Golfball-Partikel für die HPLC

Nichtporöse High-Surface-Partikel für hochauflösende Trennungen

  • Abb. 1: Strömungsprofil um einen nichtporösen Partikel mit glatter Oberfläche (links) und um einen Partikel mit golfballähnlicher Morphologie (rechts).Abb. 1: Strömungsprofil um einen nichtporösen Partikel mit glatter Oberfläche (links) und um einen Partikel mit golfballähnlicher Morphologie (rechts).
  • Abb. 1: Strömungsprofil um einen nichtporösen Partikel mit glatter Oberfläche (links) und um einen Partikel mit golfballähnlicher Morphologie (rechts).
  • Abb. 2: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (70000-fache Vergrößerung) eines Silica-Partikels mit golfballähnlicher Morphologie.
  • Abb. 3: HPLC-Analyse polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK). HS-NPP-C18 33 x 4.6 mm; 70% Wasser, 22% Acetonitril, 8% Tetrahydrofuran; 1 mL pro min; 25°C.
  • Abb. 4: Hydrolyse und Kondensation von Tetraethoxysilan (TEOS) zu einem dreidimensionalen Siliciumdioxid-Netzwerk.
  • Tab. 1: Vergleich verschiedener der Partikeltechnologien: High-Surface Nonporous Particle (HS-NPP), Fused-Core Particle (FCP), Totalporous Particle (TPP); Angaben der Firma Dr. Maisch GmbH.

Die Anwendung nichtporöser Silica-Partikel in der HPLC ist aufgrund ihrer kleinen Oberfläche und der damit verbundenen geringeren Retention begrenzt. Eine Ausnahme stellt wegen des sehr schnellen Stoffaustauschs die Analyse von Makromolekülen dar. Mit einer neuen Synthesetechnik sind nichtporöse Partikel mit golfballähnlicher Morphologie zugänglich, deren vergrößerte Oberfläche und verbessertes Strömungsprofil den Einsatz in komplexeren HPLC-Analysen dank hoher Bodenzahlen und niedrigem Gegendruck ermöglicht.

Totalporöse Silica-Partikel (TPP) ermöglichen in der HPLC aufgrund ihrer großen spezifischen Oberfläche eine Maximierung der Wechselwirkungen zwischen stationärer und mobiler Phase und damit der Retention, wodurch der Einsatz von kurzen Trennsäulen möglich ist. In den 1990er Jahren wurde eine Verringerung der verwendeten Partikeldurchmesser (dP) von 5 µm auf bis zu 1.5 µm beobachtet, was zu einer deutlichen Steigerung der Trenneffizienz führte; dies erfolgte allerdings auf Kosten des resultierenden Gegendrucks (Δp ~ dp-2) und mit Problemen der Peakverbreiterung durch Systemvolumina [1]. Mit der Entwicklung der UHPLC-Geräte in den 2000er Jahren konnten sub-2 µm-Partikel erfolgreich eingesetzt werden [2]. Etwa zur selben Zeit wurden die schon länger bekannten Core-Shell-Materialien (Fused-Core-Partikel, FCP) zwischen 2 µm und 3 µm Durchmesser populär [3,4]. Trennsäulen auf der Basis von FCP weisen schmalere Elutionsbanden auf als totalporöse Materialien desselben Durchmessers, auch wenn die Ursache dafür unterschiedlich interpretiert wird: Einerseits kann der positive Einfluss auf eine enge Partikelgrößenverteilung zurückgeführt werden; andererseits spielt auch ein besserer Massentransfer eine Rolle [5]. Die Nachteile von TPP und FCP sind auftretende Ausschlusseffekte, wenn das Porensystem für Analyten nicht oder nur eingeschränkt zugänglich ist [6]. Bei FCP ist dieser Effekt häufiger sichtbar, da die Zugänglichkeit von Poren, die kleiner als 100 Å und mit C18-Ketten funktionalisiert sind, reduziert ist [4,7]. Ein begrenztes Anwendungsspektrum haben Trennsäulen nichtporöser Partikel (NPP), da sie durch ihre kleine Oberfläche ein geringes Retentionsvermögen haben.

In der Analyse von Makromolekülen und Proteinen hingegen sind NPP etabliert, da ihre Oberfläche ungehindert zugänglich ist und somit ein schneller Stoffaustausch möglich ist [8].

Golfballeffekt

Eine aufgeraute Partikeloberfläche vergrößert nicht nur die chromatographisch aktive Fläche, sondern senkt auch den resultierenden Gegendruck der Säule, da die durch den strömenden Eluenten verursachte Wirbelzone hinter den Partikeln kleiner ist. Die Silica-Partikel ähneln damit Golfbällen, deren Druckwiderstand durch die Vertiefungen (dimples) auf der Oberfläche um bis zu 50 % reduziert ist (Abb. 1) [9].

Partikelwachstum und Funktionalisierung

Nichtporöse Silica-Partikel können über einen modifizierten Stöber-Prozess aus Tetraethoxysilan (TEOS) hergestellt werden [10]. Das über die Reaktionsbedingungen kontrollierte Gleichgewicht zwischen Hydrolyse und Kondensation bestimmt die finale Partikelgröße (Abb. 4). Unabhängig von diesem Wachstumsprozess lässt sich die Partikeloberfläche mit organischen Molekülen funktionalisieren, wobei entsprechende Organosilane zum Einsatz kommen.

Nichtporöse Partikel mit nanostrukturierter Oberfläche

Auf dem beschriebenen Weg wurden Silica-Partikel mit einem Durchmesser von 1.3 µm synthetisiert. Die golfballähnliche Oberfläche wurde anschließend durch ein basisches Polymer templatgestützt mithilfe eines zweiten Sol-Gel-Prozesses modifiziert. Das Templat wurde durch Kalzinieren der Partikel entfernt und die Oberfläche mit Octadecylsilan funktionalisiert. Der mittlere Partikeldurchmesser beträgt 1.37 µm. Die enge Partikelgrößenverteilung (d90/d10 < 1.1) ist mitverantwortlich für den relativ niedrigen Gegendruck und scheint auch die Bodenzahl positiv zu beeinflussen (h = 1.3 - 2.0). In REM-Aufnahmen kann die nanostrukturierte, golfballähnliche Oberfläche visualisiert werden (Abb. 2). Mit einer 33 x 4.6 mm Trennsäule wurden für den Analyten Biphenyl und dem Eluenten Wasser, Acetonitril, Tetrahydrofuran (70/22/8) und einem Fluss von 0.9 mL pro Minute bei 25°C bereits 498.000 theoretische Trennböden pro Meter realisiert (Tab. 1). Aufgrund der verbesserten Strömungseigenschaften um die Partikel beträgt der Gegendruck der Säule nur 190 bar [11].

Vergleich der Technologien

Die spezifischen Oberflächen klassischer nichtporöser Partikel (NPP) betragen 2-3 m2 pro Gramm, die der hier beschriebenen neuen Partikel hingegen 32 m2 pro Gramm (Tab. 1). Sie werden daher auch als High-Surface Nonporous Particles (HS-NPP) bezeichnet. Fused-Core-Partikel (FCP) haben aufgrund ihrer porösen Hülle zwar eine spezifische Oberfläche von etwa 100 m2 pro Gramm, jedoch auch eine geringere Dichte der Säulenpackung, verglichen mit HS-NPS. Damit bleibt die spezifische Oberfläche pro Säule und die Retention vergleichbar. Lediglich totalporöse Partikel (TPP) ermöglichen spezifische Oberflächen um 320 m2 pro Gramm (Tab. 1). HS-NPP kombinieren die Vorteile nichtporöser, Fused-Core- und totalporöser Partikel und ermöglichen mit ausreichend großer Oberfläche einen optimalen Stoffaustausch bei niedrigem Gegendruck.

Fazit

Mit HS-NPP können anspruchsvolle HPLC-Trennungen bei einem relativ niedrigen Gegendruck mit kurzen Analysezeiten und hohen Bodenzahlen durchgeführt werden. Sie eignen sich daher für die schnelle Analytik komplexer Gemische (z. B. polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe, Abb. 3) und für Makromoleküle und Proteine (z. B. in der pharmazeutischen Forschung).

Die High-Surface Nonporous Particle-Technologie soll das Säulenportfolio erweitern und eine hinsichtlich Analysezeit, Empfindlichkeit und Auflösung optimierte Trennmethode etablieren. Aufgrund der kombinierten Vorteile aus bisherigen Materialien können sie als ein Bindeglied zwischen nichtporösen und porösen Trennsäulen angesehen werden.

Autoren
Dennis Max Meisel1, Johannes Maisch2, Jürgen Maier-Rosenkranz2,3, Hermann August Mayer1

Zugehörigkeiten
1Institut für Anorganische Chemie, Eberhard Karls Universität Tübingen, Deutschland
2Dr. Maisch HPLC GmbH, Ammerbuch, Deutschland
3JMR-ANALYTIK, Rottenburg am Neckar, Deutschland

Kontakt 
Prof. Dr. Hermann A. Mayer
Institut für Anorganische Chemie
Eberhard Karls Universität Tübingen
Tübingen, Deutschland
hermann.mayer@uni-tuebingen.de

Referenzen:

[1] Maier-Rosenkranz J., Maisch A., Kupka A. und Földi P., Superior Precolumn Derivatization of Biological Amines with Fluorenyl Derivatives using the ADAM-EVE Approach, LC GC International 7, 509-516 (1994).

[2] Kirkland J. J., Ultrafast Reversed-Phase High-Performance Liquid Chromatographic Separations: An Overview, Journal of Chromatographic Science 38, 535-544 (2000), DOI: 10.1093/chromsci/38.12.535.

[3] Kirkland J. J., Superficially porous silica microspheres for the fast high-performance liquid chromatography of macromolecules, Analytical Chemistry 64, 1239-1245 (1992), DOI: 10.1021/ac00035a009.

[4] DeStefano J. J., Langlois T. J. und Kirkland J. J., Characteristics of Superficially-Porous Silica Particles for Fast HPLC: Some Performance Comparisons with Sub-2-µm Particles, Journal of Chromatographic Science 46, 254-260 (2008), DOI: 10.1093/chromsci/46.3.254.

[5] Gritti F., Guiochon G., Facts and Legends About Columns Packed with Sub-3-µm Core-Shell Particles, LCGC North America 30, 586-595 (2012).

[6] Wagner B. M., Schuster S. A., Boyes B. E. und Kirkland J. J., Superficially porous silica particles with wide pores for biomacromolecular separations, Journal of Chromatography A 1264, 22-30 (2012), DOI: 10.1016/j.chroma.2012.09.052.

[7] Teutenberg T., Hetzel T. und Leonhardt J., Die Säule, GIT Labor-Fachzeitschrift 61, 38-40 (2017).

[8] Unger K. K., Jilge O., Kinkel J. N. und Hearn M. T. W., Evaluation of advanced silica packings for the separation of biopolymers by high-performance liquid chromatography II. Performance of non-porous monodisperse 1.5-μm Silica beads in the separation of proteins by reversed-phase gradient elution high-performance liquid chromatography, Journal of Chromatography A 359, 61-72 (1986), DOI: 10.1016/0021-9673(86)80062-0.

[9] Choi J., Woo-Pyung J. und Haecheon C., Mechanism of drag reduction by dimples on a sphere, Physics of Fluids 18, 041702 (2006), DOI: 10.1063/1.2191848.

[10] Stöber W., Fink A. und Bohn E., Controlled growth of monodisperse silica spheres in the micron size range, Journal of Colloid and Interface Science 26, 62-69 (1968), DOI: 10.1016/0021-9797(68)90272-5.

[11] Maisch J., Mayer H. A. und Maisch A.: Patent Nr. 10 2017 009 236.2, angemeldet 2017.

 

Fortschrittliche Chromatographie

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Auf der Morgenstelle 18
72076 Tübingen, Baden-Württemberg
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