JP2014514541A - 多次元液体分析用バルブ及び分割システム - Google Patents

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Abstract

多次元液体分析システムは、第1次元液体分析システムからの移動相流出流を第1及び第2液体分割出口流に分離するためのフロースプリッタを含む。分割出口流の容積流量制御を、フロースプリッタからの分割出口流の一方を制御された引き込み流量で引き込む流量制御ポンプによって行なう。引き込み流量は、第1次元システムからの流出流量と該引き込み流量との差として他方の分割出口流量を規定する。このようにして、多次元液体分析に特に有用な正確かつ一貫した流れの分割が実現できる。

Description

本発明は、分析化学に使用する流動システムに関し、特に、多次元液体クロマトグラフィ装置において移動相流を分割するための分割システムに関する。
高圧液体クロマトグラフィ(HPLC)等の分離技術は、分析化学において一般的に使用されている。しかしながら、HPLCは、単一のクロマトグラフィ分離カラムを用いて実現できる分離度によって限定される。2つ以上の液体クロマトグラフを組み合わせてハイブリッド機器とすることで、単一の分離カラムで実現できるよりも多くの化合物の分解度の向上を実現する試みがなされてきた。近年、試料の複雑化が進行し、単一のHPLCカラムを使用して実現できるものよりも高い分解度力の必要性が高まっている。
一部の分析機器は、HPLCと、試料をさらに同定するための質量分析とを組み合わせている。しかしながら、典型的な質量分析器では、HPLC分離カラムを通過する典型的な流量よりも極めて低い流量を分析する。従って、分析者は、HPLC分離からの流出流量が質量分析器の液体流容量と一致するようにHPLCの移動相の流量を最適値未満の値まで減じることによって、そのような複合機器を操作しようと試みてきた。HPLCカラム内でこのように流量を減じると、利用可能なクロマトグラフ分離度を低下させる傾向がある。HPLC分離度の低下を回避するために、フロースプリッタをフルフロー領域(full−flow regime)に適用して、HPLCカラム又は検出器の出口からの流れを、質量分析器の入口に流れる部分と、他の検出器に流れるか廃棄される残りの部分とに分割している。市販の典型的なフロースプリッタは、抵抗管エレメントを利用して液体流を2本以上の個別の流れに分割する。フロースプリッタの例は、特許文献1及び特許文献2に記載されている。液体流の抵抗による分割は、均一なレベルに維持することが難しい。移動相の可変の粘度や、温度、分析中の流路におけるあらゆるばらつきといった要因によって、流路間の分割率が変化しうる。このような変動性が、多次元液体クロマトグラフィを実施する際に特に問題となる。
移動相の分割が望ましいクロマトグラフィ用途の一例が、2次元液体クロマトグラフィ(LC×LCともいう)である。2次元液体クロマトグラフィでは、第1次元HPLCカラムからの流出流は、第2次元HPLCカラムに導入され、第1次元分割のいかなる部分も、その後の「第2次元」分割のために第2次元カラムには導入されない。HPLC分析の当業者であれば、試料をクロマトグラフィカラムに注入するための様々な方法が知られていることは理解するであろう。多くの場合、試料の容積は、マルチポート・バルブにおいて設定され、その後、ポンプにより発生する流体力によってクロマトグラフィカラムに注入される。試料は、流動する移動相流へと導入してもよい。
理論的には、第1次元分離物の容量全体を第2次元分離カラムに注入するのが望ましいが、このような手法は、第1分離カラムからの流出流の流量が第2分割カラムに直接注入するには大きすぎるため、実現が難しい。従って、伝統的に「第1次元」分離物の分析は、画分収集によって第1分離カラムからの流出流の総容積を収集し、そして各画分の代表試料を第2次元分離カラムに再注入することによって行なわれてきた。
流量の不一致に加えて、第1次元において展開するクロマトグラムでは、含まれる有機溶媒の相対濃度が増加することがある。有機溶媒の相対濃度の増加は、水系移動相の後に有機溶媒を分離カラムに注入する特定の液体クロマトグラフィ手法の結果である場合がある。第1次元分離において有機溶媒の相対濃度が増加すると、第1次元から第2次元クロマトグラフへの固定容積の注入によって、第2次元分離中の有機溶媒の相対濃度がさらに増加する。ある条件下では、第2次元クロマトグラフへ大量の有機溶媒を注入することは、第2次元分離に悪影響を及ぼす。第1次元分離において有機溶媒の経時的なばらつきが発生するため、第1分離カラムの下流に配置された標準的な抵抗型フロースプリッタから流出する流量が予想できなくなる。従って、分析者は、第2次元分離カラムへ注入可能な試料の実際の流量を知ることは難しいと考えている。試料の流量を把握することは、第2次元分離カラムにおける有機溶媒濃度を制御し、また、第1次元クロマトグラフの一部が第2次元分離においてサンプリングされないようなことが確実に起こらないようにするために重要である。典型的な抵抗型フロースプリッタでは、第2次元での分析を一貫して制御するのに必要な情報を分析者に提供することができない。標準的な抵抗型フロースプリッタ―の制約が理由で、LC×LCは当該技術分野において広くは使用されていない。
米国特許第6,289,914号明細書 欧州特許出願公開第495255号明細書
フロー分割システムは、第1HPLCシステム分離カラムから流出する流体を受容するための入口と、制御された流出流を間接的に流れさせる第1出口であって、流れ規制装置に流体接続された第1出口と、制御された流出流を直接的に流れさせる第2出口とを有するT字型分岐を含む。第2出口は、負変位モード(negative displacement mode)又は正変位モード(positive displacement mode)で動作可能な容積式ポンプに流体接続されている。流れ規制装置は、1キロパスカルから10,000キロパスカルの圧力を分岐に作り出し、調整可能な調圧器である。システムはさらに、容積式ポンプ及びバルブシステムを含み、ここで3ポート・シア(せん断)型バルブを使用してポンプピストン及びバレルを分岐又は廃棄に接続している。
幾つかの実施例において、容積式ポンプは、負変位モードにおいて一定の流量で駆動することが可能であり、分岐の第1出口に接続された流れ規制装置による圧力に耐えることが可能である。
幾つかの実施例において、容積式ポンプは、負変位モードにおいて可変の流量で駆動することが可能である。
幾つかの実施例において、容積式ポンプは、第1次元HPLCシステムから分岐への溶媒の流入流量よりも低い負容積変位流量で駆動される。
幾つかの実施例において、第2次元HPLCシステム用の6ポート・試料インジェクションバルブが、容積式ポンプと分岐の第2出口との間に配置されている。
幾つかの実施例において、第2次元HPLCシステム用のデュアルループインジェクタとして構成された10ポート・バルブが、容積式ポンプと分岐の第2出口との間に配置されている。
幾つかの実施例において、分岐の第1出口は、質量分析器の入口に接続されている。
幾つかの実施例において、容積式ポンプが試料を第2次元インジェクションバルブへと引き込む引き込み時間は、第2次元分離の分析時間と等しい、又は、若干短いか若干長い。
幾つかの実施例において、第2次元6ポート・インジェクションバルブにおける注入ループ容積が、前回注入された試料の分析時間の間、第1次元HPLCシステムから流出する全ての成分の代表サンプリングが第2次元インジェクションバルブの試料ループに完全に流入するような流量で、部分的に又は完全に充填される。
幾つかの実施例において、第2次元インジェクションバルブの内部に含まれる試料の注入が、第1次元HPLC分離カラムで行われる試料の分離における任意の分析ピークの一時間的標準偏差内で行なわれる。
幾つかの実施例において、第2次元インジェクションバルブが注入位置に留まる時間が、第2次元HPLCシステム分離カラムでの総分析時間の10パーセント未満である。
液体クロマトグラフィ用の流れ分割システムは、第1HPLCシステムフロースルー検出器から流出する流体を受容するための入口と、制御された流出流を間接的に流れさせる第1出口であって、流れ規制装置に流体接続された第1出口と、制御された流出流を直接的に流れさせる第2出口とを有するT字型分岐を含む。第2出口は、負変位モード又は正変位モードで動作可能な容積式ポンプに流体接続されている。流れ規制装置は、1キロパスカルから10,000キロパスカルの圧力、又は、上記検出器が耐えられる最大背圧を分岐に作り出し、流れ規制装置は調整可能な調圧器である。システムはさらに、容積式ポンプ及びバルブシステムを含み、ここで3ポート・シア(せん断)型バルブを使用してポンプピストン及びバレルを分岐又は廃棄に接続している。
幾つかの実施例において、容積式ポンプは、負変位モードにおいて一定の流量で駆動することが可能であり、分岐の第1出口に接続された流れ規制装置による圧力に耐えることが可能である。
幾つかの実施例において、容積式ポンプは、第1次元HPLCシステムから分岐への溶媒の流入流量よりも低い負容積変位流量で駆動される。
幾つかの実施例において、第2次元HPLCシステム用の6ポート・試料インジェクションバルブが、容積式ポンプと分岐の第2出口との間に流体接続されている。
幾つかの実施例において、第2次元HPLCシステム用のデュアルループインジェクタとして構成された10ポート・インジェクションバルブが、容積式ポンプと分岐の第2出口との間に流体接続されている。
幾つかの実施例において、分岐の第1出口は、質量分析器の入口に接続されている。
本発明のシステムの概略図を示す。 本発明のシステムの概略図を示す。 本発明のシステムの概略図を示す。 本発明のシステムの概略図を示す。 本発明のシステムの概略図を示す。 本発明のシステムの概略図を示す。
第1次元分離での分離度を維持するように第1次元分析カラムからの流出流の流れの一貫した分割を実現するために、シリンジポンプ等の容積式ポンプを負変位モードにおいて適用して、フロースプリッタの一方の出口から特定の流量で流体を吸入してもよい。これによれば、フロースプリッタの第2の出口からの流れも制御される。このような制御により、スプリットの両方の出口の流量が分かる。
図1に、本発明の配置構成の第1の概略図を示す。分析システム10は、第1次元分離システム12と、第2次元分離システム14とを備え、移動相が、第1次元ポンプ18によって、第1次元分離カラム16内を移送される。カラム16からの第1次元流出流20は、第1次元クロマトグラフィ検出器22に送達してもよいし、まずフロースプリッタで分割してもよい。フロースプリッタ24への流量は、第1次元カラム16内を流れる移動相の流量を規定する第1次元ポンプ18によって制御される。フロースプリッタ24は、「Micro−Splitter Valve 10−32/6−32 Port 55 Needle (EA)」という名称でKinesis−USAが販売しているもののように、第1入口並びに第1及び第2出口を有するT字型分岐継手を備える。図1に示す配置構成において、フロースプリッタ24からの第1出口26は、廃棄流を含んでおり、フロースプリッタ24からの第2出口28は、流量制御ポンプ30に少なくとも間欠的に流体接続されている。しかしながら、他の実施例において、第1出口26は、質量分析器等の二次分析システムへ送達するための既知の流量の流れを含むようにしてもよい。システム10は、ポンプ30が第2出口28内の流体の流れを制御している間、ポンプ30の過加圧状態を回避できるよう流量を第1出口26において十分に規制できさえすればいいように配置されている。このようにして、負変位モードにおいてポンプ30の充填率を制御することにより、フロースプリッタ24の第1及び第2出口26,28の両方を制御する。その結果、フロースプリッタ24と第1出口26に流体接続された任意の検出手段(質量検出器等)との間に排出されない追加容積が介在しない。
分析システム10は、第1及び第2次元カラム16,34に圧送された液体試料の化学分析を行なう。本発明の目的のために、第1及び第2次元「カラム」は、カラムを必ずしも利用しない分析モダリティ(手法)を含むように、より広く解釈できる。例えば、該次元の1つ以上に、液体クロマトグラフィ、HPLC、分取液体クロマトグラフィ、超臨界流体分析、ゲル浸透クロマトグラフィ、質量分析、他の分光分析又はクロマトグラフィ分析、及びそれらの組み合わせを利用してもよい。特定の用途において、第1及び第2次元はそれぞれ、液体試料を評価するクロマトグラフィカラムである。幾つかの実施例において、このような液体クロマトグラフィは、「高圧液体クロマトグラフィ」又は「高速液体クロマトグラフィ」(HPLC)とすることができる。これは、クロマトグラフィ分離カラムへの注入用ポンプによってインジェクションバルブ又は「オートサンプラ」に送達された化合物溶液に対してクロマトグラフィ分離を行なうための一般的な技術である。化合物を移送するために使用する液体又は液体混合物を、本明細書では「移動相」と称する。液体クロマトグラフィの「固定相」は、典型的に、分離カラム16,34内部の充填材である。
上述のように、流量制御ポンプ30は、典型的に、負変位モード(negative displacement mode)において充填され正変位モード(positive displacement mode)において排出される押しのけ容積(displacement volume)を有する容積式ポンプである。容積式ポンプの一例が、シリンジポンプである。シリンジポンプでは、シリンダ内部のプランジャが、負変位モードにおいて作動して液体をシリンダ内に引き込む。つまり、プランジャを制御・後退させることでシリンダ内部に負圧を作り出し液体をその内部に引き込む。反対方向にプランジャを移動させると「正変位モード」となり、シリンダ内に正圧が作り出されて、シリンダの内容物がそこから排出される。
流量制御ポンプ30は、第2出口流28における任意のバルブの下流に配置して、ポンプ30が第2出口流28から流体を引き込む流量を制御することによって流出流20の分割が既知の流量で正確に制御されるようにすることができる。第2出口流28が出口流20での総流量を超えない限りにおいて、時間当たりの流量を第1及び第2出口流26,28の両方において正確に知ることができる。
図1に示す実施例において、スプリッタ24は、第1次元カラム16の出口と第2次元インジェクションバルブ32との間に位置付けてもよい。第2次元分離カラム34へ注入される出口20からの第2次元移動相の最大容積に応じて、そのような最大容積の固定容積試料ループ36を、チューブ、管路、又は試料の移動相の容積を一時的に含むことが可能な他の導管の形態で第2次元インジェクションバルブ32に組み込んでもよい。図2に、試料ループ36をより明確に示す。ここで、第2次元インジェクションバルブ32は、当該技術分野において既知の6ポート・インジェクションバルブである。この実施例において、試料ループ36は、第2次元カラム34に送達可能な所望の試料容積以上の容積を有する。ポンプ30のプログラムされた流量は、このような試料容積を第2次元カラム34に必要な分析時間によって除算した値と略等しいものとすることができる。流れ42のこのように計算された引き込み流量によって、フロースプリッタ24を通過する全ての移動相の代表試料を確実に第2次元カラム34に送達させることができる。第1次元流出流20からの適切な引き込み流量を設定して、それにより第2出口流28において移動相の完全なクロマトグラフィ分析を確実にするのに十分な第2次元の試料の送達流量を保持するためのポンプ30の制御方式の関係式の一例を以下に記載する。

である)。
第2次元の「平衡化時間」とは、逆相溶媒の第2次元カラムを「洗い流す」のに必要な時間のことである。例えば、あるHPLC分析は、まずカラムに水系相を通過させ、その後、有機相を流し、試料を水系/有機相の一方又は両方に適宜注入する。試料は、交互に連続する水系/有機相を介して、クロマトグラフィカラム内で溶出する。クロマトグラフィカラムでの試料の溶出が終了したら、その後の試料分析において最初の移動相とは逆の水系/有機相の残りをカラムから「除去」することが望ましい。従って、まず水系相で、その後有機相で試料を試験する例において、そのような有機相は、好ましくは、その後の試料シークエンスを開始する前に、カラムを、ブランクの(純粋な)水系相(水等)で「洗い流す」。この「洗い流す」時間が、上記の関係式で利用する「平衡化時間」である。
図3に代替の実施例を示す。この実施例では、第1次元検出器22が、第1出口流26と流体連通して、フロースプリッタ24の下流に位置付けられている。ポンプ30がスプリッタ24での流れの分割を操作可能に制御するのに十分な流量規制を提供するために、フローリストリクタ50を、検出器22の下流又はスプリッタ24と第1次元検出器22との間に適用してもよい。フローリストリクタ50を第1次元検出器22の上流に位置付けることによって、検出器22にかかる背圧を除去して、サンプリング精度を向上させることもできる。しかしいずれの場合も、フローリストリクタ50を含めるのは任意であり、本発明の動作には必要ではない。
図4及び5に、本発明のさらなる実施例を示す。この実施例では、第2次元インジェクションバルブ32が、当該技術分野において既知の10ポート・バルブである。このような実施例では、2本の個別の流路を設定して、ダブルループインジェクタとして使用してもよい。第1流路では試料を第1試料ループ36aに直接流すようにし、第2流路では試料をバルブ32の第2試料ループ36bに流すようにする。流路の違い及び流れ抵抗の違いは、本明細書に記載のようにポンプ30によって駆動されるフロースプリッタを使用することで打ち消される。第2試料ループ36b内部の試料を第2次元カラム34で分析している間、第1試料ループ36aは充填されていてもよい。この場合、ポンプ30を負変位モードで動作させて、移動相を第1次元出口流20から順次第1及び第2試料ループ36a,36bのそれぞれに引き込むことができる。第2出口28での引き込み量は、充填される試料ループ容積が、分析及び第2次元分析の平衡化にかかる時間全体(T2+T2)で消費するのに適した容積となるものである。第1及び第2試料ループ36a,36bは、交互に充填して第2次元カラム34に注入してもよい。この技術の利点は、各試料ループ36a,36bを分析時間全体に亘って第2次元の移動相で完全に洗浄でき次回に持ち越されうる残りを除去できる点である。
図5に、ポンプ30の廃棄物排出サイクルを示す。バルブ54を採用して、(図2〜4に示すような)流れ42からの移動相の吸入と(図5及び6に示すような)廃棄物流ライン58からの廃棄物56の排出とを切り換えることができる。一実施例において、シリンジポンプ30を正変位モードに操作して、第1次元分離で起こる分析ピークの時間の一標準偏差よりも短い排出時間(T)のうちに、その蓄積した内容物を排出できる。このようにすることで、第2次元クロマトグラフ34において、特定のクロマトグラフィ分析ピークがサンプリングされずに残ることがない。従って、一実施例において、排出時間Tは、約1秒未満となる。
ポンプ30からの排出は、移動相がポンプ30の押しのけ容積を実質的に満たす間隔のみに行なわれるようにしてもよい。例えば、第1及び第2試料ループ36a,36bそれぞれの容積を20マイクロリットルとし、シリンジポンプ30の押しのけ容積を5mlとする。この結果、ポンプ30の押しのけ容積は、第2次元クロマトグラフ34への注入が125回行なわれると充填される。
図6に、さらなる実施例を示す。この実施例では、システム110が、第1次元カラム116の下流に配置されたフロースプリッタ124を備える。フロースプリッタ124からの第1出口流126は、質量分析器等の二次分析装置170の入口に流体接続されている。フロースプリッタ124からの第2出口流128は、フロースプリッタ124での流量の分割を制御するポンプ130に流体接続されている。上述のように、ポンプ130は、溶媒を流出流120から所望の流量でプログラム可能に取り除いて、第1出口流126から二次分析装置170への流入流量が第1次元カラム116からの流出流量120と等しくなり、第2出口流128からポンプ130へと引き込まれる流量が少なくなるようになっている。
勾配溶離クロマトグラフィの場合のようにポンプ18を使用して移動相成分を混合する場合、液体クロマトグラフィカラムのヘッドへの流体の流入は常に第1次元ポンプ18の入口に送達される全流とは限らない。このような影響は、混合された移動相の容積が2つの個々の液体の容積の合計よりも少なくなる混合の容積収縮によって引き起こされる。このような混合の容積収縮を許容するために、ポンプ30,130を、移動相の個々の成分の濃度に応じてプログラムしてもよい。このようなポンプのプログラミングのための関係式の一例を以下に示す。
=k×F
(式中、
=間接流量(indirect flow rate)
k=容積収縮係数
=出口120での流量
である)。
HPLCポンプはそれぞれの溶媒を一定量で混合点に送達するが、混合点からの総流量を、個々の液体の流量の合計と異ならせてもよい。例えば、温度が一定の時、HPLCカラムへの流入流量を、HPLCカラムからの流出流量より多くしてもよい。従って、ポンプ30,130を、入口流量と出口流量との差を許容するように調節する。さらに、第1次元HPLCカラム16,116が加熱される場合、加圧負変位(pressurized,negative displacement)フロースプリッタを使用することによって、第2出口流28,128の全ての点で加圧して、移動相の沸騰やガス放出で間欠流が生じないようにすることが可能になる。事実、第1次元カラム16,116が加熱される場合には、負変位フロー分割の利用が、溶媒を沸騰させることなくインジェクタへ試料ループを充填するための唯一の効果的な方法である。

Claims (12)

  1. 液体の移動相をクロマトグラフ的に分離して、第1流出流量を有する第1次元流出流とするための第1分離カラムを含む第1分離システムと、
    前記第1次元流出流を第1分割出口流と第2分割出口流とに分離するためのフロースプリッタと、
    前記第2分割出口流をクロマトグラフ的に分離するための第2分離カラムを含む第2分離システムと、
    制御された引き込み流量で前記フロースプリッタから前記第2分割出口流を引き込むための流量制御ポンプであって、前記引き込み流量によって、第1分割出口流量が前記第1流出流量と前記引き込み流量との差として定義される、流量制御ポンプと
    を備える多次元液体分析システムであって、
    前記引き込み流量が、

    である)によって制御される、多次元液体分析システム。
  2. 前記流量制御ポンプが、負変位モードで動作中に前記第2分割出口流を発生させるように配置された容積式ポンプである、請求項1に記載の多次元液体分析システム。
  3. 前記流量制御ポンプがシリンジポンプである、請求項2に記載の多次元液体分析システム。
  4. 前記第2分割出口流を前記第2分離カラムに注入するための多ポート・インジェクションバルブを含み、前記インジェクションバルブが、V以上の容積を有する第1試料ループを含み、前記第1試料ループによって、前記第2分離カラムへの前記第2分割出口流の第1流路が画成される、請求項1に記載の多次元液体分析システム。
  5. 前記インジェクションバルブが、V以上の容積を有する第2試料ループを含み、前記第2試料ループによって、前記第1流路とは別の、前記第2分離カラムへの前記第2分割出口流の第2流路が画成される、請求項4に記載の多次元液体分析システム。
  6. 前記フロースプリッタがT字型分岐を備える、請求項1に記載の多次元液体分析システム。
  7. 前記第1分割流出流を規制して、1〜1000キロパスカルの流体圧力を前記フロースプリッタにおいて作り出すフローリストリクタを含む、請求項1に記載の多次元液体分析システム。
  8. 前記フロースプリッタの下流で前記第1分割出口流に流体接続された液体分析装置を含む、請求項1に記載の多次元液体分析システム。
  9. 液体試料を分析する方法であって、
    (a)前記液体試料を、該液体試料の1つ以上の化学成分を同定するための第1液体分析装置であって、第1流出流量で第1次元液体流出流を作り出す第1液体分析装置に送達し、
    (b)前記第1次元液体流出流を、前記第1流出流量よりも低い引き出し流量でフロースプリッタに圧送して、前記第1次元液体流出流を第1及び第2分割出口流に分離し、
    (c)前記第1及び第2分割出口流の一方を、その1つ以上の化学成分を同定するための第2液体分析装置に送達する
    ことを含む方法。
  10. 前記引き込み流量を

    である)によって制御する、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1液体分析装置がクロマトグラフィ分離カラムを含む、請求項9に記載の方法。
  12. 前記第2液体分析装置がクロマトグラフィ分離カラムを含む、請求項11に記載の方法。
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