Ultradźwiękowa modyfikacja cząstek do kolumn HPLC
Wyzwaniem w HPLC jest szybki i wydajny rozdział szerokiego zakresu próbek. Sonikacja umożliwia modyfikację i funkcjonalizację nanocząstek, np. mikrosfer krzemionki lub dwutlenku cyrkonu. Ultradźwięki są bardzo skuteczną techniką syntezy cząstek krzemionki o strukturze rdzeń–powłoka, szczególnie do kolumn HPLC.
Ultradźwiękowa modyfikacja cząstek krzemionki
Struktura i wielkość cząstek, a także wielkość porów i ciśnienie pompy to najważniejsze parametry wpływające na analizę HPLC.
Większość systemów HPLC pracuje z aktywną fazą stacjonarną przyłączoną do zewnętrznej powierzchni małych, kulistych cząstek krzemionki. Cząstki te są bardzo małymi kulkami o rozmiarach w zakresie mikro- i nanometrycznym. Wielkość kulek jest zróżnicowana, ale najczęściej spotykana wielkość cząstek wynosi ok. 5µm. Mniejsze cząstki zapewniają większą powierzchnię i lepszy rozdział, ale ciśnienie wymagane do uzyskania optymalnej prędkości liniowej rośnie odwrotnie proporcjonalnie do kwadratu średnicy cząstek. Oznacza to, że zastosowanie cząstek o połowę mniejszych przy tej samej wielkości kolumny podwaja wydajność, ale jednocześnie czterokrotnie zwiększa wymagane ciśnienie.
Ultradźwięki dużej mocy są dobrze znanym i sprawdzonym narzędziem do modyfikacji / funkcjonalizacji oraz dyspergowania mikro- i nanocząstek, takich jak krzemionka. Ze względu na jednorodne i wysoce powtarzalne wyniki obróbki cząstek sonikacja jest preferowaną metodą wytwarzania cząstek funkcjonalizowanych (np. cząstek o strukturze rdzeń–powłoka). Ultradźwięki dużej mocy wywołują drgania i kawitację oraz dostarczają energii do reakcji sonochemicznych. Dzięki temu urządzenia ultradźwiękowe dużej mocy są z powodzeniem stosowane do obróbki cząstek obejmującej funkcjonalizację / modyfikację, zmniejszanie rozmiarów i dyspergowanie a także syntezę nanocząstek (np. metodami zol–żel).
Zalety ultradźwiękowej modyfikacji / funkcjonalizacji cząstek
- łatwa kontrola wielkości i modyfikacji cząstek
- pełna kontrola parametrów procesu
- liniowa skalowalność
- możliwość zastosowania od bardzo małych do bardzo dużych objętości
- bezpieczeństwo oraz przyjazność dla użytkownika i środowiska
Sonikator sondowy UP400ST dyspergujący i funkcjonalizujący nanocząstki krzemionki
Ultradźwiękowe otrzymywanie cząstek krzemionki o strukturze rdzeń–powłoka
Cząstki krzemionki o strukturze rdzeń–powłoka (z litym rdzeniem i porowatą powłoką lub powierzchniowo porowate) są coraz częściej stosowane do wysoce wydajnego rozdziału przy dużym natężeniu przepływu i stosunkowo niskim ciśnieniu wstecznym. Ich zalety wynikają z litego rdzenia i porowatej powłoki: cała cząstka o strukturze rdzeń–powłoka tworzy większą cząstkę i umożliwia prowadzenie HPLC przy niższym ciśnieniu wstecznym, podczas gdy porowata powłoka i sam mały, lity rdzeń zapewniają większą powierzchnię dla procesu rozdziału. Korzyść z zastosowania cząstek o strukturze rdzeń–powłoka jako materiału wypełniającego kolumny HPLC polega na tym, że mniejsza objętość porów zmniejsza objętość dostępną dla poszerzania pasm wskutek dyfuzji wzdłużnej. Wielkość cząstek i grubość porowatej powłoki mają bezpośredni wpływ na parametry rozdziału. (por. Hayes i in. 2014)
Najczęściej stosowanymi materiałami wypełniającymi kolumny HPLC ze złożem są konwencjonalne mikrosfery krzemionki. Cząstki o strukturze rdzeń–powłoka stosowane w chromatografii są zwykle również wykonane z krzemionki, lecz mają lity rdzeń i porowatą powłokę. Cząstki krzemionki o strukturze rdzeń–powłoka stosowane w chromatografii są również znane jako cząstki ze stopionym rdzeniem, z litym rdzeniem lub powierzchniowo porowate.
Żele krzemionkowe można syntetyzować sonochemiczną metodą zol–żel. Żele krzemionkowe są najczęściej stosowaną cienką warstwą do rozdziału substancji aktywnych metodą chromatografii cienkowarstwowej (TLC).
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o sonochemicznej metodzie prowadzenia procesów zol–żel!
Syntezę ultradźwiękową (sonosyntezę) można z łatwością zastosować do syntezy innych metali lub tlenków metali osadzonych na krzemionce, takich jak TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 i wielu innych. Jest ona stosowana nie tylko do modyfikacji krzemionki do wkładów chromatograficznych, lecz także w różnych przemysłowych reakcjach katalitycznych.
Przeczytaj więcej o sonikatorach do funkcjonalizacji nanocząstek do kolumn HPLC
Ultradźwiękowe dyspergowanie nanocząstek
Dyspergowanie cząstek do małych rozmiarów i ich deaglomeracja są szczególnie ważne dla pełnego wykorzystania właściwości materiału. Dlatego do wysoce wydajnego rozdziału jako cząstki wypełnienia stosuje się monodyspersyjne cząstki krzemionki o mniejszych średnicach. Wykazano, że sonikacja jest skuteczniejsza w dyspergowaniu krzemionki niż inne metody mieszania z intensywnym ścinaniem.
Poniższy wykres przedstawia wynik ultradźwiękowego dyspergowania krzemionki pirogenicznej w wodzie. Pomiary wykonano za pomocą urządzenia Malvern Mastersizer 2000.
Przed sonikacją i po niej: zielona krzywa przedstawia wielkość cząstek przed sonikacją, a czerwona krzywa przedstawia rozkład wielkości cząstek krzemionki dyspergowanej ultradźwiękowo.
Kliknij tutaj, aby przeczytać więcej o ultradźwiękowym dyspergowaniu krzemionki (SiO2)!
Zagęszczanie proszku za pomocą sonikacji
Gęstość proszku w kolumnach HPLC ma zasadnicze znaczenie dla uzyskania wysokiej wydajności rozdziału, stabilnej pracy kolumny, stałej charakterystyki przepływu, dokładnych czasów retencji, lepszej rozdzielczości i dłuższej żywotności kolumny. Zapewnienie odpowiedniej i jednorodnej gęstości upakowania jest podstawą niezawodnego i skutecznego działania systemów HPLC. Ultradźwiękowe zagęszczanie proszku może pomóc w wydajnym napełnianiu kolumn i wkładów HPLC przy optymalnej gęstości proszku.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym zagęszczaniu proszku!
Przemysłowe sonikatory do dyspergowania nanocząstek z dużą wydajnością
Fakty, które warto znać
Czym jest wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC)?
Chromatografię można opisać jako proces przenoszenia masy obejmujący adsorpcję. Wysokosprawna chromatografia cieczowa (dawniej znana również jako wysokociśnieniowa chromatografia cieczowa) jest techniką analityczną umożliwiającą rozdzielenie, identyfikację i oznaczenie ilościowe każdego składnika mieszaniny. Alternatywnie chromatografię preparatywną stosuje się do oczyszczania dużych partii materiału w skali produkcyjnej. Typowymi analitami są cząsteczki organiczne, biomolekuły, jony i polimery.
Zasada rozdziału metodą HPLC opiera się na przepuszczaniu fazy ruchomej (wody, rozpuszczalników organicznych itp.) przez fazę stacjonarną (wypełnienia z cząstek krzemionki, monolity itp.) w kolumnie. Oznacza to, że ciekły rozpuszczalnik pod ciśnieniem, zawierający rozpuszczone związki (roztwór próbki), jest pompowany przez kolumnę wypełnioną stałym materiałem adsorbującym (np. zmodyfikowanymi cząstkami krzemionki). Ponieważ każdy składnik próbki oddziałuje z materiałem adsorbującym w nieco inny sposób, natężenia przepływu poszczególnych składników różnią się, co prowadzi do ich rozdzielenia podczas wypływu z kolumny. Skład i temperatura fazy ruchomej są bardzo ważnymi parametrami procesu rozdziału, wpływającymi na oddziaływania między składnikami próbki a adsorbentem. Rozdział opiera się na podziale związków między fazę stacjonarną a ruchomą.
Wyniki analizy HPLC przedstawia się w postaci chromatogramu. Chromatogram jest dwuwymiarowym wykresem, na którym oś rzędnych (oś y) przedstawia stężenie wyrażone odpowiedzią detektora, a oś odciętych (oś x) przedstawia czas.
Cząstki krzemionki do wkładów ze złożem
Cząstki krzemionki do zastosowań chromatograficznych opierają się na syntetycznych polimerach krzemionkowych. Najczęściej wytwarza się je z tetraetoksysilanu, który jest częściowo hydrolizowany do polietoksysiloksanów w celu utworzenia lepkiej cieczy, którą można emulgować w mieszaninie etanolu i wody podczas ciągłej sonikacji. Mieszanie ultradźwiękowe tworzy kuliste cząstki, które są przekształcane w hydrożele krzemionkowe poprzez katalitycznie indukowaną kondensację hydrolityczną (znaną jako metoda „Ungera”). Kondensacja hydrolityczna powoduje intensywne sieciowanie za pośrednictwem powierzchniowych grup silanolowych. Następnie kulki hydrożelu są kalcynowane w celu wytworzenia kserożelu. Na wielkość cząstek i porów wysoce porowatego kserożelu krzemionkowego (zol–żel) wpływają wartość pH, temperatura, zastosowany katalizator i rozpuszczalniki, a także stężenie zolu krzemionkowego.
Cząstki nieporowate a porowate
Zarówno nieporowate, jak i porowate mikrosfery krzemionki są stosowane jako faza stacjonarna w kolumnach HPLC. W przypadku małych cząstek nieporowatych rozdział zachodzi na powierzchni cząstek, a poszerzanie pasm jest ograniczone dzięki krótkiej drodze dyfuzji, co zapewnia szybsze przenoszenie masy. Jednak mała powierzchnia prowadzi do mniej dokładnych wyników, ponieważ retencja, czas retencji, selektywność, a tym samym rozdzielczość są ograniczone. Zdolność do przyjmowania obciążenia próbką również jest czynnikiem krytycznym. Porowate mikrosfery krzemionki oprócz powierzchni cząstek zapewniają dodatkowo powierzchnię porów, co daje większą powierzchnię kontaktu umożliwiającą oddziaływanie z analitami. Aby zapewnić wystarczający transport masy podczas rozdziału w fazie ciekłej, wielkość porów musi przekraczać ∼7nm. Do wydajnego rozdziału dużych biomolekuł wymagane są pory o wielkości do 100nm.
Literatura / źródła
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatografia w analizie bioaktywności związków. W: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (red.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Cząstki o strukturze rdzeń–powłoka: otrzymywanie, podstawy i zastosowania w wysokosprawnej chromatografii cieczowej. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synteza i charakterystyka wysoce skutecznego siarczanowanego nanometrycznego dwutlenku cyrkonu na krzemionce: katalizator o strukturze rdzeń–powłoka otrzymany za pomocą naświetlania ultradźwiękami. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104