JP2009121937A - クロマトグラフ装置及びセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供する。
【解決手段】移動媒体と混合された測定対象試料を分離する分離手段と、複数の構成単位を有して各構成単位が個別に温度制御可能なヒータ列を有し、分離手段を加熱する加熱手段と、を備えるクロマトグラフ装置である。前記分離手段と前記ヒータ列とが別個に交換可能であり、前記分離手段を冷却するための冷却手段を備え、前記分離手段を加熱するための恒温槽を有しない。前記移動媒体としてキャリアガスまたはキャリア溶剤が用いられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、クロマトグラフ装置及びセンサに関する。

固定相を内壁に塗布又は充填した分離カラムにより試料を分離し、分離カラムより導出してくる成分を検出手段により逐次検出するクロマトグラフは、試料を分離カラムへの試料導入部で気体とし、移動媒体としてキャリアガスを用いるガスクロマトグラフ、試料を溶液状態で分離カラムに導入し、移動媒体としてキャリア溶剤を用いる液体クロマトグラフ等に大別される。いずれのクロマトグラフの場合も、試料中の構成成分の保持時間（試料導入から溶出までの時間）は分離カラムの温度等に依存するため、通常は分離カラムの温度が制御される。さらに、分離カラムによる成分の分離をより明確にするためには保持時間の差を大きくする必要があり、分離カラムの温度を徐々に加熱、保持することが必要となる場合が多い。そのために分離カラムは通常、加熱用ヒータや温度均一化のためのファンを設けた恒温槽内に設置される。

図５は従来のガスクロマトグラフ５０の一例を示す概略構成図である。キャリアガスはボンベ５２から供給され、試料注入器５４により試料導入部５６に注入されて気化した後に導入される試料ガスと混合されて、試料導入部５６より分離カラム５８に導入される。分離カラム５８は恒温槽６０の中に配置され、一定温度に保持又は必要に応じて昇温される。分離カラム５８から導出したガスは検出器６２により逐次検出され、保持時間に対する検出信号強度の推移としてのクロマトグラムが得られる。

上記恒温槽６０は内部にヒータ６４とファン６６を有し、ヒータ６４に通電加熱すると共にファン６６を回転させて空気を撹拌することで恒温槽６０内の温度を上昇させると共に一定とする。分離カラム５８の冷却時には恒温槽６０の開口部を最大にし、ファン６６を回転させることで外気を取り入れて冷却を行う。なお、液体クロマトグラフも系内を流れる試料や移動媒体が液体であることを除けば、ガスクロマトグラフとほぼ同じ構成である。

このような従来のクロマトグラフ装置では分離カラムを一定温度に保持又は昇温するために恒温槽が必要であるが、恒温槽を用いる方法では、小型化、可搬化が困難である、熱容量が大きいために恒温状態になるまで昇温時に時間がかかる、分離カラム全体が昇温されてしまう等の問題があった。

特許文献１には、速いランプと迅速な冷却、周囲温度により近い温度の制御、及び最小の熱的オーバーシュートを実現できるコンパクトで熱的に鋭敏なガスクロマトグラフィシステムが記載されている。特許文献２には、恒温槽を流れる空気が整流的に流され、恒温槽内空気の置換効率向上につながり、もって恒温槽の冷却効率が向上するガスクロマトグラフ装置が記載されている。また、特許文献３には、分離カラムの外面にラバーヒータを密接して配設するため、分離カラムを一定温度に加熱保持するための構成を小型化することができて、装置全体の小型化、可搬化が可能となるものであり、また分離カラムの加熱効率を向上することができて、装置の起動後に速やかにガス分析を行うことができるガスクロマトグラフが記載されている。

特開平９−１７１００９号公報 特開２００４−１１７１８９号公報 特開２００３−５７２２２号公報

本発明は、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置及びそれを用いたセンサである。

本発明は、移動媒体と混合された測定対象試料を分離する分離手段と、複数の構成単位を有して前記各構成単位が個別に温度制御可能なヒータ列を有し、前記分離手段を加熱する加熱手段と、を備えるクロマトグラフ装置である。

また、前記クロマトグラフ装置において、前記分離手段と前記ヒータ列とが別個に交換可能な構成であることが好ましい。

また、前記クロマトグラフ装置において、前記分離手段を冷却するための冷却手段を備えることが好ましい。

また、前記クロマトグラフ装置において、前記分離手段を加熱するための恒温槽を有しないことが好ましい。

また、前記クロマトグラフ装置において、前記分離手段へ導入する測定対象試料を気化する気化手段を備え、前記移動媒体としてキャリアガスが用いられることが好ましい。

また、前記クロマトグラフ装置において、前記測定対象試料が溶液状態であり、前記移動媒体としてキャリア溶剤が用いられることが好ましい。

また、前記クロマトグラフ装置において、装置が可搬型であることが好ましい。

また、本発明は、前記クロマトグラフ装置を用いるセンサである。

本発明の請求項１によれば、本構成を有さない場合に比べて、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項２によれば、本構成を有さない場合に比べて、メンテナンスが容易で、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項３によれば、本構成を有さない場合に比べて、分離手段を迅速に冷却することができ、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項４によれば、恒温槽を有する場合に比べて、より小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項５によれば、本構成を有さない場合に比べて、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するガスクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項６によれば、本構成を有さない場合に比べて、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有する液体クロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項７によれば、本構成を有さない場合に比べて、可搬型の、高い分離能力を有するクロマトグラフ装置を提供することができる。

本発明の請求項８によれば、本構成を有さない場合に比べて、小型化、可搬化が可能な、高い分離能力を有するセンサを提供することができる。

本発明の実施の形態について以下説明する。本実施形態は本発明を実施する一例であって、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

本発明者は、クロマトグラフ装置において、恒温槽内の構成部材の配置やファン等による恒温槽内空気の撹拌流路の変更では、小型化、可搬化は困難であり、分離カラムへのベルト状ヒータの巻きつけでさえも不十分であると考えた。そこで、分離カラムを加熱する加熱用ヒータを設け、その加熱用ヒータが複数の加熱用構成単位を有し、各構成要素が個別に温度制御可能なヒータ列を有するものとすることで、小型化、可搬化を可能とした。

図１は本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置の一例の概略構成を示す図であり、分離カラムとヒータ列の組み合わせの一例である。クロマトグラフ装置１は、測定対象試料を分離手段に導入するための試料導入手段である試料導入部１０と、測定対象試料を分離するための分離手段である分離カラム１２と、分離カラム１２を加熱するための加熱手段であるヒータ列１４と、分離カラム１２によって分離された測定対象試料の成分を検出する検出するための検出手段である検出器１６と、加熱手段を制御するための制御手段である制御部１８とを備える。ここでは説明を容易とするために、分離カラム１２を液体クロマトグラフで主に用いられる直管型カラムとし、試料導入部１０から検出器１６までを図示しており、クロマトグラフ装置に必要なその他の構成については省略しているが、本構成に限らない。

クロマトグラフ装置１において、試料導入部１０の出口は分離カラム１２の入口に配管等により接続され、分離カラム１２の出口は検出器１６の入口に配管等により接続されている。ヒータ列１４は、分離カラム１２の少なくとも一部を包み込むように配置されている。加熱効率の点からヒータ列１４は、分離カラム１２の少なくとも一部を包み込むように外面に接触して配置されていることが好ましい。ヒータ列１４は、複数の加熱用の構成単位２０を有しており、電気的等により接続された制御部１８により各構成単位２０が個別に温度制御可能となっている。また、ヒータ列１４の各構成単位２０の少なくとも１つには、熱電対等の温度センサ等の温度検知手段を設け、この温度検知手段により分離カラム１２の特定箇所の温度を検知するようにしてもよい。

分離カラム１２の近傍には、分離カラム１２を冷却するための冷却用ファン等の冷却手段を備えてもよい。例えば冷却用ファンは、分離カラム１２に向けて送風を行うように設置される。これにより、分離カラム１２を迅速に冷却することができる。恒温槽を用いない場合でも熱容量は小さく、室温下での放冷冷却も可能だが、迅速に冷却するために冷却用ファン等を設けて送風することが好ましい。冷却用ファン等の駆動は、上記温度センサ等による検知結果に基づいて制御部１８により制御されてもよい。

クロマトグラフ装置１の測定動作について説明する。測定対象試料と移動媒体とが試料導入部１０から導入される。試料導入部１０から導入された測定対象試料と移動媒体は分離カラム１２に注入され、制御部１８によって任意の温度プログラムでヒータ列１４により加熱された分離カラム１２の内部を移動する間に測定対象試料を構成する構成成分に分離される。分離カラム１２から導出された測定対象試料と移動媒体の混合物は検出器１６により逐次検出され、保持時間（試料導入から導出までの時間）に対する検出信号強度の推移としてのクロマトグラムが得られる。

この測定動作中においては、分離カラム１２は制御部１８による制御により、予め設定された所定の温度条件となるようにヒータ列１４の各構成単位２０への通電等がなされて、加熱される。このとき制御部１８は、温度センサ等による検知結果を基にして、ヒータ列１４の各構成単位２０への通電量等を制御し、また必要に応じて冷却用ファン等を駆動することにより、分離カラム１２を所定の温度条件に制御する。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置により、装置の小型化、可搬化が可能となる。また、ヒータ列１４により分離カラム１２の特定部位を任意に温度制御や昇温することができ、分離カラム１２における分離能力を向上させることができる。分離能力が向上することにより分離時間を短くしたり、分離カラム１２を短くすることができるために装置の小型化が可能である。さらに、細かな温度制御や、細かな昇温プログラムの設定が可能となり、例えば多段階の分離操作を１つの分離カラム１２を用いて行うことができる。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置は、ガスクロマトグラフ装置として用いてもよいし、液体クロマトグラフ装置として用いてもよい。ガスクロマトグラフ装置として用いる場合には通常、分離カラム１２へ導入する測定対象試料を気化する気化手段を備え、移動媒体として水素ガス、ヘリウムガス等のキャリアガスが用いられる。また、液体クロマトグラフ装置として用いる場合には通常、測定対象試料が溶液状態であり、移動媒体として水、有機溶媒等のキャリア溶剤が用いられる。

測定対象試料と移動媒体とは試料導入部１０への導入前に予め混合されていてもよいし、測定対象試料と図示しない移動媒体供給手段により供給される移動媒体とが試料導入部１０において混合されてもよい。

分離カラム１２としては、充填剤等の固定相を内壁に塗布または充填した従来から用いられているものを採用することができる。分離カラム１２は、図１のような直線上の直管型カラムの他に、Ｕ字状や、螺旋状に形成することもでき、この場合は装置中の分離カラム１２の占有容積を低減することができて装置の更なる小型化が図れる。また、分離カラム１２は加熱効率等の点から、ステンレス、銅等の熱伝導性の高い金属にて中空筒状に形成され、内部に固定相が塗布または充填されることが好ましい。測定対象試料に含まれる構成成分の固定相に対する吸着等の相互作用の違いによって保持時間が異なることにより各構成成分に分離される。

ヒータ列１４としては、複数の加熱用の構成単位２０を配列したものであれば良く特に制限はない。ヒータ列１４は加熱対象である分離カラム１２に直接接触することにより分離カラム１２の加熱効率が非常に高くなるので好ましい。このとき、例えば分離カラム１２の加熱を短時間で行うようにすることが可能となり、装置の起動後に速やかに分析を行うことができる。

ヒータ列１４は、例えば、半導体製造技術である成膜、フォトマスク、エッチング等の方法により、材料として酸化ルテニウム、窒化タンタル、ニクロム、Ｃｒ−ＳｉＯ₂系サーメット、Ｔａ−ＳｉＯ₂系サーメット、ＢａＲｕＯ₃等を用いて形成することができる。

ヒータ列１４の各構成単位２０の大きさ、個数は任意に設定することが可能であり、大きさは例えば１００μｍオーダからｍｍオーダ、ｃｍオーダまで設定することができる。また、各構成単位２０の大きさはそれぞれ同じであっても異なっていてもよい。

分離カラム１２とヒータ列１４とが別個に交換可能な構成であることが好ましい。これにより、メンテナンスが容易となる。また、一般に分離カラムの方が劣化による交換頻度が高いが、カラムの交換が容易となる。

検出器１６としては、ガスクロマトグラフ装置として用いる場合には、一般的なガスクロマトグラフィにて用いられる熱伝導度検出器（ＴＣＤ）や水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）等を採用することができる。また、液体クロマトグラフ装置として用いる場合には、一般的な液体クロマトグラフィにて用いられる吸光度検出器（紫外吸光度検出器、可視吸光度検出器、それらが一体となったもの等）、ダイオードアレイ検出器、円二色性検出器、蛍光検出器、屈折率検出器、蒸発光錯乱検出器、電気化学検出器、導電率検出器、質量分析器等を採用することができる。

制御部１８は、上記温度センサ等により検知した分離カラム１２の温度に基づいて、ヒータ列１４の各構成単位２０の温度制御を行うことができる。温度制御は、ヒータ列１４の各構成単位２０における通電量等を制御することにより行うことができる。制御部１８としては、表示部、入力部等を備えるパーソナルコンピュータ等にて構成することができる。

図２は本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置の他の例の概略構成を示す図である。図２のクロマトグラフ装置３において、分離カラム１２をヒータ列１４の側面の一部に接触させ配置させてある。例えば、分離カラム１２をヒータ列１４の上に密着させて配置しても、ヒータ列１４を分離カラム１２の上に密着させて配置してもよい。図１の例と比べて分離カラム１２の温度均一性は劣るが、冷却が迅速に行えることや分離カラム１２の交換が容易となる。

また、ヒータ列１４は、成膜、フォトマスク、エッチング等を用いて分離カラム１２の内部に形成されていてもよい。この場合、例えば図３に分離カラム１２の流路方向に垂直な方向の断面図を示すように、分離カラム１２の内部にヒータ列１４の各構成単位２０が形成され、各構成単位２０を覆って絶縁層２２が形成され、絶縁層２２と分離カラム１２の内面により形成された流路２３の内面には固定相２４が形成されている。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置において、分離カラム１２を直接加熱、温度制御するための恒温槽を設けなくてもよい。分離カラム１２を加熱保持するために従来における恒温槽のような大がかりな装置構成が必要とされなくなり、装置全体の小型化、可搬化が可能となる。

図４は本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置の他の例の概略構成を示す図である。クロマトグラフ装置５は恒温槽を必要としないために、移動媒体供給手段であるボンベ２６と、試料導入部１０と、分離カラム１２と、ヒータ列１４と、検出器１６と、制御手段としてのパーソナルコンピュータ２８を、可搬型のボックス３０に収納した例である。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置は、ヒータ列１４や分離カラム１２を半導体製造技術である成膜、フォトマスク、エッチング等を用いて形成し小型化することで、ガスセンサ等のセンサとして機能させてもよい。なお、この際の形成方法が半導体製造技術以外であっても良いことは言うまでもない。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置によれば、クロマトグラフの分離カラムを構成単位が個別に温度制御可能なヒータ列で直接加熱することにより、分離カラムの昇温プログラムの設定が多岐かつ容易となり、分離性能の向上を図れる。また、分離カラムを小型化しても、分離カラム内で短時間による測定対象試料の構成成分の分離を行うことができる。さらには分離能力が向上するため、また恒温槽を必要としないために小型化が図れ、クロマトグラフ装置の可搬化やキャリア媒体の消費抑制が図れる。

本実施形態に係るクロマトグラフ装置は小型化、可搬化が可能であり、一般的な実験用用途のみならず、環境測定や医療分野等、多くの産業分野で利用可能である。

本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置の他の例を示す概略構成図である。 本発明の実施形態に係るクロマトグラフ装置における分離カラムの構成の一例を示す概略断面図である。 本発明の実施形態に係る可搬型のクロマトグラフ装置の一例を示す概略構成図である。 従来のクロマトグラフ装置の一例を示す概略構成図である。

符号の説明

１，３，５ クロマトグラフ装置、１０，５６ 試料導入部、１２，５８ 分離カラム、１４ ヒータ列、１６，６２ 検出器、１８ 制御部、２０ 構成単位、２２ 絶縁層、２３ 流路、２４ 固定相、２６，５２ ボンベ、２８ パーソナルコンピュータ、３０ ボックス、５０ ガスクロマトグラフ、５４ 試料注入器、６０ 恒温槽、６４ ヒータ、６６ ファン。

Claims (8)

1. 移動媒体と混合された測定対象試料を分離する分離手段と、
   複数の構成単位を有して前記各構成単位が個別に温度制御可能なヒータ列を有し、前記分離手段を加熱する加熱手段と、
   を備えることを特徴とするクロマトグラフ装置。
2. 請求項１に記載のクロマトグラフ装置であって、
   前記分離手段と前記ヒータ列とが別個に交換可能な構成であることを特徴とするクロマトグラフ装置。
3. 請求項１または２に記載のクロマトグラフ装置であって、
   前記分離手段を冷却するための冷却手段を備えることを特徴とするクロマトグラフ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のクロマトグラフ装置であって、
   前記分離手段を加熱するための恒温槽を有しないことを特徴とするクロマトグラフ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のクロマトグラフ装置であって、
   前記分離手段へ導入する測定対象試料を気化する気化手段を備え、前記移動媒体としてキャリアガスが用いられることを特徴とするクロマトグラフ装置。
6. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のクロマトグラフ装置であって、
   前記測定対象試料が溶液状態であり、前記移動媒体としてキャリア溶剤が用いられることを特徴とするクロマトグラフ装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載のクロマトグラフ装置であって、
   装置が可搬型であることを特徴とするクロマトグラフ装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のクロマトグラフ装置を用いることを特徴とするセンサ。

Images