JP2015180884A - 液体混合装置、および液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】移動相の流れ方向の濃度ムラを低減する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフを提供する。
【解決手段】導入路２と、導入路の下流に位置する分岐部３と、分岐部から分岐する複数本の分岐流路４，５と、複数本の分岐流路が合流する合流部６と、合流部の下流の導出路７からなる流路ユニットにより構成される。複数の分岐流路は、幅，深さ，長さの外形や流路内部に充填される構造物などのいずれか、もしくはいくつかがそれぞれ異なり、それぞれの液体通過時間が異なる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体を混合する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフに関する。

液体クロマトグラフにおけるグラジエント溶出法には、複数の溶離液を混合して移動相とするための液体混合装置が用いられる。この液体混合装置を、以下ミキサと呼ぶ。ミキサには、小さな粒状のビーズを充填した構造のものや、基板上に孔や溝を形成して流路とした構造のものがある。このうち、流路を用いた構造のミキサは、小さい流路体積で溶離液を混合できるため、混合時間が短く、分析時間が短い。

特許文献１は、流路の分岐と合流を利用して混合を促進する流路の構造において、分岐流路の断面形状を、分岐点と合流点で変化させた構造を開示している。この構造によると、流路を流れる液体が分岐する方向と合流する方向が変化し、分岐・合流ごとに２液の界面積が増えるため、混合効果が促進される。

特許文献２は、液体通過時間の異なる複数の流路と、送液ポンプの送液タイミングの組み合わせによって、グラジエント溶出法の移動相に特定の濃度変化を生成する方法を開示している。

特開２００８−２２１２０８号公報 特開２００７−１３９７８２号公報

液体クロマトグラフにおいて、溶離液が合流した直後の移動相には流路に対して流れ方向に濃度ムラがある。これは、高圧グラジエント溶出法の構成においては、送液ポンプに逆止弁の動作ばらつきなどに起因する流量脈動があるためである。また、低圧グラジエント溶出法の構成においては、複数の溶離液を切換えバルブによって配管内に１種類ずつ順番に送液するためである。従来の流路を用いた構造のミキサは、流路に対して幅方向の混合を目的としており、流路に対して流れ方向の混合の効果は小さい。そのため、検出器に流入する移動相には、流れ方向の濃度ムラが残存している。その結果、例えば検出器に吸光度測定を用いる場合、検出される吸光度には移動相の濃度ムラの分だけ変動が生じる。

本発明の目的は、移動相の流れ方向の濃度ムラを低減する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフを提供することである。

本発明で提供する液体混合装置は、導入路と、前記導入路の下流に位置する分岐部と、前記分岐部から分岐する複数本の分岐流路と、前記複数本の分岐流路が合流する合流部と、前記合流部の下流の導出路からなる流路ユニットにより構成される。前記複数の分岐流路は、幅，深さ，長さの外形や流路内部に充填される構造物などのいずれか、もしくはいくつかがそれぞれ異なり、それぞれの液体通過時間が異なる。各分岐流路の液体通過時間が異なるために、各分岐流路を通過した移動相の合流部における濃度はそれぞれ異なる。その結果、合流部における移動相の濃度は、各分岐流路を通過した移動相の濃度の間の値となる。すなわち、導出路における移動相の流れ方向の濃度ムラは、導入路における移動相の流れ方向の濃度ムラよりも低減する。

この流路ユニットを単独で用いるとき、分岐流路の通過時間差に対して、移動相の流れ方向の濃度ムラの低減性能が最大となる濃度ムラの周期がある。そこで、流量によらずに常にこの濃度ムラ周期で送液できる送液ポンプと、この流路ユニットを用いる液体クロマトグラフの構成によって、流れ方向の濃度ムラを著しく低減させることができる。

また、複数の流路ユニットを、上段の流路ユニットの合流部を通過した液体が、下段の流路ユニットの分岐部に流れ込むように、多段に接続する。このとき各段の流路ユニットの分岐流路の液体通過時間の差はそれぞれ異なっている。この構成によると、各流路ユニットで低減する濃度ムラの周期が異なるために、全体として様々な周期の濃度ムラを低減できる。したがって、送液ポンプの脈動周期によらず、流れ方向の濃度ムラを低減できる。

本発明の実施態様によれば、移動相の流れ方向の濃度ムラを低減する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフを提供することができる。

高圧グラジエント溶出法向け液体クロマトグラフの主要な構成を示す構成図である。 ミキサの流路構成を示す構成図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す断面図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す断面図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流路基板の構成を示す斜視図である。 流れ方向の濃度ムラの低減性能を示すグラフである。 流れ方向の濃度ムラの低減性能を示すグラフである。 低圧グラジエント溶出法向け液体クロマトグラフの主要な構成を示す構成図である。 低圧グラジエント溶出法における溶離液の濃度変化を示すグラフである。

以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。

図１は、高圧グラジエント溶出法向け液体クロマトグラフの主要な構成を示す構成図である。図１に示す液体クロマトグラフは、２種類の溶離液２１０１，２１０２，２台の送液ポンプ２２０１，２２０２，合流コネクタ２３，ミキサ２４，オートサンプラ２５，分離カラム２６，検出器２７，各構成要素を流体的に接続する配管２８，各構成要素を制御するコントローラ２９，各構成要素を電気的に接続する配線３０を備える。

ミキサ２４は、ハウジング底１２０１と、ハウジングふた１２０２と、流路基板１４０１，１４０２，１４０３，１４０４と、流路基板の間もしくは流路基板とハウジング底１２０１もしくは流路基板とハウジングふた１２０２の間に挿入されるスペーサ１３０１，１３０２，１３０３，１３０４，１３０５、およびこれらの構成要素を締結するネジ１２０５からなる。図１には、流路基板が４枚であるミキサの構成を示したが、流路基板の数は必ずしも４に限らない。

ハウジング底１２０１およびハウジングふた１２０２の材質は、ステンレス，ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。このうち、配管との接続部での液漏れを防ぐためには、ステンレス製のハウジング底、およびハウジングふたと、ステンレス製の配管を接続するのが望ましい。

スペーサ１３０１，１３０２，１３０３，１３０４，１３０５は、流路基板の間もしくは流路基板とハウジング底１２０１もしくは流路基板とハウジングふた１２０２の間のシールの機能を持つ。ハウジング底１２０１とハウジングふた１２０２をネジ１２０５で締結することによって、各面が密着し、流路以外への液体の漏れを防ぐ。スペーサ１３０１，１３０２，１３０３，１３０４，１３０５の材質は、移動相への溶出が小さく、締結時にある程度変形して各面をシールできるポリエーテルエーテルケトン，ポリテトラフルオロエチレンなどが望ましい。流路基板１４０１，１４０２，１４０３，１４０４に変形能の高いポリエーテルエーテルケトン，ポリテトラフルオロエチレンなどの材質を選択する場合は、流路基板１４０１とハウジング底１２０１，流路基板１４０４とハウジングふた１２０２、および流路基板１４０１，１４０２，１４０３，１４０４が密着するため、スペーサ１３０１，１３０２，１３０３，１３０４，１３０５は必ずしも必要でない。

流路基板１４０１，１４０２，１４０３，１４０４には、流路ユニットが形成されている。流路基板の材質は、ステンレス，ポリエーテルエーテルケトン，ポリテトラフルオロエチレン，シリコン，ガラス，ポリジメチルシロキサン，紫外線硬化樹脂などが挙げられる。この中でも、ステンレス，ポリエーテルエーテルケトン，ポリテトラフルオロエチレンなどは溶離液への溶出の小さい点で有利である。流路基板への流路ユニットの加工方法は、機械加工，ウェットエッチング，ドライエッチング，ホットエンボス，射出成型，光造形などが挙げられる。

図２は、ミキサの流路の構成を示す構成図である。図２は、複数の流路ユニット１０１，１０２，１０３が、接続路１０１０，１０２０，１０３０によって接続された多段流路ユニット１００１の模式図を示している。１つの流路ユニットは、導入路２，分岐部３，第１の分岐流路４，第２の分岐流路５，合流部６，導出路７を備える。流路ユニット１０３は第ｎ段目を示し、段数は任意に設定される。

多段流路ユニットの場合、上段の流路ユニットの導出路とその下段の流路ユニットの導入路を接続路によって接続する。接続路として特別な構成を用意する必要は必ずしもなく、上段の流路ユニットの導出路とその下段の流路ユニットの導入路と接続路を１つの流路で兼ねることもできる。また、必要に応じて、流路ユニットの前後に、一般的に知られている、流路に対して幅方向の混合を実現するミキサを、各流路ユニットの間に接続してもよい。多段流路ユニットは、一つの流路ユニットを形成された流路基板を、必要に応じて接続路に相当する流路を持つ構造体を挟んで、積層することで形成される。もしくは、多段流路ユニットは、一枚の流路基板に接続路を含む複数の流路ユニットを形成することによっても成り立つ。

図３から図９に、一つの流路ユニットが形成された流路基板の形状の例を示す。図中には明記していないが、流路ユニットの流路内部は、多孔質体などが充填されていてもよいし、空洞であってもよい。図３から図９に示した様々な溝の形状の流路基板１４を、図２に示したような必要な流路長になるように複数個組み合わせて、多段流路ユニットを構成する。

図３は、流路基板の構成を示す斜視図であり、第１の分岐流路４が直線状であり、第２の分岐流路５が３か所屈折している流路ユニットを示している。導入路２は、流路基板１４の下面に形成された溝２０１，流路基板１４の下面と上面を貫通する貫通孔２０２，流路基板１４の表面に形成された溝２０３を備える。第１の分岐流路４，第２の分岐流路５，導出路７は、流路基板１４の上面に溝として形成されている。液体は、導入路２を通って、分岐部３で分岐し、第１の分岐流路４または第２の分岐流路５を通って、合流部６で合流し、導出路７を通って、流路ユニットから排出される。

図４は、流路基板の構成を示す斜視図であり、第１の分岐流路４と第２の分岐流路５が円をなす流路ユニットである。導入路２は、流路基板１４の下面に形成された溝２０１，流路基板１４の下面と上面を貫通する貫通孔２０２を備える。第１の分岐流路４，第２の分岐流路５，導出路７は、流路基板１４の上面に溝として形成されている。液体の流れは、導入路２を通って、分岐部３で分岐し、第１の分岐流路４または第２の分岐流路５を通って、合流部６で合流し、導出路７を通って、流路ユニットから排出される。

図５は、流路基板の構成を示す断面図である。流路基板１４は、流路基板１４の下面の溝４１，下面と上面を貫通する貫通孔４２，上面の溝４３を備える第１の分岐流路４と、流路基板１４の下面の溝５１，下面と上面を貫通する貫通孔５２，上面の溝５３を備える第２の分岐流路５とを有する。

図６は、流路基板の構成を示す斜視図であり、図５に示した上面の溝４３と、上面の溝５３の形状を示すものである。これらの上面の溝がらせん状に形成されている。下面も同様の構成に形成されている。

図７は、流路基板の構成を示す斜視図であり、図５に示した上面の溝４３と、上面の溝５３の形状を示すものである。これらの上面の溝が波線状に形成されている。下面も同様の構成に形成されている。

図８は、流路基板の構成を示す断面図である。流路基板１４は、流路基板１４の下面と上面を貫通する貫通孔４２を備えた第１の分岐流路４と、流路基板１４の下面の溝５１，下面と上面を貫通する貫通孔５２，上面の溝５３を備えた第２の分岐流路５とを有する。

図９は、流路基板の構成を示す斜視図であり、図８に示した貫通孔４２と、上面の溝５３の形状を示すものである。上面の溝５３がらせん状に形成されている。下面も同様の構成に形成されている。

図５から図９に示した流路ユニットの構成では、流路基板１４の下面と上面の溝、および下面と上面の貫通孔として流路を形成できるために、同じ体積の流路を形成する場合に、図３や図４に示したような流路基板の下面か上面のどちらかのみに流路を溝として形成する構成に比べて、基板面積を小さくすることができる。このとき、図１に示すように、ハウジングふた１２０１とハウジング底１２０２によって、流路基板１４を押さえつけて液圧をシールする構成の場合、流路基板１４に加わる面圧が大きくなるため、より高い液圧をシールすることができる。また、ハウジングふた１２０１とハウジング底１２０２の外形も小さくすることができ、ミキサ全体の外形を小さくすることが可能で、液体クロマトグラフにおける部品配置の自由度を高めることができる。

図１０，図１１は、流路基板の構成を示す斜視図であり、多段流路ユニットを形成した流路基板の形状の例を示す。図１０に示すように形成された多段流路ユニットは、導入路２，第１段の流路ユニット１０１，第２段の流路ユニット１０２，第３段の流路ユニット１０３，第４段の流路ユニット１０４，各段の流路ユニットを接続する接続路１０１０，１０２０，１０３０、および、導出路７を備える。導入路２は、流路基板１４の下面に形成された溝２０１，流路基板１４の下面と上面を貫通する貫通孔２０２を備える。流路ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は、それぞれ分岐部，第１の分岐流路，第２の分岐流路，合流部を備え、これらは、流路基板１４の上面に溝として形成されている。流路ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は、それぞれの第１の分岐流路が直線状、それぞれの第２の分岐流路が３か所屈折する流路ユニットである。導出路７は、流路基板１４の上面に溝として形成されている。

液体の流れは、導入路２を通って、第１段の流路ユニット１０１の分岐部１０１３で分岐し、第１の分岐流路１０１４または第２の分岐流路１０１５を通って、合流部１０１６で合流し、接続路１０１０を通って、第２段の流路ユニット１０２の分岐部１０２３で分岐し、第１の分岐流路１０２４または第２の分岐流路１０２５を通って、合流部１０２６で合流し、接続路１０２０を通って、第３段の流路ユニット１０３の分岐部１０３３で分岐し、第１の分岐流路１０３４または第２の分岐流路１０３５を通って、合流部１０３６で合流し、接続路１０３０を通って、第４段の流路ユニット１０４の分岐部１０４３で分岐し、第１の分岐流路１０４４または第２の分岐流路１０４５を通って、合流部１０４６で合流し、導出路７を通って、流路ユニットから排出される。

図１１に示すように形成された多段流路ユニットは、導入路２，第１段の流路ユニット１０１，第２段の流路ユニット１０２，第３段の流路ユニット１０３，第４段の流路ユニット１０４，各段の流路ユニットを接続する接続路１０１０，１０２０，１０３０、および、導出路７を備える。導入路２は、流路基板１４の下面に形成された溝２０１，流路基板１４の下面と上面を貫通する貫通孔２０２を備える。流路ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は、それぞれ分岐部，第１の分岐流路，第２の分岐流路，合流部を備え、これらは、流路基板１４の上面に溝として形成されている。流路ユニット１０１，１０２，１０３，１０４は、第１の分岐流路４と第２の分岐流路５が円をなす流路ユニットである。

上述のように、図５から図９に、流路基板１枚に１つの流路ユニットが形成された例を示し、図１０と図１１に、流路基板１枚に複数の流路ユニットが形成された例を示した。これら以外の流路基板での流路ユニットの形成方法として、例えば、複数の流路基板で１つの流路ユニットを構成したり、複数の流路基板の間にスペーサを配置して１つの流路ユニットを構成し、図５から図１１に示したような流路を形成させるようにしてもよい。

図１２は、流れ方向の濃度ムラの低減性能を示すグラフである。Ｔは濃度ムラ周期、Δｔは第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と、第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２との差、Ｍは後述の数１３で表される流れ方向濃度ムラの低減性能である。

本発明の実施態様に基づくミキサを用いて流れ方向濃度ムラを低減する原理について、説明する。はじめに、流路内部の流速が一様である場合の、一つの流路ユニットによる流れ方向濃度ムラの低減の原理について説明する。

例えば、図４に示した流路ユニットの第１の分岐流路４の液体通過時間ｔ１，第２の分岐流路５の液体通過時間ｔ２は、それぞれの流量Ｑ１，Ｑ２と体積Ｖ１，Ｖ２を用いて次式で表される。
ｔ１＝Ｖ１／Ｑ１ …（数１）
ｔ２＝Ｖ２／Ｑ２ …（数２）

このとき、分岐部の濃度Ｃinが、中心部の濃度Ｃ０，濃度の振幅Ｃａ，濃度の周期Ｔの正弦波状に時間変化するとした場合、時間をｔとして、次式で表される。
Ｃin＝Ｃ０＋Ｃａ・sin(２πｔ／Ｔ) …（数３）

第１の分岐流路の出口の濃度Ｃ１out，第２の分岐流路の出口の濃度Ｃ２outは、それぞれ次式となる。
Ｃ１out＝Ｃ０＋Ｃａ・sin(２π(ｔ−ｔ１)／Ｔ) …（数４）
Ｃ２out＝Ｃ０＋Ｃａ・sin(２π(ｔ−ｔ２)／Ｔ) …（数５）

ここで、単位時間あたりにある流路断面を通過する物質量をフラックスと呼ぶと、第１の分岐流路の出口のフラックスＪ１，第２の分岐流路の出口のフラックスＪ２は、次式で表される。
Ｊ１＝Ｃ１out・Ｑ１
＝Ｃ０・Ｑ１＋Ｃａ・Ｑ１・sin(２π(ｔ−ｔ１)／Ｔ) …（数６）
Ｊ２＝Ｃ２out・Ｑ２
＝Ｃ０・Ｑ２＋Ｃａ・Ｑ２・sin(２π(ｔ−ｔ２)／Ｔ) …（数７）

したがって、合流部の濃度Ｃoutは、次式で求められる。
Ｃout＝(Ｊ１＋Ｊ２)／(Ｑ１＋Ｑ２)
＝Ｃ０＋(Ｃａ／(Ｑ１＋Ｑ２))・(Ａ・sin(２πｔ／Ｔ)
−Ｂ・sin(２πｔ／Ｔ)) …（数８）

ここで、ｔａｎα＝Ｂ／Ａとする。
Ａ＝Ｑ１・cos(２πｔ１／Ｔ)＋Ｑ２・cos(２πｔ２／Ｔ) …（数９）
Ｂ＝Ｑ１・sin(２πｔ１／Ｔ)＋Ｑ２・sin(２πｔ２／Ｔ) …（数１０）
Ｃout＝Ｃ０＋(Ｃａ／(Ｑ１＋Ｑ２))・(√（Ａ²＋Ｂ²)・sin(２πｔ／Ｔ−α))
＝Ｃ０＋(Ｃａ／(Ｑ１＋Ｑ２))・√(Ｑ１²＋Ｑ２²＋２Ｑ１・Ｑ２
・(cos(２πｔ１／Ｔ−２πｔ２／Ｔ)))・sin(２πｔ／Ｔ−α) …（数１１）

ここで、Δｔ＝ｔ２−ｔ１とする。
Ｃout＝Ｃ０＋(Ｃａ／(Ｑ１＋Ｑ２))・√(Ｑ１²＋Ｑ２²＋２Ｑ１・Ｑ２
・cos(２πΔｔ／Ｔ))・sin(２πｔ／Ｔ−α) …（数１２）

ここで、合流部の濃度の時間変化の振幅、すなわち濃度ムラの大きさを、Ｃｂ＝(Ｃａ／(Ｑ１＋Ｑ２))・√(Ｑ１²＋Ｑ２²＋２Ｑ１・Ｑ２・cos（２πΔｔ／Ｔ）)とする。
Ｃout＝Ｃ０＋Ｃｂ・sin(２πｔ／Ｔ−α) …（数１３）

流路ユニットの流れ方向濃度ムラの低減性能は、分岐部の濃度の振幅Ｃａに対する合流部濃度の振幅Ｃｂの比Ｍと定義し、次式で表される。
Ｍ＝Ｃｂ／Ｃａ＝(１／（Ｑ１＋Ｑ２))・√(Ｑ１²＋Ｑ２²＋２Ｑ１
・Ｑ２・cos(２πΔｔ／Ｔ)) …（数１４）

例えば、流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍが１のときは、流れ方向の濃度ムラは低減されていないことを意味する。また、Ｍが０のときは、流れ方向の濃度ムラは完全に低減されており、合流部において濃度ムラがないことを意味する。

濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と、第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２との差Δｔの比Δｔ／Ｔが、整数（０，１，２，…）でないとき、Ｍ＜１であり、流路ユニットによって流れ方向の濃度ムラが低減する。例えば、図１２中の、ａ点は、濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と、第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔの比Δｔ／Ｔが、０と１／２との間の値であり（０＜（Δｔ／Ｔ）＜１／２）、かつ、第１の分岐流路の流量Ｑ１と第２の分岐流路の流量Ｑ２とが異なる（Ｑ１≠Ｑ２）。

特に、濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔの比Δｔ／Ｔが、整数と１／２との和（１／２，３／２，５／２，…）で、かつ、第１の分岐流路の流量Ｑ１と第２の分岐流路の流量Ｑ２が等しいとき（Ｑ１＝Ｑ２）、Ｍは０であり、流れ方向の濃度ムラは完全に低減されており、合流部において流れ方向の濃度ムラはない。例えば、図２中の、ｂ１点，ｂ２点，ｂ３点，ｂ４点，ｂ５点は、濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔの比Δｔ／Ｔが、それぞれ１／２，３／２，５／２，７／２，９／２であり、かつ、第１の分岐流路の流量Ｑ１と第２の分岐流路の流量Ｑ２とが等しい（Ｑ１＝Ｑ２）。

濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔの比Δｔ／Ｔが、整数（０，１，２，…）のとき、Ｍ＝１であり、流路ユニットによって流れ方向の濃度ムラは低減しない。例えば、図２中の、ｃ０点，ｃ１点，ｃ２点，ｃ３点，ｃ４点，ｃ５点は、濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔの比Δｔ／Ｔが、それぞれ０，１，２，３，４，５である。

次に、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の液体通過時間ｔ２とが異なるための、流路構造の条件を説明する。前述の（数１）と（数２）において、ｔ１≠ｔ２より次式が成り立つ。
Ｖ１／Ｑ１≠Ｖ２／Ｑ２ …（数１５）

したがって、流量比は次式となる。
Ｑ１／Ｑ２≠Ｖ１／Ｖ２ …（数１６）

流路の圧力損失をΔＰ、流量をＱとすると、流路の流体抵抗Ｒは次式となる。
Ｒ＝ΔＰ／Ｑ …（数１７）

したがって、第１の分岐流路の流体抵抗をＲ１、第２の分岐流路の流体抵抗をＲ２として、第１の分岐流路と第２の分岐流路の合成流体抵抗Ｒは次式となる。
Ｒ＝Ｒ１・Ｒ２／(Ｒ１＋Ｒ２) …（数１８）

また、第１の分岐流路の流量Ｑ１と、第２の分岐流路の流量Ｑ２は、次式となる。
Ｑ１＝(Ｒ２／Ｒ)・(Ｑ１＋Ｑ２) …（数１９）
Ｑ２＝(Ｒ１／Ｒ)・(Ｑ１＋Ｑ２) …（数２０）

したがって、流量比は次式となる。
Ｑ１／Ｑ２＝Ｒ２／Ｒ１ …（数２１）

ここで、第１の分岐流路の断面積をＡ１、長さをＬ１、単位断面積単位長さ当たりの流体抵抗をρ１、第２の分岐流路の断面積をＡ２、長さをＬ２、単位断面積単位長さ当たりの流体抵抗をρ２とすると、それぞれの分岐流路の流体抵抗Ｒ１，Ｒ２は次式で表される。
Ｒ１＝ρ１・Ｌ１／Ａ１ …（数２２）
Ｒ２＝ρ２・Ｌ２／Ａ２ …（数２３）

したがって、流量比は次式となる。
Ｑ１／Ｑ２＝ρ２・Ｌ２・Ａ１／(ρ１・Ｌ１・Ａ２) …（数２４）

次に、第１の分岐流路の空隙率をφ１、第２の分岐流路の空隙率をφ２とすると、それぞれの体積Ｖ１，Ｖ２は、次式で表される。
Ｖ１＝φ１・Ａ１・Ｌ１ …（数２５）
Ｖ２＝φ２・Ａ２・Ｌ２ …（数２６）

数１６を、数２４，数２５，数２６を用いて書き換えると次式になる。
ρ２・Ｌ２・Ａ１／(ρ１・Ｌ１・Ａ２)≠φ１・Ａ１・Ｌ１／(φ２・Ａ２・Ｌ２)
…（数２７）

それぞれの分岐流路に対応させて書き換えると、次式となる。
ρ１／(φ１・Ｌ１²)≠ρ２／(φ２・Ｌ２²) …（数２８）

数２８によれば、それぞれの分岐流路の単位断面積単位長さ当たりの流体抵抗ρ，空隙率φ，長さＬで決まる値ρ／（φ・Ｌ²）が異なるとき、それぞれの液体通過時間ｔ１，ｔ２が異なることがわかる。特に、第１の分岐流路と第２の分岐流路において、流路内部に同質の多孔質体を充填した場合などで、流体抵抗と空隙率が同一のときは（ρ１＝ρ２，φ１＝φ２）、それぞれの長さが異なる場合に（Ｌ１≠Ｌ２）、第１の分岐流路，第２の分岐流路の液体通過時間ｔ１，ｔ２が異なっている。

次に、流路内部の流速が一様である場合の、流路ユニットが多段に接続されている場合の、流れ方向濃度ムラの低減の原理について説明する。この構成によって、上段の流路ユニットによって低減された濃度ムラが、下段の流路ユニットによってさらに低減される。したがって、単段の流路ユニットよりも、流れ方向濃度ムラの低減性能が向上する。

図２において、多段流路ユニット１００１を構成するｎ個の流路ユニット１０１，２０１，３０１が同一形状の場合、流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍは、全て等しい。このとき、多段流路ユニット１００１の流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍｔは、次式で表される。
Ｍｔ＝Ｍⁿ …（数２９）

したがって、流路ユニットの段数ｎを大きくすることで、流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍｔが向上する。ただし、濃度ムラ周期Ｔに対する、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差の比Δｔ／Ｔが、整数（０，１，２，…）のとき（図１２中の、ｃ０点，ｃ１点，ｃ２点，ｃ３点，ｃ４点，ｃ５点が該当）、流路ユニットの段数によらずＭｔ＝１であり、流れ方向の濃度ムラは低減しない。

図２において、多段流路ユニット１００１を構成するｎ個の流路ユニット１０１，２０１，３０１のそれぞれにおいて、第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔが、それぞれ異なる場合を考える。流路ユニット１０１，２０１，３０１の流れ方向濃度ムラの低減性能をＭ１，Ｍ２，Ｍｎとすると、多段流路ユニット１００１の流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍｔは、次式で表される。
Ｍｔ＝Ｍ１・Ｍ２・…・Ｍｎ …（数３０）

各段の流路ユニットの液体通過時間の差Δｔが異なり、図１２中のｃ１点，ｃ２点，ｃ３点，ｃ４点，ｃ５点に相当する、流れ方向の濃度ムラが低減しない濃度ムラ周期が各段の流路ユニットで異なる。したがって、すべての濃度ムラ周期Ｔにおいて、Ｍｔ＜１となり、流れ方向濃度ムラＭｔを低減することができる。

多段流路ユニット１００１において、接続されるｎ個全ての流路ユニットにおいて、第１の分岐流路の流量Ｑ１と第２の分岐流路の流量Ｑ２とが等しく（Ｑ１＝Ｑ２）、第ｋ段の流路ユニットの第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔ(ｋ)が、その一つ上段の流路ユニットの第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔ(ｋ−１)の半分である場合を考える。このときの条件は次式となる。
Δｔ(Ｒ−１)／２＝Δｔ(Ｒ) …（数３１）

この場合、条件０＜Δｔ(１)／Ｔ＜２^n-1において、上段の流路ユニットの流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍが１である濃度ムラの周期Ｔでは、それよりも下段の流路ユニットの流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍが０である。このとき、濃度ムラの周期Ｔが条件０＜１／Ｔ＜２^n-1／Δｔ(１)を満たす範囲において、Ｍｔ＜１であり、流れ方向の濃度ムラを低減することができる。特に、第１段の第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔ(１)の比Δｔ(１)／Ｔが整数と１／２との積（１／２，１，３／２，２，５／２，…）においてＭｔ＝０であり、流れ方向の濃度ムラは完全に低減されており、最下段の流路ユニットの合流部において流れ方向の濃度ムラをなくすことができる。

次に、ミキサの流路内部の流速が非一様である場合について説明する。実際の流路では、流路壁面の摩擦，流路の曲がり，分岐，合流などでの二次流れや流れの剥離によって、流路内の流速は完全に一様とはならない。また、流路内部に多孔質体などの一様な構造がない場合は、液体の粘性によって、流路の中心付近が最大、流路の壁面近傍は最小となるような流速分布を持つ。そのため、非一様の流速分布が生じる場合と、一様の流速分布が生じる場合で、流れ方向の低減性能は異なる。

図１３は、流れ方向の濃度ムラの低減性能を示すグラフであり、流路ユニットを３段で、接続される３個全ての流路ユニットで第１の分岐流路の流量Ｑ１と第２の分岐流路の流量Ｑ２とが等しく（Ｑ１＝Ｑ２）、第ｋ段の流路ユニットの第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔ（ｋ）が、その一つ上段の流路ユニットの第１の分岐流路の液体通過時間ｔ１と第２の分岐流路の液体通過時間ｔ２の差Δｔ（ｋ−１）の半分である場合の、流路内の流速分布が一様である場合と流路内の流速分布が非一様である場合の、流れ方向濃度ムラの低減を計算した結果を示す。

図１３において、点線は流速分布を一様としてシミュレーションした結果であり、実線は流速分布を非一様としてシミュレーションした結果である。流路内の流速分布が非一様でも、流れ方向の濃度ムラは、Ｍｔ＜１となり、濃度ムラを低減できることがわかる。

以上は、流路ユニットの分岐流路が２本の流路ユニットの場合の、流れ方向濃度ムラの低減の原理を説明したが、この原理は、分岐流路が３本以上においても同様に成り立ち、各分岐流路の液体通過時間が異なれば、分岐流路が２本の場合と同様の効果を得ることができる。

図１に示す液体クロマトグラフにおいて、多段流路ユニット１００１の流れ方向濃度ムラの周期Ｔに対する流れ方向濃度ムラの低減性能Ｍｔの特性を、送液ポンプ２２０１，２２０２による流れ方向濃度ムラの性質に合わせて適切に選択することで、以下のような効果を得ることができる。

例えば、送液ポンプ２２０１，２２０２の仕様が同一で、一定の周期で送液する場合、１つの流路ユニットからなるミキサを準備することによって、流れ方向濃度ムラの低減を実現できる。

また、例えば、送液ポンプ２２０１，２２０２がそれぞれ異なる一定の周期で送液する場合、流れ方向の濃度ムラは、それら２つの周期の重ね合わせとなる。それら２つの周期の濃度ムラ変化それぞれに対して、その周期を低減できる流路ユニットを含む多段流路ユニットを備えたミキサを準備することによって、流れ方向濃度ムラを低減することができる。

また、例えば、送液ポンプ２２０１，２２０２が送液流量などによって変化する周期で送液する場合、全ての濃度ムラ周期を低減できるように、複数の流路ユニットを組み合わせた多段流路ユニットを備えたミキサを準備することによって、流れ方向濃度ムラを低減することができる。

また、例えば、送液ポンプ２２０１，２２０２による流れ方向濃度ムラの変化が、複数の周期の重ね合わせである場合、それぞれの周期の濃度ムラ変化を低減できるような流路ユニットを組み合わせた多段流路ユニットを備えたミキサを準備することによって、この構成が含む全ての周期の流れ方向濃度ムラを低減することができる。

以上述べたようなミキサの構成と動作により、移動相の流れ方向の濃度ムラを低減することができる。その結果、吸光度測定器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される吸光度の変動が小さくなるという効果がある。また、蛍光検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される蛍光光度の変動が小さくなるという効果がある。また、示差屈折検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される屈折率の変動が小さくなるという効果がある。以上の効果によって、より微小量のサンプルを検出できるようになり、液体クロマトグラフの感度を向上させることができる。また、サンプルピークの面積をより正確に測定できるため、定量測定の精度が向上するという効果がある。

また、本実施例によれば、ミキサの流路体積を小さくすることができる。そのため、ミキサに移動相が流入してから排出されるまでの時間が短くなり、１回の分析に必要な時間が短くなる。また、グラジエント溶出法による分析の場合には、理想に近い移動相の濃度変化を生成できるという効果をもたらす。

また、本実施例によれば、ミキサは、移動相の流れ方向の濃度ムラの低減性能が最大となる周期を有する。周期が短くなるほど流路体積は小さくてよいため、濃度ムラの周期が最小となるように送液ポンプを駆動する液体クロマトグラフのシステムによって、流路体積が小さいことによる効果を最大限に発揮することができる。

図１４は、低圧グラジエント溶出法向け液体クロマトグラフの主要な構成を示す構成図である。液体クロマトグラフは、複数の溶離液、例えば、溶離液Ａ２１０１，溶離液Ｂ２１０２，溶離液Ｃ２１０３，溶離液Ｄ２１０４の４種類の溶離液，切換えバルブ３１，ミキサ２４，送液ポンプ２２，オートサンプラ２５，分離カラム２６，検出器２７，各構成要素を流体的に接続する配管２８，各構成要素を制御するコントローラ２９，各構成要素を電気的に接続する配線３０を備える。４種類の溶離液をミキサ２４で濃度ムラが低減されるように混合する。

図１５は、低圧グラジエント溶出法における溶離液の濃度変化を示すグラフである。低圧グラジエント溶出法は、切換えバルブ３１によって、送液ポンプ２２で送液される溶離液を切り替える。そのため、例えば、ミキサ２４の流入口における移動相の濃度の時間変化は、図１５に示すようになる。このとき、溶離液Ａ，溶離液Ｂ，溶離液Ｃ，溶離液Ｄの順番で送液しているとし、その周期をＴとする。１周期の中で、溶離液Ａ，溶離液Ｂ，溶離液Ｃ，溶離液Ｄが送液される時間ｔＡ，ｔＢ，ｔＣ，ｔＤによって、移動相における溶離液Ａ，溶離液Ｂ，溶離液Ｃ，溶離液Ｄの濃度を調整する。このとき、切換えバルブ３１より下流の配管内では、流れ方向の濃度ムラ周期Ｔで、それぞれの溶離液の濃度ムラが現れる。例えば、溶離液Ａの濃度変化は図１５に示すような矩形波となる。周期Ｔの矩形波は、周期Ｔの正弦波と高調波周期（周期Ｔ／２，Ｔ／３，Ｔ／４，…）の正弦波の重ね合わせで表すことができる。Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…を、各周期Ｔ，Ｔ／２，Ｔ／３，…の成分の振幅とすると、溶離液Ａの濃度変化Ｃ(Ａ)は、次式で表される。
Ｃ(Ａ)＝Ｃ１・sin(２πｔ／Ｔ)＋Ｃ２・sin(２πｔ／(Ｔ／２))＋Ｃ３・sin(２πｔ／(Ｔ／３)) …（数３２）

したがって、図２に示した多段流路ユニット１００１を用いたミキサによって、溶離液Ａの濃度ムラを低減することができる。同様に、溶離液Ｂ，溶離液Ｃ，溶離液Ｄの濃度ムラについても、図２に示した多段流路ユニット１００１を用いたミキサによって低減することができる。

以上述べたようなミキサの構成と動作により、移動相の流れ方向の濃度ムラを低減することができる。その結果、吸光度測定器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される吸光度の変動が小さくなるという効果がある。また、蛍光検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される蛍光光度の変動が小さくなるという効果がある。また、示差屈折検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される屈折率の変動が小さくなるという効果がある。以上の効果によって、より微小量のサンプルを検出できるようになり、液体クロマトグラフの感度を向上させることができる。また、サンプルピークの面積をより正確に測定できるため、定量測定の精度が向上するという効果がある。

また、本実施例によれば、ミキサの流路体積を小さくすることができる。そのため、ミキサに移動相が流入してから排出されるまでの時間が短くなり、１回の分析に必要な時間が短くなる。また、グラジエント溶出法による分析の場合には、理想に近い移動相の濃度変化を生成できるという効果をもたらす。

また、本実施例によれば、ミキサは、移動相の流れ方向の濃度ムラの低減性能が最大となる周期を有する。周期が短くなるほど流路体積は小さくてよいため、濃度ムラの周期が最小となるように切換えバルブ３１の周期を決定することによって、流路体積が小さいことによる効果を最大限に発揮することができる。

以上述べたように、本発明の実施態様によれば、移動相の流れ方向の濃度ムラを低減する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフを提供することができる。

その結果、吸光度測定器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される吸光度の変動が小さくなる。また、蛍光検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される蛍光光度の変動が小さくなる。また、示差屈折検出器を検出器として用いる液体クロマトグラフにおいては、検出される屈折率の変動が小さくなる。以上の効果によって、より微小量のサンプルを検出でき、液体クロマトグラフの感度が向上する。また、サンプルピークの面積をより正確に測定できるため、定量測定の精度が向上する。

また、本発明で開示するミキサは、流路体積が小さい。そのため、ミキサに移動相が流入してから排出されるまでの時間が短く、１回の分析に必要な時間が短い。また、グラジエント溶出法による分析の場合に、理想に近い移動相の濃度変化を生成できる。また、本発明で開示するミキサは、移動相の流れ方向の濃度ムラの低減性能が最大となる周期がある。周期が短くなるほど流路体積は小さくてよいため、濃度ムラの周期が最小となるように送液ポンプを駆動する液体クロマトグラフのシステムによって、流路体積が小さいことによる効果を最大限に発揮できる。

また、本発明で開示するミキサにおける流路ユニットを形成する基板の面積は、流路を基板上に適切に配置することで、小さくすることができる。そのため、ハウジングによって基板を押さえつけて液圧をシールする比較的単純な構成により、基板に加わる面圧を大きくでき、より高い液圧をシールすることができる。これは、高圧の送液ポンプに対して適用可能であることを意味する。また、流路ユニットを形成する基板の面積が小さいことで、ハウジングの外形も小さくすることができるため、液体クロマトグラフの部品配置の自由度を高めることができる。

１，１０１，１０２，１０３ 流路ユニット
２ 導入路
３ 分岐部
４ 第１の分岐流路
５ 第２の分岐流路
６ 合流部
７ 導出路
１１，２４ ミキサ
１４ 流路基板
１５ 複数の流路基板を用いたミキサ
２２，２２０１，２２０２ 送液ポンプ
２３ 合流コネクタ
２５ オートサンプラ
２６ 分離カラム
２７ 検出器
２８ 配管
２９ コントローラ
３０ 配線
３１ 切換えバルブ
１００１ 多段流路ユニット
２１０１，２１０２ 溶離液

Claims (12)

1. 液体を導入する導入路と、
   前記導入路の下流に位置する分岐部と、
   前記分岐部から分岐する第１及び第２の分岐流路と、
   前記複数本の分岐流路が合流する合流部と、
   前記合流部の下流の導出路とを有する複数の流路ユニットを備えた液体混合装置であって、
   前記第１の分岐流路における液体通過時間と、前記第２の分岐流路における液体通過時間とは相対的に異なるように構成され、
   かつ、当該複数の流路ユニットのそれぞれにおける、前記第１の分岐流路における液体通過時間と前記第２の分岐流路における液体通過時間との差が異なるように構成されることを特徴とする液体混合装置。
2. 請求項１記載の液体混合装置において、
   前記流路ユニットは、複数の流路基板上にそれぞれ形成され、当該流路ユニットが形成された流路基板は重ね合わせられていることを特徴とする液体混合装置。
3. 請求項２記載の液体混合装置において、
   当該第１及び第２の分岐流路のうち、少なくとも一部の分岐流路は前記流路基板上で屈曲するように形成されることを特徴とする液体混合装置。
4. 請求項２記載の液体混合装置において、
   当該複数の流路ユニットが前記流路基板の上面と下面に形成されていることを特徴とする液体混合装置。
5. 請求項２記載の液体混合装置において、
   当該第１及び第２の分岐流路のうち、少なくとも一部の分岐流路は前記流路基板上で円をなすように形成されることを特徴とする液体混合装置。
6. 溶離液を送液する送液ポンプ、複数の溶離液を混合する液体混合装置、前記送液ポンプにより送液された溶離液に試料を導入するオートサンプラ、前記オートサンプラで試料が導入された液体を分離する分離カラム、前記分離カラムから送液される液体中の前記試料の成分を検出する検出器、前記送液ポンプと前記オートサンプラと前記検出器とを制御するコントローラを備えた液体クロマトグラフにおいて、
   前記液体混合装置は、
   液体を導入する導入路と、
   前記導入路の下流に位置する分岐部と、
   前記分岐部から分岐する第１及び第２の分岐流路と、
   前記複数本の分岐流路が合流する合流部と、
   前記合流部の下流の導出路とを有する複数の流路ユニットを備えた液体混合装置であって、
   前記第１の分岐流路における液体通過時間と、前記第２の分岐流路における液体通過時間とは相対的に異なるように構成され、
   かつ、当該複数の流路ユニットのそれぞれにおける、前記第１の分岐流路における液体通過時間と前記第２の分岐流路における液体通過時間との差が異なるように構成されることを特徴とする液体クロマトグラフ。
7. 請求項６記載の液体クロマトグラフにおいて、
   当該第１及び第２の分岐流路のうち、少なくとも一部の分岐流路は前記流路基板上で円をなすように形成されることを特徴とする液体クロマトグラフ。
8. 請求項７記載の液体クロマトグラフにおいて、
   当該第１及び第２の分岐流路のうち、少なくとも一部の分岐流路は前記流路基板上で屈曲するように形成されることを特徴とする液体クロマトグラフ。
9. 請求項７記載の液体クロマトグラフにおいて、
   当該複数の流路ユニットが前記流路基板の上面と下面に形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ。
10. 請求項７記載の液体クロマトグラフにおいて、
    当該第１及び第２の分岐流路のうち、少なくとも一部の分岐流路は前記流路基板上で円をなすように形成されることを特徴とする液体クロマトグラフ。
11. 請求項６記載の液体クロマトグラフにおいて、
    前記コントローラは、
    前記送液ポンプの駆動周期が、当該液体混合装置が備える複数の流路ユニットのそれぞれにおける前記第１及び第２の分岐流路の液体通過時間の差に応じて決定されるように、前記送液ポンプを制御することを特徴とする液体クロマトグラフ。
12. 請求項６記載の液体クロマトグラフにおいて、
    前記送液ポンプは、前記複数の溶離液の流量を切り替える切換えバルブを備え、
    前記コントローラは、前記切換えバルブの切換え周期が、当該液体混合装置が備える複数の流路ユニットそれぞれにおける前記第１及び第２の分岐流路の液体通過時間の差に応じて決定されるように、前記送液ポンプを制御することを特徴とする液体クロマトグラフ。

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