JP2007121164A - 流路切換バルブ及びそれを用いた高速液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】 トラップ機能を備えた流路のデッドボリュームを減らす。
【解決手段】 流路切換バルブ１は、回転子であるロータ３と、外部の流路と接続するための４個のポート７ａ〜７ｄが設けられているハウジングトップ９からなっている。２個のポートは分析用移動相のＩＮ側ポート７ａ及びＯＵＴ側ポート７ｂ、他の２個のポートは濃縮用移動相のＩＮ側ポート７ｃ及びＯＵＴ側ポート７ｄである。ロータ３には、ポート７ａ〜７ｄの位置に対応して２つのポート間を連通させる円弧状のロータ溝１１ａ，１１ｂが形成されている。ロータ溝１１ｂ内には、吸着剤が充填されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料成分を濃縮などするトラップ機能を備えた高速液体クロマトグラフと、それに用いるトラップ用の流路切換バルブに関するものである。

ライフサイエンス分野でタンパクやペプチドなどの構造を決定するのに用いられる質量分析計においては、測定の感度を最適化するために、その前駆段階となるＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフ）における流量の極低流量化が求められている。

通常、一般の分析で用いられるＨＰＬＣでは、内径４．６ｍｍ前後のカラムに１ｍＬ／ｍｉｎ程度の移動相を送液して分析するのが一般的であるが、質量分析計では内径０．３ｍｍ前後のカラムに５μＬ／ｍｉｎ程度の流量を送液するミクロＨＰＬＣが一般的になりつつあり、さらには内径０．０７５ｍｍのカラムに２００ｎＬ／ｍｉｎ程度の移動相を送液するナノＨＰＬＣも商品化されている。

こういった極低流量ＨＰＬＣを用いて分析を行う場合、分析中にシステム内の容量（約１００μＬ）により分析対象物が拡散してしまい、質量分析計の感度を損ねてしまうことがある。そのため、分析対象物をオートサンプラやマニュアルインジェクタを用いてシステム内に注入後、一旦流路切換バルブに取り付けられたトラップカラムに分析対象物を吸着させて濃縮し、その後流路切換バルブを切り換えて分析用移動相をトラップカラムに送液してトラップカラムに吸着した分析対象物質をトラップカラムより脱離させ後段の分析カラムにて分析を行い、最終的に質量分析計にて質量分析を行う。

極低流量ＨＰＬＣに用いられる流路切換バルブは、上記と同じ理由により内部容量が小さいものが用いられる。流路切換バルブは一般的に流路切換バルブへの配管を固定するハウジングトップ、回転で流路を切り換えるロータ、及び両者の間にあって液密を保つステータが主な構成品であるが、場合によってはハウジングトップがステータを兼ねている場合もある。

図４に通常用いられている流路切換バルブを示す。（Ａ）は概略断面図、（Ｂ）は概略平面図である。
流路切換バルブ５０は、流路を切り換える回転子であるロータ５３、ロータ５３と接触してロータ５３との間の液密を保つステータ５５、及びステータ５５を保持し、外部の流路と接続するためのポート５１ａ〜５１ｆが設けられているハウジングトップ５９からなっている。バルブ５０は破線で示すバルブバルブ支持部によって支持され、駆動される。ポート５１ａ〜５１ｆのうち、２個のポートが分析用移動相のＩＮ側ポート５１ａ及びＯＵＴ側ポート５１ｂ、他の２個のポートが濃縮用移動相のＩＮ側ポート５１ｃ及びＯＵＴ側ポート５１ｄ、さらに他のポートがトラップカラム５７を接続するためのポート５１ｅ，５１ｆとなる（特許文献１，２参照。）。

特開平０１−３０７５７５号公報 特開平０９−２８８０９８号公報

上記の流路切換バルブ５０では、トラップカラム５７への配管には内径２５μｍ、長さ５０ｍｍ程度のものがよく使われており、入口と出口を合わせると配管容量は約５０ｎＬになる。
また、ロータ５３に形成されているロータ溝のピッチ円は５ｍｍ、幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ程度で、そのロータ溝容量は約１０ｎＬである。さらに、ステータの流路は内径０．１ｍｍ、長さ１ｍｍで、その容量は約１５ｎＬである。そのため２つのポート間での内部容量は約２５ｎＬになり、配管容量（５０ｎＬ）と合わせるとシステム容量は７５ｎＬ程度になる。

システム容量が７５ｎＬであった場合、ポンプによる流量が２００ｎＬ／ｍｉｎでは流路切換バルブ５０とトラップカラム５７の間を通過するのに約２０秒程度かかるが、その間にトラップカラム５７で濃縮された分析対象物が拡散されてしまい、質量分析計での高感度分析が期待出来ない場合がある。

本発明は、トラップ機能を備えた流路のデッドボリュームを減らすことを目的とする。

本発明の流路切換バルブの一態様は、流路に接続される複数のポートを有するハウジングトップと、ポートの位置に対応して２つのポート間を連通させるロータ溝が形成され、少なくとも１つのロータ溝には吸着剤が充填され、上記ハウジングトップと密着しつつ回転することによりポートが切り換えられるロータとを備えている。

バルブ内のデッドボリュームを減らすために、上記ハウジングトップはロータとの回転を液密に保つステータを兼ねているものであってもよい。

本発明の流路切換バルブの他の態様は、流路となるロータ溝が貫通穴として複数形成され、少なくとも１つのロータ溝には吸着剤が充填されているロータと、そのロータを挟むように対向し、流路に接続されるポートがロータ溝の位置に対応して設けられている一対のハウジングトップとを備えている。そしてロータの回転により両ハウジングトップのポート間の接続を切り換えるものである。

トラップ機能を備えた場合、従来は少なくとも６個必要であったポートを４個にすることもできる。
上記吸着剤の好ましい一例はモノリス構造をなすものである。

本発明の高速液体クロマトグラフには流路切換バルブにより選択されて試料成分の濃縮を行うトラップ機能が備えられている。そして流路切換バルブとして本発明の流路切換バルブを用い、ロータ溝に充填された吸着剤をトラップとする。

本発明の流路切換バルブによれば、吸着剤が充填されたロータ溝を連通してポートが切り換えられるので、これまで流路切換バルブとトラップカラム間の配管に要していた約５０ｎＬの配管容量と約１０ｎＬのロータ溝容量がなくなるため、システム容量として必要となるのはハウジングトップ内の容量１５ｎＬだけとなり、デッドボリュームを減らすことができる。これにより、２００ｎＬ／ｍｉｎで送液した場合にシステム内を通過するのは５秒程度となり、分析対象物の拡散が抑えられ、システム内を分析対象物が通過する時間が最小限に抑えられる。

ハウジングトップがロータとの回転を液密に保つステータを兼ねるようにすれば、これまでステータの内部容量として必要であったデッドボリュームをさらに減らすことができる。

ロータを挟むように一対のハウジングトップを備え、ロータ溝がロータの回転方向と直行する方向にあるようにすれば、流路切換バルブと配管を接続するジョイント部分が一対のハウジングトップを挟んで両サイドに分かれるため、ジョイント部分の接続が容易になり配管時の液漏れなどを防ぐ事ができる。

これまで、バルブとトラップカラムを用いて濃縮を行う場合には最低６個のポートが必要であったが、本発明では４つのポートだけとすることもできるので、流路切換バルブを小型化することができる。
吸着剤にモノリス構造のものを用いるようにすれば、吸着剤をロータ溝の壁面との間に隙間なく充填することができる。

本発明の流路切換バルブを高速液体クロマトグラフのトラップ及び流路切換バルブとして用いると、これまで配管容量などに必要であったデッドボリュームを減らした高速液体クロマトグラフを提供することができる。

本発明の一実施例を以下に詳細に説明する。
図１は流路切換バルブを示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はハウジングトップの平面図、（Ｃ）はロータの平面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における垂直断面図である。流路切換バルブ１は、流路を切り換える回転子であるロータ３と、ロータ３の回転を液密に保つためのステータの機能を兼ねるハウジングトップ９を組み合わせたものである。本実施例では、バルブ１内の容量を低減するために、ハウジングトップ９はステータを兼ねるものとする。

ハウジングトップ９には外部の流路と接続するための４個のポート７ａ〜７ｄが設けられている。２個のポートは分析用移動相のＩＮ側ポート７ａ及びＯＵＴ側ポート７ｂ、他の２個のポートは濃縮用移動相のＩＮ側ポート７ｃ及びＯＵＴ側ポート７ｄである。

ロータ３のハウジングトップ９と対向する表面には、ポート７ａ〜７ｄの位置に対応して２つのポート間を連通させる円弧状のロータ溝１１ａ，１１ｂが形成されている。ロータ溝１１ａ，１１ｂの１つのピッチは、例えば半径２．５ｍｍ、内角９０度、幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ程度で、その容量は約４０ｎＬである。ロータ溝１１ａ，１１ｂは、例えば機械加工で形成することができる。

流路切換バルブ１のロータ溝１１ｂ内には、充填剤としての吸着剤が充填されている。これにより、従来流路切換バルブの外部にトラップカラムを接続するために必要であったロータ溝容量や配管容量によるデッドボリュームを減らすことができる。
通常、トラップカラムなどには、粒径５μｍ程度の大きさの粒子状のシリカゲルをＯＤＳ（オクタデシリルシリル）化した吸着剤を用い、ステンレスや樹脂、ガラス管中に充填していたが、本発明の流路切換バルブ１のロータ溝１１ｂへ充填する吸着剤には、３次元ネットワーク状の骨格とその空隙が一体となったモノリス型シリカを用いるのが適当である。

このモノリス型シリカは骨格の共連続構造に特徴をもっている。この共連続構造は、アルコキシシランとポリエチレングリコール（ＰＥＧ）の酢酸水溶液中、スピノーダル分解に基づく相分離により生成する過渡的な秩序構造が、ゾル−ゲル転移を伴う有機シランの加水分解―重縮合反応により凍結されてつくられたものである。

次に同実施例の動作を説明する。
ロータ３のロータ溝１１ａ，１１ｂは中心軸に対向して９０度ずつ形成されているので、ロータ３を１８０°回転することで、ロータ溝１１ａ，１１ｂとポート７ａ〜７ｄの組み合わせを切り換えることができる。
例えばポート７ａ，７ｂ間にロータ溝１１ａが位置し、ポート７ｃ，７ｄ間にロータ溝１１ｂが位置している状態から、ロータ３を１８０°回転させると、ポート７ａ，７ｂ間にロータ溝１１ｂが位置する。

次に図２に本発明の流路切換バルブを用いたＨＰＬＣの一実施例を説明する。
極低流量ＨＰＬＣでは、主にオートサンプラに起因するシステム全体の容量の影響により分析時のピーク拡散を低減させるためにトラップ注入方式を用いる。すなわち、オートサンプラなどでシステム内に注入させたサンプルを濃縮用移動相により搬送し、流路切換バルブ内のロータ溝１１ｂに充填された吸着剤で濃縮し、その後流路切換バルブを切り換えて分析用移動相をロータ溝１１ｂの吸着剤に流入させ、吸着剤に濃縮されていたサンプルを脱離させ、分析カラムにて分離分析を行う。

本発明のＨＰＬＣは、流路切換バルブ１と、それに送液するポンプや種々の移動相などが流路によって接続されている。
濃縮用移動相のＩＮ側ポート７ｃには、上流側から順に濃縮液２４、濃縮液２４を送液するために試料搬送ポンプ２６、及びオートサンプラにより試料が注入される注入部２０が設けられている。
濃縮用移動相のＯＵＴ側ポート７ｄはドレインに接続されている。

分析用移動相のＩＮ側ポート７ａには、上流側から、トラップした成分を溶出する分析用移動相２２ａ，２２ｂ、移動相中に含まれる気泡を取り除くデガッサ３２、これら分析用移動相２２ａ，２２ｂを送液するために分析ポンプ２８ａ、２８ｂ、及び分析用移動相２２ａ，２２ｂを混合するミキサ３０が設けられている。分析ポンプ２８ａ、２８ｂの流量を制御し、移動相の組成を変化させるとグラジエント分析を行なうことができる。
分析用移動相のＯＵＴ側ポート７ｂには、分析カラム３４と検出器３６が接続されている。

流路切換バルブ１内のロータ溝１１ｂには濃縮に使用する吸着剤が充填されており、ロータを回転することで、ロータ溝１１ｂの接続は分析用移動相２２ａ，２２ｂ、又は濃縮液２４に切り換えられる。

以下に同実施例の動作を説明する。
サンプルは、測定対象成分が投与された動物の血液や尿、薬剤などであり、採取したそれら生体試料を遠心分離させて不溶成分を沈殿させる。その後、上清をフィルタを使って分析上問題ないレベルまで濾過してオートサンプラにセットして分析を行う。または、それら生体試料を直接オートサンプラにセットして分析を行う。

［濃縮］
図２において、濃縮液２４はポンプ２６から注入部２０に送液される。注入部２０は試料ビンなどから試料を吸入しており（図示略）、吸入された試料は送液されてくる濃縮液２４とともに流路切換バルブ１に導かれる。ロータ溝１１ｂ中の吸着剤では試料中の目的成分が捕捉されることにより濃縮される。

［濃縮後分析］
図２において、ミキサ３２からの分析用移動相２２ａ，２２ｂは流路切換バルブ１に導かれる。このときバルブ１のロータ３は１８０°回転しておく。ロータ溝１１ｂの吸着剤に捕捉されていた測定対象成分は導かれた分析用移動相２２ａ，２２ｂによって吸着剤から溶出され、分析用移動相２２ａ，２２ｂとともに分析カラム３４に導かれて成分ごとに分離され、検出器３６で検出される。

次に、本発明の流路切換バルブの他の実施例を図３に示す。
図３（Ａ）は流路切換バルブの概略断面図、（Ｂ）は分解斜視図である。
この流路切換バルブ４０は、流路を切り換える回転子であるロータ４１を、ハウジングトップ４２ａ，４２ｂによって間に挟みこんだものである。
ハウジングトップ４２ｂの中心軸にはロータ４１を回転可能に固定する円筒状突起部４７ａが設けられており、ロータ４１の中心には突起部４７ａがはめ込まれる貫通穴４７ｂが設けられている。

ハウジングトップ４２ａには外部の流路と接続するための３個のポート４３ａ〜４３ｃが設けられている。２個のポートは分析用移動相のＩＮ側ポート４３ａ及び濃縮用移動相のＯＵＴ側ポート４３ｂとなる。ハウジングトップ４２ｂにも外部の流路と接続するための３個のポートが設けられており、２個のポートは分析用移動相のＯＵＴ側ポート４３ｄ及び濃縮用移動相のＩＮ側ポート４３ｅとなる。ポート４３ａ〜４３ｃはそれぞれメイルナット４８ａを、ポート４３ｄ〜４３ｆはそれぞれメイルナット４８ｂを介して外部の流路と接続される。

ロータ４１にはハウジングトップ４２ａ側のポートとハウジングトップ４２ｂ側のポート間を連通させるためのロータ貫通穴（ロータ溝）４４ａ〜４４ｃが形成されている。ロータ溝４４ｂには上記の実施例で説明したモノリス型シリカが吸着剤として充填されている。

ハウジングトップ４２ａ，４２ｂには、ネジ４５ａ，４５ｂを貫通させるための貫通穴４６ａ，４６ｂとネジ穴４６ｃ，４６ｄが形成されており、ロータ４１には回転が可能なようにネジ４５ａ，４５ｂを逃げる円弧状の溝穴４６ｅ，４６ｆが形成されている。ネジ４５ａ，４５ｂを締め付けることによりハウジングトップ４２ａ，４２ｂ間にロータ４１を回転可能に固定することができる。

このようにロータ貫通穴４４ａ〜４４ｃをロータ４１の回転方向と垂直方向に持たせることにより、メイルナット４８ａ，４８ｂがロータ４１を挟んで左右に存在するため、配管作業性が向上する。さらに、ハウジングトップ４２ａ，４２ｂへの流路細孔の加工も簡便になりバルブ内容量の低減とハウジングトップの加工コストの低減も実現される。

次に同実施例の動作を説明する。
濃縮移動相をポート４３ｂ、ロータ溝４４ｂ、ポート４４ｅの順に送液し、ロータ溝４４ｂ内の吸着剤によって目的成分を捕捉する。
その後、ロータ溝４４ｂがポート４３ｃ，４３ｆを結ぶ軸に対応する位置までロータ４１を回転させる。分析用移動相をポート４３ｆ、ロータ溝４４ｂ、ポート４３ｃの順に送液し、吸着剤から測定対象成分を溶出する。
本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、請求項の記載範囲内において実施することができる。

本発明は、吸着剤などを充填した流路切換バルブに利用することができる。

流路切換バルブの一実施例を示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はハウジングトップの平面図、（Ｃ）はロータの平面図、（Ｄ）は（Ｂ）のＸ−Ｘ’線における断面図である。 同実施例の流路切換バルブを用いたＨＰＬＣの一実施例を示す流路図である。 流路切換バルブの他の実施例を示しており、（Ａ）は概略断面図、（Ｂ）は分解斜視図である。 従来用いられている流路切換バルブであり、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は概略平面図を示す。

符号の説明

１ 流路切換バルブ
３，４１ ロータ
７ａ〜７ｄ，４３ａ〜４３ｆ ポート
９，４２ａ，４２ｂ ハウジングトップ
１１ａ，１１ｂ，４４ａ〜４４ｃ ロータ溝
２０ 注入部
２２ａ，２２ｂ 分析用移動相
２４ 濃縮液
２６ 送液ポンプ
２８ａ，２８ｂ 分析ポンプ
３０ ミキサ
３２ デガッサ
３４ 分析カラム
３６ 検出器
４５ａ，４５ｂ ネジ

Claims (6)

1. 流路に接続される複数のポートを有するハウジングトップと、
   前記ポートの位置に対応して２つのポート間を連通させるロータ溝が形成され、少なくとも１つのロータ溝には吸着剤が充填され、前記ハウジングトップと密着しつつ回転することにより前記ポートが切り換えられるロータと、を備えていることを特徴とする流路切換バルブ。
2. 前記ハウジングトップは前記ロータとの回転を液密に保つステータを兼ねているものである請求項１に記載の流路切換バルブ。
3. 流路となるロータ溝が貫通穴として複数形成され、少なくとも１つのロータ溝には吸着剤が充填されているロータと、
   前記ロータを挟むように対向し、流路に接続されるポートが前記ロータ溝の位置に対応して設けられている一対のハウジングトップと、を備え、
   ロータの回転により両ハウジングトップのポート間の接続を切り換える流路切換バルブ。
4. 前記ポートは４つ備えられているものである請求項１から３のいずれかに記載の流路切換バルブ。
5. 前記吸着剤はモノリス構造をなすものである請求項１から４のいずれかに記載の流路切換バルブ。
6. 流路切換バルブにより選択されて試料成分の濃縮を行うトラップが備えられている高速液体クロマトグラフにおいて、
   前記流路切換バルブとして請求項１から５のいずれかに記載の流路切換バルブを用い、ロータ溝に充填された吸着剤を前記トラップとしたことを特徴とする高速液体クロマトグラフ。
   

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