JP2018535428A - 液体サンプルからの複数の信号を測定する方法および装置 - Google Patents

液体サンプルからの複数の信号を測定する方法および装置 Download PDF

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Abstract

１つ以上の均質化要素がマルチ検出器フロースルー光学測定システムで利用される。均質化要素は、測定セル内のピークテーリングおよび不均一なサンプルプロファイルなどの、マルチ検出器フロースルーシステムに共通した問題を補正する。均質化要素は、コイル状インレット管と、セルのインレット付近の流れ分配器と、セルのアウトレットの流れ分配器とを含む。サンプルのこの均質化は、測定セル内の押し出し流れに似ており、各検出器が各々の個々の対応する把握されたサンプル体積において同一のサンプル組成を把握することを可能にする。このシステムは、超高圧液体クロマトグラフィ（ＵＨＰＬＣ）によって生成されるような狭いクロマトグラフィピークの多角度光散乱（ＭＡＬＳ）測定を行う場合に特に有益である。

Description

優先権
本願は、２０１５年９月２２日に出願された米国仮出願番号第６２／２２１，８７９号に対する優先権を主張する。
関連特許
本発明の背景および出願に関連する以下の参照文献は、引用によって本明細書に援用される。
［参照文献］
定義
「粒子」は、タンパク質およびポリマー分子ならびにそれらの抱合体およびコポリマー、ウイルス、細菌、ウイルス様粒子、リポソーム、ポリスチレンラテックス粒子、ナノ粒子、ならびに千〜数千ナノメートルの概算サイズ範囲内の全てのこのような粒子などの物体を意味する。
準弾性光散乱法（quasi-elastic light scattering：ＱＥＬＳ）、動的光散乱法（dynamic light scattering：ＤＬＳ）および光子相関分光法（photon correlation spectroscopy：ＰＣＳ）という用語は、同一の現象、すなわちブラウン運動を受ける粒子からの散乱光の測定を説明するためにしばしば用いられる。本明細書ではＱＥＬＳという用語を用いるが、ＱＥＬＳは当該技術分野でしばしば用いられる他の上記の用語と同等であるということに留意されたい。ＱＥＬＳは、他の光散乱測定技術とは異なっており、その最も一般的なものは、粒子の溶液から散乱した光の角度依存性を測定する、かつては「差分光散乱法」と呼ばれていた多角度光散乱法（multi-angle light scattering：ＭＡＬＳ）である。
本明細書全体を通して、光学測定セルについて言及する。最も一般的な形態として、本明細書に記載されている２つのセルタイプがある。最初のものは、米国特許第４，６１６，９２７号にフィリップスによって記載されているようなセルであり、セルを通る液体サンプルおよび溶媒の流れの方向は、同一の経路に沿って、照射ビームに対して本質的に平行である。このセル構成は「平行セル」と呼ばれる。本明細書に記載されている代替的なセル設計は、流体の流れが照射ビームを横断するセル設計である。このセル構成は「垂直セル」と呼ばれる。これは、円筒容器から散乱した光の測定に用いられる従来の構造である。なお、この名称は、厳密な限定を示すのではなく、一般的な説明および呼称を提供しているに過ぎない。たとえば、平行セルを横断するビームは、小さな角度で傾斜していてもよく、その結果、セルの入口ではビームはほぼボアの底部をかすめて通る一方、出口ではビームはほぼボアの最上部をかすめて通り、流れおよびビームが厳密に平行でなくても依然として「平行セル」であると考えられる。実際、本発明のいくつかの実施形態では、反射を最小限に抑えるため、ノイズを減少させるためなどの目的で、サンプルを通るビームをある角度に向けることが望ましいであろう。上記でおよび本明細書全体を通して説明する光学測定セルは、液体サンプルが通過するボアを含むフロースルーセルである。これらのボアは一般に円形または円形に近い断面を有するが、サンプルボアはこの形状に限定されるものと考えられるべきではない。本発明は、長方形、半円形、楕円形、三角形などを含むさまざまな形状のボア断面を有するセル、ならびに、断面および経路が不規則な形状を有するセルにも適用することができる。
液体サンプル中のさまざまなサイズ、質量および電荷の粒子をそれらの成分から分離することができる手段は数多く存在する。本開示では、主に、超高性能液体クロマトグラフィとしても知られている、一般に超高圧液体クロマトグラフィ（ultra-high pressure liquid chromatography：ＵＨＰＬＣ）と呼ばれる技術に焦点を当てる。しかし、今日用いられている大半の分離技術は、液体クロマトグラフィ属下の種であり、全ての液体クロマトグラフィ技術は、本明細書に開示されている本発明から恩恵を受けることができるということに留意されたい。したがって、以下の説明では、本発明から最も恩恵を受ける方法であるという理由で主にＵＨＬＰＣ（商標ＵＰＬＣ（登録商標）（マサチューセッツ州ミルフォードのウォーターズコーポレーション）と呼ばれることもある）について言及するが、本発明は、サイズ排除クロマトグラフィ（size exclusion chromatography：ＳＥＣ）またはゲル浸透クロマトグラフィ（gel permeation chromatography：ＧＰＣ）としばしば呼ばれる高圧液体クロマトグラフィ（high pressure liquid chromatography：ＨＰＬＣ）、および逆相クロマトグラフィなどの他の液体クロマトグラフィ技術にも適用することができる。また、本発明は、分離されたサンプルが管を介して検出セルに送られるフィールドフローフラクショネーション（field flow fractionation：ＦＦＦ）などの他の流れベースの分離技術との併用にも適用することができる。
背景
溶液中の高分子または粒子種の分析は、通常、適切な溶媒の中でサンプルを調製し、次いでそのアリコートを液体クロマトグラフィ（ＬＣ）カラムまたはフィールドフローフラクショネーション（ＦＦＦ）チャネルなどの分離システムに注入することによって実現され、サンプル内に含まれる異なる種の粒子は、さまざまな成分に分離される。サンプルは、一般にサイズ、質量またはカラムアフィニティに基づいてこのような手段によって分離されると、光散乱、屈折率、ＵＶ吸収、電気泳動移動度、粘度測定反応などによる分析を受ける。本開示は、主に多角度光散乱（ＭＡＬＳ）に関係している。
典型的なＨＰＬＣ−ＭＡＬＳ機構が図２に示されている。溶媒は、一般に、ＨＰＬＣポンプ２０１によって溶媒容器２０２から脱気装置２０３を通して引き込まれ、次いでフィルタリング手段２０４を通して注入弁２１１に注入される。液体サンプル２０５は、一般に注射器２０６によって注入弁２１１のサンプルループ２１２に注入される。しかし、サンプルは、記載されている手動手段ではなく、自動注入器によって流れストリームに追加されてもよい。次いで、流体サンプルは、注入器から１つ以上のＨＰＬＣカラム２０７を通って流れて、１つ以上のＨＰＬＣカラム２０７において、サンプル内に含まれる分子または粒子がサイズごとに分離され、最大の粒子が最初に溶出する。次いで、分離されたサンプルは、廃棄物に移動する前に、ＭＡＬＳ検出器２０８および示差屈折率検出器２０９などの濃度検出器を順次通過する。サンプル内の分子または粒子の物理的特性を測定することができる他の機器も流れストリームに沿って存在していてもよい。たとえば、ＵＶ／Ｖｉｓ吸光度検出器および／または粘度計が機器一式内に存在していてもよい。一般に、当該機器によって生成されたデータは、当該データを収集、格納および分析して結果をユーザに報告することができるコンピュータに伝送される。
上記のように、アリコートを含むサンプルは、図２に示されるＨＰＬＣシステム、またはより密接に本発明に関連してＵＨＰＬＣシステム、などの分離システムに注入され、当該ＵＨＰＬＣシステムは、同様であるがカラム２０７がＨＰＬＣカラムではなく１つ以上のＵＨＰＬＣカラムであり、ポンプ２０１は、ＵＨＰＬＣシステムが動作する高圧を生成することができる。カラムは、サンプルをサイズごとに成分留分に分離する。これらの溶出して分離された留分の各々は、「ピーク」を生じさせ、管を介して測定体積に進んで行く。そして、各検出機器は、当該測定体積を通過する際にピークからの信号を測定する。単一のアリコートは、任意の数のピークを発生させ得て、たとえば単一粒子サイズの単分散サンプルは、ピークを１つだけ発生させる。各サンプルピークが測定体積を通過する際に、セルを通過する任意の所与の瞬間に分析されているサンプルに関連する信号が検出される。これらの有限の測定は、しばしば「スライス」と呼ばれ、各スライスは、セル内を流れる所与の量の溶離液で検出されるサンプルの即時測定を表わす。これらの信号は、デジタル化されてコンピュータに格納され、結果として生じるデータは、一般に、図３に示されるようなピーク３０１としてユーザに報告され、ピークの各要素は、所与のスライスを表わす。所与のスライスにおけるデータ、この場合には単一のスライス３０２ａに対応する、複数の角度にわたる光散乱データ３０２は、ＡＳＴＲＡ（登録商標）（カリフォルニア州ゴリータのワイアット・テクノロジー・コーポレーション）などのソフトウェアプログラムを利用して閲覧および分析されてもよい。図３に示されるデータは、示差屈折率検出器から記録される信号３０３も含む。
ＭＡＬＳ測定の幾何学的配置概略図を示す。 ＭＡＬＳ測定に関連付けられたさまざまな要素の典型的なＨＰＬＣ−ＭＡＬＳ構成を示す。 単一のスライスについて表示されたＭＡＬＳデータを含む、ピーク全体にわたって収集されたＭＡＬＳおよび濃度データの一例である。 フィリップスの光散乱測定および関連付けられたマニホールドシステムのための平行セル構造を示す。 流路の点で図４のセルと対比される代替的な光散乱セル構成を示す。 （ａ）は、ポアズイユ流れによる拡散にさらされる流動サンプルを示し、（ｂ）は、サンプルセルからの散乱光を収集する３つの不整列検出器の視野を示し、（ｃ）は、不整列に起因して各検出器が経験する時間シフトを示す時間プロットに対する強度を示す。 折り曲げられるかまたは不適切に方向付けられたインレット管からのディーン流れに起因した測定セル内の例示的な流れプロファイルを示す。 単一濃度プロファイルフロントが、わずかに異なる検出体積を観察する２つの検出器を通過する時間の差を示す。 螺旋状のコイル状インレット管を利用してインレット管内の非対称の流れプロファイルを補正する本発明の測定システムの実施形態の概略図を示す。 本発明のフローシステムの実施形態を、そこを通過するサンプルの流れプロファイル濃度輪郭のグラフィック描写とともに示し、この特定の実施形態では測定セルのインレットでもアウトレットでも流れ分配器が利用されることに留意されたい。 平行セル構成において環状流れ分配器を利用するフローセルアセンブリを示す。 本発明の測定システムのための流れ分配器の好ましい実施形態を示し、２枚のメッシュシート間に挟持された円形ガスケット内に正方形の流れ遮断器が設置され、２枚のメッシュシートはさらに、別の一対の円形ガスケット間に挟持されている。 コイル状インレットおよびアウトレット管と標準的な取り付け具との接続も可能にするフローセルマニホールド内に保持されている図１２の一対の流れ分配器サンドイッチ構造を含む多くの開示されている要素を利用する本発明の好ましい実施形態を示す。 測定セルにおける流れプロファイルの視覚化を示し、当該プロファイルは、折り曲げられたインレット管によって引き起こされるディーン流れに起因して非対称を示す。 ほぼ理想的な構成のセル内の流れプロファイルを示し、インレット管は、フローセルと結合する前は完全に真っすぐである。 フローセルと結合する前の管の２５ｍｍ曲げ半径に起因したサンプルプロファイルにおける非対称を示す。 図１６に示される状態と同一の曲げ状態を有するサンプルプロファイルを示すが、この図では、コイル状インレット管およびメッシュ流れ分配器が利用される本発明の実施形態を示す。 （ａ）検出器が不整列である場合および（ｂ）検出器が不整列でない場合の２つのクロマトグラムを対比し、不整列は重大なエラーを生じさせる可能性がある。
発明の詳細な説明
ＭＡＬＳ検出システムは、水平ボアが、流体の流れの領域も測定ビームがセルを横断する経路の領域も規定するフローセルをしばしば利用してきた。このようなセルは、１９８６年１０月１４日に発行された米国特許第４，６１６，９２７号にフィリップス等によって記載されている。当該セルは、本明細書では平行セルと呼ばれるが、直径にボアが開けられた、図４に示されるような円筒の一部である。このセル設計はさらに、水平レンズの役割を果たし、その結果、ビーム４０１は、検出領域４０２付近では線状源の役割を果たし、検出領域４０２では、セルの外周にさまざまな角度で位置決めされた複数の検出器（図示せず）が、サンプルによってそこから散乱された光を受け取るように方向付けられている。したがって、この革新的な設計は、所与の散乱角度での検出器からの光をより多く集めることを可能にしたが、この利点は、サンプル濃度のいくらかの平均化を犠牲にして実現されるものであり、サンプル濃度は、この設計では大きなサンプル体積が必要であることにより所与の測定角度で流路に沿った線状源の幅に沿って必然的に生じる。所与の角度で散乱される光の量を増加させる別の手段は、２０１１年７月１９日に発行された米国特許第７，９８２，８７５号にスティーブンＰ．トレインオフによって開示されており、これは、サンプルセルが垂直レンズと水平レンズの両方の役割を果たす、フィリップスのセルに対する変形例である。
対応して低い体積ピークを生成するサンプル体積を減少させるという業界内の傾向により、超高圧液体クロマトグラフィ（ＵＨＰＬＣ）の出現が後押しされてきた。その結果、ＵＨＰＬＣピークを測定するためのＭＡＬＳ検出システムは、感度および体積を適切にスケーリングしなければならない。上記の平行セルまたは図５（ａ）に示されるような垂直セルと呼ばれる代替的な構成のいずれかである測定セルを通過する液体サンプルは、セルに入る際にサンプルの流動力学に大きく影響される。垂直セルでは、サンプル流れ５０１は、ビーム５０４に対して垂直にセル構造５０３のボア５０２に入る。測定セルの周囲に位置する検出器アレイが散乱光を収集する。理想的には、各検出器は、同一の照射体積を観察するであろう。しかし、整列が不完全であること、および、異なる角度で位置する検出器が観察するサンプル体積の幾何学的形状の変化により、検出器は必然的にわずかに異なる体積を観察することになり、そのため、サンプルをセル全体にわたって均一に分配することが不可欠である。異なる角度で設置された検出器の視野に基づく散乱体積の幾何学的形状の変動の一例が図５（ｂ）に示されている。直径２γのレーザビーム５０４が測定セルのボア５０２を通過する。セルの周囲には３つの検出器Ｄ１，Ｄ２およびＤ３が設置されており、各々は、セルの中心付近の照射サンプルからの散乱を検出するように方向付けられている。しかし、３つの検出器の各々は固有の視野を有しており、その結果、検出領域の対応して観察される散乱体積ｄ１，ｄ２およびｄ３は異なるものになる。この例では、レーザビームに対して９０°で位置する検出器Ｄ３は、最小の散乱体積を有する一方、低角度で位置する検出器Ｄ３は、最大の散乱体積を有する。測定された散乱体積ｄ１，ｄ２およびｄ３の全てにわたってサンプル濃度が均一であれば、信号は単に１に正規化され得る。しかし、ビームを通過する際のサンプルプロファイルが不均一である場合には、各サンプルが異なるサイズの散乱体積を観察するだけでなく、散乱体積の幾何学的形状の変化により、各検出器がそこを通過する異なるサンプルを観察することになる。したがって、個々の検出器が観察する測定散乱体積の範囲全体にわたってサンプルが均質であることが非常に重要である。
サンプル均一性の問題は、ＵＨＰＬＣで特に顕著である。なぜなら、ピーク幅が測定セルのサンプル体積に相当するからである。毛細管に沿った層状流れは、分離されたサンプルがＵＨＰＬＣシステムから測定セルに移動する間にポアズイユ流れを生じさせる。ポアズイユ流れでは、速度プロファイルは放物線状であり、管の壁における流体の流れはゼロであり、管の中心における流れは最大であり、理論的にはサンプル領域の平均流れの１．５倍である。図６に示されるように、ポアズイユ流れプロファイル６０１は、分離システムから出て行く狭いサンプルピーク６０２を、ボアを通過するにつれて経時的に拡張させ、これはある長さの管であろうと測定セルであろうとなされる。これらの状態下では、各検出器がわずかに異なる照射体積を観察する検出器のいかなる軽度の不整列も、所与の瞬間にセルを通過するサンプルのわずかに異なるセクションを各検出器に測定させることになる。たとえば、図６ａに示されるサンプルプロファイルを検討されたい。ここでは、サンプルが検出セルを下っており、時間ｔ＝２においてサンプルが通過する時点として示されている時点でビーム６０３がセルを横断する。ビーム界面におけるサンプルの断面が図６ｂに示されている。時間ｔ＝２において、サンプルのフロントは、セクション６０４として示されている領域に到達している一方、セクション６０５は、溶媒のみで構成されている。３つの異なる光散乱検出器がセルの中心の方に向けられているが、整列のわずかな変化により、それらの検出器は照射ビームの異なる領域を観察することになる。したがって、第１の検出器６０６は、検出領域内のビームの一部がサンプル６０４を照射する領域６０６ａから散乱した光を検出する。第２の検出器６０７は、光がもっぱらサンプル６０４から散乱される異なる領域６０７ａを観察し、第３の検出器６０８は、時間ｔ＝２においてサンプル散乱を全く観察しない。この効果は、各検出器について記録される強度ピークに時間シフトを生じさせ、各検出器についての時間プロットに対する強度は図６ｃに示されている。なお、完全な整列が実現される場合、すなわち各検出器が全く同一の測定体積を観察する場合には、各検出器において記録される強度に対するこの時間変化は、同じように存在するのではなく、ビームの交差によって規定されるさまざまな散乱体積および上記の各検出器によって観察される立体散乱角のために、測定は依然としてピークのいくらかの時間的不整合を被る可能性がある。
分散は、サンプルが測定セルに入る際にディーン流れおよび対流拡散という現象によって悪化し、インレット管におけるわずかな曲がりによる径方向の不均一性により、サンプルが非対称にセルに入って、光散乱信号が個々の検出器に到達する時間遅延に起因して測定にエラーが導入される。折り曲げられた管またはコイル状管におけるピーク分散が無次元パラメータＤｎ２Ｓｃ（Ｄｎは、ディーン数である）によって説明できることは、文献に示されており、たとえばＡ．カウフマン等による「ミクロボア液体クロマトグラフィのためのポストカラム光分解反応器におけるエキストラカラムバンド拡張問題（Extra-Column Band Spreading Concerns in Post-Column Photolysis Reactors for Microbore Liquid Chromatography）」、Current Separations、１７（１）９−１６（１９９８）を参照されたい。
式中、ｒｔおよびｒｃはそれぞれ管内径および管曲げ半径であり、Ｒｅはレイノルズ数であり、Ｓｃはシュミット数である。
式中、Ｄｍはサンプル拡散係数であり、ηは溶媒粘度であり、ρは溶媒密度である。Ｄｎ２Ｓｃが１００未満であればピーク分散に対する影響はほとんどないが、値が大きくなると影響が大きい可能性があることが分かった。図７は、さまざまなサンプル濃度帯域で構成される測定セルに入る、ポアズイユプロファイルを有するサンプルを示す。各輪郭線７０１，７０２，７０３，７０４，７０５は、所与のサンプル濃度帯域の境界を表わす。サンプルがボアに対して完全に平行な管を通ってセルに入り、かつ、ディーン流れからの寄与がない、すなわちｒｃ＝∞である場合、サンプル境界は、サンプルセルのボアによって規定される平面において同心になり、当該平面は、図７（ｂ）に示されるように照射ビーム７０６が交差する。しかし、たとえば図７（ａ）に示されるような、不適切に角度が付いたもしくは接続されたインレット管、または湾曲した管からのディーン流れの結果としての径方向の不均一性によって引き起こされるいかなる非対称も、図７（ｃ）および図７（ｄ）に示されるようなプロファイルを生じさせる。上記のように、通過する際にサンプルによって照射ビームから散乱した光を検出するように向けられた３つの別個の検出器を有するＭＡＬＳ検出システムを考慮すると、各検出器がセルの同一の領域に対して完全に整列されていれば、たとえサンプルが非対称に分配されても、上記の各検出器の検出幾何学的形状の変化が許容する範囲で、各々がどのようにサンプルの同一の帯域を「観察する」かが分かる。しかし、完全な整列は、望ましいが事実上実現されることはなく、そのため、前に図６に示されたように、各検出器は、サンプルが照射ビームを通過する際に異なる濃度領域を測定しているであろう。したがって、所与の瞬間における３つの検出器の各々の視野の範囲内のサンプル体積の小さな変化が常に存在することになる。この問題は、さらに多くの検出器を追加するとさらに悪化する。
検出器間の時間シフトについて、図８を用いてさらに説明する。図８には、単一濃度輪郭が示されており、２つの別個の検出器の視野によって規定される２つの検出体積がある。この場合、検出体積はｄ１およびｄ２と表記される。輪郭線８０１は、サンプルの所与の濃度の境界を表わす。２つの検出器が輪郭線８０１をたどるサンプルを観察する時刻は、検出器視野の横方向位置決めによって変化する。時刻ｔ＝０では、どちらの検出器もサンプルの照射体積を観察していない。ｔ＝０からｔ＝２までの間にサンプルが毛細管を通って移動するにつれて、輪郭線８０１は下方に移動する。時刻ｔ＝１では、Ｄ２が輪郭８０１をたどるサンプルを観察し、時刻ｔ＝２では、Ｄ１が輪郭を観察するため、時間遅延Δｔは単純にｔ２−ｔ１である。この場合もやはり、時間ピークに対する強度は、図８ｃにグラフを用いて示されている。
分離されたピークから散乱する光の正確な測定を複雑にする別の問題は、ピークテーリングを含み、当該ピークテーリングは、毛細管に沿った軸方向拡張の結果であり、管内の層状流れによって直接引き起こされる。管の端縁における流れ速度はゼロであるため、この境界付近のいかなるサンプルも、測定セルに溶出させるのに非常に長い時間かかる可能性がある。
したがって、分離、特にＵＨＰＬＣ分離後のＭＡＬＳおよび他の光学測定の信頼性を向上させるために、これらの問題、すなわちピークテーリング、測定セルへの不均一なサンプルプロファイルの進入、ならびに管およびサンプルセル内のポアズイユ流れ、は全て、本明細書に開示されている本発明の方法および装置によって対処することができる。本発明は、可能な時にはいつでもセルを通るサンプルの押し出し流れを促進して、サンプルセル内の流れプロファイルの対称性を向上させようとする。押し出し流れは、管を通る流れの単純な速度プロファイルであり、管直径を横切る各要素は、同一の速度を有する。したがって、押し出し流れは、上記のポアズイユ流れと全く対照的である。
対処すべき第１の問題は、フローセルに入る際の管内のサンプルの不均一性である。一実施形態が図９に示されている本発明では、以下で説明するように設計されたある長さのコイル状管９０２を用いて、ポアズイユ流れおよびサンプルがフローセルに入る前のディーン流れに起因する寄与を阻害する。コイル状管は、流路を横断する径方向の混合を促進して、流体がセルに入るときまでにインレット管の幅全体にわたって均等な分配を生じさせ、その結果、フローセルに入るようにボアに対して対称的な流れプロファイルを生じさせる。また、コイル状管は、テイラー分散を促進して、管の壁から離れていくサンプルの有効拡散係数を増大させるようにせん断流れを生じさせる。この効果は、上記のピークテーリングを緩和することに役立つ。一般にステンレス鋼でできた細いボア管９０２が螺旋状コイルの状態で形成され、管の巻き半径は好ましくは管の内半径の約１５倍である。コイル状管は、蛇行した経路を備えるものよりもこのタイプの混合では効率的でないかもしれないが、製造が容易であり、有用な形状で維持される。サンプルは、コイル状管９０２を通過した後、照射ビームを通って測定セルに沿ってセルアウトレットに移動し、サンプルは、機器一式内の次の機器または廃棄物に移動する際に、ある長さのコイル状管に接続される場合もあるアウトレットセルを通る。複数の散乱角度で照射ビームによってサンプルから散乱した光を収集する一組の光検出器がセルを取り囲んでいる。
サンプルセル自体において均一なサンプル流れを促進するために、本発明の装置は、入来流体噴流の経路内に設置された流れ分配器、および／または、セルのアウトレットの後であってアウトレット管の前に設置された流れ分配器を用いてもよい。図１０は、本発明の一実施形態の要素の断面図を示す。インレット管１００１は、流れがインレット入口体積１００２に入ることを可能にし、その後、流れは、インレット流れ分配器１００３の役割を果たす多孔性障壁を通過する。インレット管と検出セルとの間には、平均流体速度の二乗に比例するインピーダンスミスマッチがある。ΔＰ１は、サンプルがインレット入口体積１００２全体を充填するのに必要な圧力差を規定する。ΔＰ２は、サンプルがインレット入口から流れ分配器１００３を通ってセル入口体積に移動するのに必要な圧力差を規定する。セル入口体積１００４に入る前に、セルを通る流体流れを横断するように流れを適切に分配するためには、ΔＰ２＞＞ΔＰ１である。検出セルの直径は、一般にインレット管の内径の１０倍ほどであるが、サンプルセルの公称背圧よりも１０，０００倍大きな背圧を発生させる必要があるだろう。この条件が達成されると、分配器１００３を通る流れ速度を、体積１００２内の至る所で均一である状態に近づけることができる。インレットにコイルを含む実施形態でも、サンプルはオリフィス１００１全体にわたって均一である。流れ分配器１００３を通る速度が均一であるとすると、サンプルは、最上面全体にわたって均一であるように分配され、押し出し流れに非常に近い流れが実現される。
たとえば、１つの実験構成では、ΔＰ１−ΔＰ２は２ｐｓｉで測定されたが、これは、計算された必要な背圧よりも１０００倍大きく、サンプルが測定セルに入る際にサンプル分配を向上させるのみである。流れは、流れ分配器１００３を通過した後、セル入口体積１００４に入り、次いで、測定セル１００６の内部ボア１００５に入る。光線１００７はセルを通過し、散乱光を検出するためにセルの周囲にはリング状に光検出器が設置されている。光検出器の数は、一般にビーム方向に対して９０°で位置する単一の検出器とさまざまな角度で位置する複数の検出器とで異なり得る。
流れ分配器自体は、多くの形態をとり得る。本発明の好ましい実施形態では、流れ分配器は、細孔サイズが２５μｍであるステンレス鋼ワイヤメッシュである。本発明者等による実験では、この構成が、システム背圧およびプラッギングの可能性を最小限に抑えながら、均一な流れプロファイルに対して相当な利点を提供することが証明された。流れ分配器としてステンレス鋼メッシュを用いることのさらなる利点としては、その水性溶媒および有機溶媒との適合性、耐久性および低コストが挙げられる。インレットにおけるメッシュは、セルにサンプルを注入する単一のオリフィス１００１を複数のオリフィスに変換し、複数のオリフィスの各々がサンプルの一部をセルに導入する。セルに入る、結果として生じる流れは、各々の微小なオリフィスでは複数のポアズイユ分配流れに似ているが、平均化されるとフローセルに入る際に押し出し流れに近づく。そして、押し出し流れは、サンプルが測定体積を横断する際に大規模なポアズイユプロファイルに戻る。流れ分配器としては、円盤形状のフリットも機能し得る。
本発明の別の実施形態では、スプール形状の環状流れ分配器を用いてもよい。これは、平行フローセル構成を利用する光散乱測定で特に有用である。なぜなら、スクリーンまたはフリットは、多くの構成において測定ボアに沿って進む光線を阻止するからである。環状流れ分配器が用いられる平行セルＭＡＬＳアセンブリの実施形態の一例が図１１（ａ）に示されており、環状分配器自体の側面図および上面図が図１１（ｂ）に示されている。この構成では、サンプルは、保持インレットマニホールド１１０１に入り、流れは、分配器の外周に延在する溝１１０３によって環状分配器１１０２内に方向付けられる。分配器の内面１１０４が多孔性であるため、まず分配器の空の領域１１１２を充填することによって、わずかな流体噴流が内面１１０４から径方向にフローセルのボアに入る。多孔性要素１１０４は、環状のフリットもしくはスクリーンでできていてもよく、または一連の径方向孔が開けられるかもしくはエッチングされた固体環状ブロックとして構築されてもよい。環状分配器は、セル構造１１０５とビーム１１０８が通過する窓１１０７との間にガスケットまたはＯリングなどの封止手段１１０６によって収容され、窓１１０７は、保持リング１１０９によってマニホールド内に保持される。環状溝を充填するのに必要な圧力ΔＰ２は、分配器の多孔性要素を通過するのに必要な圧力ΔＰ１と比較して小さいので、条件ΔＰ２＜＜ΔＰ１が満たされ、上記の記載に従って、そこに入るサンプルは、セル自体に入る前に十分に混合される。環状分配器は、平行セル構成で用いるのに理想的である。環状流れ分配器を上記と同様の扁平分配器と組み合わせることができる。たとえば、領域１１０３に入る前にサンプルをさらに均質化するために、インレットマニホールド１１１０とのインレット管の接合部付近の位置にフリット要素が設置されてもよい。代替的に、環状流れ分配器は、垂直構成のセルで用いられてもよく、封止窓が透明である必要なく、実際には、この場合、窓は必要なく、環状分配器は、図１１ｃに示されるように箱形端１１１１を備えていてもよく、それによって一方向の、すなわちセルへの流体流れのみを可能にする。また、環状分配器は、流れ分配器をインレットに有する状態または持たない状態で、サンプルセルのアウトレットに位置決めされてもよい。
本発明の別の実施形態では、流路内であって測定セルの入口または出口のいずれか（または両方）に設置された新規の流れ阻害器が用いられる。流れ阻害器は、多くの形態をとり得て、その好ましい実施形態が図１２に示されており、クロマトグラフィシステムで用いられる溶媒内で化学的に安定した材料でできた固体阻止要素１２０３が、セルへのまたはセルからの入来流体噴流を阻害する。この阻止要素１２０３は、一般にテフロン（登録商標）（デラウェア州ウィルミントンのケマーズ社）という商品名で呼ばれる材料であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で通常できている概して円形のガスケット１２０４内に設置されている。阻止１２０３要素は、好ましくは正方形または正三角形などの形状でできていてもよく、横方向寸法は、阻止要素１２０３が横方向に移動することなくガスケット１２０４の開口内に設置可能であるように選択される。それによって、ガスケット１２０４および阻止要素１２０３は、明確に規定された限定された流路を形成し、当該流路を通ってサンプルはインレット管から測定セルに移動することができる。ガスケットおよび阻止要素は、ステンレス鋼またはニッケルなどの、クロマトグラフィシステムで用いられる溶媒内で不活性である材料で構成された２つのスクリーン要素１２０２間に挟持されている。スクリーン１２０２は、比較的均一な流路を提供し、挟持された要素１２０３および１２０４を流路に沿った所定の位置に保持することができる。結果として生じるサンドイッチ構造は、２つ以上の円形のＰＴＦＥガスケット１２０１の間にさらに挟持され、当該２つ以上の円形のＰＴＦＥガスケット１２０１は、ガスケット１２０４と同一の寸法を有していてもよく、または結果として生じる層が含まれるマニホールドの空間要件を満たすようにさまざまであってもよい。
本明細書に記載されているマルチ検出器測定セルを通る流れを管理することができる手段のいずれかおよび全ての組み合わせは本発明の一部であるが、以下の例では、ＭＡＬＳ測定を最適化するように要素のうちのいくつかを組み合わせる好ましい実施形態について説明しており、当該好ましい実施形態は図１３に示されている。この実施形態では、管１３０４のコイル状セクションは、２つの部分から成るマニホールドの上側セクション１３０３に搭載されたインレット取り付け具によって接続されている。２つのマニホールド部分１３０３と１３０８との間には光学的に透明な測定セル１３０２が挟持されている。マニホールドの２つの部分は、ボルト、クランプまたは他の手段によって保持されてもよい。インレット管１３０４を通った流れは、インレット取り付け具を通過して、この実施形態では図１２に示される流れ阻害器であるインレット流れ分配器１３０５と接触する。流れは、インレット流れ阻害器１３０５から測定セル１３０２に入り、測定セル１３０２を通過し、レーザなどによって発生した細い光線１３０１によって照射される。測定セルの周囲には、サンプルによって照射ビームから散乱した光を測定するための複数の光検出器が設置されている。サンプルは、測定セルを出ると、出口流れ阻害器１３０６を通過して、出口管１３０７に入り、アウトレット取り付け具によってマニホールド要素１３０８内の所定の位置に保持される。インレット取り付け具およびアウトレット取り付け具は、一般に、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）またはステンレス鋼などの材料でできている。次いで、出口管１３０７を通過した流れは、同様の取り付け具、コイル状管および流れ分配器または阻害器を含む場合もあれば含まない場合もある機器一式内の別の測定装置に移動してもよい。なお、インレット管およびアウトレット管は、図１３ではそれぞれ短い長さのしっかりと巻き付けられた管１３０４および１３０７として示されているが、コイル状管にはさまざまな他の構成が存在してもよく、しっかりと巻き付けられた管、ゆるく巻き付けられた管、相当な距離延長された管、ポアズイユ流れ阻害器の役割を果たすのみである管（図１３に示される短い長さなど）、またはカラムと測定セルとの間の距離が合理的な範囲でできるだけ長いように巻き付けられた長さの管が挙げられる。同一の構成も可能であり、ＭＡＬＳ機器とＭＡＬＳ機器の下流の次の測定機器との間で同一の構成が用いられてもよい。ＭＡＬＳ機器が分離システムに続いて先頭であることはしばしば好ましいが必須ではない、ということも認識されるべきである。
コイル状管は一般にステンレス鋼で構成されるが、本開示はこの材料のみに限定されるものではない。コイル状形状を維持することができる他の材料、または、ＨＰＬＣ、ＵＨＰＬＣもしくはＦＦＦなどの他の分離システムで必要な圧力に依然として耐えながらコイル状形状を維持するように作製することができる他の材料も用いられてもよい。たとえば、ＰＥＥＫ管が、巻き付けられて、管の外側のワイヤ支持体によってこのコイル状構成に保持されてもよい。さらに、ＵＨＰＬＣ測定の好ましいボアサイズは１００μｍであり得るが、本開示は、このサイズに限定されるものと考えられるべきではなく、コイル状形状を維持することができるまたはコイル状形状を維持するように作製することができる任意の標準的なまたは特注のクロマトグラフィ管を含み得る。このコイル状管の可能な内寸法としては、１２７μｍ、１７８μｍ、２５４μｍ、５０８μｍおよび１０１６μｍ、ならびに内部ボア径が可変の管が挙げられる。
検出器ラグの測定および濃度輪郭線の視覚化
上記の不整列検出器間の濃度輪郭の測定ラグは、標準的なＵＨＰＬＣサンプルを溶媒ストリームに注入し、それがシステムを通過するさまをＣＣＤカメラを用いて複数の散乱角度でモニタリングすることによって、実験的に証明された。サンプルがボアを通過する際にボアの幅に沿った狭いストリップがモニタリングされ、複数の位置における強度が記録された。測定体積内の各位置において記録された強度最大値の到達時間に基づいて時間遅延が計算された。数回の実行の結果は、図１４〜図１７に見ることができる。提示されているデータは、結果として生じる時間遅延を示し、いくつかの条件でのサンプルフロントの視覚化を提供する。
図１４は、測定セルにおけるサンプルプロファイルに対するディーン流れの影響をグラフを用いて示す。トレース１は、インレット管がレーザビーム入口の方にわずかに折り曲げられた流れサンプルプロファイルを示す。トレース２は、インレット管がレーザとは反対側の前方モニタの方に折り曲げられた、結果として生じるサンプルプロファイルを示す。トレース３は、できる限り真っすぐにセルに接続された管のプロファイルを示す。このデータは、インレット管における小さな曲げがセル自体に大きく異なる流れプロファイルを生じさせる可能性があり、上記のわずかに不整列の検出器では時間遅延問題を生じさせることを明らかに示している。
図１５は、フローセルへのインレット管が完全に真っすぐであるために曲げ半径を持たないほぼ理想的な構成を示す。用いられた流量は０．３ｍＬ／分であり、インレット管の内径は１００μｍであり、インレット管の長さは２５０ｍｍであった。流れ分配器としてステンレス鋼スクリーンが用いられた。データから分かるように、サンプルプロファイルには依然として明らかな時間依存性があるが、輪郭フロントは比較的対称である。
これとは対照的に、図１６は、サンプルプロファイルに対する深刻な非対称を示す。上記の例と同様に、用いられた流量は０．３ｍＬ／分であり、インレット管の内径は１００μｍであり、インレット管の長さは２５０ｍｍであった。流れ分配器としてステンレス鋼スクリーンが用いられた。しかし、この例では、インレット管は、セルに入る前には曲げ半径が２５ｍｍであった。この場合、２５ｍｍ曲げのＤｎ２Ｓｃパラメータは、最小値を優に上回るおよそ３５００であり、管の湾曲がピーク分散に対して影響力が強いことを示している。
最後に、図１７は、セルのインレットに入る管の曲げ半径がやはり約２５ｍｍであるが、セルへの入口の直前であって２５ｍｍ曲げの後ろで管にコイルが追加される場合に収集されたデータを示す。ここでも、用いられた流量は０．３ｍＬ／分であり、インレット管の内径は０．００４″であり、インレット管の長さは２５０ｍｍであり、コイル曲げ半径は１．６ｍｍであった。流れ分配器としてステンレス鋼スクリーンが用いられた。明らかに分かるように、流れ分配スクリーンを有するコイルが追加されることにより、管が非現実的に真っすぐであった図１５に見られる状態と同様の対称状態にプロファイルが戻る。この場合、１．６ｍｍコイルのＤｎ２Ｓｃパラメータは、およそ６７０００であり、２５ｍｍ曲げの値のほぼ２０倍である。インレットの曲げと比較してコイルのＤｎ２Ｓｃ値がはるかに大きいことにより、コイルによって生じる分散が管内のサンプル流れに対して大きな影響を及ぼし、サンプルセルに入る前に径方向にも軸方向にもはるかに均一なサンプル濃度を生じさせる。
図１８は、フローセル内の同一のサンプル体積に対して不整列である３つの検出器によるクロマトグラムトレースの結果を対比する。検出器トレースは、図１８ａに見られるようにわずかな不整列が検出器トレース間に時間遅延を生じさせることを強調するために、同一の振幅に正規化された。５０ミリ秒という検出器間の時間遅延は、１０％までの半径エラーを生じさせる可能性がある。これとは対照的に、各検出器が同様のサンプル体積を観察している図１８ｂに示されるデータは、３つの検出器の全ての信号が目に見えるほどの遅延時間なしに良好に整合されており、その結果、サンプル半径が正確に測定されることを示している。
光散乱および高分子の特徴づけの分野の当業者に明らかであるように、実施するために列挙した基本的な要素から逸脱しない本発明の方法および装置の多くの自明な変形例があるが、全てのこのような変形例は、上記の本発明の自明な実現例であり、以下の特許請求の範囲を参照することにより包含される。

Claims (30)

  1. フロースルーセルにおいて液体サンプルを均質化する装置であって、前記フロースルーセルがインレットとアウトレットとを備え、前記フロースルーセルが複数の検出器要素によって観察されることにより、前記検出器要素の各々は、実質的に同一のサンプル組成を調べ、前記セルの前記インレットおよびアウトレットは、１つ以上の均質化要素を含み、前記１つ以上の均質化要素は、
    Ａ．ボア半径に対する曲げ半径の比率が５０未満である、前記インレットに接続されたコイル状管、
    Ｂ．前記セルのインレットに入る前に前記サンプルが通過する流れ分配器、および
    Ｃ．前記セルのアウトレットを出た後に前記サンプルが通過する流れ分配器、からなる群から選択される、装置。
  2. 前記セルは透明であり、前記液体サンプルが通過する経路はボアを備え、前記装置はさらに、
    Ａ．前記透明な測定セルの前記ボア内のサンプルを照射するための手段と、
    Ｂ．前記サンプルからの光信号を測定する複数の検出器とを備える、請求項１に記載の装置。
  3. 前記コイル状管は、螺旋状である、請求項１に記載の装置。
  4. 前記サンプルを照射するための前記手段は、前記ボアの長さに沿って前記液体サンプルの流路に対して実質的に平行であるように方向付けられる、請求項２に記載の装置。
  5. 前記サンプルを照射するための前記手段は、前記液体サンプルの流路に対して実質的に垂直であるように方向付けられる、請求項２に記載の装置。
  6. 前記均質化要素は、流れ分配器であり、前記装置はさらに、
    Ａ．前記液体サンプルが通過するインレット管と、
    Ｂ．前記インレット管と前記ボアとの間に位置するインレット入口体積とを備え、
    前記流れ分配器は、前記インレット入口体積と前記ボアとの間に設置され、さらに、ΔＰ１は、前記サンプルが前記インレット入口体積を充填するのに必要な圧力差を規定し、ΔＰ２は、前記サンプルが前記流れ分配器を通って前記ボアに入るのに必要な圧力差を規定し、前記インレット入口体積の寸法は、ΔＰ２＞＞ΔＰ１であるように選択され、それによって、前記流れ分配器を通過する前に前記インレット入口体積において前記液体サンプルの均質化を促進する、請求項２に記載の装置。
  7. 前記流れ分配器は、メッシュスクリーンである、請求項６に記載の装置。
  8. 前記流れ分配器は、フリットである、請求項６に記載の装置。
  9. 前記メッシュスクリーンは、ステンレス鋼で構成される、請求項７に記載の装置。
  10. 前記インレット入口体積は、０．２μＬである、請求項６に記載の装置。
  11. 前記メッシュスクリーンは、細孔サイズが２５μｍである、請求項７に記載の装置。
  12. 前記流れ分配器は、
    Ａ．固体流れ阻害要素と、
    Ｂ．前記流れ阻害要素が設置される内部開口を有する第１のガスケットと、
    Ｃ．前記第１のガスケットの両側に流路に沿って設置された一対の保持スクリーン要素とを備え、前記一対の保持スクリーン要素は、それらの間に前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持し、前記流れ分配器はさらに、
    Ｄ．前記流路に沿って設置された一対の第２のガスケットを備え、前記一対の第２のガスケットの各々は、前記保持スクリーン要素のうちの１つと接触し、前記一対の第２のガスケットは、それらの間に前記一対の保持スクリーン要素および前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持する、請求項１に記載の装置。
  13. Ａ．前記第１のガスケットは、円形の内部開口を有し、
    Ｂ．前記流れ阻害器の形状は、多角形であり、
    Ｃ．前記流れ阻害器の寸法は、その角が前記第１のガスケットの前記内部開口の表面と接触するように選択される、請求項１２に記載の装置。
  14. 前記コイル状管は、主にステンレス鋼で構成される、請求項１に記載の装置。
  15. 前記コイル状管は、公称内径が１２７ミクロンである、請求項１に記載の装置。
  16. 前記ボアは、直径が１ｍｍであり、長さが４ｍｍである、請求項２に記載の装置。
  17. 前記サンプルを照射するための前記手段は、レーザである、請求項２に記載の装置。
  18. 前記複数の検出器は、前記照射されたサンプルからの散乱光を測定する、請求項２に記載の装置。
  19. 前記セルと前記検出器のうちの１つ以上との間に設置された光フィルタ手段をさらに備える、請求項２に記載の装置。
  20. 粒子担持液体サンプルの特性を測定する方法であって、
    Ａ．分析対象の前記粒子担持液体サンプルを調製するステップと、
    Ｂ．前記サンプルがある長さの管を通って前記分離手段から検出機器に流れることを可能にするステップとを備え、前記検出機器は、
    ａ．透明な光学測定セルを備え、前記透明な光学測定セルは、
    ｉ．前記サンプルが通過するボアと、
    ｉｉ．前記ボアへのサンプルインレットと、
    ｉｉｉ．前記ボアからのサンプルアウトレットとを備え、前記検出機器はさらに、
    ｂ．前記ボア内の前記サンプルを照射するための手段と、
    ｃ．前記照射されたサンプルからの光信号を検出するように位置決めされた複数の光検出器とを備え、前記方法はさらに、
    Ｃ．前記サンプルが均質化要素群のうちの１つ以上を通って流れるようにすることによって、前記光学測定セルを通過する前に前記サンプルを均質化するステップを備え、前記均質化要素は、
    ａ．ボア半径に対する曲げ半径の比率が５０未満である、前記サンプルインレットに接続されたコイル状管、
    ｂ．前記ボアに入る前に前記液体サンプルが通過する流れ分配器、および
    ｃ．前記ボアを出た後に前記液体サンプルが通過する流れ分配器、からなる群から選択され、前記方法はさらに、
    Ｄ．前記サンプルを照射するステップと、
    Ｅ．前記光検出器を用いて、前記照射されたサンプルからの同時的な光信号を収集するステップと、
    Ｆ．前記収集された光信号を分析して、前記液体サンプルの物理的特性を判断するステップとを備える、方法。
  21. Ａ．分離手段に注入することによって前記サンプルをその成分要素に分離するステップと、
    Ｂ．前記分離されたサンプルが前記分離手段から前記検出機器に流れることを可能にするステップとをさらに備える、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記収集された光信号は、複数の散乱角度で前記サンプルから散乱される光を含む、請求項２０に記載の方法。
  23. 前記サンプル照射手段は、レーザビームである、請求項２０に記載の方法。
  24. 前記レーザビームは、前記サンプルの流れと同一の方向に前記ボアを横断する、請求項２３に記載の方法。
  25. 前記レーザビームは、前記サンプルの流れの方向に対して実質的に垂直に前記ボアを横断する、請求項２３に記載の方法。
  26. 液体混合物を均質化する装置であって、インレットアパーチャとアウトレットアパーチャとを含むフロースルーセルに前記混合物を挿入する前にサンプルアリコートが追加された純粋溶媒を備え、均質化手段は、前記フロースルーセルに入る前に流れるように前記混合物を制限する要素のうちの１つ以上を含み、前記要素は、
    Ａ．ボア半径に対する曲げ半径の比率が５０未満であるコイル状管、
    Ｂ．前記セルのインレットに入る前に前記混合物が通過する流れ分配器、である、装置。
  27. 前記混合物はさらに、アウトレットアパーチャを通って前記セルを出た後に以下の要素のうちの１つ以上を通って流れるように前記混合物を制限することによって、前記セルを出たときに均質化され、前記以下の要素は、
    Ａ．ボア半径に対する曲げ半径の比率が５０未満であるコイル状管、
    Ｂ．前記セルのアウトレットを出たときに前記混合物が通過する流れ分配器、である、請求項２６に記載の装置。
  28. 前記流れ分配器は、メッシュスクリーンを備える、請求項２６に記載の装置。
  29. 前記流れ分配器は、
    Ａ．固体流れ阻害要素と、
    Ｂ．前記流れ阻害要素が設置される内部開口を有する第１のガスケットと、
    Ｃ．前記第１のガスケットの両側に流路に沿って設置された一対の保持スクリーン要素とを備え、前記一対の保持スクリーン要素は、それらの間に前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持し、前記流れ分配器はさらに、
    Ｄ．前記流路に沿って設置された一対の第２のガスケットを備え、前記一対の第２のガスケットの各々は、前記保持スクリーン要素のうちの１つと接触し、前記一対の第２のガスケットは、それらの間に前記一対の保持スクリーン要素および前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持する、請求項２６に記載の装置。
  30. 前記流れ分配器は、
    Ｅ．固体流れ阻害要素と、
    Ｆ．前記流れ阻害要素が設置される内部開口を有する第１のガスケットと、
    Ｇ．前記第１のガスケットの両側に流路に沿って設置された一対の保持スクリーン要素とを備え、前記一対の保持スクリーン要素は、それらの間に前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持し、前記流れ分配器はさらに、
    Ｈ．前記流路に沿って設置された一対の第２のガスケットを備え、前記一対の第２のガスケットの各々は、前記保持スクリーン要素のうちの１つと接触し、前記一対の第２のガスケットは、それらの間に前記一対の保持スクリーン要素および前記第１のガスケットおよび前記流れ阻害要素を挟持する、請求項２７に記載の装置。
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