title: Experimental Analysis and Reconstruction of the Morphology of Particulate and Monolithic Chromatographic Beds
title: Experimental Analysis and Reconstruction of the Morphology of Particulate and Monolithic Chromatographic Beds
title: Experimentelle Analyse und Rekonstruktion der Morphologie von partikulären und monolithischen Festbetten für die Chromatographie
Creators: name: Bruns, Stefan
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Confocal Microscopy
three-dimensional reconstruction, porosity
Poröser Stoff
Chemie
Bildanalyse
porous media
HPLC
Dreidimensionale Rekonstruktion
Konfokale Mikroskopie
Porosität
Chromatographie

description: 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.
description: This dissertation is concerned with
      the acquisition of three-dimensional image data of
      chromatography columns in capillary format using confocal
      laser scanning microscopy as well as with the reconstruction
      and analysis of the acquired image data in view of the
      dispersive properties of the separation column. Key aspect in
      the characterization are radial heterogeneities because in
      UHPLC these heterogeneities contribute in large part to
      dispersive band broadening. Therefore, radial heterogeneities
      carry a particular significance in the development of
      chromatography columns of improved separation efficiency.
      Consecutively, the topics that are covered in the individual
      chapters of this work are being summarized: - Chapter 1 and 2
      deal with the development of a sample setup for the
      aberration free optical imaging of capillary chromatography
      columns via confocal laser scanning microscopy. Additionally,
      image processing methods are presented that enable image
      restoration, particle detection, and segmentation of acquired
      image data. The image data were analyzed using chord length
      distributions and radial porosity profiles. Subsequent
      chapters are concerned with the application of the presented
      method. Herein, focus lies on a characterization of local
      structural density on the length scales used in J.C.
      Giddings’ eddy dispersion theory. - In Chapter 3 the
      separation efficiencies of eleven MTMS-hybrid monoliths were
      correlated with pore size distribution and wall attachment
      which outlines a fundamental problem that accompanies the
      preparation of capillary monoliths. - A first study on the
      influence of packing parameters on separation efficiency and
      bed morphology of packed beds was performed in Chapter 4. Six
      capillary columns of varying inner diameter from 10 µm to 75
      µm were packed with 1.7 µm Acquity BEH particles and
      evaluated for their chromatographic and morphological
      properties. It was observed that separation efficiency would
      drop with increasing capillary i.d.. This could be explained
      by a lower packing density in the wall region of these
      capillaries. Furthermore, size segregation of particles was
      observed. - Chapter 5 discusses morphological differences
      between capillaries packed with core–shell particles and
      capillaries packed with fully porous particles. Owed to their
      differing production process the former do have a particle
      size distribution that is much narrower than the particle
      size distribution of fully porous particles, which yields a
      substantially different ordering of the particles in the wall
      region of the capillaries. - Chapter 6 compares a silica
      monolith and a sub-2 µm packing in 20 µm i.d. capillaries.
      The study discusses the microstructure of these columns with
      regard to transchannel, short-range interchannel, and
      transcolumn dispersion using the already established
      descriptors and discusses the potential of each kind of bed
      structure. - Chapter 7 picks up the results of Chapter 4 and
      shows how bed microstructure is affected by the slurry
      concentration used in the slurry packing process. The study
      showed that the previously observed size segregation of
      particles can be suppressed by increasing the slurry
      concentration yielding improved separation efficiency. The
      trade-off with higher slurry concentrations was an increased
      number of packing gaps, both in fully porous and core–shell
      packed beds. Once again, the chapter highlights the potential
      of using microscopic reconstruction and an analysis of
      macroscopic separation efficiency comprehensively and
      illustrates that the packing of beds of increasing inner
      diameter requires higher slurry concentrations. The
      concentrations should be chosen to suppress particle size
      segregation while keeping the amount of packing gaps as small
      as possible.