Miniaturyzowana chromatografia cieczowa W końcu w miniaturze: jak druk 3D zmniejsza rozmiary HPLC

HPLC, ale w miniaturowym formacie. Dzięki niewielkiemu zużyciu rozpuszczalnika jest to rozwiązanie bardziej zrównoważone i tańsze – a mimo to wciąż mało rozpowszechnione. Przeszkody technologiczne są zbyt duże. Fazy stacjonarne wytwarzane metodą druku 3D mogłyby jednak utorować drogę do w pełni drukowanych systemów typu „lab-on-chip”, nadając tym samym nowy impuls mikro- i nano-LC.

Miniaturyzacja od lat należy do najważniejszych trendów rozwojowych w analityce instrumentalnej. Mniejsze systemy wymagają mniejszej ilości rozpuszczalnika i próbki, umożliwiają skrócenie czasu analizy oraz otwierają nowe możliwości zastosowań – od analizy procesowej po przenośne systemy typu „lab-on-chip”. Podczas gdy mikrofluidyka ugruntowała swoją pozycję w wielu dziedzinach, opracowanie wydajnych, zminiaturyzowanych kolumn chromatograficznych nadal stanowi wyzwanie technologiczne.

W ramach projektu badawczego 3DmiChrom w ramach Wspólnych Badań Przemysłowych (IGF) przyjął zatem nowe podejście: Zamiast stosować kolumny o konwencjonalnym wypełnieniu, naukowcy tworzą fazy stacjonarne bezpośrednio w trójwymiarze za pomocą polimeryzacji dwufotonowej (2PP). Ta technika produkcji addytywnej, charakteryzująca się obecnie najwyższą rozdzielczością, umożliwia uzyskanie rozmiarów struktur w zakresie mikrometrów i submikrometrów, otwierając tym samym nowe możliwości w zakresie produkcji monolitów chromatograficznych.

Miniaturyzacja kolumn: na czym polega problem?

Zalety zminiaturyzowanej chromatografii cieczowej są znane od dawna [1-3]. Mniejsze zużycie rozpuszczalników zmniejsza koszty eksploatacji i obciążenie środowiska. Jednocześnie czasy analizy są krótsze, co pozwala na bardziej ekonomiczną realizację zwłaszcza zastosowań o wysokiej przepustowości. Niemniej jednak mikrofluidyczne systemy LC do tej pory znalazły ograniczone zastosowanie, zarówno w środowisku akademickim, jak i przemysłowym.

Jedną z głównych przyczyn powolnego upowszechniania się mikro- i nano-HPLC jest niezwykle trudne do powtórzenia napełnianie niezbędnych kolumn. Tylko nieliczni producenci kolumn mają w swojej ofercie fazy rozdzielające o średnicy wewnętrznej < 1 mm.

Elementy w fazie stacjonarnej z drukarki 3D

W centrum wspólnego projektu badawczego realizowanego przez Uniwersytet w Reutlingen oraz Instytut Środowiska i Energii, Techniki i Analityki e. V. (IUTA) było zatem opracowanie monolitów polimerowych wytwarzanych metodą addytywną na bazie 2PP: W procesie tym płynna żywica utwardza się wyłącznie w miejscach, w których cząsteczki pochłaniają jednocześnie dwa fotony [4-5].

Na początku projektu partnerzy zidentyfikowali odpowiednie fotolaki, a następnie udoskonalili je specjalnie pod kątem zastosowań chromatograficznych. Ponieważ materiały dostępne na rynku nie spełniały wymagań dotyczących funkcjonalności chemicznej i trwałości, opracowano własne receptury lakierów do faz stacjonarnych hydrofilowych, hydrofobowych oraz jonowych. Szczególnym sukcesem okazały się receptury na bazie metakrylanu 2-hydroksyetylu (HEMA) i metakrylanu laurylowego (LMA), które wykazały zarówno wysoką stabilność chemiczną, jak i dobrą funkcjonalność.

Struktura porów kontrolowana cyfrowo

Prawdziwy postęp polega jednak na konstrukcji strukturalnej monolitów. Podczas gdy w przypadku konwencjonalnych monolitów struktura porowata jest uzyskiwana głównie w wyniku procesów polimeryzacji [6], w przypadku 2PP jest ona definiowana całkowicie cyfrowo.

Dzięki parametrycznym modelom projektowania wspomaganego komputerowo (modele CAD) można było zbadać różne geometrie (zob. rys. 2). Oprócz struktur oktaedrycznych, tetraedrycznych i sferycznych jako szczególnie odpowiednia okazała się geometria gyroidowa. Ta struktura TPMS (Triply Periodic Minimal Surface) łączy w sobie wysoką stabilność mechaniczną z doskonale połączonym systemem makroporów oraz korzystnymi właściwościami przepływowymi. Symulacje mechaniki płynów dostarczyły dodatkowych informacji przydatnych do przyszłego udoskonalenia struktury trójwymiarowej.

Powtarzalne makroporowatości do 1 µm

Jednym z kluczowych wyników projektu była powtarzalna produkcja otwartych systemów makroporowych o średnicach porów sięgających nawet 1 µm. Decydujące znaczenie miało tu nie tylko samo drukowanie, ale przede wszystkim zoptymalizowana obróbka końcowa wyprodukowanych faz stacjonarnych. Po wydrukowaniu konieczne jest bowiem całkowite usunięcie nadmiaru fotolaku ze złożonych sieci porów. W tym celu naukowcy opracowali powtarzalny proces czyszczenia, który został zweryfikowany za pomocą obrazów z tomografii komputerowej w skali nano (nano-CT) oraz pomiarów przepływu. Na rysunku 3 przedstawiono przebieg procesu produkcji i obróbki końcowej wydrukowanych faz stacjonarnych.

Porowatość hierarchiczna poprawia separację

Oprócz zdefiniowanych makroporów wytworzono dodatkowo mezoporowatą strukturę powierzchniową. Ta hierarchiczna porowatość łączy dwa wymagania stawiane kolumnom do chromatografiigraficznej: Duże makroporów zapewniają niskie opory przepływu, podczas gdy mezopory znacznie zwiększają powierzchnię właściwą, poprawiając w ten sposób oddziaływanie między analitem a fazą stacjonarną. W ramach projektu naukowcy wytworzyli odpowiednie systemy porowate w sposób celowy i powtarzalny.

Monolity wytworzone metodą druku 3D zostały następnie poddane analizie chromatograficznej. Po hydrofobowej funkcjonalizacji za pomocą metakrylanu laurylowego po raz pierwszy udało się eksperymentalnie wykazać funkcjonalność w fazie odwróconej. W warunkach gradientowych udało się skutecznie rozdzielić mieszaninę trzech związków (patrz rys. 4).

Perspektywa: systemy LC w całości wytworzone metodą druku 3D

W perspektywie długoterminowej wizja ta wykracza daleko poza pojedyncze kolumny rozdzielcze. Uczestnicy projektu opracowali już pierwszy chip LC w całości wyprodukowany metodą addytywną, w którym mikrokanały i faza stacjonarna powstają w ramach jednego wspólnego procesu produkcyjnego. Chociaż w zakresie podłączenia do urządzeń peryferyjnych systemów HPLC nadal istnieje potrzeba dalszego rozwoju, koncepcja ta pokazuje, jaki potencjał ma produkcja addytywna w przyszłości dla zintegrowanych systemów analitycznych (patrz rys. 5).

Podsumowanie i perspektywy

Wyniki projektu 3DmiChrom pokazują, że mikrodruk 3D oparty na polimeryzacji dwufotonowej w fazie stacjonarnej to znacznie więcej niż tylko alternatywna metoda produkcji. Po raz pierwszy umożliwia on precyzyjne cyfrowe projektowanie geometrii porów, składu chemicznego powierzchni oraz charakterystyki przepływu w monolitycznych strukturach chromatograficznych. Dzięki powtarzalnie wytwarzanym makroporom o wielkości do 1 µm, hierarchicznie porowatym monolitom polimerowym oraz pierwszym udanym rozdzieleniom chromatograficznym osiągnięto kluczowy kamień milowy w zakresie w pełni wytwarzanych metodą addytywną mikro-systemów LC.

W październiku 2026 r. rozpocznie się kolejny projekt w ramach programu IGF. W szczególności zapraszamy małe i średnie przedsiębiorstwa (MŚP) z branży produkcji elementów stacjonarnych oraz produkcji addytywnej do udziału w pierwszym posiedzeniu komitetu towarzyszącego projektowi. Spotkanie odbędzie się 1 grudnia 2026 r. w Instytucie Środowiska i Energii, Techniki i Analityki e. V. w Duisburgu. Zostaną tam zaprezentowane wyniki zakończonego projektu, a także przedstawiona perspektywa planowanych prac badawczych i głównych kierunków działań w ramach projektu kontynuacyjnego. Posiedzenie stanowi również okazję do zgłoszenia własnych potrzeb i pytań oraz aktywnego współtworzenia dalszego przebiegu projektu.

Podziękowania

Projekt IGF nr 01IF22786N realizowany przez F.O.M. otrzymał dofinansowanie w ramach programu wspierania wspólnych badań przemysłowych (IGF) Federalnego Ministerstwa Gospodarki i Energii (BMWE) na podstawie uchwały niemieckiego Bundestagu.

Bibliografia

• [1] Hetzel T, Loeker D, Teutenberg T, Schmidt TC. Charakterystyka wydajności kolumn do chromatografii cieczowej o małej średnicy za pomocą analizy van Deemtera i wykresu kinetycznego. J Sep Sci. 2016;39(20):3889-3897. doi: 10.1002/jssc.201600775.
• [2] Werres T, Schmidt TC, Teutenberg T. Wpływ wewnętrznej średnicy kolumny na wydajność chromatograficzną w zminiaturyzowanej i konwencjonalnej ultra-wysokosprawnej chromatografii cieczowej. Chromatographia. 2023;86:143-151. doi: 10.1007/s10337-023-04237-4.
• [3] Vasconcelos Soares Maciel E, de Toffoli AL, Sobieski E, Domingues Nazário CE, Lanças FM. Miniaturowa chromatografia cieczowa z naciskiem na kolumny analityczne i spektrometrię masową: przegląd. Anal Chim Acta. 2020;1103:11–31. doi: 10.1016/j.aca.2019.12.064.
• [4] Hermatschweiler M. Druk 3D podbija mikroskalę: litografia laserowa jako motor innowacji w kluczowych technologiach. Laser Tech J. 2013;10(4):55-57. doi: 10.1002/latj.201300001 
• [5] Lachmayer R, Lippert RB. Additive Manufacturing Quantifiziert. Berlin: Springer; 2017. doi: 10.1007/978-3-662-54113-5.
• [6] Svec F. Porowate monolity polimerowe: niezwykle szeroka gama technik umożliwiających ich wytwarzanie. J Chromatogr A. 2010;1217(6):902-924. doi: 10.1016/j.chroma.2009.09.073.
• [7] Drieschner T, Werres T, Klassen M, Lang B, Lorenz A, Brecht M, Lorenz G, Teutenberg T, Kandelbauer A. Monolity z polimerów funkcjonalizowanych o strukturze hierarchicznej otrzymane metodą polimeryzacji dwufotonowej do zastosowania w zminiaturyzowanych kolumnach separacyjnych HPLC. Anal Chem. 2026. doi: 10.1021/acs.analchem.6c02512

Informacje o autorze

• dr Thorsten Teutenberg 
  kierownik działu „Analizy badawcze i miniaturyzacja”, Instytut Środowiska i Energii, Techniki i Analizy e. V. (IUTA)
• Tobias Drieschner 
  doktorant, Uniwersytet w Reutlingen
• dr Tobias Werres 
  pracownik naukowy, Instytut Środowiska i Energii, Techniki i Analizy e. V. (IUTA)
• Martin Klaßen 
  kierownik działu „Higiena środowiska i farmaceutyka”, Instytut Środowiska i Energii, Techniki i Analizy e. V. (IUTA)
• Björn Lang 
  student-asystent, Instytut Środowiska i Energii, Techniki i Analityki e. V. (IUTA)
• dr Anita Lorenz 
  chemik żywności, Uniwersytet w Reutlingen
• Prof. dr hab. Marc Brecht 
  Wiceprezes ds. nauczania, Uniwersytet w Reutlingen
• Prof. dr Günter Lorenz (†) 
  profesor chemii, Uniwersytet w Reutlingen
• Prof. dr techn. habil. inż. Andreas Kandelbauer 
  Prodziekan ds. badań naukowych na Wydziale Nauk o Życiu, Uniwersytet w Reutlingen