JP2014157139A - 液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】移動相が分離カラム内を高圧で通液されることによって発生する分離カラム自体の発熱を加味して分離カラムの温度制御を正確に行なうことができるようにする。
【解決手段】送液ユニット２、オートサンプラ４、カラムユニット６及び検出ユニット８はシステムコントローラ２８に接続され、システムコントローラ２８に演算処理装置３０が接続されている。演算処理装置３０は、分析条件設定手段３２を備えている。カラムユニット６は発熱量予測手段３４、温度制御条件設定手段３６及び発熱量データ保持部３８を備えている。発熱量予測手段３４は分析条件設定手段３２により設定された分析条件と発熱量データ保持部３８に保持されている発熱量データに基づいて分離カラム１６での発熱量を求める。温度制御条件設定手段３６は、発熱量予測手段３４の予測した分離カラムの発熱量に基づいてカラムオーブン１８の実際の温度制御条件を設定する。
【選択図】 図２

Description

本発明は液体クロマトグラフに関し、特に、液体クロマトグラフを構成し、試料を成分ごとに分離する分離カラムとその分離カラムの温度を調節するカラムオーブンを備えたカラムユニットの改良に関するものである。

液体クロマトグラフは、移動相の流れる分析流路、分析流路に試料を導入する試料導入部、試料導入部により導入された試料を成分ごとに分離する分離カラム及び分離カラムで分離された試料成分を検出する検出器により構成される。分離カラムの分離性能は温度の影響を大きく受けることから、分離カラムの温度が一定に維持されることが分析の再現性を得るために重要である。そのため、分離カラムは、内部の温度がヒータやファンによって制御されるカラムオーブン内に収容されている（特許文献１参照。）。

特開２０１１−２５２７１９号公報

分離カラムを収容するカラムオーブン内には温度センサが設けられており、温度センサの検出温度が設定された温度になるようにヒータの出力やファンの回転数が制御される。しかし、分離カラムは交換を要する部品であり分離カラムに温度センサを取り付けることができないため、温度センサの検出温度はカラムオーブン内の分離カラムとは離れた位置の温度である。そのため、温度センサによって分離カラムの温度が正確に測定されているとはいえず、温度センサの検出温度に基づいてカラムオーブン内の温度制御を行なっていると、温度センサが所望の温度とは異なる温度になっている場合があった。

超高速液体クロマトグラフでは、移動相が分離カラム内を高圧で通液され、分離カラム内の充填剤と移動相との間で摩擦熱が生じ、分離カラムの温度が上昇する。この摩擦熱は分離カラムにかかる圧力に依存して高くなり、１００ＭＰａ付近の圧力がかかる超高速高圧分析の際には、分離カラム自身で５℃以上の発熱が生じることがわかった。従来の液体クロマトグラフでは、分離カラム自体の発熱が考慮されていなかったため、カラムオーブンの温度を５０℃に設定して超高速高圧分析を実行した場合には、分離カラムの温度が５５℃以上の温度に達している可能性がある。

そこで、本発明は、移動相が分離カラム内を高圧で通液されることによって発生する分離カラム自体の発熱を加味して分離カラムの温度制御を正確に行なうことができるようにすることを目的とするものである。

本発明にかかる液体クロマトグラフは、分析流路と、分析流路に移動相を送液する送液ユニットと、分析流路において移動相送液ユニットの下流側に試料を導入する試料導入部と、分析流路において試料導入部よりも下流側に接続され試料導入部により導入された試料を成分ごとに分離する分離カラム、分離カラムを内部に収容するカラムオーブン、カラムオーブン内を加熱するヒータ及びカラムオーブン内の温度を検知する温度センサを備えたカラムユニットと、分析流路において分離カラムよりも下流側に接続され、分離カラムで分離された試料成分を検出する検出器を備えた検出部と、送液ユニットによる移動相の送液条件に基づいて分離カラムの発熱量を予測するカラム発熱量予測手段と、カラム発熱量予測手段により予測された分離カラムの発熱量を加えた分離カラムの温度が予め設定された温度で一定に維持されるように、温度センサの検出温度に基づいてヒータの出力を制御するヒータ制御手段と、を備えたものである。
ここで、分析流路において「下流側」とは、移動相の流れ方向に対して下流側であることを意味している。

本発明の液体クロマトグラフでは、送液ユニットによる移動相の送液条件に基づいて分離カラムの発熱量を予測するカラム発熱量予測手段と、カラム発熱量予測手段により予測された分離カラムの発熱量を加えた分離カラムの温度が予め設定された温度で一定に維持されるように、温度センサの検出温度に基づいてヒータの出力を制御するヒータ制御手段と、を備えているので、移動相が分離カラムを通液されることによる分離カラムの発熱量を考慮したカラムオーブンの温度制御が可能となり、分離カラムの温度をより正確に制御することができる。

液体クロマトグラフの一実施例を概略的に示す流路構成図である。 同実施例の制御系統を示すブロック図である。 同実施例のカラムオーブンの温度制御の動作を示すフローチャートである。 同実施例の発熱量データを用いた発熱量の予測方法を説明するための図であり、（Ａ）はグラフ中の２点間を直線近似して予測する方法、（Ｂ）はグラフ全体を曲線近似して予測する方法である。 同実施例のカラムオーブン内の構造の一例を示す図であり、（Ａ）はカラムオーブン内のヒートブロック正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ位置におけるヒートブロックの断面図である。

本発明の液体クロマトグラフの好ましい実施態様では、送液ユニットによる移動相の送液条件と分離カラムの発熱量との相関関係を示す発熱量データを保持する発熱量データ保持部をさらに備え、カラム発熱量予測手段は発熱量データ保持部に保持されている発熱量データに基づいて送液ユニットの送液条件から分離カラムの発熱量を予測する。

分離カラム自身の発熱量は移動相の通液により分離カラムにかかる圧力に比例して大きくなる。分離カラムにかかる圧力は移動相の送液流量によって決まるので、本発明の液体クロマトグラフでは、発熱量データ保持部の保持する発熱量データは、分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして送液ユニットによる送液流量を含み、カラム発熱量予測手段は、送液ユニットによる送液流量の情報に基づいて発熱量データから分離カラムの発熱量を予測することが好ましい。

また、分離カラムにかかる圧力は移動相の流量に加えて移動相の組成によっても変わる。そこで、本発明の液体クロマトグラフにおける発熱量データ保持部の保持する発熱量データは、送液ユニットが送液する移動相の組成も分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして含み、カラム発熱量予測手段は送液ユニットが送液する移動相の組成の情報にも基づいて分離カラムの発熱量を予測するものであることが好ましい。そうすれば、分離カラムの発熱量をより正確に予測することができるようになる。

また、分離カラムを互いに長さの異なる複数の種類の分離カラムの中から選んで使用する場合、分離カラムの長さが長いほど分離カラムから放熱される熱量も増加するため、分離カラムの発熱量は小さくなる。そこで、本発明の液体クロマトグラフにおける発熱量データ保持部の保持する発熱量データは分離カラムの長さも分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして含み、カラム発熱量予測手段は分離カラムの長さの情報にも基づいて分離カラムの発熱量を予測するものであることが好ましい。そうすれば、分離カラムの発熱量をより正確に予測することができるようになる。

液体クロマトグラフの一実施例について図１から図４を用いて説明する。まず、図１を用いて同実施例の構成を説明する。
この実施例の液体クロマトグラフは、上流側から順に、送液ユニット２、オートサンプラ４、カラムユニット６及び検出ユニット８を備えている。これらは配管によって接続されており、試料の分離分析を行なう分析流路１０を構成している。

分析流路１０の最上流側に送液ユニット１２が位置する。送液ユニット２は移動相の収容された容器１２から送液ポンプ１４でチューブを介して移動相を汲み上げて下流側へ送液する。

送液ユニット１２の下流側にオートサンプラ４が接続されている。オートサンプラ４は、例えばプローブを用いて試料を収容した試料容器から試料を吸入し、吸入した試料を送液ユニット１２からの移動相の流れる流路中に導入する。

オートサンプラ４の下流側にカラムユニット６が接続されている。カラムユニット６は、オートサンプラ４によって導入された試料を成分ごとに分離する分離カラム１６と分離カラム１６を収容して分離カラム１６の温度を一定温度に制御するカラムオーブン１８を備えている。

カラムユニット６の下流側に検出ユニット８が接続されている。検出ユニット８は分離カラム１８で分離された試料成分を検出する検出器２０を備えている。

ここで、カラムオーブン１８内の構造の一例を図５に示す。カラムオーブン１８は断熱性の密閉容器であり、その内部に分離カラム１６を保持する熱伝導性のヒートブロック４０が収容されている。分離カラム１６よりもヒートブロック４０の側面に分離カラム１６をその内側に挿入して保持する溝４０ａを備え、その溝４０ａに弾性力によって分離カラム１６を挟み込んで保持する金属製のカラムホルダー４２が設けられている。ヒートブロック４０の溝４０ａとは反対側側面にヒータ２４が埋設されているとともにこのヒートブロック４０の温度を検出する温度センサ２２が取り付けられている。分離カラム１６の温度制御は、温度センサ２２による検出温度に基づいてヒータ２４の出力を調節することにより行なわれる。

図２に同実施例の制御系統を概略的に示す。なお、図２において分離カラム１６及びカラムオーブン１８の図示は省略されているがカラムユニット６内に存在しているものとする。
送液ユニット２、オートサンプラ４、カラムユニット６及び検出ユニット８はシステムコントローラ２８に接続され、システムコントローラ２８に例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などによって構成される演算処理装置３０が接続されている。

分析者は演算処理装置３０を介してこの液体クロマトグラフの動作管理を行なう。演算処理装置３０には、分析者に移動相の組成や流量などの送液条件、分離カラムの種類や分離カラムの制御温度などの情報を入力させ、入力された情報に基づいて分析条件を設定する分析条件設定手段３２が設けられている。入力された情報はシステムコントローラ２８に与えられ、システムコントローラ２８がその情報に基づいて送液ユニット２、オートサンプラ４、カラムユニット６及び検出ユニット８の動作を制御する。

カラムユニット６には、カラムオーブン内の温度を検出する温度センサ２２とカラムオーブン内を加熱するヒータ２４のほか、温度センサ２２の検出温度に基づいてカラムオーブン１８内（図５の例ではヒートブロック４０）の温度が設定温度になるようにヒータ２４の出力を調節する温度制御部２６が設けられている。これにより、カラムオーブン１８の目標温度が設定されると、温度センサ２２の検出温度がその設定温度になるようにカラムユニット６が独自にヒータ２４の出力を調節する。なお、温度制御部２６をシステムコントローラ２８側に設け、温度センサ２２の検出温度に基づいてシステムコントローラ２８がヒータ２４の出力を調節するようにしてもよい。

この実施例では、カラムユニット６のカラムオーブン１８内の温度制御を、移動相の通液により分離カラム１６で起こる発熱を加味して行なう。そのため、カラムユニット６には、発熱量予測手段３４、温度制御条件設定手段３６及び発熱量データ保持部３８も設けられている。

発熱量予測手段３４は分析条件設定手段３２により設定された分析条件と発熱量データ保持部３８に保持されている発熱量データに基づいて分離カラム１６での発熱量を求める。発熱量データ保持部３８には、予め測定によって得られた分離カラム１６にかかる圧力と発熱量の相関関係を示すデータ（発熱量データ）が保持されている。発熱量データの例を表１及び表２に示す。

表１、表２の発熱量データは、メタノール３０％溶液（表１）、アセトニトリル３０％溶液（表２）をそれぞれ移動相として用い、分離カラム１６の表面に温度センサを装着し、移動相の送液流量を変化させたときに分離カラム１６にかかる圧力の最大値（Ｐ．ＭＡＸ）と、そのときの分離カラム表面の温度センサの検出値とカラムオーブン１８内の温度との差（発熱温度）を測定したものである。

表１及び表２の発熱量データにおいて、室温とはカラムオーブン１８の周辺の温度を意味する。この室温は、カラムオーブン１８内の温度制御を実行する前のカラムオーブン１８内の温度センサの検出温度を用いることができる。また、５０℃温調とはカラムオーブン１８内の温度を５０℃で維持されるように調節したことを意味する。例えば表１の室温４℃、５０℃温調におけるＰ．ＭＡＸが３１．７１[ＭＰａ]のときに発熱温度が０．６１[℃]であったとは、Ｐ．ＭＡＸが３１．７１[ＭＰａ]のときの分離カラム表面の温度センサの検出値が５０．６１℃であったことを意味する。

発熱量データ保持部３８は、上記表１、表２のようなデータを、種々の組成の移動相を使用して種々の室温条件下で測定したものを発熱量データとして保持している。発熱量予測手段３４は、分析条件設定手段３２により設定された条件に基づいて適当な発熱量データを割り出し、分離カラム１６における発熱量を予測する。なお、Ｐ．ＭＡＸは、移動相の送液流量と移動相の組成、分離カラムの内径や長さなどから計算により求めることができる。

分離カラム１６における発熱量の予測値は、分析条件に合致する条件の発熱量データのＰ．ＭＡＸと発熱温度（発熱量）との関係をグラフ化し、分析条件に該当するＰ．ＭＡＸでの発熱温度を、図４（Ａ）に示されているような２点間の直線から計算により求めることができる。また、同図（Ｂ）に示されているような発熱量データのグラフ全体の曲線近似から計算により求めることも可能である。

温度制御条件設定手段３６は、発熱量予測手段３４の予測した分離カラムの発熱量（発熱温度）に基づいてカラムオーブン１８の実際の温度制御条件を設定する。例えば、移動相がメタノール３０％溶液であり、室温が４℃、分離カラム１６を５０℃で温度制御したい場合、分離カラム１６にかかる圧力が約９０ＭＰａであるとすると、表１のデータに基づけば分離カラム１６における発熱温度は約５．５℃であるので、カラムオーブン１８の温度制御条件を５０℃よりも５．５℃低い４４．５℃に設定する。この場合、温度制御部２６は、カラムオーブン１８内に設けられている温度センサ２２の検出温度が４４．５℃で維持されるようにヒータ２４をフィードバック制御する。これにより、移動相の通液によって約５．５℃の自己発熱を行なう分離カラム１６は約５０℃に温度制御される。

図２とともに図３のフローチャートを用いてカラムユニット６のカラムオーブン内の温度制御の動作について説明する。
発熱量予測手段３４は分離カラム１６の情報を取得する。分離カラム１６の情報とは、分離カラム１６にかかる圧力を算出するために必要な分離カラム１６の内径や長さの情報である。さらに、分離カラム１６の温度制御の目標温度、移動相の送液条件を取得する。これらの情報は、分析者が分析条件として演算処理部３０に入力した情報であり、カラムユニット６はシステムコントローラ２８を介してこれらの情報を受け取る。

発熱量予測手段３４は取得した分離カラム１６の情報と送液条件（移動相の組成や送液流量）の情報から分離カラム１６にかかる圧力[Ｐ．ＭＡＸ]を算出し、算出した圧力[Ｐ．ＭＡＸ]から発熱量データ保持部３８に保持されている発熱量データに基づいて分離カラム１６の発熱量の予測値を求める。

分離カラム１６の発熱量の予測値が求まると、温度制御条件設定手段３６は発熱量予測手段により予測された発熱量に基づいてカラムオーブン１８の温度制御の目標温度を設定する。温度制御部２６はカラムオーブン１８内の温度が設定温度に維持されるようにヒータ２４の出力を制御する。

なお、分離カラム１６における発熱量は移動相の通液によって分離カラム１６にかかる圧力に比例したものとなるので、少なくとも分離カラム１６にかかる圧力をパラメータとすれば分離カラム１６における発熱量を予測することは可能である。分離カラム１６にかかる圧力は、分離カラム１６の内径と長さが同じであれば移動相の流量によって決まるため、送液ユニット２の送液流量と分離カラム１６における発熱量との関係を予め測定によって求めて発熱量データ保持部３８に保持させておき、送液ユニット２の送液流量から分離カラム１６における発熱量を予測するようにしてもよい。

上記実施例では、分離カラム１６にかかる圧力のほかに、移動相の組成と室温（カラムユニット１８の周囲の温度）を分離カラム１６における発熱量に関するパラメータとして用いている。移動相の組成は分離カラム１６にかかる圧力を変動させる要素であり、室温（カラムユニット６の周囲の温度）は分離カラム１６に流入する移動相の温度に影響を与えるため分離カラム１６の温度を変動させる要素である。したがって、これらの要素のいずれか一方又は両方を分離カラム１６における発熱量に関するパラメータとすることで、分離カラム１６における発熱量の予測の正確性を向上させることができる。

また、液体クロマトグラフでは、移動相の組成を時間変化させるグラジエント法を用いる場合がある。かかる場合、移動相の組成が変化すると分離カラム１６にかかる圧力も変化するため、分離カラム１６における発熱量も変化する。移動相の組成はスケジュール化されているため、分析開始からの経過時間からそのときの移動相の組成を割り出すことが可能である。そこで、予め移動相の組成ごとに移動相の送液流量と分離カラム１６における発熱量との関係を測定によって求めて発熱量データ保持部３８に保持させておき、移動相の送液流量の情報と分析開始からの経過時間から割り出した移動相の組成の情報から分離カラム１６におけるその時間の発熱量を逐次予測し、その予測値に基づいてカラムオーブン１８の設定温度を変更していくようにしてもよい。そうすれば、移動相の組成の変化に応じてカラムオーブン１８の設定温度を変化させていくことができ、分離カラム１６の温度制御をより正確に実行することができる。

また、分離カラム１６の長さによって分離カラム１６からの放熱量も変わるため、分離カラム１６の長さが長いほど分離カラム１６における発熱量が小さくなる。そこで、使用される分離カラム１６の長さごとの移動相の送液流量と分離カラム１６における発熱量との関係を示す発熱量データを予め測定して発熱量データ保持部３８に保持させておき、分析者が演算処理装置３０に入力した分離カラム１６の長さの情報から使用する発熱量データを割り出し、その発熱量データを用いて分離カラム１６における発熱量を求めるようにしてもよい。

また、特許文献１に示されているように、カラムオーブン内で分離カラムを保持するヒートブロックを分離カラム１６の長手方向において複数区間に分割し、それらの区間ごとに温度センサとヒータを取り付け、ヒートブロックの温度を複数点で温度制御することがある。これは、分離カラムの上流端側では十分に温度制御のなされていない移動相が入流するため、分離カラムの上流端側の温度制御の目標値をそれよりも下流側に対して高めに設定することで、分離カラムの温度制御の均一化を図るというものであるが、本発明はかかる構成の液体クロマトグラフに対しても適用することができる。

具体的には、分離カラムのヒートブロックの各区間に対応する複数の位置に温度センサを取り付け、移動相の流量を変化させながら分離カラムの温度センサとヒートブロックの温度センサとの検出温度の差を区間ごとに測定し、区間ごとの発熱量データを発熱量データ保持部３８（図２参照）に保持させておく。そして、分析時には、その発熱量データに基づいて移動相の流量から分離カラムの各区間の発熱量を求め、その発熱量からヒートブロックの各区間の最適な目標温度を設定し、ヒートブロックの各区間の温度センサの検出温度がそれぞれの設定温度になるように各区間に取り付けられたヒータを個別に制御する。

なお、上記実施例では、発熱量予測手段３４、温度制御条件設定手段及び発熱量データ保持部３８がカラムユニット６に設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらのうちのいずれか又はすべてが演算処理装置３０又はシステムコントローラ２８に設けられていてもよい。

２ 送液ユニット
４ オートサンプラ
６ カラムユニット
８ 検出ユニット
１０ 分析流路
１２ 移動相容器
１４ 送液ポンプ
１６ 分離カラム
１８ カラムオーブン
２０ 検出器
２２ 温度センサ
２４ ヒータ
２６ 温度制御部
２８ システムコントローラ
３０ 演算処理装置
３２ 分析条件設定手段
３４ 発熱量予測手段
３６ 温度制御条件設定手段
３８ 発熱量データ保持部
４０ ヒートブロック
４２ カラムホルダー

Claims (5)

1. 分析流路と、
   前記分析流路に移動相を送液する送液ユニットと、
   前記分析流路において前記移動相送液ユニットの下流側に試料を導入する試料導入部と、
   前記分析流路において前記試料導入部よりも下流側に接続され前記試料導入部により導入された試料を成分ごとに分離する分離カラム、前記分離カラムを内部に収容するカラムオーブン、前記カラムオーブン内を加熱するヒータ及び前記カラムオーブン内の温度を検知する温度センサを備えたカラムユニットと、
   前記分析流路において前記分離カラムよりも下流側に接続され、前記分離カラムで分離された試料成分を検出する検出器を備えた検出部と、
   前記送液ユニットによる移動相の送液条件に基づいて前記分離カラムの発熱量を予測するカラム発熱量予測手段と、
   前記カラム発熱量予測手段により予測された前記分離カラムの発熱量を加えた前記分離カラムの温度が予め設定された温度で一定に維持されるように、前記温度センサの検出温度に基づいて前記ヒータの出力を制御するヒータ制御手段と、を備えた液体クロマトグラフ。
2. 前記送液ユニットによる移動相の送液条件と前記分離カラムの発熱量との相関関係を示す発熱量データを保持する発熱量データ保持部をさらに備え、
   前記カラム発熱量予測手段は前記発熱量データ保持部に保持されている発熱量データに基づいて前記送液ユニットの送液条件から前記分離カラムの発熱量を予測するものである請求項１に記載の液体クロマトグラフ。
3. 前記発熱量データ保持部の保持する前記発熱量データは、前記分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして前記送液ユニットによる送液流量を含み、
   前記カラム発熱量予測手段は、前記送液ユニットによる送液流量の情報に基づいて前記発熱量データから前記分離カラムの発熱量を予測するものである請求項２に記載の液体クロマトグラフ。
4. 前記発熱量データ保持部の保持する前記発熱量データは、前記送液ユニットが送液する移動相の組成も前記分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして含み、
   前記カラム発熱量予測手段は前記送液ユニットが送液する移動相の組成の情報にも基づいて前記分離カラムの発熱量を予測するものである請求項３に記載の液体クロマトグラフ。
5. 前記発熱量データ保持部の保持する前記発熱量データは前記分離カラムの長さも前記分離カラムの発熱量に関連するパラメータとして含み、
   前記カラム発熱量予測手段は前記分離カラムの長さの情報にも基づいて前記分離カラムの発熱量を予測するものである請求項３から５のいずれか一項に記載の液体クロマトグラフ。

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