JP4485368B2 - 改善された容量を持つ化学的サプレッサーおよび使用法 - Google Patents

Description

本発明は、化学的抑制デバイスおよび分析すべきイオンに対して反対の電荷を持つ、マトリックスイオンの濃度を減じる方法に関連し、またより詳しくは、イオンクロマトグラフィーサプレッサーの使用、または予備処理デバイスに関するものである。

イオンクロマトグラフィーは、典型的に、電解質を含む溶離液を用いるクロマトグラフィー分離段階および溶離抑制段階を含み、これに続いて、典型的には電気電伝導度検出器による検出工程を含む、イオンを分析するための公知の技術である。このクロマトグラフィー分離段階において、注入されたイオンは、溶離液としての電解液を用いて、分離カラムから溶出される。該抑制段階において、該電解液の電気電伝導度は、抑制されるが、該分離されたイオンの電気伝導度は抑制されず、結果として後者は、導電率セルによって測定することができる。この技術は、米国特許第3,897,213号、同第3,920,397号、同第3,925,019号、および同第3,926,559号に詳しく記載されている。
該電解液の抑制またはストリッピング(抜取り)は、上記従来技術において、イオン交換樹脂床によって説明されている。別の形態のサプレッサーカラムが、米国特許第4,474,664号に記載され、かつ公開されており、そこでは繊維またはシート形状にある、帯電したイオン交換膜が、該樹脂床の代わりに使用されている。該サンプルおよび溶離液は、該膜の一方の側を流動し、該膜の他方の側には再生剤が流され、この膜は、該再生剤を、クロマトグラフィー分離用の該溶離液を分離している。この膜は、これが交換可能なイオンと同一の電荷を持つイオンを通して、該溶離液中の電解質を、僅かにイオン化した形態に転化する。次いで、該イオンが検出される。

もう一つの膜サプレッサーデバイスは、米国特許第4,751,004号に記載されている。そこでは、中空繊維サプレッサーが、ポリマービーズと共に充填され、バンドの広がりを抑制している。このような充填体を、他の形態の膜と共に使用可能であることを示唆している。更に、該繊維サプレッサーの機能は、イオン交換充填体ビーズを使用することにより改善される旨示唆されている。このような粒子が、この改善においてどのように機能するかに関する、理論的考察は示されていない。

もう一つの抑制系が、米国特許第4,459,357号に記載されている。そこでは、クロマトグラフィーカラム由来の流出液は、開放流動チャンネルを通過し、該流動チャンネルの両側は、平坦な膜によって画成される。これら両者の膜の反対側は、開放チャンネルであり、これらを通して再生剤溶液が通される。該繊維サプレッサーを用いた場合と同様に、これら平坦な膜は、該膜が交換可能なイオンと同一の電荷を持つイオンを通す。該流出液チャンネルの反対側における、電極間に電場を印加して、該イオン交換体の移動度を高める。この電気透析膜サプレッサー装置に係る一つの問題は、極めて高い電圧(50-500 V (DC))が必要とされることにある。該液体流は、脱イオン化され、電気抵抗は増大し、実質的な熱の生成をもたらす。このような熱は、効果的な検出にとって有害である。というのは、この熱はノイズを著しく高め、感度を下げるからである。

米国特許第4,403,039号には、もう一つの型の電気透析式サプレッサーが開示されており、そこでは該イオン交換膜は、同心状のチューブ形状にある。該電極の一方は、最も内側のチューブの中心にある。この型のサプレッサーに関する一つの問題は、交換容量が制限されていることにある。電場はイオンの移動度を高めるが、このデバイスは、依然として該バルク溶液中のイオンの、該膜に対する拡散に依存している。

他の型のサプレッサーが、米国特許第4,999,098号に記載されている。この装置において、該サプレッサーは、少なくとも一つの再生剤用の区画およびイオン交換膜シートによって分離されている、一つのクロマトグラフィー流出液用の区画を含む。このシートは、その交換可能なイオンと同一の電荷を持つイオンの、貫膜通過を可能とする。イオン交換スクリーンが、これら再生剤および流出液用の区画において使用されている。該流出液用の区画由来の流れは、分離されたイオン種を検出するための、電気伝導度検出器等の検出器に導かれる。これらのスクリーンは、イオン交換サイトを与え、また該流出液用の流動チャンネルを横切る、サイト-サイト移動路を与えるように機能し、その結果として、抑制容量は、最早、該バルク溶液中のイオンの、該膜に対する拡散によって、制限されることはない。サンドイッチ式サプレッサーも開示されており、これは該第一膜シートに対向する第二の膜シートを含み、また第二の再生剤用の区画を画成する。隔置された電極が開示されており、これらは、該サプレッサーの長さに沿って、2つの再生剤チャンバーと接続されている。これら電極に対して電位を印加することによって、このデバイスの抑制容量における増大が見られる。この特許は、該再生剤流動チャンネル内を流動し、かつ再生剤放出源から供給される、典型的な再生剤溶液(酸または塩基)を開示している。典型的なアニオン分析系においては、水酸化ナトリウムが、電解質発生試薬であり、また硫酸が、該再生剤である。この特許は、また該電気透析モードにおいて、該再生剤溶液に代えて、水が使用可能であることを開示している。

カチオン分析に関連して、一年以上前からディオネックス社(Dionex Corporation)によって市販されている、上記型のサンドイッチ式サプレッサーの一態様においては、該溶離液チャンネルの容量と同様の容量を持つ、スルホン化およびアミノ化スクリーンが、再生剤チャンネル内に設けられている。該スルホン化スクリーンの目的は、溶媒使用条件下での改善された寿命を得ることであった。

米国特許第5,045,204号は、高純度のクロマトグラフィー溶離液(例えば、NaOH)を生成するための、流通式チャンネル内で、2種の流動する溶液を分離するイオン交換膜を使用した、電気透析デバイスを開示している。水を生成物チャンネル内で電解して、該膜を横切って拡散するナトリウムに対する、水酸イオン源を生成する。この特許は、該生成物チャンネル内で発生する、水素ガスを排除する態様を開示している。
米国特許第5,248,426号は、イオンクロマトグラフィー装置における、米国特許第4,999,098号に記載されている、一般的な型のサプレッサーを開示している。そこでは、検出器からの流出液を、サンプル流流動チャンネルに隣接する該サプレッサー内の、流動チャンネルに再循環される。

米国特許第5,597,481号は、サンプルの前処理において使用して、被検体イオンに対して反対の電荷を持つ溶離液中のマトリックスイオンを減じまたは抑制し、次いで導電型にある該被検体を分析する、上記型のサプレッサー型デバイスを開示している。既存のサプレッサーデバイスを使用して、特に溶離液流動チャンネル内の、該被検体のイオン交換体との相互作用および疎水性相互作用は、ある種の被検体、例えばオリゴヌクレオチドおよびオリゴ糖の回収率に影響を与える。回収率を改善するためには、一般に溶媒と組合わせた高濃度の溶離剤が使用される。同様に、該クロマトグラフィーカラム由来の、幾つかの高度に帯電した多機能性の被検体を溶出するためには、通常、高濃度の溶離剤を使用する。しかし、高濃度の溶離剤は、簡単には抑制されない。

米国特許第6,077,434号は、改善された電流効率をもたらす方法および装置を開示している。一態様において、ある電荷を持つ被検体イオンおよびこれと反対の電荷を持つマトリックスイオンを含む水性サンプル流を、サンプル流流動チャンネルに流し、一方で水性流を、第一のイオン交換膜によって、該チャンネルから分離された、イオン受取り流動チャンネルに通し、かつこれらチャンネル間にある電流を流して、該マトリックスイオンの濃度を減じている。該サンプル流流動チャンネルは、該マトリックスイオンを含む上流側サンプル流部分と、該マトリックスイオンが抑制されている、これと隣接する下流側部分とを持つ。該上流側部分は、該下流側部分の電気抵抗の、約0.9倍以下の電気抵抗を持つ。該イオン受取り流動チャンネルは、イオン交換物質の、固定流通式第一充填体を含む。中性のまたは低容量の充填体を、該サンプル流流動チャンネル内に設けることができる。他の態様では、該サンプル流流動チャンネルと隣接する、第二のイオン交換膜が使用され、これはイオン源流動チャンネルを画成し、このチャンネルを介して他の水性流が流動する。該第一の膜は、この第二の膜の正味の電荷の約0.9倍以下の正味の電荷を持つ。他の態様では、該下流側部分は、該上流部分の正味の電荷の約0.9倍以下の正味の電荷を持つ。更なる態様においては、電流を、第一のアンペア数にて、該上流側サンプル流部分とこれと隣接する上流側イオン受取り流部分との間に、第一および第二電極を用いて通じ、また第二の電流を、第二の低いアンペア数にて、該下流側サンプル流部分とこれに隣接する下流側イオン受取り流部分との間に、第三および第四電極を用いて通じる。

サプレッサーの容量を高めるための他の方法および高濃度の溶離液の抑制を可能とするような、サプレッサー状の予備処理デバイスを提供する必要がある。同様に、サンプル調製用途においては、被検体の改善された回収率を持つサプレッサーを手に入れ、また高濃度の溶離液または移動層を抑制することが有用であろう。

本発明の一態様においては、被検体イオンおよび反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を処理するための非-電解型装置を提供する。この装置は、該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通すことのできる第一のイオン交換膜と、サンプル流流動チャンネルと、該サンプル流流動チャンネルの一方の側に隣接し、かつ該第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、第一の水性流イオン受取り流動チャンネルと、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体とを含む。該第一イオン受取りチャンネルは、該マトリックスイオンに対する該第一のイオン交換容量の、約25％未満の該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持つ。該装置は、該サンプル流流動チャンネルと該第一イオン受取り流動チャンネルとの間に、電場を印加するために設けられる電極を含まない。

他の態様では、被検体イオンおよび反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を処理するための装置を含む、クロマトグラフィー用の装置を提供する。該装置は、入口および出口を持ち、該入口が該サンプル流と流体接続状態にある、クロマトグラフィー用の分離器を含む。該処理装置は、該クロマトグラフィー用分離器の上流側または下流側に配置され、かつ該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通すことのできる第一のイオン交換膜と、サンプル流流動チャンネルと、該サンプル流流動チャンネルの一方の側に隣接し、かつ該第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、第一の水性流イオン受取り流動チャンネルとを含む。また、イオン交換物質の固定流通式第一充填体が、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置されており、これは該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ。該第一イオン受取りチャンネルは、該マトリックスイオンに対する該第一のイオン交換容量の、約25％未満の該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持つ。

更に他の態様では、一方の電荷を持つ被検体イオンおよび該被検体イオンに対して反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を処理するための非-電解的方法を提供する。この方法は、該サンプル流をサンプル流流動チャンネルを通して流動させ、かつ同時に該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通し、かつバルク液体の通過を遮断して、該サンプル流流動チャンネルからの流出液内の該マトリックスイオン濃度を減じることのできる第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、イオン受取り流動チャンネルに水性流を通す工程を含み、該サンプル流流動チャンネルは、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体を含む。該イオン受取りチャンネルは、該マトリックスイオンに対する該第一のイオン交換容量の、約25％未満の該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持つ。該サンプル流流動チャンネルと該第一イオン受取り流動チャンネルとの間には、電場は印加されない。

他の態様では、一方の電荷を持つ被検体イオンおよび該被検体イオンに対して反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を、クロマトグラフィー用の分離器を通して流して、該被検体イオンを分離する工程を含む、クロマトグラフィー法を提供する。この方法では、該分離された被検体イオンを含む該サンプル流を、サンプル流流動チャンネルに流し、かつ同時に、該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通し、かつバルク液体の通過を遮断して、該サンプル流流動チャンネルからの流出液内の該マトリックスイオン濃度を減じることのできる第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、イオン受取り流動チャンネルに水性流を通す。該サンプル流流動チャンネルは、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体を含み、該イオン受取りチャンネルは、該マトリックスイオンに対する該第一のイオン交換容量の、約25％未満の、該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持つ。

[好ましい態様の詳細な説明]
本発明の装置は、イオンが専らアニオンまたは専らカチオンである限りにおいて、多数のイオン性被検体を測定するのに有用である。適当なサンプルは、表面水およびその他の液体、例えば工業化学的廃液、体液、飲料、例えば果汁、ワインおよび飲料水を包含する。
本発明は、一方の電荷を持つ被検体イオン、および該被検体イオンに対して反対電荷を持つ、マトリックスイオンを含む水性サンプル流を処理するための方法並びに装置を目的とする。一用途において、この処理は、イオンクロマトグラフィーに関するサプレッサーにおけるものであり、また該マトリックスイオンは、該被検体イオンに対して反対の電荷を持つ溶離液の電解質イオンである。もう一つの用途において、本発明の方法並びに装置は、分析前に、水性サンプル流を予備処理するために利用され、好ましくはクロマトグラフィーカラムによる分離を含む。この例においては、該マトリックスイオンは、典型的には該サンプル流中の高いイオン強度を持つ化合物(例えば、市販の水酸化ナトリウム)であり、これは該サンプルマトリックスイオンによる大きな妨害ピークによって、サンプルピークが曖昧となる可能性がある。このようなマトリックスイオンは、クロマトグラフィーを大幅に変更する。というのは、該サンプルのマトリックスイオンが、主な溶出イオンとなり、一時的に該溶離液の作用を無効にしてしまう程に、高濃度であるからである。予備処理を保証する典型的な最小濃度は、該マトリックスイオンが、該クロマトグラフィー用の溶離液のモルイオン濃度の少なくとも10倍である場合の濃度である。抑制容量における本発明の改良を応用できるこのような装置は、Stillian等の米国特許第5,597,481号に記載されており、これを本発明の参考文献とする。

ここで使用する用語「マトリックスイオン」とは、抑制すべき、または分離後および検出前に、非-妨害濃度レベルまで濃度を減じるべき、クロマトグラフィーで使用される溶離液中の電解質、または分離および/または検出前に、濃度が大幅に低下された、サンプル流中のマトリックスイオンを意味するものとする。何れの場合にも、該マトリックスイオンは、該デバイス内で抑制されるので、「サプレッサー」なる用語は、上位概念的に、イオンクロマトグラフィー用のサプレッサー、および本発明の改良を含む予備処理デバイスを含むものとして使用する。
アニオンの分析に関連して、該マトリックスイオンは、典型的に塩基(例えば、水酸化ナトリウムまたは他のアルカリ金属水酸化物)である。他のマトリックス化合物は、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、水酸化アンモニウム、またはアルキルアンモニウムヒドロキシドを含む。カチオン分析に関連して、該マトリックスイオンは、典型的に酸、例えば通常の無機酸または有機酸(例えば、硫酸、リン酸またはメタンスルホン酸)である。

用語「充填体」とは、該サプレッサーの流動チャンネル内に設けられた、固定流通式固体物質を意味する。これは、スクリーンまたは多孔質一体式マトリックス、樹脂粒子床またはその他の形状のものであり得る。これは、予想されるように、高度にまたは弱く帯電したもの、または中性電荷のものであり得る。この充填体なる用語は、また「ブリッジング手段」とも呼ばれる。

抑制中、被験体流中のマトリックスイオンの電導度およびこれにより発生するノイズは、減じられる。本発明は、上記サプレッサーの容量を高めるのに役立つ。このようなサプレッサーの様々な態様を、ここに記載する。
イオンクロマトグラフィーにおけるこの抑制段階の明確な目的は、該分析流背景の電導度およびノイズを減じ、一方で該被検体の電導度を高め(即ち、そのシグナル/ノイズ比を大きくし)、かつクロマトグラフィー効率を維持することにある。従って、以下のパラメータは、該サプレッサーの性能に影響を持つ：(1) 各デバイスに対する溶離液のμEq/分として測定される、抑制の動的容量、および(2) デバイス当たりのμS/cm単位で測定される、背景の電導度。

一態様において、本発明により高められた容量を持つサプレッサーは、Pohl等の米国特許第4,999,098号に記載されている型の、化学的なまたは電気化学的なサプレッサーを利用する、クロマトグラフィー装置において使用できる。該米国特許を、本発明の参考文献とする。化学的なサプレッサー(即ち、化学的再生剤を使用しており、また電流は適用されず、従って電極を必要としないサプレッサー)が、ここでは好ましい。幾つかの例においては、本発明は、電気化学的なサプレッサーに適用できる。以下本発明を、化学的なサプレッサーが、該クロマトグラフィーカラムと検出器との間に設けられた、イオンクロマトグラフィー装置との関連で説明する。

図1は、本発明を実施するための化学的なサプレッサーを示すものである。上記'098号特許の図1に記載されているように、このサプレッサーは、クロマトグラフィー分離器、典型的にはクロマトグラフィーカラムとしての分離器を含み、クロマトグラフィー分離用の媒体が詰められている、装置内で使用することができる。上記の一態様において、このような媒体は、イオン交換樹脂の形態にある。もう一つの態様において、この分離用媒体は、本質的に永続的に結合したイオン交換サイトを持たない、多孔質疎水性クロマトグラフィー樹脂である。このような他の系は、米国特許第4,265,634号に記載されているような、移動層イオンクロマトグラフィー(MPIC)について使用される。疎水性部分とイオン-交換サイトとを含む、イオン-交換サイト形成化合物は、該カラムに通され、また該樹脂に可逆的に吸着されて、イオン-交換サイトを形成する。
該クロマトグラフィーカラムと直列に配置された該サプレッサーは、該カラム由来の溶出液の電解質の電導度を抑制するが、該分離されたイオンの電導度を抑制する訳ではない。該分離されたイオンの電導度は、通常この抑制過程において、高められる。

更に、上記'098号特許の図1に記載されているように、該サプレッサー由来の流出液は、検出器、好ましくは流通式電導度セルの形状を持つ検出器に導かれ、そこから全ての分離されたイオン種を検出する。適当なサンプルが、サンプル注入バルブを通して供給され、これは、溶離液源または貯蔵槽からポンプ輸送され、次いで該サンプル注入バルブを通して、溶離液として、該装置に通される。このカラムから出てくる該クロマトグラフィー流出液は、該サプレッサーに導かれ、そこで該電解質は、僅かに導電性の形態に転化される。次いで、分離されたイオン種を含む該クロマトグラフィー流出液は、該サプレッサーによって処理され、該電導度セルに通される。該電導度セルにおいて、イオン種の存在は、イオン性物質の量に比例する電気シグナルを発生する。このようなシグナルは、典型的にはセル12から、図示されていない電導度計に送られ、かくして分離されたイオン種の濃度の決定が可能となる。

本発明の図1を参照すると、サンドイッチ膜サプレッサーデバイスとしての、デバイスが模式的に示されており、このデバイスは、両側においてイオン-交換膜によって画成された、中央部のサンプル流流動チャンネルを含み、該イオン-交換膜の外側は、イオン受取り流動チャンネルである。化学的サンドイッチサプレッサーの特定の構造は、上記'098号特許の図2および3に示されている型のものであり得るが、好ましくは電極を含まないものである。一態様において、このデバイスは、サンプル流区画として、サンプル流流動チャンネルを画成し、中央の空洞を画成する、サンプル流ガスケットによって部分的に結合された手段を含む。この空洞の死空間を最小化するためには、該流動チャンネルの両端を、ピークまたはV-字型に形成することが好ましい。サンプル流スクリーンとしての、固定流通式充填体、好ましくはブリッジング手段を、この空洞内に設けることができる。イオン-交換膜シートは、該サンプル流スクリーンの反対側に沿って拡がるように取り付けられ、またガスケットと共に、該サンプル流流動チャンネルの外周部を画成する。外部支持ブロックは、剛性の非-導電性材料、例えばポリメチルメタクリレート、またはポリエーテル-エーテルケトン(PEEK)として与えることができ、またこのデバイスの、残りの膜に関する構造上の支持体を与えるように機能し得る。

このイオン-交換膜シートは、上記'098号特許に記載されたような型のものであり得る。特に、このようなシートは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン-ビニルアセテートを主成分とする基板を持つ、カチオン-交換またはアニオン-交換膜であり得る。他の適当な基板は、ポリ塩化ビニルまたはポリフルオロカーボンを主成分とする材料を含む。該基板ポリマーは、溶媒および酸または塩基に対して耐性である。このような基板は、後の機能性付与のために、まず適当なモノマーでグラフトされる。使用可能なモノマーは、スチレンおよびアルキルスチレン、例えば4-メチルスチレン、ビニルベンジルクロリドまたはビニルスルホネート、ビニルピリジンおよびアルキルビニルピリジンを包含する。一例として、カチオン-交換膜を生成するためには、スチレンモノマーをグラフトしたシートを、クロロスルホン酸、硫酸または他のSO₂またはSO₃源によって、適宜官能化する。アニオン-交換膜を生成するためには、ビニルベンジルクロリドモノマーでグラフトしたシートを、アルキルt-アミン、例えばトリメチルアミンまたはt-アルカノールアミン、例えばジメチルエタノールアミンにより、官能化する。特に効果的な膜は、乾燥した際に、厚みが約0.0254mm(10ミル)以下、好ましくは約0.0504mm〜0.127mm(2-5ミル)のものである。上記型の適当なポリエチレン基板を持つ膜は、NY州、ハウパウジ(Hauppauge)のRAIリサーチ社(RAI Research Corp.)によって与えられる(名称R5010(厚み0.203mm(0.008インチ)の下で与えられるカチオン-交換膜および名称R4015(約0.102mm(0.004インチ)の下で与えられるアニオン-交換膜)によって与えられる。フルオロカーボンを主成分とする、同一の会社によって供給されている他のカチオン交換膜は、R1010(約0.051mm(0.002インチ)なる厚み)およびR4010(約0.102mm(0.004インチ)なる厚み)を含む。

平坦なシートサプレッサーに関連して、該充填体の一態様は、連続部分を含み、これらは該流動チャンネルの実質的に全距離渡って伸びており、該部分は、該流動チャンネルを、流動のために利用し、かつ横切る。上記'098号特許の図6に示された別の態様では、唯一つの膜のみを使用しており、この膜は、イオン受取り流動チャンネルを、サンプル流流動チャンネル31から分離している。この充填体を使用する場合、これは、好ましくは該流動チャンネル内の、連続式の複雑な流通式通路を画成し、該チャンネル内で、該充填体は、実質的に該膜の全長に渡り配置されている。これは乱流を生成し、結果的に以下に説明するように、混合効率および該膜を横切る該イオンの移動効率を高める。この充填体の物理的な形状は、好ましくはスクリーンである。

本発明の図1は、化学的モードで使用されるサプレッサーの模式的な図である。このデバイスの全体的な構成は、再生剤流動チャンネルにおける該充填体のイオン交換容量を除けば、ディオネックス社によって市販されている、市場で入手できるAMMS^TMまたはCMMS^TMサプレッサーと同一であり得る。図1を、まず市販のアニオン膜サプレッサー、例えば商標AMMS^TMの下で、ディオネックス社によって市販されているサプレッサーとの関連で説明する。一般的に言えば、このデバイスは、被検体イオンと、これと反対電荷を持つマトリックスイオンとを含有する水性流を処理するために利用できる。Na⁺A^-塩におけるA^-として図1に示されたアニオンを分析するために、該デバイス10は、該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通すことのできる、例えば水酸化ナトリウム溶離剤を想定した場合に、ナトリウムイオンを通すことのできるカチオン交換膜14および16によって、流動路に沿って両側で結合している溶離液流動チャンネル12を含む。サンプル流動チャンネルとも呼ばれる、溶離液流動チャンネル12は、膜14および16と同一の電荷、即ちアニオンの分析に対する正の電荷を持つイオン-交換物質の、固定流通式第一充填体18を含む。この流通式充填体の機能は、上記のようなものである。再生剤、即ち夫々イオン受取り流動チャンネル20および22は、流動チャンネル12に対して、夫々膜14および16の反対側に配置されている。流動チャンネル20および22における低イオン-交換容量またはそこに容量がないことにより、以下に記載するように、本発明のサプレッサーに対して、高い電流容量がもたらされる。充填体が存在する態様における、充填体24および26は、夫々流動チャンネル20および22内に設けられている。

上に示したように、本発明のこの装置は、クロマトグラフィーにより分離する前に、水性流を予備処理するための装置を用いる際に適用でき、また該クロマトグラフィーカラムから下流側の、イオン-交換クロマトグラフィーにおける、サプレッサーとして使用する。従って、本発明の説明は、一般的な用語で、デバイス10の溶離液流動チャンネル12に言及する場合、これは互換的に溶離液流動チャンネルまたはサンプル流動チャンネルを言及するものであり、また該再生剤流動チャンネル20および22も、イオン受取り流動チャンネルを言及するものとする。これは、デバイス10が、予備処理デバイスまたはサプレッサーの何れとして使用されるかに応じて、該被検体に対して反対の電荷を持つ該マトリックスイオンが、該イオン受取り流動チャンネル20および22に流入するからである。

再度図1を参照すると、ディオネックス社のAMMS^TMデバイスの流動パターンおよびその構成、並びに本発明の流動パターンおよび構成は、同一である。従って、一形態において、このデバイスは、高い容量を持つカチオン交換充填体18、例えば米国特許第4,998,098号に記載されているように、該溶離液流動チャンネル内のカチオンスクリーンを含む。サプレッサーとして作用する場合、サンプル内の、溶離液由来のカチオンは、膜14および16を横切って駆逐され、外部の化学的な貯蔵槽から供給されるヒドロニウムイオンと交換される。図1は、サプレッサーとしてのデバイス10を示す。ここでは、NaOHが、溶離液として使用され、従って該サンプル流流動チャンネル内の被検体イオンA^-は、ナトリウムイオンとの塩の状態(Na⁺A^-)にある。例示された化学的再生剤は、硫酸等の強酸であり、これは該イオン受取りチャンネル22および24内を、該溶離液と向流式に流動する。該ナトリウムイオンは、イオン受取りチャンネル内に流れ込んで、例えばNaHSO₄なる塩を形成する。該被検体イオンA^-は、その酸形態：H⁺A^-にてデバイス10を出て、図示されていない、典型的にはイオン電導度検出器等の検出器まで流動する。該イオン受取りチャンネルにおける充填体のイオン-交換容量を除き、このような化学的再生剤系は、米国特許第4,999,098号等の従来技術に記載されている。

上記のように、デバイス10は、一方の電荷を持つ被検体と、該被検体イオンに対する反対電荷を持つマトリックスイオンとを含む水性流を処理するのに利用できる。このサンプル流は、該サンプル流流動チャンネルを流通し、一方、該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンを通すことができ、かつバルク液体流を遮断することができるイオン-交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離された、少なくとも一つのイオン受取り流動チャンネルを、水性流が流通する。例示の如く、このデバイスは、平坦なサンドイッチ形状を持つ。しかし、本発明は、また単一のイオン受取りチャンネルまたは管状形状を持つ単一の膜を含むデバイスに適用することも可能である。また、このデバイスは、該サンプル流流動チャンネルと該イオン受取り流動チャンネルとの間で、向流を用いるものとして例示されている。あるいはまた、この流動は、順流であり得る。

本発明のデバイス10は、該サンプル流流動チャンネル12におけるよりも、該イオン受取りチャンネル20および22におけるマトリックスイオンに対して、実質的に低いイオン-交換能を持つ。従って、本発明によれば、該イオン受取りチャンネルにおけるマトリックスイオンに対するイオン-交換容量は、該サンプル流流動チャンネルにおける該容量の約25％未満、好ましくは20％、15％、10％、5％未満またはそれ以下であり、また本質的に容量を持たないものであり得る。該イオン受取り流動チャンネルにおける「イオン-交換容量」なる用語は、このようなチャンネルに除去すべきイオンが存在する場合には、該イオンに対する充填体の容量を意味する。即ち、一態様においては、該イオン受取り流動チャンネルにおける、マトリックスイオンに対するイオン-交換容量は存在しない。これは、該イオン受取りチャンネルにおいて、充填体を持たないことによって、あるいは中性のスクリーンまたは中性の充填粒子ビーズの使用によって、もしくは該イオン受取り流動チャンネルにおける除去すべきイオンに対してのみ反対の官能性を持つ、イオン-交換スクリーンまたは樹脂を使用することにより達成できた。ここでは、該イオン受取り流動チャンネルは、該マトリックスイオンに対するイオン-交換容量を実質的に持たない。

該サンプル流流動チャンネルにおける該マトリックスイオンに対する該イオン交換容量は、典型的には、ディオネックス社によりAMMS^TMなる商標の下で市販されている型の、膜サプレッサーの溶離液流動チャンネルに対して使用されているような、また米国特許第4,999,098号に記載されているようなものである。該サンプル流流動チャンネルにおけるイオン交換容量の適当な範囲は、0.01〜5 meq/gm、好ましくは0.05〜1 meq/gm、およびより好ましくは0.1〜0.3 meq/gmである。該サンプル流流動チャンネルにおけるこのイオン交換容量は、該再生剤が消費される場合に特に有利である。このことは、該デバイスが、有意な静的容量を持ち、結果として該抑制過程が、しばらくは停止することなく継続されることを可能ならしめる。

該イオン受取り流動チャンネルにおける該マトリックスイオン(アニオン分析に関するカチオン)に対して極めて低い容量を持つまたは容量を持たない、充填体を用いる上記態様において、該除去されるカチオン、例えばNa⁺は、このような流動チャンネルにおける再生剤スクリーンにより、実質的に保持されない。この保持能力を持たないことの利点は、該除去されるカチオンが、迅速に平衡化され、該カチオンが該サプレッサーデバイスから速やかに除去され、かつ抑制容量が改善されることである。また、該中性機能をもつスクリーンの制作費が安いので、このデバイスのコストは、下げられる。更に、無機能化された中性の物質は、溶媒の存在下で、低い膨潤性を持ち、また溶媒に対してより高い相溶性を持つ。これは、溶媒の存在下における背圧を減じ、従って該再生剤溶液を該再生剤流動チャンネルに分配するに必要な圧力を低下する。
この中性のスクリーンに代わるものとして、該マトリックスイオンに対する低いイオン-交換能を持つように、僅かに官能化された充填体を使用することができ、そのイオン-交換能は、好ましくは該サンプル流流動チャンネルにおけるイオン-交換充填体の該容量の、上記割合よりも低い。

もう一つの態様において、該マトリックスイオン受取りチャンネルは、該マトリックスイオンに対して反対電荷を持つ充填体を含む。従って、溶離剤がNaOHである場合のアニオン分析については、アミノ化された再生剤を、このマトリックスイオン受取りチャンネルにおいて使用できる。このような充填体の容量は、好ましくは該除去されるカチオンに対して比較的低く、例えば0.01〜0.1 meq/gm、好ましくは0.0〜0.02 meq/gmである。これは、該除去されるイオンを実質的に保持せず、高い抑制容量をもたらす可能性がある。というのは、該イオンが、該再生剤チャンネルおよび該サプレッサーデバイスから迅速に除去されるからである。

上記装置は、アニオン分析に関連して説明されたが、該膜および試薬の極性を逆転させて、カチオン分析に応用することも可能である。
上記装置では、好ましい流通式イオン-交換充填体として、イオン-交換スクリーンを例示した。しかし、他のイオン-交換充填体を、該サンドイッチサプレッサーまたは他の比較的平坦なサプレッサーに対して、使用可能であることを理解すべきである。例えば、イオン-交換体または中性粒子を、この目的で該再生剤流動チャンネル内に詰めることができる。ここでは、該デバイス内に該イオン交換体粒子を維持するための、何等かの手段を含むことが好ましく、使用する樹脂よりも小さな孔を持つ多孔質ポリマー担体、例えばジェネラルポリメリック(General Polymeric)社から入手できる焼結ポリエチレンを使用する。
本発明の管状のサプレッサーを使用することも可能であり、これについては、米国特許第4,999,098号に記載されているが、好ましくは化学的モードで使用する。

本発明を例示するために、化学的なモードで実施する、以下のような実施例を提供する。
実施例1
ディオネックス社製の標準的なAMMS IIIサプレッサーの、動的容量による性能を、本発明のデバイスの性能と比較した。本発明のデバイスは、該機能化されたカチオン交換再生剤スクリーンの代わりに、中性の再生剤スクリーンを取付け、また標準的なAMMS IIIサプレッサー部品を使用することによって組立てた。ディオネックス社製のDX500イオンクロマトグラフィー装置を、このテストのために使用した。該動的抑制容量を、1ml/分にて、様々な濃度のNaOH溶液を、公知の比例ポンプにより輸送して、測定した。該再生剤は100mNの硫酸溶液であり、これは10ml/分にてポンプ輸送した(公知の化学的抑制モード)。
結果：該標準的AMMS IIIサプレッサーの動的容量は、測定の結果、170ueqv/分であった。本発明のデバイスは、210ueqv/分なる動的容量を示し、これは容量における23％の増大に相当した。従って、該再生剤チャンバー中の溶離剤カチオンの残留分の除去は、本発明による改善された操作容量をもたらす。

実施例2
実験的な組立ては、該再生剤が150mNの硫酸であり、またこれを米国特許第6,436,719号に記載の置換化学再生法を利用して分配した点を除き、実施例1と同様であった。
結果：標準的なサプレッサーに関する、これら条件下での動的容量は、70ueqv/分であった。他方、本発明のデバイスは、90ueqv/分なる動的容量を示した。本発明により、容量における29％の増大が観測された。

実施例3
ディオネックス社製の標準的なCMMS IIIサプレッサーの、動的容量による性能を、本発明のデバイスの性能と比較した。本発明のデバイスは、該機能化された再生剤スクリーンの代わりに、中性の再生剤スクリーンを取付け、また標準的なCMMS IIIサプレッサー部品を使用することによって組立てた。DX500イオンクロマトグラフィー装置を、このテストのために使用した。1ml/分にて、様々な濃度のMSAを、公知の比例ポンプにより輸送して、該動的抑制容量を測定した。該再生剤は100mNの水酸化テトラブチルアンモニウム塩基溶液であり、これを10ml/分にてポンプ輸送した(公知の化学的抑制モード)。該標準的CMMS IIIサプレッサーの動的容量は、測定の結果、65ueqv/分であった。
結果：本発明のデバイスは、100ueqv/分なる動的容量を示したが、これは容量における53％の増大に相当した。従って、本発明による該再生剤チャンバー中の該アニオンの残留分の除去は、改善された操作容量をもたらす。

実施例4
実験的な組立ては、該再生剤を米国特許第6,436,719号に記載の置換化学再生法を利用して分配した点を除き、実施例3と同様であった。
結果：標準的なサプレッサーに関する、これら条件下での動的容量は、35ueqv/分であった。他方、本発明のデバイスは、55ueqv/分なる動的容量を示した。本発明により、容量における57％の増大が観測された。

実施例5
0.3meqv/gmなる容量を持つ該標準的な再生剤スクリーンに代えて、0.01meqv/gmなるカチオン交換容量を持つ、カチオン交換体を主成分とする、僅かに官能化された再生剤スクリーンを用いて、AMMS IIIサプレッサーを組立てた。実施例1において大まかに述べた条件下で、動的容量に関するテストを行った場合、このデバイスは、実施例1のデバイスと同様の性能を示した。

実施例6
上記2つの再生剤チャンバーにおける、標準的なカチオン交換体を主成分とする、スルホン化スクリーンに代えて、アニオン交換体を主成分とする、アミノ化された再生剤スクリーンを用いて、AMMS IIIサプレッサーを組立てた。実施例1において大まかに述べた条件下で、このサプレッサーをテストした。この装置も、実施例1のデバイスと同様の性能を示した。

本発明によるサプレッサーの模式的な図である。

符号の説明

１０・・・サプレッサーデバイス；
１２・・・溶離液流動チャンネル；
１４、１６・・・膜；
１８・・・固定流通式第一充填体；
２０、２２・・・流動チャンネル；
２４、２６・・・充填体

Claims (9)

1. 被検体イオンおよび反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を処理するための非-電解型装置であって、
   (i) 該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通すことのできる第一のイオン交換膜と、(ii) サンプル流流動チャンネルと、(iii) 該サンプル流流動チャンネルの一方の側に隣接し、かつ該第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、第一の水性流イオン受取り流動チャンネルと、(iv) 該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体とを含み、
   該イオン受取り流動チャンネルは、配置された該第一イオン交換充填体に対して反対電荷の流通式第二イオン交換充填体を含み、
   該装置は、該サンプル流流動チャンネルと該第一イオン受取り流動チャンネルとの間に、電場を印加するために設けられる電極を含まないことを特徴とする、上記非-電解型装置。
2. 該第一イオン受取り流動チャンネルが、実質的に該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持たない、請求項1記載の装置。
3. 更に、該第一イオン受取り流動チャンネル内に、中性の流通式充填体をも含む、請求項1記載の装置。
4. 更に、該サンプル流流動チャンネルの入口と流体接続状態にあるクロマトグラフィー分離器および該サンプル流動チャンネルの出口と流体接続状態にある、該被検体イオン用の検出器とを含む、イオンクロマトグラフィー装置における、請求項1記載の装置。
5. 一方の電荷を持つ被検体イオンおよび該被検体イオンに対して反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を処理するための非-電解的方法であって、
   (i) 該サンプル流をサンプル流流動チャンネルを通して流動させ、
   かつ同時に(ii) 該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通し、かつバルク液体の通過を遮断して、該サンプル流流動チャンネルからの流出液内の該マトリックスイオン濃度を減じることのできる第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、イオン受取り流動チャンネルに水性流を通す、
   工程を含み、
   該サンプル流流動チャンネルは、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体を含み、
   該イオン受取り流動チャンネルは、配置された該第一イオン交換充填体に対して反対電荷の流通式第二イオン交換充填体を含み、
   該サンプル流流動チャンネルと該第一イオン受取り流動チャンネルとの間には、電場が印加されないことを特徴とする、上記非-電解的方法。
6. 該第一イオン受取り流動チャンネルが、該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を実質的に持たない、請求項5記載の方法。
7. 更に、(iii)該水性サンプル流を、クロマトグラフィー用分離器に通して、該サンプル流を、該サンプル流流動チャンネルに通す前に、該被検体イオンを分離し、次いで該分離された被検体イオンを検出する工程をも含む、請求項5記載の方法。
8. (i) 一方の電荷を持つ被検体イオンおよび該被検体イオンに対して反対電荷を持つマトリックスイオンを含む、水性サンプル流を、クロマトグラフィー用の分離器を通して流して、該被検体イオンを分離し、(ii) 該分離された被検体イオンを含む該サンプル流を、サンプル流流動チャンネルに流し、かつ同時に、(iii)該被検体イオンに対して反対電荷を持つイオンのみを通し、かつバルク液体の通過を遮断して、該サンプル流流動チャンネルからの流出液内の該マトリックスイオン濃度を減じることのできる第一のイオン交換膜によって、該サンプル流流動チャンネルから分離されている、イオン受取り流動チャンネルに水性流を通す、
   工程を含み、
   該サンプル流流動チャンネルは、該第一の膜と同一の電荷を持つ、該サンプル流流動チャンネル内に配置され、該マトリックスイオンに対して第一のイオン交換容量を持つ、イオン交換物質の固定流通式第一充填体を含み、
   該イオン受取り流動チャンネルは、配置された該第一イオン交換充填体に対して反対電荷の流通式第二イオン交換充填体を含むことを特徴とする、クロマトグラフィー法。
9. 該第一イオン受取り流動チャンネルが、実質的に該マトリックスイオンに対するイオン交換容量を持たない、請求項8記載の方法。

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