JP2010048554A - カラム温度監視装置及びクロマトグラフ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】カラム温度の制御の正確性を向上させることにより分析再現性や分析精度を改善する。
【解決手段】カラム4の外面に温度センサ11が接触するようにセンサユニット10をカラム4に取り付け、温度センサ11で読み取った温度データを有線又は無線の通信路30を通して恒温槽5に設けた温度制御・処理ユニット20に送信する。温度制御・処理ユニット20は、得られた実際のカラム温度が制御・処理部7から指示された目標温度になるようにヒータ51へ供給する加熱電流を制御することによりカラムを温調する。恒温槽内空気やヒートブロックなどの温度ではなくカラム外面の温度に基づいた温調を行うことで、カラム温度の正確性を高めることができる。
【選択図】図1

Description

本発明は、液体クロマトグラフやガスクロマトグラフのカラムを温調するためのカラム温度監視装置、及び、該カラム温度監視装置を用いたクロマトグラフ装置に関する。
液体クロマトグラフ(LC)分析では、カラムの成分保持特性が温度の影響を受けるほか、移動相の粘性等も温度の影響を受けるため、高い分析再現性を実現するにはカラム温度を一定に保つことが重要である。また、同一試料に対して複数のLC装置で得られる分析結果(クロマトグラム)の同一性を確保するには、カラム温度制御の正確性が重要である。こうしたことから、一般に、LC分析(特に現在主流であるHPLC分析)では、カラムを温調するために恒温槽が利用されている(特許文献1など参照)。
カラム温調用の恒温槽には、大別して、ヒートブロック方式、空気循環方式、液体循環方式などの温調方式がある。ヒートブロック方式は、アルミニウムなどの熱伝導率の高い金属ブロックをカラムに密着させ、この金属ブロック自体をヒータ等により温調するものである。空気循環方式は、ヒータで加熱した空気をファンで撹拌し、カラムを収容した恒温槽内の空気を温調するものである。また、液体循環方式は、空気循環方式の空気の代わりに水などの液体を熱媒体として利用するものである。
恒温槽の温調方式のいかんに拘わらず、カラム温調を行う際には温度センサにより現在の温度を監視し、その現在温度に応じてヒータへ供給する加熱電力を調整するような制御が行われる。空気循環方式の恒温槽の場合、通常、恒温槽内の空気の温度を検知するように温度センサが配設され、この温度センサによる検知温度に基づいて制御が行われる。また、ヒートブロック方式の恒温槽の場合には、通常、金属ブロックの温度を検知するように温度センサが配設され、この温度センサによる検知温度に基づいて制御が行われる。
しかしながら、一定温度に維持したい或いは所定の温度に設定したい対象はカラム温度であり、より厳密に言えば、カラムの内部温度である。これに対し、実際に温度センサで検知している温度は恒温槽内空気の温度や金属ブロックの温度である。そこで、従来、空気や金属ブロックの熱伝導性(例えば温度応答性の遅れ)などを予め想定した上で温調制御が行われるようになっているが、実際には、恒温槽内空気や金属ブロックの温度とカラム温度との乖離が予め想定した状態よりもずれ、カラム温調の正確性が損なわれるおそれがあった。
また、空気循環方式では、恒温槽内温度と室温との差が大きくなると、カラムに流入してくる移動相の温度が低く、カラム内での温度勾配のためにクロマトグラムのピークが歪むおそれがある。そのため、カラムの手前にプレヒート部を設け、移動相の温度を予め高めるような構成が採られることがある(特許文献2参照)。その場合でも、プレヒートが十分でないと分析精度が低下することになるが、プレヒートが十分であるか否かは恒温槽内空気の温度や室温などから経験的に判断する必要がある。そのため、判断誤りなどによってプレヒートが不足すると、分析精度を低下させるおそれがあった。
特開2005−140592号公報 特開2005−140505号公報
本発明は上記課題に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、カラムの温度を的確に把握し、これを利用して従来よりも高精度のカラム温調を行うことにより、分析再現性や分析精度の向上を図ることができるカラム温度監視装置及びクロマトグラフ装置を提供することにある。また、本発明の別の目的は、恒温槽内の温度とカラム温度との乖離を的確に把握し、例えばプレヒート流路の長さの調節などを適切に行うことで分析再現性の向上を図ることができるカラム温度監視装置及びクロマトグラフ装置を提供することにある。
上記課題を解決するために成された本発明に係るカラム温度監視装置は、液体クロマトグラフ又はガスクロマトグラフにおいてカラム温度を制御するためのカラム温度監視装置であって、
a)カラムの外面に直接装着され、そのカラム外面の温度に応じた情報を取得する温度検知部を含むセンサ部と、
b)前記センサ部とは離間した位置に配設され、前記温度検知部で得られた情報を処理する処理部と、
c)前記センサ部と前記処理部とを有線又は無線で接続する情報伝達部と、
を備えることを特徴としている。
本発明に係るカラム温度監視装置では、例えばサーミスタ等である温度検知部がカラムの外面に密着するように、センサ部はカラムに直接装着される。したがって、従来とは異なり、温度検知部は外面ではあるがカラム温度を直接的に取得する。好ましくは、センサ部は、前記温度検知部により取得される情報を読み取って温度に応じた電気信号に変換する読み取り部、も有する。この読み取り部は、温度に応じた電気信号をデジタル値に変換するA/D変換器を含むものとすることができる。
一方、情報伝達部を介してセンサ部と接続される処理部は、センサ部から離間した位置に配設される。本発明に係るカラム温度監視装置が、前記カラムが収容される恒温槽を含む場合、前記処理部は前記恒温槽に設置される構成とするとよい。処理部は、例えばセンサ部で得られた温度情報が外部から与えられた目標温度となるように恒温槽内空間を加熱する加熱部に供給する加熱電流を制御する制御回路を備えるものとすることができる。また、処理部は、センサ部で得られた温度情報を例えば数値として表示する表示部を含むようにしてもよい。
また本発明に係るカラム温度監視装置の一態様として、前記センサ部は複数であり、前記処理部はその複数のセンサ部に対し共通に設けられる構成とすることができる。この場合、複数のセンサ部は通常、カラムの長手方向に離れた位置に装着される。これにより、カラムの長手方向、つまり移動相の流れ方向のカラム温度の勾配を把握することが可能となる。
また、本発明に係るカラム温度監視装置では、前記センサ部は、カラム外面に前記温度検知部が密着するように既存のカラムに固定するための保持部を有する構成とするとよい。これにより、既存の、つまりユーザが既に購入しているカラムへのセンサ部の後付けが容易になる。なお、上記保持部は、カラムの外形を機械的に保持するものであってもよいし、或いは、カラムの外面にセンサ部を粘着するものであってもよい。
また、本発明に係るカラム温度監視装置の一態様として、前記センサ部と一体に、カラムを特定するカラム固有情報を保持する情報保持部を有する構成とすることができる。例えば特開2004−85357号公報に開示されているように、カラム固有情報は各カラムに固有のIDとすることができ、このIDを利用してカラムの使用履歴などを管理するものとすることができる。
また、情報伝達部は、有線によるもの、無線によるもののいずれでもよいが、特にセンサ部を複数用いるような場合には、配線の煩雑さをなくすために無線が好ましい。特に、好ましい態様として、RFIDタグを用いた近距離無線によるものとするとよい。
本発明に係るカラム温度監視装置における特に好適な態様として、温度センサとRFIDタグとを一体化した温度センサRFIDタグをセンサ部に用い、このRFIDタグとの間で通信を行うLSIなどを処理部に搭載した構成とすることができる。例えば温度センサが内蔵されたRFIDタグ(非接触データキャリア)として特開平10−289297号公報に記載のものなどが知られており、温度センサとの簡便な接続を考慮したRFIDタグとして特開2005−327104号公報に記載のものなどが知られている。特にバッテリの搭載が不要であるパッシブ型のRFIDタグを用いることにより、装置が非常に簡素化できるとともに信頼性の高いカラム温調が可能となる。
なお、本発明に係るカラム温度監視装置は、既存のカラムと既存の恒温槽とに取り付けることが可能なモジュールの形態とすることができるほか、処理部の機能を組み込んだ恒温槽と既存のカラムに装着可能なセンサ部とを組み合わせた形態、或いは、センサ部をカラム自体に組み込んだ形態、など様々な形態を採り得る。
また、本発明に係るクロマトグラフ装置は上記のカラム温度監視装置を用いたクロマトグラフ装置であって、
カラムに接触するように配設された金属ブロック又は該カラムを収容した恒温槽内空間を加熱する加熱部と、
前記処理部で得られた温度情報に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部と、
を備えることを特徴としている。
ここで制御部は、ハードウエア資源としてのパーソナルコンピュータに制御用のソフトウエアを搭載し、このソフトウエアを動作させることで上記機能を達成するものとすることができる。当然のことながら、従来の装置において監視対象であった恒温槽内空気や金属ブロックの温度と上記発明に係る装置において監視対象であるカラム外面の温度とでは、制御目標値との乖離の程度や加熱部の温度変化に対する応答性などが相違する。したがって、こうした相違を考慮した制御用プログラムが用いられる。
本発明に係るカラム温度監視装置によれば、従来のように恒温槽内空気や金属ブロックの温度を検知するのではなくカラム外面の温度を直接検知し、この温度に基づいた温度制御を行うことができる。これにより、実際のカラム温度と制御目標値との温度の乖離を小さくすることができ、例えば恒温分析の際にはカラム温度を高い精度で一定に維持することができる。また、その温度の絶対値の精度も従来より高めることができる。その結果、分析の再現性、正確性を向上させることができるとともに、複数のクロマトグラフ装置における分析条件の同一性が高まるので、それら複数のクロマトグラフ装置で得られた分析結果を比較する解析の精度も向上する。
また、カラムの長手方向に沿ったカラム外面温度を検知してこれを表示するようにすれば、ユーザはカラム内の温度勾配を容易に把握することができる。それによって、例えばプレヒートが十分であるか否かを判断し、必要に応じてプレヒート流路の長さを変更する等の適切な処置をとることが可能となる。その結果、高い分析再現性を実現することができる。
本発明の一実施例であるカラム温度監視装置を用いた液体クロマトグラフ(LC)装置について、添付図面を参照して説明する。図1は本実施例のLC装置の要部の構成図である。
このLC装置において、送液ポンプ2は移動相容器1に貯留されている移動相を吸引し、一定流量でオートサンプラ3を介しカラム4へと送給する。オートサンプラ3はインジェクタを含み、予め用意された多数のサンプルの中から指定されたサンプルを選択して移動相中にサンプルを注入する。注入されたサンプルは移動相に乗ってカラム4に導入され、カラム4を通過する間に時間方向に分離されて溶出する。カラム4は後述するように一定温度に温調が可能な恒温槽5内に収容されている。カラム4からの溶出液は例えば吸光分光光度計などの検出器6に導入され、溶出液中の各試料成分に応じた検出信号が時間経過に伴って取り出される。
恒温槽5の内部には、恒温槽5内の空気を加熱するヒータ51と加熱された空気を撹拌するファン52が設けられている。後述する温度制御・処理ユニット20からヒータ51に加熱電流が供給されることでヒータ51は発熱する。恒温槽5内の空気の温度は温度センサ53で検知され、温度情報は温度制御・処理ユニット20へと送られる。なお、ヒータ51の代わりにペルチエ素子などの他の加熱源を用いることもできる。また、この例は空気循環方式が採用されたものであるが、カラム4に接触するように熱伝導性の高い金属ブロックを配設し、この金属ブロックをヒータ等で加熱するヒートブロック方式を採用することもできる。
恒温槽5の外側には、LC分析を実行するために各部を統括的に制御するとともに、検出器6から検出信号を受け取って処理する制御・処理部7が設けられ、この制御・処理部7には、分析条件などをユーザが設定するための入力部8と、設定された分析条件や分析の遂行状態、或いは分析結果などを表示するための表示部9とが接続されている。一般的に、制御・処理部7はパーソナルコンピュータを中心に構成され、該コンピュータにインストールされた専用の制御・処理用ソフトウエアを実行することにより、制御や処理を実施することができる。カラム4の温度を一定に維持する恒温分析や温度を上昇させながら分析を行う昇温分析の際には、制御・処理部7が所定の温度プログラムを温度制御・処理ユニット20に指示し、温度制御・処理ユニット20は実際のカラム温度が温度プログラムに指示された目標温度となるようにヒータ51に供給する加熱電流を制御する。
本実施例のLC装置に特徴的な構成として、カラム4の外面にはセンサユニット10が装着され、一方、恒温槽5内の適宜の位置に温度制御・処理ユニット20が設置されており、その両者は通信路30を介して接続されている。センサユニット10は本発明に係るカラム温度監視装置においてセンサ部に相当し、温度制御・処理ユニット20は処理部に相当し、通信路30は情報伝達部に相当する。センサユニット10は少なくとも、サーミスタ等からなる温度センサ11を含み、この温度センサ11の感熱部がカラム4の外面に密着するようにセンサユニット10はカラム4に取り付けられる。
図7及び図8はカラム4へのセンサユニット10の取り付け例を示す概略図である。図7の例では、センサユニット10は粘着部又は吸着部を有し、該粘着部又は吸着部を介してセンサユニット10がカラム4外面に貼り付けられている。図8の例では、センサユニット10はカラム4の外周面を保持する断面略U字状のホルダを有し、このホルダをカラム4外面に嵌め込むことにより、センサユニット10は安定的にカラム4に装着される。もちろん、カラム4へのセンサユニット10の取り付け方法はこれらに限るものではない。
上述したように、カラム4の外面に直接、温度センサ11が接しているから、この温度センサ11によりカラム4の内部温度に近い温度情報を取得することが可能である。基本的には、この温度情報が通信路30を介して温度制御・処理ユニット20に送られ、温度制御・処理ユニット20が最新の温度を認識して制御・処理部7から指示される目標温度となるように加熱電流を制御することで、カラム温調が達成される。但し、センサユニット10、温度制御・処理ユニット20、及び通信路30は、具体的には次のような各種の形態を採ることができる。この各種形態について、図2〜図6を参照して説明する。
[第1形態]
温度センサ11がサーミスタである場合、温度センサ11は温度に応じた抵抗変化を生じるだけであるから、これを温度情報として読み取るためには、温度センサ11の抵抗値を電圧値に変換するとともにアナログ電圧値をデジタル値に変換するためのA/D変換回路部(ADC)12と、A/D変換回路部12を制御するCPUとが必要である。図2に示した第1形態では、センサユニット10に温度センサ11とA/D変換回路部12とが搭載され、A/D変換回路部12を制御するCPUの機能は温度制御・処理ユニット20に搭載されたCPU21が担う。通信路30は、CPU21からA/D変換回路部12へ送られる制御信号とA/D変換回路部12からCPU21へと送られる検知温度データを扱う有線ケーブルである。
なお、カラムは消耗品であるとともに、分析条件によって適宜交換して使用されるものである。したがって、上述のように通信路30が有線である場合には、センサユニット10側と温度制御・処理ユニット20側とでそれぞれコネクタを介してケーブルを接続する構成としておくことにより、ケーブルの着脱が容易であるようにすることが好ましい。
[第2形態]
図3に示した第2形態では、A/D変換回路部12を制御する機能を温度制御・処理ユニット20に搭載されたCPU21から分離し、別のCPU13としてセンサユニット10の側に搭載している。この場合、センサユニット10側のCPU13と温度制御・処理ユニット20側のCPU21との間で、つまり通信路30を通して相互に通信を行う必要がある。このための通信には、例えばRS−232Cに準じた有線通信を使用することができる。
[第3形態]
図4に示した第3形態は、上記第2形態において通信路30を無線化したい場合の例である。通信路30には、赤外光を用いたIrDAや電波を用いたブルートゥース(Bluetooth:登録商標)などを用いることができるが、そのために無線送受信部14、22をセンサユニット10側と温度制御・処理ユニット20側とにそれぞれ設けている。
[第4形態]
図5に示した第4形態では、基本的にセンサユニット10には温度センサ11のみを搭載し、A/D変換回路部12以降の回路を温度制御・処理ユニット20に搭載している。通信路30は温度センサ11から引き出された信号線であり、これが温度制御・処理ユニット20側でA/D変換回路部12に接続される。この構成は、温度センサ11による検知温度の精度の点では不利であるが、使用する部品点数が少なく且つ高価な部品の使用を減らせるため低コスト化に有利である。
[第5形態]
センサユニット10と温度制御・処理ユニット20との間の距離は狭いので、通信路30は短距離通信が行えれば十分である。そこで、非接触式データキャリアシステムによる通信を利用可能である。図6に示した第5形態では、センサユニット10に温度センサ11とRFIDタグ15とを搭載し、温度制御・処理ユニット20にRFIDリーダ24を搭載している。温度センサ11で検知された温度情報は、RFIDタグ15においてアンテナ151を介して送信される。RFIDリーダ24はCPU21の制御の下に送信されて来た情報を読み取る。
RFIDタグ15としては例えば特開2005−327104号公報に記載のようなものを利用することができる。また、温度センサを組み込んだRFIDタグも開発されており(例えばインターネット<URL : http://www.oki.com/jp/Home/JIS/New/OKI-News/2006/04/z06005.html>参照)、こうした素子を利用することで構成を簡単にすることができる。
図1に示した構成例ではセンサユニット10を1個のみカラム4に装着していたが、複数のセンサユニットを1本のカラム4に装着することにより、カラム4の長手方向の異なる部位の温度をそれぞれ測定することが可能である。図9はカラム4の入口側と出口側とにそれぞれセンサユニット10A、10Bを装着した場合の例である。このように複数のセンサユニットを装着すれば、カラム4の長手方向の温度勾配を知ることができる。それによって、例えばカラム4の手前でプレヒートを行う場合に、カラム4入口側の温度が出口側に比べて大きく低いときにプレヒートが不十分であると判断することができる。またセンサユニット10及び温度制御・処理ユニット20の構成は基本的に上記いずれの形態であってもよいが、通信路30が有線である場合には配線が煩雑になり取り扱にくい。そこで、第3形態又は第5形態のような無線方式で且つ一対多通信対応としておくことにより、構成が簡単になる。
また、上記実施例におけるセンサユニット10と温度制御・処理ユニット20は温度モニタ機能のみを有するものであるが、カラムに固有のIDを記録したICチップを装着し、そのIDによりカラムの使用履歴などをサーバにおいて管理するカラム管理機能を付加することもできる。例えば上記第2形態の構成においては、センサユニット10内にCPU13により制御可能な不揮発性メモリを備え、この不揮発性メモリにカラムに固有のID等の識別情報を書き込んでおけば、制御・処理部7は必要に応じてCPU21、CPU13を介して上記識別情報を読み出し、その識別番号に対応してカラムの使用履歴などを管理することができる。
上記第5形態の構成においては、一般にRFIDタグ15は或る程度の情報を書き込み可能な不揮発性メモリ152を有しているし、またそもそもRFIDタグには個体識別可能な固有番号が予め割り振られている。そこで、そうした不揮発性メモリへ書き込んだ識別情報やRFIDタグの固有番号を利用して、それを装着したカラムの使用履歴などの管理を行うようにすることができる。
上述したように上記実施例のLC装置では、実際のカラム内温度に近いカラム4外面の検知温度に基づいて温度制御を行うことが可能であるので、従来よりも正確な温調を実現できる。但し、通常、恒温槽5内に設置された槽内空気の温度を検知するための温度センサ53に対し、センサユニット10の温度センサ11はヒータ51から遠い位置にある。そこで、温度センサ11による検知温度と温度センサ53による検知温度との差が大きい場合や温調の目標温度と温度センサ11、53による検知温度との差が大きいような場合には、当初、温度センサ53による検知温度に基づく温度制御を実施し、上記温度差が小さくなったのちに温度センサ11による検知温度に基づく温度制御に切り替えるとよい。また、温調を開始してから所定の時間が経過しても温度センサ11による検知温度と温度センサ53による検知温度との差が所定値以下にならない場合には、何らかの異常があると判断して、表示部9に警告表示を行うようにしてもよい。
また、制御・処理部7ではLC分析の進行に伴い、所定時間間隔でカラム温度情報を温度制御・処理ユニット20から受け取ってこれを記録し、LC分析結果であるクロマトグラムデータとともに温度履歴(ログ)として保存するようにするとよい。これにより、分析結果に何らかの疑義があるような場合に温度履歴を確認することにより、カラム温度に問題がなかったか否かをすぐに確認することができる。また、送液ポンプ2での設定流量の変更、恒温槽5の設定温度の変更などの分析条件の変化に対して、実際にカラム温度がどのように変化したのかを検証することが容易になる。
なお、上記実施例は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは当然である。
本発明の一実施例によるLC装置の要部の構成図。 センサユニット及び温度制御・処理ユニットの構成例(第1形態)を示す図。 センサユニット及び温度制御・処理ユニットの構成例(第2形態)を示す図。 センサユニット及び温度制御・処理ユニットの構成例(第3形態)を示す図。 センサユニット及び温度制御・処理ユニットの構成例(第4形態)を示す図。 センサユニット及び温度制御・処理ユニットの構成例(第5形態)を示す図。 カラムへのセンサユニットの取り付け例を示す概略図。 カラムへのセンサユニットの取り付け例を示す概略図。 複数のセンサユニットをカラムに装着する場合の構成例を示す図。
符号の説明
1…移動相容器
2…送液ポンプ
3…オートサンプラ
4…カラム
5…恒温槽
51…ヒータ
52…ファン
53…温度センサ
6…検出器
7…制御・処理部
8…入力部
9…表示部
10、10A、10B…センサユニット
11…温度センサ
12…A/D変換回路部
13…CPU
14…無線送受信部
15…RFIDタグ
151…アンテナ
152…不揮発性メモリ
20…温度制御・処理ユニット
21…CPU
24…RFIDリーダ
30…通信路

Claims (8)

  1. 液体クロマトグラフ又はガスクロマトグラフにおいてカラム温度を制御するためのカラム温度監視装置であって、
    a)カラムの外面に直接装着され、そのカラム外面の温度に応じた情報を取得する温度検知部を含むセンサ部と、
    b)前記センサ部とは離間した位置に配設され、前記温度検知部で得られた情報を処理する処理部と、
    c)前記センサ部と前記処理部とを有線又は無線で接続する情報伝達部と、
    を備えることを特徴とするカラム温度監視装置。
  2. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記センサ部は複数であり、前記処理部はその複数のセンサ部に対し共通に設けられることを特徴とするカラム温度監視装置。
  3. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記センサ部は、カラム外面に前記温度検知部が密着するように既存のカラムに固定するための保持部を有することを特徴とするカラム温度監視装置。
  4. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記カラムが収容される恒温槽を含み、前記処理部は前記恒温槽に設置されることを特徴とするカラム温度監視装置。
  5. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記センサ部は、前記温度検知部により取得される情報を読み取り、温度に応じた電気信号に変換する読み取り部を有することを特徴とするカラム温度監視装置。
  6. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記センサ部と一体に、カラムを特定するカラム固有情報を保持する情報保持部を有することを特徴とするカラム温度監視装置。
  7. 請求項1に記載のカラム温度監視装置であって、
    前記センサ部はRFIDタグを使用したものであることを特徴とするカラム温度監視装置。
  8. 請求項1〜7のいずれかに記載のカラム温度監視装置を用いたクロマトグラフ装置であって、
    カラムに接触するように配設された金属ブロック又は該カラムを収容した恒温槽内空間を加熱する加熱部と、
    前記処理部で得られた温度情報に基づいて前記加熱部による加熱を制御する制御部と、
    を備えることを特徴とするクロマトグラフ装置。
JP2008210222A 2008-08-19 2008-08-19 カラム温度監視装置及びクロマトグラフ装置 Pending JP2010048554A (ja)

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