JP5081619B2 - サンプル帯域拡張を減少させる特徴を有する受動式カラム予熱器 - Google Patents

サンプル帯域拡張を減少させる特徴を有する受動式カラム予熱器 Download PDF

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Description

本出願は、2004年8月7日出願の米国仮特許出願第60/599,622号に基づき優先権を主張するものであり、その内容全体は、参照によって本明細書に組み込まれるものとする。
クロマトグラフィは、その吸収性の差によって混合物を分離するプロセスである。図1に、通常のクロマトグラフィシステムの一実施形態を示す。他のタイプのクロマトグラフィ(たとえば、ペーパおよび薄層)があるが、大部分の最新の応用は、移動相および固定相を含み、混合流体の分離は、カラムで行われる。
カラムは、通常、その間に加えられることがある圧力に十分耐えられる強さがあるガラスまたは金属のチューブである。カラム温度の制御は、システムが、定温で、または温度がプログラムされた解析によって作動するように設計されているかにかかわらず、カラムの分解能にとってクリティカルである。そのカラムの温度制御は、対流式オーブン(図示されているように)内でカラムを加熱することによって、または抵抗加熱技法によって達成することができる。
カラムは、たとえば充填ベッドまたは開放管状カラムとすることができる。カラムは、プロセスの固定相、すなわち、分離される成分がそれに対して様々なアフィニティを有する材料を収納する。クロマトグラフィプロセスの移動相は、解析されるサンプルが注入される溶媒または溶媒混合液から構成される。移動相がカラムの中に入り、サンプルは、固定相上に吸収される。溶媒または溶媒混合液は固定相上に吸収されず、カラムを通過する。
図1に示すように、第1のポンプを使用してタンクから第1の溶媒を引き出し、それを所望の流速および圧でT字型配管コネクタに送る。第2のポンプを使用して第2のタンクから第2の溶媒を引き出し、それを所望の流速および圧でT字型配管コネクタに送る。T字型配管コネクタにおいて、溶媒が混合されて、所望の特性を有する溶媒混合液が得られる。各溶媒の流速は、時間とともに溶媒混合液の組成を変化させるように、時間とともに調節することができる。時間の経過に応じた溶媒混合液の変化は、溶媒または組成の勾配と呼ばれる。
第3のポンプを使用して、サンプルを第2のT字型配管コネクタに供給または送り、そこでサンプルが溶媒混合液中に投入され、それと混合され、移動相が形成される。
移動相は、カラムを通過し、サンプルは、固定相上に吸収される。サンプルがカラムを流れて通過するとき、その様々な成分が様々な程度で固定相に吸収される。担体に強く引かれる成分は、弱く引かれる成分よりも遅く移動する。移動速度のこの差が、成分を分離する方法になる。
サンプルが固定相からどっと流される、または移動した後、様々な成分が、異なる時間にカラムから溶出する。固定相に対して最も小さいアフィニティを有する成分は、最初に溶出し、一方固定相に対して最も大きいアフィニティを有する成分は、最後に溶出する。検出器が、化学組成の濃度および特性に関する性質を測定することによって出て来る流れを解析する。たとえば、屈折率または紫外吸光度が測定される。
図1に開示されたシステムに関する欠点は、カラムに供給される混合流体または固定相、ならびにカラム加熱器の温度が、特に室温の振れが些細でない所での長い(数時間)クロマトグラフィのランにおいて、常に一定でないということである。これらの温度勾配が、クロマトグラフィ解析の精度に悪い影響を与え得る。
上記の観点で、サンプルがカラムに注入される前にそれを予熱し、カラム流入流体の温度変動を最小にすることによって、より厳しいレベルでカラム加熱器感度を実現する、クロマトグラフィシステムと共に使用される装置が必要である。さらになお、移動相をカラムに流入させる前に、受動的に(すなわち、別の加熱要素および制御システムを必要とせずに)移動相を予熱し、サンプル帯域拡張または分散を減少する装置が必要である。
主発明は、クロマトグラフィシステムに関し、より詳しくは、カラムに供給される流体サンプルを受動的に予熱し、サンプル帯域拡張または分散を減少する、クロマトグラフィシステムにおいて使用されるアセンブリに関する。したがって、一態様では、本発明は、混合流体が、注入器から能動式加熱源を有するクロマトグラフィカラムに供給されるクロマトグラフィシステムにおいて使用される、受動式予熱器アセンブリを提供する。予熱器アセンブリは、とりわけ、第1および第2の末端部およびその間の中央に延在する流体路を有する渦巻き型チューブと、渦巻き型チューブの第1および第2の末端部にそれぞれ付着された第1および第2の末端フィッティングと、渦巻き型チューブの外側表面に付着された熱伝導性膜とを含む。第1の末端フィッティングは、渦巻き型チューブの第1の末端部を注入器に、流体的に接続するようになされており、第2の末端フィッティングは、渦巻き型チューブの第2の末端部をクロマトグラフィカラムに、流体的に接続するようになされる。熱伝導性膜は、予熱器アセンブリが能動式加熱源に隣接して配置されたとき、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から渦巻き型チューブに熱を伝達する。好ましいのは、渦巻き型チューブが柔らかい熱伝導性の金属から作られるが、用途および流体圧の要件に依存して、テフロン(登録商標)など、他の熱伝導性材料を選択することができることである。
当業者は、本発明が、熱伝導性膜が無くても動作できることを容易に理解するはずである。さらになお、渦巻き型チューブと能動式加熱源間の熱伝導性を向上させる他の手段を使用することができる。たとえば、化学蒸着または物理蒸着によって、熱伝導性のコーティングや膜をチューブに塗布することができる。
代替実施形態では、予熱器アセンブリは、渦巻き型チューブを受け入れる、その外側表面内に形成された少なくとも1つのチャネルを有する担体要素をさらに含むことが予想される。好ましいのは、担体要素が、カラムトレイ中に挿入されるようになされたU字型の軸方向断面を有することである。好ましいのは、担体要素がアルミニウムから作られるが、他の熱伝導性材料を使用することができることである。
渦巻き型チューブ中の中央流体路は、流体が流体路を横切るときに確立される一次の流れ場に実質的に直交する二次流体の流れ場を生成するようになされ構成された、一連の屈曲部を有する。本明細書に以下で述べるように、二次の流れ場の生成によって、流体のサンプル帯域拡張または分散が、正味減少される。
さらに、本発明は、混合流体が注入器から能動式加熱源を有するクロマトグラフィカラムに供給されるクロマトグラフィシステムにおいて使用される、受動式予熱器アセンブリを提供する。
予熱器アセンブリは、とりわけ他の要素の中でも、第1および第2の末端部およびその間の中央に延在する流体路を有する渦巻き型チューブと、その外側表面中に形成された少なくとも1つのチャネルを有し、渦巻き型チューブを受け入れるようになされた担体要素と、担体要素の外側表面に付着された熱伝導性膜とを含む。好ましいのは、流体が流体路を横切るときに確立される一次の流れ場に実質的に直交する二次流体の流れ場を生成する、一連の屈曲部を有することである。
熱伝導性膜は、予熱器アセンブリがクロマトグラフィカラムのための能動式加熱源に隣接して配置されたとき、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から担体要素および渦巻き型チューブに熱を伝達する。
さらに、予熱器アセンブリは、渦巻き型チューブの第1の末端部を注入器に流体的に接続し、渦巻き型チューブの第2の末端部をクロマトグラフィカラムに流体的に接続するための、渦巻き型チューブの第1および第2の末端部と関連付ける手段を含む。たとえば、渦巻き型チューブを接続するための手段は、ネジが切られた末端フィッティング、またはクイックディスコネクトを含むことができる。
さらに、本発明は、とりわけ、所望の圧および速度で混合流体を供給するための流体注入器と、流体注入器から混合流体を受け入れるための予熱器アセンブリと、予熱器アセンブリから混合流体を受け入れ、その部分を吸収するようになされ構成されたクロマトグラフィカラムと、カラム中に収容された流体を加熱するために、クロマトグラフィカラムと直接接触した能動式加熱源とを含む、クロマトグラフィシステムを提供する。予熱器アセンブリは、上述のように構築することができる、斬新なクロマトグラフィシステム中に存在する。
さらになお、本発明は、とりわけ他のステップの中でも、
a)所望の圧および速度で混合流体を供給するための流体注入器を設けるステップと、
b)予熱器アセンブリの第1の末端部を注入器に流体的に付着するステップであって、予熱器アセンブリが、流体注入器から混合流体を受け入れ、それに熱を受動的に供給するようになされる、ステップと、
c)クロマトグラフィカラムを予熱器アセンブリの第2の末端部に流体的に付着するステップであって、カラムが、予熱器アセンブリから予熱された混合流体を受け入れ、その部分を吸収するようになされ構成される、ステップと、
d)カラム中に収容された流体を加熱するために、クロマトグラフィカラムと直接接触した能動式加熱源を設けるステップと、
e)予熱器アセンブリに供給される混合流体をそれによって加熱するように、能動式加熱源に隣接して予熱器アセンブリを配置するステップとを含むクロマトグラフィの方法を対象とする。
この独創的な方法は、さらに、渦巻き型チューブの外側表面に、能動式加熱源に隣接して熱伝導性膜を付着するステップを含むことができることが予想される。この膜は、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から渦巻き型チューブに熱を伝達する。
さらに、本方法は、その外側表面中に少なくとも1つのチャネルを有し、渦巻き型チューブを受け入れるようになされた、予熱器アセンブリのための担体要素を設けるステップを含むこともできる。
開示されるシステムが属する技術分野の当業者が、どのようにシステムを製作しそれを使用するかを、より容易に理解できるように、添付図面を参照することができる。
本出願の受動式予熱器アセンブリのこれらおよび他の特徴が、好ましい実施形態の以下の詳細な記述から、当業者に、より容易に明らかになるはずである。
ここで図面を参照すると、図2から4に、主発明の実施形態によって構築された配管アセンブリが示してあり、参照番号10によって表してある。配管アセンブリ10は、図5Aから5Cおよび図6Aから図6Dに示すように、受動式カラム予熱器アセンブリ100中で使用されるようになされる。
配管アセンブリ10は、とりわけ、チューブ12と、第1および第2の末端フィッティング14(1つのみ示す)とを含む。チューブ12は、渦巻き部分16と、実質的に直線の末端部分18a、18bと、末端部分18aと末端部分18bの間に延在する中央通路とを有する。フィッティング14は、チューブ12のそれぞれ末端部18a、18b上に設けられており、それによってクロマトグラフィシステム中の注入器とクロマトグラフィカラムの間に予熱器アセンブリ100が容易に流体的に接続される。図3に示すように、末端フィッティング14は、注入器から出て来た、あるいはクロマトグラフィカラム配管に繋がるチューブまたはパイプのコネクタ上に設けられた対応する雌ネジと係合するようになされた、その外側表面上に形成された一連の雄ネジ22を有する。
ここで図2を参照すると、チューブ12の一部分は、固定具20を使用することによって、渦巻き形にされている、または迷路のような構成に巧みに処理されている。このような形でチューブ12を形作る目的は、本明細書に以下で詳細に記述される。固定具20は、主に、その上側表面上に溶接された2列のスタッド26を有する鋼板24と、1片の円筒形バー28とを含む。スタッド26は、軸方向2列に沿って等しく隔置されているが、第2の列のスタッドは、第1の列のスタッドから軸方向にオフセットされる。可撓性チューブ12は、スタッド26のまわりで曲げられて平面的な迷路を形成する。次いで、円筒形バー28を使用して平面的な迷路を三次元の渦巻き形に曲げる。当業者は、本開示の独創的な態様から逸脱せずに、多数の方法を使用してチューブ12の一部分を渦巻状にすることができることを容易に理解するはずである。
さらに、予熱器アセンブリ100は、外側表面34中に形成された複数のチャネル32を有する担体要素30を含む(図4)。チューブ12の渦巻き形の一部分16が、チャネル32内に配置される。担体要素は、カラムトレイ50中に挿入されるようになされたU字型の軸方向断面を有する(図5C参照)。この実施形態では、担体要素30は、アルミニウムから製作されるが、当業者は、他の熱伝導性材料を使用することができることを容易に理解するはずである。
予熱器アセンブリ100の受動的な熱伝達能力を向上させるために、熱伝導性膜40が渦巻き型チューブ12および担体要素30の外側表面に付着される(図5A)。熱伝導性膜40は、予熱器アセンブリ100が能動式加熱源に隣接して配置されたとき、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源(たとえば、抵抗加熱器)から渦巻き型チューブ12に熱を伝達する。
図5Aから5Cに、受動式予熱器アセンブリ100の上記の実施形態をクロマトグラフィシステムに取り付けるための手順が示してあり、要約すると以下のようになる。
1.熱伝導性膜40からプラスチックライナを除去する。
2.図5Bに示すように、伝導性膜の上部縁部42に沿って配管アセンブリ10および担体要素30を中心に置く。
3.受動式予熱器アセンブリ100のまわりに熱伝導性膜40を巻き付ける。
4.その上および下の縁部42、44それぞれによって、膜がすっぽり包んだアセンブリを保持しながら、そのアセンブリをカラムトレイ50中に挿入する。
5.末端フィッティング14を使用することによって、チューブ12の末端部分18aを注入器上の「カラム方向へ」のポートに接続する。
6.チューブ12の末端部分18bをカラムの流入末端部に接続する。(注:ガードカラムを使用する場合、配管を折り曲げて受動式加熱器内にガードカラムを配置する)。
現在述べている実施形態では、予熱器アセンブリは、カラム加熱器と熱的に接触して配置される。チューブ12およびチューブ内のサンプルが、それらのカラム加熱器との熱的結合のため、カラム加熱器の「設定」温度(すなわち、カラムの所望の温度)と同じ温度まで加熱されるので、受動的に加熱される。したがって、予熱器アセンブリ100のための別の制御ループが無く、カラム加熱器だけがフィードバック構成を使用して制御される。
受動式予熱器アセンブリ100は、帯域拡張または分散を最小にする、あるいは減少することと相まって、混合流体(すなわち、サンプル)がカラムに入る前に混合流体を受動的に予熱することを可能にする。配管アセンブリを織る、曲げるまたは渦巻き形にすることは、配管アセンブリが、一次流体流の流れの中に二次流を促して起こさせる、一連の密接した屈曲部を有するようにするものである。さらに、屈曲部は、サンプルが配管アセンブリを通過するとき、二次の流れ場を使用してサンプルを成型し制御することによって、サンプル帯域拡張/分散を正味で減少するように製作される。より具体的には、三次元でのチューブの曲げによって、サンプルがチューブを通過するときに、サンプルボーラスを維持する助けとなる二次流が生じる。帯域拡張の程度は、一般に、直線のチューブではチューブ長に直接比例する。この三次元に織ることまたは渦巻きにすることは、二次流によって帯域拡張を減少させる傾向がある。適切な渦巻き構造を有するチューブは、同等長の直線の配管より小さい帯域拡張を示すことになり、より長いチューブより小さい帯域拡張をもたらすことさえ可能である。
本発明は、好ましい実施形態に関して述べてきたが、当業者は、特許請求の範囲で定められる本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更および/または修正を行うことができることを容易に理解するはずである。
本明細書で開示された特許すべて、公開特許出願および他の文献は、参照によってその全体が本明細書に、これによってはっきりと組み込まれる。
主発明が好ましい実施形態に関して述べられてきたが、当業者は、本発明の精神または範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更および/または修正を行うことができることを容易に理解するはずである。
本発明の実施形態を使用することができる、通常のクロマトグラフィシステムの概略図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリ中で使用される渦巻き型チューブの実施形態および例示の組立固定具の上面斜視図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリの実施形態の正面図である。 図3の受動式予熱器アセンブリの上面斜視図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリをクロマトグラフィシステムのカラム加熱器トレイ中に取り付けるための代表的な方法を示す図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリをクロマトグラフィシステムのカラム加熱器トレイ中に取り付けるための代表的な方法を示す図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリをクロマトグラフィシステムのカラム加熱器トレイ中に取り付けるための代表的な方法を示す図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリの代表的な実施形態の正面図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリの代表的な実施形態の平面図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリの代表的な実施形態の断面図である。 本発明の受動式予熱器アセンブリの代表的な実施形態の斜視図である。

Claims (16)

  1. 混合流体が注入器から能動式加熱源を有するクロマトグラフィカラムに供給されるクロマトグラフィシステムにおいて使用される、受動式予熱器アセンブリにおいて、予熱器アセンブリが、
    a)屈曲したチューブのための担体要素を含み、
    )第1および第2の末端部、およびそれらの間の中央に延在する流体路を有する屈曲したチューブを含み、前記屈曲したチューブは、複数の屈曲部が一次流体流の流れの中に二次流を促して起こさせるように、連続する屈曲部が前の屈曲部から前記担体要素の軸の方向にずれるように配置された複数の屈曲部を有するように形成され、更に、
    )屈曲したチューブの第1および第2の末端部にそれぞれ付着された第1および第2の末端フィッティングであって、第1の末端フィッティングが、屈曲したチューブの第1の末端部を注入器に流体的に接続するようになされており、第2の末端フィッティングが屈曲したチューブの第2の末端部をクロマトグラフィカラムに流体的に接続するようになされている、第1および第2の末端フィッティングとを含む、受動式予熱器アセンブリ。
  2. 屈曲したチューブの外側表面に付着され、予熱器アセンブリが能動式加熱源に隣接して配置されたとき、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から屈曲したチューブへ熱を伝達するようになされた熱伝導性膜をさらに含む、請求項1に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  3. 前記担体要素が、その外側表面中に形成され、屈曲したチューブを受け入れるようになされた少なくとも1つのチャネルを有する、請求項1に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  4. 担体要素が、アルミニウムからなる、請求項3に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  5. 担体要素が、U字形の軸方向断面を有し、カラムトレイ中に挿入されるようになされ構成される、請求項3に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  6. 混合流体が注入器から能動式加熱源を有するクロマトグラフィカラムに供給されるクロマトグラフィシステムにおいて使用される、受動式予熱器アセンブリにおいて、予熱器アセンブリが、
    a)その外側表面中に形成され、屈曲したチューブを受け入れるようになされた少なくとも1つのチャネルを有する、予熱器アセンブリのための担体要素を含み、
    )第1および第2の末端部、およびその間の中央に延在する流体路を有する屈曲したチューブを含み、前記屈曲したチューブは、複数の屈曲部が一次流体流の流れの中に二次流を促して起こさせるように、連続する屈曲部が前の屈曲部から前記担体要素の軸の方向にずれるように配置された、複数の屈曲部を有するように形成され、更に、
    )屈曲したチューブの第1の末端部を注入器に流体的に接続し、屈曲したチューブの第2の末端部をクロマトグラフィカラムに流体的に接続するための、屈曲したチューブの第1および第2の末端部と関連付ける手段と、
    d)担体要素の外側表面に付着され、予熱器アセンブリがクロマトグラフィカラムのための能動式加熱源に隣接して配置されたとき、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から担体要素および屈曲したチューブへ熱を伝達するようになされた熱伝導性膜とを含む、受動式予熱器アセンブリ。
  7. 担体要素がアルミニウムからなる、請求項6に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  8. 担体要素が、U字形の軸方向断面を有し、カラムトレイ中に挿入されるようになされ構成された、請求項6に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  9. クロマトグラフィシステムにおいて、
    a)所望の圧および速度で混合流体を供給するための流体注入器と、
    b)流体注入器から混合流体を受け取るための予熱器アセンブリであって、予熱器アセンブリが、
    i)屈曲したチューブのための担体要素と、
    ii)第1および第2の末端部、およびその間の中央に延在する流体路を有する屈曲したチューブであって、前記屈曲したチューブが、複数の屈曲部が混合流体のために一次流体流の流れの中に二次流を促して起こさせるように、連続する屈曲部が前の屈曲部から前記担体要素の軸の方向にずれるように配置された複数の屈曲部を有するように形成された、前記屈曲したチューブと、
    iii屈曲したチューブの第1および第2の末端部にそれぞれ付着された第1および第2の末端フィッティングであって、第1の末端フィッティングが、屈曲したチューブの第1の末端部を流体注入器に流体的に接続するようになされており、第2の末端フィッティングが、屈曲したチューブの第1の末端部をクロマトグラフィカラムに流体的に接続するようになされる、第1および第2の末端フィッティングとを含む、予熱器アセンブリと、
    c)予熱器アセンブリから混合流体を受け入れ、混合流体の一部分を分離するようになされ構成されたクロマトグラフィカラムと、
    d)カラム中に収容された流体を加熱するためにクロマトグラフィカラムと直接接触した能動式加熱源とを含むクロマトグラフィシステムであって、
    チューブ中の混合流体がそれによって加熱されるように、予熱器アセンブリの屈曲したチューブが能動式加熱源に隣接して配置される、クロマトグラフィシステム。
  10. 屈曲したチューブの外側表面に付着され、能動式加熱源に隣接した熱伝導性膜をさらに含み、膜が、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から屈曲したチューブへ熱を伝達するようになされる、請求項9に記載のクロマトグラフィシステム。
  11. 前記担体要素が、その外側表面中に形成され、屈曲したチューブを受け入れるようになされた少なくとも1つのチャネルを有する、請求項9に記載のクロマトグラフィシステム。
  12. 担体要素が、アルミニウムからなる、請求項11に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  13. 担体要素が、U字型の軸方向断面を有し、カラムトレイ中に挿入されるようになされ構成される、請求項11に記載の受動式予熱器アセンブリ。
  14. クロマトグラフィの方法において、その方法が、
    a)所望の圧および速度で混合流体を供給するための流体注入器を設けるステップと、
    b)予熱器アセンブリの第1の末端部を注入器に流体的に付着するステップを有し、予熱器アセンブリが、流体注入器から混合流体を受け入れ、それに熱を受動的に供給するようになされ、及び、
    i)屈曲したチューブのための担体要素を含み、
    ii)第1および第2の末端部、およびそれらの間の中央に延在する流体路を有する屈曲したチューブを含み、前記屈曲したチューブは、複数の屈曲部が一次流体流の流れの中に二次流を促して起こさせるように、連続する屈曲部が前の屈曲部から前記担体要素の軸の方向にずれるように配置された複数の屈曲部を有するように形成され、更に、
    iii)屈曲したチューブの第1および第2の末端部にそれぞれ付着された第1および第2の末端フィッティングであって、第1の末端フィッティングが、屈曲したチューブの第1の末端部を注入器に流体的に接続するようになされており、第2の末端フィッティングが屈曲したチューブの第2の末端部をクロマトグラフィカラムに流体的に接続するようになされている、第1および第2の末端フィッティングとを含み、更に、
    c)クロマトグラフィカラムを予熱器アセンブリの第2の末端部に流体的に付着するステップであって、カラムが、予熱器アセンブリから予熱された混合流体を受け入れ、その一部分を吸収するようになされ構成される、ステップと、
    d)カラム中に収容された流体を加熱するために、クロマトグラフィカラムと直接接触した能動式加熱源を設けるステップと、
    e)予熱器アセンブリに供給される混合流体がそれによって加熱されるように、能動式加熱源に隣接して予熱器アセンブリを配置するステップとを含む、クロマトグラフィの方法。
  15. 能動式加熱源に隣接して屈曲したチューブの外側表面に熱伝導性膜を付着するステップをさらに含み、膜が、クロマトグラフィカラムの能動式加熱源から屈曲したチューブへ熱を伝達するようになされる、請求項14に記載のクロマトグラフィの方法。
  16. 前記担体要素が、その外側表面中に形成され、屈曲したチューブを受け入れるようになされた少なくとも1つのチャネルを有する、請求項14に記載のクロマトグラフィの方法。
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