Trotz enormer Fortschritte in der Massenspektrometrie ist die Chromatographie davor noch immer eine unverzichtbare Trenntechnik zur Gewinnung von Selektivität. Daher geht das permanente Streben nach immer noch mehr Trennleistung und Peakkapazität ungebrochen weiter. Die konsequente Verkleinerung der Teilchendurchmesser hat uns zur bisher leistungsfähigsten Flüssigkeitschromatographie in Form der UHPLC geführt. Eine unbegrenzte Weiterführung dieser Strategie scheitert am stark ansteigenden Gegendruck.

Bild 1: Schematische Darstellung der Spatial 3D-LC. © Wolfgang Brodacz

In der Praxis muss man sich das wie in Bild 1 dargestellt vorstellen. An der ersten Dimension (blau) sind möglichst viele kleine 2D-Säulchen (grün) im rechten Winkel "angeflanscht". Nur auf diese Weise können die räumlichen 1D-Fraktionen gleichzeitig auf die zweite Dimension übertragen werden. Dann laufen alle 2D-Trennungen parallel ab und reduzieren die gesamten Analysenzeiten auf das Minimum. Dasselbe gilt anschließend für die vielen, jeweils rechtwinkelig angeschlossenen Trennstecken in der dritten Dimension (rot).

Die räumliche, dreidimensionale Flüssigkeitschromatographie (Spatial 3D-LC) ist also nicht nur ein um eine Dimension erweitertes Konzept, sondern durchbricht die üblichen Denkmuster. Beim neuen Technikansatz werden die Analyten in der Raumdomäne aufgetrennt und jeder Peak ist durch seine X-, Y-, Z-Koordinaten im "Trennraum" charakterisiert. Vereinfacht ausgedrückt, werden die Analyten bei der 3D-LC-Trennung gezwungen, zu verschiedenen Positionen in einem 3D-Körper, den man sich als Würfel vorstellen kann, zu migrieren.

Der erste funktionierende Prototyp wurde bereits 2017 vorgestellt [1]. Nach der Probenaufgabe in der ersten Dimension findet vorerst eine Chromatographie in X-Richtung statt. Nach dem Abschluss dieser Trennung in der ersten Dimension wurde die 2D-Separationsstufe gleichzeitig in 16 parallelen Y-Kanälen gestartet. Im letzten Schritt der Spatial 3D-LC konnten alle in der X-Y-Ebene befindlichen Verbindungen noch in 254 parallelen 3D-Kanälen in Z-Richtung aufgetrennt werden.

Was so bestechend einfach klingt, ist eine riesige Herausforderung bei der miniaturisierten Herstellung der 3D-Strukturen (z. B. UV-initiierte Polymerisation in Kombination mit Photomasken) und der Phasenbelegung im bzw. Füllung des mikrofluidischen Chip (z. B. polymer-monolithische stationäre Phasen). Auch für die fluidmechanischen Probleme bei der Ansteuerung der verschiedenen Dimensionen und vor allem zugunsten gleichmäßiger Verteilungen der Flüsse etc. müssen neue Lösungsansätze gefunden werden. Die miteinander verbundenen 2D- und 3D-Strömungsverteiler müssen dafür allerdings möglichst homogene Strömungen in der zweiten und dritten Dimension gewährleisten. Außerdem sind für die drei Trennphasen passende Kombinationen von Retentionsmechanismen erforderlich, die sowohl orthogonal als auch bezüglich der Laufmittel ausreichend kompatibel sind. Zu guter Letzt ist die Detektion mit den üblichen Arbeitsweisen nicht kompatibel und erfordert völlig neue Denkansätze. Eine Idee besteht darin, den Nachweis von Analyten über eine Art "Drucktechnik" zu realisieren. Die Eluate der letzten Trenndimension könnten in regelmäßigen Intervallen auf einem geeigneten Substrat immobilisiert werden. Das (Zwischen-)Resultat der 3D-Separation könnte dann eine Reihe von "2D-Zeitbildern" sein. Mit massenspektrometrischen Imaging-Verfahren ließen sich daraus schließlich 3D-Ansichten rekonstruieren.

Diese Technologie hat sicherlich noch einen langen Entwicklungsweg vor sich, aber es lohnt sich, ihn zu gehen, denn am Ziel werden sich beispiellose Trennleistungen mit kurzen Analysenzeiten vereinen lassen.

Gyroide mit 3D-Druck

Die Herstellung hocheffizienter Trennsäulen durch 3D-Drucker wird immer realistischer, da sie zunehmend erschwinglicher werden und ihre Auflösung, Geschwindigkeit und Materialflexibilität ständig zunimmt. Dies rückt völlig neue Ideen für die Gestaltung stationärer Phasen in den Vordergrund, die sich nicht mehr nur auf die klassischen Packungen mit kugelförmigen Partikeln beschränken.

Wenn die technischen Herstellungs-Voraussetzungen gegeben sind, können alle möglichen interessanten Geometrien am Computer entwickelt, ausgedruckt und dann real getestet werden. Damit eröffnen sich vielfältige Möglichkeiten, welche die Mathematik mit der Berechnung idealer Geometrien zu bieten hat (z. B. trigonometrische Approximationen). Das können z. B. Gebilde mit sog. Minimalflächen sein (Bild 2). Unter einer Minimalfläche versteht man eine Fläche im Raum, die lokal minimalen Flächeninhalt hat. Derartige Formen nehmen beispielsweise Seifenblasenhäute an, wenn sie über einen entsprechenden Rahmen (Blasring) gespannt werden. Die resultierenden Seifenfilm-ähnlichen Blätter sind so konstruiert, dass sie minimale Oberflächenspannungen aufweisen. Die Entwicklung führt letztlich zu verdrehten, gekrümmten Geometrien, wie sie z. B. Gyroid-Strukturen aufweisen [2].

Solche Gebilde sind schon länger bekannt, ihre interessanten mechanischen Eigenschaften werden aber erst seit kurzem gezielt in der Technik genutzt. Da sie keine Knotenpunkte haben, sondern aus einer Fläche bestehen, gibt es keine besonderen Schwachstellen, an denen sie leichter aufbrechen könnten. Gyroid-Strukturen sind in allen Richtungen gleich stabil und können hohe Festigkeit und Leichtigkeit vereinen. Im industriellen Leichtbau gelten poröse Gyroide als technologische Hoffnungsträger zur Schaffung neuartiger Materialien, die aufgrund ihrer besonders großen Oberfläche z. B. auch in der Filtertechnik Vorteile aufweisen.

Für LC-Anwendungen müssen auch neue Designs für Flow-Verteiler entwickelt werden (z. B. Mandelbrot H-Tree Fractale), die einen gleichmäßigen Fluss vom Punkt der Probenaufgabe durch den gesamten Querschnitt der Säule gewährleisten.

Bei praktischen LC-Versuchen mit gyroiden Trennmaterialien haben sich die Vorhersagen der Computersimulationen bestätigt. Auch im Experiment hat sich gezeigt, dass gyroide Strukturen mit Minimalflächen um den Faktor 6 bis 8 weniger Trennwiderstand aufweisen als die besten sphärischen LC-Partikelpackungen [2].

Ein nicht zu unterschätzender Vorteil des äußerst flexiblen 3D-Drucks für die Entwicklung von neuen Trennstrukturen ist die kurze Zyklusdauer zwischen den Ideen und den Realtests. Neue erfolgversprechende Designs können am Computer errechnet und simuliert, dann sofort "ausgedruckt" und umgehend praktisch überprüft werden. Der Lernprozess wird dadurch rasant beschleunigt.

Fazit

Die Forschung hat zugunsten der dreidimensionalen LC längst begonnen, alternative Formate zu entwickeln, welche die massiven Einschränkungen der zeitbasierten 3D-LC überwinden. Das sind in erster Linie räumliche zwei- und dreidimensionale Systeme, die viel größere Spitzenkapazitäten bei gleichzeitig kurzer Analysezeit erwarten lassen.

Einige wichtige Herausforderungen müssen jedoch noch bewältigt werden, damit die Spatial 3D-LC ihr großes Versprechen für die Trennung hochkomplexer Proben erfüllen kann. Neue Fertigungstechnologien werden helfen, diese Entwicklung zu beschleunigen.

Literatur
[1] Jelle De Vos, Sebastiaan Eeltink: Taming the Third Dimension; http://www.theanalyticalscientist.com; Issue #0317; März 2017

[2] Conan Fee, Suhas Nawada, Simone Dimartino: 3D printed porous media columns with fine control of column packing morphology, Journal of Chromatography A, Volume 1333, 2014, pages 18–24; doi.org/10.1016/j.chroma.2014.01.043

Weiterführende Literatur
Zur 3D-LC:
Noor Abdulhussain, Suhas Nawada, and Peter Schoenmakers: Latest Trends on the Future of Three-Dimensional Separations in Chromatography, Chemical Reviews 2021 121 (19), 12016-12034; Chem. Rev. 2021, 121, 19, 12016–12034, doi.org/10.1021/acs.chemrev.0c01244

Zu 3D-gedruckten Materialien für die LC:
Salmean, C., Dimartino, S. 3D-Printed Stationary Phases with Ordered Morphology: State of the Art and Future Development in Liquid Chromatography. Chromatographia 82, 443–463 (2019). doi.org/10.1007/s10337-018-3671-5

AUTOR
Wolfgang Brodacz