JP5114587B2 - Ｈｐｌｃを用いて材料特性を決定する装置および方法 - Google Patents

Description

技術水準
本発明は、
（ａ）液状の移動溶媒を有するクロマトグラフィ分離カラムと；
（ｂ）分離カラム内の温度を室温と２５０℃との間に制御する手段と；
（ｃ）分離カラム内の環境圧力よりも高い圧力レベルを作成する手段と；
（ｄ）サンプルの成分を導入するよう構成されたサンプルボリュームを有する検出器と；
を含む、サンプルの成分の材料特性および／または材料濃度を決定するアセンブリに関する。

液体クロマトグラフィにおいて、サンプル、たとえば異なる成分の材料の混合物は、移動溶媒と共に、クロマトグラフィ分離カラムを通って導かれる。分離カラムは固定相で満たされる。移動溶媒の極性に応じ、そのサンプルとの相互作用に応じ、また固定相に応じ、成分は異なる保持期間の後にカラムの出口に達する。断片を検出するために検出器が提供される。このような方法で、材料の混合物は分離され、クロマトグラムが作成され、材料の存在について、また必要であれば、その量について、情報を提供する。移動溶媒に応じて、ガスクロマトグラフィは液体クロマトグラフィから区別される。

原子発光検出器（Ａｔｏｍｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）と動作するガスクロマトグラフィアセンブリは、ＧＣ−ＡＥＤとして既知である。サンプルは気体状のキャリアガスと共にクロマトグラフィカラムを通って導かれ、その後マイクロ波プラズマに原子化される。原子は２０００から３０００ケルビンで熱的に励起される。励起状態から、原子は通常の状態に戻り、元素固有の波長で光を放出する。放射は適切な分析器において分散され、検出器、たとえばダイオードアレイによって記録される。検出器における強度は、サンプルにおける元素の量についての大きさである。クロマトグラフィ分離に応じて、信号は検出器において時間分解されて現れる。マイクロ波によって誘発されるヘリウムプラズマが、プラズマの生成に用いられる。

マイクロ波プラズマは、幾何学的に比較的小さなプラズマトーチにおいて生成され、これはガスクロマトグラフィに用いられる。有利には、プラズマの生成についてと同じく、ヘリウムがキャリアガスとして用いられる。トーチは、０．８から１ｍｍの直径を有するクオーツまたはセラミックの管から成る。サンプルが分解された溶媒は、有機体炭素の形で管表面に堆積することができる。そこで壁はとりわけ熱くなり、損傷を受けうる。したがって、溶媒は抑制され、プラズマ内に導かれない。これは複雑である。

ＩＣＰ−ＯＥＳ（誘導結合プラズマ発光分析）はまた、クロマトグラフィについての検出器として適した方法である。約８０００ケルビンのアルゴンプラズマが、誘導コイルによって生成される。液状のサンプルはエアロゾルの形状でプラズマに導入され、原子化され、励起される。このような方法で生成された発光スペクトルは、マイクロ波プラズマの場合と同じ方法で分析されることができる。ＩＣＰトーチにおけるプラズマボリュームは、１から２ｃｍである内径を有する。プラズマは非常に熱いので励起状態における原子および分子の高い生産量が実現される。あるいは、ＩＣＰ−ＭＳにおいて原子は光学的よりむしろ質量分析法によって検査される。

ＨＰＬＣ（高圧液体クロマトグラフィ）において、分離は気体状ではなく液状の移動溶媒を用いて高圧下で行われる。アセトニトリル、テトラヒドロフランと水などの有機溶媒は、通常、逆相ＨＰＬＣの移動溶媒として用いられる。したがって、強力な干渉を引き起こしうる非常に大量の有機溶媒が用いられる。上述の技術はＨＰＬＣについて適応されない。さらに、単位時間あたりのベースライン分離されたピークの最大数は、ガスクロマトグラフィにおけるものよりも小さい。

特開平４−２１８７６３号公報 特開２００４−２５７７８６号公報 特開昭６３−８５４０号公報

液体クロマトグラフィについてインターフェイス（ネブライザ）を使用することは、検出器としての（真空）質量分析器について既知である。サンプル成分を有する有機移動溶媒のエアロゾルがインターフェイスにおいて生成される。エアロゾルはその後、質量分析法によって分析される。このことは困難で高価である。

発明の目的
本発明の目的は、シンプルで、安く、移動溶媒による干渉がサンプルのより高いスループットによって減少される、上述の種類の装置を作成することである。

発明の説明
本発明によると、移動溶媒が主に水を含み、分離カラム内部の高圧レベルから環境圧力へ移動溶媒を膨張させ、移動溶媒の気相状態から液相状態への相変化を引き起こす手段が提供され、サンプルの成分を含む気体状の移動溶媒を検出器のサンプルボリュームへ移動させる手段が提供される点において、この目的は達成される。

水が移動溶媒として用いられる既知のアセンブリと反対に、移動溶媒を含むサンプルは、冷めることなく、液状で、サンプルボリュームに導入される。水は高温で、大気圧へと膨張する。水は圧力の低下により、蒸発して気体となる。したがって、サンプルはエアロゾルの形状ではなく、気体状でサンプルボリュームにスプレされる。高温ガスはそこで、サンプルボリュームへ導入される。それにより、困難な冷却が回避される。基質に水のみが存在すること、したがってアセンブリが基質バックグラウンドに干渉することなく動作することは、とりわけ有利である。このような方法で、非常に良好な検出限界と高い精度を得ることができる。成分は汚染されず、移動溶媒からの沈殿はない。水によって作られる水素および酸素の部分は、サンプルボリューム内でドーパントガスとして機能し、原子の形成をサポートする。水は、容易に入手でき、既知の物理的および化学的特性を有する、低コストで環境に優しい原料である。

クロマトグラフィカラムにおける分離は、適切な温度管理により行われる。分離は、広い範囲にわたって制御されることができる、水の極性の温度依存性に基づく。

好ましくは、クロマトグラフィ分離カラムは高温ＨＰＬＣカラムである。カラムおよび固定相についての耐熱性の高い材料によって、アセンブリの温度幅、したがって応用分野が拡大されることができる。

サンプルボリュームにおけるサンプルの成分は、励起されて波長に対して選択的に検出可能な光を放出することが好ましい。放出された光は、光学分析計において、たとえば格子またはプリズムを用いて分散されてよく、同時に、ダイオードアレイまたはＣＣＤ検出器を用いて時間分解されて記録されることができる。応用分野に応じて、特定の波長に調整された単色アセンブリと同様に、全ての波長を同時に検出する分析アセンブリが用いられることができる。

あるいは、サンプルボリュームにおけるサンプルの成分の質量分析のための質量分析計が提供される。いくつかの質量を質量選択的に記録する、または同時に記録するバリエーションは、適した質量分析計である。

サンプルボリュームにおいて、マイクロ波プラズマまたは誘導結合プラズマが提供されることができる。ＡＥＤアセンブリに用いられるマイクロ波プラズマは、約２５００Ｋの範囲の低温で動作し、元素固有で識別が容易である、主に狭い、明確な原子線を作る。分子残留によるバックグラウンド干渉が起こり得る。一方、誘導結合プラズマは、約８０００Ｋの相当に高い温度においてイオン線を生じ、相当に高い生産力を有する。しかし、放出スペクトルの生成のためのその他のアセンブリもまた用いられることができる。

本発明のとりわけ好適な実施形態において、サンプルの成分を含む気体状の移動媒体を運ぶ手段を加熱する手段が提供される。とりわけ、これらの手段はヒータおよび任意に気体の温度を制御する制御手段から構成される。加熱により、気体の沈殿は回避され、分子の熱分離が達成される。加熱する手段は、サンプルの成分を好適に原子化するのに充分である加熱力を有することが好ましい。そこで、気体は、サンプルボリュームに入ると原子化され、すぐに検出されることができる。

気体はまた、その検出に先立って、インターフェイスでイオン化されることができる。
本発明の１実施形態において、１以上の追加のドーパントガスがサンプルボリュームに供給されることができる。移動媒体が充分な水と酸素を運搬するため、通常、これは必要ではない。ドーパントガスを用いて、低揮発性の化合物の内容がより良く測定されることができるよう、高揮発性物質の形成がサポートされる。

好ましくは、水とアセトニトリルの混合物が移動媒体として提供され、水：アセトニトリルの混合物の組成は、ボリュームに基づき、９５：５から５５：４５の範囲にある。

さらに、アセンブリは、溶出液の分離に適する。さらなる出口を有するリストリクタが供給される。溶出液の一部分のみが気相状態に移行し、適した検出器を用いて測定される。さらなる部分は冷却されて液体のままである。これは従来の検出器、たとえばＤＡＤを用いて、この相で測定される。

本発明の改良は、下位クレームの主題である。本発明の実施形態は、添付の図面を参照して、以下により詳細に説明される。

図１は、ＨＰＬＣカラム、インターフェイス、および検出器を有するアセンブリを示す。 図２は、図１のインターフェイスを詳細に示す。 図３は、原子放出検出器を有する図１のアセンブリを詳細に示す。

実施形態の説明
図１は、サンプルの成分の材料特性、および／または、材料濃度を決定する、通常は参照番号１０で示されるアセンブリを示す。天然の材料のサンプルは、たとえば、このようなアセンブリを用いて分析されることができ、ステロイドまたは抗生物質が決定されることができる。全てのサンプルは複数の成分から構成され、検出器を用いた測定に先立ち、これらは相互に分離される必要がある。

アセンブリ１０は、通常は参照番号１２で示されるサンプラおよび分離装置、検出器１４、およびその間のインターフェイス１６から構成される。

この場合、サンプルはオートサンプラ１８を用いて、カラム炉を有するモジュール２０で示される従来のＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィ）カラムに導入される。移動媒体は脱気装置２２で脱気され、ポンプ２４を用いて３００バールの圧力にされる。

ＨＰＬＣカラムは、ステンレススチールまたはＰＥＥＫ材料から成り、０．１から４．６ｍｍの範囲の内径を有する。長さは１０から５００ｍｍである。これを用いて０．１μｌから３ｍｌ／分の範囲の流速を生じることができる。腐食することなく、またその他の損傷を受けることなく、カラムが２００℃の範囲に加熱されることができるよう、材料全体は高い耐熱性を有する。固定相は、ＺｉｒＣｈｒｏｍ（登録商標）材料などの既知の耐熱材料から成る。これは、たとえば元素炭素の薄層などで被覆された酸化ジルコニウムの粒子から成る。このような被覆の代わりに、共有結合によって粒子に拘束されたＣ１８リガンドが、また適している。逆相材料、ＧＰＣ材料、およびＩＣ材料がまた、固定相に適している。

カラムはカラム炉によって加熱される。時間における温度勾配はそれにより、環境温度と２００℃との間に生成される。主に水を含む移動媒体はそれにより、その極性を広範囲にわたって変動させる。このような方法で、サンプルに含まれる成分はカラムを通過する間に分離される。

移動溶媒における水部分は、適用に応じて変動する。分析段階の間、移動溶媒は少なくとも４０％の高い割合の水から成る。分析段階を終えた後、有機媒体の部分は勾配が形成されるように増加する。このような方法で、サンプル残留はカラムから除去されることができる。

カラムを通過した後、依然液体であり、熱く、高圧下にある移動溶媒の中のサンプルは、インターフェイス１６に達する。インターフェイス１６は、図２に詳細に再び示される。これは、連結部２８および３０を有するステンレススチールコーン２６から構成される。ＨＰＬＣカラムは連結部２８にねじ入れられる。連結部３０は、検出器１４のサンプルボリュームへのリンクを形成する。コーン２６はヒーティングワイヤ３２で完全に囲まれている。ヒーティングワイヤ３２は制御部（図示されない）に接続されて、室温から４００℃の間の範囲にコーンを加熱する。コーン２６の内部には、ステンレススチールまたはセラミックの管３４が配置される。管３４は連結部２８と連結部３０とを接続する。連結部２８の背後に、インターフェイス１６のほぼ中央に、とりわけフリット、臨界ノズル、または開口プレートである、変動リストリクタ３６が配置される。リストリクタはスロットルを形成する。リストリクタ３６の前のゾーン３８において、サンプルを有する移動溶媒は液体であり、高圧下にある。リストリクタの背後のゾーン４０において環境圧が存在する。リストリクタ３６を通じてゾーン４０に入る移動溶媒は、すぐに蒸発する。それにより該移動溶媒の大部分が冷める。

しかし温度は、ヒータ３２によって維持され、エアロゾルは形成されない。現在気体状である移動溶媒は、連結部３０を通じて検出器１４のサンプルボリュームに入る。

リストリクタ３６の背後には、管３４がドーパントガスのための連結部４２を有する。適用に応じて、水素分子または酸素分子の形状であるさらなるドーパントガスを追加することは意味をなすであろう。このことは、サンプルボリュームにおいて励起することが困難である、低揮発の物質または複数の物質の検出を容易にする。

図３において、検出器がより詳細に示される。連結部３０においてインターフェイス１６から出る気体は、すぐにサンプルボリューム４４内に送られる。サンプルボリューム４４は、マイクロ波ジェネレータ４８に配置される管４６によって囲まれる。ヘリウムが、その中の２０００から３０００Ｋの温度のヘリウムプラズマをその中で誘起するマイクロ波ジェネレータ４８の管４６に挿入される。プラズマに導入されたサンプルおよび、プラズマに入るサンプルのそれぞれの時間分解された成分は、ここで原子化され、励起されて、元素固有の光を放出する。

原子および分子の断片は、既知の波長の狭帯域の放射を放出する。この光は、レンズ５０を用いて分析計５２の入口スリットに集中される。分析計５２において、光は、光検出器によって選択的に検出される格子および波長を用いて分散される。格子の位置に応じて、他の波長範囲が、格子の回転により、検出器上にイメージされることができる。このような方法で、どの元素またはどの分子断片が検出されるべきかが決定される。

移動媒体の組成は、適用問題に応じて変動する。ステロイドの決定のための移動溶媒としてもっぱら水が用いられる。水：アセトニトリル：ＨＣＯＯＨが８０：２０：１である混合物が、抗生物質の決定のために用いられる。しかし、いずれのばあいにおいても、有機溶媒の部分は小さい。したがって、プラズマの有機成分の信号による干渉は、回避され、または著しく減少する。したがって、測定のダイナミックレンジと同様、結果の正確さが改良される。

代替実施形態において、ＩＣＰ−ＭＳアセンブリが、マイクロ波プラズマの代わりに検出器として用いられる。この場合、インターフェイスで生成される気体は、直接アルゴンプラズマに送られる。質量分析計を用いての検出は、通常の方法で行われ、ここにより詳細に説明する必要はない。望ましくない有機バックグラウンドによる干渉もまた、著しく減少する。サンプルボリュームに入る前に溶媒を除去するアセンブリは必要でない。

他の実施形態において、膨張および相変化は相互に分離される。このために、リストリクタの背後に冷却手段が提供される。移動溶媒はまず、相変化なしで膨張する。それにより、相変化の後にサンプルボリュームに導入される中間エアロゾルが形成される。この移行段階の間、粒子または分子を整列させ、加速させ、選択する機会が、移動溶媒が気相状態に移行する前に提供される。

他の実施形態において、移動溶媒はすぐにサンプルボリューム内のプラズマへと膨張する。このため、リストリクタは耐熱性の高いセラミックから作られ、プラズマ内に配置される。

１０ アッセンブリ、１２ サンプラおよび分離装置、１４ 検出器、１６ インターフェイス、１８ オートサンプラ、２０ カラム炉を有するモジュール、２２ 脱気装置、２４ ポンプ、２８、３０ 連結部、３２ ヒーティングワイヤ、３４ 管、３６ リストリクタ、３８ 前のゾーン、４０ 背後のゾーン、４２ ドーパントガス用連結部、４４ サンプルボリューム、４６ 管、４８ マイクロ波ジェネレータ、５０ レンズ、５２ 分析計。

Claims (7)

1. （ａ）液状の移動溶媒とともに作用するようにされた高温ＨＰＬＣカラム形式のクロマトグラフィ分離カラムを含み、この分離カラムは内側と外側を有し、前記内側は内側温度を有し、前記外側は環境温度と環境圧力を有し；
   （ｂ）前記内側温度を室温と２５０℃との間に制御する手段と；
   （ｃ）環境圧力よりも高められた圧力レベルを前記内側内において生じる手段と；
   （ｄ）サンプルの成分を挿入するようにされたサンプルボリュームを有する原子発光検出器と；をさらに含み、
   （ｅ）前記分離カラムと前記検出器との間において管とこの管内のリストリクタを備えたインターフェイスが設けられており、リストリクタは前記分離カラム内部の前記高められた圧レベルから前記環境圧力へ前記移動溶媒を膨張させて、エアロゾルを形成することなく液相状態から気相状態へ前記移動溶媒の相変化を生じさせるようにされており、前記サンプルを含む前記移動溶媒はリストリクタの上流範囲内において液体であって高められた圧力にさらされており、前記環境圧力はリストリクタの下流に存在しており；
   （ｆ）リストリクタの下流範囲を加熱するための手段が設けられており；
   （ｇ）前記サンプルの成分を含む気体状の前記移動溶媒を前記検出器の前記サンプルボリューム内へ運ぶ手段が設けられており；
   （ｈ）前記サンプルボリューム中のサンプルの成分は、前記原子発光検出器で波長に関して選択可能な光を放出するように、主に前記サンプルの成分を原子化するに十分な加熱力を有する加熱手段、マイクロ波、または誘導結合プラズマによって励起される
   ことを特徴とする、サンプルの成分の材料特性および／または材料濃度を決定するアセンブリ。
2. １以上の追加のドーパントガスがサンプルボリューム内に供給されることができることを特徴とする、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 水とアセトニトリルとの混合が移動溶媒として提供されることと、水部分が合計で少なくとも５０容量パーセントとなることとを特徴とする、請求項１または２に記載のアセンブリ。
4. 水、アセトニトリルおよびＨＣＯＯＨの混合が移動溶媒として提供されることと、水：アセトニトリル：ＨＣＯＯＨの成分の体積比が８０：２０：１であることとを特徴とする、請求項１から３のいずれか１項に記載のアセンブリ。
5. （ａ）主に水を含む移動溶媒を用いて高圧下でサンプルを高温ＨＰＬＣクロマトグラフィ分離カラムに導入するステップと；
   （ｂ）分離カラムを通過する間にサンプルの成分を相互に分離するのに充分である分離カラム内の温度まで、分離カラムを加熱するステップと；
   （ｃ）分離カラム内の高圧レベルから環境圧力まで、液相状態から気相状態への移動溶媒の相変化下で移動溶媒を膨張させるステップと；
   （ｄ）サンプルの成分を含む気体状の移動溶媒を検出器のサンプルボリュームへ運ぶステップと；
   （ｅ）サンプルをサンプルボリューム内へ導入して、波長に関して選択可能に検知し得る光を放出するように、主に前記サンプルの成分を原子化するに十分な加熱力を有する加熱手段、マイクロ波、または誘導結合プラズマによって前記サンプルボリューム中のサンプルを励起してサンプルの成分を検出するステップと；
   から構成される、サンプルの成分の材料特性および／または材料濃度を決定する方法。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアセンブリ内の移動溶媒としての主にまたはもっぱら水を含む液体の使用。
7. 請求項１から４のいずれか１項に記載のアセンブリにおける使用のために、原子発光検出器を高温ＨＰＣＬクロマトグラフィ分離カラムに接続するインターフェイスであって、
   （ａ）主に水である液状の移動溶媒のために環境圧力に比べて高められた圧力を有しかつ高められた温度にあるクロマトグラフィ分離カラムを接続するための接続手段と；
   （ｂ）管およびこの管内のリストリクタとを含み、このリストリクタは前記分離カラム内の高められた圧力レベルから前記環境圧力へ前記移動媒体を膨張させて、エアロゾルを形成することなく前記移動媒体の液相から気相への相変化を生じさせ、サンプルを含む前記移動媒体はリストリクタの上流の範囲において液体であって高められた圧力にされされており、前記環境圧力はリストリクタの下流に存在しており；
   （ｇ）サンプルの成分を含む気体状の前記移動溶媒を検出器のサンプルボリュームへ運ぶ手段をさらに含む
   ことを特徴とする、インターフェイス。

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