JP4064349B2 - サンプルの固体支持体から液体中への移動 - Google Patents

Description

本発明はサンプル、より正確には、サンプルに含まれている揮発性化合物の固体支持体から液体中への移動に関するものである。本発明は特に、一種もしくは数種の揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で、固体支持体上に置かれたサンプルに含まれているこれらの揮発性化合物を液体中に移動させる為の方法及び装置に関するものである。

サンプルもしくは媒質中に含まれている揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する為の装置及び方法の開発においては、全ての構成部品及び工程を改良することに関心が集まっている。

我々のＰＣＴ国際特許出願第ＷＯ９８／５７１４１号明細書には、空気中の分析物を検出する為のシステムが開示されている。バルブに接続された気体入口と気体出口とを有するハウジング内に入れられた、非層ガス流を作り出す温度調節機能付き吸着／脱着フィルターからなる、分析物を濃縮する為の第一濃縮段階に、採集した空気サンプルを送り、このフィルターの表面に分析物を吸着させる。フィルターから脱着した分析物を低温トラップからなる第二濃縮段階に送り、このガス状分析物を凝縮させて更に濃縮し、次いで、溶剤を用いて濃縮物質を抽出し、分析物質を多量に含む溶液を低温トラップから回収して分析装置に送る。

脱着した分析物を、緩やかなガス流を用いてフィルターのハウジングから低温トラップに送り、その壁上で分析物を凝縮させた後、低温トラップを液体で濯いで少量の液状サンプルを得ると、分析物の幾分かが失われてしまう。先行技術において見られる、特にナノグラムもしくはピコグラム範囲の極めて少量の揮発性化合物を検出もしくは分析しようとする場合に見られる分析物の損失、すなわち濃縮した揮発性化合物の損失を大きく減らすか、なくすことが望ましい。

本発明は、取り外し可能な固体支持体上に置かれた固形、液状もしくは予備濃縮したガス状のサンプルに含まれている揮発性化合物を濃縮し、液体中に移動させた後、一種もしくは数種の該揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の改良された装置及び方法を提供するものである。

従って、本発明により、取り外し可能な固体支持体上に置かれた固形、液状もしくは予備濃縮したガス状のサンプルに含まれている揮発性化合物を濃縮し、液体中に移動させた後、一種もしくは数種の該揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為のシステムもしくは装置が提供される。このシステムもしくは装置は、固体支持体用のホルダーと、このホルダーを固体支持体受容位置から、加熱可能板上部の加熱位置に移動させ、また元に戻す為の移動手段と、可動ハウジングに取り付けられた加熱可能板、ホルダー、ガラス繊維をベースとするフィルターであるのが好ましい固体支持体、固体支持体上部の漏斗及び漏斗内部の上部に位置する低温スポットからなる密閉空間形成集成装置と、ハウジング内にある、揮発性化合物の蒸発温度に加熱可能板を加熱する為の温度調節機能付き加熱手段（揮発性化合物は蒸発後、低温スポットで凝縮させる）と、低温スポットを、密閉空間形成集成装置の一部として冷却器の位置から漏斗内部の上部に、そして密閉空間形成集成装置から、凝縮化合物を低温スポットから液体中に移す位置に移動させ、また冷却器の位置に戻す為の移動手段とからなるものである。

本発明により、ガラス繊維をベースとするフィルターであるのが好ましい、取り外し可能な固体支持体の上に置かれた固形、液状もしくは予備濃縮したガス状のサンプルに含まれている揮発性化合物を濃縮し、液体中に移動させた後、一種もしくは数種の該揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の改良された方法が、更に提供される。この方法は、固体支持体をホルダー上の適切な場所に置く工程と、ホルダーを加熱可能板上部の所定の位置に移動させる工程と、ホルダー、可動ハウジングに取り付けられた加熱可能板、固体支持体、固体支持体上部の漏斗及び漏斗内部の上部に位置する低温スポットからなる密閉空間を作る工程と、加熱可能板を加熱して、固体支持体上のサンプルから揮発性化合物を蒸発させ、低温スポット上でこれらの揮発性化合物を凝縮させる工程と、凝縮した揮発性化合物が付着している低温スポットを、密閉空間集成装置から、凝縮化合物を低温スポットから液体中に移す位置に移動させる工程とを含んでなるものである。

固形、液状もしくはガス状の媒質から、特に空気から得た揮発性化合物含有サンプルの予備濃縮や、このようなサンプルの、固体支持体、例えば高温で劣化することのない或る種のフィルター、特にガラス繊維をベースとするフィルターへの移動は、任意の適切な方法により実施が可能である。例えば、予備濃縮は、先行技術により知られている何らかの方法、例えば真空吸引により、表面摩擦により、もしくはサンプルを固体支持体上に置くことにより行うことができる。新しいサンプルを新しい固体支持体上に置くことができるよう、安価で、容易に使い捨てのできる取り外し可能な固体支持体、例えばフィルターを用いて、このような固体支持体を用いなければ必要となる洗浄処理を省くのが有利である。

この後に続く、サンプルから発生して液体中に移された一種もしくは数種の揮発性化合物の検出及び／もしくは分析は、例えば免疫センサー、ＵＶセル、ガスクロマトグラフ（ＧＣ）、液体クロマトグラフィー用のカラム等を用いるような、先行技術で知られている何らかの方法により行うことができる。

本発明は、検出及び／もしくは分析しようとする揮発性化合物を低濃度で含有する媒質の大量のサンプルを濃縮するのが有利であるか、もしくはそうすることが必要である場合に、特に有用である。

従って、本発明の方法及び装置の目的は、選択した検出及び／もしくは分析方法の感度を上げる為に、固体支持体上に置かれた固形、液状もしくは予備濃縮したガス状のサンプルに含まれている揮発性化合物を、好ましくは可能な限り濃縮して、液体、好ましくはできるだけ少量の液体に移すことである。

「予備濃縮したガス状のサンプル」という語は、ガス状の媒質を固体表面、好ましくはフィルターの近くを通過させるか、その中を通過させた時に、その表面上に捕らえられた液体もしくは固体粒子を表現するのに用いるものとする。

本発明の重要な要素は、固体支持体上のサンプルに含まれている揮発性化合物を蒸発させる熱脱着工程である。この後、生成した蒸気を低温表面、すなわち固体低温スポット上で凝縮させる。続いて、低温スポット上の凝縮物質を、低温スポットから液体で洗い流すか濯ぎ落として、好ましくは少量の液状サンプルを生成させるか、又は、低温スポットを溶剤中か溶剤流中に浸漬させることにより、好ましくは少量の溶剤中に直接溶かす。その後、これを選択した分析装置に送る。

固体支持体上の乾燥サンプルを直接加熱するか、もしくは固体支持体上のサンプルを所望量の例えば水で濡らし、水蒸気蒸留により物質を固体支持体から混合蒸気として分離させることにより、固体支持体上のサンプルから揮発性化合物を脱着させて蒸気の形態にすることができる。いずれの場合も、低温スポット上で蒸気相を凝縮させる。

従って、本発明は、所望の媒質の予備濃縮もしくはサンプリングと、少量であるのが好ましい液状サンプルから一種もしくは数種の揮発性化合物を検出及び／もしくは分析するのに用いる分析装置とを結び付けるものである。本発明の装置及び方法を用いて固体支持体上のサンプルから濃縮もしくは精製され、好ましくは少量の液体に移される揮発性化合物の例は、爆発性物質（例えばＴＮＴ、ＲＤＸ）、麻薬（例えばコカイン、カンナビス、ヘロイン、アンフェタミン）、及び低分子量の生物活性化合物もしくは生物分解化合物といった低分子量物質である。

本発明を、以下に記す実施の形態及び実施例の説明並びに図面を用いて説明するが、本発明の範囲は、開示された詳細な内容に限定されるものではない。

実施の形態の説明

固体支持体上に置かれた、例えば予備濃縮器から得られた揮発性化合物含有サンプルを、次のようにして処理する。図面に示されている部品について説明する。

本発明による移動装置１０中のホルダー１４上の適切な場所に、固体支持体１２を置く。ホルダー１４の形状及びサイズは、固体支持体１２が入るように合わせられている。固体支持体１２をホルダー１４上に収めたら、ホルダー１４を固体支持体受容位置から加熱可能板１８上部の加熱位置に移動もしくは回転させる移動手段１６により、ホルダー１４を加熱位置に移動させる。加熱可能板１８は、脱着単位装置を形成する密閉空間形成集成装置の一部であり、また密閉空間形成集成装置は、可動ハウジング３０に取り付けられた加熱可能板１８、ホルダー１４、固体支持体１２、固体支持体１２上部の漏斗２０及び漏斗２０内部及び上部に位置する低温スポット２２からなるものである。

脱着単位装置中には、所望の揮発性化合物を蒸発させるが、好ましくはそれらを分解させることのない温度に加熱可能板１８を加熱する為の、温度調節機能付き加熱手段がハウジング３０内部に存在している。蒸気は、低温スポット２２上で凝縮する。

目下のところ好ましい態様においては、ハウジング３０内にある光源、もしくは電気的に加熱したホイルにより、金属板を加熱する。固体支持体１２が金属板１４にしっかり取り付けられていると、より良い結果が得られる。固体支持体１２と漏斗２０との間に金属製のネット等を置いて加熱を促進させてもよく、漏斗２０は後で固体支持体１２の外縁に押し当てられる。漏斗のシャフト２１は、低温スポット２２がシャフトの内壁から少し離れて入るような形状及びサイズを有している。

低温スポット２２を、密閉空間形成集成装置、すなわち脱着単位装置の一部として冷却器２６の位置から漏斗２０内部及び上部に、移動手段２４により移動させる。

低温スポット２２を、漏斗２０のシャフト２１の内壁と低温スポット２２との間に小さな気密空間が形成されるようにシャフト２１中に挿入する前に、冷却器２６中で冷却する。図面中、低温スポット２２はロッドにより、実際は、二つのサンプルを次々と続けて移動させるのに用いることができる二本のロッド２２、２２’により描かれている。

ハウジング３０の上部にある金属板上の所定の位置に低温スポット２２を回転させると、必要に応じて、金属製のネットと、漏斗２０及び低温スポット２２とがすぐに適切な位置にきて小さな気密空間を形成する。金属板は、固体支持体を収容する前に既に加熱してあるか、もしくはこの段階で急激に加熱する。

固体支持体１２上のサンプルを加熱するにつれて揮発性化合物が蒸発し、その後、低温スポット２２上で凝縮する。漏斗２０を暖かく保つと、より良い結果が得られる。

その後、凝縮物質の付着している低温スポットを、漏斗のシャフト２１から、従って密閉空間形成集成装置、すなわち脱着単位装置から移動手段２４によって引き上げ、凝縮化合物を低温スポット２２から液体中に移す位置２８に回転させる。

位置２８において、凝集化合物を低温スポット２２から液体で洗い流すか濯ぎ落として好ましくは少量の液状サンプルを得るか、又は、溶剤中に、もしくは流れの中に栓を形成する溶剤流中に低温スポット２２を浸漬させることにより、凝縮化合物を好ましくは最低限の溶剤に直接溶かす。これを、その後、選択した分析器に送る。

新しいサイクルに対しては、固体支持体受容位置から加熱位置にホルダー１４を移動もしくは回転させる移動手段１６によって、ホルダー１４を固体支持体受容位置に戻し、また低温スポット２２は、必要に応じて洗浄した後に、移動手段２４によって冷却位置２６に移動させる。

本発明の一つの態様においては、垂直可動ハウジング３０の中に熱源を入れる。ハウジングは例えば、この熱源を中心とする円筒形である。加熱したフィルター１２と漏斗２０との間、及び漏斗２０の内部に、漏斗２０のシャフト２１と同心の穴を有する別個のアルミニウム製フード（図示せず）が、低温スポットの先端がフードとフィルター１２とにより画定される密閉空間内に入るように存在している。フードと漏斗２０の下部との間に何らかの断熱空間があってもよい。このように配置することにより、フード内の熱の大部分が保持される一方、漏斗２０の外面が過剰に暖かくなるのが防止される。

固体支持体が熱源上の所定の位置に収まったら、一つの態様においては、ハウジング、必要に応じてフード、及び熱源を上方に移動させる。それによって、固体支持体は、フードと、固体支持体の上部にある固定された円錐もしくは半球もしくは漏斗２０とで強く押し付けられ、それによって、固体支持体の外周部に内部シールが形成される。固体支持体と漏斗との接触面は狭く、しかも固体支持体と同じ形である。この接触面は固体支持体の外縁の近くに位置しており、固体支持体上のサンプルの脱着に利用することができる固体支持体の表面が最大になる。このようにして、固体支持体の上に小さな、適切に画定された容積が形成される。

円錐もしくは漏斗の高さは、適切な容積が確実に得られるようなものでなければならない。この段階で、熱源を始動させる前に相溶性のある液体を画定された容積中に入れてもよいし、画定された容積を乾いた状態のままにしてもよい。熱源を始動させて温度が上昇すると、物質を「蒸気」によって運ぶ液体の急激な蒸発（「水蒸気抽出」）によるか、もしくは乾燥状態の物質からの直接的な蒸発もしくは昇華によって、固体支持体上の物質が固体支持体の上の容積中に移動し、その後、冷表面（低温スポット）上で凝縮する。

冷表面もしくは低温スポットは様々な形状を持つことができるが、一例として、ロッドを用いてプロセスを説明する。ロッドを漏斗の上の穴から挿入して、好ましくは、ロッドの末端部が固体支持体の表面に近くなるように位置させる。このロッドは、漏斗に挿入する前に、室温よりも低い温度に冷却しておく。蒸発工程でも、ロッドの温度を、ロッド上で凝縮する物質の量を最大にするのに必要な低い温度に保つ為に、ロッドを冷却しなくてはならないかもしれない。冷却は、積極的に熱交換器を用いるか、もしくは単に、先端からの、ロッドの材料そのものである、より大きな低温体への熱移動によるような、既に確立されている数多くの技術により行うことができる。しかしながら好ましくは、周囲の空気中の水蒸気を過剰に凝縮させることなしに、できるだけ低い温度を確保しなければならない。低温ロッドは、暖かい固体支持体から蒸発してくる物質に対する凝縮スポットとして作用することになる。蒸発した物質は、それらが接触する第一低温表面上で凝縮する。この装置の設計によれば、この低温表面がロッドの画定領域になる。蒸気がロッド上でなく漏斗の周囲壁で凝縮するのを防ぐ為に、漏斗の周囲の壁を低温ロッドよりも暖かく保つことも重要である。

本発明の装置の本開示の態様において、加熱された蒸気は、ロッド最下部の冷えた領域上に、ほぼ定量的な歩留りで付着する（表１を参照のこと）。蒸発工程では付加的なガス流は不要だが、本発明の装置及び方法の一般的な構成はガス流を排除するものではない、ということが実験により示されている。しかしながら、ガス流はロッド上で凝縮する物質の歩留りを低下させることがあり、従って好ましくない。ガス流は恐らく、低温表面に向かう拡散勾配を乱すであろう。蒸発工程からの気体の流れは通常、気体がロッドに向かって急激に移動するのに十分な体積と圧力を有しているが、何らかの条件下では、この流れを助ける必要がある。この助けは、固体支持体上の液体（もし用いるであれば）の急激な蒸発により、もしくは補助源により、もしくは円錐からの気体の例えば真空吸引による強制的な抜き取りにより、当然に実現することができる。

目下のところ好ましい態様においては、ハウジングの上部表面は平らであるか、もしくは固体支持体に合わせてやや凸状であり、固体支持体の底面と可能な限り良好でしっかりとした接触が生じる。固体支持体と熱表面とがしっかりと接触している場合に好ましい結果が得られる、ということは実験から明らかである。これは恐らく、物質が固体支持体の中で、及び／もしくは固体支持体を越えて逆拡散するのが回避される為であろう。ハウジングの上部表面が平らでなく、また熱源と固体支持体とをしっかりと接触させずに熱源により固体支持体を直接加熱しても、恐らく装置内での逆拡散により、加熱効果は満足には得られないであろう。

本発明の一つの態様において、熱源は、フィルター材を約３００℃に急激に加熱する為に、非常に急速な加熱装置として用いられている。熱は、熱源からハウジングの上部表面を経て固体支持体へと移動する。固体支持体の低温側の温度は、これまでにテストした全ての物質が蒸発してロッドの先端で凝縮（昇華）するよう、好ましくは少なくとも２４０℃でなければならない。しかしながら、この温度は、或る場合には、これよりも低くてもよい。加熱時間も、非常に重要なパラメータである。物質を分解させない為だけでなく、この工程中、ロッドを低温に保つ為に、好ましくは最高３０秒より長く固体支持体を加熱してはならない。固体支持体と接触させる前に、ハウジングの上部表面、及び必要に応じてフードを３００℃付近の温度に予め加熱しておいた場合に、これまでのところでは最良の結果が得られている。このようにすれば、全体の加熱時間が、ほぼ２倍短縮される。

ロッドの先端、すなわち低温スポットで凝縮した揮発性化合物は、ロッドの有効領域を少量の適切な溶剤、例えば水に浸漬することにより、溶液中に移すことができる。この揮発性化合物含有溶液を、この後、分析装置に送ることができる。

本発明の一つの態様においては、新しいサイクルに先立ってロッドを別の位置に移動させ、そこで適切な溶剤でロッドを洗浄することができる。

本発明の自動化した態様においては、装置の脱着部内でサンプルがロッドに付着した後、水のような溶剤が少量（例えば５〜１００μｌ）入っている小さな機器の中に、ロッドをステップモーターにより移動させる。この機器は、凝縮した物質の殆どを含んでいるロッドの下部を濯ぐ為の薄い層を溶剤が形成するような大きさでなければならない。

物質をロッドから液体に移した後、例えば物質を溶剤に溶かした後、バルブを開いて液体もしくは溶液を移動させ、それによって溶液を例えば、液体流中に例えばループ状の液体栓として入れてもよく、またこの液体栓は、例えば免疫センサー、ＵＶセル、ＧＣ、液体クロマトグラフィー用のカラム等の分析装置に導入することができる。溶解工程の長さは、典型的には５秒より長くかかることはない。

凝縮した揮発性物質をロッドから溶かし且つ落とした後、必要ならば洗浄して、ロッドを冷却位置に戻し、次いで、加熱位置にある固体支持体ホルダー上部の所定の位置に戻して、プロセスを繰り返すことができる。ロッドは、新たなサイクルに備えて採取スポットに戻す途中で、適切な技術により付加的な水もしくは溶剤で洗浄し、再冷却することもできる。

脱着工程前及び脱着工程中でのロッドの冷却と、溶解工程でのロッドの加熱の両方に可逆的な熱交換器を使用して、脱着と溶解の全工程を短縮することができる。これは、揮発性化合物が好ましい溶剤に対して低い溶解性を示す場合に有利であるかもしれない。

一つの態様においては、ガラス繊維をベースとするフィルターの形態にある固体支持体の直径は、約２ｃｍである。ロッドの冷やされた表面は、固体支持体からできるだけ多く物質を集めることができ、しかも凝集物を洗い落とすのに最小限の液体を用いればよい大きさである。直径約６ｍｍのロッドを用いることにより、ロッドの先端上の物質を、体積５０〜１００マイクロリットルの液体に溶かすことができる。

脱着工程で固体支持体からサンプル蒸気を集めるもう一つの方法は、移動している溶剤層中に、物質を液化もしくは溶解させるというものである。溶剤層は、加熱した固体支持体の真上に適切な距離をおいて位置する採取領域上を移動する。上記の態様で必要とされる水の量は、約２５〜１００μｌである。溶剤層は極めて薄いが、分析装置で確実に同定するのに必要とされる量の物質を溶かすのに十分な体積である。
（本発明の方法及び装置の使用例）

ガラス繊維をベースとするフィルターの形態の、直径２ｃｍの固体支持体に、様々な量（約１〜１００ｎｇ）の物質を付着させる。この固体支持体を、本発明の装置中の金属板上に置き（図面を参照のこと）、幾つかの異なる温度に幾つかの異なる脱着時間、金属板を加熱する（表１を参照のこと）。その後、ロッド上の物質を、少量（５０マイクロリットル）の水を用いて溶かす。ヘキサンを用いてこの水を抽出し、ヘキサン相をガスクロマトグラフィー（ＧＣ）で分析する。その結果、表から分かるように、固体支持体上の物質はほぼ定量的に回収された。

要約すると、本発明は、必要に応じて予備濃縮した揮発性化合物含有サンプルを固体支持体から液体中に移して、揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の装置であって、固体支持体用のホルダーと、ホルダーを固体支持体受容位置から、加熱可能板の上部の加熱位置に移動させる為の移動手段と、加熱可能板、固体支持体、漏斗及び漏斗内部の低温スポットを含んでなる密閉空間形成集成装置と、低温スポットを密閉空間から、濃縮化合物を低温スポットから液体に移す位置に移動させる移動手段とを含んでなる装置を提供するものである。

本発明は更に、必要に応じて予備濃縮した揮発性化合物含有サンプルを固体支持体から液体中に移して、揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の方法であって、固体支持体をホルダー上の適切な場所に置く工程と、ホルダーを加熱可能板の上部の所定の位置に移動させる工程と、加熱可能板、固体支持体、漏斗及び漏斗内部の低温スポットを含んでなる密閉空間を作る工程と、加熱可能板を加熱して固体支持体からサンプルを蒸発させ、低温スポット上で揮発性化合物を凝縮させる工程と、低温スポットを、密閉空間から、凝縮化合物を低温スポットから液体に移す位置に移動させる工程とを含んでなる方法を提供するものである。

本発明に係る装置の一実施の形態に含まれる部品の概略側面図。

Claims (4)

1. 取り外し可能な固体支持体（１２）上に置かれた固形、液状もしくは、液体もしくは固体粒子のサンプルに含まれている揮発性化合物を濃縮し、液体中に移動させた後、一種もしくは数種の該揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の装置（１０）であって、
   固体支持体用のホルダー（１４）と、
   ホルダー（１４）を、固体支持体受容位置から、加熱可能板（１８）上部の加熱位置に移動させ、また元に戻す為の移動手段（１６）と、
   可動ハウジング（３０）に取り付けられた加熱可能板（１８）、ホルダー（１４）、固体支持体（１２）、固体支持体（１２）上部の漏斗（２０）及び漏斗（２０）内部の上部に位置する低温スポット（２２）からなる密閉空間形成集成装置と、
   ハウジング（３０）内にある、揮発性化合物の蒸発温度に加熱可能板（１８）を加熱する為の温度調節機能付き加熱手段（揮発性化合物は蒸発後、低温スポット（２２）で凝縮させる）と、
   低温スポット（２２）を、密閉空間形成集成装置の一部として冷却器（２６）の位置から漏斗（２０）内部の上部に、そして密閉空間形成集成装置から、凝縮化合物を低温スポット（２２）から液体中に移す位置（２８）に移動させ、また冷却器（２６）の位置に戻す為の移動手段（２４）と
   を含んでなる装置。
2. 取り外し可能な固体支持体（１２）がガラス繊維をベースとするフィルターである、請求項１に記載の装置。
3. 取り外し可能な固体支持体上に置かれた固形、液状もしくは、液体もしくは固体粒子のサンプルに含まれている揮発性化合物を濃縮し、液体中に移動させた後、一種もしくは数種の該揮発性化合物を検出及び／もしくは分析する目的で分析装置に送る為の方法であって、
   固体支持体をホルダー上の適切な場所に置く工程と、
   ホルダーを加熱可能板上部の所定の位置に移動させる工程と、
   ホルダー、可動ハウジングに取り付けられた加熱可能板、固体支持体、固体支持体上部の漏斗及び漏斗内部の上部に位置する低温スポットからなる密閉空間を作る工程と、
   加熱可能板を加熱して、固体支持体上のサンプルから揮発性化合物を蒸発させ、低温スポット上でこれらの揮発性化合物を凝縮させる工程と、
   凝縮した揮発性化合物が付着している低温スポットを、密閉空間集成装置から、凝縮化合物を低温スポットから液体中に移す位置に移動させる工程と
   を含んでなる方法。
4. 取り外し可能な固体支持体がガラス繊維をベースとするフィルターである、請求項３に記載の方法。

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