JP4645437B2 - グラジエント送液装置 - Google Patents

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Description

本発明は2以上の液体を混合して送液する送液装置、例えば液体クロマトグラフにおける移動相のグラジエント送液装置に関する。
ミクロ高速液体クロマトグラフ(ミクロHPLC)やナノ高速液体クロマトグラフ(ナノHPLC)用の送液装置として、微小流量を吸入して送液する方式(ダイレクト方式)と、スプリット機構を用いて10〜1000μL/分程度の流量の移動相を吸入し、分流して必要な流量だけを送液する方式(スプリット方式)のものがある。ミクロHPLCやナノHPLC用の高圧グラジエント送液装置としても、ダイレクト方式とスプリット方式が存在する。
図5はダイレクト方式の高圧グラジエント送液装置の流路図である。
溶媒瓶1a、1bに入れられた移動相A,Bを送液するための送液流路13a,13b上にそれぞれの送液ポンプ2a,2bが設けられている。送液ポンプ2a,2bはモータの回転数を制御することによって送液量が調節される。送液流路13a,13bはミキサ5で合流しており、ミキサ5は移動相AとBを混合して分析流路14に送液するようになっている。分析流路14には試料注入部(インジェクタ)6を経て分離カラム7が設けられ、カラム7の下流に検出器8が設けられている。
試料注入部6から注入された試料は、ミキサ5で混合された移動相により分離カラム7に導かれて成分ごとに分離され、分離された試料成分は検出器8で検出される。
このように、複数の送液ポンプを用いて、送液ポンプの下流側で複数の移動相を合流させるグラジエント方式は、高圧グラジエント方式と呼ばれている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、ダイレクト方式の高圧グラジエント送液装置は、単純にダイレクト方式の送液ポンプを複数組み合わせた一般的なものであり、余分な移動相を必要としないため、移動相の消費量が少ないという長所がある反面、送液動作のわずかな変動が流量に大きく影響するため、脈動や送液ムラが生じることがあった。
特開2003−98166号公報
一方、スプリット方式の高圧グラジエント送液装置を用いたものとしては、図5の流路構成のミキサ5の下流側にスプリット機構3をさらに備えた高圧グラジエント方式のもの(図6)や、図6の流路構成の送液ポンプをバルブ15を介して共用するように構成した低圧グラジエント方式のもの(図7)などがある。
これらのスプリット方式のグラジエント送液装置は、脈動が少なく混合濃度精度が高いという長所がある反面、移動相をミキサ5で混合させた後にスプリット機構3で分流させるため、スプリット機構3から排出される移動相は混合液になっており、再利用ができず移動相を無駄に消費してしまう。
また、グラジエント送液では混合濃度比率が逐次変化するので混合液の粘性も逐次変化する。スプリット機構は抵抗管やオリフィス弁などによってスプリット比を設定しているので、粘性が変化すればスプリット比も変化してしまい、流量正確さが保証されない。たとえスプリット機構の下流に送液流量を測定する流量計を備えたとしても、流量計は液体の熱伝導特性や粘性などから流量を測定するため、グラジエントによって混合液の比熱も粘性も逐次変化していくと、正確な流量も測定できない。
そこで本発明は、移動相を混合してスプリット機構から排出するという無駄をなくすとともに、脈動が少なく混合濃度精度が高い送液装置を提供することを目的とする。
本発明のグラジエント送液装置は、図1に示されるように、複数の送液流路13a,13b、及びそれらの送液流路13a,13bを合流させ、それぞれの送液流路13a,13bから送り出されてきた移動相を混合するミキサ5を備えている。そして、送液流路13a,13bはそれぞれの移動相A,Bを送液する送液ポンプ2a,2b及びスプリット機構3a,3bを備える。スプリット機構3a,3bは、送液ポンプ2a,2bを通過した移動相の一部を流路13a,13bを経てミキサ5へ送り出し、残部をそれぞれの排出流路15a,15bから排出する。
スプリット機構3a,3bにおいて、送液流路13a,13bを通してミキサ5へ送り出す流量Xa,Xbと、それぞれの送液ポンプ2a,2bを通過した移動相の流量Ya,Ybとの比Xa/Ya,Xb/Ybをそれぞれのスプリット機構3a,3bのスプリット比と呼ぶ。
図1のように、送液ポンプとスプリット機構を備えた複数の送液流路13a,13bを単に組み合わせた場合、スプリット機構3aからミキサ5と試料注入部6を通りカラム7へ向かう流れに加えて、カラム7には数MPa〜20MPaの圧力がかかるために、スプリット機構3aからミキサ5を経て、他方のスプリット機構3bの排出側へ向かう干渉流ができることがある。干渉流ができると、その流れを打ち消そうと、他方の送液ポンプ2bは送液によって押し返そうとするが、その結果、送液ポンプ2a,2bとスプリット機構3a,3b同士が相互干渉し合い、安定した送液が困難になることがある。
そこで、この干渉流を抑えるために各送液流路13a,13bには、スプリット機構3a,3bの後段に流路抵抗器を備えていることが好ましい。流路抵抗器としては、抵抗管やニードルバルブを用いることができる。抵抗管は流路径を狭くしたり、流路を長くすることにより流路抵抗を大きくしたものである。ニードルバルブは可変流路抵抗器となる。
この場合、各送液流路は、スプリット機構と流路抵抗器の間に送液流量を測定する流量計を備えていることが好ましい。
スプリット機構3a,3bの後段に流路抵抗器を備えていない場合でも各送液流路は、スプリット機構の後段に送液流量を測定する流量計を備えていることが好ましい。
流量計を設けた場合は、その流量計による測定値に基づいてその測定値が予め設定された値に近づくように送液ポンプの送液流量を制御する制御装置を備えているか、又はその流量計による測定値に基づいてその測定値が予め設定された値に近づくようにスプリット機構のスプリット比設定値を制御する制御装置を備えていることが好ましい。
分析開始前の状態を移動相A液が100%、移動相B液が0%とすると、分析開始前の状態に維持されているとき、停止している側の送液ポンプの気密が完全に保たれるわけではないので、送液している側の移動相A液が送液ポンプの方へ押し出されて逆流する現象が起こる。逆流量が多いと、分析を開始して送液装置が送液を始めても、逆流した分は移動相B液が送られないので、グラジエントの立ち上がりが悪くなり、正しい分析ができないという問題が生じる。そこで、そのような逆流を防ぐために、本発明のさらに好ましい形態では、流量計として逆流も感知できるものを使用し、制御装置は設定流量がゼロの送液流路において逆流を感知したときは、それを打ち消すように送液ポンプを駆動するものとする。
さらに、各送液流路は、スプリット機構の後段に逆流を防止する逆止弁を備えているようにしてもよい。
移動相の再利用を図る好ましい形態は、各送液流路のスプリット機構の排出側に排出された移動相をそれぞれの移動相容器へ戻す流路が接続されているものである。
本発明では、複数の送液流路のそれぞれにスプリット機構を設け、ミキサで混合する前にスプリットするようにしたので、スプリット機構で分流されて排出された移動相は貯蔵したり移動相容器に戻したりして再利用することができるようになり、移動相の無駄な消費を抑えることができるようになる。
そして、スプリット方式の送液装置の特徴である脈動や送液ムラが少ない安定したグラジエント送液を行なうことができるようになる。
従来のようにミキサの後段にスプリット機構を配置した場合には、ミキサから試料注入部までの間の容量、いわゆる「遅れ容量」が大きくなるが、本発明ではスプリット機構はミキサの前段に設置されているので、この「遅れ容量」が小さくなり、グラジエントの遅れ時間を短縮することもできる。
また、移動相は混合される前にスプリット機構を通るため、グラジエント濃度に関係なく常に正しいスプリット比を維持することができ、正確な送液が可能になる。
各送液流路でスプリット機構の後段でミキサに至るまでの間に流路抵抗器が備えられているようにすれば、送液ポンプ間で発生する相互干渉を抑えることができる。
流路抵抗器として抵抗管を使用すると、構成が簡単で安定した流路抵抗をえることができる。
各送液流路において送液ポンプの後段でミキサに至るまでの間に送液流量を測定する流量計が備えられているようにすれば、流量計を通る移動相は混合される前の状態であるため、グラジエントによる混合濃度変化に関係なく正しい流量を測定できるようになり、流量正確さが確保される。
そのような流量計による測定値に基づいて送液ポンプの送液流量又はスプリット機構のスプリット比設定値をフィードバック制御するようにすれば、正確な流量測定値に基づいて正確なフィードバック制御を行なうことができるようになる。
設定流量がゼロの送液流路においても逆流が感知されたときは送液ポンプを駆動して逆流を防ぐことができるようにすれば、送液停止中の送液流路でも移動相の逆流を防ぐことができ、それによりグラジエントの立ち上がりが改善される。
さらに、各送液流路でスプリット機構の後段に逆止弁が備えられているようにすれば、移動相の逆流を一層効果的に防止することができ、送液ポンプ間で発生する相互干渉をさらに効果的に抑えることができる。
このように流路抵抗器、流量計又は逆止弁といった流路部品は、グラジエント送液装置において脈動や送液ムラが少ない安定したグラジエント送液をより一層確実に実現することに寄与する。
各送液流路において、スプリット機構の排出側をそれぞれの移動相容器へ戻す流路が備えられるようにすれば、移動相を回収して再利用することが容易になる。
以下に本発明の一実施例を詳細に説明する。
[実施例1]
図1は本発明のグラジエント送液装置の一実施例を説明する流路図である。
移動相容器である溶媒瓶1a、1bに入れられた移動相A,Bを送液するための送液流路13a,13bに、それぞれの移動相を送液するための送液ポンプ2a,2bが設けられている。送液ポンプ2a,2bには制御装置10a,10bがそれぞれ設けられており、制御装置10a,10bは設定流量に従って送液ポンプ2a,2b内の送液機構を制御している。
制御装置10a,10bは、グラジエントコントローラ11に接続されており、グラジエントコントローラ11は、設定されたグラジエントプログラムに基づいて、それぞれの制御装置10a,10bに設定流量を送信するようになっている。
送液ポンプ2aの排出側には移動相A用のスプリット機構3aが、送液ポンプ2bの排出側には移動相B用のスプリット機構3bがそれぞれ設けられている。スプリット機構3a,3bは、それぞれの送液ポンプ2a,2bから送り出される移動相を、分析流路14側と排出流路15a,15b側とに分流する。排出流路15a,15bは、図3に示される実施例のようにそれぞれの溶媒瓶1a、1bに溶媒を戻すように接続してもよく、それぞれの溶媒保存用の容器を用意してそれらの容器に溶媒を収容するように接続してもよい。いずれにしても、排出流路15a,15bからの溶媒は混合されていないので、再利用することができる。
それぞれの送液ポンプ2a,2bは、1〜1000μL/分程度の流量を高精度に安定して送液することができ、スプリット機構3a,3bによって、それぞれのスプリット比Xa/YaやXb/Ybを1/10〜1/10000程度に設定して分流し、1〜5000nL/分という超微小流量を安定して分析流路14に送ることができる。
送液流路13a,13bはミキサ5で合流しており、ミキサ5は移動相AとBを混合して分析流路14に送液するようになっている。
分析流路14には試料注入部(インジェクタ)6を経て分離カラム7が設けられ、カラム7の下流に検出器8が設けられている。
スプリット機構3a,3bでは、周囲温度や使用する溶媒の種類によって送液する移動相の粘性が変化したり、排出側の抵抗管やオリフィス弁、分析流路側のカラムなどが詰まったりすると、安定して同じ比率で分流させることができなくなる。そこで、送液流路13a,13bにはスプリット機構3a,3bの後段(分析流路側)には流量計4a,4bが設けられている。流量計4a,4bは、流路の中央をヒータで加熱させ、その上流側と下流側の温度勾配を測定する方法や、流路内に小さな水車を組み込みその回転速度を測定する方法などがあるが、いずれの方法を使用することもできる。
流量計4a,4bによって測定された実測流量は、それぞれの制御装置10a,10bに送られる。制御装置10a,10bは流量計4a,4bによって測定された実測流量がグラジエントコントローラ11から送信されてきた設定流量に近づくように、送液ポンプ2a,2bの送液機構をフィードバック制御することで、高精度な微小流量送液が可能となる。
送液ポンプ2a,2bの送液機構のフィードバック制御系を図2に示す。
送液部20aは、送液ポンプ2a、流量計4a及び制御装置10aからなり、送液部20bは送液ポンプ2b、流量計4b及び制御装置10bからなる。送液部20aと20bは同じ構成をしているので、送液部20aのみを詳細に示し、送液部20bは1つのブロックとしてのみ示す。
送液ポンプ2aは送液ポンプヘッド21と、送液ポンプヘッド21を駆動する駆動用モータ23を備えている。送液ポンプヘッド21からの分析流路14側には流量計4aが設けられている。
制御装置10aは実流量演算部24、送液制御部25及びモータ制御部26を含んでいる。送液部20bにある制御装置10bも同じ構成である。実流量演算部24は流量計4aからの信号を取り込み、流量を計算する。送液制御部25はグラジエントコントローラ11の設定値と実流量演算部24による流量計算値に基づいてモータ制御部26で送液ポンプ2aの駆動用モータ23の回転数を制御する。モータ制御部26が駆動用モータ23の回転を制御することで、所定流量の移動相が送液ポンプヘッド21により送液される。
送液制御部25はグラジエントコントローラ11での設定値を取り込み、設定流量がゼロでない場合にはモータ制御部26を介して駆動用モータ23をその設定値に対応した回転数で回転させ、実流量演算部24からの流量測定値が設定値になるように駆動用モータ23の回転数を調整する。このようにして、送液流路13aから設定流量の移動相Aが送液される。
送液流路13bでの移動相Bの送液も同様にフィードバック制御される。
制御装置10a,10b及びグラジエントコントローラ11はCPU(中央処理装置)などにより構成される。この実施例では送液流路13a,13bにそれぞれの制御部を設けているが、制御装置10aと10bを1つにしたり、さらにグラジエントコントローラ11も含めて1つのCPUで実現するようにしたり、それぞれの送液流路13a,13bのための機能をそれぞれのプログラムにより実現するようにしてもよい。
次に同実施例において送液部のグラジエント立ち上がり時のフィードバック制御について図1を参照して説明する。
高圧グラジエント送液において、グラジエント立ち上がり時には移動相2液の混合比率が100:0か0:100になる。この場合でも0%になる側の送液ポンプの送液動作を停止させないことが好ましい。例えば、A液を100%、B液を0%に設定した場合に、送液ポンプ2bの送液動作を完全に停止させると、送液ポンプ2aから見て、ミキサ5から試料注入部6を通ってカラム7へとつながる分析流路14側はもちろんであるが、ミキサ5からB液流路の流量計4bを通ってスプリット機構3bの排出流路側へもつながっているため、本来はカラム7へと送液すべきA液が、ミキサ5の部分でスプリット機構と同じ原理で分流してしまうためである。
送液ポンプには吸入側と排出側に逆止弁が備わっているのが一般的であるので、この場合、送液ポンプ2b内へ逆流する可能性は少ないが、nL(ナノリッタ)/分というレベルの送液量になってくると、それも無視しきれない。これを防ぐためには、流量計4bで測定される実測流量がゼロになるように、送液ポンプ2bを送液し続けるのが好ましい。
グラジエント立ち上がり時の動作は、具体的には次のように行なわれる。グラジエントコントローラ11で送液流路13aの流量がゼロに設定された場合、実際の流量がゼロとなっているかどうかを流量計4aで確認する。流量計4aは逆流を検出することができるようになっているものとする。その流量計4aでは、それがヒータ加熱による温度勾配を測定する機構であれば温度勾配が通常送液と反対になれば逆流と推定でき、それが微小水車の機構であれば回転方向が通常送液と反対になれば逆流と推定できる。このようにして実流量演算部24が逆流と判定すると送液制御部25に逆流であることが伝えられる。送液制御部25はモータ制御部26により、逆流量に打ち勝つ分のモータ回転数を駆動用モータ23へ与える。実流量を測定しながら、実流量がゼロとなるまでモータ回転数が調整され、実流量がゼロとなるところで駆動用モータ23の回転数が維持される。この方法を「フィードバック制御でゼロ流量を維持する方法」と呼ぶことにする。
他方の送液部20bにおいても全く同様にして、送液ポンプ2bの駆動用モータ(図示は省略)の回転数が制御され、設定流量ゼロ時の逆流が防止される。このように、流量制御の機構は閉ループで作動しているため、フィードバック制御によって逆流もなく、また送液もしない状態をつくることができる。
[実施例2]
図1に示された実施例1の構成を実施するにあたって、送液ポンプ間同士の相互干渉が問題になることがある。つまり、2台の送液ポンプ2a,2bが送液する移動相が、お互いのスプリット機構3a,3bを通して干渉しあうことがある。
図3はそのような干渉を抑えるように改良された実施例を示す流路図である。
送液流路13a,13bの流量計4a,4bとミキサ5の間には流路抵抗器として抵抗管12a,12bがそれぞれ備えられ、スプリット機構3a,3bによって分流された移動相が分析流路14側と排出流路15a,15b側の抵抗比によって分流されるようになっている。ここではスプリット機構3a,3bの排出流路15a,15bをそれぞれの溶媒瓶1a,1bに接続して、排出された溶媒をそれぞれの溶媒瓶1a,1bに戻すようにしている。
この実施例では、送液ポンプ2a,2b間の相互干渉を低減することを目的として、送液流路13a,13bのそれぞれの流量計4a,4bとミキサ5の間に抵抗管12a,12bを配置している。抵抗管12a,12bは使用する流量域において1〜5MPa程度の圧力がかかるものが望ましい。
また、この実施例では、スプリット機構3a,3bの排出流路15a,15bがそれぞれの溶媒容器1a,1bに接続され、スプリット機構3a,3bで分流された混合前の溶媒がそれぞれの溶媒容器1a,1bに戻されるようになっている。スプリット機構3a,3bでは移動相として分析流路14側に送られる流量よりも排出される流量の方が圧倒的に多いので、移動相の消費量が多いというスプリット方式のグラジエント送液システムの最大の欠点を簡単な流路構成で克服することができる。
この実施例の送液結果を図4に示す。縦軸は流量、横軸は時間である。符号Aで示される直線は送液流路13aの設定流量、符号Bで示される直線は送液流路13bの設定流量で、それぞれスプリット機構3a,3bによる分流後の流量である。符号aで示される曲線は送液流路13aの流量計4aによる実測流量、符号bで示される曲線は送液流路13bの流量計4bによる実測流量であり、それぞれの設定流量に近づくように送液ポンプ2a,2bがフィードバック制御された結果の流量である。この結果から、実測流量a,bはそれぞれの設定流量A,Bに良好に追随していることから、抵抗管12a,12bを挿入することで、フィードバック制御が正確に実行されていることがわかる。
上記の実施例では、流量計4a,4bで測定された実測流量をそれぞれの制御装置10a,10bに送った後、送液ポンプ2a,2bの送液機構をフィードバック制御したが、送液ポンプ2a,2bは一定流量で送液し続け、スプリット機構3a,3bのスプリット比をフィードバック制御することにより所定の流量を得るようにしてもよい。その場合、例えば、スプリット機構3a,3bの排出流路抵抗を電磁式のオリフィス弁にし、そのオリフィス弁の開閉をフィードバック制御することによって実現することができる。
また、移動相A,Bの2液の混合比率が100:0や0:100になる場合の逆流防止のための機構として、スプリット機構3a,3bの送出側からミキサ5までの間の流路に、移動相の逆流を防止する逆止弁を備えてもよい。その逆止弁を配置する位置は、図3の実施例では、抵抗管12a,12bとミキサ5の間であってもよく、スプリット機構3a,3bと抵抗管12a,12bの間であってもよい。
逆止弁を備えた場合は、上で説明した「フィードバック制御でゼロ流量を維持する方法」に加えて、さらに逆流現象の防止の効果が期待できる。ただし、「フィードバック制御でゼロ流量を維持する方法」は、流量ゼロでも送液ポンプ2a,2b内に予圧をかけておくことになるため、グラジエント送液の立ち上がりの遅れを少なくするという効果があり、かつ、送液ポンプ2a,2b内の逆止弁とスプリット機構の後段に備えられることのあるここでの逆止弁の微少漏れを防止する効果もあるため、本発明においては「フィードバック制御でゼロ流量を維持する方法」はより有効な方法である。
相互干渉防止用の流路抵抗器としては、実施例に示した単体の抵抗管のほか、並列接続された複数の抵抗管を流路切換弁で選択できるようにして、流路切換弁の切換により流路抵抗を調整できるようにしてもよい。また、流路抵抗器として可変流路抵抗器となるニードルバルブを使用して、ニードル位置の調整により流路抵抗を調整できるようにしてもよい。このような流路抵抗が可変の流路抵抗器を使用した場合には、高流量で送液する場合は低抵抗、低流量で送液する場合は高抵抗になるように切り換えることにより、幅広い流量域でも安定した送液ができるようになる。
本発明では2液高圧グラジエント送液装置を示したが、3液以上の高圧グラジエント送液装置も、同様にして実現することができる。
本発明は、2以上の液体を混合して微量で送液することを目的とした送液装置、例えば液体クロマトグラフ用の移動相の微量グラジエント送液装置などに利用することができる。
一実施例を示す流路図である。 同実施例の送液部におけるフィードバック制御系を示すブロック図である。 他の実施例を示す流路図である。 同実施例の送液結果を示すグラフである。 従来のダイレクト方式の高圧グラジエント送液装置を示す流路図である。 従来のスプリット方式の高圧グラジエント送液装置を示す流路図である。 従来のスプリット方式の低圧グラジエント送液装置を示す流路図である。
符号の説明
1a,1b 溶媒瓶
2,2a,2b 送液ポンプ
3,3a,3b スプリット機構
4a,4b 流量計
5 ミキサ
6 試料注入部
7 カラム
8 検出器
10a,10b 制御装置
11 グラジエントコントローラ
12a,12b 抵抗管
13a,13b 送液流路
14 分析流路
15a,15b 排出流路

Claims (7)

  1. 複数の送液流路、及びそれらの送液流路を合流させ、それぞれの送液流路から送り出されてきた移動相を混合するミキサを備え、
    前記各送液流路はそれぞれの移動相を送液する送液ポンプ及び前記送液ポンプを通過した移動相の一部を前記ミキサへ送り出し、残部をその送液流路から排出するスプリット機構を備えているグラジエント送液装置において、
    前記各送液流路はスプリット機構の後段に逆流も感知できる流量計を備えており、
    前記制御装置は、前記流量計からの信号を取り込んで流量を計算する実流量演算部を備えており、
    前記制御装置は、前記実流量演算部が設定流量ゼロの送液流路の流量計からの信号を取り込んで逆流と判定したときは設定流量ゼロのその送液流路の送液ポンプにモータ回転数を与え、前記実流量演算部により計算される実流量がゼロになるところでその回転を維持させるようにしたことを特徴とするグラジエント送液装置
  2. 前記各送液流路は、前記流量計の後段に流路抵抗器を備えている請求項1に記載のグラジエント送液装置。
  3. 前記流路抵抗器は抵抗管である請求項2に記載のグラジエント送液装置。
  4. 前記流量計による測定値に基づいて該測定値が予め設定された値に近づくように前記送液ポンプの送液流量を制御する制御装置を備えている請求項1から3のいずれか一項に記載のグラジエント送液装置。
  5. 前記流量計による測定値に基づいて該測定値が予め設定された値に近づくように前記スプリット機構のスプリット比を制御する制御装置を備えている請求項1から3のいずれか一項に記載のグラジエント送液装置。
  6. 前記各送液流路は、スプリット機構の後段に逆流を防止する逆止弁を備えている請求項1から5のいずれか一項に記載のグラジエント送液装置。
  7. 前記各送液流路のスプリット機構の排出側には排出された移動相をそれぞれの移動相容器へ戻す流路が接続されている請求項1から6のいずれか一項に記載のグラジエント送液装置。
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