We present relationships between the multiscale structure and the separation properties of size exclusion chromatography (SEC) columns. Physical bed reconstructions of wall and bulk regions from a 2.1 mm i.d. column packed with fully porous 1.7 µm bridged-ethyl hybrid (BEH) particles, obtained by focused ion-beam scanning electron microscopy, serve as geometrical models for the packing microstructure in wall and central regions of a typical narrow-bore SEC column. In addition, the intraparticle mesopore space morphology of the BEH particles is reconstructed using electron tomography, to ultimately construct a realistic multiscale model of the bed morphology from mesopore level via interparticle macropore space to transcolumn scale. Complemented by the results of eddy dispersion simulations in computer-generated bulk packings, relationships between packing microstructure and transchannel, short-range interchannel, as well as transcolumn eddy dispersion are used to analyze the fluid dynamics in the interparticle macropore space of the model. Further, we simulate hindered diffusion and accessible porosity for passive, finite-size tracers in the intraparticle mesopore space, to finally determine the effective particle and bed diffusion coefficients of these tracers in the hierarchical (macro-mesoporous) bed. Retention and transport properties of polystyrene standards with hydrodynamic diameters from 5 to 95 Å in tetrahydrofuran are subsequently predicted without introducing bias from arbitrary models. These properties include the elution volumes of the polystyrene standards, the global peak capacity (over the entire separation window), and the rate of peak capacity at any fixed elution volume. Optimal flow rates yielding maximal global peak capacity and a nearly uniform rate of peak capacity over the entire separation window are close to 0.04 and 0.20 mL/min, respectively. SEC column performance obtained for fully porous and superficially porous particles is compared by varying the core-to-particle diameter ratio ρ from 0 to 0.95. Because the separation window is narrowing more rapidly than the rate of peak capacity is growing with increasing ρ, core-shell particles always provide smaller global peak capacity; they still can be advantageous but only for simple sample mixtures. The presented morphology-performance approach holds great promise for method development in SEC.

中文翻译：

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液相色谱中的形态学-传输关系：在尺寸排阻色谱法方法开发中的应用。

我们介绍了多尺度结构和大小排阻色谱（SEC）色谱柱的分离特性之间的关系。通过聚焦离子束扫描电子显微镜获得的2.1毫米内径柱填充了全多孔1.7 µm桥接乙基杂化（BEH）颗粒，对壁和主体区域进行了物理床重建，这是壁和壁填料微观结构的几何模型典型的窄孔SEC柱的中心区域。另外，使用电子断层摄影术重建BEH颗粒的颗粒内中孔空间形态，以最终构建一个从中孔水平到颗粒间大孔空间到跨柱尺度的床形态的真实多尺度模型。补充了计算机生成的散装包装中涡流扩散模拟的结果，填料微观结构与跨通道，短程通道间以及跨柱涡流散布之间的关系被用来分析模型的颗粒间大孔空间中的流体动力学。此外，我们模拟了粒子内中孔空间中被动，有限尺寸示踪剂的受阻扩散和可达到的孔隙度，从而最终确定了这些示踪剂在分层（大中孔）层中的有效粒子和床扩散系数。随后预测了流体动力学直径为5至95的聚苯乙烯标准品在四氢呋喃中的保留和传输性能，而不会引入任意模型的偏差。这些属性包括聚苯乙烯标准品的洗脱体积，总峰容量（在整个分离窗口内），以及任何固定洗脱体积下的峰容量速率。在整个分离窗口中产生最大全局峰容量和几乎均匀的峰容量的最佳流速分别接近0.04和0.20 mL / min。通过将芯与粒径的比值ρ从0更改为0.95，比较了全多孔和表面多孔颗粒的SEC色谱柱性能。因为随着ρ的增加，分离窗口的缩小速度快于峰容量的增长速度，所以核壳颗粒始终提供较小的整体峰容量；它们仍然可能是有利的，但仅适用于简单的样品混合物。提出的形态学性能方法为SEC中的方法开发提供了广阔的前景。在整个分离窗口中产生最大全局峰容量和几乎均匀的峰容量的最佳流速分别接近0.04和0.20 mL / min。通过将芯与粒径的比值ρ从0更改为0.95，比较了全多孔和表面多孔颗粒的SEC色谱柱性能。因为随着ρ的增加，分离窗口的缩小速度快于峰容量的增长速度，所以核壳颗粒始终提供较小的整体峰容量；它们仍然可能是有利的，但仅适用于简单的样品混合物。提出的形态学性能方法为SEC中的方法开发提供了广阔的前景。在整个分离窗口中产生最大全局峰容量和几乎均匀的峰容量的最佳流速分别接近0.04和0.20 mL / min。通过将芯与粒径的比值ρ从0更改为0.95，比较了全多孔和表面多孔颗粒的SEC色谱柱性能。因为随着ρ的增加，分离窗口的缩小速度快于峰容量的增长速度，所以核壳颗粒始终提供较小的整体峰容量；它们仍然可能是有利的，但仅适用于简单的样品混合物。提出的形态学性能方法为SEC中的方法开发提供了广阔的前景。通过将芯与粒径的比值ρ从0更改为0.95，比较了全多孔和表面多孔颗粒的SEC色谱柱性能。因为随着ρ的增加，分离窗口的缩小速度快于峰容量的增长速度，所以核壳颗粒始终提供较小的整体峰容量；它们仍然可能是有利的，但仅适用于简单的样品混合物。提出的形态学性能方法为SEC中的方法开发提供了广阔的前景。通过将芯对粒径的比值ρ从0更改为0.95，比较了对完全多孔和表面多孔的颗粒获得的SEC色谱柱性能。因为随着ρ的增加，分离窗口的缩小速度快于峰容量的增长速度，所以核壳颗粒始终提供较小的整体峰容量；它们仍然可能是有利的，但仅适用于简单的样品混合物。提出的形态学性能方法为SEC中的方法开发提供了广阔的前景。