Ultrazvočna modifikacija delcev za kolone HPLC
Izziv pri HPLC je hitro in učinkovito ločevanje najrazličnejših vzorcev. Sonikacija omogoča modifikacijo in funkcionalizacijo nanodelcev, npr. mikrosfer silicijevega dioksida ali cirkonijevega dioksida. Ultrazvočna obdelava je zelo uspešna tehnika za sintezo delcev silicijevega dioksida z jedrom in lupino, zlasti za kolone HPLC.
Ultrazvočna modifikacija delcev silicijevega dioksida
Struktura in velikost delcev ter velikost por in tlak črpalke so najpomembnejši parametri, ki vplivajo na analizo HPLC.
Večina sistemov HPLC deluje z aktivno stacionarno fazo, vezano na zunanjo površino majhnih sferičnih delcev silicijevega dioksida. Delci so zelo majhne kroglice v mikro- in nanometrskem območju. Velikosti kroglic se razlikujejo, najpogostejša pa je velikost delcev približno 5µm. Manjši delci zagotavljajo večjo površino in boljše ločevanje, vendar tlak, potreben za optimalno linearno hitrost, narašča obratno sorazmerno s kvadratom premera delcev. To pomeni, da uporaba delcev polovične velikosti pri enaki velikosti kolone podvoji zmogljivost, hkrati pa se potrebni tlak poveča za štirikrat.
Ultrazvok visoke moči je dobro znano in preizkušeno orodje za modifikacijo / funkcionalizacijo in dispergiranje mikro- in nanodelcev, kot so delci silicijevega dioksida. Zaradi enakomernih in zelo zanesljivih rezultatov pri obdelavi delcev je sonikacija prednostna metoda za izdelavo funkcionaliziranih delcev (npr. delcev z jedrom in lupino). Ultrazvok visoke moči ustvarja vibracije in kavitacijo ter dovaja energijo za sonokemijske reakcije. Zato se ultrazvočne naprave visoke moči uspešno uporabljajo za obdelavo delcev, ki vključuje funkcionalizacijo / modifikacijo, zmanjševanje velikosti in dispergiranje , ter za sintezo nanodelcev (npr. po postopkih sol-gel).
Prednosti ultrazvočne modifikacije / funkcionalizacije delcev
- preprost nadzor nad velikostjo in modifikacijo delcev
- popoln nadzor nad procesnimi parametri
- linearna razširljivost
- uporabnost pri zelo majhnih do zelo velikih prostorninah
- varno ter prijazno do uporabnika in okolja
Sonikator s sondo UP400ST za dispergiranje in funkcionalizacijo nanodelcev silicijevega dioksida
Ultrazvočna priprava delcev silicijevega dioksida z jedrom in lupino
Delci silicijevega dioksida z jedrom in lupino (s trdnim jedrom in porozno lupino ali površinsko porozni) se vse pogosteje uporabljajo za zelo učinkovito ločevanje pri visokem pretoku in razmeroma nizkem protitlaku. Njihove prednosti izhajajo iz trdnega jedra in porozne lupine: celoten delec z jedrom in lupino tvori večji delec in omogoča delovanje HPLC pri nižjem protitlaku, medtem ko porozna lupina in samo majhno trdno jedro zagotavljata večjo površino za postopek ločevanja. Prednost uporabe delcev z jedrom in lupino kot polnila za kolone HPLC je v tem, da manjša prostornina por zmanjša prostornino, ki je na voljo za širjenje zaradi vzdolžne difuzije. Velikost delcev in debelina porozne lupine neposredno vplivata na parametre ločevanja. (prim. Hayes et al. 2014)
Najpogosteje uporabljena polnila za polnjene kolone HPLC so običajne mikrosfere silicijevega dioksida. Tudi delci z jedrom in lupino, ki se uporabljajo za kromatografijo, so običajno izdelani iz silicijevega dioksida, vendar imajo trdno jedro in porozno lupino. Delci silicijevega dioksida z jedrom in lupino, ki se uporabljajo v kromatografiji, so znani tudi kot delci s staljenim jedrom, delci s trdnim jedrom ali površinsko porozni delci.
Geli silicijevega dioksida se lahko sintetizirajo po sonokemijskem postopku sol-gel. Geli silicijevega dioksida so najpogosteje uporabljena tanka plast za ločevanje aktivnih snovi s tankoplastno kromatografijo (TLC).
Kliknite tukaj za več informacij o sonokemijskem pristopu k postopkom sol-gel!
Ultrazvočno sintezo (sonosintezo) je mogoče preprosto uporabiti za sintezo drugih kovin ali kovinskih oksidov na nosilcu iz silicijevega dioksida, kot so TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 in številni drugi, uporablja pa se ne le za modifikacijo silicijevega dioksida za kromatografske kartuše, temveč tudi za različne industrijske katalitske reakcije.
Preberite več o sonikatorjih za funkcionalizacijo nanodelcev za kolone HPLC
Ultrazvočno dispergiranje nanodelcev
Dispergiranje do majhne velikosti delcev in njihova deaglomeracija sta še posebej pomembna za doseganje polne zmogljivosti materiala. Zato se za visoko učinkovito ločevanje kot polnilni delci uporabljajo monodisperzni delci silicijevega dioksida z manjšimi premeri. Dokazano je, da je sonikacija pri dispergiranju silicijevega dioksida učinkovitejša od drugih metod mešanja z visokim strigom.
Spodnji graf prikazuje rezultat ultrazvočnega dispergiranja pirogenega silicijevega dioksida v vodi. Meritve so bile izvedene z napravo Malvern Mastersizer 2000.
Pred sonikacijo in po njej: zelena krivulja prikazuje velikost delcev pred sonikacijo, rdeča krivulja pa porazdelitev velikosti delcev ultrazvočno dispergiranega silicijevega dioksida.
Kliknite tukaj za več informacij o ultrazvočnem dispergiranju silicijevega dioksida (SiO2)!
Zgoščevanje prahu s sonikacijo
Gostota prahu v kolonah HPLC je bistvena za doseganje visoke učinkovitosti ločevanja, stabilnega delovanja kolon, doslednih pretočnih lastnosti, natančnih retencijskih časov, izboljšane ločljivosti in daljše življenjske dobe kolon. Zagotavljanje ustrezne in enakomerne gostote polnila je temelj zanesljivega in učinkovitega delovanja sistemov HPLC. Ultrazvočno zgoščevanje prahu lahko pomaga učinkovito napolniti kolone in kartuše HPLC z optimalno gostoto prahu.
Preberite več o ultrazvočnem zgoščevanju prahu!
Industrijski sonikatorji za dispergiranje nanodelcev z visoko zmogljivostjo obdelave
Koristne informacije
Kaj je tekočinska kromatografija visoke ločljivosti (HPLC)?
Kromatografijo lahko opišemo kot proces prenosa snovi, ki vključuje adsorpcijo. Tekočinska kromatografija visoke ločljivosti (prej znana tudi kot visokotlačna tekočinska kromatografija) je analizna tehnika, s katero je mogoče vsako komponento zmesi ločiti, identificirati in kvantificirati. Kromatografija v preparativnem merilu pa se uporablja za čiščenje velikih serij materiala v proizvodnem merilu. Značilni analiti so organske molekule, biomolekule, ioni in polimeri.
Načelo ločevanja s HPLC temelji na prehajanju mobilne faze (voda, organska topila itd.) skozi stacionarno fazo (polnila iz delcev silicijevega dioksida, monoliti itd.) v koloni. To pomeni, da se tekoče topilo pod tlakom, ki vsebuje raztopljene spojine (raztopina vzorca), črpa skozi kolono, napolnjeno s trdnim adsorbentom (npr. modificiranimi delci silicijevega dioksida). Ker vsaka komponenta vzorca z adsorbentom interagira nekoliko drugače, se pretoki različnih komponent razlikujejo, kar povzroči njihovo ločevanje med iztekanjem iz kolone. Sestava in temperatura mobilne faze sta zelo pomembna parametra postopka ločevanja, ki vplivata na interakcije med komponentami vzorca in adsorbentom. Ločevanje temelji na porazdelitvi spojin med stacionarno in mobilno fazo.
Rezultati analize HPLC so prikazani kot kromatogram. Kromatogram je dvodimenzionalni diagram, pri katerem ordinata (os y) podaja koncentracijo v obliki odziva detektorja, abscisa (os x) pa predstavlja čas.
Delci silicijevega dioksida za polnjene kartuše
Delci silicijevega dioksida za kromatografske namene temeljijo na sintetičnih polimerih silicijevega dioksida. Večinoma so izdelani iz tetraetoksisilana, ki se delno hidrolizira v polietoksisiloksane, da nastane viskozna tekočina, ki jo je mogoče ob neprekinjeni sonikaciji emulgirati v zmesi etanola in vode. Ultrazvočno mešanje ustvari sferične delce, ki se s katalitsko sproženo hidrolitsko kondenzacijo (znano kot »Ungerjeva« metoda) pretvorijo v hidrogele silicijevega dioksida. Hidrolitska kondenzacija povzroči obsežno zamreženje prek silanolnih skupin na površini. Nato se hidrogelne kroglice kalcinirajo, da nastane kserogel. Na velikost delcev in velikost por zelo poroznega kserogela silicijevega dioksida (sol-gel) vplivajo vrednost pH, temperatura, uporabljeni katalizator in topila ter koncentracija sola silicijevega dioksida.
Neporozni in porozni delci
Tako neporozne kot porozne mikrosfere silicijevega dioksida se uporabljajo kot stacionarna faza v kolonah HPLC. Pri majhnih neporoznih delcih ločevanje poteka na površini delcev, širjenje pasov pa je zaradi kratke difuzijske poti manjše, zato je prenos snovi hitrejši. Vendar majhna površina povzroči manj natančne rezultate, saj so retencija, retencijski čas, selektivnost in s tem ločljivost omejeni. Tudi kapaciteta za nanos vzorca je ključni dejavnik. Porozne mikrosfere silicijevega dioksida poleg površine delcev zagotavljajo še površino por, ki ponuja večjo stično površino za interakcije z analiti. Za zagotavljanje zadostnega prenosa snovi med ločevanjem v tekoči fazi morajo biti pore večje od ∼7nm. Za učinkovito ločevanje velikih biomolekul so potrebne pore velikosti do 100nm.
Literatura/viri
- Czaplicki, Sylwester (2013): Kromatografija pri analizi bioaktivnosti spojin. V: Kolonska kromatografija, dr. Dean Martin (ur.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Delci z jedrom in lupino: priprava, osnove in uporaba v tekočinski kromatografiji visoke ločljivosti. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Sinteza in karakterizacija zelo učinkovitega nanosulfatiranega cirkonijevega dioksida na silicijevem dioksidu: katalizator z jedrom in lupino, pripravljen z ultrazvočnim obsevanjem. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104