespakketten, monolieten, etc.) in een kolom wordt geleid. Dit betekent dat een vloeibaar oplosmiddel onder druk, dat de opgeloste verbindingen bevat (monsteroplossing), door een kolom wordt gepompt die gevuld is met een vast adsorptiemateriaal (bijv. gemodificeerde silica deeltjes). Aangezien elke component in het monster een iets andere wisselwerking heeft met het adsorptiemateriaal, variëren de stroomsnelheden voor de verschillende componenten, waardoor de componenten worden gescheiden terwijl ze uit de kolom stromen. Samenstelling en temperatuur van de mobiele fase zijn zeer belangrijke parameters voor het scheidingsproces die de interacties tussen monstercomponenten en adsorbens beïnvloeden. De scheiding is gebaseerd op de partitie van de verbindingen naar stationaire en mobiele fase.
De analyseresultaten van HPLC worden gevisualiseerd als een chromatogram. Een chromatogram is een tweedimensionaal diagram waarbij de ordinaat (y-as) de concentratie weergeeft in termen van de respons van de detector en de abscis (x-as) de tijd weergeeft.
Silicadeeltjes voor verpakte patronen
Silicadeeltjes voor chromatografische toepassingen zijn gebaseerd op synthetische silicapolymeren. Meestal worden ze gemaakt van tetraethoxysilaan dat gedeeltelijk wordt gehydrolyseerd tot polyethoxysiloxanen om een viskeuze vloeistof te vormen die kan worden geëmulgeerd in een watermengsel van ethanol onder voortdurende ultrasone trillingen. De ultrasone agitatie creëert bolvormige deeltjes die worden omgezet in silicahydrogels door middel van een katalytisch geïnduceerde hydrolytische condensatie (bekend als de 'Unger'-methode). De hydrolytische condensatie veroorzaakt uitgebreide crosslinking via de silanolsoorten aan het oppervlak. Daarna worden de hydrogelbolletjes gecalcineerd om een xerogel te produceren. De deeltjesgrootte en poriegrootte van de zeer poreuze silica xerogel (sol-gel) worden beïnvloed door de pH-waarde, de temperatuur, de gebruikte katalysator en oplosmiddelen en de silicaatconcentratie.
Niet-poreuze vs. poreuze deeltjes
Zowel niet-poreuze als poreuze silica microsferen worden gebruikt als stationaire fase in HPLC-kolommen. Bij kleine niet-poreuze deeltjes vindt de scheiding plaats op het deeltjesoppervlak en wordt bandverbreding verlicht vanwege de korte diffusieweg, waardoor een snellere massaoverdracht optreedt. Het lage oppervlak resulteert echter in meer onnauwkeurige resultaten, aangezien retentie, retentietijd, selectiviteit en dus resolutie beperkt zijn. De laadcapaciteit is ook een kritieke factor. Poreuze silica microsferen bieden naast het deeltjesoppervlak ook het poriënoppervlak, dat meer contactoppervlak biedt voor interactie met analyten. Om voldoende massatransport te garanderen tijdens de scheiding van vloeistoffasen, moeten de poriën groter zijn dan ∼7nm. Voor de scheiding van grote biomoleculen zijn poriën tot 100 nm nodig om een efficiënte scheiding te verkrijgen.
Literatuur/referenties
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatografie in bioactiviteitsanalyse van verbindingen. In: Kolomchromatografie, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Core-shell deeltjes: Preparation, fundamentals and applications in high performance liquid chromatography. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36-52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synthese en karakterisering van zeer effectieve Nano gesulfateerd Zirconia over Silica: Core-Shell katalysator door middel van ultrasone bestraling. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96-104