JP2009180617A - 送液装置及びそれを有する分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
高圧送液が可能で、且つ、一定流量での安定した送液が可能な送液装置を提供する。
【解決手段】
送液装置において、複数のポンプ室内部をそれぞれ往復運動するプランジャと、これらのプランジャを往復運動させるモータと、モータの動作を制御する制御部と、前記ポンプ室の内、溶離液吸入側のポンプ室の溶離液吸入口と溶離液吐出口にそれぞれ設けた弁と、プランジャが受ける荷重値を測定する第１のセンサと、溶離液吐出側のポンプ室から吐出した溶離液の圧力を測定する第２のセンサとを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体を送液する送液装置に関し、特に液体クロマトグラフなどの分析装置において、溶離液を送液する送液装置に関する。

液体クロマトグラフにおいて、送液装置は、常に一定流量で送液するのが理想的である。一定流量でないと、分析精度が低下する。しかし、一般に送液装置では流量が周期的に変動してしまう現象（この現象を以下、脈流と呼称する）が発生している。

脈流の低減を試みた従来技術として、例えば特許第３７０９４０９号公報（特許文献１）に記載のものがある。この技術では、液体クロマトグラフなどの分析装置に用いられる送液装置としては超高圧下での送液に課題があった。それは圧力センサを設けたことにより、圧縮対象となる溶離液の容積が増加することである。この容積が大きいと溶離液を圧縮し切れず、一定流量で送液できない。ここで超高圧とは溶離液の圧縮が課題となる領域のことである。例えば、溶離液がメタノールであり、６０ＭＰａで送液を行う場合、メタノールの容積は圧縮前の圧力と比較すると６.４％減少する。

特開２００１−２５４６８３号公報（特許文献２）に記載のものでは、荷重センサを用いることにより容積を小さくしており、圧縮対象となる溶離液の容積が小さい。しかし、荷重センサで測定した荷重値と溶離液の圧力との関係付けが無く、脈流の低減に寄与しない。

特許第３７０９４０９号公報 特開２００１−２５４６８３号公報

本発明では、高圧送液が可能で、且つ、一定流量での安定した送液が可能な送液装置を提供する。

本発明の１つの特徴は、複数のポンプ室内部をそれぞれ往復運動するプランジャと、これらのプランジャを往復運動させるモータと、モータの動作を制御する制御部と、前記ポンプ室の内、溶離液吸入側のポンプ室の溶離液吸入口と溶離液吐出口にそれぞれ設けた弁と、プランジャが受ける荷重値を測定する第１のセンサと、溶離液吐出側のポンプ室から吐出した溶離液の圧力を測定する第２のセンサとを有する送液装置である。

本発明の他の特徴は、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号に基づいて、溶離液の吐出量を制御することにある。

本発明のその他の特徴は、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号に基づいて、前記モータを制御することにある。

本発明の更にその他の特徴は、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号に基づいて、前記モータを制御することにある。

本発明の上記特徴及び上記以外の特徴は、本明細書・図面により、説明される。

本発明の１つの実施形態によれば、超高圧下での送液が可能で、且つ、一定流量での安定した送液が可能な送液装置を提供できる。

図２に、発明の実施の形態に用いる液体クロマトグラフの例を示す。溶離液４１を送液装置４２により分離カラム４３に送液する。試料を試料導入装置４４により分離カラム４３に導入し、試料が分離カラム４３を通過する間に試料を構成する成分は互いに分離し、分離した試料成分は検出器４５で検出する。検出した試料成分の信号はデータ処理装置４６に伝達し、必要な処理を行う。送液装置４２は、分析に応じてある圧力を溶離液に加え、溶離液を吐出して送液するものである。溶離液の吐出圧力が一定である場合は流量も一定となる。送液装置４２は、常に一定流量で送液するのが理想的である。一定流量でないと、分析精度が低下する。一般に送液装置では流量が周期的に変動してしまう現象（この現象を以下、脈流と呼称する）が発生してしまう。脈流に関する課題を解決する送液装置について次に説明する。

図１に本発明の送液装置の実施例を示す。回転軸１６にカム１７ａ，１７ｂを設け、回転軸１６の端にプーリ１２を設ける。モータ１０の回転運動はモータ１０に固定したプーリ１１からベルト１３とプーリ１２を介して回転軸１６に伝達する。また、回転軸１６にはスリット１５を設けた円板部材１４を固定しており、カム位置検出センサ１８によりスリット１５を検出してカム１７ａ，１７ｂのカム位置を検出する。

カム１７ａにはスライダ６ａの基端部が接触して往復運動し、スライダ６ａの他端に荷重センサ９を設け、荷重センサ９の荷重を検知する面に対して垂直にプランジャ２ａの非接液端部を設けている。カム１７ｂにはスライダ６ｂの基端部が接触して往復運動し、スライダ６ｂのカム１７ｂの反対側にはプランジャ２ｂを設けている。

プランジャポンプ１ａのポンプヘッド３ａの入口と出口に逆止弁４，５を設け、ポンプヘッド３ａ内部のポンプ室７ａにプランジャ２ａを設ける。プランジャ２ａ，２ｂに、液漏れ防止用のプランジャシール３０ａ，３０ｂを設けている。プランジャ２ａで往復運動を行い、プランジャ２ａの接液端部をカム１７ａ側へ移動すると、溶離液２２を逆止弁４からポンプ室７ａへと吸入する。次にプランジャ２ａの接液端部がポンプヘッド３ａ側へ移動すると溶離液２２をポンプ室７ａで圧縮し、逆止弁５から吐出する。逆止弁４，５は入口側と出口側の溶離液の圧力が等しくなるまで弁は開かないので、圧縮した溶離液２２を常に一定方向で送液できる。

プランジャポンプ１ｂのポンプヘッド３ｂ内部のポンプ室７ｂにプランジャ２ｂを設ける。プランジャ２ｂで往復運動を行い、プランジャ２ｂの接液端部をカム１７ｂ側へ移動すると溶離液２２をポンプヘッド３ａ側からポンプ室７ｂへと吸入する。次にプランジャ２ｂの接液端部をポンプヘッド３ｂ側へ移動すると、溶離液２２をポンプ室７ｂで圧縮し、圧力センサ８側へと吐出する。溶離液２２は逆止弁５により常に一定方向で送液できる。

圧力センサ８でポンプ室７ｂから送液した溶離液２２の圧力値を常時測定し、圧力値を電気信号に変換してモータ駆動を制御する制御回路２１へ伝達する。荷重センサ９でプランジャ２ａに作用する荷重値を常時測定し、荷重値を電気信号に変換して制御回路２１へ伝達する。制御回路２１には、操作指令や必要な情報などを入力するための入力部２０が、接続される。

図３に、プランジャの往復運動の例を示す。図３では逆止弁４及び５の開閉と、プランジャポンプ１ａ及び１ｂの吸入及び吐出の流量と、送液装置全体の吐出流量と、モータ回転数の関係を示し、プランジャの１往復分の送液は３つのフェーズに分けられる。

フェーズ１は、逆止弁４を開き、逆止弁５を閉じ、プランジャポンプ１ａで溶離液２２の吸入を行い、プランジャポンプ１ｂのみで溶離液２２を吐出する。

フェーズ２は、圧縮区間Ｒでは、逆止弁４，５を閉じ、プランジャポンプ１ａで吸入した溶離液２２を圧縮し、その間、プランジャポンプ１ｂのみで溶離液２２の吐出を行う。プランジャポンプ１ａで吸入した溶離液２２を圧縮し、吐出圧力に等しくなると、逆止弁４を閉じ、逆止弁５を開き、プランジャポンプ１ａと１ｂの両方で溶離液２２を吐出する。

フェーズ３は、逆止弁４を閉じ、逆止弁５を開き、プランジャポンプ１ａのみで溶離液２２を吐出し、プランジャポンプ１ｂはプランジャポンプ１ａで吐出した溶離液２２を吸入するフェーズである。

送液装置の吐出圧力に応じてフェーズ２の溶離液２２の圧縮区間Ｒの長さを変える。送液時の圧力が高ければ圧縮区間Ｒを長くし、送液時の圧力が低ければ圧縮区間Ｒを短くする。

送液する溶離液２２の単位時間当たりの流量をＱと設定した場合の圧縮区間Ｒについて述べる。圧縮区間Ｒは逆止弁５が閉じ、プランジャポンプ１ｂのみで吐出流量Ｑにて送液を行い、プランジャポンプ１ａでは吸入した溶離液を圧縮する区間である。圧縮区間Ｒではプランジャポンプ１ｂの吐出流量をＱから低減した吐出流量、Ｑ／２で送液を行うようなカム曲線にし、モータ１０の回転速度Ｎを２倍にして、一時的にプランジャポンプ１ｂの吐出流量をＱにする。これは圧縮区間Ｒの間はプランジャポンプ１ａによる吐出がなく、プランジャ２ｂのみからの吐出となり、合計流量がＱ／２になってしまうため、モータ１０の回転速度Ｎを２倍にして流量をＱに保つためである。圧縮区間Ｒを終了するとモータ１０の回転速度２Ｎを通常送液時の回転速度Ｎに戻す。

圧縮区間Ｒが終了して逆止弁５が開いている間の荷重センサ９の荷重値を制御回路２１で記憶する。次周以降のプランジャ往復運動で荷重センサ９の荷重値が、制御回路２１に記憶された荷重センサ９の荷重値に達すると圧縮区間Ｒを終了し、制御回路２１によりモータ１０の回転速度２ＮからＮへと戻す。それによって、荷重センサは圧力センサにより校正されるので、逆止弁５を開くと同時に圧縮区間Ｒを正確に終了できるため、脈流無く送液を行える。

送液動作１周目で脈流が発生した場合は、圧力センサ８で測定した圧力値と設定圧力値の差分だけモータ１０の回転速度を補正して圧力一定を保ち、次に逆止弁５を開いた間の荷重値を荷重センサ９で測定し、制御回路２１で記憶させ、圧縮区間Ｒの終了を計る荷重値とする。この場合も荷重センサは圧力センサによって校正されるので、逆止弁５を開くと同時に圧縮区間Ｒを正確に終了できるため、脈流無く送液を行える。

送液中に設定流量が時間と共に変化する流量グラジエントの場合について述べる。設定流量を変化すると圧力センサ８で常時測定する圧力値を元に、圧力値を一定に保つために制御回路２１によりモータ１０の回転速度を変化する。モータ１０の回転速度が変化すると逆止弁５を開いた間の荷重センサ９の荷重値も変化する。そこで、逆止弁５を開いた間の荷重センサ９の荷重値を制御回路２１に記憶し直す。次周以降の送液で、荷重センサ９の荷重値が制御回路２１に記憶し直した荷重センサ９の荷重値に達したときに圧縮区間Ｒを終了とするので、逆止弁５が開くと同時に圧縮区間Ｒは終了し、脈流無く送液が行える。圧縮区間Ｒの長さは流量及び吐出圧力を元に計算を行い、決定される場合もある。このようにして流量グラジエント送液を行う。

図３の例では、フェーズ１では、逆止弁４を開き、逆止弁５を閉じ、プランジャポンプ１ａで溶離液２２を、流量３Ｑにて、吸入を行い、プランジャポンプ１ｂのみで溶離液２２を、流量Ｑにて、吐出する。

フェーズ２では、圧縮区間Ｒでは、逆止弁４を閉じ、逆止弁５を閉じ、プランジャポンプ１ａで吸入した溶離液２２を圧縮し、その間、プランジャポンプ１ｂのみで溶離液２２の吐出を流量Ｑにて行う。プランジャポンプ１ａで吸入した溶離液２２を圧縮し、吐出圧力に等しくなる（圧縮区間Ｒ終了）と、逆止弁４を閉じ、逆止弁５を開き、プランジャポンプ１ａと１ｂの両方で、それぞれ吐出流量、Ｑ／２にて吐出する。

フェーズ３では、逆止弁４を閉じ、逆止弁５を開き、プランジャポンプ１ａのみで溶離液２２を吐出流量、３Ｑ／２＋Ｑにて吐出し、プランジャポンプ１ｂはプランジャポンプ１ａで吐出した溶離液２２を流量、３Ｑ／２にて吸入するフェーズである。

本発明の実施例では、荷重センサを用いることでプランジャポンプ１ａからプランジャポンプ１ｂの間に圧力センサを必要としないため、圧縮対象となる容積を低減できるので超高圧下での送液を行うことが可能となる。

また、一般に荷重センサからの信号には様々な摩擦による誤差が含まれるが、プランジャの１往復動作毎に圧力センサを基準とした校正を行うため、正確な送液が可能となる。

以上の通り、高圧送液が可能で、且つ、一定流量での安定した送液が可能な送液装置を提供するために本発明では、圧力センサと荷重センサを用いた以下の手段により課題を解決する。圧力センサで吐出側ポンプ室から吐出する溶離液の圧力値を常時測定し、圧力値を制御回路に伝え、前記圧力値を元に吐出する溶離液の圧力値を常時一定になるよう、制御回路によりプランジャの往復運動速度を制御する。荷重センサで吸入側ポンプ室内部のプランジャに作用する荷重値を常時測定し、その荷重値を制御回路に伝える。吐出圧力を一定に制御するためには、吸入側ポンプ室へ溶離液を吸入後、圧縮が完了し、吸入側ポンプ室の圧力が吐出圧力に達したことを確認してモータの回転を制御する。前記出口側逆止弁が開いている間は、吸入側ポンプ室内の圧力と吐出圧力が等しい。吐出圧力から得られる前記圧力センサの信号を基準として、前記荷重センサから得られる信号を校正する。校正された信号を用いて前記モータの回転を制御する。しかし、本願発明の技術思想の範囲内で種々変形・応用が可能である。例えば、本発明の実施例の送液装置を組み込んだ液体クロマトグラフや分光光度計などの分析装置へ適用しても良く、分析精度の向上に寄与する。

本発明を適用した送液装置の一実施例を概略的に示す図である。 本発明を適用した送液装置を用いた液体クロマトグラフの一実施例を概略的に示す図である。 本発明を適用した送液装置により送液を行う場合の、逆止弁の開閉，ポンプの流量，合計吐出量，モータ回転数を送液サイクル毎に示したグラフの一例である。

符号の説明

１ａ，１ｂ プランジャポンプ
２ａ，２ｂ プランジャ
３ａ，３ｂ ポンプヘッド
４，５ 逆止弁
６ａ，６ｂ スライダ
７ａ，７ｂ ポンプ室
８ 圧力センサ
９ 荷重センサ
１０ モータ
１１，１２ プーリ
１３ ベルト
１４ 円板部材
１５ スリット
１６ 回転軸
１７ａ，１７ｂ カム
１８ カム位置検出センサ
２０ 入力部
２１ 制御回路
２２，４１ 溶離液
３０ａ，３０ｂ プランジャシール
４２ 送液装置
４３ 分離カラム
４４ 試料導入装置
４５ 検出器
４６ データ処理装置

Claims (7)

1. 複数のポンプ室内部をそれぞれ往復運動するプランジャと、これらのプランジャを往復運動させるモータと、モータの動作を制御する制御部と、前記ポンプ室の内、溶離液吸入側のポンプ室の溶離液吸入口と溶離液吐出口にそれぞれ設けた弁と、プランジャが受ける荷重値を測定する第１のセンサと、溶離液吐出側のポンプ室から吐出した溶離液の圧力を測定する第２のセンサとを有することを特徴とする送液装置。
2. 請求項１において、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号に基づいて、溶離液の吐出量を制御することを特徴とする送液装置。
3. 請求項１において、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号でそれぞれのセンサの校正を行うことを特徴とする送液装置。
4. 請求項２において、溶離液吸入側のポンプ室の出口側逆止弁が開いている間の前記第１のセンサの信号値と、前記吸入側ポンプ室の内部で溶離液を圧縮する間の前記第１のセンサの信号値が所定の関係になった時点で、溶離液の圧縮を終了することを特徴とする送液装置。
5. 請求項１記載の送液装置と、
   試料導入装置と、
   検出器とを有し、
   前記送液装置からの送液により、試料導入装置から検出器へ試料を直接又は間接に移動させることを特徴とする分析装置。
6. 請求項１記載の送液装置と、
   試料導入装置と、
   分離カラムと、
   検出器と、
   データ処理装置とを有し、
   溶離液を前記送液装置により前記分離カラムへ送液し、試料を前記試料導入装置により前記分離カラムに導入し、前記分離カラムにおいて前記試料を構成する成分が互いに分離し、分離した試料成分を前記検出器で検出し、検出した試料成分の信号は前記データ処理装置において、所定の処理を行うことを特徴とする液体クロマトグラフ。
7. 請求項１において、前記第１のセンサと前記第２のセンサの出力信号に基づいて、前記モータを制御することを特徴とする送液装置。

Images