JP4455917B2 - Scientific apparatus and separation method - Google Patents

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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N30/00Investigating or analysing materials by separation into components using adsorption, absorption or similar phenomena or using ion-exchange, e.g. chromatography or field flow fractionation
    • G01N30/0005Field flow fractionation

Description

本発明は、マイクロ化学プロセスを行う科学装置および分離方法に関するものである。   The present invention relates to a scientific apparatus and a separation method for performing a microchemical process.

マイクロ化学プロセスは、マイクロ加工技術などを用いて作成された幅数μmから数百μmのマイクロ流路内で発現する物理現象、化学現象を利用したプロセスである。流路をダウンサイジングすることによる特長としては以下の事柄が挙げられる。すなわち、
(1)単位体積あたりの表面積が非常に大きい
(2)レイノルズ数が小さいので層流が容易に達成できる
(3)微少量での合成が可能となる
等である。上記の特長に起因し、下記のような事柄が期待される。すなわち、
(1)温度制御が精密に、効率よく行える
(2)界面での反応が効率よく行える
(3)効率的な混合が行える
等である。
The microchemical process is a process using physical phenomena and chemical phenomena that are expressed in a microchannel having a width of several μm to several hundred μm created by using a micromachining technique. Features of downsizing the flow path include the following. That is,
(1) The surface area per unit volume is very large. (2) Since the Reynolds number is small, laminar flow can be easily achieved. (3) Synthesis in a very small amount is possible. Due to the above features, the following matters are expected. That is,
(1) Temperature control can be performed precisely and efficiently (2) Reaction at the interface can be performed efficiently (3) Efficient mixing can be performed.

近年、Gino V. Baronらによってせん断駆動型クロマトグラフィー(Shear−driven Chromatography;SDC)と呼ばれる新規クロマト分離技術が報告された。報告されているSDC装置は薄膜状の吸着剤を持つ平板型デバイスであり、従来用いられている圧力や電気的な力に代わりせん断力を用いてマイクロ空間内の溶離剤を流動させている。SDC装置の概略を図44(a)および図44(b)に示す。   In recent years, Gino V. A new chromatographic separation technique called Shear-Driven Chromatography (SDC) has been reported by Baron et al. The reported SDC apparatus is a flat plate type device having a thin-film adsorbent, and the eluent in the micro space is made to flow by using a shearing force instead of a conventionally used pressure or electric force. An outline of the SDC device is shown in FIGS. 44 (a) and 44 (b).

固定相(吸着剤)は薄い板状に配置されている。移動壁を動かすことにより移動相液体(溶離剤)はその粘性により引っぱられ流動する。移動相(チャンネル)厚さ、固定相厚さはともにマイクロサイズであり、このマイクロ空間で試料の各成分は分離される。せん断駆動によるクエット流であるので移動相平均流速は移動壁速度の半分になる。   The stationary phase (adsorbent) is arranged in a thin plate shape. By moving the moving wall, the mobile phase liquid (eluent) flows due to its viscosity. The mobile phase (channel) thickness and the stationary phase thickness are both micro-sized, and each component of the sample is separated in this micro space. Since it is a Couette flow by shear drive, the mobile phase average flow velocity is half of the moving wall velocity.

最新のHPLC(高速クロマトグラフィー High Pressure Chromatography もしくは高性能クロマトグラフィー High Performance Chromatography)では直径数mmの細いカラム管に小さいもので粒径数μmの多孔性吸着剤粒子を充填したカラムを用いている。粒子径を小さくするほど単位体積あたりの界面積は増加し、高いクロマト分離性能が期待される。しかし、粒径を小さくするほど、そのカラムにおける圧力損失は大きくなり、ポンプ性能およびカラム管の強度の点から高速域での操作が困難になる。圧力駆動型クロマトグラフィー(Pressure−driven Chromatography PDC)ではカラム入口(溶離剤供給口)で圧力を加え、溶離剤を駆動させているのと比べ、SDCでは溶離剤流れ方向全体にわたってせん断力を加え、溶離剤を駆動させることが可能である。したがってSDCの最大の特長はPDCにおける圧力降下による技術的限界を回避できることにある。   In the latest HPLC (high-speed chromatography High Pressure Chromatography or high-performance chromatography High Performance Chromatography), a small column tube with a diameter of several mm and a porous adsorbent particle with a particle size of several μm is used. As the particle size is reduced, the interfacial area per unit volume increases and high chromatographic separation performance is expected. However, the smaller the particle size, the greater the pressure loss in that column, making it difficult to operate at high speeds in terms of pump performance and column tube strength. In pressure-driven chromatography (Pressure-driving Chromatography PDC), pressure is applied at the column inlet (eluent supply port), and in comparison with driving the eluent, SDC applies shear force throughout the eluent flow direction, It is possible to drive the eluent. Therefore, the greatest feature of SDC is that it avoids technical limitations due to pressure drop in PDC.

しかしながら、ここに紹介したSDC装置は連続分離に用いることはできない。   However, the SDC apparatus introduced here cannot be used for continuous separation.

多成分系の連続分離を目的にして、幾つかの十字流式の吸着分離装置が開発されている。それらの装置では一般に粒子充填型カラムが用いられているが、充填工程は非常に難しく、再現よくカラムを作製することが困難である。またそれらの装置構造は複雑である。   Several cross-flow type adsorption separation apparatuses have been developed for the purpose of continuous separation of multi-component systems. In these apparatuses, a particle packed column is generally used, but the packing process is very difficult and it is difficult to produce the column with good reproducibility. Moreover, those device structures are complicated.

十字流式吸着分離装置の例として連続円筒型クロマトグラフィー(Continuous Annular Chromatography;CAC)を挙げる。CACは円筒型カラムを持ち、固定されたポートより試料を連続的に供給し、カラムのみが回転している。その装置概略図を図45に示す。   As an example of the cross flow type adsorption separation apparatus, continuous cylindrical chromatography (CAC) is given. The CAC has a cylindrical column and continuously supplies a sample from a fixed port, and only the column is rotating. A schematic diagram of the apparatus is shown in FIG.

CACによる連続分離機構を示すため、初めに図46に示すような複数のクロマトカラムを円状に配列した移動相型クロマト分離装置を考える。図46は、移動相型クロマト分離装置における分離の様子を示す図であり、左上図から右下図へと径時変化する。カラム上端より一様に溶離剤を供給し、固定されたポートより試料を回分的に供給した場合の各試料成分位置の経時変化を図46に示した。吸着剤との親和性の弱い成分(図46中では赤色で表示)はカラム中を下方へより早く移動し、親和性の強い成分(図46中では青色で表示)はより遅く移動する。カラムを図46中の矢印方向に回転させると、固定軸から観測するとカラム下端において各成分が流出する位置が異なってくる。   In order to show the continuous separation mechanism by CAC, first consider a mobile phase chromatographic separation apparatus in which a plurality of chromatographic columns as shown in FIG. 46 are arranged in a circle. FIG. 46 is a diagram showing a state of separation in the mobile phase chromatographic separation apparatus, and changes in time from the upper left diagram to the lower right diagram. FIG. 46 shows the change with time of the position of each sample component when the eluent was supplied uniformly from the upper end of the column and the sample was supplied batchwise from the fixed port. Components having a weak affinity with the adsorbent (shown in red in FIG. 46) move downward in the column faster, and components having a strong affinity (shown in blue in FIG. 46) move slower. When the column is rotated in the direction of the arrow in FIG. 46, the position at which each component flows out at the lower end of the column differs when observed from the fixed axis.

円筒型カラムはこの移動相型クロマト分離装置の極限の形になる。円筒型カラム上端より溶離剤を一様に供給し、固定されたポートより試料を連続的に供給した場合の各成分の様子を図47に示した。図47は、CAC装置における分離の様子を示す図であり、左上図から右下図へと径時変化する。先に示した移動相型クロマト分離装置と同様に吸着性の違いにより各成分は異なる軌道を描き、カラム内を下降する。カラム下端における取出し口位置の違いにより各成分を連続的に分離することが可能になる。   The cylindrical column is the ultimate form of this mobile phase chromatographic separation device. FIG. 47 shows the state of each component when the eluent is uniformly supplied from the upper end of the cylindrical column and the sample is continuously supplied from the fixed port. FIG. 47 is a diagram showing a state of separation in the CAC device, and changes in time from the upper left diagram to the lower right diagram. Similar to the mobile phase type chromatographic separation apparatus shown above, each component draws a different orbit due to the difference in adsorptivity and descends in the column. Each component can be continuously separated by the difference in the position of the outlet at the lower end of the column.

ここでは2成分系の分離の様子を示したが、本来CACは3成分以上の分離に有効である。2成分系の連続分離に関しては擬似移動相型クロマト分離装置が優れている。   Although a two-component separation is shown here, CAC is essentially effective for separating three or more components. For continuous separation of two-component systems, a pseudo mobile phase type chromatographic separation apparatus is excellent.

また、公知文献については以下のようなものがある。すなわち、非特許文献1、3、4、5は、せん断駆動型クロマト分離装置について書かれた学術論文である。   Moreover, there exist the following as well-known literature. That is, Non-Patent Documents 1, 3, 4, and 5 are academic papers written about the shear drive type chromatographic separation apparatus.

せん断力により流体を駆動させているマイクロ化学装置の例。マイクロサイズの流路内の流体を従来、用いられている圧力や電気的な力により駆動させず、せん断力を用いて吸着平板間にせん断流れ(クエット流れ)をおこし、その流れのなかで、液相クロマト分離を行うことを報告している。装置の基本的構造は、一方に吸着剤が付着さえてある二枚の長方形の平板であり、一方の平板を一定速度でずらすことにより、せん断流れ(クエット)を発生させている。流れを圧力損失により発生させるのではなく、せん断力により作る点にこれらの技術の新規性がある。しかし、ここで述べられている装置は、連続分離が不可能な構造となっている。   An example of a microchemical device in which a fluid is driven by a shearing force. The fluid in the micro-sized channel is not driven by the pressure and electric force used in the past, and shear flow is generated between the adsorbing plates using shearing force. Reported to perform liquid phase chromatographic separation. The basic structure of the device is two rectangular flat plates with adsorbent even on one side, and shear flow (quotes) is generated by shifting one flat plate at a constant speed. The novelty of these techniques is that the flow is not generated by pressure loss but is created by shear forces. However, the apparatus described here has a structure in which continuous separation is impossible.

非特許文献2は、連続円筒型クロマトグラフィーである。連続分離もしくは連続反応分離操作が可能な化学装置は、古くから提案されており、このような教科書にも掲載されている。しかし、それらの装置は、圧力で、流れを吸着充填材の隙間に発生させ、分離を行なっているものであり、せん断力により流れを発生させるというものは、従来の連続的に分離できる装置にはないものである。
Gino V. Baron他、「On the possibility of shear−driven chromatography: a theoretical performance analysis」、Journal Chromatogr. A, (1999), 855, 57−70 「Continuous Annular Chromatography」、Advances in Biochemical Engineering Biotechnology 76 Modern Advances in Chromatography, Springer Gino V.Baron他、「The Possibility of Generating High−Seed Shear−Driven Flows and Their Potential Application in Liquid Chromatography」、Anal. Chem. (2000), 72, 2160−2165 Gino V. Baron,他、「Experimental demonstration of the possibility to perform shear−driven chromatographic separations in micro−channels」、Journal Chromatogr. A, (2001), 924, 111−122 Desmet G.、他、「Experimental Van Deemter plots of shear−driven liquid chromatographic separations in disposable microchannels」、Journal Chromatogr. A, (2003), 987, 39−48
Non-Patent Document 2 is continuous cylindrical chromatography. Chemical apparatuses capable of continuous separation or continuous reaction separation have been proposed for a long time, and are also published in such textbooks. However, these devices generate a flow in the gap between the adsorbent fillers by pressure and perform separation, and those that generate a flow by shearing force are conventional continuous separation devices. There is nothing.
Gino V. Baron et al, "On the possibility of share-driving chromatography: a theoretic performance analysis", Journal Chromatogr. A, (1999), 855, 57-70. “Continuous Annular Chromatography”, Advances in Biochemical Engineering Biotechnology 76 Modern Advances in Chromatography, Springer Gino V. Baron et al., “The Possibilities of Generating High-Seed Shear-Driving Flows and Therial Application in Liquid Chromatography”, Anal. Chem. (2000), 72, 2160-2165. Gino V. Baron, et al., "Experimental demonstration of the positive to perform shear-driven chromatographic separations in micro-channels", Journal Chromato. A, (2001), 924, 111-122 Desmet G. et al. , Et al., "Experimental Van Dementer of the share-driven liquid chromatographic separations in disposable microchannels," Journal Chromatogr. A, (2003), 987, 39-48.

非特許文献1、3、4、5のせん断駆動型クロマト分離装置では回分的に分離を行うことは可能であるが、連続的に分離を行うことは不可能である。非特許文献2の連続円筒型クロマトグラフィーでは粒子充填型のカラムを使用しており、粒子充填工程は非常に難しく、再現良くカラムを作製することは困難である。また、その装置構造は複雑である。さらに圧力により流れを発生させる仕組みになっている。そのため、分離効率を上げようとすると、吸着充填剤のパッキング率を上げなければならず、それに応じて圧力も上がる。したがって、加圧ポンプの制限や装置上の耐圧の制限から、分離効率に限界が生まれる。   In the shear drive type chromatographic separation apparatus of Non-Patent Documents 1, 3, 4, and 5, separation can be performed batchwise, but separation cannot be performed continuously. In the continuous cylindrical chromatography of Non-Patent Document 2, a particle packed column is used, the particle packing process is very difficult, and it is difficult to produce a column with good reproducibility. Moreover, the device structure is complicated. Furthermore, it is a mechanism that generates a flow by pressure. Therefore, to increase the separation efficiency, the packing rate of the adsorbent filler must be increased, and the pressure increases accordingly. Therefore, the separation efficiency is limited by the limitation of the pressure pump and the pressure resistance on the apparatus.

本発明はせん断力により溶離剤を駆動させるという非特許文献1、3、4、5の概念と従来の連続分離、連続反応分離の概念を融合させ、せん断駆動型の連続クロマト分離を達成仕様とするものである。すなわち、せん断駆動で吸着剤間に溶離剤を流しながら、従来の連続分離装置の十字流の概念を使い、連続的にクロマト分離を行う装置を開発している。解決している問題点は非特許文献1、3、4、5の公知技術に対しては連続化を可能とする点、非特許文献2に対しては、圧力による連続装置の分離を止め、装置の耐圧等の制限からくる分離能力の制限を回避している点である。   In the present invention, the concept of Non-Patent Documents 1, 3, 4, and 5 in which the eluent is driven by shearing force and the conventional concept of continuous separation and continuous reaction separation are combined to achieve shear-driven continuous chromatographic separation. To do. In other words, an apparatus has been developed that continuously performs chromatographic separation using the cross flow concept of a conventional continuous separation apparatus while flowing an eluent between adsorbents by a shear drive. The problems that have been solved are that the known techniques of Non-Patent Documents 1, 3, 4, and 5 can be continuous, and for Non-Patent Document 2, the separation of the continuous device by pressure is stopped, This is the point of avoiding the limitation of separation ability due to the limitation of the pressure resistance of the apparatus.

すなわち、本発明は、SDC技術を拡張し、CACの連続化技術を取り入れた連続分離可能なせん断駆動型クロマト分離デバイス等の科学装置および分離方法を得ることを目的とする。   That is, an object of the present invention is to obtain a scientific apparatus and a separation method such as a shear drive type chromatographic separation device capable of continuous separation by extending SDC technology and incorporating CAC continuation technology.

薄層型カラムを用い、せん断力により溶離剤を駆動させる点と取出し口位置の違いにより連続分離する点を考慮し、新規デバイスを開発した。   A new device was developed, taking into account the fact that a thin-layer column was used to drive the eluent by shearing force and that continuous separation was performed depending on the position of the extraction port.

本発明の1としては、複数の平行平板を有し、当該平行平板の、少なくとも一つの試料投入口を有する板Aと、作用物質を表面に有する板Bとについて、板Bの作用物質を有する面を当該板Aと向かい合わせに配置し、当該板A又はBの少なくとも一つの板を回転させることができる機能を有し、板A又は板Bの外周部に生成物の取出し口を有することを特徴とする科学装置である。   As 1 of this invention, it has the active substance of the board B about the board A which has a several parallel flat plate and has the at least 1 sample insertion port of the said parallel flat plate, and the board B which has an active substance on the surface. The surface is arranged facing the plate A, has a function of rotating at least one of the plates A or B, and has a product outlet on the outer periphery of the plate A or B Is a scientific device characterized by

本発明の2としては、試料を相向かい合う板に存在させ、当該板同士の一方又は双方を回転させることで生じるせん断応力により当該試料より生じる生成物を分離することを特徴とする分離方法である。   As a second aspect of the present invention, there is provided a separation method characterized in that a sample is present on opposite plates, and a product generated from the sample is separated by a shear stress generated by rotating one or both of the plates. .

試料は単一成分、複数成分で構成されていてもよい。複数成分の場合には、単に複数の成分が存在する場合、溶質、溶媒である場合などである。   The sample may be composed of a single component or a plurality of components. In the case of a plurality of components, there are simply a case where a plurality of components are present, a case where a solute and a solvent are used.

分離される生成物は複数成分である場合には単に各々の成分に分離する場合、また試料中の物質が反応し新たに生じる物質を分離する場合などがある。   When the product to be separated is a plurality of components, there are a case where the product is simply separated into each component, a case where a substance in a sample reacts, and a newly produced substance is separated.

試料が単一物である場合には当該装置内で反応し得られる生成物とその他の物質に分離する場合がある。   When the sample is a single substance, it may be separated into a product that can be reacted in the apparatus and other substances.

作用物質としては、試料に作用を与えるものであればよく、例えば、カラムクロマトグラフィーに用いられる試料中の物質と親和性をもつもの、または吸着作用を持つもの、試料に作用する触媒などがある。   The active substance is not particularly limited as long as it acts on the sample. For example, the active substance has affinity for the substance in the sample used for column chromatography, or has an adsorption action, or a catalyst that acts on the sample. .

本発明に係る装置の形態は、少なくとも相向かい合う当該板AとBがユニットとして構成されていれば足り、当該ユニットを複数積層するものであってもよい。また二枚の板のみならず複数板で構成されていてもよい。複数の板で構成される場合、例えば三枚の板より構成される場合には真中の板が両面より試料投入口を有し当該板の両側に板Bを配置することもできる。更に一つの板であって一方の面に試料投入口と他方の面に作用物質を表面に有する板を、試料投入口を有する面と作用物質を有する面とが相向かい合うように複数の板を組み合わせることもできる。   The form of the apparatus according to the present invention is sufficient if at least the plates A and B facing each other are configured as a unit, and a plurality of such units may be stacked. Moreover, you may be comprised with not only two plates but multiple plates. In the case of being composed of a plurality of plates, for example, when it is composed of three plates, the middle plate can have sample inlets from both sides, and the plates B can be arranged on both sides of the plate. Furthermore, one plate is provided with a sample inlet on one side and a plate having an active substance on the other side, and a plurality of plates so that the side having the sample inlet and the side having the active substance face each other. It can also be combined.

詳しくは、本発明のマイクロ化学装置は、薄層吸着剤や反応触媒を持つ2枚の円形型平行平板を用いて、上板に吸着剤を貼り、その板を回転させることにより円周方向に溶離剤のせん断流れを発生させる。また同時に円形平板中心から外側に向けて溶離剤を流すことにより、中心から外周方向へと溶離剤のポアズイユ流れを作り、十字流を、2枚の円形型平行平板で挟まれるマイクロ空間で作る。その中に、分離したい液を流すことにより、連続分離あるいは連続反応分離を行うことができる。流量、回転速度などの操作条件と装置形状を変えることにより、分離効率、および分離した物質の取り出し口を変えることができる。   Specifically, the microchemical apparatus of the present invention uses two circular parallel plates having a thin layer adsorbent and a reaction catalyst, attaches the adsorbent to the upper plate, and rotates the plate in the circumferential direction. Generate shear flow of eluent. At the same time, by flowing the eluent from the center of the circular flat plate toward the outside, a Poiseuille flow of the eluent is generated from the center to the outer peripheral direction, and a cross flow is formed in a micro space sandwiched between two circular parallel flat plates. A continuous separation or a continuous reaction separation can be performed by flowing a liquid to be separated therein. By changing the operating conditions such as the flow rate and the rotational speed and the apparatus shape, the separation efficiency and the outlet for taking out the separated substance can be changed.

本デバイスは、以下のような構成を有することを特徴としている。すなわち、
(1)圧力を駆動力としない、せん断力駆動による連続式分離技術であること
(2)平行平板でつくるマイクロ空間で分離する技術であること
(3)回転によりせん断流れを発生させる技術であること
(4)吸着剤・触媒を平行平板に貼り、分子の親和性の差からくる拡散の違いによる差を利用した分離あるいは、反応させながら同時に分離を行える技術であること
(5)回転によりせん断流れを限られた時間だけかけることにより、連続式だけではなく回分式にも利用できる技術であること
(6)回分式に利用することにより、回転式せん断力駆動型クロマト分析装置としても使えること
である。
This device is characterized by having the following configuration. That is,
(1) It is a continuous separation technology by shear force drive that does not use pressure as a driving force. (2) It is a technology that separates in a micro space created by parallel plates. (3) This technology generates shear flow by rotation. (4) Adsorbent / catalyst is attached to a parallel plate and separation is performed using the difference due to the difference in diffusion resulting from the difference in molecular affinity, or it can be performed simultaneously while reacting. (5) Shear by rotation By applying the flow for a limited time, it can be used not only for the continuous type but also for the batch type. (6) By being used for the batch type, it can also be used as a rotational shear force driven chromatographic analyzer. It is.

本発明に係る科学装置および分離方法は、以上のように、薄層型カラムを用い、せん断力により溶離剤を駆動させる点と取出し口位置の違いにより連続分離する点を考慮し、連続分離可能なせん断駆動型クロマト分離デバイス等のマイクロ化学装置を得ることができるという効果を奏する。   As described above, the scientific apparatus and the separation method according to the present invention can use a thin-layer column, and can be continuously separated in consideration of the point that the eluent is driven by shearing force and the point of continuous separation depending on the position of the extraction port. It is possible to obtain a microchemical apparatus such as a shear drive type chromatographic separation device.

詳しくは、以下のような効果を奏する。
(1)ポンプの送液性や、装置の圧力の制限を受けずに分離が行える。
(2)従来のクロマト分離法では、吸着剤を流れのチャネリングが起こらないように充填する必要があったが、そのような難しさはなくなり、吸着剤を貼るだけの装置であり、操作性が格段を向上させることができる。
(3)回転円形板を連続的に回転させることにより、連続式にクロマト分離することが可能となった。また、円盤を所定の時間に限定して回転させることにより、分析用途にも使えるような技術とすることができる。
(4)円形板に吸着剤を薄膜塗布するだけでなく、触媒を円盤中心に外側に同心円状に吸着剤を塗布することにより、反応・分離プロセスを同時に行うことができる。
Specifically, the following effects can be obtained.
(1) Separation can be performed without being limited by the pumping ability of the pump and the pressure of the apparatus.
(2) In the conventional chromatographic separation method, it was necessary to fill the adsorbent so as not to cause channeling of the flow. However, such difficulty is eliminated, and the adsorbent is simply applied and the operability is low. It can greatly improve.
(3) By continuously rotating the rotating circular plate, the chromatographic separation can be performed continuously. Further, by rotating the disk only for a predetermined time, a technique that can be used for analysis can be obtained.
(4) In addition to coating the adsorbent with a thin film on the circular plate, the reaction / separation process can be carried out simultaneously by applying the adsorbent concentrically on the outside of the center of the disk.

〔1. 本研究の目的〕
本発明は、SDC技術を拡張し、CACの連続化技術を取り入れた連続分離可能なせん断駆動型クロマト分離デバイス(科学装置)の開発を目的とする。
[1. The purpose of this research〕
An object of the present invention is to develop a shear-driven chromatographic separation device (scientific apparatus) capable of continuous separation by extending SDC technology and incorporating CAC continuation technology.

〔2. 新規クロマト分離デバイス〕
開発したクロマト分離デバイスの写真を図1に、全体の概略図を図2、図3、図4に示す。
[2. (New chromatographic separation device)
A photograph of the developed chromatographic separation device is shown in FIG. 1, and a schematic diagram of the whole is shown in FIG. 2, FIG. 3, and FIG.

新規デバイスは二枚のディスク型平板からなり、下部平板は固定されており、上部平板のみ回転する。上部平板の直径8cm、12cm、下部平板は直径8cm、16cmの二種類ずつ作製した。図1の写真は直径12cmの上部平板と直径16cmの下部平板を組み合わせたものである。溶離剤供給流路と試料供給流路が下部平板中に作製してあり、垂直部分の流路直径は2mmであり、それらは2cmの間隔をあけて配列されている。上部、下部平板の厚さはそれぞれ任意であるが、本デバイスでは上部平板厚さ1cm、下部平板厚さ4cmである。   The new device consists of two disc-shaped flat plates, the lower flat plate is fixed, and only the upper flat plate rotates. Two types of diameters of 8 cm and 12 cm for the upper plate and 8 cm and 16 cm for the lower plate were prepared. The photograph in FIG. 1 is a combination of an upper flat plate with a diameter of 12 cm and a lower flat plate with a diameter of 16 cm. The eluent supply channel and the sample supply channel are formed in the lower flat plate, the channel diameter of the vertical portion is 2 mm, and they are arranged with an interval of 2 cm. The thicknesses of the upper and lower flat plates are arbitrary, but in this device, the upper flat plate thickness is 1 cm and the lower flat plate thickness is 4 cm.

上部平板はContraves社製レオメータ(Rheomat 120)の回転モータに接続されている。レオメータは回転速度を精密に制御できる特長を有する。送液にはシリンジポンプを用い、シリンジと装置間はシリコンチューブで接続した。   The upper flat plate is connected to a rotating motor of a Contraves rheometer (Rheomat 120). The rheometer has the feature that the rotational speed can be precisely controlled. A syringe pump was used for liquid feeding, and the syringe and the apparatus were connected by a silicon tube.

図1の写真中に点在する黒い正方形のものは両面テープ(走査型電子顕微鏡SEMの試料台とサンプルを固定するもの)である。上部、下部両平板は透明塩ビで作製してあり、それぞれの表面にガラス板を張り合わせるためにそのテープを用いている。   A black square dot scattered in the photograph of FIG. 1 is a double-sided tape (which fixes a sample stage and a sample of a scanning electron microscope SEM). Both the upper and lower flat plates are made of transparent PVC, and the tape is used to bond glass plates to the respective surfaces.

さらに説明すれば、二枚のディスク型平板からなるマイクロ化学装置の例を図2、図3に示す。下部平板は固定されており、上部平板のみ回転する。溶液供給口が下部平板中に作製してある。二枚のディスク型平板はマイクロサイズの間隔をあけて平行に配置する。上部平板上に吸着剤、反応触媒を薄膜塗布する。   If it demonstrates further, the example of the microchemical apparatus which consists of two disk type flat plates will be shown in FIG. 2 and FIG. The lower plate is fixed and only the upper plate rotates. A solution supply port is formed in the lower plate. The two disk-type flat plates are arranged in parallel with a micro-size interval. An adsorbent and a reaction catalyst are coated on the upper plate.

新規デバイスの構造を詳細に記すため、図5の上側に示す、上部平板を下から見た概略図(吸着剤表面図)と、同図の下側に示す、装置断面図を使って示す。   In order to describe the structure of the new device in detail, a schematic diagram (adsorbent surface view) of the upper plate shown from the upper side shown in the upper side of FIG.

二枚のディスク型平板は130μmの間隔をあけて平行に配置されている。この130μmはスペーサの厚さに相当し、スペーサにはテフロン(登録商標)フィルムを用いた。テフロン(登録商標)フィルムをドーナツ状に切断し、上部平板、下部平板間に配置している。   The two disk-type flat plates are arranged in parallel with an interval of 130 μm. This 130 μm corresponds to the thickness of the spacer, and a Teflon (registered trademark) film was used as the spacer. A Teflon (registered trademark) film is cut into a donut shape and disposed between an upper flat plate and a lower flat plate.

上部平板上には吸着剤が厚さ80μmの薄層状に塗布されている。この吸着剤薄膜にはTLC(Thin−layered Chromatography;薄層クロマトグラフィー)プレートを用いた。またTLCプレートについてはさまざまな製品が販売されており、Mナーゲル社は種類が豊富である。本デバイスではWhatman社製シリカゲルTLCプレート(K6 60Å)を用いた。購入時の吸着剤膜厚さは250μmである。吸着剤膜の周囲を厚さ80μmのテフロン(登録商標)粘着テープでマスキングし、テープ厚さまで切削することで厚さ80μmの吸着剤膜を作製した。よって吸着剤表面と下部平板表面間にできるマイクロチャンネルの厚さは約50μmである。切削後の吸着剤膜厚は電子マイクロメーターを用いて測定した。   An adsorbent is applied in a thin layer having a thickness of 80 μm on the upper plate. A TLC (Thin-layered Chromatography) plate was used for the adsorbent thin film. Various products are sold for TLC plates, and M Nagel has a wide variety. In this device, a Whatman silica gel TLC plate (K6 60 mm) was used. The adsorbent film thickness at the time of purchase is 250 μm. The periphery of the adsorbent film was masked with a Teflon (registered trademark) adhesive tape having a thickness of 80 μm, and the adsorbent film having a thickness of 80 μm was produced by cutting to the tape thickness. Therefore, the thickness of the microchannel formed between the adsorbent surface and the lower flat plate surface is about 50 μm. The adsorbent film thickness after cutting was measured using an electronic micrometer.

溶離剤を下部平板の中心より、試料を下部平板中心より外周へ2cm離れた位置より、二平板間のマイクロ空間内に連続的に供給する。試料はらせん状の溶離剤流れに沿って中心から外周へ移動する。吸着性の違いにより各成分はそれぞれ異なるらせん状の軌道を描き、装置外周における取出し口位置の違いにより連続的に分離される。溶離剤流量と上部平板の回転速度を変化させることにより、各成分のらせん軌道を制御することができ、連続分離が可能となる。   The eluent is continuously supplied from the center of the lower plate to the micro space between the two plates from a position 2 cm away from the center of the lower plate to the outer periphery. The sample moves from the center to the periphery along the spiral eluent flow. Each component draws a different spiral trajectory due to the difference in adsorptivity and is continuously separated due to the difference in the position of the take-out port on the outer periphery of the apparatus. By changing the flow rate of the eluent and the rotational speed of the upper plate, the spiral trajectory of each component can be controlled, and continuous separation is possible.

本デバイスでは溶液出口ポートを作製していない。二平板間に供給された溶液はスペーサと平板間の隙間からにじみ出てくるようになっている。   The device does not create a solution outlet port. The solution supplied between the two flat plates oozes out from the gap between the spacer and the flat plate.

吸着剤表面における試料供給開始時からの試料の様子を図6に示す。各成分がそれぞれ異なるらせん状の軌道を描き、装置外周まで到達する様子を示した。   FIG. 6 shows the state of the sample from the start of sample supply on the adsorbent surface. Each component draws a different spiral trajectory and shows how it reaches the outer periphery of the device.

また、さらに説明すれば、下部平板は固定されており、上部平板のみ回転する。二枚のディスク型平板は例えば50μmの間隔をあけて平行に配置されている。上部平板上には吸着剤が例えば厚さ80μmの薄層状に塗布されており、溶離剤を下部平板の中心より、試料を、中心よりはずれた位置より、二平板間のマイクロ空間内に連続的に供給する。   Further, the lower flat plate is fixed and only the upper flat plate rotates. The two disk-type flat plates are arranged in parallel with an interval of, for example, 50 μm. An adsorbent is coated on the upper plate in a thin layer of, for example, 80 μm, and the eluent is continuously from the center of the lower plate and the sample is continuously moved into the micro space between the two plates from a position off the center. To supply.

試料はらせん状の溶離剤流れに沿って中心から外周へ移動する。吸着性の違いにより各成分はそれぞれ異なるらせん状の軌道を描き、装置外周における取出し口位置の違いにより連続的に分離される。   The sample moves from the center to the periphery along the spiral eluent flow. Each component draws a different spiral trajectory due to the difference in adsorptivity and is continuously separated due to the difference in the position of the take-out port on the outer periphery of the apparatus.

溶離剤流量と上部平板の回転速度を変化させることにより、各成分のらせん軌道を制御することができ、連続分離が可能となる。   By changing the flow rate of the eluent and the rotational speed of the upper plate, the spiral trajectory of each component can be controlled, and continuous separation is possible.

〔3.1 実験内容〕
〔3.1.1 新規デバイスマイクロ空間内での流動〕
開発したデバイスにおける座標を図7に示す。マイクロチャンネル内ではθ方向(回転方向)にクエット(Couette)流れが、r方向(半径方向)にポアズイユ(Poiseuille)流れが生じている。クエット流れはせん断力駆動に由来し、直線形の速度プロファイルであり、ポアズイユ流れは圧力駆動に由来し、放物線形の速度プロファイルである。
[3.1 Experiment contents]
[3.1.1 Flow in new device micro space]
The coordinates of the developed device are shown in FIG. Within the microchannel, a Couette flow is generated in the θ direction (rotation direction), and a Poiseuille flow is generated in the r direction (radial direction). The Couette flow is derived from a shear force drive and is a linear velocity profile, and the Poiseuille flow is derived from a pressure drive and is a parabolic velocity profile.

〔3.1.2 実験内容〕
開発したデバイスのクロマト分離性能評価を目的とし、回分分離実験、連続分離実験を行った。回分分離実験ではクエット、ポアズイユ各流れ場における分離実験を行ない、クロマトグラフィーの性能評価関数である理論段高さ(HETP;The Height of Equivalent to the Theoretical Plate)を算出した。理論段高さが小さいほどクロマト性能は良好である。また、クエット・ポアズイユ複合流れ場である連続分離実験も行った。
[3.1.2 Contents of experiment]
In order to evaluate the chromatographic separation performance of the developed device, batch separation experiments and continuous separation experiments were conducted. In the batch separation experiment, separation experiments were performed in the flow fields of Couette and Poiseuille, and the height of the theoretical plate (HETP), which is a performance evaluation function of chromatography, was calculated. The smaller the theoretical plate height, the better the chromatographic performance. We also conducted continuous separation experiments, which are a combined Couette-Poiseuille flow field.

〔3.2 回分分離実験〕
〔3.2.1 クエット流れ場〕
〔3.2.1.1 実験装置〕
クエット流れ場における回分分離実験には上部、下部平板とも直径8cmの新規デバイスを用いた。吸着剤膜に試料入口位置(中心から2cmの位置)から半径方向に外周まで直線状に幅1mmの溝を作製し、実験開始時に試料を線状に配置できるようにしてある。
[3.2 Separation experiment]
[3.2.1 Couette flow field]
[3.2.1.1 Experimental equipment]
For batch separation experiments in the Couette flow field, a new device with a diameter of 8 cm was used for both the upper and lower plates. A groove having a width of 1 mm is formed linearly from the sample inlet position (position 2 cm from the center) to the outer periphery in the radial direction in the adsorbent film so that the sample can be arranged linearly at the start of the experiment.

〔3.2.1.2 試料〕
吸着剤薄膜には先に述べたようにTLCシリカプレート(Whatman K6 60Å)を用いた。
[3.2.1.2 Sample]
As described above, a TLC silica plate (Whatman K6 60Å) was used for the adsorbent thin film.

溶離剤には1−Propanol(Wako 162−04816)とFormic Acid(Wako 066−00466)の混合溶液を用いた。混合比はFormic Acid / 1−Propanol = 1 / 2 vol である。   A mixed solution of 1-Propanol (Wako 162-04816) and Formic Acid (Wako 066-00466) was used as an eluent. The mixing ratio is Formula Acid / 1-Propanol = 1/2 vol.

分離したい試料には青色、赤色染料混合溶液を用いた。青色染料にはMethylene Blue(Merck)を、赤色染料にはRhodamine B(Wako 183−00122)を用いた。染料混合溶液の濃度は1mMで、Methylene BlueとRhodamine Bのモル比は1:1、溶媒には溶離剤を用いた。   A blue and red dye mixed solution was used as a sample to be separated. Methylene Blue (Merck) was used as the blue dye, and Rhodamine B (Wako 183-00122) was used as the red dye. The concentration of the dye mixture solution was 1 mM, the molar ratio of Methylene Blue to Rhodamine B was 1: 1, and an eluent was used as the solvent.

染料種の選択には文献を参考にし、簡単なTLC分離実験も行った。   A simple TLC separation experiment was also conducted with reference to the literature for selection of the dye species.

〔3.2.1.3 実験手順と実験条件〕
(1)溶離剤側シリンジポンプを稼動させ、マイクロチャンネル内に溶離剤を満たす。その後、溶離剤の供給を止める。
[3.2.1.3 Experimental procedure and experimental conditions]
(1) Operate the eluent side syringe pump to fill the microchannel with the eluent. Thereafter, the supply of the eluent is stopped.

(2)試料側シリンジポンプを稼動させ、試料(染料)をチャンネル内に線状に配置する。この際、試料の供給流量は数ml/hである。   (2) The sample side syringe pump is operated, and the sample (dye) is linearly arranged in the channel. At this time, the supply flow rate of the sample is several ml / h.

(3)レオメータのモータを稼動させ、上部平板を回転させる。せん断力より溶離剤を駆動させ、試料は各成分に分離する。   (3) Operate the rheometer motor and rotate the upper plate. The eluent is driven by the shearing force, and the sample is separated into each component.

(4)一定時間後、上部平板と下部平板をゆっくりと離す。吸着剤表面の溶離剤をできるだけ早く気化させ、ある程度乾燥したのち、スキャナーで吸着剤表面を画像に収める。   (4) After a certain time, slowly release the upper and lower flat plates. The eluent on the surface of the adsorbent is vaporized as soon as possible, and after drying to some extent, the surface of the adsorbent is stored in an image by a scanner.

回転板(上部平板)は0.01、0,015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04rpmで操作し、各回転速度でそれぞれ二回ずつ分離実験を行なった。分離前、分離後の吸着剤表面における染料の様子を図8(a)および図8(b)に示す。   The rotating plate (upper plate) is operated at 0.01, 0,015, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, and 0.04 rpm, and the separation experiment is performed twice at each rotational speed. It was. The state of the dye on the surface of the adsorbent before and after separation is shown in FIGS. 8 (a) and 8 (b).

図8(a)は分離前、図8(b)は分離後の、それぞれ吸着剤表面における染料の様子を示す図である。   FIG. 8A shows the state of the dye on the adsorbent surface before separation and FIG. 8B shows the state after separation.

〔3.2.2 ポアズイユ流れ場〕
〔3.2.2.1 実験装置〕
ポアズイユ流れ場における回分分離実験には平板型デバイスを用いた。平板型デバイスの構成を図9に、概略図を図10に示す。平板型デバイスは二枚のガラスプレートからなり、一方のガラスプレート表面に吸着剤を塗布した。つまりガラスプレートの一方(吸着剤を塗布してある方)はTLCプレートそのものである。吸着剤膜厚は新規デバイスと同様に80μmである。二枚のガラスプレート間にスペーサ(厚さ130μmのテフロン(登録商標)シート)を挟み、マイクロチャンネルを作製している。よってマイクロチャンネルの厚さは約50μmであり、チャンネル厚さ、吸着剤膜厚などのカラムサイズはすべて新規デバイスと同じである。二枚のガラスプレートの接合にはエポキシ樹脂を用いた。
[3.2.2 Poiseuille flow field]
[3.2.2.1 Experimental equipment]
A flat plate device was used for batch separation experiments in the Poiseuille flow field. The configuration of the flat plate device is shown in FIG. 9, and a schematic diagram is shown in FIG. The flat plate device consisted of two glass plates, and an adsorbent was applied to the surface of one glass plate. That is, one of the glass plates (the one on which the adsorbent is applied) is the TLC plate itself. The adsorbent film thickness is 80 μm as in the new device. A spacer (a Teflon (registered trademark) sheet having a thickness of 130 μm) is sandwiched between two glass plates to produce a microchannel. Therefore, the thickness of the microchannel is about 50 μm, and the column sizes such as the channel thickness and the adsorbent film thickness are all the same as the new device. Epoxy resin was used for joining the two glass plates.

カラム内に試料を直線状に配置するため、平板型デバイスの側面に試料入口を作製し、かつ吸着剤膜には溶離剤流れに垂直に幅約1mmの溝を作製した。   In order to arrange the sample in a straight line in the column, a sample inlet was formed on the side surface of the flat plate device, and a groove having a width of about 1 mm was formed in the adsorbent film perpendicular to the eluent flow.

〔3.2.2.2 試料〕
試料はクエット流れ場における回分分離実験と同様である。
[3.2.2.2 Sample]
The sample is similar to the batch separation experiment in the Couette flow field.

吸着剤薄膜には先に述べたようにTLCシリカプレート(Whatman K6 60Å)を用いた。   As described above, a TLC silica plate (Whatman K6 60Å) was used for the adsorbent thin film.

溶離剤には1−Propanol(Wako 162−04816)とFormic Acid(Wako 066−00466)の混合溶液を用いた。混合比はFormic Acid / 1−Propanol = 1 / 2 vol である。   A mixed solution of 1-Propanol (Wako 162-04816) and Formic Acid (Wako 066-00466) was used as an eluent. The mixing ratio is Formula Acid / 1-Propanol = 1/2 vol.

分離したい試料には青色、赤色染料混合溶液を用いた。青色染料にはMethylene Blue(Merck)を、赤色染料にはRhodamine B(Wako 183−00122)を用いた。染料混合溶液の濃度は1mMで、Methylene BlueとRhodamine Bのモル比は1:1、溶媒には溶離剤を用いた。   A blue and red dye mixed solution was used as a sample to be separated. Methylene Blue (Merck) was used as the blue dye, and Rhodamine B (Wako 183-00122) was used as the red dye. The concentration of the dye mixture solution was 1 mM, the molar ratio of Methylene Blue to Rhodamine B was 1: 1, and an eluent was used as the solvent.

〔3.2.2.3 実験手順と実験条件〕
(1)溶離剤側シリンジポンプを稼動させ、マイクロチャンネル内に溶離剤を満たす。その後、溶離剤の供給を止める。
[3.2.2.3 Experimental procedure and experimental conditions]
(1) Operate the eluent side syringe pump to fill the microchannel with the eluent. Thereafter, the supply of the eluent is stopped.

(2)試料側シリンジポンプを稼動させ、試料(染料)をチャンネル内に線状に配置する。この際、試料の供給流量は数ml/hである。   (2) The sample side syringe pump is operated, and the sample (dye) is linearly arranged in the channel. At this time, the supply flow rate of the sample is several ml / h.

(3)溶離剤側シリンジポンプを再び稼動させる。圧力より溶離剤を駆動させ、試料は各成分に分離する。   (3) The eluent side syringe pump is operated again. The eluent is driven by pressure, and the sample is separated into each component.

(4)一定時間後、溶離剤および試料入口のシリコンチューブを取り外し、注射器を用いてカラム内の溶離剤を瞬時に吸引する。ある程度吸着剤が乾燥したのち、装置全体をスキャナーで画像に収める。   (4) After a certain period of time, the eluent and the silicon tube at the sample inlet are removed, and the eluent in the column is aspirated instantaneously using a syringe. After the adsorbent has dried to some extent, the entire apparatus is put into an image by a scanner.

透明なガラスプレートで装置を作製しているので、装置全体を画像に収めることによって吸着剤膜の染料の様子を観察することができる。溶離剤流量を変化させることで溶離剤流速を変化させた。平板型デバイスでは吸着剤膜側面(吸着剤とテフロン(登録商標)シートスペーサの間)に溶離剤が流れやすく、シリンジポンプにインプットした流量から流速を算出することは困難である。したがって溶離剤流速は後で述べるように染料のカラー強度分布ピーク位置の移動距離と各成分の容量係数から算出した。   Since the device is made of a transparent glass plate, the state of the dye on the adsorbent film can be observed by putting the entire device in an image. The eluent flow rate was varied by changing the eluent flow rate. In the flat plate type device, the eluent easily flows on the side surface of the adsorbent film (between the adsorbent and the Teflon (registered trademark) sheet spacer), and it is difficult to calculate the flow rate from the flow rate input to the syringe pump. Accordingly, the eluent flow rate was calculated from the moving distance of the color intensity distribution peak position of the dye and the capacity coefficient of each component as described later.

分離前、分離後の吸着剤表面における染料の様子を図11に示す。同図(a)に分離前の様子を示し、同図(b)に分離前の様子を示す。染料(試料)は、図中、A、Bに示すように分離する。   The state of the dye on the adsorbent surface before and after separation is shown in FIG. The state before separation is shown in FIG. 9A, and the state before separation is shown in FIG. The dye (sample) is separated as shown in A and B in the figure.

〔3.3 連続分離実験〕
〔3.3.1 実験装置〕
連続分離実験には上部平板直径12cm、下部平板直径16cmのデバイスを用いた。
[3.3 Continuous separation experiment]
[3.3.1 Experimental equipment]
In the continuous separation experiment, a device having an upper plate diameter of 12 cm and a lower plate diameter of 16 cm was used.

〔3.3.2 試料〕
試料は回分分離実験と同様である。
[3.3.2 Sample]
The sample is the same as in the batch separation experiment.

吸着剤薄膜には先に述べたようにTLCシリカプレート(Whatman K6 60Å)を用いた。   As described above, a TLC silica plate (Whatman K6 60Å) was used for the adsorbent thin film.

溶離剤には1−Propanol(Wako 162−04816)とFormic Acid(Wako 066−00466)の混合溶液を用いた。混合比はFormic Acid / 1−Propanol = 1 / 2 vol である。   A mixed solution of 1-Propanol (Wako 162-04816) and Formic Acid (Wako 066-00466) was used as an eluent. The mixing ratio is Formula Acid / 1-Propanol = 1/2 vol.

分離したい試料には青色、赤色染料混合溶液を用いた。青色染料にはMethylene Blue(Merck)を、赤色染料にはRhodamine B(Wako 183−00122)を用いた。染料混合溶液の濃度は1mMで、Methylene BlueとRhodamine Bのモル比は1:1、溶媒には溶離剤を用いた。   A blue and red dye mixed solution was used as a sample to be separated. Methylene Blue (Merck) was used as the blue dye, and Rhodamine B (Wako 183-00122) was used as the red dye. The concentration of the dye mixture solution was 1 mM, the molar ratio of Methylene Blue to Rhodamine B was 1: 1, and an eluent was used as the solvent.

〔3.3.3 実験手順と実験条件〕
(1)レオメータのモータを稼動させ、上部平板を回転させながら、溶離剤側シリンジポンプを稼動し、マイクロチャンネル内に溶離剤を満たす。上部平板回転速度は0.01rpmに設定した。この際、比較的流量を多くし、チャンネル内の微小気泡を取り除く必要がある。
[3.3.3 Experimental procedure and experimental conditions]
(1) The rheometer motor is operated and the eluent side syringe pump is operated while rotating the upper flat plate to fill the microchannel with the eluent. The upper plate rotation speed was set to 0.01 rpm. At this time, it is necessary to remove the microbubbles in the channel by relatively increasing the flow rate.

(2)溶離剤側シリンジポンプを流量5ml/hに設定し、次いで試料側シリンジポンプを稼動させ、溶離剤、試料(染料)をチャンネル内に連続的に供給する。試料流量は0.1ml/hに設定した。   (2) The eluent side syringe pump is set to a flow rate of 5 ml / h, then the sample side syringe pump is operated, and the eluent and sample (dye) are continuously supplied into the channel. The sample flow rate was set to 0.1 ml / h.

(3)カラム中の染料の軌跡が定常的になったら(試料供給開始から約1時間後)、上部平板の回転、溶離剤、試料の供給を同時に止める。   (3) When the locus of the dye in the column becomes steady (after about 1 hour from the start of sample supply), the rotation of the upper plate, the eluent, and the sample supply are stopped simultaneously.

(4)上記(3)後、瞬時に上部平板を取り外し、吸着剤膜の溶離剤を気化させる。ある程度吸着剤が乾燥したのち、吸着剤表面をスキャナーで画像に収める。   (4) After (3) above, the upper flat plate is instantly removed, and the eluent of the adsorbent film is vaporized. After the adsorbent has dried to some extent, the surface of the adsorbent is put into an image by a scanner.

(4)の工程はできるだけ俊敏に行う必要がある。溶離剤が吸着剤膜に残ったままだと、試料が拡散し、にじんでしまうからである。また溶離剤流量を5ml/hに設定したが、正味の流量は0.9ml/hである。マイクロ空間内に溶離剤を供給するため、圧力損失が大きく、シリンジポンプの設定値で溶離剤を供給することはできない。溶離剤をシリンジポンプ設定値5ml/hで供給しながら、試料をパルス的に供給した場合の試料移動距離より正味の流量は算出した。   The process (4) should be performed as quickly as possible. This is because if the eluent remains in the adsorbent film, the sample diffuses and blurs. The eluent flow rate was set at 5 ml / h, but the net flow rate was 0.9 ml / h. Since the eluent is supplied into the micro space, the pressure loss is large and the eluent cannot be supplied at the set value of the syringe pump. While supplying the eluent at a syringe pump set value of 5 ml / h, the net flow rate was calculated from the sample moving distance when the sample was supplied in pulses.

〔3.4 解析〕
〔3.4.1 画像解析法〕
回分分離実験および連続分離実験後、吸着剤膜表面をスキャナーで画像に収め、その画像を解析する。具体的には染料の各成分(青色、赤色)のカラー強度をプロットする。クエット流れ場における回分分離実験では半径30mmの円周上のカラー強度分布を、ポアズイユ流れ場における回分分離実験では溶離剤流れに水平に適当な直線上のカラー強度分布を、連続分離実験では半径25、30、35mmの円周上のカラー強度分布を求めた。
[3.4 Analysis]
[3.4.1 Image analysis method]
After the batch separation experiment and the continuous separation experiment, the surface of the adsorbent film is put into an image by a scanner, and the image is analyzed. Specifically, the color intensity of each component (blue and red) of the dye is plotted. In batch separation experiments in the Couette flow field, the color intensity distribution on the circumference with a radius of 30 mm, in the batch separation experiment in Poiseuille flow field, the color intensity distribution on a straight line suitable for the eluent flow, and in the continuous separation experiment with a radius of 25 The color intensity distribution on the circumference of 30 mm and 35 mm was obtained.

カラー強度の指標にはYxy表色系の彩度を用いた。Yxy表色系を図12に示す。図中の矢印の方向に彩度は大きくなる。   As an index of color intensity, the saturation of the Yxy color system was used. FIG. 12 shows the Yxy color system. Saturation increases in the direction of the arrow in the figure.

MATLAB(登録商標)を用いて吸着剤表面画像のピクセルごとのRGB値を読み込み、これをYxy値に変換する。変換方法を以下に示す。   The RGB value for each pixel of the adsorbent surface image is read using MATLAB (registered trademark) and converted into a Yxy value. The conversion method is shown below.

(1)画像より各ピクセルのRGBデータを読み込む。   (1) Read RGB data of each pixel from the image.

(2)式(3.4.1.a)に示すようにsRGB値のそれぞれを255で割って、0から1の実数値にし、リニアーRGB(lR、lG、lB)に変換する。   (2) As shown in Equation (3.4.1.a), each sRGB value is divided by 255 to obtain a real value from 0 to 1, and converted to linear RGB (1R, 1G, 1B).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

(3)式(3.4.1.b)よりリニアーRGBを国際照明委員会(CIE)が提唱する三刺激値CIEXYZ(X、Y、Z)に変換する。   (3) The linear RGB is converted into the tristimulus values CIEXYZ (X, Y, Z) proposed by the International Commission on Illumination (CIE) from the formula (3.4.1.b).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

(4)Yxy表色系におけるx、y値は式(3.4.1.c)より算出される。   (4) The x and y values in the Yxy color system are calculated from the equation (3.4.1.c).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

クエット流れ場における回分分離実験と同様な手順で、試料に青色、赤色染料の混合溶液を用いず、青色染料溶液および赤色染料溶液を用いて実験に行った。実験後、吸着剤表面画像を解析し、先に述べた手順でx、yを算出し、プロットした結果を図13に示す。縦軸、横軸にそれぞれYxy表色系におけるy、xをとり、図中、Aで示す範囲の点は青色染料溶液を用いた場合のx、y値を、図中、Bで示す範囲の点は赤色染料溶液を用いた場合のx、y値を示している。プロット点は各溶液に対して複数回行った実験の結果を示している。   In the same procedure as the batch separation experiment in the Couette flow field, the blue and red dye solutions were not used for the sample, but the blue dye solution and the red dye solution were used for the experiment. After the experiment, the adsorbent surface image was analyzed, x and y were calculated by the procedure described above, and the plotted results are shown in FIG. Y and x in the Yxy color system are taken on the vertical axis and the horizontal axis, respectively. In the figure, points in the range indicated by A are the x and y values when using a blue dye solution, and the range indicated by B in the figure. The dots indicate the x and y values when a red dye solution is used. Plot points indicate the results of experiments performed multiple times on each solution.

図13より青色、赤色のプロット点は直線状に配列していることがわかる。そこで青色、赤色それぞれの全データを対象に直線近似し、その結果が図中に示す青色、赤色の直線である。この直線を各色の強度を算出する際の基準線とした。青色、赤色成分のx、y値はすべてこの直線上にあるとし、原点(青色の直線と赤色の直線の交点)からの距離がカラー強度に比例すると考えた。ここで原点からの距離が長いほど彩度も大きくなるので、カラー強度の指標として彩度を用いたことになる。   It can be seen from FIG. 13 that the blue and red plot points are arranged in a straight line. Therefore, all the blue and red data are approximated to a straight line, and the result is the blue and red straight lines shown in the figure. This straight line was used as a reference line for calculating the intensity of each color. The x and y values of the blue and red components are all on this straight line, and the distance from the origin (the intersection of the blue and red straight lines) is considered to be proportional to the color intensity. Here, as the distance from the origin is longer, the saturation becomes larger, so the saturation is used as an index of color intensity.

次に青色、赤色が混色した部分(青色と赤色が混じり紫色の部分)について各成分のカラー強度算出方法を、混色のカラー強度分割を示す図14を用いて説明する。Yxy表色系においてあるx、y値を持つ二点を“等量”混合した場合、得られる混色はそれら二点を結んだ線分の中点の座標で表される色となる。ここで“等量”とは具体的に染料などの量を表すのではなく、単にそれら二点を同じ度合い(強度)で混色したことを意味し、また、本画像解析法では混色は青色、赤色基準線上の各点を常に同じ度合いで混色して作製されているものとした。混色した部分は青色基準線の下方、赤色基準線の左方に存在する。混色した部分を画像解析し、あるピクセルにおけるx、yをプロットした点がA点であるとすると、A点は青色基準線上のB点と赤色基準線上のC点の中点となる。つまりA点で表される混色が得られたとき、A点での青色、赤色各カラー強度はそれぞれB点、C点のカラー強度となる。任意の混色を青色、赤色各カラー強度に分割することは、基準線上の二点(青色基準線、赤色基準線から各一点ずつ)をそれら2点の線分の中点が混色の点となるように選ぶことである。   Next, a method for calculating the color intensity of each component for a portion where blue and red are mixed (a portion where blue and red are mixed and purple) will be described with reference to FIG. When two points having x and y values in the Yxy color system are mixed in “equal amounts”, the resulting mixed color is a color represented by the coordinates of the midpoint of the line segment connecting the two points. Here, “equivalent amount” does not specifically represent the amount of dye or the like, but simply means that these two points are mixed in the same degree (intensity), and in this image analysis method, the mixed color is blue, It was assumed that each point on the red reference line was always mixed at the same degree. The mixed color portion exists below the blue reference line and to the left of the red reference line. When the mixed color portion is subjected to image analysis and the point where x and y in a certain pixel are plotted is point A, point A is the midpoint of point B on the blue reference line and point C on the red reference line. That is, when a mixed color represented by point A is obtained, the blue and red color intensities at point A become the color intensities at points B and C, respectively. Dividing an arbitrary mixed color into blue and red color intensities means that two points on the reference line (one point each from the blue reference line and the red reference line) are mixed points at the midpoint of these two line segments. Is to choose.

〔4. 結果と考察〕
〔4.1 カラー強度プロット〕
カラー強度プロットの例としてクエット流れ場における回分分離実験結果を示す。図15に分離実験後の吸着剤表面画像を示した。図15中の円周上のカラー強度をプロットし、図16に示した。図16より今回用いた画像解析法は各色のカラー強度を良く表現できていることがわかる。
[4. Results and discussion〕
[4.1 Color intensity plot]
As an example of a color intensity plot, the results of a batch separation experiment in a Couette flow field are shown. FIG. 15 shows an adsorbent surface image after the separation experiment. The color intensity on the circumference in FIG. 15 is plotted and shown in FIG. FIG. 16 shows that the image analysis method used this time can express the color intensity of each color well.

〔4.2 容量係数算出方法〕
クエット流れ場における回分分離実験より本実験で用いた系における各試料成分の容量係数を算出した。容量係数は式(4.2.a)より算出した。
[4.2 Calculation method of capacity coefficient]
From the batch separation experiment in the Couette flow field, the volume coefficient of each sample component in the system used in this experiment was calculated. The capacity coefficient was calculated from the equation (4.2.a).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

k’は容量係数、L0は非保持成分である溶離剤の移動距離、Leffは各成分のカラー強度ピーク位置の移動距離を表す。クエット流れ場における回分分離実験の結果を例に挙げてL0、Leffを示す。図17に分離実験後の吸着剤表面画像を示し、図中にL0、Leffを合わせて示した。吸着剤は時計周りに回転しているので、溶離剤は相対的に反時計周りに移動していることになる。また、例に挙げた回分分離実験の操作条件は回転速度0.03rpm、稼動時間10minであるので、実験開始から上部平板(回転板)は108°回転しており、溶離剤速度は回転板速度の半分であるとみなし(クエット流れ場)、溶離剤は54°移動したことになる。これらの点を考慮して、図17中に試料初期位置、溶離剤移動方向、L0を示した。図17中の円周上のカラー強度をプロットし、図18に示し、合わせてLeffの位置を示した。 k ′ is a capacity coefficient, L 0 is a moving distance of the eluent as a non-retaining component, and L eff is a moving distance of the color intensity peak position of each component. The results of batch separation experiments in the Couette flow field are taken as an example, and L 0 and L eff are shown. FIG. 17 shows an adsorbent surface image after the separation experiment, in which L 0 and L eff are shown together. Since the adsorbent rotates clockwise, the eluent moves relatively counterclockwise. In addition, since the operation conditions of the batch separation experiment given as an example are a rotation speed of 0.03 rpm and an operation time of 10 min, the upper flat plate (rotary plate) has rotated by 108 ° from the start of the experiment, and the eluent speed is the rotational plate speed. And the eluent has moved 54 °. In consideration of these points, the initial sample position, eluent movement direction, and L 0 are shown in FIG. The color intensity on the circumference in FIG. 17 is plotted and shown in FIG. 18, and the position of L eff is also shown.

〔4.3 理論段高さ算出方法〕
回分分離実験結果より各操作条件において理論段高さを算出した。理論段高さを実験的に求める場合、式(4.3.a)を用いる。
[4.3 Theoretical plate height calculation method]
The theoretical plate height was calculated under each operation condition from the results of batch separation experiments. When the theoretical plate height is obtained experimentally, the equation (4.3.a) is used.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

HETPexpは実験的に求める理論段高さ、σin、σoutはそれぞれ分離実験前、分離実験後の各成分のカラー強度分布分散値、Leffは各成分のカラー強度ピーク位置の移動距離を表す。カラー強度分布がガウス関数に従う場合、カラー強度分布分散値とカラー強度ピーク幅は式(4.3.b)の関係にある。 HETPexp is the theoretical plate height obtained experimentally, σ in and σ out are the color intensity distribution dispersion values of each component before and after the separation experiment, and L eff is the moving distance of the color intensity peak position of each component. . When the color intensity distribution conforms to a Gaussian function, the color intensity distribution dispersion value and the color intensity peak width are in the relationship of Expression (4.3.b).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

式中のWはピーク幅を示す。また、ピーク幅は式(4.3.c)よりピーク半値幅W1/2より求められる。   W in a formula shows a peak width. Further, the peak width is obtained from the peak half-value width W1 / 2 from the equation (4.3.c).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

分離実験前、つまり試料をカラム中に線状に配置した場合、カラー強度分布は長方形である。カラー強度分布が長方形である場合、その分布分散値はゼロである。実際、分離実験前のカラー強度はガウス関数に近い分布になっているが、ここではゼロであるとみなし、式(4.3.a)(4.3.b)(4.3.c)をまとめると式(4.3.d)が得られる。   Before the separation experiment, that is, when the sample is arranged linearly in the column, the color intensity distribution is rectangular. When the color intensity distribution is rectangular, the distribution variance value is zero. Actually, although the color intensity before the separation experiment has a distribution close to a Gaussian function, it is considered to be zero here, and the equations (4.3.a) (4.3.b) (4.3.c) Are obtained, the equation (4.3.d) is obtained.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

式(4.3.d)を用いて分離実験後のカラー強度分布ピーク半値幅と各成分のカラー強度ピーク位置の移動距離より理論段高さを算出できる。   Using equation (4.3.d), the theoretical plate height can be calculated from the half-value width of the color intensity distribution peak after the separation experiment and the moving distance of the color intensity peak position of each component.

〔4.4 HETP理論式の導出〕
開発したデバイスのカラム形式(一方の平板に吸着剤薄膜を配置した平板型カラム)におけるHETP理論式を求めた。先に述べたように本デバイスマイクロ空間内ではθ方向にクエット流れが、r方向にポアズイユ流れが生じている。よって、平板型カラムでの各流れ場におけるHETP理論式が必要となる。クエット流れ場における理論式は参考文献より式(4.4.a)で与えられる。
[4.4 Derivation of HETP theoretical formula]
The HETP theoretical formula in the column format of the developed device (a flat column with an adsorbent thin film arranged on one flat plate) was obtained. As described above, a Couette flow is generated in the θ direction and a Poiseuille flow is generated in the r direction in the device microspace. Therefore, the HETP theoretical formula in each flow field in a flat column is required. The theoretical formula in the Couette flow field is given by the formula (4.4.a) from the reference.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

一方、ポアズイユ流れ場における理論式は文献を参照して以下の式(4.4.b)に示すように導出される。   On the other hand, the theoretical formula in the Poiseuille flow field is derived as shown in the following formula (4.4.b) with reference to the literature.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

導出手順は以下の通りである。   The derivation procedure is as follows.

〔平板型カラムポアズイユ流れ場におけるHETP理論式の導出〕
ポアズイユ流れ場におけるHETP理論式を参考文献の手順に従い導出した。必要なHETP理論式を得るため、想定したカラム形状と速度プロファイルを図19に示した。
[Derivation of HETP theoretical formula in flat column Poiseuille flow field]
The HETP theoretical formula in the Poiseuille flow field was derived according to the procedure of the reference. In order to obtain the necessary HETP theoretical formula, the assumed column shape and velocity profile are shown in FIG.

図19のようなポアズイユ流れを上下対称にした仮想的な速度プロファイルを考慮し、参考文献の手順に従うことで開発したデバイス(図19の上もしくは下半分に相当)でのHETP理論式を算出できる。平均流速は(3/2)vとすると、この仮想的な速度プロファイルは以下の式で表される。   Considering a virtual velocity profile in which the Poiseuille flow is vertically symmetric as shown in FIG. 19, the HETP theoretical formula can be calculated for the device developed (corresponding to the upper or lower half of FIG. 19) by following the procedure of the reference. . Assuming that the average flow velocity is (3/2) v, this virtual velocity profile is expressed by the following equation.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

境界条件は(1)(4)(5)を用いて偏微分方程式を解くことによりポアズイユ流れ場におけるHETP理論式(式(4.4.b))を導出ことができる。   As the boundary condition, the HETP theoretical formula (formula (4.4.b)) in the Poiseuille flow field can be derived by solving the partial differential equation using (1), (4), and (5).

また、クエット流れ場におけるHETP理論式に関しては公知文献に記載されているので説明を省略する。   Further, since the HETP theoretical formula in the Couette flow field is described in the publicly known literature, the explanation is omitted.

式(4.4.a)(4.4.b)中のk’は容量係数、umは溶離剤平均流速、Dm、Dsはそれぞれ移動相、固定相分子拡散係数、d、dfは移動相、固定相厚さを示す。各HETP理論式の右辺第一項は移動相中の縦方向(溶離剤流れ方向)の拡散による寄与項、右辺第二項は移動相中での物質移動の遅れによる寄与項、右辺第三項は固定相中での物質移動の遅れによる寄与項を示す。各流れ場では移動相中の速度プロファイルが違うので、式(4.4.a)(4.4.b)中の右辺第二項に違いが見られる。 Equation (4.4.a) k 'is the capacity factor in (4.4.b), u m the eluent average flow velocity, D m, D s respectively mobile phase, stationary phase molecular diffusion coefficient, d, d f represents the mobile phase and stationary phase thickness. The first term on the right side of each HETP theoretical formula is the contribution term due to diffusion in the vertical direction (eluent flow direction) in the mobile phase, the second term on the right side is the contribution term due to the delay of mass transfer in the mobile phase, and the third term on the right side. Indicates the contribution term due to the delay of mass transfer in the stationary phase. Since the velocity profile in the mobile phase is different in each flow field, a difference is seen in the second term on the right side in the equations (4.4.a) and (4.4.b).

〔4.5 回分分離実験〕
〔4.5.1 クエット流れ場〕
〔4.5.1.1 容量係数〕
4.2で述べた方法により本実験で用いた系における青色、赤色それぞれの容量係数を算出した。
[4.5 separation experiments]
[4.5.1 Couette flow field]
[4.5.1.1 Capacity coefficient]
The capacity coefficients of blue and red in the system used in this experiment were calculated by the method described in 4.2.

横軸に非保持成分である溶離剤の移動距離L0を、縦軸に各成分のカラー強度分布ピーク位置の移動距離Leffをとり、青色成分について図21に、赤色成分について図22に、容量係数の算出方法を示す。図中の白抜きの丸は実験値を、実線は実験値を原点を通る直線で近似した結果である。図より各実験値はほぼ直線上にあることがわかる。式(4.2.a)を変形すると式(4.5.1.1.a)が得られるので、近似した直線の傾きより、各成分の容量係数が算出される。 The horizontal axis represents the moving distance L 0 of the eluent as a non-retained component, the vertical axis represents the moving distance L eff of the color intensity distribution peak position of each component, FIG. 21 shows the blue component, and FIG. 22 shows the red component. The calculation method of a capacity coefficient is shown. The white circles in the figure are the experimental values, and the solid line is the result of approximating the experimental values with a straight line passing through the origin. It can be seen from the figure that each experimental value is almost on a straight line. Since equation (4.5.1.1.a) is obtained by transforming equation (4.2.a), the capacity coefficient of each component is calculated from the slope of the approximated straight line.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

得られた容量係数を図20にまとめる。   The obtained capacity coefficients are summarized in FIG.

〔4.5.1.2 理論段高さ〕
4.3で述べた方法により理論段高さを算出し図23に示す。横軸は溶離剤平均流速、縦軸は理論段高さであり、青色の丸は青色染料、赤色の丸は赤色染料の結果を示している。3.2.1.3で述べたように回転板(上部平板)は0.01、0,015、0.02、0.025、0.03、0.035、0.04rpmで操作し、各回転速度で二回ずつ分離実験を行なった。吸着剤表面において半径30mmの円周上のカラー強度を解析することにより理論段高さを算出している。よって溶離剤平均流速はその円周上での流速である。
[4.5.1.2 Theoretical plate height]
The theoretical plate height is calculated by the method described in 4.3 and is shown in FIG. The horizontal axis represents the average eluent flow rate, the vertical axis represents the theoretical plate height, the blue circle represents the blue dye, and the red circle represents the red dye. As described in 3.2.1.3, the rotating plate (upper plate) is operated at 0.01, 0,015, 0.02, 0.025, 0.03, 0.035, 0.04 rpm, Separation experiments were performed twice at each rotation speed. The theoretical plate height is calculated by analyzing the color intensity on the circumference having a radius of 30 mm on the surface of the adsorbent. Therefore, the average eluent flow velocity is the flow velocity on the circumference.

また、別の例で、実験より求めた理論段高さを図24に示す。図24中の実線は平板型カラムにおけるクエット流れでの理論段高さを与える理論式より算出した値である。理論値と実験値とは良好な一致を示しており、また、本デバイスに用いても理論段高さ数百μmのクロマトカラム性能を発現することができた。   In another example, the theoretical plate height obtained from the experiment is shown in FIG. The solid line in FIG. 24 is a value calculated from the theoretical formula giving the theoretical plate height in the Couette flow in the flat column. The theoretical values and the experimental values are in good agreement, and even when used in this device, chromatographic column performance with a theoretical plate height of several hundred μm could be expressed.

〔4.5.2 ポアズイユ流れ場〕
〔4.5.2.1 容量係数と溶離剤平均流速〕
3.2.2.3で述べたようにポアズイユ流れ場における回分分離実験では平板型デバイスを用いており、シリンジポンプ設定値から溶離剤平均流速を算出することは困難である。画像解析を行うことによりカラー強度分布ピーク位置の移動距離Leffがわかり、容量係数は既知である(4.5.1.1参照)として式(4.2.a)より溶離剤の移動距離L0を算出できる。これと実験時間(分離前から分離後までの経過時間)より溶離剤平均流速を算出した。
[4.5.2 Poiseuille flow field]
[4.5.2.1 Volume coefficient and average eluent flow rate]
As described in 3.2.2.3, in the batch separation experiment in the Poiseuille flow field, a flat plate device is used, and it is difficult to calculate the average eluent flow rate from the syringe pump set value. By performing image analysis, the moving distance L eff of the peak position of the color intensity distribution is known, and the capacity coefficient is known (see 4.5.1.1), and the moving distance of the eluent from equation (4.2.a). L 0 can be calculated. The average eluent flow rate was calculated from this and the experiment time (elapsed time from before separation to after separation).

〔4.5.2.2 理論段高さ〕
4.3で述べた方法により理論段高さを算出し図25に示す。横軸は溶離剤平均流速、縦軸は理論段高さであり、塗りつぶした三角は青色染料、塗りつぶしていない三角は赤色染料の結果を示している。溶離剤平均流速の算出方法は4.5.2.1で述べた。
[4.5.2.2 Theoretical plate height]
The theoretical plate height is calculated by the method described in 4.3 and is shown in FIG. The horizontal axis represents the average eluent flow velocity, the vertical axis represents the theoretical plate height, the filled triangles indicate the results for the blue dye, and the unfilled triangles indicate the results for the red dye. The method for calculating the average eluent flow rate is described in 4.5.2.1.

〔4.5.3 理論段高さについて実験値と理論値の比較〕
回分分離実験の結果(理論段高さ)を青色染料、赤色染料ごとにそれぞれ図26、図27に示す。横軸には溶離剤平均流速を、縦軸には理論段高さをとり、図中の丸はクエット流れ場での、三角はポアズイユ流れ場での回分分離実験の結果である。また実線、破線はそれぞれクエット流れ場、ポアズイユ流れ場における理論値であり、クエット流れ場については式(4.4.a)、ポアズイユ流れ場については式(4.4.b)より算出した(4.4参照)。ここでは移動相分子拡散係数をDm=1.0E−9 m2/s、固定相分子拡散係数をDs=1.0E−10 m2/sとした。文献を参考にし、適当な各拡散係数の値を選んだ。
[4.5.3 Comparison of experimental and theoretical values for theoretical plate height]
The results (theoretical plate height) of the batch separation experiment are shown in FIGS. 26 and 27 for the blue dye and the red dye, respectively. The horizontal axis represents the average eluent flow velocity, the vertical axis represents the theoretical plate height, and the circles in the figure are the results of batch separation experiments in the Couette flow field, and the triangles in the Poiseuille flow field. The solid and broken lines are the theoretical values for the Couette flow field and the Poiseuille flow field, respectively. The Couette flow field is calculated from the equation (4.4.a), and the Poiseuille flow field is calculated from the equation (4.4.b) ( 4.4). Here the mobile phase molecular diffusion coefficients D m = 1.0E-9 m 2 / s , the fixed phase molecular diffusion coefficient and D s = 1.0E-10 m 2 / s. Appropriate diffusion coefficient values were selected with reference to the literature.

実験結果よりクエット流れ場での理論段高さはポアズイユ流れ場での理論段高さより大きい傾向がある。これは各流れ場での速度プロファイルの違いによるものだと考えられる。同じ平均速度ではクエット流れの方がポアズイユ流れより速度分布が大きく、カラム中での試料分布が広がりやすく、その結果、理論段高さが大きくなる傾向を示していると考えられる。本デバイスのクロマト性能は理論段高さ500μm程度であることがわかる。また特に低流速域では理論値は実験値と良く一致しており、理論式(式(4.4.a)、(4.4.b))を用いて本デバイスのクロマト性能を推算できることがわかる。   The experimental results show that the theoretical plate height in the Couette flow field tends to be larger than the theoretical plate height in the Poiseuille flow field. This is thought to be due to the difference in velocity profiles at each flow field. At the same average velocity, the Couette flow has a larger velocity distribution than the Poiseuille flow, and the sample distribution in the column tends to spread, and as a result, the theoretical plate height tends to increase. It can be seen that the chromatographic performance of this device is about 500 μm in theoretical plate height. In particular, the theoretical values agree well with the experimental values especially in the low flow rate region, and the chromatographic performance of this device can be estimated using the theoretical formulas (formulas (4.4.a) and (4.4.b)). Recognize.

〔4.5.4 理論段高さのチャンネル厚さおよび吸着剤膜厚への依存性〕
図28に移動相(マイクロチャンネル)厚さおよび固定相(吸着剤膜)厚さを変化させた場合の理論段高さの変化の様子を示した。各グラフの縦軸は理論段高さを、横軸は溶離剤平均流速を表し、理論段高さは理論式(式(4.4.a)、(4.4.b))を用いて算出した。実線はクエット流れ場における理論値、破線はポアズイユ流れ場における理論値を示している。容量係数k’は1.42とし、移動相分子拡散係数Dm、固定相分子拡散係数Dsはそれぞれ1E−9、1E−10 m2/sとし、グラフ中にマイクロチャンネル厚さdと吸着剤膜厚さdfの各条件を示した。
[4.5.4 Dependence of theoretical plate height on channel thickness and adsorbent film thickness]
FIG. 28 shows how the theoretical plate height changes when the mobile phase (microchannel) thickness and the stationary phase (adsorbent film) thickness are changed. In each graph, the vertical axis represents the theoretical plate height, the horizontal axis represents the eluent average flow velocity, and the theoretical plate height is calculated using theoretical formulas (formulas (4.4.a) and (4.4.b)). Calculated. The solid line shows the theoretical value in the Couette flow field, and the broken line shows the theoretical value in the Poiseuille flow field. The capacity coefficient k ′ is 1.42, the mobile phase molecular diffusion coefficient D m and the stationary phase molecular diffusion coefficient D s are 1E-9 and 1E-10 m 2 / s, respectively. It showed the condition of the agent layer thickness d f.

各グラフからわかるように、ポアズイユ流れ場における値はクエット流れ場のそれより小さく、ポアズイユ流れ場におけるクロマト性能の方が良好であることがわかる。   As can be seen from each graph, the value in the Poiseuille flow field is smaller than that in the Couette flow field, indicating that the chromatographic performance in the Poiseuille flow field is better.

吸着剤厚さを減少させるほどクロマト性能は向上することがわかる。これは理論式からも明らかである。高流速域においても理論段高さはそれほど増加せず、濃度分布が過度にブロードにならずに高速で溶離剤を流すことが可能であるとわかる。その一方、吸着剤膜厚さを小さくし過ぎると吸着剤が保持できる容量が小さくなるという欠点もある。   It can be seen that the chromatographic performance improves as the adsorbent thickness decreases. This is clear from the theoretical formula. Even in a high flow rate region, the theoretical plate height does not increase so much, and it can be seen that the eluent can flow at a high speed without excessively broad concentration distribution. On the other hand, if the adsorbent film thickness is too small, there is also a drawback that the capacity that the adsorbent can hold becomes small.

マイクロチャンネル厚さを減少させると、吸着剤膜厚さと同様に、クロマト性能は向上している。一方、例えばチャンネル厚さが100μmではクエット流れ場における理論段高さはポアズイユ流れ場のものより大きく、チャンネル厚さが減少するほどそれらの差は小さくなり、各流れ場における理論段高さは同等なものになる。この点より、本デバイスではせん断流動により過度に濃度分布がブロードになること避けるため、チャンネル厚さは50マイクロメートル程度以下が望ましいことがわかる。   As the microchannel thickness is decreased, the chromatographic performance is improved, as is the adsorbent film thickness. On the other hand, for example, when the channel thickness is 100 μm, the theoretical plate height in the Couette flow field is larger than that in the Poiseuille flow field, and the difference between them becomes smaller as the channel thickness decreases, and the theoretical plate height in each flow field is the same. It will be something. From this point, it can be seen that in this device, the channel thickness is desirably about 50 micrometers or less in order to avoid excessively broad concentration distribution due to shear flow.

開発したデバイスの吸着剤膜厚さと同じ膜厚のTLCプレートを長時間試料(染料混合溶液)に浸し、乾燥後、そのTLCプレートの吸着剤表面を画像解析した。それにより得られたカラー強度を試料濃度での各成分のカラー強度とした。カラー強度と濃度は比例関係にあるとし、カラー強度から無次元濃度を算出した。   A TLC plate with the same film thickness as the adsorbent film of the developed device was immersed in the sample (dye mixture solution) for a long time, and after drying, the surface of the adsorbent on the TLC plate was subjected to image analysis. The color intensity obtained thereby was used as the color intensity of each component at the sample concentration. Assuming that the color intensity and density are in a proportional relationship, a dimensionless density was calculated from the color intensity.

連続分離実験後の吸着剤表面画像を図29に示し、図29中の半径rが25、35、45mmの円弧上のカラー強度分布より算出した無次元濃度分布を図30に示す。図中、Aが青色染料であり、Bが赤色染料である。図30は半径r、試料入口からの角度θ(rとθは図29中に記述)に対して無次元濃度を三次元プロットしたものである。また各円弧上の分布に対して分離度を計算し、図30中に合わせて示した。分離度Rsは各無次元濃度分布がガウス関数に従うとみなし、式(4.6.a)より算出した。 FIG. 29 shows an adsorbent surface image after the continuous separation experiment, and FIG. 30 shows a dimensionless concentration distribution calculated from the color intensity distribution on an arc having radius r of 25, 35, and 45 mm in FIG. In the figure, A is a blue dye and B is a red dye. FIG. 30 is a three-dimensional plot of the dimensionless concentration against the radius r and the angle θ from the sample inlet (r and θ are described in FIG. 29). Further, the degree of separation was calculated for the distribution on each arc, and is shown together in FIG. The degree of separation R s was calculated from the equation (4.6.a) assuming that each dimensionless concentration distribution follows a Gaussian function.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

eff,blue、Leff,redはそれぞれ青色、赤色カラー強度分布ピーク位置の移動距離、Wblue、Wredはそれぞれ青色、赤色カラー強度分布ピーク幅を示す。 L eff, blue and L eff, red are the movement distances of the blue and red color intensity distribution peak positions, respectively, and W blue and W red are the blue and red color intensity distribution peak widths, respectively.

図30より、上部平板外周に向かうほど、つまり半径rが大きくなるほど、分離度は増加し、分離が達成されていることが分かる。各成分は完全には分離させていないが、装置外周における取出し口位置の違いにより連続分離が可能であると考えられる。   It can be seen from FIG. 30 that the degree of separation increases and the separation is achieved as the radius r increases toward the outer periphery of the upper flat plate. Although each component is not completely separated, it is considered that continuous separation is possible due to the difference in the position of the take-out port on the outer periphery of the apparatus.

〔4.6.2 試料軌跡の推算〕
4.6.1で装置外周における取出し口位置の違いにより連続分離が可能であることがわかった。その一方で開発したデバイスの操作条件を決定するためには試料軌跡を推算しなければならない。試料軌跡を求めるとは濃度分布ピーク位置の軌道と濃度分布幅を算出することである。すなわち各ピーク位置における溶離剤移動方向の法線方向に幅を持たせるように濃度分布幅を足し合わせればよい。ここで溶離剤移動方向とはクエット流れを考えた場合はθ方向、ポアズイユ流れを考えた場合はr方向となる。クエット流れによるピークの広がり、つまり濃度分布幅とポアズイユ流れによる濃度分布幅をそれぞれ単独で算出して、それらを比較し、よりブロードな試料軌跡を表現しているものをクエット、ポアズイユ複合流れ場での濃度分布幅とした。
[4.6.2 Estimation of sample trajectory]
In 4.6.1, it was found that continuous separation was possible depending on the position of the outlet on the outer periphery of the apparatus. On the other hand, the sample trajectory must be estimated to determine the operating conditions of the developed device. Obtaining the sample trajectory means calculating the trajectory of the concentration distribution peak position and the concentration distribution width. That is, the concentration distribution widths may be added so as to have a width in the normal direction of the eluent movement direction at each peak position. Here, the eluent movement direction is the θ direction when a Couette flow is considered, and the r direction when a Poiseuille flow is considered. The broadening of the peak due to Couette flow, that is, the concentration distribution width and the concentration distribution width due to Poiseuille flow are calculated separately and compared to each other to express a broader sample trajectory in the combined Couette and Poiseuille flow field. Concentration distribution width.

開発したデバイスのマイクロチャンネル内θ方向にはクエット流れが生じているのでθ方向の溶離剤平均流速は回転板回転速度の二分の一とし、保持体積Vm(1+k’) を用いた式(4.6.2.a)より濃度分布ピーク位置の軌道を求めた。 Since a Couette flow is generated in the θ direction in the microchannel of the developed device, the average eluent flow velocity in the θ direction is half of the rotation speed of the rotating plate, and the equation (4) using the holding volume V m (1 + k ′) is used. The orbit of the concentration distribution peak position was obtained from .6.2.a).

Figure 0004455917
Figure 0004455917

式中のθは試料入口からの角度、ωは回転板回転速度、FTは溶離剤と試料の流量を足し合わせた全流量、Vmは移動相体積、k’は容量係数を表す。カラムの幾何学的構造からVmは半径rとマイクロチャンネル厚さdから求められるので濃度分布ピーク位置に関して試料入口からの角度θと半径rは式(4.6.2.b)から求められる。 In the equation, θ is the angle from the sample inlet, ω is the rotational speed of the rotating plate, FT is the total flow rate of the eluent and the sample flow rate, V m is the mobile phase volume, and k ′ is the capacity coefficient. Since V m is obtained from the radius r and the microchannel thickness d from the column geometry, the angle θ and the radius r from the sample inlet with respect to the concentration distribution peak position are obtained from the equation (4.6.2.b). .

Figure 0004455917
Figure 0004455917

また、試料入口位置をr0とすれば、以下のように書くこともできる。 If the sample entrance position is r 0 , the following can be written.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

一方、濃度分布幅Woutは式(4.6.2.c)より求められる。これは4.3で説明した式と同様である。 On the other hand, the density distribution width W out is obtained from the equation (4.6.2.c). This is the same as the equation described in 4.3.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

HETPには理論式(式(4.4.a)、(4.4.b))より算出した値を用いた。また容量係数は表1(4.5.1.1)で示した値を用いた。フィッティングパラメータを分子拡散係数とし、回分分離実験より得られた理論段高さを理論式にフィッティングすることで分子拡散係数の値を求めた。その値を図31にまとめ、濃度分布幅算出に用いた。   The value calculated from the theoretical formula (formulas (4.4.a), (4.4.b)) was used for HETP. As the capacity coefficient, the value shown in Table 1 (4.5.1.1) was used. The molecular diffusion coefficient was obtained by fitting the theoretical plate height obtained from the batch separation experiment to the theoretical formula using the fitting parameter as the molecular diffusion coefficient. The values are summarized in FIG. 31 and used to calculate the concentration distribution width.

理論式ではHETPは溶離剤平均流速umの関数である。本デバイスでは溶離剤が中心から外周に向かう際、umは一定ではなく、半径rの関数となる。そこで式(4.6.2.c)において微少量変化を考え、積分することにより各LeffにおけるWoutを算出した。積分の式の算出は以下の通りである。 The theoretical formula HETP is a function of eluent average flow velocity u m. In this device, when the eluent goes from the center to the outer periphery, u m is not constant and is a function of the radius r. In view of this, a slight change in the equation (4.6.2.c) was considered and integrated to calculate W out at each L eff . The calculation of the integral formula is as follows.

〔HETP理論式からの濃度分布幅算出方法〕
ここではポアズイユ流れによるピークの広がりのみを考え、ポアズイユ流れ場における濃度分布幅算出方法を述べる。新規デバイスマイクロ空間内では溶離剤流速は半径rの関数である。そこで、濃度分布幅を算出する際、式(4.6.2.c)において微小変化を考え、積分する必要がある。
[Calculation method of concentration distribution width from HETP theoretical formula]
Here, only the peak spread due to the Poiseuille flow is considered, and a method for calculating the concentration distribution width in the Poiseuille flow field is described. Within the new device microspace, the eluent flow rate is a function of radius r. Therefore, when calculating the concentration distribution width, it is necessary to consider and integrate the slight change in the equation (4.6.2.c).

式(4.6.2.c)は以下のように変形できる。   Equation (4.6.2.c) can be modified as follows.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

HETP(以下Hと表記)、Wout(以下Wと表記)、um(以下uと表記)、tの微少量変化を考える。二乗の項はテーラー展開し、微小量の二乗はゼロとみなすことで次式を得る。 Consider slight changes in HETP (hereinafter referred to as H), W out (hereinafter referred to as W), u m (hereinafter referred to as u), and t. The squared term is expanded by Taylor, and the following equation is obtained by assuming that the square of a minute amount is zero.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

(微少量)→0とすると次の積分の式が得られる。   If (small amount) → 0, the following integration formula is obtained.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

ポアズイユ流れ場を考慮しているので移動相中の溶離剤の質量保存より次式が得られる。   Since the Poiseuille flow field is taken into account, the following equation is obtained from the mass conservation of the eluent in the mobile phase.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

0は試料入口半径を、Qは全流量を示す。HETP理論式を移動相平均流速uのみ関数であるとみなせ、定数Eを用いて簡略化すると次式を得る。 r 0 represents the sample inlet radius, and Q represents the total flow rate. The HETP theoretical formula can be regarded as a function of only the mobile phase average flow velocity u, and the following formula is obtained by simplifying using the constant E.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

上記の第4・第5の式を第3の式に代入し、試料入口位置から任意位置までを積分範囲とし、積分することで次式のような物質保存式を得る。   Substituting the above fourth and fifth equations into the third equation, setting the integration range from the sample inlet position to an arbitrary position, and integrating, the following material conservation equation is obtained.

Figure 0004455917
Figure 0004455917

上式中のWinは試料入口での濃度分布幅を表す。上式より濃度分布ピーク位置が半径r上にあるときの濃度分布幅Wを算出することができる。 Win in the above equation represents the concentration distribution width at the sample inlet. From the above equation, the concentration distribution width W when the concentration distribution peak position is on the radius r can be calculated.

クエット流れによるピークの広がりつまりクエット流れ場での濃度分布幅を考える場合、上記物質保存式および定数Eを変化させれば上記と同様な手順で求められる。   When considering the broadening of the peak due to Couette flow, that is, the concentration distribution width in the Couette flow field, it can be obtained by the same procedure as described above if the substance conservation equation and the constant E are changed.

図32に、連続分離実験後の吸着剤表面写真に式(4.6.2.b)(4.6.2.c)より算出した試料軌跡を合わせて図示した。図中、点線A−点線A’の範囲が青色成分の軌跡を示し、点線B−点線B’の範囲が赤色成分の軌跡を示している。算出した試料軌跡は実験結果を良く表現しており、ここで述べた方法により試料軌跡をおおよそ推算できることがわかる。   In FIG. 32, the sample trajectory calculated from the equations (4.6.2.b) and (4.6.2.c) is shown together with the adsorbent surface photograph after the continuous separation experiment. In the figure, the range of dotted line A-dotted line A 'indicates the locus of the blue component, and the range of dotted line B-dotted line B' indicates the locus of the red component. The calculated sample trajectory expresses the experimental result well, and it can be seen that the sample trajectory can be roughly estimated by the method described here.

〔4.6.3 無次元濃度分布の推算〕
クエット流れによるピークの広がりとポアズイユ流れによるピークの広がりをそれぞれ単独で考えた場合、クエット流れはθ方向に、ポアズイユ流れはr方向に濃度分布を生じさせ、その濃度分布はガウス関数に従うとみなせる。よって、4.6.2で示した方法によりクエット流れによるθ方向の濃度分布幅およびポアズイユ流れによるr方向の濃度分布幅を算出できる。ガウス関数はピーク幅を与えることで一義的に決定することができるので、クエット、ポアズイユ流れを単独で考えた場合、それぞれθ方向およびr方向の濃度分布を算出することができる。任意の円周上について、クエット流れによるピークの広がりのみを考慮して算出した濃度分布とポアズイユ流れによるピークの広がりのみを考慮して濃度分布を重ねあわせ、算術平均をとることにより、クエット、ポアズイユ複合流れ場におけるその円周上の濃度分布とみなした。
[4.6.3 Estimation of dimensionless concentration distribution]
When the peak broadening due to the Couette flow and the peak broadening due to the Poiseuille flow are considered separately, the Couette flow produces a concentration distribution in the θ direction, and the Poiseuille flow produces a concentration distribution in the r direction, and the concentration distribution can be regarded as following a Gaussian function. Therefore, the concentration distribution width in the θ direction due to the Couette flow and the concentration distribution width in the r direction due to the Poiseuille flow can be calculated by the method shown in 4.6.2. Since the Gaussian function can be uniquely determined by giving the peak width, when the Couette and Poiseuille flows are considered independently, the concentration distributions in the θ direction and the r direction can be calculated, respectively. On an arbitrary circumference, the concentration distribution calculated only considering the peak spread due to the Couette flow and the concentration distribution only considering the peak spread due to the Poiseuille flow are overlapped, and the arithmetic average is taken to obtain the Couette and Poiseuille. Considered the concentration distribution on its circumference in the composite flow field.

上記の方法で算出した濃度分布を連続分離実験の結果と比較する。連続分離実験後の吸着剤表面画像上、半径45mmの円弧上の濃度分布について実験値と推算値を図33に示した。塗りつぶした丸、塗りつぶさない丸がそれぞれ青色染料、赤色染料の実験値であり、図中、A、Bで示す実線がそれぞれ青色染料、赤色染料に対する濃度分布推算値である。図より実験値は推算値よりもブロードになっていることがわかる。これはカラム中に微小な気泡が混入することや、実験終了後、上部平板を取り外す際ににじむことなどのカラム外の理論段高さへの寄与が主な原因であると考える。   The concentration distribution calculated by the above method is compared with the result of the continuous separation experiment. FIG. 33 shows experimental values and estimated values for the concentration distribution on an arc having a radius of 45 mm on the adsorbent surface image after the continuous separation experiment. The filled circles and unfilled circles are the experimental values of the blue dye and the red dye, respectively, and the solid lines indicated by A and B in the figure are the concentration distribution estimation values for the blue dye and the red dye, respectively. The figure shows that the experimental value is broader than the estimated value. This is considered to be mainly due to contributions to the theoretical plate height outside the column, such as the presence of minute bubbles in the column and bleeding when the upper plate is removed after the experiment.

また、別の例の結果について、無次元濃度分布を図34に示す。溶離剤流量は0.8ml/h、試料流量は0.1ml/h、上部平板回転速度は0.01rpmにそれぞれ設定した。同図は半径方向45mmの位置での結果である。   In addition, FIG. 34 shows a dimensionless concentration distribution for the result of another example. The eluent flow rate was set to 0.8 ml / h, the sample flow rate was set to 0.1 ml / h, and the upper plate rotation speed was set to 0.01 rpm. The figure shows the result at a position of 45 mm in the radial direction.

また、別の例を示す。本デバイスを用いて、溶離剤および染料混合溶液を連続的に供給し、連続分離を試みた。図35、図36にこの分離実験の結果を示した。図35は、試料軌跡を示す図である。図36は、線上のカラー強度をプロットした結果を示す図である。吸着剤表面の画像を解析した。各染料はそれぞれの軌道を描き、分離されていることがわかり、本デバイスを用いて連続分離が可能であることがわかった。   Another example is shown. Using this device, an eluent and a dye mixed solution were continuously supplied, and continuous separation was attempted. 35 and 36 show the results of this separation experiment. FIG. 35 is a diagram showing a sample trajectory. FIG. 36 is a diagram illustrating a result of plotting the color intensity on the line. The image of the adsorbent surface was analyzed. Each dye traced its own trajectory and found that it was separated, and it was found that continuous separation was possible using this device.

〔4.6.4 連続分離の再現性〕
同条件で連続分離実験を行ない、実験後の吸着剤表面画像を図37および図38に示す。また図中には4.6.2で述べた推算した試料軌跡を合わせて示した。図中、点線A−点線A’の範囲が青色成分の軌跡を示し、点線B−点線B’の範囲が赤色成分の軌跡を示している。両図は連続分離の再現性を表している。
[4.6.4 Reproducibility of continuous separation]
Continuous separation experiments were performed under the same conditions, and the adsorbent surface images after the experiments are shown in FIGS. In the figure, the estimated sample trajectory described in 4.6.2 is also shown. In the figure, the range of dotted line A-dotted line A ′ indicates the locus of the blue component, and the range of dotted line B-dotted line B ′ indicates the locus of the red component. Both figures show the reproducibility of continuous separation.

両実験結果とも推算した試料軌跡に良く一致しており、互いに同様な試料軌跡を描いている。連続分離は再現良く行えると考えられ、一定の取出し口から連続的に分離することが可能であると言える。   Both experimental results are in good agreement with the estimated sample trajectories, and the same sample trajectories are drawn. It is considered that continuous separation can be performed with good reproducibility, and it can be said that separation can be continuously performed from a certain outlet.

〔4.7 新規デバイスの簡易設計法〕
〔4.7.1 設計方程式〕
以上まとめとして開発したデバイスにおける簡易提案法を提案する。簡易設計法における設計方程式は式(4.4.a)、(4.4.b)、(4.6.2.b)、(4.6.2.c)である。
[4.7 Simple design method for new devices]
[4.7.1 Design equation]
As a summary, we propose a simple proposal method for devices developed. The design equations in the simple design method are formulas (4.4.a), (4.4.b), (4.6.2.b), and (4.6.2.c).

〔4.7.2 簡易設計法〕
デバイス設計および操作条件の決定の手順を示す。
[4.7.2 Simple design method]
The procedure for determining the device design and operating conditions is shown.

(1)吸着剤、溶離剤を選定
分離したい成分にたいして適当な容量係数k’を与えるような吸着剤、溶離剤を選定する。ここで移動相分子拡散係数Dm、固定相分子拡散係数Dsが定まる。
(1) Selection of adsorbent and eluent Select an adsorbent and eluent that give an appropriate capacity coefficient k ′ for the component to be separated. Here, the mobile phase molecular diffusion coefficient D m and the stationary phase molecular diffusion coefficient D s are determined.

(2)デバイスサイズの決定
回分分離実験結果(4.5.3)で示したように、HETP理論式(式(4.4.a)(4.4.b))を用いてクロマト性能を予測することができる。したがって分離が十分達成される程度までチャンネル厚さd、吸着剤膜厚さdfを微小化し決定する。
(2) Determination of device size As shown in the results of batch separation experiment (4.5.3), the chromatographic performance was determined using the HETP theoretical formula (formulas (4.4.a) (4.4.b)). Can be predicted. Therefore, the channel thickness d and the adsorbent film thickness df are reduced and determined to the extent that separation is sufficiently achieved.

(3)操作条件の決定
連続分離実験結果(4.6.2)で示したように、濃度分布ピーク位置の軌道を式(4.6.2.a)、濃度分布幅を式(4.6.2.b)から求められ、試料軌跡を推算できるので所望の取出し口位置で各成分が得られるように溶離剤流量FE、回転速度ωを決定する。試料流量を大幅に変更することができないので、溶離剤流量を決定すれば全流量(試料と溶離剤の合計流量)FTは決定される。装置上部平板半径(吸着剤膜半径)routは任意であるが、ここでroutを変更と適当な溶離剤流量FE、回転速度ωは変化する。
(3) Determination of operating conditions As shown in the results of the continuous separation experiment (4.6.2), the orbit of the concentration distribution peak position is expressed by equation (4.6.2.a), and the concentration distribution width is expressed by equation (4. Since the sample trajectory can be estimated obtained from 6.2.b), the eluent flow rate F E and the rotational speed ω are determined so that each component can be obtained at a desired outlet position. Since the sample flow rate cannot be changed significantly, if the eluent flow rate is determined, the total flow rate (total flow rate of the sample and the eluent) FT is determined. The apparatus upper plate radius (adsorbent film radius) r out is arbitrary, but when r out is changed, the appropriate eluent flow rate F E and rotation speed ω are changed.

以上の手順でデバイス設計および操作条件を決定することができる。   Device design and operating conditions can be determined by the above procedure.

〔4.8 多目的デバイスとしての可能性〕
開発したデバイスの特徴として以下の二点が挙げられる。
・粒子充填型ではなく、薄層状の吸着剤膜を使用。
・平板型デバイスで、マイクロ空間での特長を利用し、界面積を確保。
[4.8 Possibility as multipurpose device]
The characteristics of the developed device include the following two points.
・ Uses a thin-layered adsorbent film instead of a particle-packed type.
-Flat plate device, utilizing the features in micro space to ensure the interface area.

粒子充填工程は非常に難しく、再現よくカラムを作製することが困難である。その点で薄層状の吸着剤膜を使用することは有利である。しかしながら粒子充填型に比べ、本デバイスのような平板型カラムはクロマト性能が低い。平板型デバイスにおいてクロマト性能を向上させるには、それをより薄層化する必要がある。また、開発したデバイスは取外し可能なディスク型平板からなり、CACに比べ、その装置構造は比較的簡単である。   The particle packing process is very difficult, and it is difficult to produce a column with good reproducibility. In that respect, it is advantageous to use a thin-layered adsorbent film. However, a flat column like this device has lower chromatographic performance than the particle packed type. In order to improve the chromatographic performance in a flat plate type device, it is necessary to make it thinner. The developed device consists of a removable disk-type flat plate, and its device structure is relatively simple compared to CAC.

本デバイスでは多種類の薄膜を並列に配列できることより、種類の異なる吸着剤膜を配列した混合分離モードデバイス、触媒膜と吸着剤膜を配列した反応分離デバイスとしての可能性があると考える。図39、図40は、それぞれ、混合分離モードデバイス、反応分離デバイスの薄膜の配置を示している。   Since this device can arrange many kinds of thin films in parallel, it is considered as a mixed separation mode device in which different kinds of adsorbent films are arranged, and a reaction separation device in which catalyst films and adsorbent films are arranged. 39 and 40 show the arrangement of the thin films of the mixed separation mode device and the reaction separation device, respectively.

また、溶離剤、試料の供給口配置を自由に配置可能であることより、極性などの物性の異なる溶離剤を所望の位置よりマイクロチャンネル内に供給できることなどが考えられる。図41は、デバイスの試料や溶離剤の供給口の配置を示している。単純なクロマト分離装置ではなくマイクロ空間での効率のよい二相間物質移動を利用した多目的デバイスの可能性があると考えられる。   Further, since the eluent and sample supply port can be arranged freely, it is conceivable that eluents having different physical properties such as polarity can be supplied into the microchannel from a desired position. FIG. 41 shows the arrangement of the device sample and the eluent supply port. It is considered that there is a possibility of a multi-purpose device using efficient two-phase mass transfer in a micro space rather than a simple chromatographic separation apparatus.

すなわち、以上述べた説明は、本デバイスを混合物の分離に用いたものであるが、それ以外にも、化学反応装置として用いることも可能である。すなわち、図40に示すように、ある径範囲にのみ触媒を吸着させておき、反応の原料物質(1つでもよい)を、径方向の所定位置の試料供給口から流す。原料物質がその触媒に接触して化学変化を起こすことで吸着剤との親和性が変化して、進む速度が変わる場合には、反応生成物と未反応原料とで進む速度の差を生じさせることができるので、反応生成物と未反応原料とを分離することができる。   That is, although the above-mentioned explanation uses this device for the separation of the mixture, it can also be used as a chemical reaction apparatus. That is, as shown in FIG. 40, the catalyst is adsorbed only in a certain diameter range, and the reaction raw material (or one) is allowed to flow from the sample supply port at a predetermined position in the radial direction. When the raw material contacts the catalyst and undergoes a chemical change, the affinity with the adsorbent changes and the speed of advance changes, causing a difference in the speed of advance between the reaction product and the unreacted raw material. Therefore, the reaction product and the unreacted raw material can be separated.

また、別の例について述べる。図42は装置断面図を示し、図43は上部平板を下から見た図である。図42の上側が今まで述べた例であり、図42の下側が、それを変形した例である。後者は、下部平板(ガラス)に微細加工を施して突起部を作り、スペーサの代わりとするものである。   Another example will be described. FIG. 42 is a sectional view of the device, and FIG. 43 is a view of the upper flat plate as viewed from below. The upper side of FIG. 42 is an example described so far, and the lower side of FIG. 42 is an example in which it is modified. The latter is a substitute for a spacer by finely processing the lower flat plate (glass) to form a protrusion.

図43の例は、下部平板の、染料がしみ出してきた部位に、放射方向の間隔を少しずつ空けて、多孔質体の繊維を敷いておくものである。染料がしみ出してくると、各繊維に吸着される。後は、その繊維から抽出すれば、目的とする染料を得ることができる。   In the example of FIG. 43, porous fibers are spread on the lower flat plate where the dye has oozed out, with a slight gap in the radial direction. When the dye oozes out, it is adsorbed on each fiber. After that, if it extracts from the fiber, the target dye can be obtained.

本研究ではSDC技術を拡張し、CACの連続化技術を取り入れ、マイクロ空間内の溶離剤流動にせん断力を利用した新規連続クロマト分離装置を開発した。SDC技術に関しては薄層型カラムを用い、せん断力により溶離剤を駆動させている点、CAC技術に関しては取出し口位置の違いにより連続分離する点を考慮した。   In this study, SDC technology was expanded, CAC continuation technology was incorporated, and a new continuous chromatographic separation device using shear force for eluent flow in the micro space was developed. For SDC technology, a thin layer column was used and the eluent was driven by shearing force, and for CAC technology, continuous separation was considered due to the difference in the outlet position.

開発したデバイスのマイクロ空間内での流動に注目して、クエット、ポアズイユ各流れ場における染料混合溶液を用いた回分分離実験を行なった。染料のカラー強度を解析し、理論段高さを算出することで本デバイスのクロマト性能を評価した。また、平板型カラムにおける移動相溶液速度プロファイルのクロマト性能への影響をHETP理論式より算出した理論値と比較して考察した。   Paying attention to the flow of the developed device in the micro space, we conducted batch separation experiments using dye mixed solution in each flow field of Couette and Poiseuille. The chromatographic performance of this device was evaluated by analyzing the color intensity of the dye and calculating the theoretical plate height. In addition, the influence of the mobile phase solution velocity profile on the chromatographic performance in the flat column was compared with the theoretical value calculated from the HETP theoretical formula.

開発したデバイスを用いて染料混合溶液を用いた連続分離を行なった。吸着性の違いにより分離したい成分がそれぞれ異なる軌跡を描きながら装置外周(取出し口)に達する様子を観察し、連続分離装置としての可能性を示した。また、HETP理論式を用いて、試料軌跡を推算し、開発したデバイスの簡易設計法を提案した。   Using the developed device, continuous separation was performed using a dye mixture solution. By observing how the components to be separated reach the outer periphery (outlet) while drawing different trajectories due to the difference in adsorptivity, the possibility of a continuous separation device was demonstrated. In addition, the sample trajectory was estimated using the HETP theoretical formula, and a simple design method for the developed device was proposed.

このように、本発明のマイクロ化学装置(科学装置)は、複数の平行平板を有しており、その平行平板の一つ(板Aとする)は、他の平行平板と平行な面に、少なくとも一つの試料投入口を有している。この試料投入口は、板Aから、板Aと板Bとの間に試料を投入するものである。またその平行平板の別の一つ(板Bとする)は、他の平行平板と平行な面の表面に作用物質を有している。そして、板Bの、作用物質を有する該面が、板Aの、上記試料投入口のある面と向かい合うように、両板A・Bが配置されている。さらに、板Aまたは板Bの少なくとも一つの板が、両板A・B間の間隔を変えずに回転する機能を有している。この回転は、両平板をその平行平板面に垂直に貫く軸の周りの回転である。また、板Aまたは板Bの外周部に、生成物の取出し口を有しているようにすることもできる。また、試料投入口を両面に備える板Aを一つ用意し、二つの板Bの、作用物質を有する各面が、板Aの、試料投入口のある各面と向かい合うように、二つの板Bで一つの板Aを挟んだ構成とすることもできる。   Thus, the microchemical device (scientific device) of the present invention has a plurality of parallel plates, and one of the parallel plates (referred to as plate A) is in a plane parallel to the other parallel plates. At least one sample inlet is provided. This sample insertion port is used to input a sample from the plate A between the plate A and the plate B. Another one of the parallel plates (referred to as plate B) has an active substance on the surface of a plane parallel to the other parallel plates. Both plates A and B are arranged so that the surface of the plate B having the active substance faces the surface of the plate A having the sample inlet. Further, at least one of the plates A and B has a function of rotating without changing the distance between the plates A and B. This rotation is a rotation around an axis that penetrates both flat plates perpendicularly to their parallel flat surfaces. Further, a product outlet may be provided on the outer peripheral portion of the plate A or the plate B. In addition, one plate A having sample inlets on both sides is prepared, and the two plates B are arranged so that each surface having the active substance faces each surface of the plate A having the sample inlets. A configuration in which one plate A is sandwiched by B can also be adopted.

また、本発明のマイクロ化学装置(科学装置)は、平行平板同士の間隙にて試料移動用空間を作り、少なくとも一方の上記平行平板の、上記空間に相対する面に吸着用物質等の作用物質を配し、上記空間内の所定の配置位置に試料を配置するように構成することもできる。このとき、上記平行平板同士を、その間隔を変えることなく相対的に回転させる。この回転は、両平板をその平行平板面に垂直に貫く軸の周りの回転である。そして、上記試料と上記作用物質との分子の親和性の大小等の作用の強さに基づいて決まる拡散速度でもって、上記試料を、上記空間内にて上記配置位置から上記平行平板の回転の放射方向に進行させるとともに、上記平行平板の回転によりせん断流れを発生させて、上記試料を、上記せん断流れによるせん断力駆動によって上記平行平板の回転方向にも進行させるように構成することもできる。   The microchemical apparatus (scientific apparatus) of the present invention creates a space for moving a sample by a gap between parallel plates, and an active substance such as an adsorbing substance on the surface of at least one of the parallel plates facing the space. The sample can be arranged at a predetermined arrangement position in the space. At this time, the parallel flat plates are relatively rotated without changing the interval. This rotation is a rotation around an axis that penetrates both flat plates perpendicularly to their parallel flat surfaces. Then, with the diffusion rate determined based on the strength of the molecular affinity between the sample and the agent, the sample is rotated from the arrangement position in the space to the parallel plate. It is also possible to make the sample proceed in the direction of rotation of the parallel plate by driving the shear force by the shear flow by generating a shear flow by the rotation of the parallel plate while traveling in the radial direction.

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately modified within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.

マイクロ加工技術を用いるマイクロ化学プロセスを行うような用途にも適用できる。   The present invention can also be applied to applications that perform microchemical processes using micromachining technology.

本発明に係るマイクロ化学装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the microchemical apparatus which concerns on this invention. マイクロ化学装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a microchemical apparatus. マイクロ化学装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a microchemical apparatus. マイクロ化学装置の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a microchemical apparatus. マイクロ化学装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a microchemical apparatus. 吸着剤表面における試料供給開始時からの試料の様子を示す図である。It is a figure which shows the mode of the sample from the time of the sample supply start in the adsorbent surface. マイクロ化学装置の構成と座標軸とを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure and coordinate axis of a microchemical apparatus. 図8(a)は分離前、図8(b)は分離後の、それぞれ吸着剤表面における染料の様子を示す図である。FIG. 8A shows the state of the dye on the adsorbent surface before separation and FIG. 8B shows the state after separation. 平板型デバイスの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a flat type device. 平板型デバイスの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a flat type device. 図11(a)は分離前、図11(b)は分離後の、それぞれ吸着剤表面における染料の様子を示す図である。FIG. 11A is a diagram showing the state of the dye on the adsorbent surface before separation and FIG. 11B is the diagram after separation. Yxy表色系を示す図である。It is a figure which shows a Yxy color system. x、yをプロットした結果と基準線とを示す図である。It is a figure which shows the result and the reference line which plotted x and y. 混色のカラー強度分割を示す図である。It is a figure which shows the color intensity division | segmentation of a mixed color. クエット流れ場における回分分離実験後の吸着剤表面画像を示す図である。It is a figure which shows the adsorbent surface image after the batch separation experiment in a Couette flow field. カラー強度をプロットした様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that color intensity was plotted. クエット流れ場における回分分離実験後の吸着剤表面画像を示す図である。It is a figure which shows the adsorbent surface image after the batch separation experiment in a Couette flow field. カラー強度をプロットした様子を示す図である。It is a figure which shows a mode that color intensity was plotted. 想定したカラム形状・速度プロファイルを示す図である。It is a figure which shows the assumed column shape and speed profile. 容量係数を示す図である。It is a figure which shows a capacity | capacitance coefficient. 青色染料の容量係数の算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method of the capacity | capacitance coefficient of a blue dye. 赤色染料の容量係数の算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method of the capacity | capacitance coefficient of red dye. クエット流れ場における回分分離実験結果として、理論段高さを示す図である。It is a figure which shows theoretical plate height as a batch separation experiment result in a Couette flow field. せん断駆動型クロマトグラフィーの分離における理論段高さを示す図である。It is a figure which shows the theoretical plate height in the isolation | separation of a shear drive type chromatography. ポワズイユ流れ場における回分分離実験結果として、理論段高さを示す図である。It is a figure which shows theoretical plate height as a batch-separation experiment result in a Poiseuille flow field. 青色染料について、回分分離実験結果として、理論段高さを示す図である。It is a figure which shows theoretical plate height about a blue dye as a batch separation experiment result. 赤色染料について、回分分離実験結果として、理論段高さを示す図である。It is a figure which shows theoretical plate height as a batch separation experiment result about a red dye. 理論段高さのチャンネル厚さおよび吸着剤膜厚への依存性を示す図である。It is a figure which shows the dependence to the channel thickness and adsorbent film thickness of theoretical height. 連続分離実験後の吸着剤表面画像を示す図である。It is a figure which shows the adsorbent surface image after a continuous separation experiment. 無次元濃度分布を示す図である。It is a figure which shows a dimensionless density distribution. 分子拡散係数を示す図である。It is a figure which shows a molecular diffusion coefficient. 試料軌跡の推算結果を示す図である。It is a figure which shows the estimation result of a sample locus | trajectory. 無次元濃度分布の推算結果を示す図である。It is a figure which shows the estimation result of a dimensionless density distribution. 無次元濃度分布を示す図である。It is a figure which shows a dimensionless density distribution. 試料軌跡を示す図である。It is a figure which shows a sample locus | trajectory. 線上のカラー強度をプロットした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having plotted the color intensity on a line. 連続分離実験後の吸着剤表面画像を示す図である。It is a figure which shows the adsorbent surface image after a continuous separation experiment. 連続分離実験後の吸着剤表面画像を示す図である。It is a figure which shows the adsorbent surface image after a continuous separation experiment. 混合分離モードデバイスの薄膜の配置を示す平面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of the thin film of a mixing separation mode device. 反応分離デバイスの薄膜の配置を示す平面図である。It is a top view which shows arrangement | positioning of the thin film of a reaction separation device. 図41(a)および図41(b)は、デバイスの試料や溶離剤の供給口の配置を示すものであり、図41(a)は回転板の表面の吸着剤膜を示す平面図であり、図41(b)は固定板の構成を示す斜視図である。41 (a) and 41 (b) show the arrangement of the device sample and the eluent supply port, and FIG. 41 (a) is a plan view showing the adsorbent film on the surface of the rotating plate. FIG. 41B is a perspective view showing the configuration of the fixing plate. マイクロ化学装置の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a microchemical apparatus. マイクロ化学装置の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of a microchemical apparatus. 図44(a)および図44(b)は、従来のSDC装置の概略の構成を示すものであり、図44(a)は、チャンネルを示す断面図であり、図44(b)は、溶離剤の流れ方向の構造を示す断面図である。44 (a) and 44 (b) show a schematic configuration of a conventional SDC apparatus, FIG. 44 (a) is a cross-sectional view showing a channel, and FIG. 44 (b) is an elution. It is sectional drawing which shows the structure of the flow direction of an agent. 従来のCAC装置の概略の構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the schematic structure of the conventional CAC apparatus. 移動相型クロマト分離装置における分離の様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mode of isolation | separation in a mobile phase type | mold chromatographic separation apparatus. CAC装置における分離の様子を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the mode of isolation | separation in a CAC apparatus.

Claims (2)

複数の平行平板を有し、当該平行平板の、少なくとも一つの試料投入口を有する板Aと、作用物質を表面に有する板Bとについて、板Bの作用物質を有する面を当該板Aと向かい合わせに配置し、当該板A又はBの少なくとも一つの板を回転させることができる機能を有し、板A又は板Bの外周部に生成物の取出し口を有することを特徴とする科学装置。   A plate A having a plurality of parallel plates and having at least one sample inlet of the parallel plates and a plate B having an active substance on the surface thereof, the surface of the plate B having an active substance faces the plate A. A scientific apparatus having a function of being arranged together and capable of rotating at least one of the plates A or B, and having a product outlet on the outer periphery of the plate A or B. 請求項1に記載の科学装置を用いて、上記試料を相向かい合う上記平行平板に存在させ、当該平行平板同士の一方又は双方を回転させることで生じるせん断応力により当該試料より生じる上記生成物を分離することを特徴とする分離方法。 Separated using scientific apparatus according to claim 1, is present in the phase opposite the parallel plate of the sample, one or the products resulting from the sample by shear stress generated by rotating both of the parallel plates to each other A separation method characterized by:
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