Geminiaturiseerde vloeistofchromatografie Eindelijk micro: hoe 3D-printen de HPLC kleiner maakt

Een gastbijdrage van Dr. Thorsten Teutenberg e.a. (zie auteursinformatie aan het einde van het artikel) | Vertaald door AI 6 min Leestijd

Related Vendor

HPLC, maar dan in mini-formaat. Dit is duurzamer en goedkoper vanwege het lage verbruik aan oplosmiddelen – maar toch nog nauwelijks ingeburgerd. De technologische hindernissen zijn te groot. Met 3D-geprinte stationaire fasen zou nu echter de weg kunnen worden vrijgemaakt voor volledig geprinte lab-on-chip-systemen, waardoor micro- en nano-LC een nieuwe impuls zouden kunnen krijgen.

Afb. 1: In een onderzoeksproject zijn met behulp van tweefotonlithografie microkolommen voor vloeistofchromatografie geprint.(Afbeelding: Hogeschool Reutlingen)
Afb. 1: In een onderzoeksproject zijn met behulp van tweefotonlithografie microkolommen voor vloeistofchromatografie geprint.
(Afbeelding: Hogeschool Reutlingen)

Miniaturisatie behoort al jaren tot de belangrijkste ontwikkelingstrends in de instrumentele analyse. Kleinere systemen hebben minder oplosmiddel en monstermateriaal nodig, maken kortere analysetijden mogelijk en openen de weg naar nieuwe toepassingen, van procesanalyse tot draagbare lab-on-chip-systemen. Terwijl microfluïdica zich op veel gebieden heeft doorgezet, vormt de ontwikkeling van krachtige, geminiaturiseerde chromatografische scheidingskolommen tot op de dag van vandaag een technologische uitdaging.

Het onderzoeksproject 3DmiChrom van het Industriële Gezamenlijke Onderzoek (IGF) heeft daarom een nieuwe aanpak gevolgd: In plaats van conventioneel gepakte kolommen bouwen wetenschappers stationaire fasen rechtstreeks driedimensionaal op door middel van tweefotonpolymerisatie (2PP). Dit additieve fabricageproces, dat momenteel de hoogste resolutie biedt, maakt structuurgroottes in het micrometer- en submicrometerbereik mogelijk en biedt daarmee nieuwe vrijheidsgraden bij de productie van chromatografische monolieten.

Miniaturisatie van de kolommen: waar zit het probleem?

De voordelen van geminiaturiseerde vloeistofchromatografie zijn al lang bekend [1-3]. Een lagerr verbruik van oplosmiddelen verlaagt de bedrijfskosten en de milieubelasting. Tegelijkertijd zijn de analysetijden korter, waardoor met name toepassingen met een hoge doorvoercapaciteit rendabeler kunnen worden gerealiseerd. Toch hebben microfluïdische LC-systemen tot nu toe slechts in beperkte mate ingang gevonden, zowel in de academische als in de industriële omgeving.

Een belangrijke reden voor de trage verspreiding van micro- en nano-HPLC is dat het uiterst moeilijk is om de benodigde kolomhardware op reproduceerbare wijze te vullen. Slechts enkele kolomfabrikanten hebben scheidingsfasen met een binnendiameter < 1 mm in hun productassortiment.

Stationaire fasen uit de 3D-printer

Centraal in het gezamenlijke onderzoeksproject tussen de Hogeschool Reutlingen en het Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA) stond daarom de ontwikkeling van via additive manufacturing vervaardigde polymeermonolieten op basis van 2PP: Hierbij wordt een vloeibare hars uitsluitend uitgehard op die plaatsen waar de moleculen tegelijkertijd twee fotonen absorberen [4-5].

Bij de start van het project hebben de projectpartners geschikte fotolakken geïdentificeerd en deze vervolgens specifiek voor chromatografische toepassingen verder ontwikkeld. Aangezien commercieel verkrijgbare materialen niet voldeden aan de eisen op het gebied van chemische functionaliteit en bestendigheid, werden eigen lakformuleringen ontwikkeld voor hydrofiele, hydrofobe en ionische stationaire fasen. Formuleringen op basis van 2-hydroxyethylmethacrylaat (HEMA) en laurylmethacrylaat (LMA) bleken bijzonder succesvol; deze vertoonden zowel een hoge chemische stabiliteit als een goede functionaliteit.

Digitaal geregelde poriënstructuur

De echte vooruitgang zit echter in het structurele ontwerp van de monolieten. Terwijl conventionele monolieten hun poriënstructuur voornamelijk via polymerisatieprocessen verkrijgen [6], wordt deze bij de 2PP volledig digitaal gedefinieerd.

Afb. 2: SEM-opnames van met 2PP additief vervaardigde polymeermonolieten met verschillende geometrieën. a) Octaëder-; b) tetraëder-; c) bol- en d) gyroïde structuur.(Bild:  Hogeschool Reutlingen)
Afb. 2: SEM-opnames van met 2PP additief vervaardigde polymeermonolieten met verschillende geometrieën. a) Octaëder-; b) tetraëder-; c) bol- en d) gyroïde structuur.
(Bild: Hogeschool Reutlingen)

Met behulp van parametrische CAD-modellen (Computer-Aided Design) konden verschillende geometrieën worden onderzocht (zie afb. 2). Naast oktaëder-, tetraëder- en sfeerstructuren bleek de gyroid-geometrie bijzonder geschikt te zijn. Deze TPMS-structuur (Triply Periodic Minimal Surface) combineert een hoge mechanische stabiliteit met een uitstekend verknoopt macroporiënsysteem en gunstige stromingseigenschappen. Simulaties van de stromingsmechanica leverden bovendien informatie op voor toekomstige verbeteringen van de driedimensionale structuur.

Reproduceerbare macroporiën tot 1 µm

Fig. 3: Werkstroom voor de productie van een monolithische scheidingskolom die met behulp van 2PP additief is vervaardigd.(Bild:  Hogeschool Reutlingen)
Fig. 3: Werkstroom voor de productie van een monolithische scheidingskolom die met behulp van 2PP additief is vervaardigd.
(Bild: Hogeschool Reutlingen)

Een belangrijk projectresultaat was de reproduceerbare productie van open macroporiënsystemen met poriëndiameters tot 1 µm. Doorslaggevend hiervoor was niet alleen het printproces, maar met name een geoptimaliseerde nabehandeling van de vervaardigde stationaire fasen. Na het printen moet namelijk overtollige fotolak volledig uit de complexe poriënnetwerken worden verwijderd. Hiervoor ontwikkelden de onderzoekers een reproduceerbaar reinigingsproces, dat werd geverifieerd door middel van nano-CT-opnames en doorstroommetingen. In figuur 3 wordt de werkstroom voor de fabricage en nabehandeling van de geprinte stationaire fasen weergegeven.

Hiërarchische porositeit verbetert de scheiding

Fig. 4: Chromatogram van de scheiding van acetylsalicylzuur (1), naftaleen (2) en fluorantheen (3) op een monolithische, hiërarchisch-poreuze stationaire fase die in de loop van het project is geprint. De metingen werden uitgevoerd op een Eksigent ExpressLC Ultra-systeem. De stroomsnelheid bedroeg 20 µL/min, het injectievolume 50 nL en de afmetingen van de gebruikte kolom 6,0 × 0,35 mm (aangepast naar [7]).(Bild:  Hogeschool Reutlingen)
Fig. 4: Chromatogram van de scheiding van acetylsalicylzuur (1), naftaleen (2) en fluorantheen (3) op een monolithische, hiërarchisch-poreuze stationaire fase die in de loop van het project is geprint. De metingen werden uitgevoerd op een Eksigent ExpressLC Ultra-systeem. De stroomsnelheid bedroeg 20 µL/min, het injectievolume 50 nL en de afmetingen van de gebruikte kolom 6,0 × 0,35 mm (aangepast naar [7]).
(Bild: Hogeschool Reutlingen)

Naast de gedefinieerde macroporiën werd bovendien een mesoporeuze oppervlaktestructuur gecreëerd. Deze hiërarchische porositeit combineert twee eisen voor chromatografischescheidingskolommen: Grote macroporiën zorgen voor een lage stromingsweerstand, terwijl mesoporiën het specifieke oppervlak aanzienlijk vergroten en daarmee de interactie tussen de analyt en de stationaire fase verbeteren. In het project hebben de onderzoekers dergelijke poriënsystemen doelgericht en reproduceerbaar vervaardigd.

Schrijf u nu in op de nieuwsbrief

Mis onze beste inhoud niet

Door op 'Abonneren op nieuwsbrief' te klikken, geef ik toestemming voor de verwerking en het gebruik van mijn gegevens in overeenstemming met het toestemmingsformulier (voor details uitvouwen) en accepteer ik de Tgebruiksvoorwaarden. Raadpleeg ons Privacybeleid voor meer informatie. De toestemmingsverklaring heeft met name betrekking op het verzenden van redactionele nieuwsbrieven per e-mail en op de combinatie van gegevens voor marketingdoeleinden met geselecteerde advertentiepartners (bijvoorbeeld LinkedIn, Google, Meta).

Vouw uit voor details over uw toestemming

De via additive manufacturing vervaardigde monolieten werden vervolgens chromatografisch onderzocht. Na hydrofobe functionalisering met laurylmethacrylaat kon voor het eerst experimenteel worden aangetoond dat er sprake was van een omgekeerde-fase-functionaliteit. Onder gradiëntomstandigheden werd een mengsel van drie verbindingen met succes gescheiden (zie afb. 4).

Perspectief: Volledig met 3D-printtechnologie vervaardigde LC-systemen

Afb. 5: Links: CAD-tekening van de LC-chip met de afzonderlijke productiefasen: 1. Vervaardiging van de basis; 2. Vervaardiging van de stationaire fase; 3. Vervaardiging van het deksel en de interface. Rechts: de geproduceerde LC-chip op het printbed, ter vergelijking met een muntstuk van 1 cent.(Bild:  Hogeschool Reutlingen)
Afb. 5: Links: CAD-tekening van de LC-chip met de afzonderlijke productiefasen: 1. Vervaardiging van de basis; 2. Vervaardiging van de stationaire fase; 3. Vervaardiging van het deksel en de interface. Rechts: de geproduceerde LC-chip op het printbed, ter vergelijking met een muntstuk van 1 cent.
(Bild: Hogeschool Reutlingen)

Op de lange termijn reikt de visie veel verder dan afzonderlijke scheidingskolommen. De projectdeelnemers hebben al een eerste, volledig additief vervaardigde LC-chip ontwikkeld, waarbij microkanalen en de stationaire fase in één gezamenlijk productieproces tot stand komen. Hoewel er nog ontwikkelingsruimte is wat betreft de aansluiting op de randapparatuur van HPLC-systemen, toont het concept aan welk potentieel additive manufacturing in de toekomst heeft voor geïntegreerde analytische systemen (zie afb. 5).

Conclusie en vooruitblik

Uit de resultaten van het 3DmiChrom-project blijkt dat micro-3D-printen op basis van tweefotonpolymerisatie in stationaire fasen veel meer is dan alleen een alternatief fabricageproces. Het maakt voor het eerst een gerichte digitale vormgeving mogelijk van poriëngeometrie, oppervlaktechemie en stromingsgedrag binnen chromatografischemonolieten. Met reproduceerbaar vervaardigbare macroporiën tot 1 µm, hiërarchisch poreuze polymeermonolieten en de eerste succesvolle chromatografische scheidingen is een belangrijke mijlpaal bereikt op het gebied van volledig additief vervaardigde micro-LC-systemen.

In oktober 2026 gaat een vervolgproject van het IGF van start. Met name kleine en middelgrote ondernemingen (KMO’s) uit de sectoren van de productie van stationaire fasen en de additieve fabricage worden uitgenodigd om deel te nemen aan de eerste vergadering van de projectbegeleidingscommissie. Deze vindt plaats op 1 december 2026 bij het Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. in Duisburg. Daar worden de resultaten van het afgeronde project gepresenteerd en wordt een vooruitblik gegeven op de geplande onderzoekswerkzaamheden en aandachtspunten van het vervolgproject. De vergadering biedt bovendien de gelegenheid om eigen eisen en vragen naar voren te brengen en actief mee te werken aan de verdere voortgang van het project.

Dankwoord

Het IGF-project nr. 01IF22786N van de F.O.M. werd in het kader van het programma ter bevordering van gezamenlijk industrieel onderzoek (IGF) door het Bondsministerie van Economie en Energie (BMWE) gesubsidieerd op basis van een besluit van de Duitse Bondsdag.

Literatuur

Informatie over de auteurs

  • Dr. Thorsten Teutenberg 
    Afdelingshoofd „Onderzoeksanalytiek & Miniaturisatie“, Instituut voor Milieu & Energie, Techniek & Analytiek e. V. (IUTA)
  • Tobias Drieschner 
    promovendus, Hogeschool Reutlingen
  • Dr. Tobias Werres 
    wetenschappelijk medewerker, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
  • Martin Klaßen 
    afdelingshoofd „Milieuhygiëne & Farmaceutica“, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
  • Björn Lang 
    student-medewerker, Institut für Umwelt & Energie, Technik & Analytik e. V. (IUTA)
  • Dr. Anita Lorenz 
    voedingschemicus, Hogeschool Reutlingen
  • Prof. dr. habil. Marc Brecht 
    Vicevoorzitter Onderwijs, Hogeschool Reutlingen
  • Prof. dr. Günter Lorenz (†) 
    hoogleraar scheikunde, Hogeschool Reutlingen
  • Prof. dr.-techn. habil. dipl. ing. Andreas Kandelbauer 
    vicedecaan Onderzoek van de faculteit Life Sciences, Hogeschool Reutlingen