Ultradźwiękowa modyfikacja cząstek dla kolumn HPLC
Wyzwaniem w HPLC jest szybka i wydajna separacja dla szerokiego zakresu próbek. Sonikacja pozwala na modyfikację i funkcjonalizację nanocząstek, np. mikrosfer krzemionkowych lub cyrkonowych. Ultradźwięki są bardzo skuteczną techniką syntezy cząstek krzemionki z powłoką rdzeniową, szczególnie w przypadku kolumn HPLC.
Ultradźwiękowa modyfikacja cząstek krzemionki
Struktura i wielkość cząstek, a także wielkość porów i ciśnienie pompy są najważniejszymi parametrami wpływającymi na analizę HPLC.
Większość systemów HPLC działa z aktywną fazą stacjonarną przymocowaną na zewnątrz małych sferycznych cząstek krzemionki. Cząstki te są bardzo małymi kulkami w mikro- i nano-zakresie. Rozmiary cząstek kulek są różne, ale najczęściej spotykane są cząstki o wielkości ok. 5 µm. Mniejsze cząstki zapewniają większą powierzchnię i lepszą separację, ale ciśnienie wymagane do uzyskania optymalnej prędkości liniowej wzrasta o odwrotność kwadratu średnicy cząstek. Oznacza to, że użycie cząstek o połowę mniejszych i przy tym samym rozmiarze kolumny podwaja wydajność, ale jednocześnie wymagane ciśnienie wzrasta czterokrotnie.
Ultradźwięki mocy są dobrze znanym i sprawdzonym narzędziem do modyfikacji / funkcjonalizacji i dyspersji mikro- i nanocząstek, takich jak krzemionka. Ze względu na jednolite i wysoce wiarygodne wyniki w przetwarzaniu cząstek, sonikacja jest preferowaną metodą wytwarzania funkcjonalizowanych cząstek (np. cząstek typu rdzeń-powłoka). Moc ultradźwięków tworzy wibracje, kawitację i indukuje energię do reakcji sonochemicznych. W ten sposób ultrasonografy o dużej mocy są z powodzeniem stosowane do obróbki cząstek, w tym funkcjonalizacja / modyfikacja, Zmniejszenie wielkości & dyspersja jak również dla nanocząstek synteza (np. drogi zol-żel).
Zalety ultradźwiękowej modyfikacji / funkcjonalizacji cząstek
- łatwa kontrola nad wielkością i modyfikacją cząstek
- Pełna kontrola nad parametrami procesu
- liniowa skalowalność
- zastosowanie od bardzo małych do bardzo dużych objętości
- bezpieczny, przyjazny dla użytkownika & przyjazny dla środowiska
Sonikator sondowy UP400St dyspergowanie i funkcjonalizacja nanocząstek krzemionki
Ultradźwiękowy preparat cząstek krzemionki z powłoką rdzeniową
Cząstki krzemionki z powłoką rdzeniową (stały rdzeń z porowatą powłoką lub powierzchniowo porowate) są coraz częściej stosowane do wysokowydajnej separacji przy szybkim przepływie i stosunkowo niskim ciśnieniu wstecznym. Ich zaletą jest stały rdzeń i porowata otoczka: Kompletna cząstka typu rdzeń-powłoka tworzy większą cząstkę i pozwala na pracę HPLC przy niższym przeciwciśnieniu, podczas gdy porowata powłoka i mały stały rdzeń zapewniają większą powierzchnię dla procesu separacji. Zaletą stosowania cząstek typu rdzeń-powłoka jako materiału wypełniającego dla kolumn HPLC jest to, że mniejsza objętość porów zmniejsza objętość obecną dla poszerzenia z dyfuzji wzdłużnej. Wielkość cząstek i grubość porowatej powłoki mają bezpośredni wpływ na parametry separacji. (por. Hayes et al. 2014)
Najczęściej stosowanymi materiałami do pakowania kolumn HPLC są konwencjonalne mikrosfery krzemionkowe. Cząstki typu rdzeń-powłoka stosowane w chromatografii są zwykle również wykonane z krzemionki, ale ze stałym rdzeniem i porowatą powłoką. Cząstki krzemionki z powłoką rdzeniową używane do zastosowań chromatograficznych są również znane jako cząstki ze stopionym rdzeniem, stałym rdzeniem lub powierzchniowo porowatymi cząstkami.
Żele krzemionkowe mogą być syntetyzowane na drodze sonochemicznej zol-żel. Żele krzemionkowe są najczęściej stosowanymi cienkimi warstwami do oddzielania substancji czynnych za pomocą chromatografii cienkowarstwowej (TLC).
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o drodze sonochemicznej dla procesów zol-żel!
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.
Więcej informacji o sonikatorach do funkcjonalizacji nanocząstek w kolumnach HPLC
Ultradźwiękowa dyspersja nanocząstek
Drobna dyspersja i deaglomeracja cząstek jest szczególnie ważna dla uzyskania pełnej wydajności materiału. W związku z tym do wysokowydajnej separacji stosuje się monodyspersyjne cząstki krzemionki o mniejszych średnicach. Udowodniono, że sonikacja jest bardziej skuteczna w dyspergowaniu krzemionki niż inne metody mieszania z wysokim ścinaniem.
Poniższy wykres przedstawia wynik ultradźwiękowego rozpraszania zmatowionej krzemionki w wodzie. Pomiary uzyskano przy użyciu urządzenia Malvern Mastersizer 2000.
Przed i po sonikacji: Zielona krzywa pokazuje wielkość cząstek przed sonikacją, czerwona krzywa to rozkład wielkości cząstek ultradźwiękowo zdyspergowanej krzemionki.
Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o ultradźwiękowym rozpraszaniu krzemionki (SiO2)!
Zagęszczanie proszku za pomocą sonikacji
Gęstość upakowania proszku w kolumnach HPLC jest niezbędna do osiągnięcia wysokiej wydajności separacji, stabilnej pracy kolumny, spójnej charakterystyki przepływu, dokładnych czasów retencji, lepszej rozdzielczości i wydłużonej żywotności kolumny. Zapewnienie odpowiedniej i jednolitej gęstości upakowania ma zasadnicze znaczenie dla niezawodnego i skutecznego działania systemów HPLC. Ultradźwiękowe zagęszczanie proszku może pomóc w skutecznym napełnianiu kolumn i wkładów HPLC proszkiem o optymalnej gęstości.
Dowiedz się więcej o ultradźwiękowym zagęszczaniu proszku!
Sonikatory przemysłowe do wysokowydajnej dyspersji nanocząstek
Fakty, które warto znać
Czym jest wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC)?
Chromatografię można opisać jako proces przenoszenia masy obejmujący adsorpcję. Wysokosprawna chromatografia cieczowa (wcześniej znana również jako wysokociśnieniowa chromatografia cieczowa) jest techniką analizy, za pomocą której każdy składnik mieszaniny może być oddzielony, zidentyfikowany i określony ilościowo. Alternatywnie, chromatografia w skali preparatywnej stosowana do oczyszczania dużych partii materiału na skalę produkcyjną. Typowymi analitami są cząsteczki organiczne, biomolekuły, jony i polimery.
Zasada separacji HPLC opiera się na przepuszczaniu fazy ruchomej (woda, rozpuszczalniki organiczne itp.) przez fazę stacjonarną (cząstki krzemionki, monolity itp.) w kolumnie. Oznacza to, że ciekły rozpuszczalnik pod ciśnieniem, który zawiera rozpuszczone związki (roztwór próbki), jest pompowany przez kolumnę wypełnioną stałym materiałem adsorbującym (np. zmodyfikowanymi cząstkami krzemionki). Ponieważ każdy składnik próbki oddziałuje nieco inaczej z materiałem adsorbującym, natężenia przepływu dla różnych składników różnią się i prowadzą w ten sposób do oddzielenia składników podczas ich wypływu z kolumny. Skład i temperatura fazy ruchomej są bardzo ważnymi parametrami procesu separacji, wpływającymi na interakcje zachodzące między składnikami próbki a adsorbentem. Separacja opiera się na podziale związków na fazę stacjonarną i ruchomą.
Wyniki analizy HPLC są wizualizowane w postaci chromatogramu. Chromatogram jest dwuwymiarowym wykresem, którego oś rzędnych (oś y) przedstawia stężenie w kategoriach odpowiedzi detektora, a oś odciętych (oś x) reprezentuje czas.
Cząsteczki krzemionki do pakowanych kartridży
Cząstki krzemionki do zastosowań chromatograficznych są oparte na syntetycznych polimerach krzemionkowych. Przeważnie są one wykonane z tetraetoksysilanu, który jest częściowo hydrolizowany do polietoksysiloksanów w celu utworzenia lepkiej cieczy, która może być emulgowana w mieszaninie etanolu i wody w warunkach 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 rozległe sieciowanie poprzez powierzchniowe formy silanolu. Następnie sfery hydrożelu są kalcynowane w celu wytworzenia kserożelu. Wielkość cząstek i wielkość porów wysoce porowatego kserożelu krzemionkowego (zol-żel) zależą od wartości pH, temperatury, użytego katalizatora i rozpuszczalników, a także stężenia zolu krzemionkowego.
Cząstki nieporowate a porowate
Zarówno nieporowate, jak i porowate mikrosfery krzemionkowe są stosowane jako faza stacjonarna w kolumnach HPLC. W przypadku małych nieporowatych cząstek separacja zachodzi na powierzchni cząstek, a poszerzenie pasma jest złagodzone ze względu na krótką ścieżkę dyfuzji, co powoduje szybszy transfer masy. Niska powierzchnia cząstek skutkuje jednak bardziej niedokładnymi wynikami, ponieważ retencja, czas retencji, selektywność, a tym samym rozdzielczość są ograniczone. Krytycznym czynnikiem jest również pojemność ładunkowa. Porowate mikrosfery krzemionkowe zapewniają oprócz powierzchni cząstek dodatkowo powierzchnię porów, która oferuje większą powierzchnię styku do interakcji z analitami. Aby zapewnić wystarczający transport masy podczas separacji w fazie ciekłej, wielkość porów musi być większa niż ∼7nm. Aby oddzielić duże biomolekuły, wymagane są pory o wielkości do 100 nm, aby osiągnąć skuteczną separację.
Literatura/Referencje
- Czaplicki, Sylwester (2013): Chromatografia w analizie bioaktywności związków. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Core-shell particles: Przygotowanie, podstawy i zastosowania w wysokosprawnej chromatografii cieczowej. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36-52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Synteza i charakterystyka wysoce efektywnego nanosiarczanowanego tlenku cyrkonu na krzemionce: Core-Shell Katalizator przez napromieniowanie ultradźwiękowe. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96-104