Experimental Analysis and Reconstruction of the Morphology of Particulate and Monolithic Chromatographic Beds

Die Dissertation beschäftigt sich mit der Erfassung dreidimensionaler Bilddaten von Chromatographiesäulen im Kapillarformat mittels Konfokaler Lasermikroskopie sowie der Rekonstruktion und Auswertung der so erfassten Bilddaten im Hinblick auf die dispersiven Eigenschaften der Trennsäulen. Ein besonderer Schwerpunkt liegt hierbei auf der Charakterisierung von radialen Heterogenitäten. Diese tragen in der UHPLC zu einem Großteil der dispersiven Signalverbreiterung bei und sind deshalb von besonderer Bedeutung bei der Entwicklung von Chromatographiesäulen verbesserter Trenneffizienz. In den einzelnen Kapiteln werden hierzu folgende Thematiken behandelt: - Kapitel 1 und 2 setzen sich mit der Entwicklung eines Probenaufbaus auseinander, welcher es ermöglicht sphärische Aberrationen bei der lichtmikroskopischen Untersuchung von Chromatographiesäulen aus Quarzglas zu eliminieren. Zudem werden Methoden der Bildverarbeitung vorgestellt, welche die Bildrestauration, Partikeldetektion und Segmentierung der Bilddaten ermöglichen. Eine Auswertung der Bilddaten erfolgt anhand von Sehnenlängenverteilungen und radialen Porositätsprofilen. Spätere Kapitel setzen sich mit der Anwendung dieser Methoden auseinander. Zentrales Element ist hierbei die Auswertung der lokalen Strukturdichte auf den Längenskalen der Dispersionstheorie nach J.C. Giddings. - In Kapitel 3 wurde die Trenneffizienz von elf MTMS-Hybridmonolithen mit ihrer Porengrößenverteilung und Wandanbindung korreliert, welches ein fundamentales Problem bei der Produktion von Kapillarmonolithen aufzeigt. - Eine erste Studie zum Einfluss von Packparametern auf die Trenneffizienz und Bettstruktur von gepackten Säulen wurde mit Kapitel 4 durchgeführt. Ausgewertet wurden sechs Kapillarsäulen variierenden Innendurchmessers von 10–75 µm gepackt mit 1.7 µm Acquity BEH Partikeln. Es zeigte sich, dass mit steigendem Innendurchmesser der Kapillaren die Trenneffizienz deutlich abnahm, welches mit einer verringerten Packungsdichte in der Wandregion dieser Säulen zu erklären war. Zudem wurde eine Größensegregation der Partikel beobachtet. - Kapitel 5 beschreibt Unterschiede in der Morphologie von partikulären Festbetten gepackt mit Core–Shell Partikeln und vollporösen Partikeln. Erstere zeigen aufgrund ihrer abweichenden Produktion eine weitaus engere Partikelgrößenverteilung als vollporöse Partikel, welches zu einer von vollporösen Partikeln verschiedenen Anordnung der Partikel in der Wandregion einer Säule führt. - Kapitel 6 führt einen Vergleich eines Silikamonolithen und einer sub-2 µm Partikelpackung in 20 µm i.d. Kapillaren durch. Die Studie wertet die Mikrostruktur der Säulen im Hinblick auf Transchannel-, Short-range Interchannel- und Transcolumn-Dispersion mit Hilfe der in den vorherigen Arbeiten eingeführten Deskriptoren aus und diskutiert das Potenzial der jeweiligen Bettstruktur. - Kapitel 7 nimmt die Ergebnisse aus Kapitel 4 noch einmal auf und zeigt, wie die Konzentration der beim Packprozess eingesetzten Partikelsuspension die Mikrostruktur einer Chromatographiesäule beeinträchtigen kann. Es zeigte sich, dass die Größensegregation der Partikel, welche zuvor beobachtet wurde durch eine Erhöhung der Suspensionskonzentration unterdrückt und die Effizienz der Säulen verbessert werden kann. Der Nachteil höherer Suspensionskonzentrationen zeigte sich in einer erhöhten Anzahl an Packungslücken sowohl bei vollporösen, als auch bei Core–Shell Materialien. Das Kapitel unterstreicht noch einmal das Potential der kombinierten Anwendung von mikroskopischer Rekonstruktion und makroskopischer chromatographischen Effizienzmessungen und zeigt, dass das Packen von Kapillaren steigenden Innendurchmesser eine Erhöhung der Suspensionskonzentration bedarf. Diese sollte so hoch gewählt sein, dass eine Größensegregation der Partikel unterdrückt wird, die Zahl der Packungslücken jedoch minimal bleibt.