Targeted optimization of chromatographic columns based on 3D analysis of packing microstructure

Die Herstellung eines Materials, seine Struktur und seine funktionellen Eigenschaften stehen in einem direkten Zusammenhang miteinander. Daher ist eine detaillierte Analyse der Porenstruktur eines Funktionsmaterials, Hand in Hand mit einer detaillierten anwendungsorientierten Charakterisierung, extrem hilfreich für das Verständnis der Auswirkungen einzelner Präparationsparameter und zur Identifikation von strukturellen Limitierungen in der Anwendung. Eine Betrachtung aller erhaltenen Ergebnisse im Gesamtkontext ermöglicht, den Herstellungsprozess und damit die Porenstruktur gezielt für spezielle Anwendungen zu optimieren. In dieser Arbeit wurden Packungen von siliciumdioxid-basierten Partikeln untersucht, die einen interpartikulären Makroporenraum, der schnellen Stofftransport durch Porenströmung ermöglicht, mit einer hohen intrapartikulären Oberfläche für Wechselwirkungen mit Zielmolekülen kombinieren. Diese haben vielfältige Anwendungen in hocheffizienten Stofftrennungen und Katalyse, sowie der Stoff- und Energiespeicherung. Als spezielle Anwendung stand dabei die Stofftrennung durch Flüssigchromatographie im Vordergrund dieser Arbeit. Im ersten Kapitel wurde dabei der Einfluss der Suspensionskonzentration während des Packprozesses auf die chromatographische Effizienz und die Bettstruktur von Kapillarsäulen (75 µm innerer Durchmesser, 30 cm Länge) am Beispiel von Acquity BEH (bridged ethyl hybrid) Partikeln mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1.3 µm untersucht. Dazu wurden neun Säulen bei einer schrittweisen Erhöhung der Suspensionskonzentration von 5 mg/mL auf 50 mg/mL gepackt, wobei alle weiteren Packparameter konstant gehalten wurden. Die chromatographische Charakterisierung mit Hydrochinon als schwach retardiertem Analyten zeigte ausgezeichnete Trenneffizienzen, wobei das beste reduzierte Bodenhöhenminimum von 1.5 bei einer mittleren Suspensionskonzentration von 20 mg/mL erhalten wurde. Sowohl höhere als auch niedrige Konzentrationen zeigten signifikant schlechtere Effizienzen. Um die Ursachen für diese unterschiedlichen Trennleistungen zu verstehen, wurden drei der gepackten Säulen für dreidimensionale Rekonstruktionen ihrer Bettstrukturen mittels Konfokal-Lasermikroskopie (CLSM, confocal laser scanning microscopy) ausgewählt: eine Säule repräsentativ für Suspensionskonzentrationen unterhalb des Optimums, die Säule mit der höchsten Trenneffizienz und eine Säule repräsentativ für Suspensionskonzentrationen oberhalb des Optimums. Dabei konnten zwei gegenläufige Effekte identifiziert werden. Bei niedrigen Suspensionskonzentrationen limitieren radiale Heterogenitäten die Trenneffizienz, die bei höheren Konzentrationen zunehmend unterdrückt wurden. Gegenläufig bilden sich allerdings bei zunehmenden Konzentrationen mehr und mehr Hohlräume in der Größe eines typischen Partikels in der Struktur, wobei sowohl deren Größe als auch deren Zahl mit der Suspensionskonzentration zunimmt. Am Optimum wurden diese Effekte am besten ausbalanziert. Ein weiterer interessanter Aspekt dieser Säulen sind ihre hohen interpartikulären Porösitäten zwischen 0.47 und 0.50, die sogar höher sind, als Untersuchungen der Stabilität loser Kugelpackungen erwarten ließen. Der Umstand, dass keinerlei Instabilitäten der Bettstrukturen beobachtet werden konnten, verdeutlicht den signifikanten Einfluss von interpartikulären, stabilisierenden Wechselwirkungen für derartig kleine Partikel. Im zweiten Kapitel wurde die Untersuchung des Einflusses der Suspensionskonzentration vertieft, um ein allgemeineres Bild zu erhalten. Dazu wurde analog zum ersten Kapitel eine weitere Serie von Säulen gepackt, wobei diesmal Acquity BEH Partikel mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 1.9 µm verwendet wurden. Es wurden elf Säulen (75 µm innerer Durchmesser, 45 cm Länge) mit Suspensionskonzentrationen zwischen 5 und 200 mg/mL gepackt, wobei für ausgewählte Konzentrationen (20 mg/mL, 80 mg/mL, 140 mg/L) die Reproduzierbarkeit des Packprozesses untersucht wurde und zusätzlich Videos während der Ausbildung des Säulenbettes für 10 und 100 mg/mL aufgenommen wurden. Die chromatographische Charakterisierung zeigte vergleichbare minimale reduzierte Bodenhöhen zu den 1.3 µm Partikeln aus Kapitel 1. Allerdings liegt das Optimum für das reproduzierbare Packen hocheffizienter Säulen bei deutlich höheren Suspensionskonzentrationen von 140‒160 mg/mL (im Vergleich zu 20 mg/mL in Kapitel 1). Dies lässt sich durch den signifikanten Größenunterschied zwischen den beiden Partikeltypen erklären, da die interpartikulären Wechselwirkungen mit kleinerem Durchmesser massiv an Einfluss gewinnen. Es wurden ebenfalls CLSM-basierte Rekonstruktionen durchgeführt, die ähnliche strukturelle Trends identifizieren wie in Kapitel 1. Bei niedrigen Suspensionskonzentrationen zeigen sich geordnete Partikellagen direkt an der Säulenwand gefolgt von zufälliger aber verdichteter Packungsstruktur in der Nähe der Säulenwand, sowie eine radiale Diskriminierung der Partikel anhand ihrer Größe. Diese Effekte werden mit zunehmender Konzentration unterdrückt bzw. zunehmend in ihrer Ausprägung reduziert, wobei gegenläufig eine zunehmende Ausbildung von größeren Hohlräumen zu beobachten ist. Die aufgenommenen Videos liefern Anhaltspunkte, wie sich diese Strukturen ausbilden. Bei einer Konzentration von 10 mg/mL erreicht ein kontinuierlicher Strom von einzelnen Partikeln die Front des Packungsbettes, was mehrfaches Umlagern und radiale Diskriminierungen ermöglicht. Ein komplett anderes Bild zeigt sich bei hohen Konzentrationen. Hier erreichen größere Aggregate von Partikeln die Bettfront, was die Chance für spätere Umlagerungen reduziert, aber jegliche Defekte, die sich beim Auftreffen der Aggregate auf die Bettfront bilden, konserviert. Das dritte Kapitel baut auf den Ergebnissen der ersten beiden Kapitel auf, um eine weitere Verbesserung des Packverfahrens zu erreichen. Dort wurde die mögliche Kombination von hohen Suspensionskonzentrationen zur Reduzierung der radialen Heterogenitäten mit dem Einsatz von Ultraschall während des Packprozesses als mögliche Lösung diskutiert. Um diese Hypothese zu testen, wurden zwei Sets von je drei Säulen (75 µm innerer Durchmesser, 100 cm Länge) mit 1.9 µm Acquity BEH Partikeln bei einer Suspensionskonzentration von 200 mg/mL gepackt, wobei für ein Set nach dem gleichen Protokoll wie in Kapitel 2 gearbeitet wurde und für das andere Set zusätzlich Ultraschall eingesetzt wurde. Jede der Säulen, die mit Hilfe von Ultraschall gepackt wurde, zeigte eine signifikant bessere Trenneffizienz als jede der Säulen, die ohne Ultraschall gepackt wurden. Dabei wurden für schwach retardierte Analyten minimale reduzierte Bodenerhöhen von nahe 1 erreicht, welche sogar die bereits sehr guten Werte von 1.5 für optimale Packprotokolle ohne Ultraschall in den Kapiteln 1 und 2 deutlich übertreffen. Damit zeigen die Säulen mit einer Bodenzahl von ca. 500.000 ein großes Potential für die hocheffiziente Trennung von sehr komplexen Proben. Im vierten Kapitel wird der Fokus von Kapillarsäulen auf das deutlich weiter verbreitete analytische Format verlagert. In diesem kann CLSM nicht auf gepackte Säulenbetten angewendet werden, da die Säulengehäuse (gewöhnlich aus Edelstahl) nicht optisch transparent sind und bei einem Extrudieren des Bettes nicht gleichzeitig Struktur und optische Transparenz gewahrt werden können. Daher wurde auf der Basis von fokussiertem Ionenstrahl in Kopplung mit Rasterelektronenmikroskopie (FIB-SEM, focused ion beam scanning electron microscopy) ein Abbildungs- und Rekonstruktionsverfahren anhand einer exemplarisch ausgewählten, kommerziellen narrow-bore Säule entwickelt (2.1 mm innerer Durchmesser, 5 cm Länge, 1.9 µm Acquity BEH Partikel). Vorbereitend wurde das gepackte Bett durch das Einbetten in Polydivinylbenzol stabilisiert und anschließend aus der Säule extrudiert. Zwei Bereiche wurden vermessen und rekonstruiert: ein Abschnitt im Bulkbereich der Säule entlang der Flussrichtung zur Untersuchung der Bulkeigenschaften und ein Abschnitt von der Säulenwand in Richtung der Säulenmitte, um die strukturellen Eigenschaften des geometrischen Wandeffektes und des sogenannten zweiten Wandeffektes zu charakterisieren und zu quantifizieren. Weiterhin wurden die Auswirkungen der Mikrostruktur in der Wandregion auf den Fluss durch die Säule mittels Simulationen unter Anwendung der lattice-Boltzmann Methode untersucht. Die Rekonstruktionen zeigen signifikante Unterschiede der Packungsstruktur in der Wandregion im Vergleich zur Bulkregion mit einer Ausdehnung von ca. 62 Partikeldurchmessern. Dabei ist die mittlere Porösität lokal um bis zu 10% reduziert und gleichzeitig der mittlere Partikeldurchmesser um bis zu 3% erhöht, was zusammen zu einer Reduktion der lokalen Fließgeschwindigkeit um bis zu 23% führt. Außerdem bilden sich durch den geometrischen Wandeffekt vier Partikellagen mit höherer Ordnung direkt an der Säulenwand aus, was zu lokalen Oszillationen der Fließgeschwindigkeit bis zu einem Faktor von drei führt. Diese Quantifizierungen einzelner Struktur- und Dynamikeffekte sind in exzellenter Übereinstimmung mit Arbeiten, welche die Wandeffekte durch makroskopische optische Messungen oder traditionelle chromatographische Messungen studiert haben.