JP4768810B2 - トランスファー・ライン・インピーダンスを使用してクロマトグラフィーコラム内への流れを制御するためのシステム - Google Patents

Description

本願は、２００５年５月１２日に出願された、米国仮特許出願第６０／６８０，３３４号明細書、２００５年５月１７日に出願された、米国仮特許出願第６０／６８０，７４７号明細書、及び２００６年５月１１日に出願された、係属中の米国実用特許出願に基づいて、米国特許法第１１９条（ｅ）下での優先権を主張する。これらの出願の各々の内容を本願明細書に参考文献として援用する。

本発明はクロマトグラフィ・カラム内への流量を制御するめのシステム及び方法に関する。特に、本発明は、コロマトグラフィー・コラムに流体を送るために使用されるトランスファー・ラインのインピーダンスに基づいて流体の流量を制御することを含むシステム及び方法に関する。

ガス・クロマトグラフィーは、カラム内の静止したフェーズにある材料によって、キャリア・ガス内の蒸気サンプルの成分が吸収又は吸収されそれから脱離される、本質的な分離方法である。サンプルのパルスは、サンプルをクロマトグラフィー・カラム内に運ぶキャリア・ガスの定常流れ内に導入される。クロマトグラフィー・カラムの内側は液体でいっぱいになっており、この液体と種々のサンプルの成分との間での相互作用は、−要素の分配係数のうちの差異に基づいて異なる−サンプルをしてそれぞれの要素内に分離せしめる。クロマトグラフィー・カラムの端部では、個々の成分は多かれ少なかれ時間とともに分離される。ガスの検出は、キャリブレーション又は周知のサンプルとの比較によって、テスト・サンプル内に存在する、成分、及びテスト・サンプルの特定の濃度を示す、時間尺度のパターン、通常はクロマトグラムと呼ばれるものを供する。この方法の実例はＨｉｎｓｈａｗへの特許文献１に開示されている。

或る用途では、キャリア・ガス供給源のような流体源、及び／又は、ヘッドスペース・サンプラー又は熱脱離ユニットのようなサンプリング・デバイスは、トランスファー・ラインによって、クロマトグラフィー・カラムに連結されている。このトランスファー・ラインは、例えば、溶融シリカチューブの長さを有し、供給源からの流体を分離及び脱離のためのクロマトグラフィー・カラムに送る。或る用途では、その全内容が本願明細書に参考文献として援用されるＴｉｐｌｅｒへの特許文献２に開示されたシステムにおけるような、分析物の或る付加的な予備濃縮を行うための装置も設け得る。

或る用途では、クロマトグラフィー・カラムが加熱されるにつれて、該カラムを流過するガスの粘性は同様に増加する。結果的に、キャリア・ガスに一定の圧力が加えられる等容状態下では、クロマトグラフィー・カラムを通じる流量は該カラムの温度が増加するにつれて減少する。或る用途では、これを通じても、通常、システム性能に有害な影響はない。質量分析器のような、流れを感知する検出器を用いるシステムのような他の用途では、性能に関する影響は劇的とし得る。

粘性は、通常のキャリア・ガスに対して相対的に予測可能な態様−等式によって近似し得る関係で、温度の変化に関して変動する。

ここで、ηｃはカラム温度Ｔｃにおける粘性であり、
ηoは（公表された表からの）絶対温度Ｔｏにおける粘性であり、
Ｘは無次元定数である。

３つのごく不通のキャリア・ガスに対する係数は、例えば、以下の表に提示されている。

従って、クロマトグラフィー・カラムの温度Ｔｃを特定することによって、等式１及び表１を使用して粘性ηｃを決定し得る。

クロマトグラフィー・カラムの寸法が知られているとか想定して、粘性を特定するとき、特定の流量を以下のようなハーゲン−ポアズイユの等式を使用して入力且つ維持し得る。

ここで、Ｆ_ｏは、クロマトグラフィー・カラムの出口における流量であり、
ｄcは、クロマトグラフィー・カラムの内径であり、
Ｌcは、クロマトグラフィー・カラムの長さであり、
ηcは、クロマトグラフィー・カラムのキャリア・ガスの粘性であり、
Ｐiは、クロマトグラフィー・カラムの入口におけるキャリア・ガスの圧力であり、
Ｐoは、クロマトグラフィー・カラムの出口におけるキャリア・ガスの圧力である。

或るガスクロマトグラフは電気的にプログラム可能な空圧式制御装置を装備している。
従って、粘性と温度との間の関係が上述したようによく知られており、及びＧＣオーブンの温度が同じシステムによって制御されるという事実によって知られているため、クロマトグラフは、クロマトグラフィー・カラムを通じた一定の（等容の）流量を維持するために計算された速度でクロマトグラフィー・カラムの圧力を増加させることによって、上述したガスの粘性の変化を容易に補償することができる。

或る用途では、ガス圧力は、サンプリング・デバイスのような、クロマトグラフから離れた装置に関して制御される。これは、サンプリング・デバイスがクロマトグラフィー・カラムの温度に関する一定の情報を有してこの温度での粘性を計算し、かつ加えられた圧力に対する適切な調整を行うことを要する。

従って、提案されてきた別の解決策は、特許文献３に開示されているような、クロマトグラフィー・カラムの温度を監視することである。この特許文献１の開示内容の全体は本願明細書に参考文献として援用されている。こうしたシステムでは、温度センサをクロマトグラフィー・カラムの温度を測定し、かつこの測定をサンプリング・デバイスに伝えるために用い得る。そして、サンプリング・デバイスは、この温度に、部分的に基づいて流体を供給する圧力を調整する。

上記した圧力補償アプローチを実行するために、圧力がこれらトランスファー・ライン及びクロマトグラフィー・カラムの２つの間のインタフェースで制御されない限り、サンプリング・デバイスはトランスファー・ライン及びクロマトグラフィー・カラムの両方の幾何形状及び温度を知らなければならない。或る場合には、インタフェース・デバイスが用いられてクロマトグラフィー・カラム内に流入する流体の流量を制御する。例えば、その全開示内容が本願明細書に参考文献として援用される、Ｔｉｐｌｅｒ等による特許文献４では、クロマトグラフィー・インジェクターがトランスファー・ラインを該クロマトグラフィー・ラインと連結するシステムが開示されている。このインジェクターはクロマトグラフィー・カラムの入口における流量を制御するために使用される。
米国特許第５，５４２,２５２号明細書 米国特許第６，６５２,６２５号明細書 米国特許出願第２００５／００１６２４５号公報 米国特許出願第２００５／０２８４２０９号公報

本発明は、クロマトグラフィー・カラムの温度が変化するにつれて該クロマトグラフィー・カラムを通じて略一定流量が維持されるように、クロマトグラフィー・カラム内への流量を制御するためのシステム及び方法を含む。更に、トランスファー・ライン及びクロマトグラフィー・カラムの両方の幾何形状及び温度に関する知識を要さない、該クロマトグラフィー・カラム内への流体の流量を制御するためのシステム及び方法が供される。
更に、更なるインタフェース・デバイスを要さない、クロマトグラフィー・カラム内への流体の流量を制御するためのシステム及び方法が供される。

列挙された目的の少なくとも幾つかを達成するためには、本発明は、トランスファー・ラインを通じてクロマトグラフィー・カラムに流体を連通させる段階と、前記トランスファー・ラインの入口端部において入口圧力を特定する段階と、前記トランスファー・ラインの出口端部において出口圧力を特定する段階と、特定された前記入口圧力及び前記出口圧力に基づいて、前記トランスファー・ラインの前記出口端部において所望の流量を作り出すために該トランスファー・ラインの前記入口端部において前記圧力を調整する段階と、を含む。

他の実施形態では、本発明は、クロマトグラフィー・カラム内への流れを制御する方法を含む。この方法は、サンプリング・デバイスによって供給されるガスを受け入れる段階と、ガスがサンプリング・デバイスからクロマトグラフィー・カラムまで自身を通じて送られるトランスファー・ラインを供する段階と、トランスファー・ラインから流出し且つトランスファー・ライン内に流入する流体のための所望の流量を選択する段階と、トランスファー・ラインの入口端部において圧力を特定する段階と、トランスファー・ラインの出口端部において出口圧力を特定する段階と、特定された入口圧力及び出口圧力が、クロマトグラフィー・カラム内に流入する流体のための所望の流量を作り出すまで、トランスファー・ラインの前記入口端部において圧力を調整する段階と、を含む。

これらの実施形態の幾つかでは、入口圧力は比率弁を調整することによって調整される。

或る実施形態では、入口圧力は、圧力変換器によってトランスファー・ラインの入口端部における圧力を測定することによって特定される。これらの実施形態の幾つかでは、出口圧力は（例えば、入口及び出口間のような）トランスファー・ラインにわたる圧力差を差分圧力変換器によって測定することによって特定される。他の実施形態では、出口圧力は、圧力変換器によってトランスファー・ラインの出口端部で圧力を測定することによって特定される。

幾つかの実施形態では、本発明は、所望の流量で（例えば、入口及び出口との間の）クロマトグラフィー・カラムに亘る予想される圧力差を計算する段階と、クロマトグラフィー・カラムに亘る実施の圧力差を測定する段階と、及び予想される圧力差を実際の圧力差と比較する段階と、を更に含む。

更に別の実施形態では、本発明はクロマトグラフィー・カラム内への流れを制御するためのシステムを含む。このシステムは、流体をクロマトグラフィー・カラムに送るトランスファー・ラインを含み、トランスファー・ラインは入口端部及び出口端部、トランスファー・ラインの入口端部における流体の圧力を制御する弁、トランスファー・ラインの入口端部における圧力を測定する第１圧力変換器、トランスファー・ラインの出口端部における圧力を特定する第２圧力変換器、及び第１及び第２圧力変換器からの信号を受信し、これに応じて、トランスファー・ラインの出口端部において所望の流量を定立するように弁を調整する、制御装置を含む。

或る実施形態では、本発明は、トランスファー・ラインが該トランスファー・ラインの温度を制御するために配置されている加熱アセンブリを含む。

これらの実施形態では、サンプリング・デバイスはヘッドスペース・サンプラーである一方で、他の実施形態では、サンプリング・デバイスは熱脱離装置である。

本発明に従うクロマトグラフィー・カラム内への流量を制御するためのシステムの１実施形態の基本的な構成要素は、図１〜図２に例示されている。記載中に使用されるように、”頂部”、”底部”、”より上に”、”より下に”、”越えて”、”の下に”、”より上に”。”真下に”、”頂部に”、”上に”、”下に”、”上部”、”下部”、”正面”、”後部”、”背面”、”前方に”、”後方に”との用語は、図面に例示された配向において、参照される物体を言及する。この配向は本発明の目的を達成するために必ずしも必要ではない。

システム１０は、以下に記載する特定の実施形態では。熱脱離ユニットであるが、他の実施形態では、ヘッドスペース・サンプラーのような熱サンプリング・デバイスである、サンプリング・デバイス２０のような流体源である。 システム１０は、検出器２６に連結されたクロマトグラフィー・カラム２４を含む、ガスクロマトグラフ２２を更に含む。
熱脱離ユニット２０はトランスファー・ライン２８を介してクロマトグラフ２２と流体連通しており、これを通じて、サンプル混合物はユニット２０から（矢印Ａによって示される）クロマトグラフィー・カラム２２まで送られる。

トランスファー・ライン２８は２つの端分を具備する配管の長さを有し、ここで、こうした端部の１つは、本願明細書でカラム入口として言及される点にあるカラム２４と流体連通しているトランスファー・ライン出口として本願明細書で言及されている。同様に、トランスファー・ライン２８の他の端部は、トランスファー・ライン入口として言及されている。トランスファー・ライン２８は、例えば、非活性化された融解石英又は石英被覆されたステンレス鋼配管のような、不活性材料から作り得る。幾つかの実施形態では、トランスファー・ライン２８は、長さ約１〜２メートルの間の長さであり、０．５ｍｍ未満の内径を有する。こうした配管類は無理のない許容差で作り得るものであり、従って、トランスファー・ライン２８の内部幾何形状は予測可能である。

幾つかのクロマトグラフ解析は非常に低レベルでの分析物の集結を監視し、これはサンプル流内のスプリットの使用を妨げ、こうして、トランスファー・ライン２８を通じた流量は、しばしば、カラム２４を通じての流量と同じである。毛細管カラムの場合には、これは、時折、１ｍL／分未満の流量を意味する。こうした低流量におけるトランスファー・ライン２８に沿ったサンプルの長手方向での拡散を減じるために、流体の速度を増加させ、これにより、分析物がトランスファー・ライン２８にある時間の量を減じる、トランスファー・ライン２８の内径を与えることは有用であり得る。内径が減少するにつれて、トランスファー・ラインの流れ抵抗は増大する。従って、幾つかの実施形態では、トランスファー・ライン２８は０．２ｍｍ〜０．３ｍｍの内径を有して、実際に測定可能な圧力差を作り出す。

トランスファー・ライン２８にわたるこの圧力差を評価することによって、流体がトランスファー・ラインの出口（すなわち、カラムの入口）における所望の流量を達成するために適用されなければならない圧力は、（カラムとは反対側にある）トランスファー・ラインのためのハーゲン−ポアズイユの等式（数２）を使用して特定し得る。以下のように簡略化し得る。

ここで、ａは幾何学的定数であり、π・ｄ_ｔ ^４／２５６・Ｌ_ｔに等しく、ここで、粘性ηは数１に従うトランスファー・ラインの温度を使用して特定される。

図１の実施形態を含む実施形態では、トランスファー・ライン２８は同心な関係にある加熱アセンブリ３０によって包囲され、これはそれを通じて流れるサンプル材料のあり得る凝縮を防止する。図１はトランスファー・ライン２８の一部のみに沿って例示しているが、加熱アセンブリ３０はトランスファー・ライン２８の全長に沿って延在し得る。幾つかの実施形態では、加熱アセンブリ３０は、直径が約８インチである、内部にある、僅かに剛直な、ステンレスチューブであり得るものであり、これを通じてトランスファー・ライン２８にはネジが付され、抵抗性加熱コイルがこのチューブの周りに巻かれている。絶縁体を、例えば、今度は絶縁フォームで包囲し得る、ガラス繊維ウェビングのようなこのコイルの周りに設け得る。ヒーターの温度は、通常、制御され、従って、トランスファー・ライン２８は一定の温度に維持し得る。

上述した圧力差は図２に例示したように評価し得る。図２に例示されたキャリア・ガス供給源３８のような流体源は、比例弁４０を通じて流体を供給する。第１圧力変換器４２はトランスファー・ライン５２における圧力を測定し、かつ、この圧力Ｐiを制御装置５０に伝える。差圧変換器４４は、トランスファー・ラインの入口５２とトランスファー・ラインの出口５４との間の圧力差ΔＰを測定し、そして、同様にして、この圧力差を制御装置５０に伝える。従って、トランスファー・ラインの出口における圧力は数４を使用して計算し得る。

或る実施形態では、図３に例示したように、第２絶対変換器４６を上述した差圧変換器を使用する代わりに出口圧力Ｐｏを測定するために用い得る。しかしながら、大きな圧力と小さな圧力の相対的大きさにより、図２に示すような形状構成の差圧変換器４４を用いることは有用であり得る。

Ｐｉ及びＰｏの測定値を使用すると、制御装置５０は、測定されたか／計算された入口及び出口の圧力が、数３を考慮するときに、トランスファー・ラインの出口（カラムの入口）のための所望の流量Ｆｏを作り出すまで、比例弁４０を調整する。温度が変化する場合、粘性及び流量も変化し、従って、例示したシステム及び方法は、こうした変化を補償するように加えられた圧力になるまでの調節を可能にする。

運転中、例示したシステム及び方法に対して、入口圧力Ｐｉが比例弁４０によって直に調整される一方で、測定可能な差圧は直に制御されない。このために、主電子装備／ファームウェア制御ループはシステムの安全性を維持するのに十分な速度でＰｉを規制する。この間に、出口圧力は（あるいは、出口圧力が計算される圧力差）は同様にして同じ制御装置５０であるが遅い速度（すなわち、外側ループ）に伝えられる。比例弁４０はＰｉとΔＰとの組合せが数３により正しい流量Ｆｏを作り出すまで調整される。

数３の使用から帰着する計算の効率は、どれくらい、トランスファー・ラインの幾何形状及び温度が定義されているかに正確に依存する。実際に、トランスファー・ラインの内径及び温度は測定し難く、従って、システム・キャリブレーションを行い得る。
従って、数３は以下のように変更し得る。

ここで、η_{（Ｔｓ＋ｂ）}は、設定温度Ｔｓでのキャリア・ガスの粘性であり、ｂは、設定温度Ｔｓとトランスファー・ラインの実際の温度との間の差異である。

定数ａ及びｂの値は２つのっこと成る温度設定におけるトランスファー・ラインを通じての実際の流れを測定することによって計算し、測定された速度を数５に代入し、及び連立法定式をａ及びｂについて解くことによって計算し得る。

Ｆｏに対する値はトランスファー・ラインの出口の温度及び圧力での体積流量であることに注目することも重要である。何故なら、これは、通常、上昇した温度における、かつおそらくは大気圧とは異なる圧力におけるものであるため、標準的な大気圧、温度及び圧力（ＳＡＴＰ）に訂正された流量を表現（及び適用）することは慣用であるから、Ｆｏに対する値は使用者によって予想される流量測定値に訂正しなければならない。

ここで、Ｆａは、ＳＡＴＰに修正された流量であり、Ｐａは標準待機絶対圧力（１００ｋＰａ）であり、Ｔａは、標準大気絶対温度（２９８．１５Ｋ）であり、Ｔｏはトランスファー・ラインの出口（Ｔｓ＋ｂ）における温度である。

上述したシステムによって、操作者が、カラム自体の温度及び幾何形状を知らなくても、該カラム内への流量を制御することを可能にする。これらのカラム・パラメータが周知である場合には、上述したシステムはあり得る漏出及び／又は妨害に対して試験するために更に利用し得る。カラム（数２）に対して適用されたようなハーゲン−ポアズイユ等式を使用して、カラム２４にわたる差圧を所与の流量に対して予測し得る。この予測された圧力差は、流量が上述したように制御されつつあるときに、カラム２４にわたる実際の圧力差と比較し得る。予測された差圧と実際に差圧との間に、重要でない圧力差より多くの圧力差が検出された場合には、これは、トランスファー・ライン２８とカラム２４との連結部における漏出、あるいはトランスファー・ライン又はカラムにおける妨害のあり得る存在を示すであろう。

上述したことは例示的なものであり限定的でなく、そして、明らかな変更は本発明の精神から逸脱せずに当業者によってなし得ることを理解すべきである。従って、本発明の範囲を決定するためには、上述の明細書よりはむしろ添付の特許請求の範囲を主に参照すべきである。

本発明の１実施形態に従うサンプリング・デバイスの概略図である。 図１によるシステムの流量を制御するために圧力差の測定を使用する概略図である。 図１によるシステムの流量を制御するために出口圧力の測定を使用する概略図である。

符号の説明

１０ システム
２０ サンプリング・デバイス
２２ クロマトグラフ
２４ カラム
２６ 検出器
２８ トランスファー・ライン
３８ キャリア・ガス供給源
４０ 比例弁
４２ 差圧変換器
４４ 差圧変換器
４６ 第２絶対変換器
５０ 制御装置
５２ トランスファー・ライン
５４ 出口

Claims (7)

1. トランスファー・ラインを通じてサンプリング・デバイスからクロマトグラフィー・カラムまで測定されるべき分析物を含むサンプル・ガスを送る段階であって、前記トランスファー・ラインは、前記サンプル・ガスが前記サンプリング・デバイスから前記トランスファー・ラインまで流れる入口端部、及び前記サンプル・ガスが前記トランスファー・ラインから前記クロマトグラフィー・カラムまで流れる出口端部を具備する、前記段階と、
   前記トランスファー・ラインの入口端部で入口圧力を特定する段階と、
   前記トランスファー・ラインの出口端部で出口圧力を特定する段階と、
   所望の流量における、前記カラムにわたって予想される前記圧力差を計算する段階と、
   前記カラムにわたる実際の前記圧力差を測定する段階と、
   予想される前記圧力差を実際の前記圧力差と比較する段階と、
   特定された前記入口圧力及び前記出口圧力に基づいて、前記トランスファー・ラインの前記出口端部で所望の流量を作り出すために該トランスファー・ラインの前記入口端部で前記圧力を調整する比例弁を制御する段階と、を含む方法。
2. 入口圧力を特定する前記段階が、圧力変換器によって、前記トランスファー・ラインの入口端部で前記圧力を測定することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記出口圧力を特定する前記段階が、
   前記入口圧力と前記出口圧力との圧力差を測定するために差分圧力変換器を使用することと、
   測定された前記入口圧力及び測定された前記圧力差から前記出口圧力を計算することと、を含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記出口圧力を特定する段階が、圧力変換器によって、前記トランスファー・ラインの出口端部における圧力を測定することを含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記サンプリング・デバイスがヘッドスペース・サンプラーを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記サンプリング・デバイスがサーマル・デソープション・ユニットを含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記トランスファー・ラインが該トランスファー・ラインの温度を制御するように配置された、加熱アセンブリを使用する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。

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