JP4254958B2

JP4254958B2 - グラジエント送液システム

Info

Publication number: JP4254958B2
Application number: JP2004171677A
Authority: JP
Inventors: 明弘竹田; 伸也伊藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-06-09
Publication date: 2009-04-15
Anticipated expiration: 2024-06-09
Also published as: JP2005351717A

Description

本発明は、分離分析技術に係り、特に、毎分ナノリットル（１０^−９Ｌ／ｍｉｎ）領域の流量での分離分析を行うためのグラジエント送液システムに関する。

近年、液体クロマトグラフ等の分離分析装置において、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出を行うことが要求されている。

この要求に応えるために、毎分マイクロリットル（１０^−６Ｌ／ｍｉｎ）領域の流量で送液可能なポンプから送られてくる溶液を、スプリッターで分割し、毎分ナノリットル流量の送液を行う方式が採用されている。

また、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出を行うために、一分析に必要なグラジエント溶液を、あらかじめ１個または複数のチューブに充填させてから、送液ポンプとバルブとを利用して、順次分析カラムに導入する方式がある。

また、ナノリットル領域でのグラジエント溶出を行なう技術ではないが、複数の流路から送出される溶媒を６方バルブにより切り換えて、分析カラムに供給する技術が特許文献１に記載されている。

この特許文献１には、溶媒切り換え時の圧力変動を抑制するための、ダンパー（圧力調整手段）を配置する技術が記載されている。

特開２００３−１８５６４６号公報

しかしながら、上記に示すスプリッターを用いる方式では、流路の抵抗によって溶液の分割比が決まっているため、流路に詰まりが発生すると流量が変動してしまうという問題が発生する。

また、複数のチューブにグラジエント溶液を充満する場合では、組成の異なる有機溶媒をチューブに導入することから、チューブ間の圧力差が生じ、バルブを切り替える際にその圧力差の影響によって正確な流量で送液を行うことが困難になる。

そこで、毎分ナノリットル（ｎＬ／ｍｉｎ）の流量で送液するポンプを各流路に配置し、特許文献１記載の技術のように、複数の溶媒を切り換えながら、分析カラムに供給する方法が考えられる。

しかしながら、ナノリットル送液用ポンプは高価であり、ナノリットル送液用ポンプを複数備えることは、送液システムを高価格としてしまう。

また、一つのポンプで２つの溶液を混合して、流路に供給したい場合があるが、ナノリットル送液用ポンプでは、この要請に応えることは困難である。

本発明は、低価格でありながら、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出による分離分析を再現性良く行うことが可能なグラジエント送液システムを実現することである。

上記目的を達成するために、本発明は次のように構成される。
（１）毎分マイクロリットルの流量で複数の溶液を混合して送液が可能なグラジエントポンプと、毎分ナノリットルの流量で送液が可能なイソクラティックポンプと、上記グラジエントポンプから送られる溶液を、複数のサンプリングループに交互に流し、上記イソクラティックポンプから送液される溶液と共に送液するバルブと、上記グラジエントポンプ、イソクラティックポンプ及びバルブの動作を制御するコントローラとを有するグラジエント送液システムであって、上記グラジエントポンプの送液圧力及び上記イソクラティックポンプの送液圧力を検出する圧力センサと、上記バルブと上記送液システムのドレイン配管との間の流路に接続され、この流路の開閉動作を行う圧力調整手段とを備え、上記コントローラは、上記圧力センサが検出した圧力に基づいて、上記複数のサンプリングループ間の圧力の互いの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御する。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記コントローラは、上記バルブに接続される送液対象物が接続されていない状態の、上記グラジエントポンプの送液圧力Ｐ１ａ及び上記イソクラティックポンプの送液圧力Ｐ２ａを検出し、上記バルブに上記送液対象物が接続された状態の、上記グラジエントポンプの送液圧力Ｐ１ｂ及び上記イソクラティックポンプの送液圧力Ｐ２ｂを検出し、上記送液圧力Ｐ１ｂとＰ１ａとの圧力差Ｐ１ｃと、上記送液圧力Ｐ２ｂとＰ２ａとの圧力差Ｐ２ｃとを算出し、上記圧力差Ｐ１ｃとＰ２ｃとの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御する。

（３）また、好ましくは、上記（２）において、上記バルブと送液対象物との間に接続され、上記バルブと上記送液対象物とを接続するか接続しないかの切り替えを行なう切り替えバルブを備え、上記コントローラは、上記切り替えバルブの切り替え動作を制御する。

（４）液体クロマトグラフ装置において、毎分マイクロリットルの流量で複数の溶液を混合して送液が可能なグラジエントポンプと、毎分ナノリットルの流量で送液が可能なイソクラティックポンプと、上記グラジエントポンプの送液圧力及び上記イソクラティックポンプの送液圧力を検出する圧力センサと、上記グラジエントポンプから送られる溶液を、複数のサンプリングループに交互に流し、上記イソクラティックポンプから送液される溶液と共に送液するバルブと、上記バルブと上記液体クロマトグラフ装置のドレイン配管との間の流路に接続され、上記流路の開閉動作を行う圧力調整手段と、上記バルブに接続され、分析試料を導入する試料導入部と、上記試料導入部に接続され、試料を分離する分離カラムと、上記分離カラムから溶出される溶液を分析する分析手段と、上記グラジエントポンプ、イソクラティックポンプ及びバルブの動作を制御すると共に、上記圧力センサが検出した圧力に基づいて、上記複数のサンプリングループ間の圧力の互いの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御するコントローラとを備える。

本発明によれば、低価格でありながら、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出による分離分析を再現性良く行うことが可能なグラジエント送液システムを実現することができる。

また、上記グラジエント送液システムを有する液体クロマトグラフ装置を実現することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態であるグラジエント送液システムが適用された液体クロマトグラフ装置の概略構成図である。

図１において、ポンプ１は、毎分マイクロリットル（μＬ／ｍｉｎ）の流量で二つの溶液８、９を低圧グラジエント方式で送液を行うポンプ（グラジエントポンプ）である。溶液８、９を、電磁弁１１、１２によりどちらか一方又は互いに混合されてポンプ１に供給することも可能である。

ポンプ１から送られる溶液は、圧力センサ６を経て、ミキサー１３で混合された後、１０方バルブ３へ送液される。

なお、ミキサー１３を省略した条件で送液を行っても、圧力等に揺らぎのないグラジエントカーブが得られる場合は、ミキサー１３は必ずしも必要ではない。

１０方バルブ３はサンプリングループ１７、１８を備え、ポンプ１から送液された溶液は、１０方バルブ３の流路を切り替えることで、サンプリングループ１７、１８の何れか一つに送られる。

サンプリングループ１７、１８の容積は、それぞれ１マイクロリットル（μＬ）程度である。

図１に示した状態では、マイクロリットル送液用ポンプ１からの溶液は、サンプリングループ１７を経由した後、バイパス１９を介して、圧力調整バルブ５を経てドレイン２０に排出される。

また、１０方バルブ３には、溶液１０を毎分ナノリットル（ｎＬ／ｍｉｎ）の流量で送液するポンプ２（例えば、シリンジ型やレシプロ型のポンプ（イソクラティックポンプ））が接続されている。

図１に示す状態では、ポンプ２からの溶液は、圧力センサ７、サンプリングループ１８を介してサンプルインジェクタ１４に流れる流路が形成されている。

図２は、図１に示す状態からバルブ３を切り替えた際の流路を示す図である。この図２に示すように、バルブ３が切り替えられると、ポンプ１からの溶液は、バイパス１９を介して、サンプリングループ１８を経由した後、圧力調整バルブ５（図1に示す）を経てドレイン２０（図1に示す）に排出される。

また、ポンプ２からの溶液は、サンプリングループ１７を介してサンプルインジェクタ１４（図1に示す）に送液される。

図１において、サンプルインジェクタ１４で試料が注入された後は、分離カラム１５で試料が分離され、検出器１６によって検出が行われる。検出器１６には、例えば、ＵＶ−ＶＩＳ検出器、蛍光検出器、及び質量分析計を使用する事ができる。

コントローラ４は、次の（１）〜（５）の機能を有している。
（１）ポンプ１、２の流量制御
（２）グラジエントプログラムの実行
（３）１０方バルブ３の定期的な切り替え
（４）圧力センサ６、７のモニタリング
（５）圧力調整バルブ５の動作制御
図３は、図１に示した構成のグラジエント送液システムにより得られるグラジエントカーブを説明するための図である。

図3において、実線のグラジエントカーブはポンプ１から送液される溶液を示し、点線のグラジエントカーブは１０方バルブ３を経た後の溶液を示す。バルブ３を経た後の溶液が階段状となっているのは、1分間隔でバルブ３のサンプリングループ１７、１８が切り換えられるためである。

１０方バルブ３からの送液は、ポンプ２側に接続されているサンプリングループ１７又は１８に充填されている溶液が、ポンプ２が送液する溶液１０によって押し出されることで行われる。

図１に示す構成において、１０方バルブ３が１分ごとに切り替え制御された場合には、１０方バルブ３を経た後の溶液のグラジエントカーブ（点線）は、図３に示すように、１分間隔で階段状にポンプ１のグラジエントカーブ（実線）を追随する。

圧力センサ６は、ポンプ１と１０方バルブ３との間、圧力センサ７はポンプ２と１０方バルブ３との間に配置される。圧力センサ６、７のそれぞれは、ポンプ１、２により液体が送り出されているときの圧力を検出する。この圧力信号は、コンピュータからなるコントローラ４によって常時、モニタリング及び記録される。

また、圧力調整バルブ５は、１０方バルブ３とドレイン配管２０との間に配置され、コントローラ４によって開閉制御が自動で行われる。

図4は、圧力調整バルブ５の動作フローチャートである。

図４において、１０方バルブ３からサンプルインジェクタ１４側以降の配管、つまり、１０方バルブ３にサンプルインジェクタ、分析カラム１５、検出器１６を接続せずに、ポンプ１、２を動作させ、圧力センサ６、７により圧力をモニタリング及び記録する（ステップ１）。このステップ１で得られた圧力をＰ１ａ、Ｐ２ａとする。

次に、１０方バルブ３以降の配管の接続を行う（ステップ２）。続いて、ステップ１と同様に、ポンプ１、２を動作させ、圧力をモニタリングし記録する（ステップ３）。ここで得られた圧力をＰ１ｂ、Ｐ２ｂとする。

ステップ３の動作により得られた圧力値からＰ１ｃ（＝Ｐ１ｂ−Ｐ１ａ）、Ｐ２ｃ（＝Ｐ２ｂ−Ｐ２ａ）を求め、Ｐ１ｃとＰ２ｃとの差を求める（ステップ４）。これら圧力差Ｐ１ｃ、Ｐ２ｃは１０方バルブ３のサンプリングループ１７、１８内の圧力を示す。

通常、ポンプ２の流路にはカラム１５が接続されるため、圧力P１ｃよりＰ２ｃの方が高くなる。ここで、圧力Ｐ１ｃとＰ２ｃとの差（サンプリングループ１７と１８との圧力差）を小さくするように圧力調整バルブ５の開閉制御をコントローラ４が行う（ステップ５）。

サンプリングループ１７、１８は、バイパス１９を介してドレイン配管２０に接続されるので、バイパス１９のドレイン配管２０側への出口付近において、圧力調整バルブ５により圧力を調整するようにすれば、圧力制御応答性に優れた動作特性を得ることができる。

ステップ３以降の動作をコントローラ４により自動的に繰り返す事によって常に圧力差を補正し、１０方バルブ３の切り替えに伴う圧力変動を最小限にすることができる。

また、ポンプ１、２の流量を変更した場合や有機溶媒を変更した際にも圧力変動を最小限にすることができる。

一般に、有機溶媒の組成を時間と共に変えるグラジエント溶出においては、溶液の粘性の変化により、１分析中にカラム圧力が変化する。この時、上記圧力調整バルブ５の制御を行うことにより、１０方バルブ３の切り替えに伴う圧力変動を最小限にすることができる。

その結果、１分析中に起こるカラムの圧力変動による流量変動を最小限にすることができるという効果がある。

以上のように、本発明の第１の実施形態によれば、マイクロリットルポンプ１とナノリットルポンプ２とを組み合わせて、１０方バルブ３のサンプリングループ１７、１８の圧力差を減少するように、圧力調整バルブ５の開閉動作を制御するように構成したので、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出による分離分析を再現性良く行うことができる。

低価格でありながら、毎分ナノリットル領域でのグラジエント溶出をおこなうことができるグラジエント送液システムを有する液体クロマトグラフ装置を実現することができる。

なお、上記第１の実施形態では、１０方バルブ３以降の配管を接続しない状態で圧力を記録する必要があるが、１０方バルブ３とサンプルインジェクタ１４の間に切り替えバルブを設け、バルブを切り替えることで、溶液をドレインへ排出し、上記ステップ１の圧力モニタリング及び記録を行うこともできる。

図５は、本発明の第２の実施形態であるグラジエント送液システムが適用された液体クロマトグラフ装置の概略構成図であり、上述した切り替えバルブ２１を設ける場合の例である。他の構成は、図1に示した例と同様となっている。

この第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様な効果が得られる他、切り替えバルブ２１の動作制御をコントローラ４によって行うことで、図４に示したステップ１〜５を自動的に行うことも可能であるという効果もある。

図６は、本発明とは異なり、圧力調整を行なわない場合のグラジエント送液システムにおける、ポンプ１の流量５０μＬ／ｍｉｎ、ポンプ２の流量５００ｎＬ／ｍｉｎ、サンプリングループ容積１μＬ、バルブ切り替え間隔１分の条件で得られたグラジエントカーブを示すグラフである。

なお、図6に示した結果は、溶液８、９、１０に、それぞれ、水、０．２％アセトン水溶液、水を使用した場合のものである。

また、圧力調整バルブ５による調整は行わず、ループ１７、１８間に圧力差がある条件で測定を行った。

図７は、図6に示したグラジエントカーブの拡大図である。

図７に示すように、バルブ切り替え間隔である１分周期にグラジエントカーブが揺らいでいるのが分かる。この揺らぎの原因は、バルブ切り替え時の圧力変動により、ポンプ２の送液が適切に行われていないことである。

図８は、本発明によるグラジエント送液システムにおける、ループ１７、１８間の圧力差を抑えた条件で測定した結果を示すグラフである。図8に示した結果は、図6、図７に示した結果と比べ、グラジエントカーブの周期的な揺らぎが解消されていることが分かる。

なお、上述した例においては、ポンプ１の圧力を検出する圧力センサ６と、ポンプ２の圧力を検出する圧力センサ７とを配置し、コントローラ４により、これら圧力センサ６、７からの検出値に基づいて、圧力調整バルブ５の開閉制御（開度制御）を行なうように構成したが、圧力センサ６、７を省略する簡易システムでも、第１、第２の実施形態と同様な効果を得ることができる。

つまり、予め、ポンプ１、２の時間的圧力変化が予想可能なシステムであれば、その予想時間的圧力変化に従って、コントローラ４が圧力調整バルブ５の開閉制御を行なうことも可能である。

また、圧力センサ６の出力値と、圧力センサ７の出力価とに基づき、圧力調整バルブ５の開閉制御を行なう場合は、フィードバック制御であるので、圧力調整バルブ５の開閉制御に際して、遅れ時間を考慮して、予測制御を行なうことも可能である。

さらに、バルブ３の切り換えタイミングに合わせて、圧力変動分を解消するように、圧力調整バルブ５の開閉制御を行なうことも可能である。

本発明の第１の実施形態であるグラジエント送液システムが適用された液体クロマトグラフ装置の概略構成図である。図１に示した１０方バルブの流路を切り替えた状態を示す図である。図１の例におけるマイクロリットル送液用ポンプからの送液のグラジエントカーブ（実線）と１０方バルブ３からの送液のグラジエントカーブ（点線）を示す図である。圧力調整バルブの制御動作フローチャートである。本発明の第２の実施形態であるグラジエント送液システムが適用された液体クロマトグラフ装置の概略構成図である。従来技術によるグラジエントカーブを示す図である。図６の部分拡大図である。本発明の一実施形態におけるグラジエントカーブを示す図である。

符号の説明

１マイクロリットル送液用ポンプ
２ナノリットル送液用ポンプ
３１０方バルブ
４コントローラ
５圧力調整バルブ
６、７圧力センサ
８〜１０溶液
１１、１２電磁弁
１３ミキサー
１４サンプルインジェクタ
１５分析カラム
１６検出器
１７、１８サンプリングループ
１９バイパス
２０、２２ドレイン配管
２１切り替えバルブ

Claims

毎分マイクロリットルの流量で複数の溶液を混合して送液が可能なグラジエントポンプと、毎分ナノリットルの流量で送液が可能なイソクラティックポンプと、上記グラジエントポンプから送られる溶液を、複数のサンプリングループに交互に流し、上記イソクラティックポンプから送液される溶液と共に送液するバルブと、上記グラジエントポンプ、イソクラティックポンプ及びバルブの動作を制御するコントローラとを有するグラジエント送液システムであって、
上記グラジエントポンプの送液圧力及び上記イソクラティックポンプの送液圧力を検出する圧力センサと、
上記バルブと上記送液システムのドレイン配管との間の流路に接続され、この流路の開閉動作を行う圧力調整手段と、
を備え、上記コントローラは、上記圧力センサが検出した圧力に基づいて、上記複数のサンプリングループ間の圧力の互いの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御することを特徴とするグラジエント送液システム。
請求項１記載のグラジエント送液システムにおいて、
上記コントローラは、上記バルブに接続される送液対象物が接続されていない状態の、上記グラジエントポンプの送液圧力Ｐ１ａ及び上記イソクラティックポンプの送液圧力Ｐ２ａを検出し、上記バルブに上記送液対象物が接続された状態の、上記グラジエントポンプの送液圧力Ｐ１ｂ及び上記イソクラティックポンプの送液圧力Ｐ２ｂを検出し、上記送液圧力Ｐ１ｂとＰ１ａとの圧力差Ｐ１ｃと、上記送液圧力Ｐ２ｂとＰ２ａとの圧力差Ｐ２ｃとを算出し、上記圧力差Ｐ１ｃとＰ２ｃとの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御することを特徴とするグラジエント送液システム。
請求項２記載のグラジエント送液システムにおいて、
上記バルブと送液対象物との間に接続され、上記バルブと上記送液対象物とを接続するか接続しないかの切り替えを行なう切り替えバルブを備え、上記コントローラは、上記切り替えバルブの切り替え動作を制御することを特徴とするグラジエント送液システム。
液体クロマトグラフ装置において、
毎分マイクロリットルの流量で複数の溶液を混合して送液が可能なグラジエントポンプと、
毎分ナノリットルの流量で送液が可能なイソクラティックポンプと、
上記グラジエントポンプの送液圧力及び上記イソクラティックポンプの送液圧力を検出する圧力センサと、
上記グラジエントポンプから送られる溶液を、複数のサンプリングループに交互に流し、上記イソクラティックポンプから送液される溶液と共に送液するバルブと、
上記バルブと上記液体クロマトグラフ装置のドレイン配管との間の流路に接続され、上記流路の開閉動作を行う圧力調整手段と、
上記バルブに接続され、分析試料を導入する試料導入部と、
上記試料導入部に接続され、試料を分離する分離カラムと、
上記分離カラムから溶出される溶液を分析する分析手段と、
上記グラジエントポンプ、イソクラティックポンプ及びバルブの動作を制御すると共に、上記圧力センサが検出した圧力に基づいて、上記複数のサンプリングループ間の圧力の互いの差が小となるように上記圧力調整手段の開閉動作を制御するコントローラと、
を備えることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。