Dos verdades y una mentira sobre la eficiencia de las partículas de núcleo sólido

Las partículas de núcleo sólido (o superficialmente porosas) constituyen la base de solid core HPLC columns y se han ganado la reputación de ofrecer separaciones más eficientes que las partículas totalmente porosas de tamaño similar. Los cromatógrafos observan este fenómeno repetidamente en aplicaciones con moléculas pequeñas y grandes, en una amplia variedad de condiciones de funcionamiento.

Sin embargo, a menudo se malinterpreta por qué las partículas de núcleo sólido son más eficientes.

Vamos a distinguir la realidad de los conceptos erróneos con dos verdades y una mentira sobre la eficiencia de las partículas de núcleo sólido.

Verdad n.º 1: La difusión longitudinal desempeña un papel fundamental, pero no por la razón que podrías pensar

Sí, las partículas de núcleo sólido presentan una difusión longitudinal reducida. Pero el motivo no tiene mucho que ver con una menor longitud del recorrido de difusión.

El verdadero factor determinante es el volumen de la fase móvil dentro de la partícula.

En una partícula totalmente porosa, los analitos pueden difundirse por todo el volumen interno de los poros. Esto proporciona a la banda de la muestra más espacio para extenderse a lo largo de la columna.

Por el contrario, una partícula de núcleo sólido contiene un núcleo impermeable, lo que reduce drásticamente el volumen interior de la partícula al que puede acceder la fase móvil. Al haber menos espacio interno para que los analitos se desplacen, la difusión longitudinal queda naturalmente limitada.

El resultado:

• Menor ensanchamiento de la banda
• Picos más pronunciados
• Mayor eficiencia, especialmente para moléculas pequeñas que funcionan a un caudal igual o inferior al óptimo

Verdad n.º 2: La dispersión de los remolinos, la morfología de las partículas y la uniformidad del empaquetamiento influyen significativamente en la eficiencia

Uno de los factores que más se subestiman a la hora de influir en la eficiencia es la forma en que se disponen las partículas dentro de la columna.

En cualquier lecho compacto, la estructura cerca de la pared de la columna difiere de la del centro. Estas diferencias estructurales dan lugar a variaciones en la velocidad del flujo a lo largo del radio de la columna, lo que contribuye a la dispersión por remolinos.

Aquí es donde las partículas de núcleo sólido utilizadas en las columnas de HPLC de núcleo sólido ofrecen una ventaja.

Debido a sus características superficiales, en particular a su mayor rugosidad, las partículas de núcleo sólido se distribuyen de forma más uniforme a lo largo del diámetro de la columna que las partículas totalmente porosas, que son más lisas. Un lecho empaquetado más homogéneo da lugar a:

• Un perfil de velocidad de flujo más uniforme
• Menor heterogeneidad radial
• Menor ensanchamiento de banda provocado por la dispersión por turbulencias

Esta mayor uniformidad en el empaquetado puede contribuir de manera significativa a mejorar la eficiencia.

La mentira: Las partículas de núcleo sólido son más eficientes porque reducen considerablemente la resistencia a la transferencia de masa

Esto es más un error de concepto que una mentira descarada. La transferencia de masa influye menos en la eficiencia de los núcleos sólidos de lo que se suele creer.

El razonamiento es el siguiente: las partículas de núcleo sólido tienen una capa fina y porosa que rodea un núcleo sólido, lo que acorta el recorrido de difusión dentro de la partícula, lo que a su vez reduce la resistencia a la transferencia de masa del analito (el término C en la ecuación de Van Deemter).

Un recorrido más corto implica una menor resistencia a la transferencia de masa, lo que se traduce en una mayor eficiencia.

Eso parece razonable, pero no se sostiene si se analizan los datos con detenimiento.

• En el caso de las moléculas pequeñas: la resistencia a la transferencia de masa ya es muy baja tanto en las partículas totalmente porosas como en las de núcleo sólido. A caudales habituales, las diferencias en la transferencia de masa entre el fase sólida y la líquida son insignificantes; desde luego, no lo suficientemente grandes como para explicar la mayor eficiencia que se observa sistemáticamente en los materiales de núcleo sólido.

• En el caso de las moléculas grandes: es cierto que unas trayectorias de difusión más cortas en la capa porosa pueden mejorar la transferencia de masa. Sin embargo, incluso en este caso, la transferencia de masa no es el único factor que contribuye al aumento de la eficiencia general.

Por lo tanto, aunque existe una menor resistencia a la transferencia de masa, esta desempeña un papel relativamente menor en la mayor eficiencia de una partícula de núcleo sólido.

En resumen

En definitiva, la ventaja en cuanto a eficiencia de las partículas de núcleo sólido se debe principalmente a dos factores:

1. Dispersión por remolinos: un empaquetamiento más uniforme da lugar a una distribución más homogénea del perfil de flujo y a una menor ampliación de la banda.
2. Difusión longitudinal: la reducción del volumen de la fase móvil dentro de la partícula limita el ensanchamiento de las bandas y agudiza los picos.

La transferencia de masa puede contribuir a la eficiencia, pero no es el factor principal que determina el rendimiento de las partículas de núcleo sólido. Las rutas de difusión más cortas en la cubierta porosa pueden reducir la resistencia a la transferencia de masa en el caso de las moléculas grandes, pero en el caso de las moléculas pequeñas este efecto es mínimo.

Así que, la próxima vez que alguien diga que las partículas de núcleo sólido son más eficientes gracias a una mejor transferencia de masa, ¡ya sabrás cuál es la verdad!

Para obtener más información sobre las ventajas de las partículas de núcleo sólido, consulta los siguientes recursos:

Infografía: Upgrading to Solid-Core Particles

Vídeo: ¿Qué factores contribuyen a una mayor eficiencia en las columnas de núcleo sólido?

Nota de aplicación: Improving Separation Efficiency with CORTECS Premier Columns that Feature Solid-Core Particles

Entrada de blog: En busca del máximo rendimiento de LC