Kolumny Chromolith^®: Wysoka sprawność przy niskim ciśnieniu

Jeśli używasz tradycyjnych kolumn separacyjnych podczas pracy z wysokosprawną chromatografią cieczową (HPLC) w badaniach i przemyśle, potrzebujesz wysokich ciśnień sięgający do 1400 barów. Ale takie wysokie ciśnienia nie są konieczne podczas stosowania specjalnych kolumn Chromolith^® z portfolio Supelco^®, wytworzonych z jednego ciągłego elementu, które zapewniają wysoką wydajność i szybkość separacji przy stosunkowo niskim kolumnowym ciśnieniu wstecznym. Produkuje się je wyłącznie w niemieckim Darmstadt.

Metody separacji chromatograficznej są niezastąpione w wielu obszarach nauki i przemysłu, niezależnie od tego, czy pracuje się nad pozostałościami środków owadobójczych w miodzie, sztucznymi barwnikami w soku pomarańczowym czy czystością leków. Wysokosprawna chromatografia cieczowa (HPLC) stała się najczęściej używaną metodą analityczną.

Co wyróżnia HPLC? Wyjątkowo drobne uziarnienie złoża zapewnia wysoką wydajność separacji. Im drobniejsze złoże – zwane również fazą stacjonarną – tym lepsza wydajność separacji. To właśnie tutaj tkwi problem, ponieważ drobniejszy materiał oznacza również mniejsze przestrzenie między cząstkami. Zwiększa to ciśnienie wytwarzane w „fazie ruchomej” do rozdzielania substancji do analizy.

„Ciśnienie podczas szybkiej wysokosprawnej separacji z bardzo drobnymi cząstkami łatwo osiąga wartość 300 lub więcej barów” tłumaczy Petra Lewits, menedżer produktu odpowiedzialna za tę część portfolio Supelco^® w działalności biotechnologicznej firmy Merck. „Możliwe jest nawet osiągnięcie 1400 barów. Ale w pewnym momencie osiąga się granicę, ponieważ to stałe, bardzo wysokie ciśnienie ma niekorzystny wpływ na cały system. Kolumny z drobnymi cząstkami dosyć szybko się zapychają. To zaś odbija się bardzo negatywnie na trwałości kolumn i kosztach analizy” dodaje Lewits.

Istnieje jednak rozwiązanie, które umożliwia przekroczenie tej granicy. Zamiast stosowania kolumn z coraz drobniejszą fazą stacjonarną można użyć monolitu, czyli kolumny separacyjnej wytworzonej z jednego ciągłego elementu. Kiedy jej pierwsze modele pojawiły się w latach 90, wydajność separacji wciąż była zbyt niska. To zmieniło się, kiedy japońskiemu badaczowi Kazuki Nakanishi udało się stworzyć monolit z żelu krzemionkowego. Aczkolwiek doświadczenie chemiczne nie wystarczyło, żeby wprowadzić jego produkt na rynek. Potrzebował wsparcia ze strony branży. O tym stanie rzeczy dowiedziała się Karin Cabrera, która w owym czasie pracowała nad nowymi materiałami do chromatografii w dziale R&D firmy Merck. Cabrera posiada doktorat z chemii, więc od razu dostrzegła ogromny potencjał tego produktu i skontaktowała się z kolegami z Uniwersytetu w Kioto.

Procesy chemiczne odpowiedzialne za powstawanie żelu krzemionkowego nie stanowiły specjalnej tajemnicy. Jednak to warunki potrzebne do produkcji kolumny separacyjnej z jednego ciągłego elementu odróżniały ten proces od tradycyjnego. Monolity są formowane w specjalnie przygotowanych rurkach do żelowania, gdzie nadaje się im wymaganego walcowatego kształtu. Dla każdego rozmiaru kolumny HPLC używa się innej rurki do żelowania.
Rozmiar makroporów określa się przy użyciu poli(tlenku etylenu). Następnie na powierzchni żelu krzemionkowego tworzą się niemal sto razy mniejsze mezopory. To one ostatecznie są używane do rozdzielania mieszanin substancji. 

Jednak najpierw trzeba rozwiązać kluczowy problem. Aby monolity mogły być stosowane w HPLC, muszą być dostatecznie stabilne przy obecności zarówno ciśnienia, jak i rozpuszczalników. Firma Merck opracowała specjalny proces, aby to osiągnąć, w ramach którego monolity są powlekane tworzywami sztucznymi o wysokich parametrach roboczych. Benjamin Peters, następca Karin Cabrery, tłumaczy: „Powlekanie to najtrudniejszy etap, ale to ono stanowi sedno procesu produkcji kolumn Chromolith^®. Dotąd żadnemu z naszych konkurentów nie udało się pokryć monolitów z żelu krzemionkowego porównywalną powłoką”. Dlatego nawet po dwudziestu latach ten specjalny proces jest wyjątkowy dla portfolio produktów analitycznych Supelco^®.