JP3709409B2 - グラジエント送液用ポンプシステム及び液体クロマトグラフ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、グラジエント送液を行うためのポンプに関し、特に高圧グラジエントを行う液体クロマトグラフで用いられるポンプに関する。
背景技術
分離カラムに供給される溶離液の混合比を変えながら分析を行う高圧グラジエント液体クロマトグラフでは、複数の溶離液を別々のポンプで送液する。このポンプにチェック弁を備え、ピストンの往復運動により送液を行うプランジャポンプを用いた場合、その構成から分離カラム側（吐出側）に圧力低下が発生する時期がある。この圧力低下が他方のポンプの送液にも伝わり、所謂ポンプ相互間の圧力干渉が発生し、その結果としてプログラム通りの流量の送液が妨げられ、溶離液の混合比が変化するという問題がある。
この圧力干渉の対策については、例えば特開平８−１５２４５号公報，特開平１１−５０９６７号公報，特開平７−７２１３０号公報等で述べられている。
発明の開示
従来のプランジャポンプを用いたシステムにおいては、ポンプが吐出区間になり、圧力低下が始まると、プランジャの往復運動をカムを介して制御するモータの回転速度を上げ、この圧力低下区間を短縮しようとしているが、いつまでモータの回転速度を上げているのか、ということについては、様々なやり方が試みられている。
例えば、上記特開平８−１５２４５号公報では、ポンプの吐出側の圧力値を検出し、圧力低下が始まるとモータの回転速度を上げ、同様にポンプの吐出側の圧力値が所定の圧力に戻ればモータを定常の回転速度に戻すようにしている。また、上記特開平１１−５０９６７号公報では、カムの位置でモータの回転速度を上げる時期を決め、所定の時間が経過した時点でモータを定常の回転速度に戻すようにしている。
プランジャポンプを用いたシステムにおいて、圧力干渉の原因となる圧力低下は、チェック弁を有するポンプの吸引区間から吐出区間に移行する期間に発生する。この圧力低下が発生する時期は、各々のポンプの流量が刻々と変化する場合には、各ポンプで異なっており、圧力干渉が発生する時間帯を正しく予測することは困難である。
圧力干渉を低減するためには、各ポンプが吐出する流量の変動を減らす必要がある。そのためには、各ポンプが吐出しようとする流量（圧力）が吐出側流路の圧力に対して、どの程度違いが有るのかを把握する必要がある。圧力が変動するときは、上述したようにモータを高速運転する場合であるが、従来の例においては、モータの高速運転を終了するタイミングは、吐出側流路の圧力のみを判断材料とするか、予め定められた時間で行うかであり、自らのポンプ内の吐出圧力は判断材料に加えられていない。このため、モータの高速運転を終了させるタイミングによって、吐出圧力が強すぎたり、または弱すぎたりすることがあり、安定した圧力で送液を行うことが出来ていなかった。
本発明の目的は、各々のポンプの流量が刻々と変化するような場合でも、圧力干渉の影響を低減し、正しい混合比で送液可能なグラジエント送液用ポンプシステム及びこれを用いた液体クロマトグラフを提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の特徴は、複数の溶離液を複数のポンプによって混合比を変更しながら送液するグラジエント送液用ポンプシステムであって、前記ポンプのそれぞれは、溶離液を吸引吐出する第１のプランジャポンプと、当該第１のプランジャポンプからの送液を受けて吸引吐出を行う第２のプランジャポンプと、前記第１及び第２のプランジャポンプをカムを介して駆動するモータと、前記第２のプランジャポンプの流路内圧力を測定する第１の圧力センサと、前記第１のプランジャポンプ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、前記カムの位置を検出するカム位置検出センサを有し、前記カムの位置が吐出区間となった際に前記モータの回転速度を上昇させ、更に、前記第１の圧力センサから得られる圧力値と前記第２の圧力センサから得られる圧力値との差分を基に前記モータの回転速度を低下させる時期を決定することである。
これにより、溶離液混合比の安定した送液を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例の概略構成図である。
第２図は、モータを一定速度で回転させた場合の各圧力センサの出力の変化、モータ回転速度、及びカムの位置信号を示す図である。
第３図は、本発明の演算アルゴリズムを示すフローチャートである。
第４図は、本発明を実施した際の各圧力センサの出力の変化、モータ回転速度、及びカムの位置信号を示す図である。
第５図は、本発明のポンプシステムを適用した液体クロマトグラフの概略構成図である。
第６図は、第５図の装置で得られたクロマトグラムの一例を示す図である。
第７図（Ａ）は、本発明を用いて１０回繰り返し測定を行った結果を示す図である。
第７図（Ｂ）は、従来の装置を用いて、第７図（Ａ）と同じ試料を１０回繰り返し測定を行った結果を示す図である。
第８図は、本発明の他の実施例を示す概略構成図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例を説明する。
第１図は、２台のポンプで構成される高圧グラジエント溶出ポンプシステムの概略構成図である。各ポンプは、２個のポンプ室を備え、各ポンプ室のピストンをカム１８，１９を介して１個のモータ２０，２１（好ましくは、パルスモータ）で駆動する。各ポンプの溶離液１００，１０１側（吸引側）のポンプ室は、吐出側および吸引側に逆流防止用のチェック弁を備え、第一のピストン１０，１２によって送液され、分離カラム側（吐出側）のポンプ室は、チェック弁を備えておらず、第二のピストン１１，１３によって送液される。
第二のピストン１１，１３は、第一のピストン１０，１２が吸引区間にある区間に吐出する。この間、吸引側のチェック弁１４，１６は開き、吐出側のチェック弁１５，１７は閉まっている。また、第二のピストン１１，１３の吸引区間では、第一のピストン１０，１２が第二のピストン１１，１３の吸引流量よりも多量に吐出することにより、ポンプからの総吐出流量を一定量確保する。この間は、吸引側のチェック弁１４，１６は閉じ、吐出側のチェック弁１５，１７は開放されている。
本実施例では、各ポンプ１台に対し、それぞれチェック弁のついた吸引側のポンプ室内の圧力を測定する圧力センサ３，４、および吐出側流路内の圧力を測定する圧力センサ１，２という２種類の圧力センサを具備する。第１図のシステム例では圧力センサの数は合計４個である。基本的な状態としては、前者の圧力センサ３，４は、吸引区間では圧力値はほぼ０になり、吐出区間では後者の圧力センサ１，２とほぼ等しい圧力値を示すものである。また、図示はしていないが、カム１８，１９の回転角を検出するカム位置検出センサを備え、カム位置を常に把握するようになっている。
第２図にモータ２０，２１を一定速度で回転させた場合の各圧力センサの出力を示したグラフを示す（本例では１６０pps(pulse per second)、但し、０．０７５deg／１pulseで回転させた）。本グラフには、圧力に加え、モータ２０，２１の回転速度とカム１８，１９の位置信号も合わせて表示している。カム位置信号は、立ち上がりの位置が吸引区間の開始点を示すものであり、１周期でカムが１回転することを示す。一般的に、カム位置の０°〜１２０°が吸引区間、１２０°〜３６０°が吐出区間となる。第２図の例では、モータ２０，２１を一定速度で回転させているため、圧力センサ１，２の圧力は、吐出区間の開始時点で激しい圧力低下が発生する。各ポンプでこのような圧力低下が発生するため、これが他のポンプへも影響してしまう。
本実施例においては、各ポンプ毎に吸引側のポンプ室内の圧力と吐出側の流路の圧力を検出し、ＣＰＵにおいて、それぞれの圧力値を基に演算し、モータへ制御命令を発する。演算アルゴリズムを第３図に示す。
まず、カム位置を検出し、吐出区間開始点にカムが到達したかどうかを判断する（Ｓ１）。カム位置が吐出区間開始点に到達しない間は、モータは定常速度の運転を継続する。カム位置が吐出区間開始点時に到達すると、モータの高速運転を開始し（Ｓ２）、圧力センサ３或いは４の圧力Ｐinが、圧力センサ１或いは２の圧力Ｐoutに到達したかどうかを判断する（Ｓ３）。Ｐin＜Ｐoutの状態である限り、モータの高速運転を継続する。好ましくは、通常回転速度の２倍の速度で高速運転する。ＰinとＰoutの差がなくなると、モータを定常速度の運転に戻す（S4）。この後は再びＳ１のステップから繰り返す。
即ち、本実施例の制御は、吐出側の流路の圧力値を目標値として、吸引側のポンプ室内の圧力がこの目標値に到達するまで高速回転させるものである。本実施例の制御によって得られた圧力センサの結果を第４図に示す。第４図に示されるように、モータの回転速度は吐出区間に入ると通常の倍の速度となっている（第４図の例では３２０ppsまで速度を上げた）。圧力センサ１，２の圧力低下はほとんど見られない。
本実施例のポンプシステムを高圧グラジエント液体クロマトグラフに用いた例を第５図に示す。溶離液１００，１０１は、各ポンプ１０２，１０３によって、その混合組成を時間と共に変えながら送液される。その後、ミキサー１０４で攪拌された後、オートサンプラー１０５内のインジェクターにより、分析すべきサンプルが溶離液中に添加される。サンプルが添加された溶離液は、分離カラム１０６に導入される。多成分の分離を再現良く行うために、分離カラム１０６は、一定温度に保たれたカラムオーブン１０７内に設置される。分離カラム１０６で分離された各成分は、検出器１０８により検知され、そのデータはデータ処理装置１０９にて処理，保存される。また、データ処理装置１０９は、通常、各部の制御を行う。本実施例では分離カラム１０６にＯＤＳカラムを用い、検出器１０８はＵＶ検出器を用いた。このような装置において、ＭＰＢ，ＥＰＢ，ＰＰＢの３成分の標準試料を注入して得られたクロマトグラムを第６図に示す。第６図のクロマトグラムにおいては、保持時間２．６２６（分）のピークがＭＰＢ、保持時間４．０４０（分）のピークがＥＰＢ、保持時間５．９８０（分）のピークがＰＰＢのものである。このようなクロマトグラムを１０回繰り返し測定した際の各成分の保持時間を第７図（Ａ）の表に示す。各成分ごとに平均保持時間，ＳＤ（標準偏差），ＲＳＤ（相対標準偏差）を求め、ばらつきの程度を確認した。これに対し、従来の装置のように、吸引側のポンプ室内の圧力センサ３，４の出力を用いずに、吐出側流路の圧力センサ１，２の出力のみをトリガにしてモータの高速運転を行った場合（即ち、圧力センサ１，２の圧力が下がった時にモータの高速運転を開始し、圧力センサ１，２の圧力が回復した時に定常運転に戻すように制御する。）に、上記と同様にＭＰＢ，ＥＰＢ，ＰＰＢの３成分の標準試料を１０回測定した結果を第７図（Ｂ）に示す。
ＲＳＤで比較すると、第７図（Ａ）では、ＰＰＢでは約０．０６３％が得られているのに対し、第７図（Ｂ）では約０．１２９％となっており、従来の装置に比べ、本実施例の方が保持時間のばらつきが小さくなり、安定したグラジエント溶出を実行していることがわかる。第７図（Ｂ）の保持時間のばらつきが大きくなった原因は、従来の装置ではモータの高速運転の開始、終了のタイミングを吐出側の流路の圧力のみに頼っているために、他方のポンプの圧力低下による干渉の影響により、吐出流量が変化したためである。
対して本実施例は、モータ高速運転の開始点はカム位置で判断し、終了点は吐出側流路の圧力と吸引側ポンプ室内の圧力の差分を見ることで行っているため、片方のポンプは、他方のポンプの吸引吐出に伴う圧力変動に干渉されることなく、安定した吐出流量で送液することが出来る。これにより、ひいては他方のポンプへの圧力干渉を低減することが出来、ポンプ装置全体で安定したグラジエント溶出を行うことが可能となる。
本発明の他の実施例を第８図に示す。
第１図と同様に２台のポンプで構成される高圧グラジエント溶出ポンプシステムであるが、圧力センサを３個用いている点が異なる。各ポンプには、それぞれの吸引側のポンプ室内の圧力を測定する圧力センサ３，４を具備する。さらに、吐出側流路内圧力測定用として、圧力センサ５を装備する。第１図のシステムでは各ポンプにそれぞれ吐出側流路内圧力測定用センサを具備していたが、第８図のシステムではこれを共通の圧力センサとして集約したものである。
また、第８図の例ではシステムに１台のＣＰＵを有する。圧力センサ３を有するポンプを制御する場合、一般に圧力センサ３および５の圧力値を演算し、ポンプのモータ２０へ制御命令を発する。本実施例における演算アルゴリズムは、基本的には第１図の実施例と同様であり、違いは、モータの高速運転の終了を判断する際に用いる吐出側流量圧力Ｐoutに、圧力センサ５の出力を、何れのポンプにおいても用いることである。即ち、圧力センサ３の出力が圧力センサ５の出力となるまで、モータ２０を高速運転する。好ましくは、通常回転速度の２倍の速度で高速運転する。圧力センサ４を有するポンプの場合も同様にセンサ４および５の圧力値を演算し、ポンプのモータ２１へ制御命令を発する。
上記各実施例では、２台のポンプを用いた例を示すが、３台以上のシステムでも同様のグラジエント制御が可能である。
本発明においては、吸引側のポンプ室のピストンの吸引区間から吐出区間に転ずる過渡的区間に圧力を低下させないため、当該吸引側のポンプ室内に圧力センサを設け、吐出区間に到達したことをカム位置によって確認して各ピストンを駆動するモータを高速運転させ、更に、当該ポンプ室内圧力が吐出側の流路内センサ圧力値にまで高速に上昇するまで、モータの高速運転を継続することにより、他のポンプからの圧力干渉を受けにくくなり、安定した流量を送液することが可能になる。
以上に説明した本発明によれば、溶離液混合比の安定した送液が可能となる。ひいては液体クロマトグラフに適用した場合、検出ベースライン信号が安定し、検出ノイズを低減させることができ、検出限界を向上させることが出来る。また、分離カラムに保持される分析成分の保持時間の安定化にも寄与することとなる。

Claims (7)

1. 複数の溶離液を複数のポンプによって混合比を変更しながら送液するグラジエント送液用ポンプシステムであって、
   前記ポンプのそれぞれは、溶離液を吸引吐出する第１のプランジャポンプと、当該第１のプランジャポンプからの送液を受けて吸引吐出を行う第２のプランジャポンプと、前記第１及び第２のプランジャポンプをカムを介して駆動するモータと、前記第２のプランジャポンプの流路内圧力を測定する第１の圧力センサと、前記第１のプランジャポンプ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、前記カムの位置を検出するカム位置検出センサを有し、
   前記カムの位置が吐出区間となった際に前記モータの回転速度を上昇させ、更に、前記第１の圧力センサから得られる圧力値と前記第２の圧力センサから得られる圧力値との差分を基に前記モータの回転速度を低下させる時期を決定することを特徴としたグラジエント送液用ポンプシステム。
2. 請求項１において、
   前記第１及び第２のプランジャポンプは、ピストンの往復運動によって吸引吐出を行うものであって、
   且つ前記第１のプランジャポンプは、前記ピストンの前後に逆流防止用のチェック弁を備え、前記第２の圧力センサは、当該チェック弁間の圧力を測定することを特徴とするグラジエント送液用ポンプシステム。
3. 請求項１において、
   前記モータの回転速度を上昇させる際は、吸引区間でのモータの回転速度の２倍まで上昇させることを特徴としたグラジエント送液用ポンプシステム。
4. 複数の溶離液を各ポンプによって吸引吐出を行い、混合した後に送液するグラジエント送液用ポンプシステムであって、
   各ポンプからの吐出溶液が連通する流路に、当該流路内圧力を測定する第１の圧力センサを備え、
   前記ポンプのそれぞれは、溶離液を吸引吐出する第１のプランジャポンプと、当該第１のプランジャポンプからの送液を受けて吸引吐出を行う第２のプランジャポンプと、前記第１及び第２のプランジャポンプをカムを介して駆動するモータと、前記第１のプランジャポンプ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、前記カムの位置を検出するカム位置検出センサを有し、
   前記各ポンプは、前記カムの位置が吐出区間となった際に前記モータの回転速度を上昇させ、更に、前記第１の圧力センサから得られる圧力値と前記第２の圧力センサから得られる圧力値との差分を基に前記モータの回転速度を低下させる時期を決定することを特徴としたグラジエント送液用ポンプシステム。
5. 請求項４において、
   前記第１及び第２のプランジャポンプは、ピストンの往復運動によって吸引吐出を行うものであって、
   且つ前記第１のプランジャポンプは、前記ピストンの前後に逆流防止用のチェック弁を備え、前記第２の圧力センサは、当該チェック弁間の圧力を測定することを特徴とするグラジエント送液用ポンプシステム。
6. 請求項４において、
   前記モータの回転速度を上昇させる際は、吸引区間でのモータの回転速度の２倍まで上昇させることを特徴としたグラジエント送液用ポンプシステム。
7. 複数の溶離液を複数のポンプによって混合比を変更しながら送液するポンプシステム，溶離液中に試料を導入する試料導入部，試料を分離する分離カラム，当該分離カラムから溶出された溶液を検出する検出器を備えた液体クロマトグラフにおいて、
   前記ポンプシステムは、前記試料導入部側の流路内圧力を測定する第１の圧力センサを有し、且つポンプシステム内の各ポンプは、逆流防止用のチェック弁を備え溶離液を吸引吐出する第１のプランジャポンプと、当該第１のプランジャポンプからの送液を受けて吸引吐出を行う第２のプランジャポンプと、前記第１及び第２のプランジャポンプをカムを介して駆動するモータと、前記第１のプランジャポンプ内の圧力を測定する第２の圧力センサと、前記カムの位置を検出するカム位置検出センサを有し、
   前記カムの位置が吐出区間となった際に前記モータの回転速度を上昇させ、更に、前記第１の圧力センサから得られる圧力値と前記第２の圧力センサから得られる圧力値との差分を基に前記モータの回転速度を低下させる時期を決定することを特徴とした液体クロマトグラフ。

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