JP2011185794A - クロマトグラフ分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】分析開始時刻のずれに起因する保持時間の誤差を減少させることができるクロマトグラフ分析装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るクロマトグラフ分析装置の一実施形態である液体クロマトグラフ分析装置では、試料液を溶離液（移動相）中に注入するオートサンプラ２とカラムにより分離された試料成分を検出する検出器４が、通信線６Ａによって直接接続されている。ここで、オートサンプラ２は、溶離液中に試料液を注入する際に分析開始信号を生成し、通信線６Ａを介して検出器４に送信する構成となっており、検出器４には、オートサンプラ２から送信された分析開始信号を受信した時点で作成された検出データにスタートフラグを挿入するスタートフラグ挿入部１１が備わっている。これにより、検出器４のサンプリング間隔でスタートフラグを挿入することができ、保持時間の誤差を減少させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスクロマトグラフや液体クロマトグラフ等のクロマトグラフ分析装置に関する。

ガスクロマトグラフや液体クロマトグラフなどのクロマトグラフ分析装置では、流路に移動相を流しつつ試料を注入し、流路途中に設けられたカラムにより試料を成分毎に時間的に分離して、検出器により各保持時間における相対信号強度の測定を行う。

ここで、上記検出器や流路中に移動相を送り込むためのポンプ、移動相中に試料を注入する試料注入部、カラムを所定の温度に昇温させるカラムオーブンなどの分析装置の各部は、それぞれシステムコントローラ（制御部）と通信ケーブルにより接続され、該システムコントローラをホストにして互いに連動動作するよう構成されている場合が多い（特許文献１）。このシステムコントローラは、さらにパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等によって構成される制御・データ処理装置と接続され、検出器で得られたデータを制御・データ処理装置に送信したり、制御・データ処理装置からの指示を受けて分析装置各部の動作を制御するといった処理を行う。
なお、以下において、システムコントローラによって制御される装置各部のことを「被制御部」と総称することがある。

特開2010-014511号公報（[0016]〜[0019]、図１）

クロマトグラフ分析装置では、装置を稼働させてからしばらくの間、流路に移動相を流しておき、分析装置の各部の動作が安定した後に試料注入部から試料を注入して分析を開始する。この際、分析開始時刻を制御・データ処理装置に知らせる必要があるが、各被制御部の稼働状態がシステムコントローラによって監視されていることから、システムコントローラ側で分析開始時刻を管理することが都合が良い。

しかしながら、そのようなクロマトグラフ分析装置に対して、実際の分析開始時刻を本願発明者が計測した結果、システムコントローラが設定した分析開始時刻とは数十〜百数十ミリ秒程度のずれが生じていることが判明した。このずれは僅かではあるものの、保持時間の短い成分に対しては測定誤差内に占める割合が高い。また近年、分析装置の高性能化から分析時間は短くなりつつあり、分析開始時刻のずれによる誤差の影響は大きくなりつつある。

本発明が解決しようとする課題は、分析開始時刻のずれに起因する保持時間の誤差を減少させることができるクロマトグラフ分析装置を提供することである。

本願発明者が、分析開始時刻にずれが発生する原因を詳細に検討した結果、それは以下の理由によるものであることが分かった。

システムコントローラは、各被制御部や制御・データ処理装置との間でコマンドやデータの送受信を行っている。この送受信はリアルタイムで行われているわけではなく、通信負荷を軽減するため一定の時間間隔を置いて行われている。

一方、検出器はシステムコントローラの送受信間隔よりも短い時間間隔（サンプリング間隔）で検出信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル化された複数の検出データをシステムコントローラへのデータ送信の際に一括して送信する。これらの時間間隔は例えば図５に示すようなものとなっている。この図５の例では、システムコントローラの送受信間隔は100msであり、検出器のサンプリング間隔は20msとなっている。すなわち、システムコントローラは100ms毎に5点の時刻における検出データを受信することになる。

分析装置が分析を開始する際、システムコントローラは検出器から受信した検出データにスタートフラグを挿入し、制御・データ処理装置に該検出データを送信する（図５(b)）。制御・データ処理装置はスタートフラグが挿入された検出データを保持時間が0の時点のデータとして、クロマトグラムを作成するなど以降のデータ処理を行う。しかしながら、上記したようにシステムコントローラが検出器から受信する検出データは複数の時点におけるものであり、実際の分析開始時刻がこの中のどの時点のものであるかが分からないため、分析開始時刻が図中のＳ_１とＳ₂のどちらの時点であっても、図５(b)に示すようにスタートフラグが同じ時点で挿入されてしまう。これにより、最大100msの誤差が発生することになる。本願発明者は、このようなシステムコントローラのデータ送受信間隔と検出器のサンプリング間隔のずれが、分析開始時刻のずれを生じさせる原因であることを見出した。

以上の検討結果から、上記課題を解決するために成された第１発明は、
制御部と、前記制御部の制御の下で動作を行う複数の被制御部と、前記制御部と前記被制御部との間に設けられた通信手段と、を備えるクロマトグラフ分析装置において、
前記複数の被制御部が少なくとも、分析開始信号を生成する信号生成部と、所定のサンプリング間隔毎に検出データを作成する検出部と、を含み、
前記信号生成部と前記検出部を含む所定の被制御部のそれぞれとの間に、前記分析開始信号を該信号生成部から送信するための第２通信手段が設けられ、
前記検出部が前記分析開始信号を受信した時点で作成された検出データに、スタートフラグを挿入するスタートフラグ挿入手段を有する
ことを特徴とする。

なお、前記信号生成部は、移動相中に試料を注入する試料注入部であることが望ましい。これにより、移動相中に試料を注入する時点を分析開始とすることができるため、適切なタイミングでスタートフラグを検出データに挿入することができる。

しかしながら、分析開始信号を検出部（検出器）に送信するためだけに、試料注入部と検出部との間に通信ケーブル等の第２通信手段を設けることは、装置の製造コストや設計の都合上、あまり好ましくはない。また、例えばグラジエント分析を行う場合では、ポンプにも分析開始時刻を知らせることが望ましいが、試料注入部とポンプ等の各被制御部との間にそのための第２通信手段を更に設けることも、やはり同様の理由で好ましくはない。

従って、上記課題を解決するために成された第２発明は、
制御部と、前記制御部の制御の下で動作を行う複数の被制御部と、前記制御部と前記被制御部との間に設けられた通信手段と、を備えるクロマトグラフ分析装置において、
前記制御部から前記通信手段を介して、全被制御部に同時に分析開始信号を送信する全送信手段
を有することを特徴とする。

第１発明に係るクロマトグラフ分析装置は、制御部（システムコントローラ）側でスタートフラグを挿入するのではなく、検出器側でスタートフラグを挿入するようにしたものである。これにより、制御部の送受信間隔と検出器のサンプリング間隔のずれに因らず適切にスタートフラグを挿入することができるため、従来よりも分析開始時刻のずれに起因する誤差を減少させることができる。

また、第２発明に係るクロマトグラフ分析装置は、全被制御部で同時に分析を開始させることにより被制御部間での分析開始タイミングのずれを減少させるようにしたものである。これにより、第２通信手段を設けることなく第１発明と同様の効果を得ることができる。

第１発明に係る液体クロマトグラフ分析装置の一実施例を備える分析システムの概略ブロック図。 第１実施例の液体クロマトグラフ分析装置において、検出器からシステムコントローラに検出データを送信する際の動作を説明するための概略タイミングチャート(a)、検出器からシステムコントローラへ検出データを送信する際のデータフォーマット例(b)、システムコントローラからコンピュータに検出データを送信する際のデータフォーマット例(c)。 第２発明に係る液体クロマトグラフ分析装置の一実施例を備える分析システムの概略ブロック図。 第２実施例の液体クロマトグラフ分析装置において、システムコントローラが各被制御部に送信する送信フレームのデータフォーマット例。 従来のクロマトグラフ分析装置において、検出器からシステムコントローラに検出データを送信する際の動作を説明するための概略タイミングチャート(a)、システムコントローラからコンピュータに検出データを送信する際のデータフォーマット例(b)。

第１発明に係るクロマトグラフ分析装置の一実施例について、図１及び２を参照しつつ説明する。
図１は、本実施例の液体クロマトグラフ（ＬＣ）分析装置を備えるＬＣ分析システムの概略ブロック図である。このＬＣ分析システムにおいて、ＬＣ分析装置は、溶離液（移動相）をカラムに送るポンプを含む送液ユニット１と、試料成分の分離を行うカラムを内装するカラムオーブン３と、送液ユニット１からカラムに送られる溶離液中に試料液を注入するオートサンプラ（試料注入部）２と、カラムから溶出した試料成分を順次検出する検出器４と、設定された分析条件等に従って上記各部（被制御部）の動作を統括的に制御するためのシステムコントローラ（制御部）５と、を有している。

上記分析装置内で、システムコントローラ５と各被制御部とはそれぞれ個別に通信線（通信手段）６で相互に接続されており、またシステムコントローラ５はＬＡＮ等のネットワーク回線ＮＷを介して制御／データ収集用のコンピュータ７と接続されている。コンピュータ７には分析装置を制御したり分析装置で得られたデータを処理するための専用の制御／データ処理ソフトウエアがインストールされている。このコンピュータ７を使用せずにシステムコントローラ５だけでも分析装置における基本的な操作は可能であるが、コンピュータ７に搭載されている制御／処理ソフトウエアを用いることで、自動分析等のより高度な分析を簡単な操作により行うことができる。

なお、システムコントローラ５は通信負荷を軽減するために、一定時間毎にチャンネルを切り替えながら各被制御部とのデータの送受信を行っている。このチャンネル切り替えは例えば、送液ユニット１(ch1)→オートサンプラ２(ch2)→カラムオーブン３(ch3)→検出器４(ch4)→送液ユニット１(ch1)、というように行われる。従って、システムコントローラ５のチャンネル切り替えが25ms間隔で行われているとすると、各被制御部とのデータの送受信間隔は100msとなる。

以上は従来のＬＣ分析装置と同じ構成であるが、本実施例のＬＣ分析装置ではさらに、オートサンプラ２と検出器４が通信線（第２通信手段）６Ａによって直接接続されており、溶離液中に試料液を注入する際に分析開始信号を生成して検出器４に送信する構成となっている。すなわち、オートサンプラ２が信号生成部として機能する。一方、検出器４には、オートサンプラ２から送信された分析開始信号を受信した時点で作成された検出データにスタートフラグを挿入するスタートフラグ挿入部１１が備わっている。

以下、本実施例のＬＣ分析装置に特徴的な動作について説明する。
システムコントローラ５は各被制御部の動作が安定したことを確認した上で、オートサンプラ２に対して分析開始コマンドを送信する。この分析開始コマンドに従ってオートサンプラ２は試料液を溶離液中に注入するが、この際、オートサンプラ２は分析開始信号を生成し、通信線６Ａを介して検出器４に送信する。

一方、検出器４は所定のサンプリング間隔（図２(a)の例では20ms）でアナログ検出信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル化された検出データＡ_jを順次作成している。この検出データＡ_jはさらに図２(b)のようなデータ構造を有する送信用の検出データＢ_jに変換され、この送信用検出データＢ_jが5点毎にまとめてシステムコントローラ５に送信される。

ここで、例えば図２(a)の時刻Ｓ₁において検出器４が分析開始信号を受信した場合、スタートフラグ挿入部１１は、受信した時点で作成された検出データＡ₂が送信用検出データＢ₂の検出データ領域に書き込まれる際に、そのフラグ領域にスタートフラグを書き込む（挿入する）。
同様に、図２(a)の時刻Ｓ₂において分析開始信号を受信した場合には、送信用検出データＢ₅にスタートフラグが挿入される。

システムコントローラ５に送られたこれらの送信用検出データは、検出データ領域に加えてフラグ領域を有しているため、このままコンピュータ７にデータを送信すると従来のものより通信負荷がかかってしまう。従って、システムコントローラ５において、図５(b)と同様のフォーマットに送信用検出データを変換してから、コンピュータ７に送信する（図２(c)）。なお、実際にはさらにデータを圧縮しているが、本発明とは特に関係がないため省略する。

上記の構成を有することにより、本実施例のＬＣ分析装置では、分析開始時刻の変化に伴いスタートフラグを適切に挿入することができる。また、本実施例のＬＣ分析装置では、分析開始時刻に起因する保持時間の誤差の最大はサンプリング間隔（図２の例では20ms）に依存することになる。従って、保持時間の誤差の最大が送受信間隔（この例では100ms）となる従来のものよりも、誤差を小さくすることができる。

以下の表に、本実施例のＬＣ分析装置と従来のＬＣ分析装置のそれぞれにおいて、保持時間が0.75分のピークに対しその誤差を計測した結果を示す。これらは共に、サンプリング間隔を20ms、送受信間隔を100msとした場合の結果である。

それぞれの装置における保持時間の最大誤差の理論値は、従来のもので100ms/(0.75min×60×1000)×100≒0.222%となり、本実施例のもので20ms/(0.75min×60×1000)×100≒0.044%となる。これらを%RSDで換算すると、統計的におよそ1/3となることから、それぞれ0.074%RSD、0.015%RSDとなる。

これに対し、実測値の平均は従来の装置では約0.1%RSD、本実施例の装置では約0.06%RSDとなった。このように理論値と計算値が一致しないのは、検出器４のサンプリング間隔やシステムコントローラ５の送受信間隔に起因する誤差以外にも何らかの要因が存在することを示している。しかしながら、それでも本実施例の装置では従来の装置に比べて明らかに分析開始時刻のずれが改善されていることが分かる。

また、従来のクロマトグラフ分析装置では、例えば検出器のサンプリング間隔を10msなどのように小さくしても分析開始時刻のずれは改善されないが、本発明に係るクロマトグラフ分析装置では、検出器４のサンプリング間隔を小さくすればするほど、分析開始時刻のずれを小さくすることができる。

なお、グラジエント分析を行う場合には、オートサンプラ２と送液ユニット１の間にも通信線６Ａを設け、分析開始信号によりグラジエント分析を開始する構成とすることもできる。また、検出器４が複数存在する場合には、それぞれに対して上記と同様の構成にすれば良い。

次に、第２発明に係るＬＣ分析装置の一実施例を図３及び４を用いて説明する。
上記したように、第１実施例のＬＣ分析装置のシステムコントローラ５は、通信負荷軽減のため、順次、チャンネルを切り替えながら各被制御部とのデータやコマンドの送受信を行っている。これは従来のＬＣ分析装置においても同様である。

これに対し、図３に示す本実施例のＬＣ分析装置では、以下のように各被制御部とのデータの送受信を行っている。すなわち、本実施例のシステムコントローラ５Ａでは全送信部１２及び受信部１３を備え、全送信部１２は全被制御部に対して同時にコマンドを送信し、受信部１３はチャンネルを切り替えながら各被制御部からのデータの受信を行う。

第１実施例や従来のＬＣ分析装置では順にチャンネルを変えながら、それぞれのチャンネルで送信と受信の両方を行うが、本実施例のＬＣ分析装置では、全送信部１２が全被制御部にコマンドを送信する際には、各被制御部からの受信は行わない。一方、受信部１３は各被制御部からのデータの受信のみを行う。本実施例の装置におけるデータの送受信は、例えば、全チャンネルにコマンドを同時に送信→ch1からデータを受信→ch2からデータを受信→ch3からデータを受信→ch4からデータを受信→全チャンネルにコマンドを同時に送信、の順序で行う。これにより、本実施例の装置において分析を開始する際には、分析開始コマンド（分析開始信号）は、全送信部１２によって全被制御部に同時に送信される。検出器６では、スタートフラグ挿入部１１が分析開始コマンドを受信した時点で作成された検出データにスタートフラグを挿入する。これにより、被制御部間での分析開始タイミングのずれを小さくし、保持時間の誤差を減少させることができる。

しかしながら、システムコントローラ５Ａから送信されるコマンドは、各被制御部にそれぞれ固有の処理を行わせる場合もある。このような各被制御部固有の処理も行わせるために、システムコントローラ５Ａが各被制御部に送信するコマンドに対し、以下のような処理を施す。その例を図４に示す。

図４は、システムコントローラ５Ａがコマンドを指示するための送信フレームのデータフォーマット例を示している。この送信フレームは、コマンドが記載されたコマンドデータ領域と、フレーム破損確認用コードが記載されたフレームチェック用領域と、送信先アドレスを記載するためのアドレス領域を有している。このアドレス領域には、被制御部毎に割り当てられた固有アドレス又は全被制御部が処理するための特殊アドレスが記載される。

例えばシステムコントローラ５Ａが全被制御部に対して分析開始のためのコマンドを送る際には、このアドレス領域に送信先アドレスとして特殊アドレス（例えば255）が記載される。また、各被制御部に固有の処理を行わせる際には、固有アドレス（例えばch番号）が記載される。各被制御部はそれぞれアドレス確認部（図示せず）を有し、システムコントローラ５Ａから送信フレームを受信した際に、このアドレス確認部により送信先アドレスが確認される。そして送信先アドレスに特殊アドレス又は各被制御部に対応する固有アドレスが記載されている場合には、コマンドデータ領域に記載されたコマンドを実行する。これにより、各被制御部固有の処理も、全被制御部共通の処理も、全送信部１２から送られる送信フレームにより実行させることができる。

以上、本発明に係るクロマトグラフ分析装置について実施例を用いて説明したが、本発明の趣旨の範囲内で適宜に変更や修正、又は追加を行っても構わない。例えば上記の第１実施例及び第２実施例では共に液体クロマトグラフを例にしたが、ガスクロマトグラフに対しても同様に本発明を適用することができる。

１…送液ユニット
２…オートサンプラ（試料注入部、信号生成部）
３…カラムオーブン
４…検出器
５、５Ａ…システムコントローラ（制御部）
６…通信線（通信手段）
６Ａ…通信線（第２通信手段）
７…コンピュータ
１１…スタートフラグ挿入部
１２…全送信部
１３…受信部
ＮＷ…ネットワーク回線

Claims (5)

1. 制御部と、前記制御部の制御の下で動作を行う複数の被制御部と、前記制御部と前記被制御部との間に設けられた通信手段と、を備えるクロマトグラフ分析装置において、
   前記複数の被制御部が少なくとも、分析開始信号を生成する信号生成部と、所定のサンプリング間隔毎に検出データを作成する検出部と、を含み、
   前記信号生成部と前記検出部を含む所定の被制御部のそれぞれとの間に、前記分析開始信号を該信号生成部から送信するための第２通信手段が設けられ、
   前記検出部が前記分析開始信号を受信した時点で作成された検出データに、スタートフラグを挿入するスタートフラグ挿入手段を有する
   ことを特徴とするクロマトグラフ分析装置。
2. 前記信号生成部が、移動相中に試料を注入する試料注入部であることを特徴とする請求項１に記載のクロマトグラフ分析装置。
3. 前記被制御部が、移動相を流路に流し込むためのポンプを含み、該ポンプと前記信号生成部との間に前記第２通信手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のクロマトグラフ分析装置。
4. 制御部と、前記制御部の制御の下で動作を行う複数の被制御部と、前記制御部と前記被制御部との間に設けられた通信手段と、を備えるクロマトグラフ分析装置において、
   前記制御部から前記通信手段を介して、全被制御部に同時に分析開始信号を送信する全送信手段
   を有することを特徴とするクロマトグラフ分析装置。
5. 前記複数の被制御部が少なくとも、所定のサンプリング間隔毎に検出データを作成する検出部を含み、
   前記検出部が前記分析開始コマンドを受信した時点で作成された検出データに、スタートフラグを挿入するスタートフラグ挿入手段
   を有することを特徴とする請求項４に記載のクロマトグラフ分析装置。

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