JP2008507716A - クロマトグラフカラムを通して流れる流体を循環するためのシステム - Google Patents

Abstract

開示事項は、サンプリングデバイス（２０）と、クロマトグラフィカラム（２４）と、測定すべき検体を含有する流体がサンプリングデバイスからカラムへと伝達される移送ライン（２８）とを含むシステムおよび方法である。移送ラインの入口で検体を含有する流体に適用される圧力は、実質的に一定の流速またはカラムを出る速度を維持するためのある特定の関係に従って、カラム温度の増加に応じて調整される。このようにして、このシステムは、カラム温度の変化に起因するカラムを通して流れる流体の粘性の変化を補償する。

Description

本発明は、サンプリングデバイスからクロマトグラフィカラムへと、検体を含有する流体を伝達するためのシステムおよび方法に関わる。特に、本発明は、サンプリングデバイスがカラムを通して流れる流体を制御するシステムと方法に関する。

［関連した出願］
出願人は、合衆国特許法１１９条（ｅ）第３５号の下に、２００４年７月２６日に出願された米国仮特許出願第６０／５２１,９５１号、２００５年２月２８日に出願された米国仮特許出願第６０／６５７,２１０号の優先権を主張し、それぞれの内容は、それらすべてがここに参照として組み入れられる。

ガスクロマトグラフィーは、本質的に、キャリアガス内の蒸気サンプルの構成物質が吸着または吸収され、その後カラム内の固定状態材料によって脱離する、物理的な分離の方法である。サンプルのパルス(pulse)がクロマトグラフィカラム中にサンプルを運ぶキャリアガスの定常流に導入される。カラムの内側は液体で裏打ちされ、この液体と種々の構成成分との間の相互作用−それは成分の分配係数間での差に基づいて異なる−が、サンプルをそれぞれの元素に分離させる。カラムの終端では、個々の構成成分はやがて多かれ少なかれ分離される。ガスの追跡は時間スケール（時間的尺度）の、通常クロマトグラムと呼ばれるパターンを提供し、既知のサンプルとの較正または比較によってそれが構成物質、およびテストサンプル中に存在するそれの固有の濃度を示す。このことが生じるプロセスの例は、Hinshawによる特許文献１に記載されている。

テストされるサンプルを集めるために使われるサンプル容器から検体の量を得るために、また、上述された解析のために検体をガスクロマトグラフに移送するために、種々のタイプのサンプリングデバイスが使われうる。１つの共通な装置は熱脱離ユニットであって、特定環境の構成物質を決定するためにしばしば使用される。例えば、ある一定の空気サンプル中に存在する揮発性有機化合物（ＶＯＣ）の量を検出することがしばしば望まれる。これを行う１つの方法は、まず、吸収剤材料を満たした管をテストされる環境の中に運んで、そして、通常「拡散性サンプリング」または「受動的サンプリング」と呼ばれる自然な拡散を通じて、空気中のＶＯＣが管の中に移入することを可能にすることによる。あるいはＶＯＣは、一般に「ポンプド・サンプリング(pumped sampling)」という小さな真空ポンプを使うような管を通して、ガス（通常は周囲の空気）のサンプルを引き込むことにより、集めることができる。それぞれの場合において、測定すべき検体（すなわちＶＯＣ）は、空気が管を通過するのに従って吸着剤に保持され、そして濃縮される。

ＶＯＣがこの方式で集められると、次に管は熱脱離ユニットに運ばれ、そこで管はヘリウムまたは窒素のような不活性ガスの流路に置かれる。続いて管は加熱され、それによって検体を脱離し、そしてキャリアガスは管からＶＯＣを掃き出す。ある場合には、「トラップ(trap)」が、検体をさらに前もって濃縮するために、場合によりクロマトグラフィカラムにサンプルを導入するのに先立って水分を除去するために、サンプル管の下流に配置される。１つの例は、通常は周囲温度以下に冷却される吸着剤トラップであり、それは適当な吸着剤材料で満たされる他の簡単な吸着剤管であり、サンプルガスが最初に管を通過するのに従って検体を吸着し、次にそこから検体がクロマトグラフィカラム中に、通常加熱によって引き続く分離と解析のために脱離される。

もう一つの共通のサンプリングデバイスはヘッドスペース（上部空間）サンプラーである。従来のヘッドスペースサンプリングにおいては、サンプル材料は小瓶の中に封じられ、そして特定時間、一定温度状態下におかれる。温度調節時間の間、小瓶の気相の検体濃度が液相および／または固相と平衡に達するはずである。この小瓶は、続いてキャリアガスによって、温度調節と平衡状態に起因する「自然な」内圧力よりも大きなレベルに加圧される。次に加圧された小瓶は、短い時間でカラム中に小瓶の気相の一部の移送を可能にするような方法でクロマトグラフィカラムに接続される。このようなサンプリングデバイスの例は、Rieggerらの特許文献２に開示されている。ヘッドスペースサンプラーを使用するクロマトグラフィシステムの例は、Hinshawによる特許文献３に開示されている。

いくつかの用途では、カラムはサンプリングデバイス内の吸着剤管に直接つながれ、そしてデバイスは移送ライン、例えば、ある長さの融解石英管を介してカラムに接続される。最近の他の用途は、サンプリングデバイスによって既に提供されたものに加えて、いくつかの追加の制御またはトラップを行なうためのインタフェース装置で、Tiplerらによる特許文献４に開示された熱脱離システム、さらにTiplerによる特許文献５に開示されたヘッドスペースサンプリングシステムを含んだものを使用する。上記特許文献４および５は、それぞれが本願の譲受人に譲渡され、かつそれぞれの内容のすべてがここに参照として組み入れられている。
米国特許第５,５４５,２５２号明細書 米国特許第４,４８４,４８３号明細書 米国特許第５,７１１,７８６号明細書 米国特許出願公開第１１／１６９,９３５号明細書 米国特許第６,６５２,６２５号明細書

しかしながら、いくつかの実施の態様においては、カラムは加熱されるのに従って、それを通して流れるガスの粘性も同様に増加する。その結果、定圧下−そこではキャリアガスが一定の圧力で適用される−において、カラムを通る流速は低下することになる。これは、いくつかの用途においてはシステム性能に有害な影響を与えないが、質量分析計のような流れに敏感な検出器を使用する他の用途においては、性能への影響は顕著となり得る。

いくつかのガスクロマトグラフにはプログラム可能な空気制御手段が設置されており、従ってクロマトグラフは、カラムを通る一定の流速を維持するように計算された速度でカラム入口圧力を増加することによって、気体粘性のこのような変化を補償することが可能であるが、それはその温度での粘性を計算し、適用圧力に対し適切な調整をするために、カラム温度についての一定の知見を必要とする。しかしながらこの解決策は、熱脱離ユニットまたはヘッドスペースサンプラーの上にあるようなクロマトグラフから遠いデバイスに対してガス圧力が制御される場合で、ガスが移送ラインに沿ってデバイスから供給され、そして遠くのデバイスがカラムの温度を認識しない状況では、利用可能ではない。

本発明の教示するところは、カラムを通る実質的に一定の流速がカラム温度変化に応じて維持されるように、サンプリングデバイスからクロマトグラフィカラムへと検体を含有する流体を伝達するためのシステムと方法を含んでいる。さらにシステムと方法は、カラム内の実質的に一定のガス速度がカラム温度変化に応じて維持されるように、サンプリングデバイスからクロマトグラフィカラムへと検体を含有する流体を伝達することを提供する。また、システムと方法はユーザの入力と人的エラーを最小にすることを提供する。

ここに挙げた目的と利点の少なくともいくつかを達成するために、本発明は、クロマトグラフィカラムを通して流れる流体を調整するための方法を有し、その方法は、測定すべき検体を含有するキャリアガスを供給するためのサンプリングデバイスを提供する段階と、サンプリングデバイスによって供給されたガスを受け取るクロマトグラフィカラムであって、それを通してガスがカラム入口からカラム出口へと流れるクロマトグラフィカラムを提供する段階と、ガスがサンプリングデバイスからカラムへと伝達される移送ラインであって、それを通してガスが移送ライン入口から移送ライン出口へと流れる移送ラインを提供する段階と、カラム出口でのガスに対し、周囲圧力および温度における望ましい流速Ｆ_ａを選択する段階と、下記式

に従って圧力Ｐ_ｉを計算する段階と、を含み、計算された圧力Ｐ_ｉで移送ライン入口にキャリアガスを供給する。ここで、Ｔ_ｔは移送ラインの絶対温度、Ｔ_ｃはカラムの絶対温度、Ｔ_ａは標準の周囲温度、Ｐ_ｏはカラム出口におけるガス圧力、Ｐ_ａは標準の周囲圧力であり、そして、ａおよびｂは、移送ラインとカラムそれぞれに対してｐｄ／２５６Ｌηを表し、ここにｄはその直径、Ｌはその長さ、またηはそれを通って流れるガスの粘性である。

いくつかの実施の態様では、圧力Ｐ_ｉを計算し、計算された圧力Ｐ_ｉでガスを供給する段階は、カラム温度Ｔ_ｃが変化するときに、カラムを通る実質的に一定の流速が維持されるように繰り返される。

いくつかの実施の態様ではサンプリングデバイスは熱脱離ユニットを有し、テストされる環境からサンプルを得るための取り外し可能なサンプル容器と、キャリアガスの流路に配置され、サンプル容器を受け取るためのサンプルステーションと、熱的に内部の検体を脱離するために、サンプルステーションでサンプル容器を加熱するための加熱装置とを含む。他の実施の態様では、サンプリングデバイスはヘッドスペースサンプラーを有する。

一実施の態様では、本発明は、クロマトグラフィカラムを通して流れる流体を調整するための方法を有し、その方法は、測定すべき検体を含有するキャリアガスを受け取るためのサンプリングデバイスを提供する段階と、サンプリングデバイスによって供給されたガスを受け取るクロマトグラフィカラムであって、それを通してガスがカラム入口からカラム出口へと流れるクロマトグラフィカラムを提供する段階と、ガスがサンプリングデバイスからカラムへと伝達される移送ラインであって、それを通してガスが移送ライン入口から移送ライン出口へと流れる移送ラインを提供する段階と、下記式

に従って圧力Ｐ_ｉを計算する段階と、を含み、計算された圧力Ｐ_ｉで移送ライン入口にキャリアガスを供給する。ここで、ｕはカラムを通るガスの速度、Ｔ_ｔは移送ラインの絶対温度、Ｔ_ｃはカラムの絶対温度、Ｐ_ｏはカラム出口におけるガス圧力、ｄ_ｃはカラムの直径、ａはガスの圧縮係数(compressibility factor)、そして、ａおよびｂは、移送ラインとカラムそれぞれに対してｐｄ／２５６Ｌηを表し、ここにｄはその直径、Ｌはその長さ、またηはそれを通って流れるガスの粘性である。

いくつかの実施の態様では、圧縮係数ｊは下記式に従って計算される。

ここで、Ｐ_ｘはカラム入口でのガス圧力である。これらの実施の態様のいくつかにおいて、ガス圧力Ｐ_ｘは下記式に従って計算される。

いくつかの実施の態様では、圧力Ｐ_ｉを計算する段階は圧力Ｐ_ｉを選択し、選択されたＰ_ｉに対する速度ｕの値を計算し、圧力Ｐ_ｉを選択することと、選択されたＰ_ｉの値に対して速度ｕを計算することの段階を反復してカラム温度Ｔｃ変化に応じた速度ｕの最も均一な値を生成するＰ_ｉの値を決定し、そして決定された圧力Ｐ_ｉで移送ライン入口にキャリアガスを供給して速度ｕの最も均一な値を作るということを含む。ある特定の実施の態様では、選択と計算の段階を反復して圧力Ｐ_ｉの値を決定することが、遂次近似によって行なわれる。

いくつかの実施の態様では、サンプリングデバイスは熱脱離ユニットを有し、テストされる環境からサンプルを得るための取り外し可能なサンプル容器と、キャリアガスの流路に配置され、サンプル容器を受け取るためのサンプルステーションと、熱的に内部の検体を脱離するために、サンプルステーションでサンプル容器を加熱するための加熱装置とを含む。他の実施の態様では、サンプリングデバイスはヘッドスペースサンプラーを有する。

一実施の態様では、本発明は、クロマトグラフィシステムを通して流れる流体を調整するための方法を有し、その方法は、測定すべき検体を含有するキャリアガスを受け取るための第１の導管であって、それを通してガスが第１の導管入口から第１の導管出口へと流れる第１の導管を提供する段階と、前記第１の導管に流体接続された、第１の導管からガスを受け取るための第２の導管であって、それを通してガスが第２の導管入口から第２の導管出口へと流れる第２の導管を提供する段階と、前記第２の導管出口でのガスに対し、周囲圧力および温度における望ましい流速Ｆ_ａを選択する段階と、下記式

に従って圧力Ｐ_ｉを計算する段階と、を含み、計算された圧力Ｐ_ｉで第１の導管入口にキャリアガスを供給する。ここで、Ｔ_ｔは第１の導管の絶対温度、Ｔ_ｃは第２の導管の絶対温度、Ｔ_ａは標準の周囲温度、Ｐ_ｏは第２の導管出口におけるガス圧力、Ｐ_ａは標準の周囲圧力であり、そして、ａおよびｂは、第１の導管と第２の導管それぞれに対してｐｄ／２５６Ｌηを表し、ここにｄはその直径、Ｌはその長さ、またηはそれを通って流れるガスの粘性である。

いくつかの実施の態様では、第１の導管は第１のクロマトグラフィカラムを有し、第２の導管は第２のクロマトグラフィカラムを有する。ある特定の実施の態様では、この方法は、第１のカラムが第２のカラムに流体接続されるようにする熱変調器を提供する段階をさらに有する。

いくつかの実施の態様では、本発明は検出器を提供する段階をさらに有し、第１の導管はクロマトグラフィカラムであって、第２の導管はガスが通過してカラムから上記検出器へと伝達される移送ラインである。

ある特定の実施の態様では、本発明は、クロマトグラフィカラムを通して流れる流体を調整するためのシステムを有し、測定すべき検体を含有するキャリアガスを受け取るためのサンプリングデバイスとサンプリングデバイスに流体接続されたガスクロマトグラフとを含み、上記ガスクロマトグラフは、サンプリングデバイスによって供給された検体を含有するキャリアガスを受け取るためのクロマトグラフィカラムと、サンプリングデバイスに接続されカラムの温度を測定してサンプリングデバイスに測定された温度を示す信号を送るための温度センサとを有し、その状況で、サンプリングデバイスが、上記センサから受け取った信号に基づいて、カラムに供給されたキャリアガスの圧力を制御する。いくつかの実施の態様では、サンプリングデバイスはセンサから受け取った信号に基づいて、カラム中のガスの速度を制御する。

本発明による、検体を測定するためのクロマトグラフィシステム１０の一実施形態の基本的な構成部材を図１に示す。ここの記載で使用されるものとして、「上端」、「下端」、「上」、「下」、「上方」、「真下」、「〜より上側」、「すぐ下」、「上端の上」、「下部」、「上へ」、「下へ」、「〜より上」、「〜より下」、「前」、「後」、「後方」「前方」などの用語は、図面内で示された方向にある場合に言及する対象のことを言うのであって、本発明の目的を達成するために必ずしもそれが必要ではない。

システム１０はサンプリングデバイス２０を含み、下記の特定の実施形態ではそれは熱脱離ユニットであるが、他の実施形態では、ヘッドスペースサンプラーのような他のサンプリングデバイスを含んでもよい。システム１０はガスクロマトグラフ２２をさらに含み、そしてそれは検出器２６に接続されたクロマトグラフィカラム２４を含む。熱脱離ユニット２０は移送ライン２８を介してクロマトグラフ２２と流体接続され、そしてそれを通してユニット２０からカラム２２へとサンプル混合物が伝達される（矢印Ａによって示す）。それは、例えば、ある長さの融解石英リストリクター(restrictor：絞り)チューブを有していてもよい。

クロマトグラフ２２は、カラム２４の温度を測定するための温度センサ６０をさらに含む。センサ６０は、例えば白金抵抗温度計とすることができ、または他の例として、熱電対とすることができる。センサ６０は信号ケーブル６２によって熱脱離ユニット２０に接続され、それを通してカラム温度の値を示す信号をユニット２０に伝達することができる。いくつかの実施形態では、信号ケーブル６２は移送ラインアセンプリ（移送ライン組立体）中に結合される。

図２Ａに示すように、熱脱離ユニット２０は一般的にサンプルステーション３０を有し、そこには吸着剤管のようなサンプル容器３２が配置される。いくつかの実施形態では、他の吸着剤管のようなトラップ３４が、検体のさらなる前濃縮のためにサンプル管３２の下流に配置される。管３２、吸着剤トラップ３４、および移送ライン２８は、回転バルブ５０を介してお互いに選択的に接続される。キャリアガス入口３６はバルブ４０を介してサンプル管３２と選択的に流体接続され、そして他のキャリアガス入口３８がバルブ４２を介して吸着剤トラップ３４に選択的に流体接続される。脱離通気ニードルバルブ５４、出口分離ニードルバルブ５６、および入口分裂ニードルバルブ５８が、ソレノイドバルブ４４、４６、４８を介して、それぞれ制御され、それらそれぞれの前にチャコールトラップ５２がある。

動作の際に、テストされる環境から得た検体を収容するサンプル管３２が、まず図２Ａに示すように熱脱離ユニット２０のサンプルステーション３０に配置される。図２Ｂに示すように、サンプル管３２がトラップ３４と流体接続されるように位置合わせされた回転バルブ５０によって、バルブ４０および４４が開かれる。管３２はその検体を脱離するために加熱され、そしてキャリアガスが入口３６から管３２を通って流れ込み、そしてトラップ３４中に検体を掃き出す。トラップ３４に配置された吸着剤が検体を吸着し、そしてキャリアガスがバルブ５４を通って流れ出る（矢印Ｂで示す）。その後図２Ｃに示すように、トラップ３４が移送ライン２８に流体接続されるように回転バルブ５０が回転させられ、バルブ４０および４４が閉じられ、そしてバルブ４２の方向が、ガス入口３８がトラップ３４と接続状態となるように切り替えられる。トラップ３４はその検体を脱離するために加熱され、そしてキャリアガスが入口３８からトラップ３４を通って流れ（矢印Ｄで示す）、トラップ３４から移送ライン２８に検体を掃き出す（矢印Ａで示す）。

図１に示すように、移送ライン２８はクロマトグラフィカラム２４にガスを伝達し、それを通してガスは、検出器２６による次の分析のための成分の分離を実行するために流れる。カラム２４が加熱されるに従って、それを流れるガスの粘性は増加し、そのことにより、ガスの流速を通常は減少させることになり、検出性能に影響を与えうる。

従って、カラム温度Ｔ_ｃは監視され、検体を含有するガスが移送ライン２８に供給される際の圧力Ｐを変えるのに利用される。これは、カラム出口でカラム２４を出て行くガスの流速Ｆ_ｏが以下の式によって表すことができることを認識することによって達成される。

ここで、Ｆ_ｏはカラム出口での流速、
ｄ_ｃはカラムの内径、
Ｌ_Ｃはカラムの長さ、
η_ｃはカラム内のキャリアガスの粘性、
Ｐはカラム入口でのキャリアガスの圧力、
Ｐ_ｏはカラム出口でのキャリアガスの圧力
である。

キャリアガスが一定の圧力でカラム入口に適用される、温度をプログラムされたカラムを使う場合、カラム出口で流速Ｆ_ｏを変えるために変わりうる唯一の変数は、カラムを通って流れるガスの粘性η_ｃであって、それは、カラムの温度が増加するのにつれて増加することになる。従って、入口圧力Ｐの対応する増加は、粘性η_ｃが増加するのに応じてカラム入口に適用でき、それによって、カラム出口における一定の流速Ｆ_ｏを維持することが可能になる。

粘性は、通常のキャリアガスに対する比較的予測可能な方法で、温度の変化に対応して変化する。この粘性と温度の間の関係は以下の式に従って近似することができる。

ここで、η_ｃはカラム温度Ｔ_ｃでの粘性、
η_０は絶対温度Ｔ_０での粘性（出版テーブルより）、
ｘは無次元定数
である。
最も通常的な３つのキャリアガスに対する係数は、例えば以下の表により提供される。

従って、カラム温度Ｔ_ｃを決定することによって、式２と表１を使って粘性η_ｃを決定することができる。次に粘性η_ｃは式１と共に使うことができ、遂次近似のような適切なアルゴリズムを使用することによって、必要なカラム出口での流速Ｆ_ｏを維持するのに必要なカラム入口でのＰの値を決定することができる。

移送ライン２８を介してカラム２４に接続されたサンプリングデバイス２０を使用するシステムを使う場合、移送ラインも考慮に入れなければならない。通常、移送ライン２８の幾何学的構成（長さと直径）はカラムのそれとは異なる。従って、以下で説明するように、結合された関数が、連続的に接続されたこのシステムの相対的な値を決定するためには必要となる。

式１と同様に、移送ライン出口における移送ライン２８を出るガスの流速Ｆ_ｔは以下の式に従って表すことができる。

ここで、Ｆ_ｔは移送ライン出口での流速、
ｄ_ｔは移送ラインの内径、
Ｌ_ｔは移送ラインの長さ、
η_ｔは移送ライン内のキャリアガスの粘性、
Ｐ_ｉは移送ライン入口でのキャリアガスの圧力、
Ｐ_ｏは移送ライン出口でのキャリアガスの圧力
である。

カラム入口でのカラム２４に入るガスの流速Ｆ_ｉは以下の式に従って表すことができる。

しかしながら、移送ライン２８はカラム２４に直接接続されるので、カラム入口でのガス圧力Ｐは移送ライン出口でのガス圧力Ｐ_ｘと等しく、それによって式４は以下のように表すことができる。

ここで、

をａで、

をｂで置き換えることによって、式３および５は、それぞれ以下の式６および７に置き換えられる。

やはり、移送ライン２８がカラム２４に直接接続されているので、移送ライン２８から流出するガスとカラムに入るガスとは同じ圧力を持ち、そしてそれによって、同じ質量流れを持つことになる。しかしながら、それらは異なる温度を持つことになるので、それらは異なる体積流れを持つことになり、それも説明しなければならない。この関係は以下の式で表される。

ここで、Ｔ_ｃはカラムの絶対温度、
Ｔ_ｔは移送ラインの絶対温度
である。

式６に式８を使って以下の式が与えられる。

式９を式７と組み合わせることで、以下の式が与えられる。

式１０は、以下のように変形できる。

式１にｂを代用することによって、カラム出口での流速Ｆ_ｏは以下のように表すことができる。

次に、式１３および１４は結合でき、以下の式１５から１８が作られる。

通常、カラム出口は高温にあり、おそらく周囲とは異なる圧力下にある。以下に示すように、標準周囲温度と圧力(Standard Ambient Temperature and Pressure：ＳＡＴＰ）に修正された流速を表す（そして適用する）ことは通常の慣習である。

ここで、Ｆ_ａはカラム出口での（ＳＡＴＰに修正された）流速、
Ｔ_ａは標準の周囲の絶対温度（２９８.１５Ｋ）、
Ｐ_ａは標準の周囲の圧力（１００ｋＰａ）
である。

式１８を式１７に代入して以下の式１９と２０が作られる。

式２０は、カラム出口での一定の流速Ｆ_ａを維持するための移送ライン入口での圧力Ｐ_ｉを計算するために使用することができる。カラム温度プログラム実行中、Ｔ_ｃとｂの値だけが変化するになり、故に残りの値は処理時間を減らすためにクロマトグラフ分析に先立って計算することができる。

従って、動作時において、温度センサ６０はカラム温度Ｔ_ｃを測定し、信号ライン６２を介して熱脱離ユニット２０にその値を反映する信号を送る。次にユニット２０はこの値を使って、式２０に従ってキャリアガスを移送ライン２８の入口に適用する際の圧力Ｐ_ｉを計算する。圧力Ｐ_ｉが計算されると、ユニット２０は、圧力調整器７０、または移送ライン２８に適用される圧力Ｐ_ｉを調整する他の適切な装置を使う。圧力Ｐ_ｉをこのようにして調整することにより、カラム２４を通る一定の流れを維持することができる。

図２Ｄに示すように、いくつかの実施形態では、比例バルブ７４が、トラップ３４に沿って起こりうる圧力低下を補償するために使用される。これらの実施形態では、圧力変換器７２がバルブ５０から移送ライン２８に入るガスの圧力を測定し、もしその圧力が、ガス入口３８を通って入るガスの圧力より低いならば、バルブ７４をトラップ３４上流の圧力を増加するように調節して、その圧力低下を補償する。

同様に、温度Ｔ_ｃを監視して、ユニット２０が、検体を含有するキャリアガスを、カラム２４を通って流れるガスの一定の速度を維持するために移送ライン２８に適用できるような圧力を計算するのに使うことができる。これは、通常は平均ガス速度として表される、カラムを通るガスの速度が出口の流速（その温度と、そこに適用さる圧力での）に関係するということを認識することによって、達成することができる。さらに、ガスは圧縮可能であるので、マーティン(Martin)およびジェームズ(James)の圧縮率補正(compressibility factor)が適用できて、その結果以下のようなガス速度の表現となる。

ここで、ｕはカラムを通る平均キャリアガス速度、
ｊは圧縮率補正
である。
式２１に式１７を使い、特定の適用圧力Ｐ_ｉに対する平均ガス速度に関する以下の表現となる。

式２２は変形することができて、以下のように必要とされる圧力Ｐ_ｉが（式２０に類似するように）表現される。

しかしながら、この式における圧縮率補正ｊの存在のために、計算は非常に複雑となる。これは圧縮率補正ｊが以下のように表されるという事実に起因する。

そして、式１３に示すように、Ｐ_ｘの値はＰ_ｉをパラメータとして使って得られる。

従って、代わりの計算手法は、式２２を解くのに数値法を使うことである。例えば、目標のガス速度を得るために、遂次近似法をＰ_ｉの値が最適化されるように使用できる。

従って、動作時において、温度センサ６０はカラム温度Ｔ_ｃを測定し、熱脱離ユニット２０にその値を反映する信号を送る。圧力Ｐ_ｉが選択され、そしてカラム２４を通るガスの速度ｕが式２２に従って計算される。これは温度変化に応じて速度ｕの最も均一な値を産み出す圧力Ｐ_ｉを決定するために反復される。それからユニット２０の圧力調整器は移送ライン２８の入口に適用されたガスの圧力Ｐ_ｉを調整し、それによってカラム２４での一定のガス速度を維持する。

上述の例は、サンプリングデバイスからカラムへと流体を伝達するためにカラムと直列に接続された移送ラインに関して記載したが、本発明のシステムは、カラムおよび／または移送ラインのような流体導管の直列接続を含んだ他のクロマトグラフィ用途にも適用できる。

例えば、図３に示すように、移送ライン８０は、カラム２４出口から、例えば質量分析計のような、または他の例としてフーリエ変換赤外線分光計などの外部の検出システム８２まで、流体を伝達するのに使用することができる。同一の流れ、圧力、および速度の式が、移送ライン８０を出る流体を支配するために適用することができ、そこではＰ_ｉはシステム入口（この場合、カラム２４の入口）の圧力を表し、またＰ_ｏはシステム出口（この場合、移送ライン８０の出口）での圧力を表す。式２０を使って圧力Ｐ_ｉを計算でき、カラム入口で適用でき、そしてそれは、例えばクロマトグラフィインジェクタ８４（注入器）によって制御できる。

同様に、流れおよび速度は、直列に接続された２つ以上の流体導管を使用するシステムのために制御することもできる。これは、式１９と２０を、まずａとｂの省略形なしで書き直すことによって、それぞれ式２５と２６のように一層容易に見ることができる。

図４を参照すると、直列に接続された２つ以上の流体導管の例が示されている。移送ライン２８は熱脱離ユニット２０からカラム２４へと流体を伝達し、検出器移送ライン８０はカラム２４から検出システム８２へと流体を伝達する。これによって、移送ライン２８、カラム２４、および検出器移送ライン８２は直列に接続される。この第３の容器を説明するために、式２５は以下のように式２７となる。

ここで、Ｔ_ｄは検出器移送ラインの温度、
ｎ_ｄは温度Ｔ_ｄでの検出器移送ライン内のキャリアガスの粘性、
Ｌ_ｄは検出器移送ラインの長さ、
ｄ_ｄは検出器移送ラインの内径
である。
これによって、Ｐ_ｉに対する解は、システム入口（この場合、移送ライン２８の入口）に適用される圧力に関する以下の表現となる。

同様に、上記の方法は直列に接続されたカラムを使用する用途に使うことができる。例えば、そのような用途の１つは、広範囲な二次元（または多次元）のガスクロマトグラフィーである。図５に示すように、これらの用途は、熱変調器８８（熱モジュレータ）を介して第１のカラム２４に接続された第２のカラム８６を通常使用する。これらの用途では、変調器８８は第１のカラム２４から繰り返し流体をサンプリングし、第１のカラム２４とは異なった固定相(stationary phase)を含んだ第２のカラム８６にパルス的に注入する。その結果、検体は様々なカラムにおいて（揮発度や極性のような）異なった化学的性質に応じて分離される。この用途、または類似のカラムからカラムへの用途では、移送ライン２８とカラム２４の特性に係わる上記式において記述された変数は、第１のカラム２４と第２のカラム８６に同様に適用することができる。

上述した内容は例示的であって、限定的ではなく、また本発明の精神から逸脱することなく当技術分野の当業者によって明白な変更をなしうる、ということが理解されるべきである。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述の明細書よりは、むしろ、主に添付の請求項を参照すべきである。

本発明の一実施形態による、クロマトグラフィカラムを通して流れるガスを調整するためのシステムの概略図である。 図１のシステムのさらなる詳細を示す概略図である。 図１のシステムの管のパージ期間でのさらなる詳細を示す概略図である。 図１のシステムのトラップ脱離期間でのさらなる詳細を示す概略図である。 図１のシステムのトラップ脱離期間でのさらなる詳細を示す概略図である。 カラムの下流に接続された移送ラインを有する、図１のシステムの概略図である。 カラムの上流および下流に接続された移送ラインを有する、図１のシステムの概略図である。 移送ラインの代わりに第２のカラムを使用する、図１のシステムの概略図である。

符号の説明

１０ クロマトグラフィシステム
２０ サンプリングデバイス（熱脱離ユニット）
２２ ガスクロマトグラフ（カラム）
２４ カラム（クロマトグラフィカラム）
２６ 検出器
２８ 移送ライン
３０ サンプルステーション
３２ サンプル管（サンプル容器）
３４ 吸着剤トラップ
３６ キャリアガス入口
３８ キャリアガス入口
４０ バルブ
４２ バルブ
４４ ソレノイドバルブ
５０ 回転バルブ
５２ チャコールトラップ
５４ 脱離通気ニードルバルブ
５６ 出口分離ニードルバルブ
５８ 入口分裂ニードルバルブ
６０ 温度センサ
６２ 信号ケーブル（信号ライン）
７２ 圧力変換器
７４ 比例バルブ
８０ 検出器移送ライン
８２ 検出システム
８４ クロマトグラフィインジェクタ
８８ 熱変調器

Claims (10)

1. クロマトグラフィシステムを通して流れる流体を調整するための方法であって、
   測定すべき検体を含有するキャリアガスを受け取るための第１の導管であって、それを通してガスが第１の導管入口から第１の導管出口へと流れる第１の導管を提供する段階と、
   前記第１の導管に流体接続された、第１の導管からガスを受け取るための第２の導管であって、それを通してガスが第２の導管入口から第２の導管出口へと流れる第２の導管を提供する段階と、
   第２の導管出口でのガスに対し、周囲圧力および温度における望ましい流速Ｆ_ａを選択する段階と、
   下記式
   

   

   に従って圧力Ｐ_ｉを計算する段階と、を有し、計算された圧力Ｐ_ｉで第１の導管入口にキャリアガスを供給することを特徴とする方法。
   ここで、Ｔ_ｔは第１の導管の絶対温度、Ｔ_ｃは第２の導管の絶対温度、Ｔ_ａは標準の周囲温度、Ｐ_ｏは第２の導管出口におけるガス圧力、Ｐ_ａは標準の周囲圧力であり、そして、ａおよびｂは、第１の導管と第２の導管それぞれに対してｐｄ／２５６Ｌηを表し、ここにｄはその直径、Ｌはその長さ、またηはそれを通って流れるガスの粘性である。
2. 圧力Ｐ_ｉを計算し、計算された圧力Ｐ_ｉでガスを供給する段階は、第２の導管温度Ｔ_ｃが変化するときに、第２の導管を通る実質的に一定の流速が維持されるように繰り返されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 測定すべき検体を含有するキャリアガスを供給するためのサンプリングデバイスを提供する段階をさらに有し、前記第２の導管はクロマトグラフィカラムであって、前記第１の導管はガスが通過してサンプリングデバイスからカラムへと伝達される移送ラインであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記サンプリングデバイスは熱脱離ユニットを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
5. 前記熱脱離ユニットは、テストされる環境からサンプルを得るための取り外し可能なサンプル容器を含み、
   前記熱脱離ユニットは、キャリアガスの流路に配置され、サンプル容器を受け取るためのサンプルステーションを含み、
   前記熱脱離ユニットは、熱的に内部の検体を脱離するために、前記サンプルステーションでサンプル容器を加熱するための加熱装置を含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. サンプリングデバイスはヘッドスペースサンプラーを有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
7. 検出器を提供する段階をさらに有し、前記第１の導管はクロマトグラフィカラムであって、前記第２の導管はガスが通過してカラムから前記検出器へと伝達される移送ラインであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. 前記検出器は質量分析計であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記第１の導管は第１のクロマトグラフィカラムを有し、前記第２の導管は第２のクロマトグラフィカラムを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
10. 前記第１のカラムが前記第２のカラムに流体接続されるようにする熱変調器を提供する段階をさらに有することを特徴とする請求項９に記載の方法。

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