HPLC Kolonları İçin Ultrasonik Parçacık Modifikasyonu
HPLC’deki zorluklar, çok çeşitli numuneler için hızlı ve verimli bir ayırma sağlamaktır. Sonikasyon, nanoparçacıkların, örneğin silika veya zirkonya mikrokürelerinin modifiye edilmesine ve işlevselleştirilmesine olanak tanır. Ultrasonikasyon, özellikle HPLC kolonları için çekirdek–kabuk silika parçacıklarının sentezlenmesinde çok başarılı bir tekniktir.
Silika Parçacıklarının Ultrasonik Modifikasyonu
Parçacık yapısı ve parçacık boyutunun yanı sıra gözenek boyutu ve pompa basıncı, HPLC analizini etkileyen en önemli parametrelerdir.
Çoğu HPLC sistemi, küçük küresel silika parçacıklarının dış yüzeyine bağlanmış aktif sabit faz ile çalışır. Parçacıklar, mikro ve nano boyut aralığında çok küçük boncuklardır. Boncukların parçacık boyutları değişiklik gösterir, ancak en yaygın parçacık boyutu yaklaşık 5µm’dir. Daha küçük parçacıklar daha geniş bir yüzey alanı ve daha iyi bir ayırma sağlar, ancak optimum doğrusal hız için gereken basınç, parçacık çapının karesinin tersiyle orantılı olarak artar. Bu, aynı kolon boyutunda yarı boyuttaki parçacıkların kullanılmasının performansı iki katına çıkardığı, ancak aynı zamanda gereken basıncı dört katına çıkardığı anlamına gelir.
Güç ultrasoniği, silika gibi mikro ve nanoparçacıkların modifikasyonu / işlevselleştirilmesi ve dispersiyonu için iyi bilinen ve kanıtlanmış bir araçtır. Parçacık işlemede tutarlı ve son derece güvenilir sonuçlar sağlaması nedeniyle sonikasyon, işlevselleştirilmiş parçacıklar (örneğin çekirdek–kabuk parçacıkları) üretmek için tercih edilen yöntemdir. Güç ultrasonu titreşim ve kavitasyon oluşturur ve sonokimyasal reaksiyonlar için enerji sağlar. Böylece yüksek güçlü ultrasonikatörler, aşağıdakileri içeren parçacık işlemlerinde başarıyla kullanılır: işlevselleştirme / modifikasyon, boyut küçültme ve dispersiyon ve nanoparçacık sentezi (örneğin sol-jel yolları).
Ultrasonik parçacık modifikasyonunun / işlevselleştirilmesinin avantajları
- parçacık boyutunun ve modifikasyonunun kolay kontrolü
- proses parametreleri üzerinde tam kontrol
- doğrusal ölçeklenebilirlik
- çok küçük hacimlerden çok büyük hacimlere kadar uygulanabilirlik
- güvenli, kullanıcı ve çevre dostu
UP400ST prob tipi sonikatörü silika nanoparçacıklarını disperse eder ve işlevselleştirir
Çekirdek–Kabuk Silika Parçacıklarının Ultrasonik Hazırlanması
Çekirdek–kabuk silika parçacıkları (gözenekli kabuğa sahip katı çekirdekli veya yüzeysel gözenekli), yüksek debi ve nispeten düşük geri basınçla son derece verimli ayırma için giderek daha fazla kullanılmaktadır. Avantajları, katı çekirdeklerinde ve gözenekli kabuklarında yatmaktadır: Çekirdek–kabuk parçacığının bütünü daha büyük bir parçacık oluşturur ve HPLC’nin daha düşük bir geri basınçta çalıştırılmasına olanak tanırken, gözenekli kabuk ve küçük katı çekirdeğin kendisi ayırma prosesi için daha geniş bir yüzey alanı sağlar. Çekirdek–kabuk parçacıklarının HPLC kolonlarında dolgu malzemesi olarak kullanılmasının yararı, daha küçük gözenek hacminin boyuna difüzyondan kaynaklanan genişleme için mevcut hacmi azaltmasıdır. Parçacık boyutu ve gözenekli kabuğun kalınlığı, ayırma parametrelerini doğrudan etkiler. (bkz. Hayes ve ark. 2014)
Dolgulu HPLC kolonlarında en sık kullanılan dolgu malzemeleri, geleneksel silika mikroküreleridir. Kromatografide kullanılan çekirdek–kabuk parçacıkları da genellikle silikadan yapılır, ancak katı bir çekirdeğe ve gözenekli bir kabuğa sahiptir. Kromatografik uygulamalarda kullanılan çekirdek–kabuk silika parçacıkları, kaynaşmış çekirdekli, katı çekirdekli veya yüzeysel gözenekli parçacıklar olarak da bilinir.
Silika jelleri sonokimyasal sol-jel yoluyla sentezlenebilir. Silika jelleri, aktif maddelerin ince tabaka kromatografisi (TLC) ile ayrılmasında en sık kullanılan ince tabakadır.
Sol-jel proseslerinin sonokimyasal yolu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Ultrasonik sentez (sono-sentez), TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 ve daha pek çok örnek gibi diğer silika destekli metallerin veya metal oksitlerin sentezine kolaylıkla uygulanabilir ve hem kromatografik kartuşlar için silika modifikasyonunda hem de çeşitli endüstriyel katalitik reaksiyonlarda kullanılır.
HPLC kolonları için nanoparçacık işlevselleştirmede kullanılan sonikatörler hakkında daha fazla bilgi edinin
Nanoparçacıkların Ultrasonik Dispersiyonu
Parçacıkların ince boyutlu dispersiyonu ve deaglomerasyonu, malzemenin tam performansını elde etmek için özellikle önemlidir. Bu nedenle, yüksek performanslı ayırma için daha küçük çaplı monodispers silika parçacıkları dolgu parçacıkları olarak kullanılır. Sonikasyonun, silikanın dispersiyonunda diğer yüksek kesmeli karıştırma yöntemlerinden daha etkili olduğu kanıtlanmıştır.
Aşağıdaki grafik, füme silikanın suda ultrasonik dispersiyonunun sonucunu göstermektedir. Ölçümler, Malvern Mastersizer 2000 kullanılarak elde edilmiştir.
Sonikasyon öncesi ve sonrası: Yeşil eğri sonikasyon öncesindeki parçacık boyutunu gösterirken, kırmızı eğri ultrasonik olarak disperse edilmiş silikanın parçacık boyutu dağılımını göstermektedir.
Silikanın (SiO2) ultrasonik dispersiyonu hakkında daha fazla bilgi edinmek için buraya tıklayın!
Sonikasyon Kullanılarak Toz Sıkıştırma
HPLC kolonlarındaki toz yoğunluğu; yüksek ayırma verimliliği, kararlı kolon performansı, tutarlı akış özellikleri, doğru alıkonma süreleri, iyileştirilmiş çözünürlük ve uzatılmış kolon ömrü elde etmek için gereklidir. Uygun ve homojen dolgu yoğunluğunun sağlanması, HPLC sistemlerinin güvenilir ve etkili çalışması için temel öneme sahiptir. Ultrasonik toz sıkıştırma, HPLC kolonlarının ve kartuşlarının optimum toz yoğunluğuyla verimli bir şekilde doldurulmasına yardımcı olabilir.
Ultrasonik toz sıkıştırma hakkında daha fazla bilgi edinin!
Nanoparçacıkların yüksek işleme kapasitesiyle dispersiyonu için endüstriyel sonikatörler
Bilinmesi Gereken Bilgiler
Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi (HPLC) Nedir?
Kromatografi, adsorpsiyon içeren bir kütle aktarımı prosesi olarak tanımlanabilir. Yüksek performanslı sıvı kromatografisi (önceleri yüksek basınçlı sıvı kromatografisi olarak da bilinirdi), bir karışımın her bir bileşeninin ayrılabildiği, tanımlanabildiği ve miktarının belirlenebildiği bir analiz tekniğidir. Alternatif olarak, preparatif ölçekli kromatografi, üretim ölçeğinde büyük malzeme partilerinin saflaştırılması için kullanılır. Tipik analitler organik moleküller, biyomoleküller, iyonlar ve polimerlerdir.
HPLC ile ayırmanın ilkesi, bir hareketli fazın (su, organik çözücüler vb.) bir kolondaki sabit fazdan (parçacıklı silika dolguları, monolitler vb.) geçirilmesine dayanır. Bu, çözünmüş bileşikleri içeren basınçlı bir sıvı çözücünün (numune çözeltisi), katı bir adsorban malzemeyle (örneğin modifiye edilmiş silika parçacıkları) doldurulmuş bir kolondan pompalanması anlamına gelir. Numunedeki her bileşen adsorban malzemeyle biraz farklı etkileşime girdiğinden, farklı bileşenlerin debileri değişir ve bu da kolondan çıkarken bileşenlerin ayrılmasını sağlar. Hareketli fazın bileşimi ve sıcaklığı, numune bileşenleri ile adsorban arasında gerçekleşen etkileşimleri etkileyen, ayırma prosesi açısından çok önemli parametrelerdir. Ayırma, bileşiklerin sabit ve hareketli faz arasında dağılımına dayanır.
HPLC analiz sonuçları bir kromatogram olarak görselleştirilir. Kromatogram, ordinatın (y ekseni) dedektör yanıtı cinsinden konsantrasyonu verdiği ve apsisin (x ekseni) zamanı temsil ettiği iki boyutlu bir diyagramdır.
Dolgulu Kartuşlar İçin Silika Parçacıkları
Kromatografik uygulamalara yönelik silika parçacıkları, sentetik silika polimerlerine dayanır. Çoğunlukla, sürekli sonikasyon altında etanol–su karışımında emülsifiye edilebilen viskoz bir sıvı oluşturmak amacıyla polietoksisiloksanlara kısmen hidrolize edilen tetraetoksisilandan üretilirler. Ultrasonik çalkalama, katalitik olarak indüklenen hidrolitik kondenzasyon yoluyla (‘Unger’ yöntemi olarak bilinir) silika hidrojellerine dönüştürülen küresel parçacıklar oluşturur. Hidrolitik kondenzasyon, yüzeydeki silanol türleri aracılığıyla kapsamlı çapraz bağlanmaya neden olur. Ardından, hidrojel küreleri kserojel üretmek üzere kalsine edilir. Yüksek gözenekliliğe sahip silika kserojelinin (sol-jel) parçacık boyutu ve gözenek boyutu; pH değerinden, sıcaklıktan, kullanılan katalizör ve çözücülerden ve silika solünün konsantrasyonundan etkilenir.
Gözeneksiz ve Gözenekli Parçacıkların Karşılaştırılması
HPLC kolonlarında hem gözeneksiz hem de gözenekli silika mikroküreleri sabit faz olarak kullanılır. Küçük gözeneksiz parçacıklarda ayırma, parçacık yüzeyinde gerçekleşir ve kısa difüzyon yolu nedeniyle bant genişlemesi azalır; böylece daha hızlı kütle aktarımı gerçekleşir. Ancak düşük yüzey alanı, alıkonma, alıkonma süresi, seçicilik ve dolayısıyla çözünürlük sınırlı olduğundan daha az kesin sonuçlara yol açar. Yükleme kapasitesi de kritik bir faktördür. Gözenekli silika mikroküreleri, parçacık yüzeyine ek olarak gözenek yüzeyini de sağlar; bu yüzey, analitlerle etkileşim için daha geniş bir temas alanı sunar. Sıvı fazda ayırma sırasında yeterli kütle taşınımını sağlamak için gözenek boyutları ∼7nm’den büyük olmalıdır. Büyük biyomoleküllerin ayrılmasında verimli bir ayırma elde etmek için 100nm’ye kadar gözenek boyutları gereklidir.
Literatür/Kaynaklar
- Czaplicki, Sylwester (2013): Bileşiklerin Biyoaktivite Analizinde Kromatografi. İçinde: Kolon Kromatografisi, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): Çekirdek–kabuk parçacıkları: Yüksek performanslı sıvı kromatografisinde hazırlama, temel ilkeler ve uygulamalar. J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): Silika Üzerinde Son Derece Etkili Nano Sülfatlanmış Zirkonyanın Sentezi ve Karakterizasyonu: Ultrasonik Işınlama ile Çekirdek–Kabuk Katalizörü. American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104