Ultrasone deeltjesmodificatie voor HPLC-kolommen
De uitdagingen bij HPLC zijn een snelle en efficiënte scheiding voor een breed scala aan monsters. Sonicatie maakt het mogelijk nanodeeltjes, bijvoorbeeld microsferen van silica of zirkoniumdioxide, te modificeren en te functionaliseren. Ultrasone behandeling is een zeer succesvolle techniek om silicadeeltjes met een kern-schilstructuur te synthetiseren, met name voor HPLC-kolommen.
Ultrasone modificatie van silicadeeltjes
Deeltjesstructuur en deeltjesgrootte, evenals 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 silicadeeltjes. De deeltjes zijn zeer kleine bolletjes in het micro- en nanobereik. De grootte van de bolletjes varieert, maar een deeltjesgrootte van ca. 5µm komt het meest voor. Kleinere deeltjes bieden een groter oppervlak en een betere scheiding, maar de druk die nodig is voor een optimale lineaire snelheid neemt toe met de omgekeerde waarde van het kwadraat van de deeltjesdiameter. Dit betekent dat het gebruik van deeltjes van de helft van de grootte bij dezelfde kolomgrootte de prestaties verdubbelt, maar tegelijkertijd de vereiste druk verviervoudigt.
Ultrageluid met hoog vermogen is een bekend en bewezen hulpmiddel voor de modificatie / functionalisering en dispersie van micro- en nanodeeltjes zoals silica. Dankzij de uniforme en zeer betrouwbare resultaten bij deeltjesverwerking is sonicatie de voorkeursmethode voor het produceren van gefunctionaliseerde deeltjes (bijvoorbeeld deeltjes met een kern-schilstructuur). Ultrageluid met hoog vermogen veroorzaakt trillingen en cavitatie en brengt energie in voor sonochemische reacties. Daardoor worden ultrasoonapparaten met hoog vermogen met succes gebruikt voor deeltjesbehandelingen, waaronder functionalisering / modificatie, grootteverkleining & dispersie evenals voor de synthese van nanodeeltjes (bijvoorbeeld sol-gelroutes).
Voordelen van ultrasone deeltjesmodificatie / functionalisering
- eenvoudige controle over deeltjesgrootte en modificatie
- volledige controle over de procesparameters
- lineaire schaalbaarheid
- toepasbaar bij zeer kleine tot zeer grote volumes
- veilig, gebruiks- & milieuvriendelijk
Sonicator met sonde UP400ST die silicananodeeltjes dispergeert en functionaliseert
Ultrasone bereiding van silicadeeltjes met een kern-schilstructuur
Silicadeeltjes met een kern-schilstructuur (vaste kern met poreuze schil of oppervlakkig poreus) worden steeds vaker gebruikt voor zeer efficiënte scheiding bij een hoog debiet en een relatief lage tegendruk. De voordelen liggen in hun vaste kern en poreuze schil: het volledige deeltje met een kern-schilstructuur vormt een groter deeltje en maakt het mogelijk HPLC bij een lagere tegendruk uit te voeren, terwijl de poreuze schil en de kleine vaste kern zelf een groter oppervlak voor het scheidingsproces bieden. Het voordeel van het gebruik van deeltjes met een kern-schilstructuur als pakkingsmateriaal voor HPLC-kolommen is dat het kleinere porievolume het beschikbare volume voor verbreding door longitudinale diffusie vermindert. De deeltjesgrootte en de dikte van de poreuze schil hebben een directe invloed op de scheidingsparameters. (vgl. Hayes et al. 2014)
De meest gebruikte pakkingsmaterialen voor gepakte HPLC-kolommen zijn conventionele silicamicrosferen. De deeltjes met een kern-schilstructuur die voor chromatografie worden gebruikt, zijn doorgaans ook gemaakt van silica, maar hebben een vaste kern en een poreuze schil. Silicadeeltjes met een kern-schilstructuur zoals die voor chromatografische toepassingen worden gebruikt, staan ook bekend als fused-core-deeltjes, deeltjes met een vaste kern of oppervlakkig poreuze deeltjes.
Silicagels kunnen via een sonochemische sol-gelroute worden gesynthetiseerd. Silicagels zijn de meest gebruikte dunne laag voor de scheiding van actieve stoffen via dunnelaagchromatografie (TLC).
Klik hier voor meer informatie over de sonochemische route voor sol-gelprocessen!
Ultrasone synthese (sonosynthese) kan gemakkelijk worden toegepast voor de synthese van andere metalen of metaaloxiden op een silicadrager, zoals TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 en vele andere, en wordt niet alleen gebruikt voor de modificatie van silica voor chromatografische cartridges, maar ook voor diverse industriële katalytische reacties.
Lees meer over sonicators voor de functionalisering van nanodeeltjes voor HPLC-kolommen
Ultrasone dispersie van nanodeeltjes
Een fijnverdeelde dispersie en deagglomeratie van deeltjes zijn bijzonder belangrijk om de volledige prestaties van het materiaal te benutten. Daarom worden voor scheiding met hoge prestaties monodisperse silicadeeltjes met kleinere diameters als pakkingsdeeltjes gebruikt. Het is aangetoond dat sonicatie effectiever is bij het dispergeren van silica dan andere mengmethoden met hoge afschuiving.
De onderstaande grafiek toont het resultaat van het ultrasoon dispergeren van pyrogeen silica 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 het ultrasoon dispergeren van silica (SiO2)!
Poederverdichting door sonicatie
De poederdichtheid in HPLC-kolommen is essentieel voor het bereiken van een hoge scheidingsefficiëntie, stabiele kolomprestaties, consistente stromingseigenschappen, nauwkeurige retentietijden, verbeterde resolutie en een langere levensduur van de kolom. Het waarborgen van een geschikte en uniforme pakkingsdichtheid is fundamenteel voor de betrouwbare en effectieve werking van HPLC-systemen. Ultrasone poederverdichting kan helpen om HPLC-kolommen en cartridges efficiënt te vullen met een optimale poederdichtheid.
Lees meer over ultrasone poederverdichting!
Industriële sonicators voor de dispersie van nanodeeltjes met een hoge verwerkingscapaciteit
Wetenswaardigheden
Wat is hogeprestatievloeistofchromatografie (HPLC)?
Chromatografie kan worden beschreven als een stofoverdrachtsproces waarbij adsorptie plaatsvindt. Hogeprestatievloeistofchromatografie (voorheen ook bekend als hogedrukvloeistofchromatografie) is een analysetechniek waarmee elke component van een mengsel kan worden gescheiden, geïdentificeerd en gekwantificeerd. Als alternatief wordt preparatieve chromatografie 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 enz.) die door een stationaire fase (pakkingen van silicadeeltjes, monolieten enz.) 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 is gevuld met een vast adsorberend materiaal (bijvoorbeeld gemodificeerde silicadeeltjes). Omdat elke component in het monster iets anders met het adsorberende materiaal interageert, verschillen de debieten voor de verschillende componenten, wat leidt tot scheiding van de componenten wanneer ze uit de kolom stromen. De samenstelling en temperatuur van de mobiele fase zijn zeer belangrijke parameters voor het scheidingsproces en beïnvloeden de interacties tussen monstercomponenten en adsorbens. De scheiding is gebaseerd op de verdeling van de verbindingen over de stationaire en mobiele fase.
De analyseresultaten van HPLC worden weergegeven als een chromatogram. Een chromatogram is een tweedimensionaal diagram waarin de ordinaat (y-as) de concentratie weergeeft in termen van detectorrespons en de abscis (x-as) de tijd weergeeft.
Silicadeeltjes voor gepakte cartridges
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 onder continue sonicatie in een mengsel van ethanol en water kan worden geëmulgeerd. De ultrasone agitatie creëert bolvormige deeltjes, die door een katalytisch geïnduceerde hydrolytische condensatie worden omgezet in silicahydrogels (bekend als de ‘Unger’-methode). De hydrolytische condensatie veroorzaakt uitgebreide vernetting via de silanolgroepen aan het oppervlak. Vervolgens worden de hydrogelbolletjes gecalcineerd om een xerogel te produceren. De deeltjesgrootte en poriegrootte van de zeer poreuze silicaxerogel (sol-gel) worden beïnvloed door de pH-waarde, temperatuur, gebruikte katalysator en oplosmiddelen, evenals de silicasolconcentratie.
Niet-poreuze versus poreuze deeltjes
Zowel niet-poreuze als poreuze silicamicrosferen worden als stationaire fase in HPLC-kolommen gebruikt. Bij kleine niet-poreuze deeltjes vindt de scheiding plaats aan het deeltjesoppervlak en wordt bandverbreding verminderd door de korte diffusieweg, waardoor een snellere stofoverdracht plaatsvindt. Het kleine oppervlak leidt echter tot minder nauwkeurige resultaten, omdat retentie, retentietijd, selectiviteit en daardoor resolutie beperkt zijn. Ook de beladingscapaciteit is een kritische factor. Poreuze silicamicrosferen bieden naast het deeltjesoppervlak ook het porieoppervlak, dat meer contactoppervlak biedt voor interactie met analyten. Om voldoende stoftransport tijdens scheiding in de vloeistoffase te waarborgen, moeten de poriën groter zijn dan ∼7nm. Om grote biomoleculen te scheiden, zijn poriegroottes tot 100nm vereist om een efficiënte scheiding te bereiken.
Literatuur/Referenties
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatografie bij de analyse van de bioactiviteit van verbindingen. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (red.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Deeltjes met een kern-schilstructuur: bereiding, grondslagen en toepassingen in hogeprestatievloeistofchromatografie. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synthese en karakterisering van zeer effectief gesulfateerd nanozirkoniumdioxide op silica: katalysator met een kern-schilstructuur door ultrasone bestraling. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104