JP2017201331A - クロマトグラフィーシステムで使用するための乱流混合デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】クロマトグラフィーシステムで使用するための混合デバイスを提供する。【解決手段】混合デバイスは、第１端および第２端を有する外側ケース１５５と、外側ケースの第１端に出口ポート１４５とを備えている。チャンバを含むカートリッジが、外側ケースに包まれている。チャンバは、形状を有する内部容積を規定する少なくとも１つの壁を有しており、さらに、内部容積の形状は、乱流状態を作り出し、クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも２種類の流体を混合し、カートリッジを通る流れを与える。チャンバは、さらに、サンプルを保持し、これによって、さらに狭いサンプルの塊がクロマトグラフィーカラムに入るように、チャンバ内でサンプルフォーカシングが確保される。【選択図】図１Ｃ

Description

本出願の技術は、一般的に、クロマトグラフィーシステムにおいて少なくとも２種類の流体を合わせるための混合デバイスに関する。さらに具体的には、本出願の技術は、例えば、ピーク分離、サンプルフォーカシングといった優れたクロマトグラフィー結果を与える乱流混合デバイスに関する。

未精製化学混合物を同定し、精製するための分離器具として、液体系高性能クロマトグラフィー（「ＬＣ」）を種々の用途で使用することができる。クロマトグラフィー工程は、移動相に溶解した混合物を固定相に流すことを含み、移動相と固定相との異なる動力学に基づき、測定対象となる被分析物を混合物中の他の分子から分離する。化合物が移動相と相互作用する能力と、固定相と相互作用する能力のわずかな差によって、固定相に対し、異なる保持力が得られる。これらのわずかな差によって化合物を分離する。

クロマトグラフィーは、処理能力という観点で分取用であってもよく、分析用であってもよい。液体系クロマトグラフィーは、工程で使用する構成要素の特徴に基づいて、さまざまな形態を有してもよい。例えば、高速液体クロマトグラフィー（「ＨＰＬＣ」）は、純粋な有機溶媒を移動相として使用し、一方、固体粒子（例えば、カラム）が充填された管を固体相として使用する。超臨界流体クロマトグラフィー（「ＳＦＣ」）は、ＨＰＬＣで使用するのと同じ種類のカラムを使用するが、超臨界点より上の条件で二酸化炭素または他の圧縮性流体を移動相として、ある場合には共溶媒とともに使用し、ＨＰＬＣシステムで実施するのと同じ種類の分離および精製を行うために使用する別の態様である。

圧縮性流体は、高圧にさらされると流体密度が顕著に変化する流体である。ＳＦＣまたはＨＰＬＣについて、圧縮性流体と非圧縮性流体の重要な差は、圧力がかけられたときに流体の挙動が異なるという様式である。例えば、水またはメタノールなどの非圧縮性流体の場合、ある点で圧力を加えると、システム全ての他の点で同じ圧力がすぐに生じる。

例えば、超臨界ＣＯ_２などの圧縮性流体の場合、システム内の一点で力が加わり、システムのこの他の場所では、圧力がすぐには増加しない。この代わりに、力が加わった場所の近くで流体が圧縮し、つまり、力に応じて局所的に流体の密度が上昇する。この圧縮した流体は、この後、周囲にある流体粒子に広がり、周囲の流体自体を圧縮させる。多くの場合、最終結果は、局所的に濃い流体がシステム全体を移動するときの圧縮波の生成である。

液体系または超臨界流体系のクロマトグラフィーシステムの性能は、分離対象となる分子の性質に加え、移動相と固定相との間の流体の動力学によって変わってもよい。移動相および固定相の流体の動力学は、クロマトグラフィー工程中の連続的な平衡状態である。クロマトグラフィーシステムが依存する動力学の差のため（例えば、固定相および移動相と分子との相互作用は非常にわずかであり得る。）、これらの平衡状態（「ＥＯＳ」）は一定ではなく、環境因子などのあらゆる種類の攪乱因子の影響を非常に受けやすい。これらの攪乱因子は、例えば、移動相溶媒の不完全な圧送による脈動、システム圧力の変動、または異なる種類の希釈剤による勾配といった攪乱因子であってもよい。

従って、可能な限りの最良の結果を得るために最適化された条件と可能な限り一致するようにＬＣのほとんどの操作因子を維持することが、十分に受け入れられる原則である。例えば、移動相の勾配の組み合わせなどのクロマトグラフィー法のパラメーターを開発すれば、個々の溶媒全てを分離カラムに圧送し、サンプルと混合する前に効率的に混合することが好ましい。これに加え、移動相と同じ組成で、希釈剤中で全てのサンプルを調製することも好ましい。サンプルをシステムに注入し、保持させるこの様式は、分離に影響を与え得るような移動相の溶媒強度への変化からの主なフロー流に対し、攪乱因子を最小にするだろう。

しかし、これらのガイドラインは、多くの理由のため、常に実際にこれに従うというものではない。第１に、ほとんどのＬＣの場合、溶媒の混合チャンバは通常は層流系の設計であるが、この設計は、混合が効果的であるかどうかを決定するための実際の操作パラメーターによって変わるだろう。例えば、２種類の溶媒が異なる、密度、粘度および／または混和性などの物理的性質を有する場合、十分に混合させることは困難な場合がある。これに加え、クロマトグラフィーシステムからの圧力は、混合の有効性に顕著な影響を及ぼすことがある。第２に、被分析物分子の多様な性質は、単純に溶解度因子に依存して、移動相と実際に同じ組成の希釈剤を用いた被分析物／サンプルの調製を困難にすることがある。結果として、システムに注入されるサンプルは、移動相と異なる溶媒強度を有する場合がある。これにより平衡状態が崩れ、処理効率が低下することがある。第３に、ＳＦＣの場合、移動相の主な成分は、超臨界二酸化炭素などの圧縮性流体であるため、システムに注入される前は、サンプルは周囲雰囲気下にあり、圧縮性気体のような加圧条件下にはないので、移動相と同じ組成の希釈剤でサンプルを調製することは実際には不可能である。

本出願の技術は、クロマトグラフィーシステムにおいて少なくとも２種類の流体を合わせるための混合デバイスを特徴とする。このデバイスを使用し、層流による十分な混合では、他の方法では効率的ではないと思われるような異なる物理的性質（例えば、密度、粘度および極性）を有してもよい２種類以上の移動相を十分に混合することができる。

本技術は、さらに、ＳＦＣ中の移動相の２種類の異なる成分を十分に混合することができる。例えば、メタノールなどの移動相のために、二酸化炭素（ＣＯ_２）などの圧縮性流体と、調整溶媒、即ち、非圧縮性流体を混合することができる。本出願の技術は、さらに、合わせた移動相に被分析物を十分に溶解させることもできる。従って、本技術の混合デバイスを出るとき、被分析物および移動相は、分離カラムに入る前に均一な混合物として存在する。

本技術は、さらに、ＨＰＬＣ中の移動相の２種類の異なる成分を十分に混合することができる。多くは、ＨＰＬＣ移動相の構成成分は、異なる密度、粘度および極性を有するだろう。例えば、移動相は、サンプルに加え、非極性成分と極性成分とを含んでいるかもしれない。これらの異なる物理的性質のため、混和性であるにもかかわらず、これらの成分を層流でゆっくりと混合してもよい。本技術によって、移動相の全ての成分と被分析物とを十分に混合することができ、分離カラムに入る前に均一な混合物を得ることができる。

ある態様では、本技術は、クロマトグラフィーシステムにおいて少なくとも２種類の流体を合わせるための乱流混合デバイスを特徴とする。このデバイスは、第１端および第２端を有する外側筐体と、外側筐体の第１端に水流接続部とを備えている。チャンバを含むカートリッジが、外側筐体に包まれている。チャンバは、形状を有する内部容積を規定する少なくとも１つの壁を有しており、さらに、チャンバは、充填材料を含み、チャンバ内の充填材料は、乱流状態を作り出し、クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも２種類の流体を混合し、カートリッジを通る流れを与える。

本技術の一実施形態では、チャンバの内部容積は、形状を有しており、内部容積の形状と充填材料とを組み合わせて乱流状態を作り出し、クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも２種類の流体を混合し、カートリッジを通る流れを与える。

本技術の一実施形態では、チャンバの内部容積の形状は、円筒形、円錐形または凹面である。一実施形態では、充填材料は、複数の粒子を含む。一実施形態では、複数の粒子は、粒径が約１ミクロンから約１０，０００ミクロンである。一実施形態では、複数の粒子の表面は、化学的に不活性である。一実施形態では、複数の粒子は、無機材料、金属酸化物、ポリマー、またはこれらの組み合わせを含む。一実施形態では、デバイスの外側筐体は、ステンレス鋼を含む。

一実施形態では、本技術を高速液体クロマトグラフィーシステムまたは超臨界流体クロマトグラフィーシステムと組み合わせて使用する。一実施形態では、複数の粒子は中空である。一実施形態では、充填材料は、多孔性モノリスである。一実施形態では、多孔性モノリスは、シリカゲルモノリスである。一実施形態では、充填材料は、移動相に保持されないが、目的の被分析物にいくらか保持され、この結果、もっと狭い目的の被分析物の塊を確保するために、サンプルは、移動相よりも長時間保持される。一実施形態では、本技術は、外側筐体の第１端に入口と、外側筐体の第２端に出口とを備える。一実施形態では、入口と出口は、外側筐体の第１端から第２端までの軸に対し、非対称に配置している。

別の態様では、本技術は、第１のポンプおよび第２のポンプを備えるクロマトグラフィーシステムを特徴とする。第１のポンプは、第１流体を含む第１のフロー流を圧送することができ、第２のポンプは、第２流体を含む第２のフロー流を圧送することができる。第２のポンプは、第１のポンプに平行である。カートリッジを備える乱流混合デバイスは、第１のフロー流と第２のフロー流を合わせた後に配置されている。ある実施形態では、混合デバイスは、サンプルの注入点の後に配置される。乱流混合デバイスは、少なくとも第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、クロマトグラフィーシステムの操作中に混合デバイスを通って流れるような乱流状態を作り出す構成になっている。カラムはカートリッジの下流に配置され、検出器はカラムの下流に配置される。

クロマトグラフィーシステムの一実施形態では、ヒーターは混合デバイスの下流に配置される。別の実施形態では、サンプルを第２のフロー流に注入するための注入部は、混合デバイスの上流に配置される。一実施形態では、混合デバイスは、第１の流体および第２の流体よりも長時間、サンプルに保持される構造になっている。一実施形態では、第１の流体は圧縮性流体であり、第２の流体は非圧縮性流体である。

クロマトグラフィーシステムの一実施形態では、混合デバイスは、第１端および第２端を有する外側筐体を備えており、水流接続部は、外側筐体の第１端に配置されている。一実施形態では、チャンバを含むカートリッジが、外側筐体に包まれており、チャンバは、内部容積を規定する少なくとも１つの壁を有する。一実施形態では、充填材料は、チャンバの内部容積の中に配置され、充填材料は、少なくとも第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、クロマトグラフィーシステムの操作中にカートリッジを通って流れるような乱流を作り出す。

クロマトグラフィーシステムの一実施形態では、チャンバの内部容積は、形状を有しており、内部容積の形状と充填材料とを組み合わせて乱流状態を作り出し、クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、カートリッジを通る流れを与える。一実施形態では、チャンバは、円筒形、円錐形または凹面である。一実施形態では、充填材料は、無機材料、金属酸化物、ポリマー、またはこれらの組み合わせを含む。一実施形態では、充填材料は、複数の粒子を含む。一実施形態では、複数の粒子は中空である。一実施形態では、充填材料は、多孔性モノリスである。一実施形態では、多孔性モノリスは、シリカゲルモノリスである。一実施形態では、充填材料は、移動相に保持されないが、目的の被分析物にいくらか保持され、この結果、サンプルは、移動相よりも長時間保持される。ある実施形態では、混合デバイスは、外側筐体の第１端に入口と、外側筐体の第２端に出口とを備える。ある実施形態では、このデバイスの入口と出口は、外側筐体の第１端から第２端までの軸に対し、非対称に配置している。

別の態様では、本技術は、ある方法を特徴とする。この方法は、ＨＰＬＣまたはＳＦＣにおけるピークシグナルを高めることに関する。この方法は、第１流体を含む第１のフロー流を圧送することと、第２流体を含む第２のフロー流を圧送することとを含む。さらに、この方法は、サンプルを第２のフロー流または合わせたフロー流に注入することを含む。第１および第２のフロー流は、注入したサンプルとともに、カートリッジ内で乱流化される。この方法は、さらに、乱流の流れがクロマトグラフィーカラムを流れることと、サンプルの少なくとも一部を検出することとを含む。

本方法の幾つかの実施形態では、乱流化する前に、第１のフロー流と第２のフロー流を合わせる。ある実施形態では、カートリッジ内で第１のフロー流と第２のフロー流を合わせる。ある実施形態では、カラムに入る前に、サンプルはカートリッジ内に長時間保持される。サンプルを長時間保持することによって、サンプルフォーカシングが達成される。

本開示の例示的なデバイスおよび方法は、多くの利点を提供する。例えば、本技術は、異なる実施にわたって条件をもっと一定に維持することを確保する、即ち、乱流による混合を高めることにより操作因子を打ち消すことによって、例えばＳＦＣのようなクロマトグラフィーの信頼性を顕著に向上させる。この信頼性の増加は、例えばＳＦＣのようなクロマトグラフィーを、全体として複雑な混合物を分離するためのもっと安定した工程にする。さらに、本技術は、サンプルを移動相よりも長時間保持するのを助けることによって、クロマトグラフィーに入る前に、サンプルフォーカシングを助ける。このサンプルフォーカシングは、もっと狭いサンプルの塊がカラムに入るのを確保するのに役立つ。複数の実施にわたって条件をもっと一定にし、狭いサンプルの塊がクロマトグラフィーカラムに入るのを確保することによって、本技術は、もっと大きなピーク分離を可能にする。ピーク分離が大きくなると、改良された結果が得られ、分析がもっと速くなる。

上述の技術の利点は、さらなる利点と合わせて、添付の図面と組み合わせて以下の記載を参照することによってよりよく理解されるだろう。図面は、必ずしも縮尺通りである必要はなく、この代わりに、一般的に、技術の原理を示すときに強調される。

本技術の例示的な実施形態のカートリッジである。 本技術の例示的な実施形態のカートリッジホルダである。 本技術の例示的な実施形態の混合デバイスである。 本技術の例示的な実施形態の混合デバイスを備えるクロマトグラフィーシステムである。 本技術の例示的な実施形態の調整流の注入を伴う初期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムである。 本技術の例示的な実施形態の混合流または合わせた流れの注入を伴う初期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムである。 本技術の例示的な実施形態の調整流の注入を伴う中期から後期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムである。 本技術の例示的な実施形態の混合流または合わせた流れの注入を伴う中期から後期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムである。 本技術の例示的な実施形態の円錐形状のフローチャンバの模式図である。 本技術の例示的な実施形態の徐々に大きくなるチャンバの模式図である。 本技術の例示的な実施形態の非対称に並んだ入口／出口を有するフローチャンバの模式図である。

溶媒を効果的に混合するためのデバイスおよび設計によって、クロマトグラフィー工程を改良することができる。この工程は、一般的に多くのＬＣ用途で用いられる層流に基づく設計による混合チャンバと比較して、溶媒の混合に対する有効性が高いと思われる乱流による流体力学理論に基づく設計によるフロースルーからなっていてもよい。クロマトグラフィーシステム中に乱流混合デバイスを用いた、ピーク形状、保持能力および感度という観点で、クロマトグラフィーを改良することができ、例えば、ピーク分離による結果を向上させることができる。

フロースルー型の混合デバイスが開発され、クロマトグラフィー（例えば、ＨＰＬＣおよび／またはＳＦＣ）システムの性能を顕著に高めることが示された。フロー流の中の超臨界二酸化炭素の強度が低いという欠点を最小にするように、移動相／勾配プロフィールを最適化することができる。混合デバイスを用いることによってピーク強度、ピーク対称性および解像度を顕著に向上させることができ、カラム保持能を約３から５倍に高めることができる。幾つかの実施形態では、混合デバイスは、サンプルの塊をフォーカシングする構成要素を使用し、改良された結果を達成するためによりよく混合するための複数の乱流経路を与える。

ＳＦＣにおいて、超臨界流体として二酸化炭素を使用することによって、本技術を用いる最も大きな利点を示すことができるが、ＨＰＬＣと同じ種類のＬＣカラムをＳＦＣで使用したときに、ピーク性能および保持能はＨＰＬＣほどは良くないことがあることも長年にわたって示されてきている。種々の研究から、このことのほとんどが、二酸化炭素は固有の性質として極性が低く、強度が低いことに起因することが示されてきた。フロープロフィールをクロマトグラフィーおよび幾何という観点から改良するという点で、新しい種類のミキサーが設計されてきた。

乱流混合デバイス、またはピークエンハンサの使用は、移動相のプロフィールを顕著に改良し、もっと強いサンプル注入に起因して、溶媒ショックを減らすことができる。混合デバイスを用いることによって、ピークの形状、対称性、解像度を改良することができる。これに加え、サンプル保持能を、例えば、従来のＨＰＬＣシステムと同レベルの約３から５倍に高めることができる。これらの改良は、少なくとも部分的に、サンプル、溶媒および／または移動相の混合の改良に起因するものであり得る。さらに具体的には、チャンバ自体の内部の幾何形状、またはある実施形態では、粒子と合わせた幾何形状は、チャンバの少なくとも一部に乱流状態を与え、移動相と溶媒を十分に混合するように設計されている。

図１Ａは、所定の長さ（Ｌ）および半径（Ｒ）を有するカートリッジを示す。

図１Ｂは、外側ケース１５０および出口ポート１３５を有するカートリッジホルダを示し、図１Ｃは、出口ポート１４５および外側ケース１５５を有する混合デバイスを示す。混合デバイスは、種々の内部幾何形状を有するチャンバを備えるフロースルー型カートリッジであってもよい。チャンバは、異なる種類および異なる大きさの充填粒子で満たされていてもよい。例えば、ステンレス鋼または外部保護を別の種類の材料から作られている外側密閉部を使用してもよい。これに加え、水流接続設備、例えば、ポート／スレッドのついた蓋、少なくとも１個のｏリングを備える蓋、またはフローチャネルを有するフリットも使用してもよい。

ある実施形態では、混合デバイスは、例えばクロマトグラフィーカラムで使用されるチャンバとよく似たまっすぐな円筒形チャンバを含む種々の幾何形状を有してもよいチャンバを備える。チャンバは、望ましい機能を促進し得る他の種類の幾何形状または形状、例えば、円錐形、凹面形、または端が凹面の形状を有してもよい。チャンバは、複数の流路を有してもよい。

チャンバは、最大混合性能のために効果的な乱流条件を作り出すために、粒子または多孔性モノリスで満たされていてもよく、または少なくとも部分的に満たされていてもよい。粒子または空隙の大きさは、数ミクロンから数万ミクロンの範囲であってもよい。これに加え、粒子またはモノリスの表面特性は、化学的な観点で完全に不活性なものから、異なる程度の親和性、吸着性、親油性および立体因子を有するものまでさまざまであってもよい。粒子またはモノリスの材料は、例えば、シリカゲル、酸化ジルコニウムまたは酸化チタンのような金属酸化物などの無機系材料から、例えば、ポリスチレン−ジビニルベンゼン（ＰＳＤＶＢ）などのポリマー系材料までさまざまであってもよい。チャンバは、目的の用途に適応するために、例えば、図１Ｂのカートリッジホルダのように、高圧用ステンレス容器で閉じられていてもよい。

図２は、混合デバイス２０５を備えるクロマトグラフィーシステム２００を示す。クロマトグラフィーシステム２００は、安全性の課題または腐食の問題がないというＳＦＣの要求に耐えることができる丈夫な管２０１と相互に接続される。ＳＦＣに関する本発明の方法の実施形態では、ＣＯ_２ポンプ２２０は、溶媒供給からの出力流（例えば、ＣＯ_２供給２１０）を圧送し、調整ポンプ２２５は、調整容器２１５からの調整供給物（例えば、メタノール）を圧送する。圧縮性流体の流速は、流量計２２１によって監視される。サンプルは、サンプルラック２３０に保存され、オートサンプラー２３１を介して調整供給流の流れに注入され、位置２３５で圧縮性流体（例えばＣＯ_２）と混合される。次いで、合わせたフロー流は、乱流混合デバイス２０５で乱流化され、有効な混合が確保される。次いで、フロー流を、混合デバイス２０５に直接連通した、分子の分離を行うクロマトグラフィーカラム２４５のインラインヒーター２４０に通してもよい。次に、この分子分離帯を、診断および収集の目的で、種々の検出器（例えば、ＵＶ検出器２５０および／またはＭＳ検出器２５５）の一部に向かうアクティブスプリッタ２４６を通してもよい。次いで、圧縮性気体がフロー流の中に存在する場合には、この流れを、自動化した背圧制御器（「ＢＰＲ」）２６０に向かわせる。次いで、このフロー流を、減圧設定または周囲圧力に維持しつつ、任意の気／液分離器２６１を介して開放床画分収集器２６５に移動させる。このフロー流は、（１）１種類以上の非圧縮性液体を（２）１種類以上の非常に溶解性の高い気体、液化気体または超臨界液に溶かし、（３）目的の溶質を溶解した高圧の単相液を含んでもよい。混合デバイス２０５を、好ましくは、サンプル導入２３０の後で、任意のヒーター２４０およびクロマトグラフィーカラム２４５の前に、このクロマトグラフィーシステム２００に組み込むことができる。一実施形態では、混合デバイス２０５は、サンプル導入２３０から非常に近い位置に配置される。

ＨＰＬＣについても同様の方法が可能である。ＢＰＲ２６０または気液分離器２６１を備えていない技術を、ＨＰＬＣ溶媒とともに実施することができる。

クロマトグラフィーシステムを使用するときに乱流混合デバイスの有効性を調べるために、５％または１０％のメタノール（「ＭｅＯＨ」）を調整剤として用い、全体的なフローを６０ｍｇ／分で実施し、背圧を１００ｂａｒに保持したＰｒｅｐＳＦＣ−８０システムで試験を行った。カラムは、５μｍ、１９×１５０ｍｍのＷａｔｅｒｓ Ｖｉｒｉｄｉｓ ＳＦＣ ２−ＥＰであり、分離工程中、温度を３５℃に維持した。化合物（例えば、ｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシド、カフェイン、アムシノニド、３，３−ジフェニルプロピオン酸、３−アミノ安息香酸、スルファメタジン）をジメチルスルホキシド（「ＤＭＳＯ」）およびＭｅＯＨに溶解した。検出波長は、初期溶出部（例えば、ｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシドおよびカフェイン）では２７０ｎｍであり、中期から後期溶出部（例えば、アムシノニド、３，３−ジフェニルプロピオン酸、３−アミノ安息香酸、スルファメタジン）では２５４ｎｍであった。

図３Ａは、調整流の注入を伴う初期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムであり、図３Ｂは、混合流の注入を伴う初期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムを示す。図３Ａおよび３Ｂは、クロマトグラフィー用途のための２種類の異なるサンプル導入態様である調整流を注入した態様および混合流を注入した態様の両方において、クロマトグラフィーカラムで保持時間が２分未満の溶出ピークが、このシステムのデバイスを用いて、より狭くより鋭いピークを示すことを示している。図３Ａを参照すると、混合デバイス３１０を用いたクロマトグラムのピークは、混合デバイス３０５を用いないクロマトグラムのピークよりも鋭く、狭い。ピーク１は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシドのピークをあらわし、一方、ピーク１’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシドのピークをあらわす。ピーク１は、ピーク１’よりも鋭く、狭い。同様に、ピーク２は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのカフェインのピークをあらわし、ピーク２’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのカフェインのピークをあらわす。ピーク２は、ピーク２’よりも鋭く、狭い。

クロマトグラフィーシステムに混合流注入法を使用したときにも同様の結果が得られた。図３Ｂを参照すると、混合デバイス３５５を用いたクロマトグラムのピークは、混合デバイス３５０を用いないクロマトグラムのピークよりも鋭く、狭い。ピーク３は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシドのピークをあらわし、一方、ピーク３’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのｔｒａｎｓ−スチルベン−オキシドのピークをあらわす。ピーク３は、ピーク３’よりも鋭く、狭い。同様に、ピーク４は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのカフェインのピークをあらわし、ピーク４’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのカフェインのピークをあらわす。

図４Ａは、調整流の注入を伴う中期から後期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムを示し、図４Ｂは、混合流の注入を伴う中期から後期の溶出部でのクロマトグラフィーシステム中の混合デバイスを用いた改良を示すクロマトグラムを示す。図４Ａおよび４Ｂで示されるように、混合デバイスは、初期溶出部（例えば、図３Ａおよび３Ｂ）と同様に、中期から後期の溶出部でのクロマトグラムを改良する。図４Ａを参照すると、混合デバイス４１０を用いたクロマトグラムのピークは、混合デバイス４０５を用いないクロマトグラムのピークよりも鋭く、狭い。ピーク５は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのアムシノニドのピークをあらわし、一方、ピーク５’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのアムシノニドのピークをあらわす。同様に、ピーク６は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときの３，３−ジフェニルプロピオン酸のピークをあらわし、一方、ピーク６’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときの３，３−ジフェニルプロピオン酸のピークをあらわす。ピーク６は、ピーク６’よりも鋭く、狭い。ピーク７は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときの３−アミノ安息香酸のピークをあらわし、一方、ピーク７’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときの３−アミノ安息香酸のピークをあらわす。ピーク７は、ピーク７’よりも鋭く、狭い。ピーク８は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのスルファメタジンのピークをあらわし、一方、ピーク８’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのスルファメタジンのピークをあらわす。ピーク８は、ピーク８’よりも鋭く、狭い。

クロマトグラフィーシステムに混合流注入法を使用したときにも同様の結果が得られた。図４Ｂを参照すると、混合デバイス４５５を用いたクロマトグラムのピークは、混合デバイス４５０を用いないクロマトグラムのピークよりも鋭く、狭い。ピーク９は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのアムシノニドのピークをあらわし、一方、ピーク９’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのアムシノニドのピークをあらわす。ピーク９は、ピーク９’よりも鋭く、狭い。同様に、ピーク１０は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときの３，３−ジフェニルプロピオン酸のピークをあらわし、一方、ピーク１０’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときの３，３−ジフェニルプロピオン酸のピークをあらわす。ピーク１０は、ピーク１０’よりも鋭く、狭い。ピーク１１は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときの３−アミノ安息香酸のピークをあらわし、一方、ピーク１１’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときの３−アミノ安息香酸のピークをあらわす。ピーク１１は、ピーク１１’よりも鋭く、狭い。ピーク１２は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いたときのスルファメタジンのピークをあらわし、一方、ピーク１２’は、混合デバイスをクロマトグラフィーシステムに用いないときのスルファメタジンのピークをあらわす。ピーク１２は、ピーク１２’よりも鋭く、狭い。

上の結果は、ピーク幅の顕著な減少を示し、ひいては分析およびクロマトグラム結果の向上を示す。例えば、本出願の技術の実施形態では、このデバイスを使用しない従来法と比べ、ピーク幅の減少は、３０％以上のピーク幅の減少を実現している。例えば、３０−５０％、３０−７５％、３０−１００％の減少。

乱流混合デバイス、またはピークエンハンサの使用は、移動相のプロフィールを顕著に改良し、もっと強いサンプル注入に起因して、溶媒ショックを減らすことができる。混合デバイスを用いることによって、ピークの形状、対称性、解像度を改良することができる。これに加え、サンプル保持能を、例えば、従来のＨＰＬＣシステムと同レベルの約３から５倍に高めることができる。

混合チャンバの内側であらゆる溶媒のもっと均一な分布プロフィールを達成するために、混合チャンバの有利な幾何形状を最適化した混合デバイスを利用することができる。チャンバの軌道および寸法によって、溶媒をもっと一貫して十分に混合することができ、ほとんどの現状のＬＣ設計ではよく見られる放物線状のフロープロフィールを与えないだろう。内部幾何形状の非限定的な例の列挙としては、円筒形、円錐形（例えば、図５を参照）または凹面形状が挙げられる。チャンバの少なくとも一部を流れる流体の乱流を与えるために、混合対象の流体（例えば、ＭｅＯＨおよび／またはＣＯ_２）および操作条件（例えば、温度、圧力および／または振動）に依存してチャンバの特定の内部幾何形状を最適化することができることを当業者なら理解するはずである。ある実施形態では、内部チャンバを、混合デバイスに入る流体の流路が非線形になるように設計することができる。非線形流路は、クロマトグラフィーシステム内で流体の乱流を作り出し、良好な混合を与える。

フローチャンバの形状は、混合デバイスに入る２種類以上のフロー流を混合するのに重要である。重要なことに、混合デバイス内のフローチャンバは、流体の層流を生じさせない。このような層流は、異なる流れの平行な移動を暗示するため、２つの別個のフロー流が効果的に混合するのを妨害する。この代わりに、充填材料と組み合わせたフローチャンバの形状は、混合を促進するような乱流を与えるように設計される。流路に沿った流体の軌道を無理矢理変えさせることができる多くの幾何形状を利用することによって行われ、もっと乱流が作り出される。

例えば、図５は、円錐形に広がるフローチャンバを示す。流体は、入口ポート５０５を通って流れ、次いで、円錐形に広がる構成要素５１０を流れた後、第１のフリット５１５を通って円筒形チャンバ５２０に流れてもよい。円筒形チャンバは、所定の半径および長さを有する。フローチャンバの後、流体は第２のフリット５２５を通り、円錐形の圧縮要素５３０を通った後、出口ポート５３５を通って出てもよい。チャンバ５２０は、充填材料で満たされているか、または少なくとも部分的に満たされており、その間に１つ以上の流路を形成する。充填材料によって作られた経路とチャンバの形状とを合わせ、乱流が生じ、ひいては、異なるフロー流の混合を可能にする。

別の実施形態では、図６は、徐々に広がるフローチャンバを示す。

流体は、入口ポート６０５を通って流れ、次いで、第１のフリット６１０を流れた後、広がる構成要素６１５を通って流れてもよい。次いで、流体は、所定の長さおよび半径を有する円筒形の管６２０を通って流れた後、圧縮要素６２５に入り、第２のフリット６３０に入り、最後に出口ポート６３５を通ってもよい。チャンバ６２０は、充填材料で満たされているか、または少なくとも部分的に満たされており、その間に１つ以上の流路を形成する。充填材料によって作られた経路とチャンバの形状とを合わせ、乱流が生じ、ひいては、異なるフロー流の混合を可能にする。

別の実施形態では、図７は、非対称に整列した入口／出口を有するフローチャンバを示す。流体は、入口ポート７０５を通り、第１のフリット７１０を通って流れてもよい。次いで、流体は、円筒形カラム７１５を通った後、第２のフリット７２０を通って流れ、出口ポート７２５を通って出てもよい。重要なことに、出口ポート７２５は、入口ポートに対して非対称に配置され、その結果、流体は、チャンバ７１５を直線状に流れないだろう。チャンバ７１５は、充填材料で満たされているか、または少なくとも部分的に満たされており、その間に１つ以上の流路を形成する。充填材料によって作られた経路とチャンバの形状とを合わせ、乱流が生じ、ひいては、異なるフロー流の混合を可能にする。

充填材料を、混合デバイスの内部形状と組み合わせ、流体の乱流を作り出し、増大させ、チャンバ内での効果的な混合を確保する。一実施形態では、充填材料は、粒子の形態である。別の実施形態では、充填材料は、多孔性モノリスである。任意の実施形態では、チャンバを通る複数の経路が作られ、乱流状態が作り出される。ある実施形態では、充填材料の粒子は、種々の組成および寸法（例えば、シリカおよびポリマー材料）から作られてもよく、寸法は、その直径で数ミクロンから数千ミクロンまでさまざまである。ある実施形態では、多孔性モノリスを形成する充填材料は、シリカゲルである。ある実施形態では、複数の粒子は、化学的に不活性である。ある実施形態では、複数の粒子は、無機材料、金属酸化物、ポリマー、またはこれらの組み合わせを含む。充填された粒子のこれらの特徴は、非常に効果的な混合を確保する乱流環境の設定を効果的に作り出すことができる。

ある実施形態では、充填材料を満たすか、または部分的に満たし、乱流を促進する混合デバイスは、その中を流れる流体に対して化学的に不活性であってもよい。例えば、充填材料は、移動相、調整剤またはサンプルに対して化学的に不活性である。ある実施形態では、充填材料は、１種類以上の移動相、調整剤またはサンプルを保持するように化学的に調整される。例えば、充填材料を、移動相および調整剤よりもサンプルを保持しやすい材料のコーティングで処理してもよい。結果として、サンプルは、移動相または調整剤よりも長期間保持され、これにより、クロマトグラフィーカラムに入る前に、目的のサンプルのもっと狭い塊を導く。化学材料は、充填材料に直接堆積してもよい（例えば、粒子は、モノリスの空隙の空間に入り込む。）。ある実施形態では、充填材料自体を処理し（例えば、シリカモノリスのシロキシ基を共有結合によって保護し）、異なる特性を作り出す。

混合デバイスを備えるクロマトグラフィーシステムは、クロマトグラフィーシステムを最適化することができる。混合デバイスを備えるクロマトグラフィーシステムは、例えば、疎水性、吸着性、質量移動係数のような被分析物の多様な物理特性に基づいて、被分析物の多種類の親和性を示す固有の特徴を作り出すことができる。化学物質の分子の性質としては、限定されないが、Ｃ１８、Ｃ８ Ｃ４、Ｃ２、Ｃ１、シリカ、シアノ、ピリジン、ジオール、アミノ基、酸化チタン、ジルコニウム、ポリマースチレンおよびビニルが挙げられる。これらの化学物質のクロマトグラフィーの機構としては、限定されないが、他の特性の中で特に、疎水性、吸着性、サイズ排除、イオン対形成、分配および親和性が挙げられる。

移動相とは異なる溶媒強度を有するサンプルプラグの注入によって、超臨界二酸化炭素を移動相として使用するときに溶媒固有の不適合の問題に対処するために、混合デバイスをＳＦＣシステムで使用することもできる。超臨界液からの質量移動の特徴を利用し、サンプルが導入されるＳＦＣシステムの位置で瞬間的に効果的に乱流部分を得ることができる。これにより、特に、保持能、解像度、感度、ピーク形状、ピーク対称性という観点で、ＳＦＣシステムで顕著に改良されたクロマトグラフィー性能を得ることができる。

本明細書に記載する技術は、一般的なＬＣ技術でのサンプル処理（例えば、固有の広く行われ、想定される分離機構に基づく通常の設計による逆相ＬＣ（ＲＰＬＣ）および順相ＬＣ（ＮＰＬＣ））に効果的に使用することができる。例えば、ＲＰＬＣでは、主に疎水性に基づいて最適化することができ、一方、ＮＰＬＣでは、他の利用可能な機構に加え、分配および吸着性に基づいて機構を最適化することができる。

分析スケールおよび分取スケールの両方で、混合デバイスをクロマトグラフィー装置に適用することができる。処理能力に基づいてクロマトグラフィー装置に合うように種々の寸法および能力の設計を変えることができる。これらの設計全てで、全体的なクロマトグラフィーの改良を達成することができる。

開示されている装置および方法のさまざまな態様を図示し、記載してきたが、本明細書を読めば、当業者であれば改変を行うことができるだろう。本出願は、このような改変を包含する。

本出願は、２０１１年６月１７日に出願された米国仮出願第６１／４９８，４５９号に対する優先権を主張し、この内容全体が本明細書に参考として組み込まれる。

Claims (35)

1. クロマトグラフィーシステムにおいて少なくとも２種類の流体を合わせるための乱流混合デバイスであって、前記デバイスは、
   第１端および第２端を有する外側筐体と、
   前記外側筐体の第１端に水流接続部と、
   前記外側筐体に包まれた、内部容積を規定する少なくとも１つの壁を有するチャンバを備えるカートリッジと、
   前記チャンバの内部容積内に配置された充填材料とを備え、前記充填材料は、乱流状態を作り出し、前記クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも２種類の流体を混合し、前記カートリッジを通る流れを与える、乱流混合デバイス。
2. 前記チャンバの内部容積は、形状を有しており、前記内部容積の形状と前記充填材料とを組み合わせて乱流状態を作り出し、前記クロマトグラフィーシステムの操作中に、前記少なくとも２種類の流体を混合し、前記カートリッジを通る流れを与える、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記内部容積の形状が、円筒形、円錐形または凹面である、請求項１に記載のデバイス。
4. 前記充填材料が、複数の粒子を含む、請求項１に記載のデバイス。
5. 前記複数の粒子が、粒径が約１ミクロンから約１０，０００ミクロンである、請求項４に記載のデバイス。
6. 前記複数の粒子の表面が、化学的に不活性である、請求項４に記載のデバイス。
7. 前記複数の粒子が、無機材料、金属酸化物、ポリマー、またはこれらの組み合わせを含む、請求項４に記載のデバイス。
8. 前記外側筐体が、ステンレス鋼を含む、請求項１に記載のデバイス。
9. 前記クロマトグラフィーシステムが、高速液体クロマトグラフィーシステムまたは超臨界流体クロマトグラフィーシステムである、請求項１に記載のデバイス。
10. 前記複数の粒子が、中空である、請求項４に記載のデバイス。
11. 前記充填材料が、多孔性モノリスである、請求項１に記載のデバイス。
12. 前記多孔性モノリスが、シリカゲルモノリスである、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記充填材料は、移動相よりも目的の被分析物を保持しやすく、この結果、サンプルが移動相よりも長時間保持される、請求項１に記載のデバイス。
14. 外側筐体の第１端に入口と、外側筐体の第２端に出口とをさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
15. 前記入口と出口は、前記外側筐体の第１端から第２端までの軸に対し、非対称に配置している、請求項１４に記載のデバイス。
16. クロマトグラフィーシステムであって、
    第１流体を含む第１のフロー流を圧送するための第１のポンプと、
    第２流体を含む第２のフロー流を圧送し、前記第１のポンプと平行な第２のポンプと、
    前記第１のフロー流と第２のフロー流を合わせた後に配置され、少なくとも前記第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、前記クロマトグラフィーシステムの操作中に混合デバイスを通って流れるような乱流状態を作り出す構成になっている乱流混合デバイスと、
    カートリッジの下流に配置されたカラムと、
    前記カラムの下流に配置された検出器とを備える、クロマトグラフィーシステム。
17. 前記混合デバイスと直接流体が連通するように配置されたヒーターをさらに備える、請求項１６に記載のクロマトグラフィーシステム。
18. 前記第２のフロー流にサンプルを注入するための注入部をさらに備え、前記注入部が前記混合デバイスの上流に配置される、請求項１６に記載のクロマトグラフィーシステム。
19. 前記混合デバイスは、前記第１の流体および第２の流体よりも長時間、サンプルに保持される構造になっている、請求項１８に記載のクロマトグラフィーシステム。
20. 前記第１の流体が、圧縮性流体であり、前記第２の流体は非圧縮性流体である、請求項１６に記載のクロマトグラフィーシステム。
21. 前記混合デバイスが、第１端および第２端を有する外側筐体と、
    前記外側筐体の第１端に水流接続部と、前記外側筐体に包まれた、内部容積を規定する少なくとも１つの壁を有するチャンバを備えるカートリッジと、
    前記チャンバの内部容積内に配置された充填材料とを備え、前記充填材料は、乱流状態を作り出し、前記クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも前記第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、前記カートリッジを通る流れを与える、請求項１６に記載のクロマトグラフィーシステム。
22. 前記チャンバの内部容積は、形状を有しており、前記内部容積の形状と前記充填材料とを組み合わせて乱流状態を作り出し、前記クロマトグラフィーシステムの操作中に、少なくとも前記第１のフロー流と第２のフロー流を混合し、前記カートリッジを通る流れを与える、請求項２１に記載のクロマトグラフィーシステム。
23. 前記チャンバが、円筒形、円錐形または凹面である、請求項２１に記載のクロマトグラフィーシステム。
24. 前記充填材料が、無機材料、金属酸化物、ポリマー、またはこれらの組み合わせを含む、請求項２１に記載のクロマトグラフィーシステム。
25. 前記充填材料が、複数の粒子を含む、請求項２１に記載のデバイス。
26. 前記複数の粒子が、中空である、請求項２５に記載のデバイス。
27. 前記充填材料が、多孔性モノリスである、請求項２１に記載のデバイス。
28. 前記多孔性モノリスが、シリカゲルモノリスである、請求項２７に記載のデバイス。
29. 前記充填材料は、移動相よりも目的の被分析物を保持しやすく、この結果、サンプルが移動相よりも長時間保持される、請求項２１に記載のデバイス。
30. 前記外側筐体の第１端に入口と、前記外側筐体の第２端に出口とをさらに備える、請求項２１に記載のデバイス。
31. 前記入口と出口は、前記外側筐体の第１端から第２端までの軸に対し、非対称に配置している、請求項３０に記載のデバイス。
32. ＨＰＬＣまたはＳＦＣにおけるピークシグナルを高める方法であって、前記方法は、
    第１流体を含む第１のフロー流を圧送することと、
    第２流体を含む第２のフロー流を圧送することと、
    サンプルを前記第２のフロー流に注入することと、
    前記第１のフロー流および第２のフロー流を、注入したサンプルとともにカートリッジ内で乱流化することと、
    乱流化したフロー流をクロマトグラフィーカラムに流すことと、前記サンプルの少なくとも一部を検出することとを含む、方法。
33. 乱流化する前に、前記第１のフロー流と第２のフロー流を合わせる、請求項３２に記載の方法。
34. 前記カートリッジ内で前記第１のフロー流と第２のフロー流を合わせる、請求項３２に記載の方法。
35. 前記カートリッジ内で、前記サンプルを前記第１の流体および第２の流体よりも長時間保持することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。

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