JP4911250B2

JP4911250B2 - ヘッドスペース試料導入装置

Info

Publication number: JP4911250B2
Application number: JP2010541896A
Authority: JP
Inventors: 陽亮佐藤; 学下村; 晃青野
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2008-12-10
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2028-12-10
Also published as: CN102246018B; WO2010067399A1; US20110239792A1; US8806965B2; JPWO2010067399A1; CN102246018A

Description

本発明は、液体試料や固体試料から揮発した試料ガスをヘッドスペース法により採取してガスクロマトグラフ装置、ガスクロマトグラフ質量分析計等の分析装置に導入するためのヘッドスペース試料導入装置に関する。

ヘッドスペース分析法は、容器内に収容した液体試料又は固体試料を一定温度に一定時間加熱することにより比較的沸点の低い成分を揮発させ、容器内の上部空間（ヘッドスペース）からそれら成分を含むガスを一定量採取してガスクロマトグラフ装置等の分析装置に導入して分析を行うものである。こうした方法を利用したクロマトグラフ分析は、例えば、食品中の香料の測定、水中の揮発性有機化合物の測定等に適している。

こうしたヘッドスペース分析に利用されるヘッドスペース試料導入装置では、サンプルトレイに複数の試料容器（バイアル等）が載置され、これらの試料容器が順番にオーブンに搬送されて所定の温度まで加熱される。その後、ニードルによって試料容器から試料ガスが採取されて分析装置に導入され、試料採取後の試料容器がサンプルトレイに戻される。なお、従来のヘッドスペース試料導入装置では、オーブンの直上又は直下にサンプルトレイが重なるように配置され、所定の昇降手段によって試料容器がオーブンとサンプルトレイの間を直接移動するようになっている（例えば、特許文献１を参照）。

特開2002-5913号公報

一般に、ヘッドスペース試料導入装置では、試料を揮発させる際に試料容器を２００℃程度まで加熱できるようになっている。しかしながら、従来のヘッドスペース試料導入装置では、オーブンで加熱された試料容器を上述の昇降手段等によってそのままサンプルトレイに戻している。通常、ヘッドスペース分析を行う際には、複数の試料容器がサンプルトレイにセットされ、これら全ての容器について試料ガスの採取とガスクロマトグラフ装置による分析が完了した後に、使用後の試料容器がサンプルトレイから取り出される。そのため、試料容器が熱いうちにユーザが該容器に触れる可能性は低いが、それでもユーザが高温の試料容器と接触することがないよう、より確実な対策を講じることが望ましい。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高温の試料容器がユーザに触れるのを確実に防止することのできるヘッドスペース試料導入装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係るヘッドスペース試料導入装置は、試料容器から試料ガスを採取して所定の分析装置に導入するためのヘッドスペース試料導入装置であって、
a)液体又は固体試料を収容した少なくとも１つの試料容器を収容可能なサンプルトレイと、
b)前記サンプルトレイから取り出された少なくとも１つの試料容器を加熱する加熱手段と、
c)前記加熱手段によって加熱された試料容器内の上部空間から試料ガスを採取する試料ガス採取手段と、
d)試料ガス採取後の少なくとも１つの試料容器を保持して冷却した上で該試料容器を前記サンプルトレイに戻す冷却搬送手段と、
を備え、
前記冷却搬送手段が、サンプルトレイから加熱手段への試料容器の搬送及び加熱手段からサンプルトレイへの試料容器の搬送を行うものであって、複数の試料容器を保持することができ、加熱手段から取り出された試料容器の冷却とサンプルトレイから取り出された試料容器の加熱手段への搬送とを並行して実行することを特徴としている。

本発明において「冷却」とは温度を下げることを意味する。前記本発明における冷却搬送手段は、自然空冷によって試料容器を冷却するものとしてもよいが、ファン等の送風手段によって試料容器の周囲に空気流を発生させたり、ペルチェ素子又は冷媒等を利用した吸熱手段によって試料容器から熱を吸収したりすることにより試料容器を強制的に冷却するものとすることが望ましい。これにより、試料容器の冷却に要する時間を短縮することができる。

更に、冷却搬送手段を上記のような構成としたことにより、試料ガス採取前の試料容器をサンプルトレイから加熱手段へ搬送するための機構を別途設ける必要がないため、部品点数を抑えて低コストに製造することができる。また、試料ガス採取後の試料容器を冷却している間にも、他の試料容器をサンプルトレイから加熱手段へ搬送することができるため、分析装置への試料ガス導入の効率を低下させることなく試料容器の冷却を実行することができる。

また、上記冷却搬送手段を筐体に収容することにより、冷却搬送手段に保持された高温の試料容器がユーザに接触するのを確実に防止できるようにすることが望ましい。

以上説明したように、本発明に係るヘッドスペース試料導入装置によれば、加熱後の試料容器を前記冷却搬送手段によって冷ましてからサンプルトレイに戻すことができるため、高温の試料容器がユーザに接触するのを確実に防止することができる。

本発明の一実施例に係るヘッドスペース試料導入装置の概略構成を示す斜視図。同実施例に係るヘッドスペース試料導入装置の横断面図。同実施例に係るヘッドスペース試料導入装置の制御系の概略を示すブロック図。

符号の説明

１０…サンプルトレイ
１２、２１、３４…ターンテーブル
１３、２４、３６…モータ
１４、２２、３５…バイアル収容部
１５、３７…シャッタ
２０…搬送部
３０…オーブン
３１…保温ブロック
３２…オーブントレイ
４０…ガス採取部
４１…ニードル
５０、６０、７０…バイアル昇降機構
５１、６１、７１…ロッド
５２、６２、７２…ロッド駆動部
８０…冷却ファン
９０…筐体
１００…バイアル

以下、本発明に係るヘッドスペース試料導入装置の一実施例について図面を参照して説明する。図１は、本実施例に係るヘッドスペース試料導入装置の概略構成を示す斜視図であり、図２は図１の横断面図である。また、図３は本実施例に係るヘッドスペース試料導入装置の制御系の構成を示すブロック図である。

本実施例に係るヘッドスペース試料導入装置は、主に、バイアル（試料容器）１００をセットしておくためのサンプルトレイ１０と、搬送部２０と、バイアル１００を加熱するオーブン３０とで構成される。これらは筐体９０の上部又は内部に配置され、筐体９０の内部には冷却ファン８０が設けられている。

サンプルトレイ１０は、筐体９０の上面に固定された円形のベース板１１の上に、モータ１３によって回転駆動される円盤状のターンテーブル１２を設けた構成となっている。ターンテーブル１２には、バイアル１００が丁度納まる大きさの貫通孔から成るバイアル収容部１４が、多数、環状に設けられている。これらバイアル収容部１４の回転軌道上の一箇所（以下、これを位置Ａと呼ぶ）には、その直下に筐体９０内部へと通じる開口部９１が設けられており、この開口部９１はベース板１１の一部として設けられたシャッタ１５によって開閉できるようになっている。

オーブン３０は、断熱材から成り内部にヒータ（図１，２では省略している）３８を備えた保温ブロック３１と、複数のバイアル１００を収容可能なオーブントレイ３２を備えている。オーブン３０の上部には、バイアル１００から試料ガスを採取するためのガス採取部４０が設けられている。オーブントレイ３２は、上述のサンプルトレイ１０と同様に円形のベース板３３の上に、モータ３６によって回転駆動される円盤状のターンテーブル３４を設けた構成となっている。ターンテーブル３４は、対向させた二枚の円形板３４ａ、３４ｂを所定の距離だけ離間させて互いに固定することにより、全体として円柱状に形成されている。上下の円形板３４ａ、３４ｂにはそれぞれ対応する位置に複数の貫通孔３５ａ、３５ｂが環状に設けられており、上下一対の貫通孔３５ａ、３５ｂによって１つのバイアル収容部３５が構成される。これらバイアル収容部３５の回転軌道上の一箇所（以下、これを位置Ｄと呼ぶ）の直下には、筐体内部へと通じる開口部９２が設けられており、ベース板３３の一部として設けられたシャッタ３７によってこの開口部９２が開閉される。

また、バイアル収容部３５の回転軌道上における別の一箇所（以下、これを位置Ｅと呼ぶ）の上方には、ニードル４１と押しばね４２と可動板４３を備えたガス採取部４０が配設されている。ニードル４１は可動板４３の中央に設けられた穴に挿通され、先端を下に向けた状態で配置されている。ニードル４１の他端はオーブン３０の外部においてガスクロマトグラフ装置等の分析装置に至る配管４４に接続されている。一方、位置Ｅの下方には、略鉛直方向に延伸するロッド７１とロッド７１を上下に駆動するロッド駆動部７２とを備えたバイアル昇降機構７０が設けられている。このロッド７１は、筐体９０の上面、保温ブロック３１の底面、及びベース板３３を貫通するように設けられたロッド挿通孔９３を介して位置Ｅにあるバイアル１００の底面と当接できるようになっている。なお、バイアル昇降機構７０は、例えば、ロッド７１に取り付けられたラックと、ロッド駆動部７２のモータに取り付けられたピニオンによって該モータの回転を直線運動に変換してロッドを上下動させる構成とすることができる。また、ロッド駆動部７２に設けられたエアシリンダ等によってロッド７１を上下動させる構成としてもよい。

搬送部２０は、上記のサンプルトレイ１０とオーブン３０との間でバイアル１００を搬送するものであり、バイアル１００を複数載置可能なターンテーブル２１と、ターンテーブル２１を回転駆動するモータ２４と、ターンテーブル２１の下方に位置する２つのバイアル昇降機構５０、６０を含んでいる。なお、これらの構成要素はいずれも筐体９０内に設けられている。

ターンテーブル２１は、対向させた二枚の円形板２１ａ、２１ｂを所定の距離だけ離間させて互いに固定することにより、全体として円柱状に形成されている。上側の円形板２１ａにはバイアル１００の径よりも僅かに大きな径を有する貫通孔２２ａが複数個、環状に設けられており、下側の円形板２１ｂには前記上側の円形板２１ａに設けられた各貫通孔２２ａと対応する位置に該貫通孔２２ａと略同一径の凹部２２ｂが形成されている。これらの上下一対の貫通孔２２ａ及び凹部２２ｂによって１つのバイアル収容部２２が構成される。更に、各凹部２２ｂの中央には後述するバイアル昇降機構５０、６０のロッド５１、６１を通過させるためのロッド挿通孔２３が設けられている。搬送部２０のターンテーブル２１は、バイアル収容部２２の回転軌道上の一箇所（以下、これを位置Ｂと呼ぶ）が、サンプルトレイ１０における位置Ａの直下に来るように配置されており、更に、バイアル収容部２２の回転軌道上の他の一箇所（以下、これを位置Ｃと呼ぶ）が、オーブントレイ３２における位置Ｄの直下に来るように配置されている。位置Ｂと位置Ｃの下方には、上述のオーブン３０に設けられたバイアル昇降機構７０と同様の構成から成るバイアル昇降機構５０、６０がそれぞれ設けられている。

上記の各ターンテーブル１２、２１、３４を回転駆動するモータ１３、２４、３６、バイアル昇降機構５０、６０、７０のロッド駆動部５２、６２、７２、シャッタ１５、３７、冷却ファン８０及びヒータ３８などの動作は、ＣＰＵを含んで構成される制御部１１０により統括的に制御される。操作部１２０は各種条件を設定するために利用され、例えば、バイアル温度、バイアル加熱時間、バイアル冷却時間、分析周期、試料採取量などを設定できるようになっている。

次に、上記構成において試料液から揮発する試料ガスを採取してガスクロマトグラフ装置に導入する場合の一連の動作を説明する。

ユーザは、複数のバイアル１００にそれぞれ試料液を入れ、ゴム製のセプタム１００ａで封をしてサンプルトレイ１０の所定位置に装填する。ユーザが操作部１２０により適当な条件を設定して動作の開始を指示すると、或いは、予め定められたタイムスケジュールに従って分析の開始が指示されると、制御部１１０の制御の下に、モータ１３によりターンテーブル１２が回転される。そして、所望のバイアルが位置Ａまで来ると、ロッド５１が上昇すると共にシャッタ１５が開放され、ロッド５１の上端がバイアル１００の底面と当接する。続いてロッド５１が下降し、バイアル１００が開口部９１を通過して搬送部２０のバイアル収容部２２に収容される。

搬送部２０へのバイアル１００の移載が完了すると、搬送部２０のターンテーブル２１が回転し、バイアル１００が位置Ｃまで搬送される。そして、シャッタ３７が開放され、ロッド６１が上昇することにより、バイアル１００がオーブントレイ３２の位置Ｄまで押し上げられてバイアル収容部３５に収容される。オーブン３０内はヒータ３８により所定温度に維持されており、バイアル１００は所定時間だけここに保持され、その間に試料液からの成分の揮発が促進される。

バイアル１００が所定時間だけオーブン３０内に保持されたあと、次のようにしてガス採取部４０により試料ガスが採取される。まず、オーブントレイ３２のターンテーブル３４が回転してバイアル１００が位置Ｅまで移動する。次に、ロッド７１によってバイアル１００がガス採取部４０まで押し上げられ、ニードル４１がバイアル１００のセプタム１００ａを貫通する。これにより、バイアル１００の気相部分がガスクロマトグラフ装置に導入される。試料ガスの導入が終わると、ロッド７１が下降してバイアル１００がオーブントレイ３２に戻される。このとき、可動板４３は押しばね４２によって下向きに付勢されており、ロッド７１を下降させれば可動板４３がバイアル１００を押し下げるため、確実にニードル４１をセプタム１００ａから引き抜くことができる。

その後、ターンテーブル３４が回転し、試料ガスの採取が完了したバイアル１００が再び位置Ｄまで移動する。そして、このバイアル１００がバイアル昇降機構６０によって筐体９０内に下ろされ、搬送部２０のターンテーブル２１に移載される。このようにして搬送部２０に移載された試料ガス採取後のバイアル１００は、所定の時間が経過するまで搬送部２０で保持される。その間に冷却ファン８０によってバイアル１００に空気が吹き付けられ、オーブン３０での加熱によって高温となったバイアル１００及びその内部の試料液が冷却される。その後、上記所定時間が経過した時点で、バイアル昇降機構５０により冷却後のバイアル１００がサンプルトレイ１０に戻される。なお、ターンテーブル２１上に温度センサ等を設け、バイアル１００が所定の温度以下になった時点で該バイアルをサンプルトレイ１０に戻すようにしてもよい。

なお、搬送部２０には複数のバイアル収容部２２が設けられているため、上記のようなバイアルの冷却を行いつつ並行して他のバイアルの搬送を行うことも可能である。即ち、搬送部２０の一部のバイアル収容部２２に試料ガス採取後のバイアルを収容して該バイアルの冷却を行い、その間に残りのバイアル収容部２２を用いて試料ガス採取前のバイアルをサンプルトレイ１０からオーブン３０へと搬送することができる。これにより、試料導入の効率を落とすことなくバイアルの冷却を行うことが可能となる。

以上のように、本実施例に係るヘッドスペース試料導入装置によれば、オーブン３０とサンプルトレイ１０との間に搬送部２０を設け、オーブン３０から取り出されたバイアル１００を一旦搬送部２０で保持して冷却する構成としたことにより、バイアルの温度を十分に下げた上でサンプルトレイ１０に戻すことが可能となる。また、搬送部２０は筐体９０の内部に収容されているため、冷却前のバイアルがユーザの手などに触れる恐れがない。

なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨に添って適宜変形や修正を行えることは明らかである。例えば、上記実施例では筐体内に冷却ファンを設ける構成としたが、こうした冷却ファン等を用いた強制的な冷却を行わず、自然冷却によってバイアルを冷却する構成としてもよい。また、本発明における冷却搬送手段の構成は上記実施例のようにターンテーブルを回転駆動させるものに限らず、種々の構成を採用することができる。例えば、バイアル収容部が形成された扇形や多角形の形状から成るトレイを回転又は並進させることにより、サンプルトレイと加熱手段の間で試料容器を搬送するものなどとすることができる。

Claims

試料容器から試料ガスを採取して所定の分析装置に導入するためのヘッドスペース試料導入装置であって、
a)液体又は固体試料を収容した少なくとも１つの試料容器を収容可能なサンプルトレイと、
b)前記サンプルトレイから取り出された少なくとも１つの試料容器を加熱する加熱手段と、
c)前記加熱手段によって加熱された試料容器内の上部空間から試料ガスを採取する試料ガス採取手段と、
d)試料ガス採取後の少なくとも１つの試料容器を保持して冷却した上で該試料容器を前記サンプルトレイに戻す冷却搬送手段と、
を備え、
前記冷却搬送手段が、サンプルトレイから加熱手段への試料容器の搬送及び加熱手段からサンプルトレイへの試料容器の搬送を行うものであって、複数の試料容器を保持することができ、加熱手段から取り出された試料容器の冷却とサンプルトレイから取り出された試料容器の加熱手段への搬送とを並行して実行することを特徴とするヘッドスペース試料導入装置。
前記冷却搬送手段が、該冷却搬送手段に保持された試料容器の周囲に空気流を発生させる送風手段又は該冷却搬送手段に保持された試料容器の熱を吸収する吸熱手段を有することを特徴とする請求項１に記載のヘッドスペース試料導入装置。
前記冷却搬送手段が筐体に収容されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のヘッドスペース試料導入装置。