JP2013238572A - プレート型カラム及び温調装置並びにガスクロマトグラフ装置 - Google Patents

プレート型カラム及び温調装置並びにガスクロマトグラフ装置 Download PDF

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Abstract

【課題】流路を急速に昇温及び降温させることができ、且つ正確な分析等を実現可能なプレート型カラム及び温調装置並びにガスクロマトグラフ装置を提供する。
【解決手段】プレート型カラム10を、平板状の本体部11と、前記本体部11の周縁から突出した突出部12、13と、前記本体部11及び前記突出部12、13の内部に形成された流体流通用の流路14とを有するものとし、前記流路14の中間部を前記本体部11内に設けると共に、該流路14の両端部を前記本体部11内から前記突出部12、13内へと延出させ、該突出部12、13の先端にて外部に開放させた形状とする。
【選択図】図1

Description

本発明は、流体(気体又は液体)を流通させるための流路を有し、該流路に導入した流体中の成分の分離、分析、又は反応等を行うためのプレート型カラム、及び該プレート型カラムの温度調整を行うための温調装置、並びに該温調装置と該プレート型カラムを備えたガスクロマトグラフ装置に関する。
従来、気体試料中の成分の分離・分析を行うための装置としてガスクロマトグラフ装置が広く用いられている。ガスクロマトグラフ用のカラムとしては、ガラス管やステンレス管に固定相を充填して成るパックドカラムや、石英管の内壁に固定相を塗布して成るキャピラリカラムが広く使用されている。これらのカラムは、多くの場合、対流式のオーブンに収容され、徐々に温度が上昇するように加熱される。通常は、試料導入時のカラム温度は低く、徐々に昇温することにより試料中の成分が分離され、最後の成分が分離されるときには200℃〜400℃程度の高温となる。従って、分析が終了し、次の試料をカラムに導入して分析を開始するためには、速やかに高温のカラム及びオーブンを冷却する必要がある。しかし、上記のような対流式のオーブンは熱容量が大きいため、こうした急速な温度調整を行うのは困難である。
こうした問題点を改善するため、近年、金属製やシリコン製の基板内に微細な流路を形成して成るプレート型カラムが開発されている。更に、該プレート型カラムをヒータブロックに押し当てて熱伝導により加熱及び冷却(放熱)することで、急速な昇温及び降温を行うことのできるガスクロマトグラフ装置も提案されている(例えば、非特許文献1を参照)。
アイ・イー・イー・ジェイ トランザクションズ オン エレクトリカル アンド エレクトロニック エンジニアリング(IEEJ Transactions on Electrical and Electronic Engineering), 2009年5月, 第4巻, 第3号, pp. 358-364
図5に上記の非特許文献1に係るプレート型カラムの構成を示す。なお、説明の便宜上、図中では同文献に係るプレート型カラムを中央で切断した状態を示している。このプレート型カラムの本体90は円形のガラス基板91とシリコン基板92とを貼り合わせて成るものであり、該本体90の内部には微細な流路93が渦巻き状に形成されている。該流路93の入口端93aと出口端93bはいずれも本体90の上面に開口しており、各開口部には合金等から成る配管接続部材94が取り付けられている。該配管接続部材94は陽極接合などによってカラム本体90の上面に直接的に接合されており、各配管接続部材94にガス導入用の配管又はガス排出用の配管を接続することにより、ガスクロマトグラフ装置のガス流路中にプレート型カラムを介挿することができる。
しかしながら、上記のような構成から成る従来のプレート型カラムでは、カラムの本体90に取り付けられた配管接続部材94の影響によりカラム全体の熱容量が不均一となる。そのため、カラムを急速に昇温又は降温しようとすると流路内の温度にむらが生じ、その結果、正確な分析結果が得られなくなるおそれがあった。
本発明は上記のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流路を急速に昇温及び降温させることができ、且つ正確な分析等を実現可能なプレート型カラム、及び該プレート型カラムの温度を調整するための温調装置、並びに該プレート型カラムと該温調装置とを備えたガス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プレート型カラムは、
a) 平板状の本体部と、
b) 前記本体部の周縁から突出した突出部と、
c) 前記本体部及び前記突出部の内部に形成された流体流通用の流路と、
を有し、
前記流路の中間部が前記本体部内に設けられていると共に、該流路の両端部が前記本体部内から前記突出部内へと延出して該突出部の先端にて外部に開放されていることにより、前記本体部と前記突出部を、それぞれ独立に温度調整可能とすることを特徴としている。
このように、流体流通用の流路の両端を前記突出部の先端において外部に開放する(すなわち流路の入口と出口を突出部の先端に設ける)構成とすることにより、該流路と外部配管との接続をプレート型カラムの本体部から離れた位置で行うことが可能となる。その結果、本体部の熱容量を小さく且つ均一とすることができるため、該本体部を急速に昇温又は降温させた場合でも、該本体部内の流路における温度のむらを抑えることができる。なお、突出部には外部配管と接続するための配管接続部材が取り付けられるため、該突出部の熱容量は不均一となるが、流路の大部分を本体部側に設けたり、突出部側については時定数の長い温度制御を行ったりすることで、該熱容量の不均一性による影響を抑えることができる。
なお、本発明に係るプレート型カラムには、前記突出部を1つだけ設け、前記流路の両端を該1つの突出部内に延出させる構成としてもよいが、1つの本体部に対して突出部を複数設け、前記流路の両端をそれぞれ別の突出部内に延出させる構成とすることが望ましい。このような構成によれば、1つの突出部内に流路の両端を設ける場合に比べて各突出部の幅を狭くすることができるため、本体部と突出部の間の熱伝導を抑えることができる。
また、本発明に係るプレート型カラムは、本体部と突出部を別の部材で構成してもよいが、同一部材上に本体部と突出部を形成し、該部材を切り抜くことにより突出部を形成することが望ましい。このような構成によれば、安価な加工でプレート型カラムを作製することができる。
また、上記課題を解決するためになされた本発明に係る温調装置は、前記プレート型カラムの温度調整を行うための温調装置であって、
a) 前記本体部を温調する第1温調手段と、
b) 前記突出部を温調する第2温調手段と、
c) 前記第1温調部と第2温調部をそれぞれ独立に制御する制御手段と、
を有することを特徴としている。
このような温調装置によれば、前記プレート型カラムの本体部と突出部をそれぞれ独立に温調することが可能となる。これにより、熱容量が比較的均一な本体部については、相対的に時定数の短い温度調整を行い、熱容量が比較的不均一な突出部については、相対的に時定数の長い温度調整を行うといったことが可能となる。
また、上記課題を解決するためになされた本発明に係るガスクロマトグラフ装置は、前記温調装置と、流路内壁にガスクロマト分析用の固定相が担持された前記プレート型カラムを備えていることを特徴としている。
以上説明した通り、本発明に係るプレート型カラム及び温調装置並びにガスクロマトグラフ装置によれば、急速な昇温又は降温を行った場合でも、本体部内の流路の全域をほぼ均一な温度とすることができるため、分析等の結果に影響を及ぼすことなく分析等のスループットを向上させることが可能となる。
本発明の一実施例によるプレート型カラムの概略構成図であって、(a)は平面図、(b)は(a)のX-X矢視断面図である。 同実施例によるガスクロマトグラフ装置の要部構成を示す模式図。 前記ガスクロマトグラフ装置におけるプレート型カラム周辺の拡大断面図。 突出部の形状の別の例を示す平面図。 従来のプレート型カラムの一例を示す斜視図。
以下、本発明を実施するための形態について実施例を挙げて説明を行う。
図1は本発明の一実施例によるプレート型カラムの構成を示す図である。本実施例に係るプレート型カラム10は、矩形の本体部11と、該本体部11の一辺からそれぞれ突出した、前記本体部11よりも幅狭の第1突出部12及び第2突出部13を備えている。
本体部11、第1突出部12、及び第2突出部13は、厚さ0.3 mmのステンレスから成る二枚の基板(以下、それぞれ上側基板17、下側基板18と呼ぶ)を貼り合わせて成るものであり、本体部11の寸法は、長さ10 cm、幅10 cmである。また、第1突出部12及び第2突出部13の寸法は、それぞれ長さ3〜8 cm、幅0.6 cmとなっている。
前記プレート型カラム10の内部には、幅100〜200 μm、深さ50〜100 μm、長さ7〜8 mの流路14が設けられており、該流路14の中間部は本体部11に形成され、該流路14の両端部は本体部11からそれぞれ第1突出部12及び第2突出部13へと延出している。第1突出部12及び第2突出部13の先端には、それぞれ流体の出入り口となる第1開口15及び第2開口16が設けられており、流路14の両端はこれら第1開口15及び第2開口16によって外部空間と連通している。なお、プレート型カラム10に含まれる流路14は、その大部分(少なくとも半分以上)が本体部11の側に存在するようにすることが望ましい。そのため、本実施例では、図1に示す通り、本体部11中において流路14を複数回折り返すように形成している。
なお、上記の寸法や材質はあくまで一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、上側基板17と下側基板18は、ステンレス以外の金属や、ガラス、シリコン、樹脂など、種々の素材で構成することができる。また、上側基板17と下側基板18を互いに異なる素材で構成してもよい。
上記本実施例に係るプレート型カラム10の製造方法について説明する。まず、下側基板18の一方の面に流路14となる溝を形成すると共に、上側基板17に前記第1開口15及び第2開口16となる貫通孔を形成する。そして、これらの基板を前記溝が形成された面が内側となるように対向配置し、前記溝の両端と前記貫通孔の位置を合わせた上で、基板同士を接着剤や蝋付けなどによって接合する。その後、上側基板17と下側基板18を二枚同時に打ち抜くことによって上記のような本体部11、第1突出部12、及び第2突出部13を備えた形状に加工する。
なお、以上により製造されたプレート型カラム10をガスクロマトグラフィー用の分離カラムとして用いるためには、流路14の表面にガスクロマトグラフィー用の液相(固定相液体)を塗布する必要がある。また、該液相の塗布に際しては、流路表面に存在する吸着サイトの不活性化及び流路表面への液相の濡れ性改善のため、予め流路表面に改質処理を施しておくことが望ましい。具体的には、まずプレート型カラム10の第1開口15又は第2開口16から流路14内にガラスコート剤を流し込んでコーティングを行い、その後、該流路14にシランカップリング剤を流し込むことで流路表面の改質を行う。そして、該表面改質後の流路14に前記液相を流し込むことにより、流路14の表面に液相を担持させる。
続いて、本発明の一実施例によるガスクロマトグラフ装置について図2、3を参照しつつ説明する。図2は本実施例に係るガスクロマトグラフ装置の概略構成を示す図であり、図3は該ガスクロマトグラフ装置におけるプレート型カラム周辺の拡大断面図である。本実施例に係るガスクロマトグラフ装置は、上記のようなプレート型カラム10を用いて試料の分析を行うためのものであり、従来のガスクロマトグラフ装置と同様にオーブン20、試料気化室40、及び検出部50を有すると共に、プレート型カラム10の本体部11を温調するためのプレート温調部30を備えている。また、本実施例に係るガスクロマトグラフ装置には更に、上記各部の動作を制御するための分析制御部60と、分析制御部60の制御及び検出部50から出力される検出信号の処理を行うためのパーソナルコンピュータ(図中ではPC)70が設けられている。
なお、本実施例によるガスクロマトグラフ装置においては、前記のプレート温調部30が本発明における第1温調手段に相当し、オーブン20が第2温調手段に相当する。また分析制御部60が本発明における制御手段に相当する。
プレート温調部30は、オーブン20に隣接して設けられており、その内部空間はオーブン20との隔壁21に形成された開口部22によってオーブン20の内部空間と連通している。前記プレート型カラム10は、その本体部11をプレート温調部30に位置させ、第1突出部12及び第2突出部13を前記開口部22を介してオーブン20内に突出させた状態で使用される。プレート温調部30には、セラミックヒータ、マイカヒータ、又はラバーヒータ等から成る2枚の平板状ヒータ31、32が対向配置されており、前記プレート型カラムの本体部11を該2枚の平板状ヒータ31、32の間に配置することにより、本体部11が加熱される。また、プレート温調部30の内壁面は断熱材33で被覆されており、該プレート温調部30のプレート型カラム10の上面と接する位置には本体部11の温度を測定するための第1温度センサ34が配置されている。なお、ここでは本体部11の上下に2枚の平板状ヒータ31、32を配置する構成としたが、平板状ヒータは、本体部11の上面側又は下面側に1枚だけ設けるようにしてもよい。
オーブン20はガスクロマトグラフ装置で一般的に用いられている対流式のオーブンであり、その内部空間にはオーブン内の空気を加熱するヒータ23と、加熱された空気を撹拌するファン24が設けられると共に、オーブン20内の温度を測定するための第2温度センサ25が配設されている。このオーブン20には、上述の通りプレート型カラム10の第1突出部12及び第2突出部13が収容されると共に、試料気化室40から導入された気化試料及びキャリアガスを該プレート型カラム10へと送るための第1配管26と、プレート型カラム10から流出した試料成分を検出部50へと送るための第2配管27が収容される。
プレート型カラム10の第1突出部12及び第2突出部13の先端には、前記第1配管26及び第2配管27とプレート型カラム10の第1開口15及び第2開口16をそれぞれ接続するための配管接続部材81が取り付けられる。配管接続部材81は接着剤や蝋付けなどによってプレート型カラム10の表面に直接的に接合するようにしてもよいが、プレート型カラム10に対して着脱自在に取り付けられる構成とすることが望ましい。これにより、プレート型カラム10の第1突出部12及び第2突出部13をプレート温調部30の側から前記隔壁21に設けられた開口部22を介してオーブン20側に差し入れた後に、配管接続部材81を第1突出部12及び第2突出部13に取り付けることが可能となる。その結果、前記開口部22の高さ方向の寸法を小さくすることが可能となり、プレート温調部30とオーブン20の間の熱の移動を抑えることができる。
配管接続部材81を着脱自在とする場合の構成例を図3に示す。この例では、ブロック状の部材(接続ブロック84と呼ぶ)上に配管接続部材81を設け、該接続ブロック84を介して配管接続部材81をプレート型カラム10の第1突出部12又は第2突出部13に取り付ける構成となっている。接続ブロック84は上側ブロック82と下側ブロック83の2つの部材から成り、上側ブロック82の上部に配管接続部材81が取り付けられている。上側ブロック82の中央部には貫通孔から成る流路82aが形成されており、該流路82aの上端は配管接続部材81の中心部に設けられた貫通孔81aと連通している。該接続ブロック84をプレート型カラム10に取り付ける際には、まず、プレート型カラム10の第1開口15及び第2開口16の周囲にそれぞれ金属等から成るガスケット85を配置し、その上で、第1突出部12の先端部又は第2突出部13の先端部を上下から挟むようにして上側ブロック82と下側ブロック83を配置し、所定の締結機構(図示略)によって上側ブロック82と下側ブロック83を互いに近接する方向に締結する。これにより、ガスケット85が潰されてプレート型カラム10内の流路14と上側ブロック82内に設けられた流路82aとが気密に接続される。
上記のプレート温調部30内に設けられた第1温度センサ34及びオーブン20内に設けられた第2温度センサ25によって検知された温度の情報は、それぞれ分析制御部60へと送られる。分析制御部60は、パーソナルコンピュータ70の指示の下に、ガスクロマトグラフ装置を構成する各部の動作を制御するものである。該分析制御部60が、前記の温度情報に基づいてプレート温調部30内の平板状ヒータ31、32並びにオーブン20内のヒータ23及びファン24を制御することにより、プレート温調部30の温度とオーブン20の温度とがそれぞれパーソナルコンピュータ70から指示された温度となるように調整される。
パーソナルコンピュータ70には、ユーザが各種の指示を与えたり分析条件を設定したりするための入力部71と、設定された分析条件や分析の遂行状態、又は分析結果などを表示するための表示部72とが接続されており、パーソナルコンピュータ70にインストールされた専用の制御・処理ソフトウェアを実行することにより、各種の制御や処理が実行される。
本実施例によるガスクロマトグラフ装置では、試料に含まれる成分の種類等に応じて、分析の全期間に亘って温度を一定に維持する恒温分析、又は、分析の途中で温度を上昇させながら分析を行う昇温分析のいずれかが行われる。その際、いずれの分析においても、パーソナルコンピュータ70において予め設定された温度プロファイルに従ってプレート温調部30とオーブン20の温度制御が実行される。
恒温分析を行う場合には、分析制御部60は、第1温度センサ34の検出値及び第2温度センサ25の検出値が、それぞれ前記温度プロファイルで指定された一定の値となるようにプレート温調部30内の平板状ヒータ31、32並びにオーブン20内のヒータ23及びファン24を制御する。一方、昇温分析を行う場合には、分析制御部60は、第2温度センサ25の検出値が前記温度プロファイルで指定された一定の値となるようにオーブン20内のヒータ23及びファン24を制御しつつ、第1温度センサ34の検出値が前記温度プロファイルに従って徐々に上昇するようにプレート温調部30内の平板状ヒータ31、32を制御する。なお、試料中の高沸点成分が液化するのを防ぐため、前記オーブン20の設定温度はプレート温調部30の最高到達温度よりも(例えば5〜10℃)高くなるようにする。
以下、本実施例のガスクロマトグラフ装置において昇温分析を行う場合の手順について詳しく説明する。まず、所定量の試料溶液が試料気化室40内に注入されると、気化した試料はキャリアガス流に乗って第1配管26に送り込まれ、配管接続部材81を通過して第1開口15からプレート型カラム10内の流路14に流入する。このとき、オーブン20は試料中の各成分の沸点よりも高温(例えば410℃)に維持されているため、気化試料中の各成分は、第1配管26や第1突出部12内の流路14に吸着されることなく本体部11内に到達する。一方、プレート温調部30は、分析開始時点では比較的低温(例えば50〜100℃程度)に調整されているため、前記気化試料は本体部11に流入した時点で一旦流路14内にトラップされ、濃縮される。その後、プレート温調部30が徐々に昇温されると低沸点成分から順に流路14を通過していき、本体部11内、及び第2突出部13内を通過して第2開口16から第2配管27へと流出する。そして、プレート温調部30が設定された最高温度(例えば400℃)に到達するまでに試料中の全成分がプレート型カラム10から流出し、第2配管27を通過して検出部50で検出される。なお、このときもオーブン20は上記と同じ高温に維持されているため、最も高沸点の成分が本体部11内を通過した際も、該成分は第2突出部13内の流路14や第2配管27に吸着されることなく検出部50に到達する。
以上の通り、本実施例によるガスクロマトグラフ装置によれば、プレート型カラム内の流路14と外部配管(すなわち第1配管26及び第2配管27)とを連結するための配管接続部材81を、流路14の大部分が収容された本体部11から離れた位置に取り付けることが可能となる。これにより、プレート型カラム10の本体部11の熱容量が小さく且つ均一となるため、本体部11を急速に昇温又は降温させた場合にも、流路14のほぼ全域を均一な温度とすることができる。これにより、分析結果に影響を及ぼすことなく分析のスループットを向上させることが可能となる。また、配管接続部材81をプレート温調部30の外に配置することができるため、プレート温調部30の厚みを小さくすることができるという効果もある。その結果、プレート温調部30の熱容量が小さくなるため、従来よりも急速な昇温・降温が可能となると共に、カラムの温調に要する消費電力を抑えることができる。
なお、第1突出部12及び第2突出部13には配管接続部材81が取り付けられるため、これらの突出部12、13については熱容量が大きく、且つ不均一となる。しかしながら、この部分はオーブン20側で温調され、本体部11に比べて時定数の長い温度調整が行われるため、この点は殆ど問題とはならない。
また、第1突出部12及び第2突出部13が幅狭に形成されているため、これらの突出部12、13と本体部11の間の熱伝導を抑えることができる。そのため、本体部11と第1突出部12及び第2突出部13が異なる温度に調整されている場合でも、互いへの影響を抑えることができる。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を挙げて説明を行ったが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲で適宜変更が許容されるものである。例えば、上記の例では、プレート型カラム10の本体部11から2つの突出部(第1突出部12及び第2突出部13)を延出させ、各突出部12、13内に流路14の入口側の端部と出口側の端部をそれぞれ形成する構成としたが、突出部を一つのみとし、該一つの突出部内に流路の出口側の端部と入口側の端部の両方を形成するようにしてもよい。
また、図1の例では、第1突出部12及び第2突出部13を、その基部から先端に亘ってほぼ一定の幅を有するものとしたが、これに限らず、図4に示すように先端付近の幅を相対的に広く、それ以外の部分の幅を相対的に狭くするようにしてもよい。この場合、先端側については、配管接続部材を取付可能な幅(例えば0.6 cm以上)を確保する必要があるが、それ以外の部分については本体部11との間の熱伝導を抑える観点から、内部に流路14を形成可能な範囲でできるだけ幅狭(例えば0.6 mm程度)とすることが望ましい。
また、上記の例では本体部と突出部を一体に形成したが、これらは別の部材で構成することもできる。こうした構成としては、例えば、本体部を平板状の部材で、突出部を管状の部材で構成すると共に、本体内部に形成した流路の両端を本体部の側面に開口させ、該開口に前記管状の突出部を接合させた構成が考えられる。このように、本体部と突出部を別部材とすることにより、例えば、本体部を金属等の熱伝導率が比較的高い材質で形成し、突出部を石英のような熱伝導率が比較的低い材質で形成するといったことが可能となる。一方で、本体部と突出部を一体に形成した場合は、打ち抜き加工やワイヤカット等の安価な加工により突出部を形成できるため、結合工程が必要な別部材形成に比べ、安価に作製可能である。
更に、上記の例では、突出部を本体部と同一の平面上に沿って延出させる構成としたが、これに限らず、突出部を該平面と交差する方向に延出させるようにしてもよい。
なお、本発明に係るプレート型カラムは、上記実施例のようなガスクロマトグラフ分析用のプレート型カラムとするほか、基板内部に形成した流路の中で流体を反応させるいわゆるマイクロリアクターや、基板内部の流路を通過する流体を所定の検出手段を用いて検出するためのフローセルなど、基板内部の流路に流体を流通させ、該流体中の成分の分離、分析、又は反応を行う器具全般に適用することができる。同様に、本発明に係る温調装置は、ガスクロマトグラフ装置におけるプレート型カラムの温調に適用するほか、前記のような各種の器具の温度調整に適用することができる。
10…プレート型カラム
11…本体部
12…第1突出部
13…第2突出部
14…流路
15…第1開口
16…第2開口
17…上側基板
18…下側基板
20…オーブン
23…ヒータ
24…ファン
25…第2温度センサ
26…第1配管
27…第2配管
30…プレート温調部
31、32…平板状ヒータ
33…断熱材
34…第1温度センサ
40…試料気化室
50…検出部
60…分析制御部
70…パーソナルコンピュータ
81…配管接続部材
84…接続ブロック

Claims (6)

  1. a) 平板状の本体部と、
    b) 前記本体部の周縁から突出した突出部と、
    c) 前記本体部及び前記突出部の内部に形成された流体流通用の流路と、
    を有し、
    前記流路の中間部が前記本体部内に設けられていると共に、該流路の両端部が前記本体部内から前記突出部内へと延出し該突出部の先端にて外部に開放されていることにより、前記本体部と前記突出部を、それぞれ独立に温度調整可能とすることを特徴とするプレート型カラム。
  2. 前記突出部が前記本体部に対して複数設けられており、前記流路の両端がそれぞれ別の突出部内に延出していることを特徴とする請求項1に記載のプレート型カラム。
  3. 請求項1又は2に記載のプレート型カラムであって、前記本体部と突出部は同一部材上に形成され、前記突出部は前記部材を切り抜くことにより形成されていることを特徴とするプレート型カラム。
  4. 請求項1又は2に記載のプレート型カラムであって、前記流路内壁にガスクロマト分析用の固定相が担持されていることを特徴とするプレート型カラム。
  5. 請求項1〜4のいずれかに記載のプレート型カラムの温度調整を行うための温調装置であって、
    a) 前記本体部を温調する第1温調手段と、
    b) 前記突出部を温調する第2温調手段と、
    c) 前記第1温調部と第2温調部をそれぞれ独立に制御する制御手段と、
    を有することを特徴とする温調装置。
  6. 請求項5に記載の温調装置と、請求項4に記載のプレート型カラムを備えたガスクロマトグラフ装置。
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