ارتقای پیش بینی های حاصل از شبیه سازی و مدلسازی برای کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا دو بعدی

---

تاریخ انتشار روی سایت: 13 اردیبهشت ماه 1403

تاریخ انتشار بر روی ژورنال: 8 فروردین ماه 1402

نویسندگان: Magriet Muller, Tyler Brau, Thomas Lauer, Dwight Stoll, and André de Villiers

DOI: 10.1021/acs.analchem.4c00491

نگارشگر خلاصه نامه: سید امیرحسین میرصدری

امروزه استفاده از کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا (HPLC) بسیار مورد استفاده شیمیدان ها میباشد. نوعی از این دستگاهوری وجود دارد که قابلیت های ویژه ی منحصر به خود را به شیمیدانها ارائه میدهد و آن چیزی نیست جز کروماتوگرافی 2 بعدی (LC×LC) . به این معنا که خروجی اولین کروماتوگرافی وارد ورودی دومین کروماتوگرافی میشود. در این حالت ممکن است فازها و قطبیت ستون های دو دستگاه کروماتوگرافی باهم بسیار متفاوت باشند و همین امر باعث پیچیده تر شدن بهینه کردن دستگاه برای جداسازی شود. به این دلیل که پارامترهای تاثیرگذار در بهینه کردن جداسازی کارایی بالا تصاعدی چندین برابر میشود. امروزه دانشمندان روش شبیه سازی را پیش از اینکه با دستگاه تست انجام دهند، بکار میگیرند و با محاسبات حالت های مختلف و با قرمول های ریاضی به بهینه ترین حالت ها میرسند. این روش که الگوریتم پَرِتو (Pareto Algorithm) نام دارد با مدل های تئوری میتواند اشتراکات بسیاری را بین آزمایش های مختلف واقعی بیابد و از آن در محاسبات خود استفاده کند و نهایتا بتواند رزولوشن و ظرفیت پیک کروماتوگرام را دقیق نشان دهد. اما در این بین مشکلی وجود داشت و آن زمانبری محاسبات بود که گاها با افزایش پارامترها میتوانست (با بستگی به نوع کامپیوتر) تا روزها ادامه یابد.

بنابراین در این مقاله سعی شده تا با تعریف مدل جدید ریاضی برای مشکلات پهن شدن پیک حاصل از تزریق" (Injection band broadening) شبیه سازی های سریعتر و با کیفیت تری را انجام دهد. این مدل از معادلات توزیع جریان مقابل کرِگ (Craig counter-current) برای شبیه سازی نوع برهمکنش دو فاز در داخل ستون کروماتوگرافی با استفاده پروفایل های تزریق نامتقارن که از شیر تزریق کروماتوگرافی دو بعدی برای ارتقا دقت شبیه سازی بهره میبرد، استفاده میکند. پارامترهای ورودی مورد نیاز برای این متد عبارتند از ارتفاع بشقابک های فرضی، زمان های بازداری، ویژگی های ستون (تخلخل، مقاومت جریان، طول ستون، قطر ستون، سایز ذرات). معادلات بهینه کردن معمولا در نمودارهای سه بعدی رسم میشوند و توصیف میشوند. همچنین در این مطالعه سه معادله برای خرجی گرفتن از داده ها برای بهینه کردن در سه حالت مورد استفاده قرار گرفته است. معادله تئوری تزریق برای پهن شدگی پیک حاصل از تزریق، دومین معادله معادلات شبیه سازی عددی برای مقادیر نسبت حلال ها و رقت سازی نمونه گیری و معادلات شبیه سازی عددی برای الگوریتم پَرِتو استفاده شده است. این محاسبات روی کامپیوتر ابری آمارون و با استفاده از نرم افزار متلب انجام گرفته است.

بسیاری از نمونه های حاوی فنول آماده شده بود تا شبیه سازی های انجام شده با الگوی پَرِتو و مدل کرِگ و آزمایشات واقعی مورد بررسی قرار گیرد. در این آزمایشات مشخص شد که الگوریتم جدیدتر که بسیار سریعتر بود نتایج منطبقی را نسبت به الگوریتم کند قبلی نشان دهد همچنان که هرد شبیه سازی منطبق پذیری بسیار خوبی با نتایج و آزمایشات واقعی به نمایش گزاردند. در این بین، تنها تفاوت آنها این بود که نمودارهای شبیه سازی پیک های تمیزتر و فاقد زمینه داشتند. اما مدل جدید توانست یک قابلیت به قابلیت های قبلی اضافه کند و آن این بود که گاها نمودار پیکهای دوشاخه شدن را نشان میداد. دو شاخه شدن پیک ها عموما میتواند دلیل بر نامنطبق بودن آنالیت با ستون و یا ماندگار شدن آنالیت در ستون و یا مشکلات اضافی پهن شدگی پیک حاصل از تزریق که خود معمولا در دستگاه های دو بعدی اتفاق می افتد که یک دستگاه ستونی با قطبیت مخالف با دستگاه بعدی دارد، باشد. از اینرو میتوانیم قبل از تزریق به ستون آنرا تشخیص داده و از انجام آن خودداری کنیم. این محاسبات در سیستم ابری آمارون به مدت 324 ساعت انجام گرفت هر چند که پهن شدگی پیکها در حالت واقعی خیلی بیشتر از آن بود که شبیه سازی شده بود. از دلایلی که باعث این اختلافات میشود میتوان به تغییر مداوم گرادیان دمای رادیالی داخلی ستون حاصل از اصطکاک و جریان شیر ماژول تزریق قبل از ستون (در محاسبات، بیشتر به ویژگی های و اتفاقات بعد از ستون پرداخته شده است) نام برد. بنابراین این مقاله توانست مدل جدید و سریعتری برای شبیه سازی بهینه کردن کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا دو بعدی ارائه دهد.