Ultraljudsmodifiering av partiklar för HPLC-kolonner

Utmaningarna inom HPLC är att uppnå snabb och effektiv separation för ett brett spektrum av prover. Ultraljudsbehandling gör det möjligt att modifiera och funktionalisera nanopartiklar, t.ex. mikrosfärer av kiseldioxid eller zirkoniumdioxid. Ultraljudsbehandling är en mycket framgångsrik teknik för att syntetisera kiseldioxidpartiklar med kärna–skal-struktur, särskilt för HPLC-kolonner.

Ultraljudsmodifiering av kiseldioxidpartiklar

Partikelstruktur och partikelstorlek samt porstorlek och pumptryck är de viktigaste parametrarna som påverkar HPLC-analysen.
De flesta HPLC-system arbetar med den aktiva stationära fasen bunden till utsidan av små sfäriska kiseldioxidpartiklar. Partiklarna är mycket små kulor i mikro- och nanostorlek. Kulornas partikelstorlek varierar, men en partikelstorlek på cirka 5µm är vanligast. Mindre partiklar ger en större ytarea och bättre separation, men det tryck som krävs för optimal linjär hastighet ökar omvänt proportionellt mot partikeldiametern i kvadrat. Detta innebär att användning av hälften så stora partiklar vid samma kolonnstorlek fördubblar prestandan, samtidigt som det erforderliga trycket fyrdubblas.
Högeffektultraljud är ett välkänt och beprövat verktyg för modifiering / funktionalisering och dispergering av mikro- och nanopartiklar såsom kiseldioxid. Tack vare sina enhetliga och mycket tillförlitliga resultat vid partikelbearbetning är ultraljudsbehandling den föredragna metoden för att framställa funktionaliserade partiklar (t.ex. partiklar med kärna–skal-struktur). Högeffektultraljud skapar vibrationer och kavitation samt tillför energi för sonokemiska reaktioner. Därför används högeffektiva ultraljudsapparater framgångsrikt för partikelbehandlingar som omfattar funktionalisering / modifiering, storleksreduktion och dispergering samt för syntes av nanopartiklar (t.ex. sol-gel-metoder).

Fördelar med ultraljudsmodifiering / funktionalisering av partiklar

• enkel kontroll över partikelstorlek och modifiering
• full kontroll över processparametrarna
• linjär skalbarhet
• kan användas för allt från mycket små till mycket stora volymer
• säkert, användar- och miljövänligt

Framställning av kiseldioxidpartiklar med kärna–skal-struktur med ultraljud

Kiseldioxidpartiklar med kärna–skal-struktur (fast kärna med poröst skal eller ytligt porösa) har i allt större utsträckning använts för högeffektiv separation med hög flödeshastighet och relativt lågt mottryck. Fördelarna ligger i den fasta kärnan och det porösa skalet: Den kompletta partikeln med kärna–skal-struktur bildar en större partikel och gör det möjligt att köra HPLC vid ett lägre mottryck, medan det porösa skalet och den lilla fasta kärnan i sig ger en större ytarea för separationsprocessen. Fördelen med att använda partiklar med kärna–skal-struktur som packningsmaterial för HPLC-kolonner är att den mindre porvolymen minskar den volym där breddning till följd av longitudinell diffusion kan ske. Partikelstorleken och det porösa skalets tjocklek har direkt inverkan på separationsparametrarna. (jfr Hayes et al. 2014)
De vanligaste packningsmaterialen för packade HPLC-kolonner är konventionella mikrosfärer av kiseldioxid. De partiklar med kärna–skal-struktur som används för kromatografi är vanligen också gjorda av kiseldioxid, men med en fast kärna och ett poröst skal. Kiseldioxidpartiklar med kärna–skal-struktur som används för kromatografiska tillämpningar kallas även partiklar med smält kärna, fast kärna eller ytligt porösa partiklar.
Kiseldioxidgeler kan syntetiseras med en sonokemisk sol-gel-metod. Kiseldioxidgeler är det vanligaste tunna skiktet för separation av aktiva substanser med tunnskiktskromatografi (TLC).
Klicka här för att läsa mer om den sonokemiska metoden för sol-gel-processer!
Ultraljudssyntesen (sonosyntesen) kan enkelt tillämpas för syntes av andra metaller eller metalloxider på kiseldioxidbärare, såsom TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 och många andra, och används inte bara för modifiering av kiseldioxid för kromatografiska patroner, utan även för olika industriella katalytiska reaktioner.
Läs mer om ultraljudsapparater för funktionalisering av nanopartiklar för HPLC-kolonner

Ultraljudsdispergering av nanopartiklar

Findispergering och deagglomerering av partiklar är särskilt viktiga för att uppnå materialets fulla prestanda. Därför används monodispersa kiseldioxidpartiklar med mindre diametrar som packningspartiklar för högeffektiv separation. Ultraljudsbehandling har visat sig vara effektivare för dispergering av kiseldioxid än andra blandningsmetoder med hög skjuvning.
Diagrammet nedan visar resultatet av ultraljudsdispergering av pyrogen kiseldioxid i vatten. Mätningarna utfördes med en Malvern Mastersizer 2000.

Före och efter ultraljudsbehandling: Den gröna kurvan visar partikelstorleken före ultraljudsbehandling, den röda kurvan visar partikelstorleksfördelningen för ultraljudsdispergerad kiseldioxid.

Klicka här för att läsa mer om ultraljudsdispergering av kiseldioxid (SiO2)!

Pulverkompaktering med ultraljudsbehandling

Pulverdensiteten i HPLC-kolonner är avgörande för att uppnå hög separationseffektivitet, stabil kolonnprestanda, enhetliga flödesegenskaper, korrekta retentionstider, förbättrad upplösning och längre livslängd för kolonnen. Att säkerställa en lämplig och jämn packningsdensitet är grundläggande för tillförlitlig och effektiv drift av HPLC-system. Ultraljudskompaktering av pulver kan bidra till att effektivt fylla HPLC-kolonner och patroner med optimal pulverdensitet.
Läs mer om ultraljudskompaktering av pulver!