JP2007256226A - 高速液体クロマトグラフ用カラム及び高速液体クロマトグラフ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】充填剤が充填された円筒状のカラム本体101と、カラム本体の上流側に取り付けられる上流側エンドフィッティング102と、上流側エンドフィッティングとカラム本体との間に設けられフィルタとなる円筒状のフリット104を備えた高速液体クロマトグラフ用カラムにおいて、上流側エンドフィッティング102に形成されフリット104側の端部に流入方向に対してテーパ状に拡大された流入通路107と、フリット104の外周部に設けられたシール部材117と、を備える。
【選択図】図1
Description
フリットの作用としては、夾雑物を除去するためのフィルタとしての役割のほかに、カラムの分離性能を向上するために溶液をカラム充填剤に均一に分配するのに用いられる。そして、フリットの上流側に端板を配設し、その中央の開口が外部配管アダプタに係合するように設け、外周にも拡散するように、放射状に複数の溝を流路断面積が外側に向けて大きくなるように形成することが知られ、例えば、特許文献1に記載されている。
また、分析時間をさらに短縮するためには、カラム長の短縮や使用するカラム充填剤の粒子の小径化を図ることが良いが、例えば小粒子径のシリカゲルを用いた場合、カラム内の溶液の分配がより不均一になり易かった。
図1は、液体クロマトグラフ用カラム(以下、カラムと略称する)の要部を断面で示す全体概略構成図であり、図2は、本発明のカラムが用いられる高速液体クロマトグラフ装置の概略構成図である。図3は、カラムの部分拡大断面図であり、図4は、図3に示したカラムのフリットの拡大斜視図である。
液体クロマトグラフ装置の全体構成について説明する。
図2において、液体クロマトグラフ装置50は、溶離液貯蔵容器1,脱気装置(デガッサ)3,送液ポンプ4,インジェクタ6,カラム100,検出器7及び廃液用容器8等により構成されている。図2に示した例では、単一の溶離液2を用いる構成としているが、グラジエント溶出法を用いる場合は複数の溶離液貯蔵容器1を配設しても良い。
(50〜100MPa)で吐出する機能を有している。
送液ポンプ4としては、例えばプランジャ式ポンプやシリンジ式ポンプ等を用いる。これらのポンプは高い吐出圧力を実現できるため、カラム100に対し試料を含む溶離液を高流速で注入させることができ、分析時間の短縮を図ることができる。
送液ポンプ4から溶離液2が吐出される配管11は、インジェクタ6に接続されている。配管11の途中には圧力計5が配設されており、送液ポンプ4から吐出される溶離液2の圧力を測定する。
圧力計5で測定された配管11内の溶離液2の圧力は、送液ポンプ4にフィードバックされ、これによって配管11内の溶離液2の圧力が一定となるように制御される。圧力計5の配設位置は配管以外に、直接送液ポンプ4に取り付けても良い。
試料注入の際、試料の注入を容易かつ確実に行うため、インジェクタ6は送液ポンプ4から供給される溶離液の流れを一時的に遮断する。一時遮断時においても送液ポンプ4から溶離液は送り出されているため、遮断時における配管11内の圧力も一時的に上昇する。そして、試料注入後に上記遮断が解除されると、圧力が蓄成された配管11内の溶離液は急激にカラム100に流れるため、カラム100に供給される試料を含んだ溶離液の流速は一時的に速くなる。
検出器7は、図示しない光源,フローセル及び光センサ等により構成され、カラム100で分離処理された試料は、配管13を介して検出器7のフローセルに流入し、光源はフローセルに流入された試料に紫外線を照射する。
試料に含まれる成分により紫外線の吸収率が異なるため、試料を通過した紫外線は試料に含まれる成分の情報が重畳されたものとなる。紫外線を光センサにより検出し、光センサから出力される信号を解析することによって、試料に含まれる成分を分析する。検出器7で検出処理が終了した試料は、配管14を通じて廃液用容器8に廃棄回収される。
図1に示すように、カラム100は、大別するとカラム本体101,上流側エンドフィッティング102,下流側エンドフィッティング103、及びフリット104等から構成されている。なお、図中矢印で示すのは試料を含んだ溶離液の流れ方向を示す。
カラム本体101は、ステンレス鋼から成るパイプ状(円筒状)の部材である。カラム本体101の内径及び長さは、試料を含んだ溶離液の流速により選択する。カラム本体
101の内部には、カラム充填剤106(例えば、シリカゲルの粉体等)が充填されている。また、カラム本体101の両端面は、フリットに当接するために平坦面となっている。
上流側エンドフィッティング102の雄ねじ部111に、配管シール部材112,113を介してナット114をネジ止めすることによりカラム本体101を上流側エンドフィッティング102に装着する。上流側エンドフィッティング102がカラム本体101に装着された状態において、フリット104は、上流側エンドフィッティング102内に形成されているフリット収納部109内に収納,固定される。
したがって、上流側栓115を栓装着部108に装着することにより、インジェクタ6で生成された試料を含んだ溶離液は、流入通路107,フリット104を順次通過してカラム本体101内のカラム充填剤106に流入する。
図3及び図4に示すように、フリット104は、円筒形状をしており、シール部材117及び119とフィルタ118及び120が端部の外周縁部を囲うように嵌合している(フィルタ118は一部断面となっている)。シール部材117及び119は、例えば、フッ素樹脂やPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)等の樹脂により形成されたリング状の部材である。
121が形成されている。
フリット104の中央部に形成されたフィルタ120の細孔径は、フィルタ118の細孔径よりも小さくなるように、つまり、細孔径の異なったフィルタを有するフリットがフリットの径方向に重ね合わせて配置され、細孔密度が径方向に対して中心が密、外側が粗となっている。フィルタ120は、流入通路107のテーパ部121側を頂点とする円錐形状を呈しており、フィルタ120を包み込むようにフィルタ118が形成されている。フィルタの細孔径は、使用されるカラム充填剤の粒子径の大きさによって決定する。
高速液体クロマトグラフ装置は、分析時間を短縮するため、カラム充填剤の粒子径の細径化にともない、カラムに作用する圧力が高圧化している。したがって、カラム本体を含めたフリットの高耐圧化と高いシール性の確保が求められる。従来技術では、これらのシールを0リングや金属端面同士を当接することでシール性を得ていた。しかし、この方法ではシール性を上げるため押圧力を上げすぎると金属接触面で塑性変形が生じて、最悪の場合はカラム充填剤がフリットのフィルタに入り込んでしまいフィルタの目詰まりが生じる。この対策として、カラム本体より弾性の高い材料で形成したリング状枠内にフリットを嵌着する手段が良いが、フリット端面とリング状枠の端面とで形成される形状によっては、次のような課題(1),(2)が新たに生じる。
(1)フリット端面とリング状枠の端面が同一面の場合(両端面の段差がゼロの場合)
フリット端面とリング状枠の端面が同一面であるため、押圧力を上げすぎると金属面同士の接触が生じ、塑性変形が生じる。そして、最悪の場合はカラム充填剤がフリットのフィルタに入り込んでしまいフィルタの目詰まりが生じる。
(2)フリット端面とリング状枠の端面に段差がある場合(両端面の段差が大きい場合) リング状枠内にフリットを嵌着すると、フリット端面とリング状枠の端面に大きな段差が形成され、カラム本体より弾性の高いリング状枠に金属が当接するため、金属面同士の接触は回避される。しかし、リング状枠の弾性変形にも限界があり、段差にフィルタの直径を乗じた体積の空間部が生じることになる。この空間部は、いわゆるデッドボリュームと呼ばれるもので、流路長が長くなるとともに溶液がこのデッドボリュームに滞留することとなり、カラムの性能を著しく低下させる。
段差の大きさを調整する場合、リング状枠内にフリットを嵌着する方法ではその調整が困難なため、リング状のフリットの外周側端面にフリットやカラム本体より弾性率の高い材料を薄い膜状にコーティングしている。コーティングする方法としては、溶射や蒸着などが良い。また、コーティングする膜厚さは、数十ミクロンから数百ミクロンが最適であるが、その厚さは、押圧力、換言すれば使用するカラム圧力に関連してカラム充填剤がフリットのフィルタに入り込まないように決定する。
図5,図6及び図7は、流入通路107のテーパ部やフリットの形状を変えた場合のフリット内及びカラム内の流体の流れ状態を解析した例を示したものである。また、解析結果が軸対象であるため、中心線より上部の半分を断面としたものを示している。ここで、流体は水の単相流として取り扱っている。
図5は、流入通路107のテーパ部が無い場合を示しており、図6は、流入通路107にテーパ部121を形成した場合(テーパ角度θとして表示)を示しており、図7は、テーパ角度を図6に示したテーパ角度より小さくし、さらにフリットの構造を細孔径の異なったフィルタをフリットの径方向に重ね合わせて配置(図7では、細孔密度として示しているが、細孔密度が「密」とは、フィルタの細孔径がより小さい場合を表す。また、細孔密度が「粗」とは、フィルタの細孔径がより大きい場合をそれぞれ表す)した場合をそれぞれ示している。
また、フリット及びカラム内に示した曲線は、解析手法において、流入通路107の上流側で粒子を流し、その粒子の軌跡をある時間間隔で示したものであり、各曲線は同時刻の粒子の軌跡を示している。カラム内の粒子の分布幅を評価指標にすることによって、カラム出口での粒子分布の相対比較も行うことができ、粒子分布幅が小さいほどカラム性能が良い(低拡散化が図れる)ことになる。
さらに、円錐台状フィルタ118の外側形状に沿って流体がスムーズに流れるとともに、中心部の円錐形状のフィルタ120によって中心部での流速が減少されることから、カラム内の粒子の分布幅が図6に示したカラム内の粒子の分布幅よりさらに小さくなっていることがわかる。
図8は、他の実施形態である高速液体クロマトグラフ用カラムのフリット構造を示す部分拡大図である。シール部材117,119は図3に示した実施形態と同一であり、図7に示した解析結果を具体化したものである。
つまり、流入通路107のテーパ部121のテーパ角度を小さくする。そして、フリットの構造は、中心部には細孔密度を「密」(フィルタの細孔径を相対的に小さくする)とした円錐形状のフィルタ120を配置し、その外側を細孔密度が「粗」(フィルタの細孔径を相対的に大きくする)となるように形成する。
そして、外側形状をテーパ部のテーパ角度と一致するような勾配を有する円錐台状フィルタ118を配置し、さらに、その外側に細孔密度を「密」(フィルタの細孔径を相対的に小さくする)としたフィルタ122を配置した三層構造とした。
インジェクタで生成された試料を含んだ溶離液は、上流側エンドフィッティング102に形成された流入通路107に流入し、テーパ部121に到達する。
流入通路107の中央部を流れる溶離液は、その速度が外周部を流れる溶離液の速度より大きいが、上記円錐形状フィルタ120によってその速度は若干抑えられる。
フリット104の形状は駒型形状にし、つまり、図8に示したフィルタ122を廃止し、その代わりを上流側エンドフィッティング102の隔壁で代替する。円錐形状のフィルタ120の外側に配置された駒型形状したフィルタ118は、円筒面部と円錐面部から構成され、上流側エンドフィッティング102に形成されたフリット収納部の円筒面部と円錐面部123と当接する。
細孔密度の異なるフィルタを積層したフリット104は、上流側エンドフィッティング102のフリット収納部109に挿入され、フィルタ118の下端面に形成されたシール部材119及びフィルタ118の上端面に形成されたシール部材117によりそれぞれシールされている。
したがって、フィルタを1層分省略することができるのでフリットをコンパクトとすることができる。
この特徴は、フリット104の中央部に配設したフィルタ120の形状をその断面形状を菱型形状にしたことである。つまり、フリット104軸方向幅の半分の高さの円錐を底面同士重ね合わせた形状としている。したがって、フィルタ120の断面形状は菱型形状となる。
フィルタ120の外側に配置された駒型形状したフィルタ118は、円筒面部と円錐面部から構成されており、上流側エンドフィッティング102に形成されたフリット収納部の円筒面部とフィルタ122の円錐面部と当接する。
細孔密度の異なるフィルタを積層したフリット104は、上流側エンドフィッティング102のフリット収納部109に挿入され、フィルタ118の下端面に形成されたシール部材119及びフィルタ118の上端面に形成されたシール部材117によりそれぞれシールされている。
流入通路107の中央部を流れる溶離液は、その速度が外周部を流れる溶離液の速度より大きいが、菱形形状フィルタ120によってその速度は若干抑えられることになる。また、菱形形状フィルタ120の外周部を流れる溶離液は、菱形形状フィルタ120の傾斜が途中から逆傾斜になっているため頂点部での剥離現象が抑制される。したがって、カラム本体101に流入する際の溶離液の流動状態がさらに改善される。
以上のように、フィルタ120部の流体の剥離現象をさらに抑制することができるのでカラムの性能を向上することができる。
Claims (9)
- 充填剤が充填された円筒状のカラム本体と、前記カラム本体の上流側に取り付けられる上流側エンドフィッティングと、前記上流側エンドフィッティングと前記カラム本体との間に設けられフィルタとなる円筒状のフリットを備えた高速液体クロマトグラフ用カラムにおいて、
前記上流側エンドフィッティングに形成され前記フリット側の端部に流入方向に対してテーパ状に拡大された流入通路と、
前記フリットの外周部に設けられたシール部材と、
を備えたことを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。 - 請求項1項に記載のものにおいて、前記シール部材は前記フリット端部の外周縁部を囲うようにされたことを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、前記シール部材は前記フリットの外周部にコーティングされていることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、前記フリットは、その密度が径方向に対して中心が密、外側が粗となっていることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、前記フリットは、中央部のフィルタと、外周部のフィルタを有し、前記中央部のフィルタの細孔径は、前記外周部のフィルタの細孔径よりも小さくされていることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、前記フリットは、前記上流側エンドフィッティング内に収納され、前記カラム本体の端面によって押圧されながら固定されることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、中央部のフィルタと、外周部のフィルタを有し、前記中央部のフィルタは、前記流入通路のテーパ部側を頂点とする円錐形状とされていることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 請求項1項に記載のものにおいて、前記シール部材は前記フリット端部の外周縁部を囲うように数十ミクロンから数百ミクロンの膜厚でコーティングされていることを特徴とする高速液体クロマトグラフ用カラム。
- 水や有機溶媒などの液体にサンプルを混ぜて、充填剤を詰込んだカラム本体に圧力が一定となるように通過させて成分分離,分析を行う高速液体クロマトグラフ装置において、
充填剤が充填された円筒状のカラム本体と、前記カラム本体の上流側に取り付けられる上流側エンドフィッティングと、前記上流側エンドフィッティングと前記カラム本体との間に設けられフィルタとなる円筒状のフリットと、前記上流側エンドフィッティングに形成され前記フリット側の端部に流入方向に対してテーパ状に拡大された流入通路と、前記フリットの外周部に設けられたシール部材と、を備え、前記カラム本体を通過させる前記圧力を50以上100MPa以下としたことを特徴とする高速液体クロマトグラフ装置。
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