JP4733314B2 - ガスクロマトグラフ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスクロマトグラフに関し、特に小型・可搬化が可能なガスクロマトグラフに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ガスクロマトグラフィーは、ガス中の成分の定性・定量分析に広く用いられており、これは試料ガスをキャリアガスと共に、充填材が充填されている分離カラム１に導入し、試料ガス中に含まれる成分が分離カラム１中の充填材との相互作用によるリテンションタイム差により分離され、この分離されたガス中成分を分離カラム１から導出し、熱伝導度検出器（ＴＣＤ）や水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）等の検出器１４にて検出することにより、クロマトグラムが得られるものである。
【０００３】
このとき、分離カラム１におけるガス中成分のリテンションタイムは温度に依存するため、分離カラム１は恒温槽３０に配置されて一定温度に加熱保持され、これにより分離カラム１中でのガス中成分のリテンションタイムを一定に保って、正確な測定が行われるようにしている。
【０００４】
図８はこのような従来のガスクロマトグラフの一例を示すものであり、ガスボンベ７から供給されるキャリアガスが流量切替器９にて流量調整された後に、流量計１０にて流量を検出し、更に試料ガス供給口１１から導入される試料ガスと混合され、分離カラム１に導入される。分離カラム１は恒温槽３０内に配設されており、一定温度に加熱保持されている。そして分離カラム１から導出されたガスは検出器１４にて検出されて、クロマトグラムが得られる。
【０００５】
上記の恒温槽３０は、ハウジング内にヒータ３１とファン３２とを設け、更にこのハウジングに開口量が調整可能な吸気口３３及び排気口３４とを設けて構成されるものであり、分離カラム１を加熱昇温する場合にはヒータ３１に対して通電すると共にファン３２を回転させてヒータ３１により加熱された空気を分離カラム１に送り、ヒータ３１への通電量や吸気口３３と排気口３４の開口量を調整することにより温度調整を行うものである。また分離カラム１の冷却時には吸気口３３と排気口３４の開口量を最大にしてファン３２を回転させ、恒温槽３０内に外気を流通させるものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のガスクロマトグラフでは、分離カラム１を一定温度に加熱保持するため上記のような恒温槽３０が設けられており、このような構成の恒温槽３０は小型化が困難であって、装置全体も大型化してしまうものであった。
【０００７】
一方、医療分野における呼気中の成分の分析による疾病の発見や治療効果の確認のために、ガスクロマトグラフィーの導入が検討されており、このため小型化・可搬化が可能なガスクロマトグラフが要望されている。
【０００８】
本発明は上記の点に鑑みて為されたものであり、小型化・可搬化が可能なガスクロマトグラフを提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係るガスクロマトグラフは、試料ガスがキャリアガスと混合されて分離カラム１に導入され、分離カラム１から導出されたガス中成分を検出手段にて検出するガスクロマトグラフにおいて、分離カラム１の外面にラバーヒータ２を密接して配設することにより分離カラム１を一定温度に加熱保持する加熱手段を構成して成ることを特徴とするものである。
【００１０】
また請求項１の発明は、分離カラム１を樹脂成形品にて形成し、分離カラム１の外面に金属被覆５を設けて、ラバーヒータ２をこの金属被覆５の外面に密接して配設して成ることを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項２の発明は、請求項１において、分離カラム１の近傍に冷却用ファン１２を配設して成ることを特徴とするものである。
【００１２】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、分離カラム１にキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段として外気を分離カラム１に送出するエアーポンプ１７と分離カラム１に送出する前の外気を清浄化する浄化フィルタ２０とを配設し、検出手段として半導体ガスセンサを配設して成ることを特徴とするものである。
【００１３】
また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、キャリアガスの分離カラム１への供給量を調節する流量切替器９を具備して成ることを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、呼気中の成分検出用として形成されていることを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１６】
図４はガスクロマトグラフの装置構成の概略を示すものであり、図７はガスクロマトグラフの外観を示す。
【００１７】
このガスクロマトグラフは装置本体６に、測定対象である試料ガスや検出器１４の構成等に応じた水素ガス、ヘリウムガス等の適宜のキャリアガスが充填されたガスボンベ７が装置本体６に接続されている。装置本体６内にはガスボンベ７から供給されたキャリアガスが流通するガス流路８の上流側から下流側に沿って、流量切替器９、流量計１０、試料ガス供給口１１、分離カラム１、検出器１４が順次設けられている。また装置本体６には、装置本体６の動作設定や装置本体６における検出結果の解析等を行う制御部１５と、制御部１５における動作設定や検出結果、その解析結果等を表示する表示部１６とが接続されている。制御部１５及び表示部１６は図７に示すようにパーソナルコンピュータ２４にて構成することができ、装置本体６とパーソナルコンピュータ２４とはケーブル２９にて接続されている。
【００１８】
また図７に示すように、装置本体６のハウジングには、電源スイッチ２６、分離カラム１の加熱保持温度を設定するカラム加熱温度調整盤２７、流量切替器９におけるキャリアガスの流量を設定するキャリアガス流量切替スイッチ２８、測定動作の開始を設定する動作開始スイッチ２５等が設けられており、また試料ガス供給口１１もハウジングの外面に開口して設けられている。
【００１９】
このような装置構成において、本発明では図１に示すように、分離カラム１の外面にラバーヒータ２を密接して配設している。分離カラム１はステンレス、銅等の熱伝導性の高い金属にて中空筒状に形成されており、内部には固定相となる充填材が充填される。充填材は検出対象の試料ガスやキャリアガスの種類に応じた適宜のものが用いられる。ラバーヒータ２はシリコーンラバーシート等の絶縁性ラバーにて抵抗体３を絶縁したフレキシブルなヒータであり、抵抗体３が分離カラム１の外周面に一端側から他端側に亘って螺旋状に周回するようにして、分離カラム１の外面に密着して配設される。また、この分離カラム１には熱電対からなる温度センサ４が設けられており、この熱電対はポリフッ化エチレン樹脂（テフロン（Ｒ）等）やガラスウール等の絶縁材にて絶縁被覆された状態で分離カラム１の外面に配設され、この温度センサ４にて分離カラム１の温度を検知するようにしている。
【００２０】
また図２に示すように、分離カラム１をポリフッ化エチレン樹脂（テフロン（Ｒ）等）等の樹脂成形体にて形成し、その外面に銅箔、銅管等からなる金属被覆５を形成しても良い。このとき、ラバーヒータ２は抵抗体３が金属被覆５の外周面に分離カラム１の一端側から他端側に亘って螺旋状に周回するようにして、分離カラム１の金属被覆５の外面に密着して配設される。また、この分離カラム１には熱電対からなる温度センサ４が設けられており、この熱電対はポリフッ化エチレン樹脂（テフロン（Ｒ）等）等の絶縁材にて絶縁被覆された状態で分離カラム１の金属被覆５の外面に配設され、この温度センサ４にて分離カラム１の温度を検知するようにしている。
【００２１】
このような分離カラム１の近傍には冷却用のファン１２が配設される。このファン１２は分離カラム１に向けて送風を行うように配設されている。
【００２２】
また装置本体６内にはカラム加熱温度調整盤２７における設定動作に従って動作する温度制御器１３が設けられており、上記の温度センサ４による検知結果は温度制御器１３に入力され、またラバーヒータ２における通電量や、冷却用ファン１２の駆動は、温度センサ４による検知結果に基づいて温度制御器１３にて制御される。
【００２３】
また、分離カラム１は図１，２に示すような直線状のものだけでなく、図３（ａ）に示すようなＵ字状や、図３（ｂ）に示すような螺旋状に形成することもでき、この場合は装置中の分離カラム１の占有容積を低減することができて装置の更なる小型化が図れる。
【００２４】
この図４に示されるガスクロマトグラフを用い、電源スイッチ２６を操作してガスクロマトグラフを起動し、動作開始スイッチ２５を操作して測定動作の開始を設定し、ガスボンベ７からガス流路８内にキャリアガスを供給すると共に試料ガス供給口１１から試料ガスを導入すると、ガス流路８に供給されたキャリアガスの流量が流量切替器９にて調整され、流量計１０による検知によりキャリアガスの流通とその流量が確認された後に、試料ガス供給口１１から供給された試料ガスがキャリアガスと混合される。この混合ガスは分離カラム１に導入されて、分離カラム１内部の固定相を通過することにより固定相との相互作用によってガス中成分が分離されて、分離カラム１から導出される。次いで、分離カラム１から導出されたガス中成分が検出器１４にて検出され、この検出情報が制御部１５に入力されて解析され、クロマトグラムが得られるものであり、またこの検出結果が表示部１６にて表示されるものである。
【００２５】
この測定動作中においては、分離カラム１は温度制御器１３による制御により、カラム加熱温度調整盤２７にて設定された所定の温度となるようにラバーヒータ２への通電がなされて、加熱される。このとき温度制御器１３は温度センサ４による検知結果を基にして、ラバーヒータ２への通電量を制御し、また必要に応じてファン１２を駆動することにより、分離カラム１を所定の温度に加熱保持する。このため、分離カラム１におけるガス中成分のリテンションタイムを一定に保って、正確な測定が行われる。
【００２６】
このとき、分離カラム１の加熱を上記のようなラバーヒータ２にて行うようにしたことから、分離カラム１を加熱保持するために従来における恒温槽３０のような大がかりな装置構成が必要とされなくなり、分離カラム１を一定温度に加熱保持するための加熱手段の構成を小型化して、装置全体の小型化・可搬化が可能となるものである。
【００２７】
また、ラバーヒータ２が加熱対象である分離カラム１に直接接触していることから分離カラム１の加熱効率が非常に高くなるものであり、特に図１に示す例では分離カラム１が熱伝導性の良い金属材等で構成され、また図２に示す例では分離カラム１は樹脂成形体から構成されているが熱伝導性の高い金属被覆５が形成されていることから、加熱効率が更に高くなると共に分離カラム１全体が均一に加熱されるものである。このため例えば分離カラム１の室温から１００℃までの加熱を３０秒程度の短時間で行うようにすることが可能となり、装置の起動後に速やかにガス分析が行えるものである。
【００２８】
更には、分離カラム１の冷却はファン１２を駆動させて分離カラム１に向けて送風を行うことにより速やかに行われるものであり、例えば分離カラム１の１００℃から５０℃までの冷却を３０秒程度の短時間で行うようにすることが可能となるものである。
【００２９】
このように構成されるガスクロマトグラフにおいては、流量切替器９として、図６に示すような電磁弁２１から構成されるものを用いることができる。この流量切替器９においては、ガス流路８は二つの分岐流路２３ａ，２３ｂに分岐されており、その分岐点には、キャリアガス流量切替スイッチ２８による設定操作に従ってガスの流通方向を切り替えていずれか一方のみの分岐流路２３ａ，２３ｂに流通させる電磁弁２１が設けられている。この分岐流路２３ａ，２３ｂは下流側において合流して流量切替器９から導出されている。流量切替器９の各分岐流路２３ａ，２３ｂには分岐流路２３ａ，２３ｂを流通するガス流量を所定の一定流量に調節する定流量弁等からなる流量調整器２２ａ，２２ｂが設けられており、このとき一方の流量調整器２２ａにて調整されるガス流量は、他方の流量調整器２２ｂにて調整されるガス流量よりも小さくなるようにして、各流量調整器２２ａ，２２ｂではガス流量は互いに異なる流量に調整されるようにする。
【００３０】
このような流量切替器９を設けることにより、キャリアガスの流量を切り替えて、分離カラム１におけるガス中成分のリテンションタイムを変動させることができる。このため、電磁弁２１を切り替えてガス流量をより小さな値に調節する流量調整器２２ａが設けられている分岐流路２３ａにキャリアガスを流通させると、分離カラム１におけるガス中成分のリテンションタイムが大きくなってリテンションタイム差が大きくなり、ガス中成分の測定精度を向上することができる。また電磁弁２１を切り替えてガス流量をより大きな値に調節する流量調整器２２ｂが設けられている分岐流路２３ｂにキャリアガスを流通させると、分離カラム１におけるガス中成分のリテンションタイムが短縮されて、ガス中成分の測定に要する時間を短縮することができるものである。
【００３１】
また、検出器１４は、一般的なガスクロマトグラフィーにて用いられる熱伝導度検出器（ＴＣＤ）や水素炎イオン化検出器（ＦＩＤ）等の適宜のものを採用することができる。
【００３２】
更に、検出器１４としては、感ガス体として金属酸化物等のセラミックからなる半導体素子を有し、この半導体素子のガス吸着による電気伝導度変化を検出して特定のガス中成分を測定する半導体ガスセンサにて構成されるものを配設することもできる。このような半導体ガスセンサは特定の官能基を有する成分を検知するなどのように複数種のガス中成分に感応するものが多く、試料ガス中にこのような半導体ガスセンサに感応するガス中成分が複数種存在する場合には、分離カラム１を通過したガスを検知することにより、分離された各ガス中成分ごとの測定を行うことができる。
【００３３】
また検出器１４としてこのような半導体ガスセンサから構成されるものを設ける場合にはキャリアガスとして空気を用いることが可能となり、このためガスボンベ７からキャリアガスを供給する必要がなくなるものである。
【００３４】
図５に、検出器１４として半導体ガスセンサを設けると共にキャリアガスとして空気を用いるようにしたガスクロマトグラフの装置構成の一例を示す。このガスクロマトグラフの装置本体６内にはキャリアガスが流通するガス流路８の上流側から下流側に沿ってエアーポンプ１７、リーク流路１８、流量切替器９、浄化フィルタ２０、流量計１０、試料ガス供給口１１、分離カラム１、検出器１４が順次設けられている。
【００３５】
エアーポンプ１７は外気をガスクロマトグラフ内のガス流路８に送出するものである。またリーク流路１８はガス流路８から外気に向けて分岐されると共にリーク弁１９が設けられ、ガス流路８に流入した過剰な空気をリーク流路１８から外気に放出することによりガス流路８の内圧が過度に大きくなることを抑制し、エアーポンプ１７にかかる負荷を調節するようにしている。また浄化フィルタ２０は内部に活性炭及びシリカゲルを充填するなどして構成され、ガス流路８を流通するキャリアガス（空気）を清浄化するものである。また流量切替器９、流量計１０、試料ガス供給口１１、分離カラム１の構成は、図４に示されるものと同様である。
【００３６】
この図５に示されるガスクロマトグラフでは、エアーポンプ１７によってガス流路８に供給される空気の流量が流量切替器９にて調整された後、この空気が浄化フィルタ２０を通過することにより清浄化され、更に流量計１０による検知により空気の流通とその流量が確認された後に、試料ガス供給口１１から試料ガスが供給されて空気と混合される。この混合ガスは分離カラム１に導入されて、分離カラム１内部の固定相を通過することにより固定相との相互作用によってガス中成分が分離されて、分離カラム１から導出される。次いで、分離カラム１から導出されたガス中成分が検出器１４にて検出され、この検出情報が制御部１５に入力されて処理され、クロマトグラムが得られるものであり、またこの検出結果が表示部１６にて表示されるものである。
【００３７】
このようなガスクロマトグラフでは、キャリアガスを供給するためにガスボンベ７を接続する必要がなくなり、更に装置の小型化が可能となるものである。
【００３８】
以上のようにして構成されるガスクロマトグラフは、医療分野等における呼気中の成分検出用として構成することができる。例えば歯科医療における呼気中のメチルメルカプタンや硫化水素の分析による口臭の有無の判定や、糖尿病治療における呼気中のアセトン量の定量、肝臓疾病に起因する呼気中のアンモニアやイソプレン量の定量などといった、呼気中の成分の分析による疾病の発見や治療効果の確認に利用することができるものである。
【００３９】
例えば、呼気中のメチルメルカプタン、硫化水素、アセトン、アンモニア、イソプレン等を検出するためには、感ガス体として酸化スズや酸化インジウム等の金属酸化物半導体を備える半導体ガスセンサにて検出器を構成すると共に、分離カラム１に充填材として例えばジーエルサイエンス株式会社製の「β，β′−ＯＤＰＮ ２５％Ｕｎｉｐｏｒｔ ＨＰ」が充填されてものを用いることができる。
【００４０】
【発明の効果】
上記のように本発明の請求項１に係るガスクロマトグラフは、試料ガスがキャリアガスと混合されて分離カラムに導入され、分離カラムから導出されたガス中成分を検出手段にて検出するガスクロマトグラフにおいて、分離カラムを一定温度に加熱保持する加熱手段として、分離カラムの外面にラバーヒータを密接して配設するため、分離カラムを一定温度に加熱保持するための構成を小型化することができて、装置全体の小型化・可搬化が可能となるものであり、また分離カラムの加熱効率を向上することができて、装置の起動後に速やかにガス分析を行うことができるものである。
【００４１】
また請求項１の発明は、分離カラムを樹脂成形品にて形成し、分離カラムの外面に金属被覆を設けて、ラバーヒータをこの金属被覆の外面に密接して配設するため、ラバーヒータからの熱を熱伝導性の高い金属被覆に速やかに伝達させて、分離カラムの加熱効率を更に向上すると共に分離カラム全体を均一に加熱することができるものである。
【００４２】
また請求項２の発明は、請求項１において、分離カラムの近傍に冷却用ファンを配設するため、冷却用ファンからの送風により分離カラムを速やかに冷却することができるものである。
【００４３】
また請求項３の発明は、請求項１又は２において、分離カラムにキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段として外気を分離カラムに送出するエアーポンプと分離カラムに送出する前の外気を清浄化する浄化フィルターとを配設し、検出手段として半導体ガスセンサを配設するため、キャリアガスを供給するためのガスボンベ等が不要となり、装置全体を更に小型化することができるものである。
【００４４】
また請求項４の発明は、請求項１乃至３のいずれかにおいて、キャリアガスの分離カラムへの供給量を調節する流量切替器を具備するため、ガス流量をより大きな値に調節することにより、分離カラムにおけるガス中成分のリテンションタイムを短縮し、ガス中成分の測定に要する時間を短縮することができるものである。
【００４５】
また請求項５の発明は、請求項１乃至４のいずれかにおいて、呼気中の成分検出用として形成されているため、呼気中の成分の分析による疾病の発見や治療効果の確認等に利用することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスクロマトグラフにおける分離カラムとその加熱手段の構成の一例を示す斜視図である。
【図２】同上の他例を示す斜視図である。
【図３】（ａ）（ｂ）は同上の更に他例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係るガスクロマトグラフの全体構成を示すブロック図である。
【図５】同上の他例を示す全体構成を示すブロック図である。
【図６】同上の流量切替器の構成を示すブロック図である。
【図７】本発明に係るガスクロマトグラフの外観を示す斜視図である。
【図８】従来におけるガスクロマトグラフの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１ 分離カラム
２ ラバーヒータ
５ 金属被覆
９ 流量切替器
１２ 冷却用ファン
１７ エアーポンプ
２０ 浄化フィルタ

Claims (5)

1. 試料ガスがキャリアガスと混合されて分離カラムに導入され、分離カラムから導出されたガス中成分を検出手段にて検出するガスクロマトグラフにおいて、分離カラムを樹脂成形品にて形成し、分離カラムの外面に金属被覆を設けて、ラバーヒータをこの金属被覆の外面に密接して配設することにより分離カラムを一定温度に加熱保持する加熱手段を構成して成ることを特徴とするガスクロマトグラフ。
2. 分離カラムの近傍に冷却用ファンを配設して成ることを特徴とする請求項１に記載のガスクロマトグラフ。
3. 分離カラムにキャリアガスを供給するキャリアガス供給手段として外気を分離カラムに送出するエアーポンプと分離カラムに送出する前の外気を清浄化する浄化フィルターとを配設し、検出手段として半導体ガスセンサを配設して成ることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスクロマトグラフ。
4. キャリアガスの分離カラムへの供給量を調節する流量切替器を具備して成ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のガスクロマトグラフ。
5. 呼気中の成分検出用として形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のガスクロマトグラフ。

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