Modificarea cu ultrasunete a particulelor pentru coloane HPLC
Provocările în HPLC constau într-o separare rapidă și eficientă pentru o gamă largă de probe. Sonicarea permite modificarea și funcționalizarea nanoparticulelor, de ex. a microsferelor de silice sau de oxid de zirconiu. Ultrasonicarea este o tehnică de mare succes pentru sinteza particulelor de silice miez–înveliș (core–shell), în special pentru coloanele HPLC.
Modificarea cu ultrasunete a particulelor de silice
Structura și dimensiunea particulelor, precum și dimensiunea porilor și presiunea pompei sunt cei mai importanți parametri care influențează analiza HPLC.
Cele mai multe sisteme HPLC funcționează cu faza staționară activă atașată pe exteriorul unor particule sferice mici de silice. Particulele sunt bile foarte mici din domeniul micro și nano. Dimensiunile particulelor acestor bile variază, dar o dimensiune a particulelor de aprox. 5µm este cea mai frecventă. Particulele mai mici oferă o suprafață mai mare și o separare mai bună, dar presiunea necesară pentru viteza liniară optimă crește cu inversul pătratului diametrului particulelor. Aceasta înseamnă că utilizarea unor particule de jumătate din dimensiune, la aceeași dimensiune a coloanei, dublează performanța, dar în același timp presiunea necesară se cvadruplează.
Ultrasunetele de putere sunt un instrument binecunoscut și dovedit pentru modificarea / funcționalizarea și dispersarea micro- și nanoparticulelor, cum ar fi silicea. Datorită rezultatelor uniforme și foarte fiabile în procesarea particulelor, sonicarea este metoda preferată pentru producerea particulelor funcționalizate (de ex. particule miez-înveliș). Ultrasunetele de putere generează vibrații, cavitație și furnizează energie pentru reacții sonochimice. Astfel, ultrasonicatoarele de mare putere sunt utilizate cu succes pentru tratamente ale particulelor, inclusiv funcționalizare / modificare, reducerea dimensiunii și dispersare precum și pentru sinteza nanoparticulelor (de ex. căi sol-gel).
Avantajele modificării / funcționalizării particulelor cu ultrasunete
- control ușor asupra dimensiunii și modificării particulelor
- control complet asupra parametrilor de proces
- scalabilitate liniară
- aplicabil de la volume foarte mici la volume foarte mari
- sigur, ușor de utilizat și ecologic
Sonicator cu sondă UP400St care dispersează și funcționalizează nanoparticule de silice
Prepararea cu ultrasunete a particulelor de silice miez–înveliș
Particulele de silice miez–înveliș (cu miez solid și înveliș poros sau superficial poroase) sunt utilizate tot mai frecvent pentru o separare foarte eficientă, cu debit rapid și contrapresiune relativ scăzută. Avantajele constau în miezul lor solid și în învelișul poros: particula miez-înveliș completă formează o particulă mai mare și permite operarea HPLC la o contrapresiune mai scăzută, în timp ce învelișul poros și miezul solid mic în sine oferă o suprafață mai mare pentru procesul de separare. Beneficiul utilizării particulelor miez–înveliș ca material de umplutură pentru coloanele HPLC constă în faptul că volumul mai mic al porilor reduce volumul prezent pentru lărgirea prin difuzie longitudinală. Dimensiunea particulelor și grosimea învelișului poros influențează direct parametrii de separare. (cf. Hayes et al. 2014)
Cele mai frecvent utilizate materiale de umplutură pentru coloanele HPLC umplute sunt microsferele convenționale de silice. Particulele miez–înveliș utilizate în cromatografie sunt de obicei tot din silice, dar cu un miez solid și un înveliș poros. Particulele de silice miez–înveliș utilizate în aplicații cromatografice sunt cunoscute și ca particule fused-core, cu miez solid sau superficial poroase.
Gelurile de silice pot fi sintetizate pe calea sol-gel sonochimică. Gelurile de silice sunt cel mai frecvent utilizat strat subțire pentru separarea substanțelor active prin cromatografie în strat subțire (TLC).
Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre calea sonochimică pentru procesele sol-gel!
Sinteza cu ultrasunete (sono-sinteza) poate fi aplicată cu ușurință la sinteza altor metale sau oxizi metalici pe suport de silice, cum ar fi TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 și multe altele, și este utilizată nu doar pentru modificarea silicei pentru cartușe cromatografice, ci și pentru diverse reacții catalitice industriale.
Citiți mai multe despre sonicatoare pentru funcționalizarea nanoparticulelor pentru coloane HPLC
Dispersarea nanoparticulelor cu ultrasunete
O dispersare fină și dezaglomerarea particulelor sunt deosebit de importante pentru a obține performanța completă a materialului. Astfel, pentru o separare de înaltă performanță, ca particule de umplutură se utilizează particule de silice monodisperse cu diametre mai mici. S-a dovedit că sonicarea este mai eficientă în dispersarea silicei decât alte metode de amestecare cu forfecare ridicată.
Graficul de mai jos prezintă rezultatul dispersării cu ultrasunete a silicei pirogene în apă. Măsurătorile au fost obținute cu un Malvern Mastersizer 2000.
Înainte și după sonicare: curba verde arată dimensiunea particulelor înainte de sonicare, curba roșie este distribuția dimensiunii particulelor silicei dispersate cu ultrasunete.
Faceți clic aici pentru a citi mai multe despre dispersarea cu ultrasunete a silicei (SiO2)!
Compactarea pulberilor prin sonicare
Densitatea pulberii în coloanele HPLC este esențială pentru obținerea unei eficiențe ridicate de separare, a unei performanțe stabile a coloanei, a unor caracteristici de curgere constante, a unor timpi de retenție exacți, a unei rezoluții îmbunătățite și a unei durate de viață prelungite a coloanei. Asigurarea unei densități de împachetare adecvate și uniforme este fundamentală pentru funcționarea fiabilă și eficientă a sistemelor HPLC. Compactarea pulberilor cu ultrasunete poate ajuta la umplerea eficientă a coloanelor și cartușelor HPLC cu o densitate optimă a pulberii.
Aflați mai multe despre compactarea pulberilor cu ultrasunete!
Sonicatoare industriale pentru dispersarea nanoparticulelor cu capacitate mare de procesare
Informații utile
Ce este cromatografia lichidă de înaltă performanță (HPLC)?
Cromatografia poate fi descrisă ca un proces de transfer de masă care implică adsorbția. Cromatografia lichidă de înaltă performanță (cunoscută anterior și drept cromatografie lichidă de înaltă presiune) este o tehnică de analiză prin care fiecare componentă a unui amestec poate fi separată, identificată și cuantificată. Alternativ, cromatografia la scară preparativă este utilizată pentru purificarea unor loturi mari de material la scară de producție. Analiții tipici sunt molecule organice, biomolecule, ioni și polimeri.
Principiul separării HPLC se bazează pe trecerea unei faze mobile (apă, solvenți organici etc.) printr-o fază staționară (umpluturi particulate de silice, monoliți etc.) într-o coloană. Aceasta înseamnă că un solvent lichid sub presiune, care conține compușii dizolvați (soluția probei), este pompat printr-o coloană umplută cu un material adsorbant solid (de ex. particule de silice modificate). Deoarece fiecare componentă din probă interacționează ușor diferit cu materialul adsorbant, debitele diferitelor componente variază și conduc astfel la separarea componentelor pe măsură ce acestea ies din coloană. Compoziția și temperatura fazei mobile sunt parametri foarte importanți pentru procesul de separare, influențând interacțiunile care au loc între componentele probei și adsorbant. Separarea se bazează pe repartiția compușilor între faza staționară și faza mobilă.
Rezultatele analizei HPLC sunt vizualizate sub forma unei cromatograme. O cromatogramă este o diagramă bidimensională în care ordonata (axa y) indică concentrația exprimată prin răspunsul detectorului, iar abscisa (axa x) reprezintă timpul.
Particule de silice pentru cartușe umplute
Particulele de silice pentru aplicații cromatografice se bazează pe polimeri sintetici de silice. În cele mai multe cazuri, acestea sunt obținute din tetraetoxisilan, care este hidrolizat parțial la polietoxisiloxani pentru a forma un lichid vâscos ce poate fi emulsionat într-un amestec de etanol și apă sub sonicare continuă. Agitarea cu ultrasunete creează particule sferice, care sunt transformate în hidrogeluri de silice printr-o condensare hidrolitică indusă catalitic (cunoscută ca metoda „Unger”). Condensarea hidrolitică determină o reticulare extinsă prin intermediul speciilor silanol de la suprafață. Ulterior, sferele de hidrogel sunt calcinate pentru a produce un xerogel. Dimensiunea particulelor și dimensiunea porilor xerogelului de silice foarte poros (sol-gel) sunt influențate de valoarea pH-ului, de temperatură, de catalizatorul și solvenții utilizați, precum și de concentrația solului de silice.
Particule neporoase vs. particule poroase
Atât microsferele de silice neporoase, cât și cele poroase sunt utilizate ca fază staționară în coloanele HPLC. În cazul particulelor neporoase mici, separarea are loc pe suprafața particulelor, iar lărgirea benzilor este atenuată datorită traseului scurt de difuzie, având astfel loc un transfer de masă mai rapid. Totuși, suprafața mică conduce la rezultate mai inexacte, deoarece retenția, timpul de retenție, selectivitatea și, prin urmare, rezoluția sunt limitate. Capacitatea de încărcare este, de asemenea, un factor critic. Microsferele de silice poroase oferă, pe lângă suprafața particulelor, și suprafața porilor, care asigură o suprafață de contact mai mare pentru interacțiunea cu analiții. Pentru a asigura un transport de masă suficient în timpul separării în fază lichidă, porii trebuie să aibă o dimensiune mai mare de ∼7nm. Pentru separarea biomoleculelor mari, sunt necesare dimensiuni ale porilor de până la 100nm pentru a obține o separare eficientă.
Literatură/Referințe
- Czaplicki, Sylwester (2013): Cromatografia în analiza bioactivității compușilor. În: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Margine, Tony; Zhang, Haifei (2014): Particule miez-coajă: Pregătire, fundamente și aplicații în cromatografia lichidă de înaltă performanță. J. Cromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Sinteza și caracterizarea nanosulfatului de zirconiu foarte eficient peste silice: catalizator miez-coajă prin iradiere cu ultrasunete. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104