Modificação ultrassónica de partículas para colunas de HPLC
Os desafios da HPLC são uma separação rápida e eficiente para uma ampla variedade de amostras. A sonicação permite modificar e funcionalizar nanopartículas, por exemplo, microesferas de sílica ou zircónia. A ultrassonicação é uma técnica muito bem-sucedida para sintetizar partículas de sílica com estrutura núcleo–camada, particularmente para colunas de HPLC.
Modificação ultrassónica de partículas de sílica
A estrutura e o tamanho das partículas, bem como o tamanho dos poros e a pressão da bomba, são os parâmetros mais importantes que influenciam a análise por HPLC.
A maioria dos sistemas de HPLC funciona com a fase estacionária ativa ligada à superfície exterior de pequenas partículas esféricas de sílica. As partículas são esferas muito pequenas, nas escalas micro e nano. O tamanho das esferas varia, mas um tamanho de partícula de aprox. 5µm é o mais comum. As partículas mais pequenas proporcionam uma maior área superficial e uma melhor separação, mas a pressão necessária para uma velocidade linear ótima aumenta em proporção inversa ao quadrado do diâmetro das partículas. Isto significa que utilizar partículas com metade do tamanho, mantendo o mesmo tamanho de coluna, duplica o desempenho, mas, ao mesmo tempo, quadruplica a pressão necessária.
Os ultrassons de potência são uma ferramenta bem conhecida e comprovada para a modificação / funcionalização e dispersão de micropartículas e nanopartículas, como as de sílica. Devido aos seus resultados uniformes e altamente fiáveis no processamento de partículas, a sonicação é o método preferido para produzir partículas funcionalizadas (por exemplo, partículas com estrutura núcleo–camada). Os ultrassons de potência geram vibração e cavitação e fornecem energia para reações sonoquímicas. Assim, os ultrasonicadores de alta potência são utilizados com sucesso em tratamentos de partículas, incluindo funcionalização / modificação, redução de tamanho e dispersão bem como para a síntese de nanopartículas (por exemplo, vias sol-gel).
Vantagens da modificação / funcionalização ultrassónica de partículas
- controlo fácil do tamanho e da modificação das partículas
- controlo total dos parâmetros do processo
- escalabilidade linear
- aplicável a volumes muito pequenos a muito grandes
- seguro, fácil de utilizar e respeitador do ambiente
Sonicador de sonda UP400ST a dispersar e funcionalizar nanopartículas de sílica
Preparação ultrassónica de partículas de sílica com estrutura núcleo–camada
As partículas de sílica com estrutura núcleo–camada (núcleo sólido com camada porosa ou superficialmente porosas) têm sido cada vez mais utilizadas para uma separação altamente eficiente, com caudal elevado e contrapressão relativamente baixa. As vantagens residem no seu núcleo sólido e na camada porosa: a partícula completa com estrutura núcleo–camada forma uma partícula maior e permite operar a HPLC com uma contrapressão mais baixa, enquanto a camada porosa e o próprio núcleo sólido pequeno proporcionam uma maior área superficial para o processo de separação. A vantagem de utilizar partículas com estrutura núcleo–camada como material de enchimento para colunas de HPLC é que o menor volume dos poros reduz o volume disponível para o alargamento causado pela difusão longitudinal. O tamanho das partículas e a espessura da camada porosa influenciam diretamente os parâmetros de separação. (cf. Hayes et al. 2014)
Os materiais de enchimento mais frequentemente utilizados em colunas de HPLC empacotadas são microesferas de sílica convencionais. As partículas com estrutura núcleo–camada utilizadas em cromatografia também são geralmente feitas de sílica, mas com um núcleo sólido e uma camada porosa. As partículas de sílica com estrutura núcleo–camada utilizadas em aplicações cromatográficas são também conhecidas como partículas de núcleo fundido, de núcleo sólido ou superficialmente porosas.
Os géis de sílica podem ser sintetizados por uma via sol-gel sonoquímica. Os géis de sílica são a camada fina mais frequentemente utilizada para a separação de substâncias ativas por cromatografia em camada fina (TLC).
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A síntese ultrassónica (sonossíntese) pode ser facilmente aplicada à síntese de outros metais ou óxidos metálicos suportados em sílica, como TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 e muitos outros, e é utilizada não só para a modificação da sílica para cartuchos cromatográficos, mas também para várias reações catalíticas industriais.
Leia mais sobre sonicadores para a funcionalização de nanopartículas para colunas de HPLC
Dispersão ultrassónica de nanopartículas
A dispersão de partículas de tamanho fino e a sua desaglomeração são particularmente importantes para obter o pleno desempenho do material. Assim, para uma separação de elevado desempenho, utilizam-se partículas de sílica monodispersas com diâmetros mais pequenos como partículas de enchimento. Está comprovado que a sonicação é mais eficaz na dispersão de sílica do que outros métodos de mistura com elevado cisalhamento.
O gráfico abaixo mostra o resultado da dispersão ultrassónica de sílica pirogénica em água. As medições foram obtidas com um Malvern Mastersizer 2000.
Antes e depois da sonicação: a curva verde mostra o tamanho das partículas antes da sonicação; a curva vermelha representa a distribuição do tamanho das partículas de sílica dispersa por ultrassons.
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Compactação de pós por sonicação
A densidade do pó nas colunas de HPLC é essencial para alcançar uma elevada eficiência de separação, um desempenho estável da coluna, características de fluxo consistentes, tempos de retenção exatos, uma melhor resolução e uma vida útil prolongada da coluna. Garantir uma densidade de enchimento adequada e uniforme é fundamental para o funcionamento fiável e eficaz dos sistemas de HPLC. A compactação ultrassónica de pós pode ajudar a encher colunas e cartuchos de HPLC de forma eficiente, com uma densidade de pó ótima.
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Sonicadores industriais para a dispersão de nanopartículas com elevada capacidade de processamento
Informações úteis
O que é a cromatografia líquida de elevado desempenho (HPLC)?
A cromatografia pode ser descrita como um processo de transferência de massa que envolve adsorção. A cromatografia líquida de elevado desempenho (anteriormente também conhecida como cromatografia líquida de alta pressão) é uma técnica de análise que permite separar, identificar e quantificar cada componente de uma mistura. Em alternativa, a cromatografia à escala preparativa é utilizada para a purificação de grandes lotes de material à escala de produção. Os analitos típicos são moléculas orgânicas, biomoléculas, iões e polímeros.
O princípio da separação por HPLC baseia-se na passagem de uma fase móvel (água, solventes orgânicos, etc.) através de uma fase estacionária (enchimentos de partículas de sílica, monólitos, etc.) numa coluna. Isto significa que um solvente líquido pressurizado, que contém os compostos dissolvidos (solução da amostra), é bombeado através de uma coluna preenchida com um material adsorvente sólido (por exemplo, partículas de sílica modificadas). Como cada componente da amostra interage de forma ligeiramente diferente com o material adsorvente, os caudais dos diferentes componentes variam, levando à separação dos componentes à medida que saem da coluna. A composição e a temperatura da fase móvel são parâmetros muito importantes para o processo de separação, influenciando as interações entre os componentes da amostra e o adsorvente. A separação baseia-se na partição dos compostos entre a fase estacionária e a fase móvel.
Os resultados da análise por HPLC são visualizados sob a forma de um cromatograma. Um cromatograma é um diagrama bidimensional em que a ordenada (eixo y) indica a concentração em termos da resposta do detetor e a abcissa (eixo x) representa o tempo.
Partículas de sílica para cartuchos empacotados
As partículas de sílica para aplicações cromatográficas baseiam-se em polímeros sintéticos de sílica. Na sua maioria, são produzidas a partir de tetraetoxissilano, que é parcialmente hidrolisado em polietoxissiloxanos para formar um líquido viscoso que pode ser emulsionado numa mistura de etanol e água sob sonicação contínua. A agitação ultrassónica cria partículas esféricas, que são transformadas em hidrogéis de sílica através de uma condensação hidrolítica induzida cataliticamente (conhecida como método ‘Unger’). A condensação hidrolítica provoca uma reticulação extensa através das espécies de silanol presentes na superfície. Posteriormente, as esferas de hidrogel são calcinadas para produzir um xerogel. O tamanho das partículas e o tamanho dos poros do xerogel de sílica altamente poroso (sol-gel) são influenciados pelo valor de pH, pela temperatura, pelo catalisador e pelos solventes utilizados, bem como pela concentração do sol de sílica.
Partículas não porosas vs. porosas
Tanto as microesferas de sílica não porosas como as porosas são utilizadas como fase estacionária em colunas de HPLC. Nas partículas não porosas pequenas, a separação ocorre na superfície da partícula e o alargamento das bandas é reduzido devido ao curto percurso de difusão, permitindo assim uma transferência de massa mais rápida. No entanto, a baixa área superficial conduz a resultados menos exatos, uma vez que a retenção, o tempo de retenção, a seletividade e, por conseguinte, a resolução são limitados. A capacidade de carga também é um fator crítico. Além da superfície das partículas, as microesferas de sílica porosas proporcionam ainda a superfície dos poros, que oferece uma maior área de contacto para interagir com os analitos. Para assegurar um transporte de massa suficiente durante a separação em fase líquida, os poros devem ter um tamanho superior a ∼7nm. Para separar biomoléculas grandes, são necessários tamanhos de poro de até 100nm para alcançar uma separação eficiente.
Bibliografia/Referências
- Czaplicki, Sylwester (2013): Cromatografia na análise da bioatividade de compostos. In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Partículas com estrutura núcleo–camada: preparação, fundamentos e aplicações em cromatografia líquida de elevado desempenho. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Síntese e caracterização de nanozircónia sulfatada altamente eficaz sobre sílica: catalisador com estrutura núcleo–camada por irradiação ultrassónica. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104