Miniaturisierte LC Systeme

Science oder Fiction?

  • Abb. 1: Schematischer Vergleich des HPLC-Systemaufbaus Anno-1980 und Anno-2018.Abb. 1: Schematischer Vergleich des HPLC-Systemaufbaus Anno-1980 und Anno-2018.

Die Entwicklung von HPLC-Systemen, die für kleine Flussraten ausgelegt sind, hat in der letzten Zeit deutlich an Fahrt aufgenommen. Dabei verfolgen die Hersteller unterschiedliche technische Ansätze. Während die Einen teilweise auf die Umrüstung ihrer bestehenden Systeme setzen, konzipieren die Anderen spezielle Low-Flow Systeme, die zum Teil auch einen geringeren Platz beanspruchen.

Um eine hohe Trenneffizienz bei Verwendung von Säulen mit einem Innendurchmesser (ID) von 300 µm zu gewährleisten, müssen alle Volumina, die zu einer Bandenverbreiterung führen, signifikant reduziert werden. Wir haben diesen Sachverhalt im Beitrag „Mikro-LC-Grundlagen“ (https://www.git-labor.de/forschung/chemie-physik/mikro-lc-grundlagen?remove_param=true) ausführlich erläutert. Neben der Reduzierung der Tot- und Systemvolumina muss ein Mikro-LC System in der Lage sein, eine Flussrate zwischen
10 µL min-1 und 50 µL min-1 zu generieren. Diese Vorgabe kann über zwei unterschiedliche Lösungsansätze realisiert werden.

Konventionell

Bei der einen Variante wird ein konventionelles System, das für „High-Flow“-Anwendungen ausgelegt ist, technisch modifiziert. Dies kann z. B. über eine elektronische Flusskontrolle erfolgen. Hierbei wird durch eine Echtzeitanpassung der Flussrate in Form eines Flusssplitters vor der Trennsäule ein Mikro- bzw. Nanofluss generiert. Des Weiteren muss das Gradientenverweilvolumen (GDV, gradient dwell volume) reduziert werden, indem z. B. der Mischer bzw. die Mischkammer ausgebaut wird. Bei Flussraten von weniger als 50 µL min-1 wird eine präzise Mischung der Eluentenströme bereits durch die Axialdiffusion in den Kapillaren erreicht, wenn der Innendurchmesser der Kapillaren kleiner als 50 µm ist (https://www.git-labor.de/forschung/chemie-physik/hplc-pumpen-split-oder-splitless?remove_param=true).

Bei einem Blick in die technischen Spezifikationen „klassischer“ UHPLC-Systeme ist festzustellen, dass die Pumpen häufig für einen Mikrofluss bis 10 µL min-1 spezifiziert sind. Würde keine Anpassung des GDV erfolgen und dieses ein Volumen von 50  µL aufweisen, würde es bei einer Flussrate von 10 µL min-1 bereits fünf Minuten dauern, bis der Gradient die Säule erreicht. Kleine Zykluszeiten sind auf diese Weise nicht zu erreichen. Bei der zweiten Variante werden z. B. pneumatische Spritzenpumpen verwendet, die einen echten Mikro- oder Nanofluss generieren. Der Vorteil ist, dass eine Einsparung von Lösungsmitteln erfolgt, weil der Eluentenstrom vor der Säule nicht aufgesplittet werden muss.

Der zweite Punkt betrifft das Injektionsvolumen. Wie wir im Beitrag „Miniaturisierung in der Chromatographie (https://www.git-labor.de/forschung/chemie-physik/miniaturisierung-der-chromatographie?remove_param=true) dargelegt haben, existieren technische Lösungen, um Volumina von weniger als 100 nL mit konventionellen Autosamplern reproduzierbar auf die Trennsäule zu übertragen. Ein Nachteil bei konventionellen Systemen, die für Mikro- oder Nano-HPLC-Anwendungen umgerüstet werden können, sind die teilweise beträchtlichen Wege von mehr als 50 cm zwischen dem Injektor und der Trennsäule. Dies kann sowohl zu einer starken Bandenverbreiterung vor der Säule als auch zu langen Verzögerungszeiten führen, bis der Injektionspfropfen tatsächlich die Säule erreicht. All das sollte berücksichtigt werden, auch wenn die Angaben der Hersteller im Prinzip einen Mikro-LC-Fluss spezifizieren.

Der dritte Punkt betrifft den Detektor. Auch hier gibt es, wie im Beitrag „Der Detektor“ (https://www.git-labor.de/forschung/pharma-drug-discovery/der-detektor?remove_param=true) erläutert, für jede Detektionsart eine passende Lösung, die in der Kopplung mit der Mikro-LC geeignet ist und nur in geringem Maße zu einer Bandenverbreiterung führt. Insbesondere die Kopplung mit der Massenspektrometrie ist besonders gut geeignet, weil durch einen einfachen Tausch des Emitters eine Bandenverbreiterung reduziert werden kann. Bei spektroskopischen Detektoren ist die Verringerung des System- bzw. Zellvolumens leider immer mit einem Verlust an Signalintensität verbunden.

Bezüglich des generellen Systemaufbaus ist es so, dass viele HPLC-Systeme, die als Mikro-LC-Systeme nutzbar sind, durch einen klassischen Aufbau gekennzeichnet sind. Dieser Sachverhalt ist anschaulich in Abbildung 1 illustriert. Obwohl sich die aktuellen Geräteserien durch viele technische Innovationen auszeichnen, hat sich in Bezug auf den Platzbedarf nicht viel geändert.

Holistisch

Einige Unternehmen, und hier sind insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) zu nennen, haben in den vergangenen Jahren zahlreiche Neuerungen auf den Markt gebracht. Hierbei handelt es sich vorwiegend um spezielle Pumpensysteme, die allerdings nicht in ein Gesamtsystem integriert sind und deshalb nur Insellösungen darstellen. Das Problem für den Anwender besteht dann darin, unterschiedliche Einzelmodule zu einem kommunizierenden Gesamtsystem zusammenzufügen, das nach Möglichkeit über eine einzige Software steuerbar ist. Genau dieses Problem verzögert derzeit eine großflächige Nutzung miniaturisierter HPLC-Systeme. Kein Routinelabor hat die personellen und / oder technischen Ressourcen, Entwicklungsarbeiten zu leisten. Nach wie vor sind die Hersteller gefordert, Komplettlösungen für den Kunden bereit zu stellen. Großunternehmen fokussieren sich i. d. R. auf stärker gewinnbringende Marktsegmente. Die Mikro-LC ist leider immer noch eine Nischentechnologie. Viele KMU sind Innovationstreiber mit hochspezialisierten Einzelprodukten. Sie haben gegenüber Großunternehmen allerdings weder entsprechende Marketingkapazitäten noch genügend Forschungsressourcen, um das Problem einer ganzheitlichen Systemintegration zu lösen. Dies ist nur in einem gemeinsamen Verbund möglich.

Fazit

Die Entwicklung immer robusterer Low-Flow Systeme wird aktuell von allen Herstellern adressiert. Die angesprochenen Insellösungen haben ihren Charme, allerdings mangelt es derzeit noch an Konzepten, um unterschiedliche Module verschiedener Hersteller zu einem für den Nutzer ganzheitlichen Ansatz zu verbinden.

Autoren
Thorsten Teutenberg1, Terence Hetzel2, Juri Leonhardt3

Zugehörigkeiten
1Institut für Energie- und Umwelttechnik e. V., IUTA, Duisburg, Deutschland
2Bayer AG, Wuppertal, Deutschland
3Currenta GmbH & Co. OHG, Dormagen, Deutschland

Kontakt
Dr. Thorsten Teutenberg

Institut für Energie- und
Umwelttechnik e. V. (IUTA)
Bereichsleiter Forschungsanalytik
& Miniaturisierung
Duisburg, Deutschland
teutenberg@iuta.de

Haben Sie Fragen zur Anwendung und Technik im Bereich Mikro-LC und 2D-LC? Fragen Sie die Experten vom IUTA: adlichrom@iuta.de

Möchten Sie mehr zum Thema Mikro-LC lernen? Schauen Sie sich das Projekt "Fortschrittliche Chromatographie" an.

Grundlagen der Mikro-LC finden Sie kompakt in der Chemgapedia Lerneinheit Mikro-LC.

Grundlagen der 2D-LC finden Sie in der Chemgapedia Lerneinheit 2D-LC

 

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