JP2009210574A - 液体クロマトグラフィ用、特に高速液体クロマトグラフィ用の、拡散が少なく熱的特性を改善したキャピラリ形式の接続配管 - Google Patents

Abstract

【課題】液体クロマトグラフィ用の液体を送るためのキャピラリ形式接続配管を提供。
【解決手段】液体クロマトグラフィ用の液体を送るためのキャピラリ形式接続配管において、接続配管５０が、形状および／位置に関して、メインフロー方向の方向で変化する内側断面を有して、ラジアル方向で変化するフロー成分を強制し、それにより接続配管内で流れる液体のラジアル方向混合を増加すると共に、厳密に円形で構成した断面で公知の放物線フローパターンを攪乱して防ぐ。
【選択図】図３ｂ

Description

本発明は、特許請求項１のプレアンブルに記載の特徴を有するキャピラリ形式の接続配管に関するものであり、それは例えば液体クロマトグラフィ、特に高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）で、その使用が見られるようなものである。

ＨＰＬＣ装置では、溶媒タンク、ポンプ、バルブ、混合チャンバー、インジェクター、分離カラム、ディテクターユニット等のようなクロマトグラフィ構成部品は圧倒的に、キャピラリを介して流体的に互いに接続されている。この接続配管の中を、適切なポンプにより送られ部分的に高圧下にある液体流が流れる。ＨＰＬＣ装置のインジェクターでは、分析する試料が注入され、さらに流体接続配管を介して分離カラムに流れる。ここで接続配管に入る体積は出来る限り少ないことが必要であり、それによりクロマトグラフィ分析の処理時間を短くなり、そして試料と処理媒体（溶媒）間および／または異なった成分の処理媒体間の境界面がキャピラリで生じる流れパターンにより変化することは、可能な限り少なくなる。

これは、接続配管を短くすることによってだけでなく、キャピラリの内径を小さくすることによっても達成される。しかしながら、ＨＰＬＣのクロマトグラフィ構成部品の接続部位置は、その形状と大きさのために任意に互いを隣接して近くに配置できないので、この接続配管の一定最小長さを下回ることができない。また、キャピラリの内径を任意に小さく出来ない。さもなければ、そのような接続配管により高すぎる逆圧が発生して詰まる危険性が高まり、それによりＨＰＬＣ装置の頑丈さが損なわれる。

市場で入手できるこの種の接続配管は、ＨＰＬＣでは円形断面を有すると共にある程度の屈曲性があるキャピラリとして、大抵は鋼でつくられている。

試料を液体流に注入した後に、接続キャピラリの端部でキャピラリ断面に亘って生じる平均試料濃度を観察すると、処理媒体と試料間で明確な境界面は最早得られない。キャピラリが長ければ長いほど、境界面が滑らかである。流速が不均等なことによる長手方向混合のこの効果は、ＨＰＬＣ拡散と呼ばれる。

しかし拡散は、クロマトグラフィカラムの端部で、個々の試料構成成分の分離に不利に作用する。ディテクターへの経路で時間的に未だ分離してカラムから出てくる試料構成成分が、カラムとディテクター間の接続配管で拡散することにより、長手方向で混合されるので、クロマトグラフィ線図で二つの試料構成成分を分離して定量化することは最早不可能である。

インジェクターとカラム間の接続配管における拡散も、一旦広がってその端部で希釈された試料体積は、カラム出口で広がり希釈された試料体積の原因ともなるので、ＨＰＬＣ装置の分離性能に不利に作用する。

よって本発明の課題は、液体クロマトグラフィ、特に高速液体クロマトグラフィ用装置の構成部品および液体クロマトグラフィ用配設のための、流体キャピラリ形式の接続配管を得ることであり、それは前後に続く物質のメインフロー方向で起こす混合を出来るだけ小さくし、装置の分離性能を最適化し、それにより試料移動時間が短いことに基づいて高い試料処理量を達成でき、それにより装置の利用率を向上できるものである。

よって、本発明によるキャピラリ形式接続配管の目的は、代わりにできる逆圧の時に規定の区間に亘って出来るだけ拡散が少ない液体搬送である。

本発明は、この課題を特許請求項１と８の特徴により解決する。

本発明が前提にする見識は、基本的に円筒状で設計した流体接続配管が、層流の時に放物線のフローパターンを形成することである。この種の流れパターンは、円形断面を有する公知のキャピラリで発生するが、その理由は、キャピラリの直径と較べて大きな半径での（個々の構成部品を接続するために不可欠な）屈曲においてさえ、このキャピラリには基本的に円筒状であって直線区間では厳密に円筒状の液体カラムを含んでいるからである。

しかし、そのような固定壁面を有する円筒状液体カラムにおけるフローパターンは、流速が層流範囲に留まる限り放物線となる。そのときキャピラリの中央で円筒軸に沿って、アキシャル方向で最高流速が得られる。それに対して壁面では、実際では液体カラムの最も外側の縁層の入れ替わりを起こす拡散の影響を考慮しないと、流速は基本的にゼロである。この拡散効果を無視すると、液体の最速で流れる部分に対する流速が得られ、その数値は、質量が保持されることにより液体カラム全体平均流速の二倍である。

よって、そのような液体流に試料を注入すると、注入直後には試料と処理媒体間で多かれ少なかれ鋭く際だった二つの境界面となり、それが理想的にはキャピラリの中心軸に対して直角に平坦な円形面を示す。しかしながら、キャピラリ内では流速がキャピラリ断面に亘って不均等であることにより、この境界面が変形を続けるので、二つの円形面は放物線になる。

メインフロー方向で前後に続く液体で流体接続配管により発生する長手方向の混合に関して、この放物線パターンは欠点としてのワーストケースを示す。

本発明により、接続配管断面の円形形状および／または位置を、流れの移動ないしメインフロー方向（加工しないキャピラリ形式接続配管の直線状態では中心長手軸に相当する）に沿って交互に変えると、ラジアル方向の流れ成分の変化を強制し、それにより接続配管内を流れる液体のラジアル方向混合を増して攪乱し、それにより厳密に円形で構成された断面で公知の放物線フローパターンの形成を防ぐ。

すなわち本発明の目的は、キャピラリ形式接続配管の形状を規則的または不規則な間隔で繰り返し変化させ、それにより一般的に放物線をした速度パターンをこの位置で妨げることにより達成する。それによりキャピラリを通る通過時間の分布を狭くし、それが少ない拡散に相当する。接続配管断面の形状および／または位置の変化がメインフロー方向に対して回転対称でないことにより、流れる分子が繰り返し相対的流速の違う通り道に変わらねばならないことになる。

本発明の任意の構成では、前後して続く形状変化間の間隔は２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下または更に小さく、例えば５、４、３、２、あるいは１ｍｍであるので、それに対応してラジアル方向の混合が強化されるが、その理由は、貫流断面の形状および／または位置でメインフロー方向に沿って変化する頻度が増えれば増えるほど、ラジアル方向の混合が上手く行われ、そして放物線フローパターンの形成が弱くなり、そして長手方向の混合が強く抑制されるからである。そこで本発明によるキャピラリが有する寸法は、例えば１０μｍ〜１０００μｍの範囲の内径で、特に１００μｍ〜３００μｍ、そして内径と較べて非常に大きな長さで、数ミリメーター〜数１００ミリメーターの範囲である。

本発明の好ましい構成ではキャピラリ形式の接続配管を、例えば（ステンレス）スチール、ガラス、プラスチック、特にＰＥＥＫ、チタン、セラミック、あるいはそれらの合成物質製の基本的にパイプ形状で構成しているので、形状を変える内側断面の中心点は一つの軸上にある。ここで接続キャピラリを、例えばメインフロー方向に直角に好ましくは規則的な間隔で押し潰して、元は円筒状の断面を押し潰し箇所で楕円にすることにより、特に簡単に製造できる。加えて、ラジアル方向の混合を更に改善するためには、前後して続く二つの楕円の同じ長さの半軸を直角に前後して直角にすると得られる。

本発明の別の構成では楕円成形の前に、変形していないキャピラリの内径より外径の小さい縦長固体（コア部材）、例えば中実円筒体をキャピラリの中に差し込むことにより、ラジアル方向の混合を更に強化することが達成される。それにより円筒状キャピラリ内で最速の流れの場所は、好ましいことに同心で配置され、そして流れる液体はキャピラリ壁面に向かって押し出される。このとき、コア部材が楕円の短軸長さを下方向きで制限することにより、円筒状キャピラリの変形を制限するストッパーの役割を果たすことが利点であり、このようにすることで製造が簡単になる。しかし勿論、コア部材を一定の許容差範囲で継続的に接触することなく、またはキャピラリの内壁に対して形状的に合った接続なしで可動できるように設けていることも考えられ、そしてこの範囲でも基本的に内側断面の中心がくる。

本発明の別の実施形態ではキャピラリの円形断面の中心点が、メインフロー方向を横切って、例えば一つの面におけるサインカーブで好ましくは充分に周期的にとび出ている（押し込んでいる）線に沿っている。この実施形態でも、前記で説明した例に類似した別の構成でコア部材を差し込むことがあり、それにより、位置固定した物体が最速の流れを中心から押し出すことにより、分離性能を損なう長手方向の混合が働かないようにラジアル方向の混合を更に改善することになる。体積が不必要に膨張しないようにするために、キャピラリの（長手方向断面の）外殻カーブ軌跡長さが、その（押し込んだ）長手方向長さに対して２：１以下、好ましくは１．５：１以下の割合となるように、とび出し部を設ける。

そこで設けた縦長のコア部材は、キャピラリの端部を使い拘束して閉じる、内向きにオフセットして配置、または突出させることがあり、それにより例えば、別の接続部（構成部品または別のキャピラリ）に入れ込む、またはネジ接続で位置を固定する。

もちろん、大きさおよび／または形状、例えば方形、四角形、三角形、楕円、入り交じっておよび／または大きさが変化する種々の断面形状変化の実施形態も考えられる。

本発明の別の実施形態は、従属請求項で分かる。

以下において本発明を、図面に図示した実施例を使って詳細に説明する。

ＨＰＬＣシステムのキャピラリの長手断面概略図。第一液体に入れられた（注入された）第二液体量（黒色表示）、および注入直後の時点（Ａ）およびキャピラリの形状と拡散に関して異なった仮定の下における後の時点での二つの液体間の境界層の原理的な変化を付している。状況をうまく図示するために、インジェクションされた液体に関してキャピラリ中央の範囲における薄い層のみを図示している。 先に注入した試料の濃度を測定するための、厳密に円筒状に成形されたキャピラリの端部に直接接続したＵＶディテクターの第一測定信号カーブ。第二測定信号は、同じキャピラリに同じ試料バッチを注入後のカーブを示しているが、メインフロー方向に沿って２００ｍｍ長さで２０カ所の形状変更を伴う本発明により変更した周期的に楕円の断面形状変化。 周期的に楕円の断面形状変更を有する本発明により形成したキャピラリの第一実施形態の概略図で、遠視前方外観図。 図３ａによる第一実施形態の概略図で遠視側方外観図。 周期的にメインフロー方向を横切ってオフセットした円形断面を有する本発明により形成したキャピラリの第二実施形態の概略図で、遠視側方外観図 図４ａによる第二実施形態の概略図で遠視前方外観図 図３ａと図３ｂによる第一実施形態の変形例の概略図で、中実円筒状のコア部材がついている。 図４ａと図４ｂによる第二実施形態の変形例の概略図で、中実円筒状のコア部材がついている

図１においてＡ〜Ｃ部分で上下に図示している事例は、ＨＰＬＣシステムで従来技術により公知の円筒状キャピラリ５において、第一液体バッチ（処理媒体ないし溶媒）１０に第二液体バッチ（試料）１を注入（インジェクション）した後の、二つの液体間における境界層の原理的な変化（図１において左から右に流れる）を示している。

Ａ部分で分かるように、試料１をキャピラリ５に注入した直後の時点ｔ＝０では、インジェクションされた試料バッチ１は、まず高さａを有して円形オリジナル断面２と３の円筒状体積を満たす。

Ｂ部分で図示している状況は、キャピラリ中の液体が層で流れるという仮定下で後の時点ｔ＝ｔ１には、どのようにオリジナル断面２（移動方向で前方）と３（移動方向で後方）が放物線に変化するかを、液体間で起きる拡散を無視して示している。Ｃ部分は、それとは違って円筒状キャピラリ中で液体１，１０の間において拡散が起きると仮定して、ｔ＝ｔ１の時点におけるキャピラリ５中の状況を示している。

以上と違ってＤ部分では、液体１，１０の間において拡散が起きると仮定して、周期的に楕円の断面形状変化を有する本発明のキャピラリ５０の中で、どのように境界層が形成するかを図示している。

状態の図示を上手く行うために、図１のＢ〜Ｄ部分ではインジェクションされた液体について、キャピラリの中央範囲における薄い層のみを図示している。

図２は、処理媒体中の試料濃度に比例する二つのディテクター信号３０と４０の比較を時間との関係で示しており、称呼内径３５０μｍおよび長さ２５０ｍｍのキャピラリに試料バッチ１０μＬを注入した後に、層流が流れるキャピラリ１０と２０の端部で測定できるものである。細線で図示したカーブ３０は、厳密に円筒状のキャピラリ１０に注入した時の信号を示している。太線で図示したカーブ４０は、本発明によるキャピラリに同じ試料バッチを注入した信号であり、前述している厳密に円筒状のキャピラリとの違いは、前後して直角となっている２０対の楕円断面形状変化を事前に設けたことである。ここで明らかに分かることは、断面形状変形がピーク幅ないし拡散の減少となり、このようなキャピラリの使用によりＨＰＬＣ装置の分解能を改善できることである。

図３ａと図３ｂでは、図２で図示している結果を得るために使用したキャピラリ５０の短い一部分を示している。図で明らかなように、本発明により変更を行いこのケースで好ましい周期的に楕円の断面形状変化が、キャピラリ５０のメインフロー方向に沿って、例えば１０ｍｍの規則的な間隔で繰り返す押し潰しｒ１，ｓ１，ｒ２，ｓ２により出来ている。それによりキャピラリ５０の外側には、従来の厳密に円筒状のキャピラリ５で該当する直線の代わりに、共通の中心軸を有して前後に直角に位置する長手断面に軌跡カーブＲとＳができる。図３ｂにおいてそれぞれ破線で明示しているように、押し潰しは軌跡カーブＲとＳに直角な位置にあり、それによりキャピラリ５０のメインフロー方向Ｈに対して直角である。

ここで、キャピラリを加工していない（そして直線で好ましくは円筒状の）状態ではメインフロー方向が、その中心長手軸に相当していることである。構成部品を接続するために、キャピラリを一般的に直径と較べて基本的に大きな半径に曲げていると、メインフロー方向は、最短経路ないしキャピラリ内部で最小抵抗の経路により決まる。

よって図３ａで分かるように、長手軸（メインフロー方向）に沿って形状を変える楕円断面が、キャピラリ５０の内側での当該箇所で得られるが、その楕円断面は、キャピラリ５０の外側を互いに対向して押し潰した結果として、お互いに対向する線５１により現れたものである。この実施形態では好ましいものとして、お互いに直角でメインフロー方向に対して直角な押し潰しを周期的に図示しているけれども、円筒状キャピラリを後加工で押し潰す、または別の形式と方法で内側にある変形を不規則に構成することも、勿論考えられる。

図４ａと図４ｂは、本発明によるキャピラリ５５で代替となる第二実施形態で、好ましくは周期的にメインフロー方向で直角にオフセットした円形断面を有する短い一部分を示しており、その断面では、ＨＰＬＣ装置の構成部品間の接続配管において、厳密に円筒状のキャピラリと比較して拡散の生じるのが同様に少ない。すなわち、この実施形態では内側断面が同じ寸法の面、特に円形面として残ったままである。しかしながら、内側半径と比較して小さい振幅を有すると共に幅狭で前後して続く（図４ａのスケッチ面にある）例えばサインカーブのとび出し部５７により、メインフロー方向Ｈ’で見て、断面中心点により決まり特にサインカーブの線形状で、とび出し部一つ当たり同じく一つの断面変化が得られる。円形断面のこのオフセットにより、メインフロー方向に沿って繰り返しその位置が変わり流れの方向で有効な断面が現れるので、メインフロー方向で見ると眼形状５６ができる。

もちろん、一つの縦断面の面内につくったとび出し部の代わりに、多数の面、特に前後して直角な縦断面（切断線として長手中心軸を有する）にとび出し部を構成することも考えられる。また前記実施形態の特徴を任意に、お互いで適切な混合形態に組み合わせることもでき、そこでは後に説明するコア部材を設けることも、この種の混合形態で想定することができる。

図５は、図３ａと図３ｂによるキャピラリ５０の短い一部分を示しているが、位置を固定しここでは円筒状のコア部材６０を、キャピラリ５０の中心に設けたことが異なっており、それにより、最速で流れる液体体積をキャピラリ壁面方向に押し出し、前後して続く長手方向での混合を更に弱め、そしてラジアル方向の混合を有利にする。そのときコア部材６０の外径が、位置ｒ１，ｓ１，ｒ２，ｓ２における断面の最小内径と同じか小さいので、中実円筒またはメクラ状態の中空円筒の形態であるコア部材が、キャピラリ内側の数カ所で形状に合って当接する、または狭い範囲で可動である。ここでは直線のコア部材６０が、メインフロー方向ないしキャピラリ中心軸６０に対して基本的に同心で位置している、または小さい範囲内で動く。

図６は、図４ａと図４ｂによるキャピラリ５５の短い一部分を示しているが、位置を固定しここでは円筒状のコア部材６０を、キャピラリ５５の中心に設けたことが異なっており、それにより、最速で流れる液体体積をキャピラリ壁面方向に押し出し、前後して続く長手方向での混合を更に弱め、そしてラジアル方向の混合を有利にする。そのときコア部材６０の外径が眼形状５６の最小内径と同じか小さいので、中実円筒またはメクラ状態の中空円筒の形態であるコア部材が、キャピラリ内側の数カ所で形状に合って当接する、または狭い範囲で可動である。ここでは直線のコア部材６０が、メインフロー方向ないしキャピラリ中心軸６０に対して基本的に同心で位置している、または小さい範囲内で動く。

勿論コア部材６０を、図６で図示している直線のコア部材６０の代わりに、一定の範囲でとび出し部に対応して曲げて構成することも考えられる。

ラジアル方向の混合を改善することにより外部からキャピラリ外殻を通過してその中を流れる液体への熱伝達が有利になるので、拡散を最適化した本発明によるキャピラリは、温度を合わせるための、例えば（分離カラムに入る前に）処理媒体および試料の温度を分離カラムないしその内容物の温度に合わせるための無効体積の少ない解決手段として使用でき、そのとき温度を合わせるためのキャピラリおよび例えばカラムのサーモスタットにある分離カラム、好ましくはキャピラリおよび分離カラム自体とサーモスタットの付いた二つの内の少なくとも一つ、またキャピラリおよび分離カラムが互いに別個で、そして両方がそれぞれサーモスタットと熱的に繋がれて収容され、ないしは配置されている。

このようにして、カラムを介した試料構成成分分離のための熱的な条件設定を改善することにより、装置の分離性能が最適化されるが、その理由は、本発明によるキャピラリを別の形式と比較すると、その中を流れる移送媒体ないし試料の同じ温度変化に必要とする無効体積が少ないからである。

とくに、周期的な楕円の断面形状変化を有する実施形態がもたらす特別な利点は、キャピラリが充分に直線に走ることにより、中にある液体が問題となるような遠回りして流れる必要性なく、そしてクロマトグラフィ分析の遅れが回避でき良好に温度調整できる。キャピラリの実施形態を周期的な楕円の断面形状変化と、場合によりコア部材と、熱的にはサーモスタットと結びつけると、クロマトグラフィ装置の構成部品を、体積の少ない接続ができる配置が得られ、そして場合によりその中を流れる媒体の温度調整を最適で実施でき、そのとき円筒状または規則的な断面を使った接続配管と比較すると、前後して流れる液体で長手方向混合を起こすことが少なく、それが改めてＨＰＬＣ装置の分離性能を改善する。

１ 第二液体バッチ（試料）
２ 円形オリジナル断面
３ 円形オリジナル断面
５ 円筒状キャピラリ
１０ 第一液体バッチ（処理媒体ないし溶媒）
３０ ディテクター信号
４０ ディテクター信号
５０ キャピラリ
５１ 対向する線
５５ キャピラリ
５６ 眼形状
５７ とび出し部
６０ コア部材

Claims (9)

1. 特に液体クロマトグラフィ用の液体を送るためのキャピラリ形式接続配管において、
   接続配管（５０，５５）が、形状および／位置に関して、メインフロー方向の方向で変化する内側断面を有して、ラジアル方向で変化するフロー成分を強制し、それにより接続配管内で流れる液体のラジアル方向混合を増加すると共に、厳密に円形で構成した断面で公知の放物線フローパターンを攪乱して防ぐ
   ことを特徴とする接続配管。
2. 請求項１に記載の接続配管において、
   接続配管（５０）が、基本的にパイプ形状で構成されており、そして変化する内側断面の中心点が一つの軸上にあり、そして内側断面がその形状に関して変化する
   ことを特徴とする接続配管。
3. 請求項１に記載の接続配管において、
   断面が、接続配管のメインフロー方向で一定であり、そしてその内側断面が、その位置に関して変化する
   ことを特徴とする接続配管。
4. 前記請求項１〜３のいずれかに記載の接続配管において、
   内側断面が、その位置および／または形状をメインフロー方向で周期的に変える
   ことを特徴とする接続配管。
5. 前記請求項１〜４のいずれかに記載の接続配管において、
   接続配管に長手方向のコア部材（６０）を差し込んでおり、その外径が、接続配管（５０，５５）の内径より小さい
   ことを特徴とする接続配管。
6. 請求項５に記載の接続配管において、
   コア部材（６０）が、接続配管（５０，５５）の中心点カーブに対して、同心で配設されている
   ことを特徴とする接続配管。
7. 請求項１または２に記載の接続配管において、
   コア部材（６０）が、一定の外周を有している
   ことを特徴とする接続配管。
8. 前記請求項１〜７のいずれかに記載の接続配管において、
   接続配管の形状および／または位置の変化が、メインフロー方向の軸に対して非対称で構成されている
   ことを特徴とする接続配管。
9. 前記請求項１〜８のいずれかに記載のキャピラリ形式接続配管（５０，５５）の少なくとも一つを有する液体クロマトグラフィ用の配設。