JP2011158450A - 固相抽出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデショニング試薬、洗浄純水、試料水の送液および溶離液による溶出工程から濃縮液の回収までを自動的に行うことができるコンパクトで安価な固相抽出装置を提供する。
【解決手段】試料水（１ａ）、洗浄に使用される純水（１ｂ）および固相抽出カラム（４）のコンデショニング用の複数の試薬（１ｃ）等を順次選択できる多チャンネル切換弁（２ａ）と、多チャンネル切換弁（２ａ）からの流路（３ａ）と溶離液（１ｄ）からの流路（３ｂ）を選択できる三方切換弁（２ｂ）と、三方切換弁（２ｂ）からの流路（３ｃ）を接続した固相抽出カラム（４）、などからなる流路構成を特徴とする固相抽出装置。
【選択図】図１

Description

本発明は固相抽出装置に関するものである。

固相抽出法を用いて試料に含まれる微量成分を濃縮し分析する手段は、環境水、飲料水および食品中の有害成分の分析の前処理手段として広く活用されている。これらの試料水の有害成分の人体に影響する許容基準は年々厳しくなる傾向にあるが、それに伴う機器分析装置の分析感度は飛躍的には高感度化されていない現状である。したがって、より正確な分析結果を得るためには、あらかじめ分析成分を濃縮した試料水を測定しなければならない。この目的のために、固相抽出法は有効な濃縮法として広く活用されてきた技術である。

従来の技術による固相抽出装置の一例を図２〜４に示した。固相抽出法は、あらかじめ複数のコンデショニング試薬１ｃによって固相抽出カラム４に充填されている吸着剤を活性化させた後（以下コンデショニングと呼ぶ）、これに一定量（Ａｍｌ）の試料水１ａを送液し吸着剤に分析成分だけを捕集しておき、次に少量の溶離液１ｄを固相抽出カラム４に送液して吸着剤に吸着された分析成分を溶出させ、得られた濃縮液（Ｂｍｌ）を分析装置によって定量される。最終的な濃縮率は前記試料水Ａｍｌを濃縮液Ｂｍｌで除算することによって計算され、通常濃縮率は１０〜１００倍程度である。

濃縮率を大きくするためには、試料水１ａを大量に使用し且つ溶離液１ｄの使用量を少なくすることで濃縮率を高めることができる。しかし試料水１ａを多量に使用すると固相抽出カラム４への送液時間が長時間におよび処理能力が低下する。この対策として、送液速度を大きくし且つ吸着剤の吸着能力を高める改善が実施されるが、単に吸着剤の充填量を増して吸着能力を高めると、固相抽出カラム４の送液抵抗が増大し送液速度が低下する。固相抽出カラム４の改良品として、送液抵抗が小さくかつ吸着能力の高い吸着剤の開発が行われ市販されるに至っている。

前記固相抽出法の工程は、固相抽出カラム４の複数の試薬によるコンデショニング、試料水１ａの送液、固相抽出カラム４の洗浄および固相抽出カラム４への溶離液１ｄの送液による溶出工程からなる。一般に試料水１ａは多検体の場合が多く、図２に示したような装置を用いて行われる場合が多い。図２の耐圧容器８には減圧ポンプ９が接続されており、耐圧容器８の内部を負圧に保つことができる。また、耐圧容器８の上部には固相抽出カラム４を複数個装着できる構造となっている。固相抽出作業に先んじて耐圧容器８の内部は減圧ポンプ９によって適宜減圧調整された状態となっており、この状態で固相抽出カラム４に複数のコンデショニング試薬１ｃ、洗浄水１ｂ、試料水１ａの順序で加えられ分析成分が固相抽出カラム４に吸着される。次工程では図３に示したように、耐圧容器８の内部に濃縮液回収容器１ｅが設置され固相抽出カラム４に加えられた溶離液１ｄによって濃縮された濃縮液が回収される。以後、上記手段を減圧抽出法と呼ぶ。

減圧抽出法の特徴は、安価で一度に複数個の固相抽出カラム４を装着し多検体の処理を行うことができるが、一方、耐圧容器の減圧の微調整が難しく送液速度を一定に保つことに難点がある。また、固相抽出カラム４の送液抵抗は個々に異なることが多く、送液抵抗の小さな固相抽出カラム４の送液速度が大きくなり、抽出効率にばらつきが発生する傾向を示す。さらに、各固相抽出カラム４の残液量を常時観察し、空引きによる他の固相抽出カラム４の送液減速に注意する必要がある。

前記減圧抽出法に対して加圧抽出法があり、この方法は減圧抽出法に比較して送液速度を一定に制御できる特徴を備えている。加圧抽出法はペリスタブルポンプや図４に示したダブルプランジャポンプ５ｃによって一方向に送液される。ペリスタブルポンプは柔軟性チューブをしごくことによって送液されるため、柔軟性チューブが有機溶剤によって溶解し試料を汚染する恐れがあるために、ガラスやテフロン（登録商標）材を使用したダブルプランジャポンプ５ｃが使用されることが多い。図４に示したダブルプランジャポンプ５ｃは、二つのプランジャ５ａをギヤ１０ａおよび１０ｂを介してモータ１１によって各々上下に同期して駆動され、プランジャ５ａの降下時は試薬を逆止弁１２を経由して吸引し、上昇時は逆止弁を経由して固相抽出カラム４に試薬を供給する。したがって、送液方向は固定され一方向となっている。以上の機能を備えた加圧送液装置が市販されている。また、自動化装置の検討も行われている（特許文献１）。

実際の送液操作においては、コンデショニング試薬１ｃ、純水１ｂ、試料水１ａおよび溶離液１ｄなどの順序で送液される。送液に先んじてダブルプランジャポンプ５ｃの二つのプランジャ５ａに試薬を充填する作業が行われる。プランジャ５ａの容量は一般に１０ｍｌで最大約３０ｍＬ／分の吐出能力を備えている装置が一般的である。充填操作によって使用される試薬の容量は各プランジャ５ａの少なくても５〜６往復によって行われ、使用される試薬は１００〜１２０ｍｌ（約４分）に及び試薬の消費量が多くなる欠点がある。また、加圧抽出法により１台のダブルプランジャポンプ５ｃを用いて行うと、各試薬の充填操作→送液→充填操作→送液・・・と操作が煩雑且つ長時間を要し、効率的な抽出操作が困難である。これに対し、試薬ごとに複数のダブルプランジャポンプ５ｃを用いると、充填操作は最初の一回で済むが試薬の数だけダブルプランジャポンプ５ｃが必要となり、コストアップは避けられない。以上述べた減圧および加圧抽出法のそれぞれの長所を活用した固相抽出装置の開発が望まれている。

特開２００８−２１５８５９号公報

本発明が解決しようとする固相抽出装置の課題は、１）コンデショニングから溶出までの濃縮工程をシーケンスプログラム上で自動的に行えること、２）試薬の消費量が必要最小量であること、３）送液速度が一定で且つ任意の送液速度が設定できることである。以上の機能の他に多検体試料に対応できるように、必要に応じて固相抽出装置を増設できる機能と安価であることも必要である。以上の機能を満たした固相抽出装置は考案されていない。
前記諸課題に着目し、本発明は、流路切換弁技術と減圧送液および加圧送液技術を有効に活用することによって、試薬消費量の削減と濃縮工程の自動化を実現できる他、装置の簡素化によってコンパクトで安価な固相抽出装置を提供することを目的としてなされたものである。

本目的を達成する手段として、図１に示した特許請求項１の固相抽出装置において、試料水１ａ、洗浄に使用される純水１ｂおよび固相抽出カラム４のコンデショニング用の複数の試薬１ｃ等を順次選択できる多チャンネル切換弁２ａと、多チャンネル切換弁２ａからの流路３ａと溶離液１ｄからの流路３ｂを選択できる三方切換弁２ｂと、三方切換弁２ｂからの流路３ｃを接続した固相抽出カラム４と、固相抽出カラム４の下部からの流路３ｄと濃縮液回収容器１ｅへの流路３ｅと吸引および吐出が可能な４方切換弁２ｅと二つのプランジャ５ａを具備するダブルプランジャポンプ５への流路３ｆを切換える三方切換弁２ｃと、三方切換弁２ｃとダブルプランジャポンプ５間に配置された三方ジョイント６と、三方ジョイント６の一端に接続された溶離液１ｄの一定量を貯めるためのコイルチューブ７と、コイルチューブ７と溶離液１ｄおよび前記流路３ｂを選択できる三方切換弁２ｄからなる流路構成を特徴とする固相抽出装置を使用することによって、試薬消費量の削減と濃縮工程の自動化を実現できた。

図１に本発明による流路図と各種切換弁（２ａ〜２ｅ）およびダブルプランジャポンプ５（双方向性）を制御するＣＰＵボードからなる模式図を示した。また図５に装置の外観図を示した。

第一の課題であるコンデショニング用試薬１ｃから試料水１ａおよび洗浄水１ｂまでの試薬の送液は、多チャンネル切換弁２ａの流路切換によって自動的に切換えられ、固相抽出カラム４にダブルプランジャポンプ５の減圧送液方式によってシーケンシャルに供給することができる。また、溶出工程の自動化に関してはダブルプランジャポンプ５の双方向送液機能を応用し、プランジャ５ａの吸引により溶離液１ｄをコイルチューブ７に一旦充填した後直ちに吐出動作に切換えて、コイルチューブ７の溶離液を固相抽出カラムに送液し濃縮液を濃縮液回収容器１ｅに回収される。従って、すべての送液操作は自動化され固相抽出操作の簡素化と効率化が実現できた。

第二の課題であった試薬消費量に関し、多チャンネル切換弁２ａと減圧送液方式の採用によって、試薬１ｃおよび試料水１ａの選択送液の自動化と充填操作に伴う試薬の浪費を皆無にすることができた。また、溶離液１ｄについてもコイルチューブ７へのダブルプランジャポンプ５による減圧充填後の加圧送液方式の採用によって、従来は必要量に無関係に１００〜１２０ｍＬを浪費したが、本発明では必要量（約１０ｍＬ）の最大２０％（２ｍＬ）まで削減可能となった。

第三の課題である一定速度の送液と任意の速度設定に関しては、従来の技術である図２および図３に示した減圧送液法の欠点である送液速度が不安定で且つ送液速度の設定および管理の煩雑さを一挙に解決することができた。すなわち、従来の技術は固相抽出カラム４の出口から気体を媒体とて減圧するのに対し、本発明では直接液体（試料水１ａ等）を媒体としてダブルプランジャポンプ５により減圧するために、定流量送液が確保（０．１〜３０ｍＬ／分±２％）できた。また、独立した二つモータ１１によって駆動されるダブルプランジャポンプ５の送液量をタッチキーによって定量的に設定が可能となった。

本発明による流路切換弁技術と減圧送液および加圧送液技術を有効に活用した固相抽出装置を使用することによって、試薬消費量の削減と濃縮工程の自動化を実現できる他、装置の簡素化によってコンパクトで安価な固相抽出装置を提供できる。

本発明の一実施例を示す固相抽出装置のブロック図。 従来の減圧送液法によるコンデショニング試薬、純水、試料水の送液状態を示す固相抽出装置の一例。 従来の減圧送液法による溶離液による溶出工程を示す固相抽出装置の一例。 従来の加圧送液法によるコンデショニング試薬、純水、試料水の送液状態を示す固相抽出装置の一例。 本発明の固相抽出装置の外観図。

本発明の実施例を図１に基づいて説明する。図１は本発明による固相抽出装置（以下本装置と略記）の流路図を主体とするブロック図を示したものである。
本装置は大別して固相抽出を行うための流路と、これらの流路に配置された切換弁（２ａ〜２ｅ）と、ダブルプランジャポンプ５を制御するメインＣＰＵボード１４および本装置を運転し且つプログラムシーケンスを設定登録するためのタッチキー機能付液晶表示器１３から構成される。

流路の開始点は多チャンネル切換弁２ａから始まる。多チャンネル切換弁２ａは試料水１ａ、洗浄水１ｂ、コンデショニング試薬１ｃ（有機溶剤、緩衝液等）等複数個の試薬を順次切換え、流路３ａを経由して固相抽出カラム４に送液するためのものである。多チャンネル切換弁２ａはメインＣＰＵボードの指示に従いモータ１１によって駆動される。多チャンネル切換弁２ａのポートは通常４〜８ポートを備えており、試薬ばかりでなく固相抽出カラム４内の充填剤を乾燥するなどに使用する空気または窒素ガスなども接続される。多チャンネル切換弁２ａの材質は耐薬品性でかつ有機物や金属化合物を溶出しない材質が使用され、本装置ではセラミックス系（二酸化ケイ素およびジルコニア）の摺り合せ弁と配管としては内径１〜２ｍｍのテフロン（登録商標）チューブが使用される。また、後述する４方切換弁２ｅの材質も同様である。その他の切換弁２ｂ〜２ｄはテフロン（登録商標）製の電磁弁が使用される。

固相抽出法の最初の作業として、一般にコンデショニングと言われる固相抽出カラム４の活性化が行われる。固相抽出カラム４は一回の抽出作業で新品に交換され使い捨てされる場合が多く、従ってコンデショニングは１試料に対して必ず１回実施される。一般的に有機溶剤（メタノール、アセトン等）が通液された後純水洗浄→緩衝液→純水洗浄の順序で行われる。以上の試薬の選択と通液量（約１０〜２０ｍＬ）および通液速度（約１０ｍＬ／分）はコンデショニングファイル内に設定され条件で送液される。以降、使用される流路は流路３ａ→三方切換弁２ｂ→流路３ｃ→固相抽出カラム４→流路３ｄ→三方切換弁２ｃ→流路３ｆ→三方ジョイント６→ダブルプランジャポンプ５→廃液槽１６の流路で減圧送液される。

コンデショニング終了後、サンプルロードファイルの設定値に従い試料水１ａが送液（通常１００ｍＬ〜１０００ｍＬ、通液速度１〜２０ｍＬ／分）される。また試料水１ａは多チャンネル切換弁２ａの未使用ポートに割りふることができるので、自動化への応用性に優れている。試料水１ａの送液後は洗浄用純水１ｂが送液され固相抽出カラム４および流路内が洗浄される。本装置は、以上のコンデショニングから試料水１ａおよび洗浄工程はプログラムシーケンスに従い自動的に行われ、繰り返し精度の高い送液と試薬浪費を最小限に留めた送液が特徴である。

試料水１ａの送液後純水１ｂによる洗浄が行われた後、溶出ファイルに設定された溶離液１ｄによる溶出工程が実施される。溶出工程の最初に、溶離液１ｄをコイルチューブ７に充填する作業から始まる。溶離液１ｄは三方切換弁２ｄ→コイルチューブ７→三方ジョイント６→ダブルプランジャポンプ５→廃液槽１６の流路で充填される。一般に溶離液１ｄの必要量は１０ｍＬ以下の場合が多く、従ってコイルチューブ７の内体積は１０ｍＬ以上通常２割増しの体積で少なくてもダブルプランジャポンプ５のプランジャ５ａの１ストロークの体積以上が適当である。コイルチューブ７は通常内径２〜３ｍｍのテフロン（登録商標）チューブをコイル状に巻いた状態で使用される。コイルチューブ７の内径を大きくするとコイルチューブ７の長さを短縮できるが、他の試薬の入換え作業時に試薬消費量が多くなる傾向を示すので好ましくない。

溶出ファイルには溶離液１ｄの吐出量が設定されるが、コイルチューブ７に充填される溶離液の量は、通常自動的に吐出量の２割増しの溶離液１ｄが充填されるので、装置使用者はコイルチューブ７への充填量を考慮する必要はない。溶出工程では、前記減圧送液で溶離液１ｄを吸引したプランジャ５ａが吐出動作に切換わることで開始される。ダブルプランジャポンプ５は、前記図４に示したダブルプランジャポンプ５ｃが１つのモータで駆動されているのに対して独立したモータ１１によって各プランジャ５ａを駆動しており、４方切換弁の二組の流路を切換えて使用することによって、吐出または吸引送液の併用が可能である他、プランジャ５ａの単独駆動が可能である特徴も備えている。これらの機能の活用によって課題を解決することができた。

溶出工程は、ダブルプランジャポンプ５→三方ジョイント６→コイルチューブ７→三方切換弁２ｄ→流路３ｂ→三方切換弁２ｂ→流路３ｃ→固相抽出カラム４→流路３ｄ→三方切換弁２ｃ→流路３ｅ→濃縮液回収容器１ｅの流路で濃縮液が回収される。溶離液１ｄによる固相抽出カラム４に吸着された分析成分の溶出は、通常１０ｍＬ以下の溶離液１ｄを使って行われ回収率を高める目的で送液速度１０ｍＬ／分以下の比較的低速で送液される。回収され濃縮液の液量は、場合によって溶出ファイルに設定された液量以下となることもあるが、この場合は溶離液を適宜添加して一定量に定容する作業が行われる。定容された試料は機器分析装置によって分析成分が測定される。

１ａ：試料水
１ｂ：純水
１ｃ：コンデショニング試薬
１ｄ：溶離液
１ｅ：濃縮液回収容器
２ａ：多チャンネル切換弁
２ｂ：三方切換弁
２ｃ：三方切換弁
２ｄ：三方切換弁
２ｅ：四方切換弁
３ａ：流路
３ｂ：流路
３ｃ：流路
３ｄ：流路
３ｅ：流路
３ｆ：流路
４ ：固相抽出カラム
５ ：ダブルプランジャポンプ
６ ：三方ジョイント
７ ：チューブコイル
８ ：減圧容器
９ ：減圧ポンプ
１０ａ：ギヤ
１０ｂ：ギヤ
１１ ：モータ
１２ ：逆止弁
１３ ：表示器
１４ ：メインＣＰＵボード
１５ ：Ｉ／Ｏポート
１６ ：廃液槽

Claims (5)

1. 海水、湖沼水、河川水などの環境水および食品等に含まれる有害成分を化学分析するための濃縮処理手段において使用される固相抽出装置において、試料水（１ａ）、洗浄に使用される純水（１ｂ）および固相抽出カラム（４）のコンデショニング用の複数の試薬（１ｃ）等を順次選択できる多チャンネル切換弁（２ａ）と、多チャンネル切換弁（２ａ）からの流路（３ａ）と溶離液（１ｄ）からの流路（３ｂ）を選択できる三方切換弁（２ｂ）と、三方切換弁（２ｂ）からの流路（３ｃ）を接続した固相抽出カラム（４）と、固相抽出カラム（４）の下部からの流路（３ｄ）と濃縮液回収容器（１ｅ）への流路（３ｅ）と吸引および吐出が可能な４方切換弁（２ｅ）と二つのプランジャ（５ａ）を具備するダブルプランジャポンプ（５）への流路（３ｆ）を切換える三方切換弁（２ｃ）と、三方切換弁（２ｃ）とダブルプランジャポンプ（５）間に配置された三方ジョイント（６）と、三方ジョイント（６）の一端に接続された溶離液（１ｄ）の一定量を貯めるためのコイルチューブ（７）と、コイルチューブ（７）と溶離液（１ｄ）および前記流路（３ｂ）を選択できる三方切換弁（２ｄ）からなる流路構成を特徴とする固相抽出装置。
2. 前記請求項１の固相抽出装置において、溶離液（１ｄ）を三方切換弁（２ｄ）、コイルチューブ（７）、三方ジョイント（６）を経由してダブルプランジャポンプ（５）の吸引動作によってコイルチューブ（７）内に充填した後、ダブルプランジャポンプ（５）の吸引動作を吐出動作に切換え、三方ジョイント（６）、コイルチューブ（７）、三方切換弁（２ｄ）、流路（３ｂ）、三方切換弁（２ｂ）、固相抽出カラム（４）、三方切換弁（２ｃ）および濃縮液を回収する流路（３ｅ）を経由して一定量の濃縮液を回収することを特徴とする固相抽出装置。
3. 前記請求項１の固相抽出装置において、コイルチューブ（７）の内径が１〜５ｍｍで、コイルチューブ（７）の長さが前記請求項２で使用される溶離液（１ｄ）の体積と同体積となる長さ以上であることを特徴とする固相抽出装置。
4. 前記請求項１の固相抽出装置において、ダブルプランジャポンプ（５）の二つのプランジャ（５ａ）は各々独立したモータ（１１）によって駆動されていることを特徴とする固相抽出装置。
5. 前記請求項１の固相抽出装置において、多チャンネル切換弁（２ａ）、三方切換弁（２ｂ）、固相抽出カラム（４）、三方切換弁（２ｃ）、４方切換弁（２ｅ）および送液用ダブルプランジャポンプ（５）を経由してコンデショニング試薬（１ｃ）の送液、試料水（１ａ）の固相抽出カラム（４）の送液、洗浄水（１ｂ）の送液を行った後、前記請求項２に示した溶離液（１ｄ）による固相抽出カラム（４）への送液によって濃縮液回収容器（１ｅ）への濃縮液の回収に至る一連の送液を自動的に行うことができる固相抽出装置。