Selection of adequate optimization criteria in chromatographic separations

Computer-assisted optimization of chromatographic separations is still a fruitful activity. In fact, advances in computerized data handling should make the application of systematic optimization strategies much easier. However, in most contemporary applications, the optimization criterion is not considered to be a key issue (Vanbel, J Pharm Biomed, 21:603–610, 1999). In this paper, an update of the importance of selecting adequate criteria in chromatographic separation is presented

Les critères d'optimatisation en chromatographie liquide-liquide à haute performance

Chemometrics have found widespread use to develop selectivity optimization procedures in liquid chromatography. This approach allows the systematic development of optimal chromatographic methods. An essential step of any optimization strategy is a clear definition of the goal(s) of the process. The mathematical description of such a goal is called an optimization criterion. A number of such criteria have been evaluated in this work. We have demonstrated that different requirements ofchromatographers lead to different optima, necessitating the selection and adaptation of optimization criteria for specific problem. Many different criteria have been suggested in the literature. However, the selection of an adequate criterion and its correct application can be a problem for potential users, because they do not have sufficient information. In practice, the various criteria must be used with care. For example, some criteria may yield arbitrary results. Other ones can only be applied in ideal cases (Gaussian peaks of similar areas). In the present work, we have shown that the used of flexible criteria adapted to practical situations is a considerable improvement for optimization procedures. Indeed, most of the chromatographic separation problems encountered in practice are complex, due to the presence of non ideal peaks (asymmetrical peaks or peaks of vastly different areas) or to the existence of irrelevant peaks, which may interfere with the separation of the relevant ones. More complex resolution expressions have to be applied to describe the quality of the separation correctly. We have also defined criteria dealing with limited optimization problems (i.e. situations in which a limited number of solutes in a complex matrix (biological samples, environmental samples, etc.). Therefore, in our opinion, an important requirement for optimization criteria is their ability to deal with limited optimization. some criteria defined in the context of limited optimization (normalized resolution products) have the additional advantage of promoting the coelution of irrelevant peaks and of favouring the separation of the solutes into groups (ideally, the relevant peaks are equally distributed over the chromatogram and the irrelevant peaks are confounded). The behaviour opens the way towards the optimization of multi-dimentional separations (LC-LC, LC-GC …) and, possibly, group-type separations. To achieve these objectives, the subject needs to be investigated more profoundly. Another fundamental aspect of this work has been to consider the robustness of a method with respect to the experimental conditions as an explicit objective of the optimization procedure. We have defined robustness criteria, which can be included in optimization strategies. By considering robustness at an early stage of method development, the chance of failure during the validation process is reduced. This new concept may be systematically integrated in any optimization procedure. With this work, we hope to have contributed to a better use of optimization criteria and to a more successful use of optimization procedures. the examples od selectivity optimization discussed here concern the reversed-phase mode, which is the most common from of liquid chromatography (ion-pair chromatography, ion-exchange chromatography, etc.) and to numerous other analytical techniques. For example, the continuing development of capillary electrophoresis leads to interesting perspectives. From a more general point of view, the intensive research on chemometrics is resulting in the continuous development of new concepts and increasingly flexible strategies (experimental designs, mathematical models better adapted to practical situations, etc.). The availability of efficient and user-friendly software will contribute to a more systematic use of this kind of approach. In conclusions, we think that chemometrics should be progressively integrated in laboratories where the concept of quality is an important concern. The introduction of the optimum robustness as an objective of optimization strategy has been a priority for us. A more general study of this subject is a logical follow-up of the present work.La chimiométrie trouve un large champ d’application dans le développement de procédures d’optimisation de la sélectivité en chromatographie liquide-liquide. Elle permet, en effet, le développement systématique de méthodes chromatographiques optimales. Une étape fondamentale de toute stratégie d’optimisation est la définition claire de son objectif. La description mathématique de ce dernier et appelée un critère d’optimisation. Différents critères ont été évalués dans ce travail. Nous avons démontré que pour définir un optimum correspondant aux exigences de l’expérimentateur, un critère adapté au problème étudié doit être sélectionné. De très nombreux critères ont été proposés dans la littérature. Cependant, la sélection d’un critère adéquat peut constituer un problème pour les utilisateurs potentiels qui ne disposent pas toujours de toute l’information requise pour les manipuler correctement. Concrètement, de nombreux critères doivent être utilisés avec prudence. Certains d’entre eux, par exemple, peuvent conduite à des résultats arbitraires. D’autres ont un champ d’application limité à des cas idéaux (pics gaussiens de surfaces comparables). Dans ce travail, nous avons aussi mis en évidence que l’utilisation de critères flexibles adaptés aux situations pratiques apporte un plus considérable à la procédure d’optimisation. En effet, la plupart sont complexes en raison de la présence de pics non idéaux (pics asymétriques ou de surfaces fort différentes) ou de pics non intéressants qui peuvent interférer avec la séparation des pics d’intérêt. Le cas des séparations non idéales, que l’on rencontre par exemple dans les analyses de pureté des médicaments, a été étudié. Des expressions plus complexes de la résolution doivent être utilisées pour décrire correctement la qualité de la séparation. Nous avons également défini des critères pouvant traiter les problèmes d’optimisation limitée, c’est-à-dire les situations dans lesquelles seuls certains composés doivent être séparés d’une matrice d’autres pics (non considérés). Les analystes sont souvent intéressés par la séparation d’un nombre limité de solutés dans une matrice complexe (analyses d’échantillons d’origine biologique ou d’échantillons provenant de l’environnement, par exemple). Dès lors, à notre avis, la capacité à traiter les problèmes d’optimisation limitée est une caractéristique importante pour tout critère d’optimisation. de plus, certains critères, définis dans le cadre de l’optimisation limitée (produits des résolutions normalisés), présentent l’avantage de promouvoir la coélution des pics chromatographiques non intéressants favorisant ainsi la séparation des solutés en groupes (idéalement les pics intéressants sont distribués uniformément dans le chromatogramme et les pics non intéressants sont tous confondus). Ce comportement ouvre donc la voie vers l’optimisation de séparations multidipensionnelles (LC-LC, LC-GC …) et de séparations de solutés en différents groupes. Des recherches plus approfondies sont indispensables pour atteindre ces objectifs. Un autre aspect fondamental de ce travail a été de considérer la robustesse de la méthode, en fonction des conditions expérimentales, en tant qu’objectif explicite de la procédure d’optimisation. Des critères de robustesse pouvant être intégrés au cours des stratégies d’optimisation ont été définis. En considérant la robustesse à un stade précoce du développement d’une méthode, cette approche permet d’éviter une sanction finale lors de l’étape de validation. Ce nouveau concept devrait être systématiquement intégré dans toute procédure d’optimisation. Au terme de ce travail, nous espérons avoir contribué à une utilisation plus réfléchie des critères d’optimisation de façon à éviter l’échec de la procédure par la sélection d’un critère inapproprié. Les exemples d’optimisation de la sélectivité présentés concernent la chromatographie liquide-liquide à polarité de phases inversée qui reste le mode chromatographique le plus utilisé. La démarche chimiométrique peut s’appliquer à d’autres modes chromatographiques (chromatographie par pairage d’ions, chromatographie d’échange d’ions …- ainsi qu’à de nombreuses autres techniques analytiques. Par exemple, le développement croissant de l’électrophorèse capillaire ouvre des perspectives intéressantes. D’un point de vue plus général, la recherche intensive dans le domaine de la chimiométrie conduit au développement continu de nouveaux concepts et de procédures de plus en plus flexibles (plans d’expériences, modèles mathématiques mieux adaptés aux situations pratiques, etc.). La disponibilité de logiciels performants et conviviaux devrait contribuer à la systématisation de ce type de démarche. En conclusion, nous pensons que la chimiométrie devrait être progressivement intégrée à l’ensemble des laboratoires où la notion de qualité est importante. L’introduction de la robustesse de l’optimum en tant qu’objectif de la démarche d’optimisation nous a semblé être une priorité. Une étude plus générale de ce sujet nous paraît dès lors constituer la suite logique de ce travail.Thèse de doctorat en sciences pharmaceutiques -- UCL, 199

Characterization of semiconductor interfaces by nonlinear optical techniques

Nonlinear optics is a wide research field based on the nonlinear relationship of the electric field component of light and the induced polarization in matter under intense laser illumination. The second order effect second-harmonic generation (SHG) is often used as a surface characterization tool for materials with a center of symmetry. Due to the advantage of probing surfaces and even buried interfaces, specific material properties can be attributed to the material surface instead of the bulk. Moreover, SHG is very sensitive to changes in the surface structure or alignment of molecules thereon. An additional advantage is the non-invasiveness of SHG, which makes the technique applicable to fragile materials. Exploiting these advantages, SHG can be a useful technique in semiconductor industry, since semiconductor devices consist of a sequence of thin layers. Metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) consist of an oxide layer on top of a semiconductor with different contact areas and are the fundamental parts of e.g. computer chips. The interface between these layers determines the power consumption, reliability, operating voltage, leakage current of the resulting device, etc. Optimizing the interfaces between these layers, will result in an optimized transistor performance. SHG can provide valuable insight in interface-specific processes in semiconductor research.In this work, we investigate the surface and interfaces in MOSFETs. We determine the optimal growth conditions with respect to the carrier gas and temperature during atomic layer deposition (ALD) of the oxide layer. During the ALD process, the composition of the bonds at the surface changes, which results in a change in the isotropic contribution of SHG. For thicker oxide layers, it is shown that the SHG response is thickness independent. Moreover, passivation of the interface is important for optimal device properties. Therefore, the influence of the oxidizing agent and number of oxidation steps on a Si capped Ge layer is probed. Since the operation of MOSFET is voltage dependent, electric field-induced second-harmonic generation (EFISH) is performed on Al2O3 and MgO covered Si substrates. The charges contribute to the EFISH signal, hence a change in charge distribution will result in a changing EFISH intensity. We observe the tunneling of holes from the semiconductor layer to the Al2O3 and migration of oxygen vacancies in MgO. Graphene is an upcoming semiconducting material, which is to be incorporated in a new type of transistor. The capability of using SHG as symmetry-sensitive probe and visualization method is tested on graphene and a novel analyzing method based on fast Fourier-transformation is proposed. These findings illustrate the usefulness of SHG and EFISH to probe buried interfaces in semiconducting material and charge separation therein. In this manner, these second-order nonlinear techniques can push the boundaries in semiconductor manufacturing.status: publishe

Development of flexible and efficient strategies for optimizing chromatographic separations.

The intensive research in chemometrics is resulting in continuous development of new concepts and optimization methods. The practical chromatographic optimization examples described in this paper highlight the importance of developing efficient and flexible optimization strategies, which are adapted to the (complex) separation problems encountered in the real chromatographic world. The availability of efficient and user-friendly software should contribute to a more systematic use of chemometrical approaches. Two primordial aspects are discussed in more details: (1) the selection of adequate optimization criteria and (2) the optimum robustness