JP3260431B2 - フローセル作製方法 - Google Patents

フローセル作製方法

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    • Y10S138/03—Polytetrafluoroethylene, i.e. PTFE

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は溶液中の少量のサンプル
をスペクトル分析するための測光装置に関するものであ
り、特に、液体クロマトグラフィー或は毛細管電気泳動
に係る水溶液のために特に好適な、光学的処理量の大き
い、通路長が長く且つ断面積の小さいフローセルを作製
するための方法に関するものである。
【０００２】
【従来技術】サンプルを通る光学的通路長が長い場合に
は、溶液中の低濃度の分析物をスペクトル分析に於てよ
り高い感度で検出し得ることは周知である。しばしばそ
うであるように、サンプル量が限定されている場合には
最適セルの断面積は小さい。しかしながら、良好な信号
対雑音比を維持するためにはサンプルに十分な量の光を
通す必要もある。これらの２つの条件はサンプル溶液
が、断面積が小さく且つその軸方向に沿って光学的通路
が設けられた毛細管を通して流動する場合に満たされ
る。光学的処理量の増大は、光が、光ファイバーに沿っ
て案内されるようにして毛細管に沿って案内される場合
に達成される。毛細管に沿って光を案内可能とさせるた
めの方法は２つある。第１は、液体及び毛細管壁間の境
界での全反射によるものであり、そして第２は毛細管の
外径部及び周囲空気間での全反射によるものである。何
れの場合にも、管材料は関係する波長範囲に渡り透明と
されるべきである。光が液体サンプルに対して拘束され
ることから前記第１の方法が好ましいが、この方法に
は、液体サンプルの屈折率が管材料のそれよりも著しく
大きくなくてはならないと言う重大な制約が存在する。
そうでない場合に光は液体を出て管壁に入り込んでしま
う。米国特許第３８１４４９７号では高屈折率の塩素化
有機液体とシリカチューブとが使用され、可視光線波長
及び近赤外線波長に於ける効率的な光学的伝導が実証さ
れ、また米国特許第３７７０３５０号に於てはラマン分
光法のための高感度のセルが示された。ｘ．ｘｉアンド
Ｅ．Ｓ．Ｙｅｕｎｇ，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９０、
６２の１５８０ページには、シリカチューブを使用して
の毛細液体クロマトグラフィーに於ける高感度な吸光度
検出が記載される。大抵の高速液体クロマトグラフィー
（ＨＰＬＣ）、毛細管液体クロマトグラフィー、そして
毛細管電気泳動（ＣＥ）による分離は水性媒体中で為さ
れる。溶融シリカは良好なサンプル適合性と２００ｎｍ
以下の波長に対する光学的透明性とを結合させるための
唯一の既存の毛細管材料であるが、可視スペクトルから
紫外線（ＵＶ）スペクトルにかけての水の屈折率の範囲
は溶融シリカのそれよりも小さい。例えば、ナトリウム
Ｄライン、５８９ｎｍの波長では水及び溶融シリカの屈
折率は夫々１．３３３及び１．４５８である。両屈折率
は紫外線方向に近づくにつれて上昇する。２５４ｎｍの
波長では前記各屈折率は１．３７４及び１．５０５であ
る。斯くして、大抵の液体クロマトグラフィー或は毛細
管電気泳動への適用に対し所望の感度水準を達成するた
めに光を液体中で溶融シリカ製の毛細管に沿って案内す
ることは出来ない。テフロンＰＦＡの可視光線での屈折
率は１．３４〜１．３５である。テフロンフルオロポリ
マーチューブ（ＦＥＰ、ＰＦＡ或はＰＴＦＥ）が、米国
特許第４００９３８２号に示されるように光を伝達する
ために高屈折率の水性塩溶液と共に使用され、また米国
特許第３９５４３４１号に示されるように色彩計セルと
して使用されて来ている。屈折率を高めるための溶質の
追加は、多くのクロマトグラフィー或は電気泳動による
分離に於ては所望されざることである。軸方向発光式検
出器のセルでの従来からのテフロン材料の使用には更に
深刻な欠点、即ち、より短い紫外線波長に対してはその
部分的結晶化によって光が散乱され透明度が低くなり、
２００ｎｍまで及びそれ以下の波長の紫外線の測定は不
可能であると言う欠点がある。毛細管に沿って光を案内
するための前記第２の方法は、屈折率及び紫外線透明度
に関して先に議論された制限を克服するものである。長
い毛細管セルが溶融シリカから作製された。この毛細管
セルでは光は溶融シリカ製のチューブの外径部と空気の
間の境界位置を案内された。シリカ及び空気間の屈折率
の差が大きいことから、この方法はシリカの外径部が清
浄且つ円滑である限りに於て大開口数で光を案内する上
で極めて有効である。残念なことに、光は殆どの時間毛
細管壁に有り、サンプルの内腔の通過は継続的となる。
従って、光学的通路長のうちで分析目的のために有効と
なるのはその一部分に過ぎない。光がチューブの外径部
と空気との界面位置を案内される場合、光の大部分はサ
ンプルと接触することのない螺旋通路に沿って案内され
得る。こうした光は測定に雑音を追加するだけであり、
それによって検出器の感度は一層低下する。透明なチュ
ーブの外壁及び空気間の界面位置で光を案内する例は米
国特許第４４７７１８６号に記載される。従って、水溶
液中の低濃度及び少量の分析物をスペクトル分析するた
めに現在入手可能な通路長の長いセルは全て、大きな欠
点及び制限を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】解決しようとする課題
は、断面積が小さく且つ光がその長手方向の軸線に沿っ
て案内され且つ液体サンプルに拘束される通路の長い、
改良された液体フローセルを作製する方法を提供するこ
とである。そうしたセルは逆相高速液体クロマトグラフ
ィー、毛細管液体クロマトグラフィー或は毛細管電気泳
動に共通する水或は水溶液中の少量の溶質と共に良好に
作用する。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、液体を
充填したチューブ或は毛細管の軸方向に沿って、そうし
たチューブの壁材料とは無関係に光を案内可能なフロー
セルを作製する方法が提供される。チューブの内面はテ
フロンＡＦとして識別される等級のアモルファスルオロ
ポリマーの薄層でコーティングされる。これらのポリマ
ーは独特の特性、即ち、可視光における１．２９もの低
い屈折率と結晶化を生じないことによってもたらされる
従来からのポリマー材料よりもはるかに優れた紫外線透
過特性との組み合わせ特性を有している。現在、テフロ
ンＡＦは極めて高価であり且つチューブ形態に於ては入
手し得ない。しかしながら本発明によって、そうしたチ
ューブをテフロンＡＦの薄層、即ち全反射光の消えやす
い波を含むに十分な数波長分或はそれ以上の厚さのフル
オロポリマーから成る円滑な内側穿孔をもって創出する
方法が提供される。設計上の融通性の多くを残しつつ種
々のチューブ基材を使用可能である。テフロンＡＦフル
オロポリマー（以下、単にフルオロポリマーと称する）
の薄層が材料コストを最小化する。低屈折率（これが大
開口数での光学波案内を創出しそれにより、水溶性サン
プルに於てさえも高い光学的処理量を創出する）と２０
０ｎｍ以下の波長に対する優れた透過性とが、可視光／
紫外線吸光度測定のための効率的な、軸線方向発光式の
フローセル構造を可能とする。前記フローセルの構造
は、蛍光効率またはラマンスペクトル分析の効率を改善
する。このフローセルは励起波長で軸線方向に照明され
る。蛍光またはラマン偏移光はフローセル内を案内さ
れ、スペクトル分析のための強力な信号として両端部か
ら出る。
【０００５】
【実施例】本発明の方法によって作製されるフローセル
を、高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）、毛細管
液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、そして毛細管電気泳
動（ＣＥ）の如き分離コラム（ｃｏｌｕｍｎ）のための
吸光フローセルを参照して説明する。しかしながら、同
一の基本構造を流動或は静止サンプルを使用しての蛍光
またはラマンスペクトル分析或は比色分析のために使用
し得ることを理解されたい。本発明の方法によれば、チ
ューブ状導管を含むフローセルが提供される。このチュ
ーブ状導管は透明アモルファスフルオロポリマーから形
成された内面を具備し、この内面の屈折率は可視光及び
紫外線のスペクトル範囲に渡り水の屈折率よりも実質的
に小さい。そうしたフルオロポリマーの例は、ナトリウ
ムＤラインでの屈折率が１．３１であるテフロン（商標
名）ＡＦ１６００フルオロポリマーと、前記屈折率が
１．２９であるテフロン（商標名）ＡＦ２４００フルオ
ロポリマーである。この波長での水の屈折率は１．３３
３である。紫外線波長に於ては水及びフルオロポリマー
の屈折率は共に上昇するものの、水の屈折率の方がより
高く維持される。
【０００６】１具体例では、フッ素処理した任意の幾つ
かの溶媒中のフルオロポリマーの溶液を導管に充填し、
そして前記溶媒を減圧状態で徐々に蒸発させることによ
り、導管の内径部にフルオロポリマーがコーティングさ
れる。導管を前記フルオロポリマーのガラス遷移温度
（テフロン（商標名）ＡＦ２４００フルオロポリマーで
は２４０℃）以上に焼成することにより、円滑かつ透明
なフィルムが前記内面に接合される。このコーティング
は好ましくは、内側反射光に関連する消えやすい光波の
有意部分が導管材料に到達しそこでの屈折、散乱或は吸
収によって消失しないようにするために、少なくとも数
波長分の厚さを有する。導管の端部に光ファイバーがシ
ールされ、また導管の端部付近の壁にはサンプルを導入
しそして除去するための小孔を貫く流れポートが設けら
れる。流れは光ファイバー及び導管の内径部間の環状空
間を通して交互に導入され得る。光ファイバーに代えて
光学的窓を使用可能であり、またこの光学的窓をシール
するガスケット内の通路としての液体ポートを設け得
る。
【０００７】別態様の方法では溶解性材料から構成され
円滑面を有するチューブがＵ字型に曲げ加工され、その
直線部分が光セルとされそして２本の脚部が流体ポート
に結合される。ここではチューブはその外面がフルオロ
ポリマーでコーティングされ、そして強度を付与するた
めにエポキシ組成物の如き高温シール組成物内に包納さ
れる。光学的ポート及び流体ポートを組立上一体部分と
するよう、コーティングに先立って光ファイバー及び毛
細管が溶解性のチューブに突き合わされる。チューブの
ための、酸溶液の如き溶媒が毛細管の結合部分を通して
送通されそれにより、溶解性のチューブが溶解され導管
のフルオロポリマーから成る内面が入出力用の各光ファ
イバー間で整列する状態に残される。アセンブリーをフ
ルオロポリマーのガラス移行温度以上に加熱すること
が、導管基材への結合を高めると共に円滑な光学的表面
を生み出すことが分かった。高速液体クロマトグラフィ
ー（ＨＰＬＣ）、毛細管液体クロマトグラフィー（Ｌ
Ｃ）、そして毛細管電気泳動（ＣＥ）のためのフローセ
ルの代表的内径は０．５から０．０５ｍｍの範囲であ
る。フローセルの長さは数ミリから数センチへと変更可
能である。水で充填され、可視光から紫外線に亘って伝
導性の優れたフローセルに１メーターを超える長さの通
路が組み込まれる。パッケージングの都合上、本発明の
方法によって作製される長い毛細管型のフローセルは、
その曲げ曲率が機械的欠陥或は光学的曲げ損失をもたら
すほどに小さく無い限りに於て、湾曲させ或はコイル状
に形成し得る。
【０００８】例 １ 以下に、本発明の方法によって作製される軸線方向発光
式のフローセルの光搬送能力を例示する。溶融シリカ製
の光ファイバーに於ける、波長２００ｎｍ以下で使用し
得る代表的開口数（ＮＡ）は０．２２である。”コア”
が水でありそしてテフロンＡＦ１６００フルオロポリマ
ーが”被覆金属”である場合、波長５８９ｎｍでの開口
数は０．２４７であり、また”被覆金属”がテフロンＡ
Ｆ２４００フルオロポリマーである場合の開口数は０．
３３６であった。開口数は光線案内構造部に受容された
空気内における光線の半円錐角度の正弦である。かくし
て、水の屈折率を上昇させるための添加物を加えること
なく、本発明の方法によって作製されるフローセルの光
搬送能力は、代表的な紫外線伝導用の光ファイバーのそ
れよりも高い。
【０００９】使用に際し、フローセルは従来からの低デ
ッドボリューム手段（ｌｏｗ−ｄｅａｄ−ｖｏｌｕｍｅ
ｍｅａｎｓ）によって分離コラムに接続される。フロ
ーセルに任意の所望の波長を通過可能とさせるよう、入
口光ファイバーが回折格子モノクロメーターの出口スリ
ットに位置決めされる。出口ファイバーが二段式光検出
器の一方の段の前方に位置決めされる。光検出器の他方
の段は測定を安定させるための参照用であり、別体の光
ファイバーを介してモノクロメーターの出口スリットか
ら光を直接受ける。以上、一例としてのシステムが説明
された。レーザー源、光ファイバー或は光ダイオード配
列型検出器の如き多くのその他部品を本発明の方法によ
って作製されるフローセルと共に使用し得る。
【００１０】図１及び２を参照するに、本発明の方法に
よって作製される、低屈折率フルオロポリマーの層１２
を具備するフローセル１０が示され、毛細管液体クロマ
トグラフィー或は毛細管電気泳動分離コラムの出口１６
に接続された流体入口セクション１４と流体出口セクシ
ョン１８とを含んでいる。光源２０からの光は入口光フ
ァイバー２２に入り、次いでフローセル１０の、サンプ
ル流れ２６が流動する穿孔２４内部へと軸方向に差し向
けられる。光は全反射によって液体２６及び層１２間の
境界を案内され、検出器３０によって測定されるべく出
口光ファイバー２８を通してフローセル１０を出る。セ
ル胴部３２が、流体入口セクション１４及び流体出口セ
クション１８とそして、入口光ファイバー２２及び出口
光ファイバー２８のための機械的強度及びシールを提供
する。
【００１１】
【発明の効果】断面積が小さく且つ光がその長手方向の
軸線に沿って案内され且つ液体サンプルに拘束される通
路の長い、改良された液体フローセルを作製する方法が
提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の対象とする測光分析システムの側方断
面図である。
【図２】図１を２−２で切断した断面図である。
【符号の説明】
１０ フローセル １２ 低屈折率フルオロポリマーの層 １４ 流体入口セクション １８ 流体出口セクション ２２ 入口光ファイバー ２４ 穿孔２４内部 ２６ サンプル流れ ２８ 出口光ファイバー ３２ セル胴部 ３０ 検出器
フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム・ダブリュー・カーソン アメリカ合衆国マサチューセッツ州ホプ キントン、スコーフィールド・ロード14 (56)参考文献 特開 昭62−15439（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−6449（ＪＰ，Ａ) 米国特許3954341（ＵＳ，Ａ) 吉田興一郎「“テフロン”ＡＦ（アモ ルファスフルオロポリマー）基礎物性と 応用」バルカーレビュー、平２．６．15 発行、第34巻第６号、第10〜14頁

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体サンプルを収納し且つこの液体サン
    プルを光に露呈させるためのフローセルであって、水の
    屈折率よりも小さい屈折率を有するアモルファスフルオ
    ロポリマーから構成された円滑な内壁を具備する導管を
    有し、該アモルファスフルオロポリマーが少なくとも光
    の波長と同程度の肉厚を有し、それによって前記導管に
    水が充填された場合に可視光及び紫外線が全反射によっ
    て導管の軸方向に沿って実質的に損失無く伝達されるよ
    うになっているフローセルを作製する方法において、 溶解性材料からなる中空のチューブを流路の形状に形成
    する段階と、 該流路部分の軸線に対して隣接し且つ整列した状態に入
    口光ファイバー及び出口光ファイバーを位置決めする段
    階と、 非溶解性材料からなる接続チューブを前記溶解性材料か
    らなる中空のチューブと結合するように位置決めする段
    階と、 前記溶解性材料からなる中空のチューブと、該中空のチ
    ューブに隣接する前記入口光ファイバー及び出口光ファ
    イバーの端部と、前記中空のチューブに隣接する前記非
    溶解性材料からなる接続チューブの端部とを、水の屈折
    率よりも小さい屈折率を有するフルオロポリマーによっ
    てコーティングする段階と、 前記フルオロポリマーによってコーティングされた前記
    各部分を非溶解性マトリックス内に包納する段階と、 前記接続チューブを通して溶液を通過させて前記溶解性
    材料からなる中空のチューブを溶解させ、それによって
    前記フルオロポリマーを前記入口光ファイバーと出口光
    ファイバーの間に露呈させて前記フローセルの内面を形
    成する段階とを含むフローセルの作製方法。
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