title: Targeted optimization of chromatographic columns based on 3D analysis of packing microstructure
title: Gezielte Optimierung chromatographischer Säulen auf der Basis von 3D-Analyse ihrer Packungsmikrostruktur
Creators: name: Reising, Arved Ernst
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Rekonstruktion
FIB-SEM
CLSM, FIB-SEM
HPLC
Konfokale Mikroskopie , Strukturanalyse
reconstruction
structure analysis
Chemistry and allied sciences
Chemie

description: 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.
description: The preparation, structure, and
      performance of functional materials porous are strongly
      interrelated. Hence, a detailed analysis of the pore
      structure of a functional porous material in combination with
      a detailed characterisation of its performance can provide an
      understanding of the influence of individual parameters
      during preparation and thus identify structural limitations
      to an improved utilization. The obtained results can be used
      to tune the preparation towards a better pore structure
      suited for the targeted application. This work focuses on
      packings of silica-based particles for highly efficient
      chromatographic separations. The prepared packings combine an
      interparticle macropore space for fast flow-based transport
      with an intraparticle mesopore space providing high surface
      areas for molecule-surface interactions. Such packed columns
      have a wide field of application, not only in highly
      efficient separations, but also for catalysis, and (energy)
      storage However, the focus here is on separations in liquid
      chromatography. In Chapter 1, the influence of the slurry
      concentration on separation efficiency and bed structure was
      investigated for capillary columns (75 µm inner diameter, 30
      cm length) packed with 1.3 µm bridged-ethyl hybrid (BEH)
      fully porous silica particles. The slurry concentration was
      varied from 5 to 50 mg/mL while every other packing parameter
      was kept constant. Chromatographic characterisation with
      hydroquinone as weakly retained analyte revealed highly
      efficient separations (reduced plate heights as low as 1.5)
      at an optimal intermediate slurry concentration of 20 mg/mL
      for this specific set of packing parameters. Confocal laser
      scanning microscopy (CLSM) was utilized to conduct a
      three-dimensional reconstruction and to carry out a detailed
      morphological analysis of the column with the best
      performance, a column packed with a slurry concentration
      below the optimum, and one packed above the optimum. Two
      counteracting effects were revealed: Radial heterogeneities
      limit the separation efficiency for columns packed at low
      slurry concentrations. With an increase in slurry
      concentration, these radial effects get supressed but the
      number and size of large voids with a diameter similar to the
      mean particle diameter increase significantly. Interestingly,
      the reconstructions also revealed high external bed
      porosities between 0.47 and 0.50 which are higher than
      expected with respect to the random loose packing limit
      reported for frictional, cohesionless particles. However, no
      signs of bed instability could be observed demonstrating the
      significant impact of interparticle forces for particles as
      small as 1.3 µm. In Chapter 2, the investigation of the
      optimal slurry concentration was expanded by analysing the
      effects for a different particle size to obtain a more
      general picture. A similar set of capillary columns (75 µm
      inner diameter, 45 cm length) was packed with 1.9 µm BEH
      particles at eleven different slurry concentrations between 5
      and 200 mg/mL including additional tests for reproducibility
      at selected concentrations and the observation of bed
      formation using optical microscopy. While comparable reduced
      plate heights were achieved, the observed optimum of 140-160
      mg/mL to pack highly efficient columns reproducibly differed
      significantly from the 20 mg/mL for the 1.3 µm particles
      identified in Chapter 1. This can be explained by the
      difference in the particle diameter as interparticle forces
      and particle aggregation become more dominant at still
      smaller diameters. CLSM-based reconstructions revealed
      similar trends in the bed structures as seen in Chapter 1. At
      low concentrations, pronounced ordered particle layers in the
      direct vicinity of the column wall, local bed densification
      near the column wall, and particle size-segregation limit the
      achieved separation efficiency. The peculiarity of the first
      effect is continuously decreasing with an increase in the
      slurry concentration even beyond the optimum while the latter
      two effects are already supressed at the optimal slurry
      concentration. On the other hand, the number and size of
      large voids increase with an increase in the utilized slurry
      concentration as already seen in Chapter 1. The videos
      acquired during column packing provided very helpful insights
      into bed formation mechanisms and thus delivered possible
      explanations for these structural features. At 10 mg/mL,
      particles arrive individually at the bed front allowing
      individual settlement and rearrangement on the arrival of
      following particles what allows a discrimination of particles
      according to their individual properties. The picture looks
      completely different for 100 mg/mL as example for higher
      concentrated slurries. Here, particles tend to aggregate
      during packing and arrive in large batches. This prevents
      discrimination of individual particles but significantly
      reduces the chances for rearrangement and is thus prone to
      the conservation of defects formed between the border of the
      arriving batches of particles and the front of the bed.
      Chapter 3 is based on the results obtained during the work
      presented in Chapters 1 and 2. The combination of high slurry
      concentration and ultrasound was already proposed there as
      chance to keep transcolumn heterogeneities as low as possible
      while preventing the formation of large voids. To test this
      hypothesis, two sets, each consisting of three capillary
      columns (75 µm inner diameter, 100 cm length) were packed
      with 1.9 µm BEH particles at a slurry concentration of 200
      mg/mL; one set under application of ultrasound during
      packing, the other one without. All three columns, which
      underwent sonication, showed significantly better performance
      than each of the other columns. The obtained reduced minimum
      plate height for a weakly retained analyte was even lower
      than the already impressive value of 1.5 for columns packed
      at a slurry concentration optimal for packing without
      sonication and reached values close to unity over a length of
      1 m for the best-performing column. The achieved theoretical
      plate counts of ~500,000 demonstrate a unique potential for
      highly efficient separations of extremely complex samples. In
      Chapter 4, the focus is shifted from capillary columns to the
      more common analytical format. CLSM could not be applied here
      as the steel columns are not transparent and extrusion of the
      bed is not possible without losing either stability or
      optical transparency. Thus, an imaging and reconstruction
      procedure based on focused ion beam scanning electron
      microscopy was developed using a commercial narrow-bore
      analytical column (2.1 mm inner diameter, 50 mm length)
      packed with 1.7 µm BEH particles. The packing was embedded
      with poly(divinylbenzene) prior to extrusion from the steel
      column in order to conserve the bed structure. Two image
      stacks were acquired and reconstructed at characteristic
      positions within the bed: one in the central section of the
      column along the flow direction to obtain the bulk properties
      of the bed and one from the column wall towards the column
      centre to investigate and quantify the influence of the
      geometrical wall effect and the second wall effect. To
      investigate the effect of the microstructure in the wall
      region on local flow through the bed, a radially resolved
      flow profile was obtained by lattice-Boltzmann simulations.
      For this column, the region affected by wall effects spanned
      over approximately 62 particle diameters showing a decrease
      in the local mean porosity by up to 10% and an increase in
      the local mean particle diameter by up to 3% with respect to
      the bulk region inducing a decrease of the local flow
      velocity by up to 23%. Furthermore, four more ordered layers
      of particles were formed directly at the hard column wall due
      to the geometrical wall effect leading to local velocity
      fluctuations by up to a factor of three. These quantified
      structural features are in excellent agreement with previous
      reports about macroscopic characterisations of the wall
      effects by optical or chromatographic measurements.