การดัดแปรอนุภาคด้วยอัลตราโซนิกสำหรับคอลัมน์ HPLC
ความท้าทายของ HPLC คือการแยกตัวอย่างหลากหลายประเภทอย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกช่วยให้สามารถดัดแปรและเติมหมู่ฟังก์ชันให้กับอนุภาคนาโน เช่น ไมโครสเฟียร์ของซิลิกาหรือเซอร์โคเนีย การใช้คลื่นอัลตราโซนิกเป็นเทคนิคที่ประสบความสำเร็จอย่างมากในการสังเคราะห์อนุภาคซิลิกาแบบแกน–เปลือก โดยเฉพาะสำหรับคอลัมน์ HPLC
การดัดแปรอนุภาคซิลิกาด้วยอัลตราโซนิก
โครงสร้างและขนาดของอนุภาค ตลอดจนขนาดรูพรุนและความดันของปั๊ม เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดซึ่งส่งผลต่อการวิเคราะห์ด้วย HPLC
ระบบ HPLC ส่วนใหญ่ทำงานโดยมีเฟสอยู่กับที่ที่ออกฤทธิ์ยึดติดอยู่บนผิวด้านนอกของอนุภาคซิลิกาทรงกลมขนาดเล็ก อนุภาคเหล่านี้เป็นเม็ดขนาดเล็กมากในช่วงระดับไมโครและนาโน ขนาดอนุภาคของเม็ดเหล่านี้แตกต่างกัน แต่ขนาดอนุภาคประมาณ 5µm พบได้บ่อยที่สุด อนุภาคที่เล็กกว่าจะให้พื้นที่ผิวมากกว่าและแยกได้ดีกว่า แต่ความดันที่ต้องใช้เพื่อให้ได้ความเร็วเชิงเส้นที่เหมาะสมที่สุดจะเพิ่มขึ้นตามส่วนกลับของกำลังสองของเส้นผ่านศูนย์กลางอนุภาค ซึ่งหมายความว่า การใช้อนุภาคที่มีขนาดเล็กลงครึ่งหนึ่งโดยใช้คอลัมน์ขนาดเท่าเดิมจะทำให้สมรรถนะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า แต่ในขณะเดียวกัน ความดันที่ต้องใช้จะเพิ่มขึ้นเป็นสี่เท่า
อัลตราโซนิกกำลังสูงเป็นเครื่องมือที่รู้จักกันดีและได้รับการพิสูจน์แล้วสำหรับการดัดแปร / การเติมหมู่ฟังก์ชันและการกระจายตัวของอนุภาคระดับไมโครและนาโน เช่น ซิลิกา เนื่องจากให้ผลลัพธ์ในการแปรรูปอนุภาคที่สม่ำเสมอและเชื่อถือได้สูง การใช้คลื่นอัลตราโซนิกจึงเป็นวิธีที่นิยมเลือกใช้ในการผลิตอนุภาคที่เติมหมู่ฟังก์ชันแล้ว เช่น อนุภาคแบบแกน–เปลือก อัลตราซาวนด์กำลังสูงทำให้เกิดการสั่นสะเทือนและคาวิเทชัน และส่งผ่านพลังงานสำหรับปฏิกิริยาโซโนเคมี ด้วยเหตุนี้ จึงมีการใช้เครื่องอัลตราโซนิกกำลังสูงอย่างประสบความสำเร็จในการปรับสภาพอนุภาค ซึ่งรวมถึง การเติมหมู่ฟังก์ชัน / การดัดแปร, การลดขนาดและการกระจายตัว รวมถึงกระบวนการสำหรับอนุภาคนาโน ได้แก่ การสังเคราะห์ (เช่น แนวทางโซล–เจล).
ข้อดีของการดัดแปรอนุภาค / การเติมหมู่ฟังก์ชันด้วยอัลตราโซนิก
- ควบคุมขนาดอนุภาคและการดัดแปรได้ง่าย
- ควบคุมพารามิเตอร์ของกระบวนการได้อย่างครบถ้วน
- ขยายขนาดกระบวนการได้แบบเชิงเส้น
- ใช้ได้กับปริมาตรตั้งแต่เล็กมากจนถึงใหญ่มาก
- ปลอดภัย เป็นมิตรต่อผู้ใช้และสิ่งแวดล้อม
เครื่องอัลตราโซนิกแบบโพรบ UP400ST สำหรับกระจายตัวและเติมหมู่ฟังก์ชันให้กับอนุภาคนาโนซิลิกา
การเตรียมอนุภาคซิลิกาแบบแกน–เปลือกด้วยอัลตราโซนิก
อนุภาคซิลิกาแบบแกน–เปลือก (แกนตันที่มีเปลือกพรุน หรือมีรูพรุนเฉพาะบริเวณผิว) ถูกนำมาใช้มากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อการแยกที่มีประสิทธิภาพสูงด้วยอัตราการไหลที่รวดเร็วและความดันย้อนกลับที่ค่อนข้างต่ำ ข้อดีอยู่ที่แกนตันและเปลือกพรุนของอนุภาคเหล่านี้ กล่าวคือ อนุภาคแบบแกน–เปลือกทั้งอนุภาคมีขนาดใหญ่ขึ้นและทำให้สามารถใช้งาน HPLC ที่ความดันย้อนกลับต่ำลงได้ ขณะที่เปลือกพรุนและตัวแกนตันขนาดเล็กเองให้พื้นที่ผิวมากขึ้นสำหรับกระบวนการแยก ประโยชน์ของการใช้อนุภาคแบบแกน–เปลือกเป็นวัสดุบรรจุคอลัมน์ HPLC คือปริมาตรรูพรุนที่เล็กลงช่วยลดปริมาตรที่มีอยู่สำหรับการแผ่กว้างจากการแพร่ตามแนวยาว ขนาดอนุภาคและความหนาของเปลือกพรุนมีอิทธิพลโดยตรงต่อพารามิเตอร์การแยก (ดู Hayes et al. 2014)
วัสดุบรรจุที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับคอลัมน์ HPLC แบบบรรจุคือไมโครสเฟียร์ซิลิกาแบบทั่วไป อนุภาคแบบแกน–เปลือกที่ใช้สำหรับโครมาโทกราฟีมักทำจากซิลิกาเช่นกัน แต่มีแกนตันและเปลือกพรุน อนุภาคซิลิกาแบบแกน–เปลือกที่ใช้ในงานโครมาโทกราฟียังเป็นที่รู้จักในชื่ออนุภาคแบบแกนหลอมรวม แบบแกนตัน หรือแบบมีรูพรุนเฉพาะบริเวณผิว
ซิลิกาเจล สามารถสังเคราะห์ได้ด้วยแนวทางโซล–เจลทางโซโนเคมี ซิลิกาเจลเป็นชั้นบางที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับการแยกสารออกฤทธิ์ด้วยโครมาโทกราฟีแบบชั้นบาง (TLC)
คลิกที่นี่เพื่อเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับแนวทางโซโนเคมีสำหรับกระบวนการโซล–เจล!
การสังเคราะห์ด้วยอัลตราโซนิก (การสังเคราะห์แบบโซโน) สามารถประยุกต์ใช้ได้อย่างง่ายดายกับการสังเคราะห์โลหะหรือออกไซด์ของโลหะชนิดอื่นที่มีซิลิกาเป็นตัวรองรับ เช่น TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 และอีกมากมาย และไม่ได้ใช้เฉพาะสำหรับการดัดแปรซิลิกาสำหรับคาร์ทริดจ์โครมาโทกราฟีเท่านั้น แต่ยังใช้สำหรับปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาต่าง ๆ ในอุตสาหกรรมด้วย
อ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเครื่องอัลตราโซนิกสำหรับการเติมหมู่ฟังก์ชันให้กับอนุภาคนาโนสำหรับคอลัมน์ HPLC
การกระจายตัวของอนุภาคนาโนด้วยอัลตราโซนิก
การกระจายตัวให้ได้อนุภาคขนาดละเอียดและการสลายกลุ่มอนุภาคมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการให้วัสดุแสดงสมรรถนะได้เต็มที่ ดังนั้น เพื่อให้ได้การแยกที่มีสมรรถนะสูง จึงใช้อนุภาคซิลิกาที่มีขนาดสม่ำเสมอและเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเป็นอนุภาคบรรจุ การใช้คลื่นอัลตราโซนิกได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิผลในการกระจายตัวของซิลิกามากกว่าวิธีการผสมด้วยแรงเฉือนสูงแบบอื่น
กราฟด้านล่างแสดงผลการกระจายตัวของฟูมด์ซิลิกาในน้ำด้วยอัลตราโซนิก โดยวัดด้วยเครื่อง Malvern Mastersizer 2000
ก่อนและหลังการใช้คลื่นอัลตราโซนิก: เส้นโค้งสีเขียวแสดงขนาดอนุภาคก่อนการใช้คลื่นอัลตราโซนิก ส่วนเส้นโค้งสีแดงแสดงการกระจายขนาดอนุภาคของซิลิกาที่กระจายตัวด้วยอัลตราโซนิก
คลิกที่นี่เพื่ออ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับการกระจายตัวของซิลิกา (SiO2) ด้วยอัลตราโซนิก!
การอัดแน่นผงด้วยคลื่นอัลตราโซนิก
ความหนาแน่นของผงในคอลัมน์ HPLC มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำให้ได้ประสิทธิภาพการแยกสูง สมรรถนะของคอลัมน์ที่เสถียร ลักษณะการไหลที่สม่ำเสมอ เวลากักที่แม่นยำ ความสามารถในการแยกที่ดีขึ้น และอายุการใช้งานคอลัมน์ที่ยาวนานขึ้น การทำให้ความหนาแน่นในการบรรจุเหมาะสมและสม่ำเสมอเป็นพื้นฐานของการทำงานของระบบ HPLC ที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิผล การอัดแน่นผงด้วยอัลตราโซนิกสามารถช่วยบรรจุคอลัมน์และคาร์ทริดจ์ HPLC ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยให้ความหนาแน่นของผงที่เหมาะสมที่สุด
เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการอัดแน่นผงด้วยอัลตราโซนิก!
เครื่องอัลตราโซนิกระดับอุตสาหกรรมสำหรับการกระจายตัวของอนุภาคนาโนที่รองรับปริมาณการประมวลผลสูง
ข้อเท็จจริงที่ควรรู้
โครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง (HPLC) คืออะไร?
โครมาโทกราฟีสามารถอธิบายได้ว่าเป็นกระบวนการถ่ายเทมวลที่เกี่ยวข้องกับการดูดซับ โครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง (เดิมเรียกอีกชื่อหนึ่งว่าโครมาโทกราฟีของเหลวความดันสูง) เป็นเทคนิคการวิเคราะห์ที่สามารถแยก ระบุชนิด และหาปริมาณขององค์ประกอบแต่ละชนิดในสารผสมได้ อีกทางหนึ่ง โครมาโทกราฟีระดับเตรียมสารใช้สำหรับการทำวัสดุปริมาณมากให้บริสุทธิ์ในระดับการผลิต สารที่วิเคราะห์โดยทั่วไป ได้แก่ โมเลกุลอินทรีย์ ชีวโมเลกุล ไอออน และพอลิเมอร์
หลักการแยกด้วย HPLC อาศัยการส่งเฟสเคลื่อนที่ (น้ำ ตัวทำละลายอินทรีย์ เป็นต้น) ผ่านเฟสอยู่กับที่ (วัสดุบรรจุที่เป็นอนุภาคซิลิกา วัสดุโมโนลิท เป็นต้น) ในคอลัมน์ ซึ่งหมายความว่า ตัวทำละลายของเหลวภายใต้ความดันที่มีสารประกอบละลายอยู่ (สารละลายตัวอย่าง) จะถูกปั๊มผ่านคอลัมน์ที่บรรจุวัสดุดูดซับของแข็ง เช่น อนุภาคซิลิกาที่ผ่านการดัดแปร เนื่องจากองค์ประกอบแต่ละชนิดในตัวอย่างมีปฏิสัมพันธ์กับวัสดุดูดซับแตกต่างกันเล็กน้อย อัตราการไหลขององค์ประกอบแต่ละชนิดจึงแตกต่างกัน และทำให้องค์ประกอบแยกออกจากกันขณะไหลออกจากคอลัมน์ องค์ประกอบและอุณหภูมิของเฟสเคลื่อนที่เป็นพารามิเตอร์ที่สำคัญมากสำหรับกระบวนการแยก โดยมีอิทธิพลต่อปฏิสัมพันธ์ที่เกิดขึ้นระหว่างองค์ประกอบของตัวอย่างกับวัสดุดูดซับ การแยกนี้อาศัยการแบ่งส่วนของสารประกอบระหว่างเฟสอยู่กับที่และเฟสเคลื่อนที่
ผลการวิเคราะห์ด้วย HPLC แสดงในรูปโครมาโทแกรม โครมาโทแกรมเป็นแผนภาพสองมิติ โดยแกนตั้ง (แกน y) แสดงความเข้มข้นในรูปการตอบสนองของตัวตรวจวัด และแกนนอน (แกน x) แสดงเวลา
อนุภาคซิลิกาสำหรับคาร์ทริดจ์แบบบรรจุ
อนุภาคซิลิกาสำหรับงานโครมาโทกราฟีมีพื้นฐานจากพอลิเมอร์ซิลิกาสังเคราะห์ โดยส่วนใหญ่ผลิตจาก tetraethoxysilane ซึ่งถูกไฮโดรไลซ์บางส่วนเป็น polyethoxysiloxanes เพื่อให้เกิดของเหลวหนืดที่สามารถทำให้เป็นอิมัลชันในส่วนผสมของเอทานอลกับน้ำภายใต้การใช้คลื่นอัลตราโซนิกอย่างต่อเนื่อง การกวนด้วยอัลตราโซนิกทำให้เกิดอนุภาคทรงกลม ซึ่งเปลี่ยนเป็นไฮโดรเจลซิลิกาผ่านการควบแน่นแบบไฮโดรไลติกที่เหนี่ยวนำด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา (เรียกว่าวิธี ‘Unger’) การควบแน่นแบบไฮโดรไลติกทำให้เกิดการเชื่อมขวางอย่างกว้างขวางผ่านหมู่ silanol บนพื้นผิว จากนั้นนำทรงกลมไฮโดรเจลไปเผาแคลไซน์เพื่อผลิตซีโรเจล ขนาดอนุภาคและขนาดรูพรุนของซีโรเจลซิลิกาที่มีความพรุนสูง (โซล–เจล) ได้รับอิทธิพลจากค่า pH อุณหภูมิ ตัวเร่งปฏิกิริยาและตัวทำละลายที่ใช้ ตลอดจนความเข้มข้นของโซลซิลิกา
อนุภาคไม่มีรูพรุนเทียบกับอนุภาคมีรูพรุน
ไมโครสเฟียร์ซิลิกาทั้งแบบไม่มีรูพรุนและแบบมีรูพรุนใช้เป็นเฟสอยู่กับที่ในคอลัมน์ HPLC สำหรับอนุภาคขนาดเล็กที่ไม่มีรูพรุน การแยกเกิดขึ้นบนผิวอนุภาค และการแผ่กว้างของแถบสารลดลงเนื่องจากระยะทางการแพร่สั้น จึงทำให้การถ่ายเทมวลเกิดขึ้นเร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม พื้นที่ผิวที่ต่ำทำให้ผลลัพธ์มีความแม่นยำน้อยลง เนื่องจากการกัก เวลากัก ความเลือกจำเพาะ และด้วยเหตุนี้ ความสามารถในการแยก จึงมีข้อจำกัด ความสามารถในการรองรับปริมาณสารที่ป้อนก็เป็นปัจจัยสำคัญเช่นกัน ไมโครสเฟียร์ซิลิกาแบบมีรูพรุนมีทั้งผิวอนุภาคและผิวรูพรุนเพิ่มเติม จึงให้พื้นที่สัมผัสมากขึ้นสำหรับปฏิสัมพันธ์กับสารที่วิเคราะห์ เพื่อให้มีการถ่ายเทมวลเพียงพอระหว่างการแยกในเฟสของเหลว ขนาดรูพรุนต้องมากกว่า ∼7nm สำหรับการแยกชีวโมเลกุลขนาดใหญ่ จำเป็นต้องใช้ขนาดรูพรุนสูงถึง 100nm เพื่อให้ได้การแยกที่มีประสิทธิภาพ
วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง
- Czaplicki, Sylwester (2013): โครมาโทกราฟีในการวิเคราะห์ฤทธิ์ทางชีวภาพของสารประกอบ ใน: โครมาโทกราฟีแบบคอลัมน์, Dr. Dean Martin (บรรณาธิการ), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): อนุภาคแบบแกน–เปลือก: การเตรียม หลักการพื้นฐาน และการประยุกต์ใช้ในโครมาโทกราฟีของเหลวสมรรถนะสูง J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): การสังเคราะห์และการศึกษาลักษณะเฉพาะของนาโนเซอร์โคเนียที่เติมซัลเฟตบนซิลิกาซึ่งมีประสิทธิผลสูง: ตัวเร่งปฏิกิริยาแบบแกน–เปลือกโดยการฉายคลื่นอัลตราโซนิก. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104