JP5890783B2 - 光学フローセル検出器 - Google Patents

Description

本発明は、光学フローセル検出器並びにかかるセンサを備えたフローセル吸収監視システムに関する。

通常はフローセル吸収監視システムは、流体セル内の流体試料に１つ以上の波長の光を供給するための光源と、光と試料の間の相互作用を検出するための光学的検出システムとを備える。フローセル吸収監視システムの一例は、分離された分子がカラムから溶出されるときに、クロマトグラフィーシステムにおいて様々な波長にて光の異なる吸光度を測定するのに利用される、フローセルＵＶ吸収監視システムである。

このタイプの監視システムは通常は、光源、フローセル、及び光検出器を含む。理想的にはフローセルは、最小のドリフト及び屈折率感度を有して信号対雑音比を確保するように設計される。

従来のＵＶ検出器フローセルの適用できる範囲をはるかに超えた、高いタンパク質濃度を測定する能力への要求が増大している。この要求の理由は部分的には、より高い滴定濃度及びより効率的な下流側の処理から生じるもので、試料を希釈する必要なしにタンパク質プールの濃度を求めたいという単純で直接的な希望であり得る。クロマトグラフィーに関連する保持タンク内の１００〜２００ｍｇ／ｍｌを測定したいという要求が示されてきている。

国際公開第２００８／１３２６１１号

本発明の目的は、従来技術の１つ以上の短所を克服する、新しい光学フローセル検出器、及びそれを用いたフローセル吸収監視システムを提供することである。これは独立請求項によって定義される光学フローセル検出器、及びフローセル吸収監視システムによって達成される。

このような光学フローセル検出器の１つの利点は、貫流モードにおいて高いタンパク質濃度を示すことができ、かつ事実上直線的な応答を有することである。

他の利点は、流れ断面積がフローセル全体にわたる流れ方向において事実上一様となるように設計することができるので、検出器を主流路内に配置することができることである。

本発明の他の適用可能範囲は、本明細書で以下で述べる詳細な説明から明らかとなるであろう。しかし詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施形態を示すが、例示のみのために示すものである。当業者には以下の詳細な説明から、本発明の趣旨及び範囲内で様々な変形及び変更が明らかとなるであろう。

本発明の上記その他の利点は、以下の説明を添付の図面と併せ読むことによって、より明らかとなるであろう。

典型的なフローセル吸収監視システムの概略図である。 本発明の一実施形態による概略の光学フローセル検出器を示す図である。 本発明の一実施形態による概略の光学フローセル検出器を示す図である。 本発明の一実施形態による光学フローセル検出器を有する一体化フローセル吸収監視システムの概略実施形態を示す図である。 本発明の一実施形態による概略の光学フローセル二重検出器を示す図である。 従来技術の広ギャップ検出器の場合の概略グラフと比較した、本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の場合の概略ＵＶ吸収グラフである。 本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の直線性を示す実験に基づくグラフである。 従来技術の広ギャップ検出器と比較した、本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の直線性を示す実験に基づくグラフである。

本発明の、現時点での好ましい実施形態について、同様な構成要素は同じ番号で識別される図面を参照して説明する。好ましい実施形態の説明は例示であって、本発明の範囲を限定するものではない。

図１は、多波長紫外線（ＵＶ）−可視光モニタなどの、フローセル吸収監視システムの一実施形態を示す。このモニタ１０１は、交換可能なフローセル１０３と、フローセルをモニタユニット１０１に接続する光ファイバ１０５とを含む。モニタ１０１は、たとえばスウェーデン、ウプサラにあるＧＥ Ｈｅａｌｔｈｃａｒｅ，Ｌｉｆｅ Ｓｃｉｅｎｃｅｓによって製造されるモニタＵＶ−９００でよい。このモニタは、１９０〜７００ｎｍの範囲で同時に最大３波長にて高感度で光を監視するために、先進のファイバ光学技術を利用している。ファイバ光学系を独特のフローセル設計と共に用いることにより、最小のドリフト及び屈折率感度を有して信号対雑音比を確保している。典型的にはモニタ１０１は、高輝度の光の連続スペクトルを生じるキセノン閃光ランプ（図示せず）などの光源（図示せず）、及びファイバ１０５への光出力の波長を選択するためのチューナブルモノクロメータ構成（図示せず）を有するモノクロメータ１０７を含む。ランプは、クロマトグラフィー動作時にのみ作動され、それにより約４０００時間の長い実効動作の寿命が有効に用いられることを確実にする。しかしチューナブルモノクロメータは、所望の波長領域を供給することができる、さらには相補的な波長領域を有する２つ以上のユニットなど、任意の適当なタイプとすることができる。一実施形態ではチューナブルモノクロメータは、指定の領域にわたる単色光を供給することができるチューナブルレーザユニットである。一部の実施形態ではチューニング可能であることが重要でない場合は、チューナブルモノクロメータは、１つ以上の別個の単色光源に置き換えることができる。他の実施形態では、モノクロメータは広帯域光源に置き換えることができ、光検出ユニット１１５は、たとえば受け取ったスペクトルを分光法的に分割することができる分光器である。開示されるモニタ１０１では光ファイバ１０５光学系は、光をモノクロメータ１０７から光スプリッタユニット１０９に導き、基準ファイバ１１１と、フローセル１０３に直接至るフローセルファイバ１１３とに分割し、その強度全体を液体の流れの経路に焦点を合わせ、それにより監視の感度を最大化する。フローセル１０３は、経路長が２ｍｍでセル容積が２μｌ、又は経路長が１０ｍｍでセル容積が８μｌなど、任意の経路長を有することができる。フローセル１０３を通って透過された光は、光ファイバ１２１を通じて光検出ユニット１１５に導かれる。光検出ユニット１１５は、ファイバ１２１に接続されたフローセル入力１１９と、基準ファイバ１１１に接続された基準入力１１７とを有する。検出ユニット１１５はさらに、フローセル入力を基準と比較してフローセル内の光吸収の変化を検出するための適当な処理手段を含むことができる。

図２Ａ及び２Ｂは、本発明の一実施形態による概略の光学フローセル検出器２００を示す。光学フローセル検出器２００は、断面積Ａのフローセル流路２３０を通して流体連絡する試料入口２１０と出口２２０とを有する、検出器本体２０５を備える。フローセル流路２３０は基本的に、流量、粘性などの要因に応じて、それが用いられる特定の用途に対して必要な任意の断面積Ａのものとすることができる。開示された実施形態では、断面形状は、製造の観点及び流体の流れの観点から有益となる円形であるが、実際は、流体の流れの特性が所望の範囲内に保たれる限り、事実上任意の適当な形状とすることができる。

検出光学系は、入力光導波路２４０であって、出力光導波路２７０の光入口面２６０に隣接しそれと光学的に整列して配置された光出口面２５０を有する、入力光導波路２４０を備える。開示されるように、入力光導波路２４０と出力光導波路２７０はフローセル流路２３０内に突き出し、それにより光出口面２５０と光入口面２６０の間の光学ギャップはフローセル流路２３０の中央に位置する。光学ギャップはたとえば、ギャップ内の流体が流体の流れを表すことを確実にするために、たとえば流路の内壁に隣接するなどの停滞区域内でない限りは、フローセル流路２３０内の任意の位置に配置することができる。開示された実施形態では、入力光導波路２４０と出力光導波路２７０は、フローセル流路２３０内に本質的に横断して突き出し、それによって光学ギャップ内の流体の交換が促進される。しかし流体流路と、光導波路２４０及び２７０との間の角度関係は横断方向である必要はなく、光学ギャップ内の流体の望ましい更新が得られることを条件として、任意の適当な角度及び構成とすることができる。代替実施形態では、流体流路２３０は直線である必要はなく、曲線状などでもよい。

流体流路２３０内に突き出た小型の光導波路２４０及び２７０を用いた本手法は、互いから０．５ｍｍ以下などの短い距離に配置したときに、流れの中の高濃度の、たとえばタンパク質を測定する驚くほど優れた能力をもたらすことが見出された。以下でより詳しく述べるように、０．１２ｍｍ及び０．０７ｍｍの光学ギャップを有する実施形態の場合に、高濃度に対する高度の直線性が開示された。光学ギャップは、測定すべき濃度範囲に応じてたとえば、０．７、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１、０．０７、０．０５ｍｍ又はそれらの間など、０．０２ｍｍ〜１ｍｍの任意の値とすることができる。最も狭いギャップでかつ適度な流量であっても、光学ギャップ内の流体は容易に交換されることが見出され、これは小さな光学断面積と、流体流路の本質的に中央でのギャップの「突き出た」位置との結果であると考えられる。

図２Ａ及び２Ｂの実施形態では、光学ギャップは光導波路２４０及び２７０がねじを切ったフェルール２８０及び２９０内にそれぞれ配置されているので調整可能であり、光学ギャップはフェルール２８０及び２９０を回転することによって調整することができる。図２Ａ及び２Ｂでは、光導波路２４０及び２７０は、流体形状物がそこを通って流出するのを避けるために、たとえばＯリングなどの形のシール２９５によって流体流路から密閉される。

上述のように流体の流れの中断を避けることが最も重要と考えられ、それにより流れ方向の光導波路の突出部分及び出力光導波路の、小さな断面積が必須であり、開示された実施形態では、入力及び出力光導波路２４０、２７０の突出部分の総断面積は、流れ方向にて約Ａ／２さらにはＡ／４未満である。図２Ｃは、図２Ａ及び２Ｂのフローセル検出器２００のフローセル流路２３０の領域の拡大を示し、フローセル流路２３０の面積Ａは広い斜めのパターンで満たされ、入力及び出力光導波路２４０、２７０の突出部分は菱面体パターンで満たされている。図２Ｃから、フローセル流路２３０の遮られない面積は、突き出た光導波路２４０及び２７０の総面積より本質的に大きく、それによってフローセル流路内の流体の流れは比較的遮られないことが分かる。上述のように入力及び出力光導波路２４０、２７０の突出区間の寸法は、所望の光透過をそれらの間で達成するように入力及び出力光導波路２４０、２７０のそれぞれの光学端面の強固な位置決めをもたらしながら、流路２３０の面積Ａに比べて小さな断面積を達成するための任意の適当なやり方で設計することができる。図２Ｃでは入力及び出力光導波路２４０、２７０の間の光学断面積又は「検出面積」は、破線領域２４５によって示される。別に結論付けられるように、本フローセル検出器２００における光学断面積２４５は、流路２３０の総面積Ａに比べて非常に小さく、たとえば、Ａ／５０、Ａ／１００、Ａ／２００、Ａ／１０００未満、又はそれより小さい。しかしこの光導波路のタイプの設計は、小さな光学断面積２４５（容積）での高レベルの光束を確実にする。

光導波路は、ガラス、石英、光透過性ポリマーなど、光を透過することができる任意の適当な光学材料から構成することができる。一方又は両方には、光の漏洩を避けるために外側表面に、光阻止スリーブ又は被覆（図示せず）を設けることができる。一実施形態によれば光導波路２４０及び２７０は、直径が５ｍｍ未満、たとえば３ｍｍ、１ｍｍなどの円筒形である。光導波路２４０及び２７０の直径が、流路２３０の総面積Ａに依存することは明らかである。図２Ａ及び２Ｂに概略的に開示される一実施形態によれば、流体流路の流れ断面積は、フローセル全体にわたって流れ方向に事実上一様とすることができる。開示された実施形態では、突き出た光導波路２４０及び２７０によって減少した流れ断面積は、流体流路を局所的に広げることによって補償される。これは、突き出た光導波路と比べて比較的小さな流体流路を有するフローセルの場合に特に有用であるが、他の実施形態では補償は必要ない。

図２Ａ及び２Ｂから分かるように、光導波路２４０及び２７０は、光出口面から現れる事実上全体の光錐（その開口数）を光入口面２６０にて捕捉するために、入力光導波路が出力導波路より細く、コアサイズにおいて非対称とすることができる。

図２Ａ及び２Ｂの実施形態では、光導波路２４０及び２７０はそれぞれ光ファイバ１１３及び１２１に光学的に接触しているのが示され、さらにモニタユニット１０１（図示せず）に接続される。しかし光導波路２４０及び２７０の一方又は両方を、フローセル監視システム１０１の光学的検出システムに直接結合してもよい。

図４に示されるように、光学フローセル検出器２００は、一体化されたフローセル光吸収監視システム４００として設計することができ、光源４１０はプリズム４２０を照射するように配置され、プリズム４２０は光を、基準光センサ４３０に向けられる基準ビームと、入口光導波路２４０内に向けられる試料ビームとに分割する。試料光センサ４４０は、出力光導波路２７０から光を受け取るように構成される。一体化監視システム４００はさらに、光センサ４３０及び４４０から出力信号を受け取って比較し、場合によっては信号の計算を行うための、制御ユニットを備える。諸構成要素はハウジング４６０によって保護される。

図３Ａ及び３Ｂは、本発明の一実施形態による概略の光学フローセル検出器３００を示す。この光学フローセル検出器３００は検出器本体３０５を備え、検出器本体３０５は、試料入口３１５を形成する検出器本体３０５の外面から延在する第１の内腔３１０と、第１の内腔３１０と同心でありそれより太く、第１の内腔から試料出口３２５を形成する検出器本体３０５の外面まで延在する第２の内腔３２０とを有する。第１及び第２の内腔は両方で、流体流路３３０を形成する。光学フローセル検出器３００はさらに、検出器本体３０５を貫通して延在し、第２の内腔３２０と交差する第３の内腔３３５を備え、入力光導波路２４０及び出力光導波路２７０は、それらが第２の内腔３２０内に突き出るように、第３の内腔３３５の対向する区間内に配置される。この実施形態では光導波路２４０及び２７０は、細い光導波路２４０及び２７０を支持するように、流体流路３３０内に延在する支持フェルール２８０及び２９０内に配置され、それによって導波路は、光ファイバなどの細い光導波素子から構成することができる。一実施形態によれば入力及び出力光導波路２４０及び２７０の直径は、１ｍｍ、０．８ｍｍ，０．５ｍｍなど、２ｍｍ未満である。一実施形態によれば、入力光導波路２４０は、コア直径が約４００μｍの光ファイバから構成され、出力光導波路２７０は、コア直径が約６００μｍの光ファイバから構成される。このような細い光導波路２４０及び２７０を用いることにより、高レベルの光束を有する非常に小さな光学断面積２４５が得られる。図３Ｃは、図３Ａ及び３Ｂのフローセル検出器２００のフローセル流路２３０の領域の拡大を示し、本フローセル検出器２００における結果としての光学断面積２４５は、この実施形態ではさらに小さくできることが分かる。

本発明による狭い光学ギャップ検出器と、広い光学ギャップ検出器からの出力を組み合わせることにより、高濃度に対する能力と高感度の両方を達成することができる。図５は、本発明の一実施形態による概略の光学フローセル二重検出器を示す。２つの異なるタイプの検出器からの寄与分は図６に示され、これは従来技術の広ギャップ検出器の場合の概略グラフと比較した、本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の場合の概略ＵＶ吸収グラフを示す。図６から分かるように広ギャップ検出器からの信号は、２重ピークに到達するずっと前に飽和し、２重ピークの形状及び位置に関する情報は示されない。本発明による小ギャップ検出器の場合は、完全な２重ピークが示されるが、低濃度での感度は多少減少され得る。

上記のように、高濃度のタンパク質を測定できる能力は、下記などの多くの状況において極めて望ましく、すなわち、
・ピーク形状の特徴付けに基づくクロマトグラムのレビュープロセス及びプロセスの問題解決は、ピーク形状の正確な表示、したがってピーク先端までの直線的応答が必要となる。
・場合によって中間の試料の調整を伴う、２つ以上の単位操作の直接の結合への現在のトレンドがある。監督機関は、２つの単位操作の間の試料の正確なオンラインクロマトグラムの形での真の「プロセスフィンガープリント」を要求する場合がある。このようなプロセス整合性のフィンガープリントは、最も高いピーク濃度まで線形な検出器を必要とする。
・連続クロマトグラフィーでは、いくつかの同一のカラムが、カラムを直列及び／又は並列に動作させることを可能にする構成に接続され、個々のカラムは、従来技術によれば溶出のために時間をベースとするバルブ切り換えを用いて接続又は切断される。最近では同じ出願人によってＳＥ０９５０４９４−５において溶出液信号をベースとする切り換え手法が提案されており、それによればカラムからの溶出液の組成を表す溶出液信号、たとえばＵＶ吸光度信号が検出され、検出した信号に基づいて弁の切り換えが制御される。本発明による小ギャップ検出器は、最新の高滴定濃度供給装置に対する破過の検出を可能にする。
・最終定式化段階での限外濾過／透析濾過（ｕｌｔｒａ−ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ／Ｄｉａ−ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ（ＵＦ／ＤＦ））時の高いタンパク質濃度の測定。

実験
図７は、本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の直線性を示す、実験に基づくグラフである。実験では、０．１２ｍｍの経路長を有するプロトタイプの光学フローセル検出器が、続いてポリクローナルｈＩｇＧ（１６５ｍｇ／ｍｌで開始）の希釈系列を用いて試験され、８４ｍｇ／ｍｌ以上までの直線性を示す。

図８は、従来技術の広ギャップ検出器と比較した、本発明の一実施形態による光学フローセル検出器の直線性を示す、実験に基づくグラフである。プロトタイプのセルは、０．０７ｍｍの経路長に再構成され、１５０ｍｇ／ｍｌまでのＢＳＡの希釈系列を用いて試験され、２ｍｍセルと比較された。１５０ｍｇ／ｍｌ（おそらくそれより大きな）までの直線性が、０．０７ｍｍセルに対して実証され、２ｍｍセルでは約１０ｍｇ／ｍｌまでしか直線的でなかった。

以上本発明について詳細に説明し図示してきたが、これは例示のみのためになされたものであって、限定するためと解釈されるべきでないことが明確に理解されるべきである。範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるものである。

１０１ モニタ、モニタユニット
１０３ フローセル
１０５ 光ファイバ
１０７ モノクロメータ
１０９ 光スプリッタユニット
１１１ 基準ファイバ
１１３ フローセルファイバ
１１５ 光検出ユニット
１１７ 基準入力
１１９ フローセル入力
１２１ 光ファイバ
２００ 光学フローセル検出器
２０５ 検出器本体
２１０ 試料入口
２２０ 試料出口
２３０ フローセル流路
２４０ 入力光導波路
２４５ 光学断面積
２５０ 光出口面
２６０ 光入口面
２７０ 出力光導波路
２８０ フェルール
２９０ フェルール
２９５ シール
３００ 光学フローセル検出器
３０５ 検出器本体
３１０ 第１の内腔
３１５ 試料入口
３２０ 第２の内腔
３２５ 試料出口
３３０ 流体流路
３３５ 第３の内腔
４００ フローセル光吸収監視システム
４１０ 光源
４２０ プリズム
４３０ 基準光センサ
４４０ 試料光センサ
４６０ ハウジング

Claims (6)

1. 断面積Ａのフローセル流路を通して流体連絡する試料入口及び出口と、出力光導波路の光入口面に隣接しそれと光学的に整列して配置された光出口面を有する入力光導波路とを備える光学フローセル検出器であって、前記入力光導波路及び前記出力光導波路が前記フローセル流路内に突き出しており、前記光出口面と前記光入口面の間の距離が０．０２ｍｍ以上１．０ｍｍ未満であり、前記入力光導波路及び前記出力光導波路の突出部分の流れ方向と直交する方向の断面積がＡ／２未満であり、前記入力光導波路及び前記出力光導波路が、少なくとも停滞区域を超えて前記フローセル流路の内壁から突き出していて、前記入力光導波路の前記光出口面が前記出力光導波路の前記光入口面よりも小さな断面積を有しており、流れ断面積が前記フローセル全体にわたって流れ方向において事実上一様であり、前記入力光導波路及び前記出力光導波路が光ファイバから構成される、光学フローセル検出器。
2. 前記光出口面と前記光入口面の間の距離が調整可能である、請求項１記載の光学フローセル検出器。
3. 前記入力及び出力光導波路の少なくとも一方が、前記流体流路内に延在する支持フェルール内に配置される、請求項１又は請求項２記載の光学フローセル検出器。
4. 第２の光出口面を有する第２の入力光導波路及び第２の光入口面を有する第２の出力光導波路をさらに備えていて、第２の光出口面と第２の光入口面との間の距離が、前記入力光導波路の光出口面と前記出力光導波路の光入口面との間の距離を超える、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の光学フローセル検出器。
5. 検出器本体であって、前記試料入口を形成する前記検出器本体の外面から延在する第１の内腔と、第１の内腔と同心でありそれより太く、第１の内腔から前記試料出口を形成する前記検出器本体の外面まで延在する第２の内腔と、前記検出器本体を貫通して延在し、前記第２の内腔と交差する第３の内腔とを有する検出器本体を備えており、前記入力光導波路及び前記出力光導波路は、それらが前記第２の内腔内に突き出るように、前記第３の内腔の対向する区間内に配置される、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の光学フローセル検出器。
6. 光源と、光検出器と、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のフローセルとを備えるフローセル光吸収監視システムであって、ＵＶから可視光までの波長領域における吸収を示すように構成されている、フローセル光吸収監視システム。