Core-shell deeltjes, ook bekend als superficially porous particles (SPP), fused-core of poroshell deeltjes, vormen een belangrijke ontwikkeling in de kolomtechnologie voor HPLC. Ze combineren de scheidingsefficiëntie van zeer kleine deeltjes met de werkbare tegendruk van grotere deeltjes. Voor veel laboratoria betekent dit snellere analyses en scherpere pieken zonder dat een volledig UHPLC-systeem nodig is. In dit artikel komen de opbouw, de werking, de keuze van poriegrootte en stationaire fase, de praktische aandachtspunten en de toepassingsgebieden aan bod.
Core-shell deeltjes zijn HPLC-kolommaterialen die zijn opgebouwd uit een massieve, niet-poreuze kern met daaromheen een dunne, poreuze schil. De scheidende werking vindt uitsluitend plaats in de buitenste schil; de kern is inert en draagt niet bij aan de retentie.
Door deze opbouw is de afstand die analytmoleculen moeten afleggen door het poriënsysteem aanzienlijk korter dan bij een volledig poreus deeltje van dezelfde diameter. Dat heeft directe gevolgen voor de scheidingsefficiëntie: pieken worden smaller, scheidingen sneller en de tegendruk blijft beheersbaar.
Een poreus materiaal bevat een netwerk van kleine holtes (poriën) waar vloeistof en moleculen doorheen kunnen bewegen. Bij HPLC-deeltjes is die porositeit geen toevalligheid: juist door de poriën ontstaat een zeer groot inwendig oppervlak waar de stationaire fase op is geënt. Een volledig poreus silica-deeltje van enkele micrometer bevat tientallen tot honderden vierkante meters oppervlak per gram. Dit specifiek oppervlak wordt in de praktijk bepaald via stikstofadsorptie (BET-methode), de standaard voor karakterisering van poreuze kolomvulmaterialen. Op dat oppervlak vindt de daadwerkelijke interactie tussen analyt en stationaire fase plaats.
Silica wordt al decennia gebruikt als basismateriaal voor HPLC-deeltjes omdat het mechanisch sterk is, een goed te beheersen porositeit heeft en eenvoudig chemisch te modificeren is met silaanverbindingen. Voor core-shell deeltjes wordt dit basisprincipe behouden, maar dan alleen in de buitenste schil. De kern is bewust niet poreus, zodat moleculen daar niet in verdwalen.
Naast de schildikte is de poriegrootte een bepalende parameter. Moleculen moeten de poriën daadwerkelijk in kunnen, anders is het inwendige oppervlak ontoegankelijk. Als vuistregel geldt dat de poriediameter ten minste drie tot vijf keer groter moet zijn dan het molecuul.
Een verkeerd gekozen poriegrootte leidt tot uitgesloten moleculen, slechte piekvorm of carry-over. Bij twijfel is overleg met de leverancier of de kolomspecificatie altijd aan te raden.
Een typisch core-shell deeltje bestaat uit twee duidelijk te onderscheiden delen:
De totale deeltjesdiameter ligt meestal tussen 1,3 en 5 µm, met schildiktes van ongeveer 0,2 tot 0,6 µm. Veelgebruikte combinaties zijn 2,6 µm en 2,7 µm deeltjes met een schil van circa 0,5 µm.
De winst van core-shell deeltjes is theoretisch goed te onderbouwen aan de hand van de Van Deemter-vergelijking, die de bandverbreding in een kolom beschrijft als de som van drie termen:
Het netto effect is een lagere én vlakkere Van Deemter-curve. Dit betekent dat de scheiding niet alleen efficiënter is, maar ook bij hogere stroomsnelheden goed blijft. Voor de praktijk: snellere analyses zonder dat resolutie verloren gaat.
De prestaties van core-shell deeltjes van circa 2,6 µm benaderen die van volledig poreuze sub-2 µm deeltjes, maar bij een aanzienlijk lagere tegendruk. Dat heeft praktische gevolgen voor de keuze van de apparatuur.
Voor laboratoria die geen volledig UHPLC-systeem tot hun beschikking hebben, vormen core-shell kolommen vaak een aantrekkelijk alternatief. De winst in scheidingstijd en piekvorm is fors, terwijl de bestaande HPLC-apparatuur meestal volstaat.
De schil van een core-shell deeltje fungeert als drager voor de stationaire fase. De meest voorkomende modificaties zijn alkylketens die op het silica-oppervlak worden geënt; de keuze van de ketenlengte is afhankelijk van het type analyt:
De principes van retentie en selectiviteit zijn gelijk aan die op volledig poreuze deeltjes. Het verschil zit in de korte diffusieweg, niet in de chemie van de scheiding. Voor een uitgebreide behandeling van deze modes, zie omgekeerde-fase HPLC.
Hoewel core-shell kolommen op een conventioneel HPLC-systeem werken, is het belangrijk om het systeem te optimaliseren om de winst daadwerkelijk te benutten:
Core-shell deeltjes worden inmiddels in vrijwel alle gangbare modes van vloeistofchromatografie ingezet:
Naast volledig poreuze deeltjes bestaan er nog andere kolomconcepten waarmee hoge efficiëntie wordt bereikt. Monolietkolommen bijvoorbeeld bestaan uit één continu poreus blok in plaats van losse deeltjes. Ze combineren een lage tegendruk met snelle analyses, maar bereiken doorgaans niet dezelfde efficiëntie als core-shell kolommen. De keuze tussen beide technologieën hangt af van de gewenste resolutie, beschikbare apparatuur en het type monster.
Voor analisten die hun techniek breder willen begrijpen, geven de algemene artikelen over vloeistofchromatografie en klassieke kolomchromatografie aanvullende achtergrond bij de hier behandelde principes.
In leveranciersliteratuur en publicaties worden voor dezelfde deeltjestechnologie verschillende benamingen gebruikt. Het gaat in alle gevallen om hetzelfde principe: een massieve kern met een poreuze schil.
Het verschil zit in de interne structuur van het deeltje. Volledig poreuze deeltjes zijn door de hele diameter poreus, zodat analytmoleculen diep in het deeltje moeten diffunderen om de stationaire fase te bereiken en weer te verlaten. Dit kost tijd en veroorzaakt piekverbreding, vooral bij hogere stroomsnelheden (de C-term in de Van Deemter-vergelijking). Core-shell deeltjes hebben een massieve, niet-poreuze kern: alleen de buitenste schil van 0,2–0,6 µm is poreus. Daardoor is de diffusieweg voor analyten aanzienlijk korter, wat resulteert in smallere pieken en een betere resolutie bij gelijkblijvende of hogere stroomsnelheden. Beide typen gebruiken hetzelfde type stationaire fase (C18, C8, HILIC, chirale selector), en de retentiechemie is identiek. Het verschil zit uitsluitend in de massaoverdrachtsdynamiek.
Ja, dat is het grote praktische voordeel van core-shell deeltjes met een diameter van circa 2,6–2,7 µm. De tegendruk van deze kolommen is vergelijkbaar met die van volledig poreuze 3–5 µm deeltjes, en ze werken uitstekend op conventionele HPLC-systemen met een drukbereik tot 400 bar. U hoeft dus geen duur UHPLC-systeem aan te schaffen om van de efficiëntiewinst te profiteren. Belangrijke aandachtspunten: beperk het extra-kolomvolume (interne diameter van leidingen, koppelstukken, detectorcel) zo veel mogelijk, want de smallere pieken van core-shell zijn gevoeliger voor piekverbreding buiten de kolom. Ook de datasnelheid van de detector moet voldoende zijn om de korte pieken correct te samplen. Sub-2 µm core-shell deeltjes (zoals Cortecs van Waters) vereisen wél UHPLC-drukken en zijn niet op conventionele HPLC bruikbaar.
De meeste grote kolomfabrikanten bieden core-shell varianten aan, elk met eigen deeltjesafmetingen en handelsnamen. Phenomenex brengt de Kinetex-lijn op de markt in 1,3, 1,7 en 2,6 µm uitvoering voor zowel HPLC als UHPLC. Agilent verkoopt core-shell kolommen onder de naam Poroshell (2,7 µm), verkrijgbaar in C18, C8, fenyl en HILIC-modificatie. Waters heeft de Cortecs-lijn (1,6 µm) die ook op UHPLC-systemen bruikbaar is. Advanced Materials Technology (AMT) produceerde de originele Halo-kolommen (2,7 µm), die mede aan de basis stonden van de moderne core-shell technologie. Sigma-Aldrich (Merck) levert onder de naam Ascentis Express, eveneens in 2,7 µm. De keuze tussen fabrikanten hangt af van de beschikbare deeltjesgrootte, de gewenste stationaire fase, het pH-bereik van de toepassing en de drukspecificaties van uw systeem.
De keuze van de deeltjesgrootte hangt af van de beschikbare apparatuur en het analysedoel. Voor conventionele HPLC (maximaal 400 bar) zijn 2,6–2,7 µm deeltjes de standaard: ze geven een aanzienlijke efficiëntiewinst ten opzichte van 3–5 µm volledig poreuze deeltjes, bij een vergelijkbare tegendruk. Voor UHPLC-systemen zijn sub-2 µm core-shell deeltjes (1,3–1,7 µm) beschikbaar, die de hoogste efficiëntie geven maar ook de hoogste tegendruk. Een tussenliggende keuze zijn 1,9–2,0 µm deeltjes, bruikbaar op UHPLC-systemen met een drukbereik tot 600–800 bar. Grotere deeltjes (3,4–5 µm) zijn verkrijgbaar voor preparatieve of semipreparatieve toepassingen waarbij lage tegendruk en hoog belastingsvermogen prioriteit hebben. Als vuistregel: begin met 2,6 µm op bestaande HPLC, schakel naar sub-2 µm als UHPLC-apparatuur beschikbaar is en hogere doorvoer of betere resolutie vereist is.
De levensduur van een core-shell kolom is vergelijkbaar met die van een goed onderhouden volledig poreuze kolom van gelijke kwaliteit — typisch enkele honderden tot meer dan duizend injecties bij goed gefilterd monster, afhankelijk van de matrixen complexiteit en het onderhoud. Bepalende factoren zijn: (1) monsterfiltratie — deeltjes groter dan 0,45 µm verstoppen de kolomfrit en veroorzaken drukstijging; filtreer altijd door een 0,2 of 0,45 µm spuitfilter; (2) pH-bereik — silicagebonden fases degraderen bij pH buiten het bereik van 2–8; hybride deeltjes (BEH-technologie) zijn stabiel tot pH 12; (3) opslaan in het juiste oplosmiddel — bewaar de kolom in het door de fabrikant aanbevolen mengsel (doorgaans methanol/water of acetonitril/water); (4) spoelprotocol — spoel de kolom na gebruik met een sterker oplosmiddel om geadsorbeerde matrixcomponenten te verwijderen. Een teruglopende kolom — te herkennen aan stijgende druk, dalende resolutie of asymmetrische pieken — kan soms worden hersteld door een intensief spoelprotocol; structurele aantasting van de silicakern is onomkeerbaar.
Als de poriegrootte kleiner is dan circa drie tot vijf keer de hydrodynamische diameter van het analytmolecuul, kan het molecuul de poriën van de schil niet of nauwelijks binnendringen. Het analyt passeert de kolom dan grotendeels via de interstitiële ruimte tussen de deeltjes, zonder noemenswaardige interactie met de stationaire fase. Het gevolg is een sterk verkorte retentietijd, brede of asymmetrische pieken en een slechte reproduceerbaarheid. Bij eiwitten en peptiden kan onvolledige toegang tot de poriën ook leiden tot adsorptie aan de buitenkant van de schil, wat resulteert in carry-over en piekvervuiling. De oplossing is het gebruik van een kolom met een grotere poriegrootte: voor peptiden doorgaans 300 Å, voor intacte eiwitten en monoklonale antilichamen 400 Å of groter.
HPLC-kolommen zijn aan het inlaateinde afgesloten met een metalen frit met een poriediameter van doorgaans 0,2 tot 0,5 µm. Onopgeloste deeltjes in het monster — stof, precipitaat, celfragmenten of onopgelost monstermateriaal — slaan neer op of in deze frit en verhogen de weerstand. Het gevolg is een geleidelijk stijgende kolomdruk, uiteindelijk gevolgd door piekverbreding en kolomschade die onomkeerbaar kan zijn. Bij core-shell kolommen is dit risico groter dan bij volledig poreuze kolommen, omdat de dunne schil minder buffercapaciteit biedt bij partikelindringing. Filtreer monsters daarom altijd over een spuitfilter van 0,45 µm; bij sub-2 µm core-shell deeltjes of bij LC-MS-koppeling verdient 0,22 µm de voorkeur. Voor sterk verontreinigde matrices is een SPE-stap vooraf doeltreffender dan filtratie alleen.
Beide technologieën zijn alternatieven voor de traditionele volledig poreuze kolomvulling, maar ze pakken het probleem van hoge tegendruk op fundamenteel verschillende manieren aan. Core-shell deeltjes zijn individuele bolvormige deeltjes met een poreuze schil en een massieve kern; ze worden in een kolom gepakt net als gewone HPLC-deeltjes, maar de kortere diffusieweg maakt de scheiding efficiënter bij lagere druk dan sub-2 µm volledig poreuze deeltjes. Monolietkolommen zijn gegoten als één aaneengesloten poreus blok van silica of polymeer, zonder losse deeltjes. Door de open kanalenstructuur is de tegendruk bij monolietkolommen zeer laag, ook bij hoge flowsnelheden, maar het specifieke oppervlak is kleiner dan bij deeltjesgebaseerde kolommen. In de praktijk bieden core-shell deeltjes bij gelijke kolomlengte hogere efficiëntie en betere piekvorm, terwijl monolietkolommen superieur zijn bij toepassingen waarbij extreem hoge flowsnelheden vereist zijn, zoals snelle gradiënten en grote biomoleculen.
Core-shell deeltjes (SPP) zijn een hybride tussen massieve en volledig poreuze HPLC-deeltjes. Door de combinatie van een massieve kern en een dunne poreuze schil leveren ze scheidingen die qua efficiëntie de sub-2 µm volledig poreuze deeltjes benaderen, maar bij een veel lagere tegendruk. Voor de meeste HPLC-toepassingen, van routinematige omgekeerde-fase analyses tot biomolecuulanalyses, vormen core-shell kolommen daarmee een evenwichtige keuze tussen prestatie en praktische bruikbaarheid.
Bescherm uw core-shell kolom met spuitfilters en bekijk het assortiment chromatografie-verbruiksmaterialen bij Labvakhandel. Voor advies over de juiste kolomkeuze, deeltjesgrootte of stationaire fase voor uw specifieke toepassing, neem contact op met Labvakhandel.
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
