JP5376382B2 - フローストリーム用の変動比フロースプリッタ - Google Patents

Description

本発明は、クロマトグラフィシステム、抽出システムおよび反応システムなどの化学計測システムを含む流体システムで使用するフロースプリッタに関する。

２つ以上の経路へのフローストリームの再分割は、最近の化学計測において頻繁に要求されている。別個のフローストリームを生成するために使用される装置は一般的にフロースプリッタと称する。頻繁に、フロースプリッタは、ある化学処理ステップの進行（例えば、分離、抽出または反応進行）を一般的に測定するために、フローシステムの出力のある代表的な部分を電子検出器に提供するために使用されている。

分析液体クロマトグラフィは、液体溶媒に溶解された溶質の複雑な混合物の分離に使用されている。異なる種類の溶質と異なる程度で作用するように化学修飾された非常に小さく高表面積のシリカ球体が詰められた分離カラムに液体移動相を通すために、高圧ポンプシステムが使用されている。修飾されたシリカ表面と溶質との間の強い相互作用によって、弱い相互作用よりも長い期間、表面で溶質が保持される。したがって、溶質の混合物について、シリカ表面との相互作用がより弱いものが、相互作用が強いものよりも短い期間で分離カラムから出現する。

液体移動相は、また、特定の溶質が分離カラムでかかる時間に重要な役割を果たす。弱い溶媒は分離表面から溶質を取り除くことができないものである。強い溶媒は表面上により強く吸着された溶質を容易に再溶解するものである。異なって作用する多様な溶質を備えた混合物については、グラディエント溶離と呼ばれる技術が使用されている。この場合、本来の移動相は、それを非常に弱い溶媒にする組成で始まる。組成は、強い溶媒の相対濃度を高めることによって徐々に変えられる。最大組成が達せられる、または溶質がすべてカラムから溶出されるまで、そのプロセスは継続する。

その結果は、分離カラムに導入された溶質の複雑な混合物が、異なる時間で、および修飾されたシリカ表面および移動相とのそれらの相互作用の強度に基づいて移動相の異なるフロー部分において、個々の溶質として出現することである。溶質が移動相フローストリームの異なるフロー部分に分離された状態で、フローは、溶質の物理的特性（例えば、分子量、ＵＶ−可視光吸収、屈折率、電気化学的還元、または酸化電位など）に基づいた特定の種類の溶質の存在を感知することができる電子検出器を通って移動させることができる。そのような検出器は、存在する溶質の量を定量化し、または混合物中の特定の成分の有無を定性化するために分析クロマトグラフィで簡単に使用される電子信号を生成する。非常に小さな粒子の充填カラムを介して高圧ポンプを使用して性能が大幅に改善されたので、最新技術は、知られている高性能液体クロマトグラフィすなわちＨＰＬＣとなった。

分取高性能液体クロマトグラフィは、機器システムに収集ステップを加えることによって分析液体クロマトグラフィの技術を拡大適用している。この場合、１つまたは複数の検出器によって生成された電子信号は、所望の溶質を包含する移動相フローストリームの特定の部分の収集を引き起こすために使用される。これらの特定の所望のフロー部分のみを分離することによって、再結晶などの他の精製方法と経済的に競争する精製が行なわれている。効率的にするために、分取ＨＰＬＣシステムは、著しい量の材料を処理するためには著しく高い流量、溶質濃度およびカラムサイズに機能を高められる必要がある。

分取ＨＰＬＣで使用される溶質濃度は、分析ＨＰＬＣと比較して不釣り合いに高い。例えば、一般的な分析ＨＰＬＣの分離は、１ｍＬ／ｍｉｎの移動相フローストリーム中の分析分離カラムに５マイクロリットル（μｌ）のサンプル混合物を加えることができる。混合物の溶質濃度は、一般的に１００μｇ／ｍＬの範囲内にあり、したがって、合計５００ナノグラムがシステムに加えられる。さらに、分析移動相の５％から３５％に及ぶ割合のみを分岐検出器に直接分岐することは普通である。対照的に、ユーザは、たびたび、１から２ミリリッターの体積でサンプル１００ｍｇを、分析システムのカラムサイズおよび流量の２０倍のみに機能が高められた分取ＨＰＬＣシステムに注入する。したがって、加えられたサンプル質量が２００，０００倍まで増加し、サンプル体積が２００倍増加する間に、流量は分析分離に関して２０倍増加するだけである。これは、局所濃度が分取実験において１０００倍も高いことを意味する。これは、クロマトグラフィ用電子検出器の大部分が溶質の分析濃度での使用に設計されているので重大な問題を示す。

分取ＨＰＬＣ移動相中の非常に高い溶質濃度のこの問題に対する工業的な解決策は、フロー分岐装置を使用して非常に小さな割合のメインクロマトグラフィフローストリームを分割し、希釈剤を加え、希釈されたサンプルストリームを質量分析計などの検出器に送ることである。分取設備機器のほとんどのメーカーは、そのためフロースプリッタを供給する。実際上、そのような分岐スキームは、一般的に、１０，０００：１の高い分岐比をもたらすことができ、サンプルを１００倍に希釈することができる。

従来のフロースプリッタの適用は、分取超臨界流体クロマトグラフィ（ＳＦＣ）の用途に大部分失敗した。ＳＦＣでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）などのガスは、液状密度に圧縮され、クロマトグラフィ移動相の主成分として使用される。二酸化炭素は、３１℃の臨界温度および７３．８ｂａｒの臨界圧力を有する。ＣＯ_２は、臨界温度および臨界圧力よりも高く上げられる場合、もはや液体ではなく液状密度および溶媒和力を有する超臨界流体と考えられる。溶媒和力は、ＣＯ_２を有する溶液に有機液体を添加することによって非常に向上されることができる。例えば、ＣＯ_２とメタノールの様々な組成を使用すると、純粋ＣＯ_２のためのほぼヘキサンからメタノール／ＣＯ_２の５０％溶液中の純粋メタノールのほぼそれへの範囲の溶媒力が付与される。

分取ＳＦＣの利点は多く、より速い分離、より高い装填能力、収集された割合の脱溶媒和のためのより低いエネルギー必要量が挙げられる。より速い分離は、主に、ＳＦＣ移動相の著しく低下した粘性によって達成される。標準状態で１センチポアズ（ｃｐ）未満の粘性を有し、水が主成分であるＨＰＬＣと異なり、超臨界ＣＯ_２は、１００ｂａｒおよび４０℃の標準状態で０．０５ｃｐ未満の粘性を有する。クロマトグラフィの観点からの結果は、カラム分離剤中への、およびその分離剤から高い流量で、およびはるかに大きな拡散レートでさえ、分離カラムにわたる圧力が非常に低いということである。拡散はクロマトグラフィプロセスの特性を制限する主要なレートであるので、分離プロセス全体は、同様のＨＰＬＣ分離と比較して２０倍スピードアップする。

分取ＳＦＣシステムは、高圧背圧レギュレータが、ＣＯ_２を有機液体および溶質と可溶にしておく液状密度で維持することを必要とする。一般的に、背圧設定は、１００ｂａｒから３００ｂａｒに及ぶ。

ＳＦＣの移動相は、検出器への入口に先立って従来のリストリクタ系フロースプリッタを通るとき、圧力が１００ｂａｒから大気圧になるので５００倍以下の体積膨張および重大な温度降下を含む相変化を施される。スプリッタリストリクタ内の相、フロー、温度および粘性のこの局部的変化は、特に勾配クロマトグラフィの間に見られた組成および濃度の範囲にわたって、分岐挙動を予測不能にする。さらに、特に蒸発ＣＯ_２が移動相中の溶質を溶媒和する有機溶媒のいくつかをそれとともに運ぶ場合、要求される小さい直径管は埋め込みが施される。極度の低温と結び付けられたこの蒸発溶媒損失は、管中の残りの有機溶媒からの溶質の析出を容易にもたらすことができる。

有用なフロースプリッタの構造は、サンプリングされる移動相の物理的特性を考慮に入れる必要がある。そのような特性としては、例えば、時間とともに流量、粘性、相（例えば、ガス、液体、超臨界）、圧力、または組成変化（溶媒の濃度変化、溶出された溶質変化）を含んでいてもよい。これらの各要素は、フロースプリッタの性能に影響する可能性がある。さらに、目標検出器または複数の目標検出器のフローの要件および濃度の要件が考慮に入れられる必要がある。

必要なものは、目標検出器に適切なレベルにサンプル濃度を希釈しながら、第１のフローストリームからの分岐比を適度から非常に高い分岐比に確実に制御することができるフロー分岐装置である。同時に、そのような装置は、実際のフロー分岐が生じる領域における圧力変化、粘性変化および相変化の影響を含む固定スプリッタに関連する問題を克服する必要がある。最後に、装置は、１００ｂａｒより高い最大圧力（例えば、約３００ｂａｒ以下）で連続に作動し、結局、大気圧装置に分岐フローを送ることができる必要がある。装置は、ＨＰＬＣ型移動相およびＳＦＣ型移動相の両方に適しているべきである。

１つの態様では、本発明は、移動相の加圧された第１のフローストリーム用のスプリッタを提供する。スプリッタは：
第１の制限フロー要素および第２の制限フロー要素によって主分岐フローストリームと副分岐フローストリームとに第１のフローストリームを分離する第１の分岐段と、
副分岐フローストリームと稀釈フローソースを混合して希釈副フローストリームを生成する第１の稀釈段と、
第２の副希釈フローストリーム中の第３の制限要素によって第２の主希釈フローストリームと第２の副希釈フローストリームとに希釈副フローストリームを分離する第２の分岐段と、
スプリッタからの第２の副希釈フローストリームの出口より前、第３の制限要素後に、調整フローソースが第２の副希釈フローストリームを調整する第２の稀釈段とを含む。

別の態様では、本発明は、移動相の加圧された第１のフローストリーム用のスプリッタを提供し、スプリッタは：
第１の制限フロー要素および第２の制限フロー要素によって主分岐フローストリームと副分岐フローストリームとに第１のフローストリームを分離する第１の分岐段と、
副分岐フローストリームと稀釈フローソースを混合して、希釈副フローストリームを生成する第１の稀釈段と、
第２の副希釈フローストリーム中の第３の制限要素によって第２の主希釈フローストリームと第２の副希釈フローストリームとに希釈副フローストリームを分離する第２の分岐段と、
スプリッタからの第２の副希釈フローストリームの出口より前、第３の制限要素後に、調整フローソースが第２の副希釈フローストリームを調整する第２の稀釈段と、
第１の分岐段および第２の分岐段の主分岐フローストリームおよび第２の主希釈フローストリームを背圧レギュレータと流体連通して出口フローストリームに再混合する圧力平衡段とを含む。

本発明のこれらおよび他の態様は、次の図面、詳細な説明および添付の請求の範囲からより容易に明らかとなる。

本発明の本質、その特徴および利点についてよりよく理解するために、後の詳細な説明は、添付の限定しない図面と関連して示されている。

圧力平衡された第１の分岐段、第１の稀釈段、第２の圧力制御分岐段および第２の稀釈段を備えた本発明の実施形態の図である。 圧力平衡のない本発明の他の実施形態の図である。 複数の連続分岐および稀釈段を備えた本発明の他の実施形態の図である。

ここで、明細書および特許請求の範囲で使用されるように、実施例で使用するものを含めて、他に特に規定がなければ、すべての数は、明確に現れてなくても、語「約」によって前置きされるように読まれてもよい。また、ここで列記されるいかなる数の範囲も、そこに包含されるサブ範囲をすべて含むことが意図される。

すべての述べられた圧力単位はゲージ圧である。

本発明は、超臨界流体クロマトグラフィ移動相に関連する圧力、粘性および相転移の拡張範囲と同様に、一般的なＨＰＬＣ移動相のフロー特性および圧力を処理することができる高分岐比フロースプリッタを対象とする。成分中の微小変化で、本発明のフロースプリッタは、１ｍＬ／ｍｉｎから１，０００ｍＬ／ｍｉｎのメイン流量を処理することができる。従来の単一段のフロースプリッタは、５０から１００ｍＬ／ｍｉｎの分取流量のために約２０，０００：１以下の分岐を達成するのに対して、本発明のスプリッタは、１，０００，０００：１をはるかに超える分岐比を達成することができる。

当業者によって理解されるように、超臨界流体クロマトグラフィ中の移動相は、システムを介して温度および／または圧力の変化によりクロマトグラフィの経過の間の状態の変化を受ける可能性がある。したがって、例えば、ＣＯ_２の場合に、ＣＯ_２移動相は、準備の異なる段で、高度に圧縮液化されたガス、超臨界流体として、または低粘性圧縮液体として存在してもよい。したがって、ここで使用されるように、用語「超臨界流体」は、クロマトグラフィおよび回収の間の時間で、任意の特有の地点での化合物の実際の状態にかかわらず、クロマトグラフィ中に超臨界流体状態で存在する、または存在することができる化合物を称する。

ＣＯ_２に加えて、ＳＦＣに役立つ他の化合物としては、エタン、プロパン、亜酸化窒素、ブタン、イソブテン、六フッ化硫黄、水、ハイドロクロロフルオロカーボン類、ハイドロフルオロカーボン類、アルカン類またはこれらの任意の組み合わせが挙げられるが、それらに限定されない。

また当業者によって理解されるように、ＳＦＣ中の移動相は、任意に有機液体溶媒を含む。適切な有機溶媒としては、例えば、エタノール、メタノール、２−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノールなどの低級アルコール類、アセトニトリル、ジオキサン、塩化メチレン等の様々な極性の少ない溶媒が挙げられる。

本発明のフロースプリッタを使用する標準ＨＰＬＣ実施での移動相は、例えば、この技術の最も普通の用法のために、水、水性緩衝溶液、アセトニトリルおよびアルコール類を含んでいてもよい。

１つの実施形態では、本発明は、分岐フローストリームにおいて連続的に生じるフロー分岐および稀釈の１つまたは複数の交互段からなる受動的リストリクタネットワークである。好ましくは、少なくとも２つ以上のフロー分岐段および稀釈段がある。同時に、連続段は、最終電子検出器に送られるメインフローストリームからの溶質の全体の絶対的寄与および相対濃度を低減する。本明細書で使用されるように、リストリクタに関する用語「受動的」は、リストリクタが電子的に制御されないことを意味する。

スプリッタの同調性は、稀釈比の値および分岐比の値の両方を変えるために、スプリッタ中への１つまたは複数の稀釈フローを増減することによって油圧で達成される。システム内の圧力平衡は、背圧レギュレータに加えて、移動相中の圧力、粘性、密度および流量の著しい変化の存在下で、スプリッタ性能の変動を劇的に減衰させる。

例えば、１００ｍＬ／ｍｉｎのフローシステムのための有効な分岐比は、１，０００：１から２，０００，０００：１を大幅に上回る範囲とすることができ、一方、メインストリーム濃度の有効な稀釈は、５０：１から１０，０００：１を上回る範囲とすることができる。この流量のための望ましい分岐比は、１０００：１より大きい稀釈で、およそ２００，０００：１である。分取ＳＦＣのための流量が、２ｍＬ／ｍｉｎから２，０００ｍＬ／ｍｉｎの範囲とすることができるので、分岐比は流量によって変化する。本発明のスプリッタは、ユーザのニーズに応じて、２ｍＬ／ｍｉｎ、１０ｍＬ／ｍｉｎまたは１２．５ｍＬ／ｍｉｎの最小限、８００ｍＬ／ｍｉｎ、１，０００ｍＬ／ｍｉｎまたは２，０００ｍＬ／ｍｉｎの流量以下の第１の流量で作動することができる。

１つの実施形態では、分離カラムを出るメインフローは、最初に、主フローストリームおよび副フローストリームに、平衡フローリストリクタ対によって分岐される。フロー経路の下流部分における圧力変動から、この第１の分岐段の分岐挙動を分離するために、主フローストリームおよび副フローストリームは、結局、第１のスプリッタの出口で再混合される。これは、下流圧力調整が、スプリッタの両方のリストリクタに等しく影響することを保証する。さらに、約１００ｂａｒの最小の圧力が第１の分岐段の出口で維持されて、ＳＦＣ移動相の成分がそれらの液状密度で残ることを保証する。

第１の稀釈段では、第１の分岐段の副分岐フローに対して少なくとも９０％過剰に稀釈フローを加えると、稀釈溶媒の同じ物理的特性を本質的に有するフローストリームが生成され、メインフローストリームの移動相成分の特性に比較的依存しない。したがって、メイン移動相は、組成または粘性が劇的に変化しても、希釈された分岐フローストリームの組成は、これらのパラメーターが事実上一定なままである。これによって、本発明の後の分岐段がすべて従来の圧力抵抗性フロー分岐技術を使用して行なわれることが可能となる。

一般に、稀釈流量は、メイン流量に応じて変化する。例えば、１００ｍＬ／ｍｉｎのメイン流量について、望ましい稀釈流量は、０．５から２０ｍＬ／ｍｉｎ、より好ましくは０．５から５ｍＬ／ｍｉｎである。最小流量は、システムの圧力平衡ティーを介して主フローストリームから副フローストリームへの逆流を防ぐために維持される必要がある。最大稀釈流量はメイン流量の２０％以下とすることができる。

本発明の一実施形態が図１に示される。この実施形態では、２つの分岐稀釈段６０、６２が、主フローストリームの分別寄与および分岐検出器９６に入る溶質の絶対濃度を低減するために使用される。メインフローソース６４は、分岐ティー６６、制限フロー要素６８、７０、混合ティー７２、低制限フロー導管７４、７６、および圧力平衡ティー７８からなる第１の分岐稀釈段６０に入る。メインフローがスプリッタおよび稀釈段６０に入ると、それは、リストリクタ６８、７０をそれぞれ介して流れる主フローストリームおよび副フローストリームに分岐される。稀釈フローソース８０は混合ティー７２で副フローストリームにさらなる溶媒フローを供給し、この混合されたフローストリームは、導管７４、７６を介して圧力平衡ティー７８に大部分が通り、ここで主フローストリームと再混合して、スプリッタを出る。メインフローは、時間遅延要素８２およびインライン検出器８４などの様々な任意のフロー要素を介して連続し、結局、背圧レギュレータ（ＢＰＲ）８６に達し、それは高い圧力で上流フローを維持する。

第１の分岐稀釈段６０の圧力平衡ティー７８は、分岐機能の性能に大きな効果を有する。この点で主副分岐フローを再混合することによって、リストリクタ６８、７０の圧力低下は、スプリッタ段自体の圧力低下の機能のみになり、フローストリームの絶対圧力ではない。その結果、リストリクタの３から３０ｂａｒの比較的小さな圧力低下は、背圧レギュレータが絶対圧力の何百ｂａｒにフローストリームを上げている場合でさえ達成されることができる。この特徴は、圧力ティー７８が、ＢＰＲによって制御された高い圧力で、分岐リストリクタ７０の出口端を維持するので、ＳＦＣ移動相の場合には特に重要である。これは、移動相の液化ガス部分がスプリッタ中の相を変化することを防ぐとともに、混合ティー７２での稀釈溶媒との乏しい混合と同様に、予測不能の分岐挙動を生成することを防ぐ。さらに、リストリクタ７０のより小さな圧力低下をもたらすことによって、毛管のより広い選択が、低粘度移動相のリストリクタ６８を通るフローのために最も望ましい１０から５００μＬ／ｍｉｎの範囲で分岐フローを生成するために工業的に利用可能である。

さらに、第１のスプリッタの平衡を保つ圧力は、分岐比に対する移動相の物理的特性の影響を最小限にする。フローリストリクタ６８、７０が圧力低下で同様に、粘性、密度または流量の変化に対応する場合に、分岐フローの両方の分岐が同じ変化を同時に受けるので、分岐比は一定のままである。そのような挙動の一例は、一対の層流管状リストリクタで見られ、式１のハーゲンーポアズイユの関係によって決まる。
Ｆ＝（Δｐπｒ^４）／（８Ｌη） （１）
ここで、Ｆは管を通る流量であり、Δｐは管に沿った圧力低下、ｒは管の半径、Ｌは管長さ、ηは流体粘性である。この式は、式２で示されるように圧力の点から書き換えることができる。
Δｐ＝（８ＬηＦ）（πｒ^４） （２）

式２から、フローの変化が、層流リストリクタのΔｐに直接比例する効果を有することが分かる。さらに、図１の平衡フロースプリッタにおいて、稀釈ソース８０からの追加されたフローにもかかわらず、導管７４、７６が低い相対圧力低下を与える大きさである限り、リストリクタ６８、７０の圧力低下が、圧力平衡ティー７８により同じに保たれる。例えば、メタノールについては、１０ｍＬ／ｍｉｎ以下の流量で、内径（ｉｄ）５００μｍ、長さ２０ｃｍの管は十分であり、著しい圧力低下を引き起こさない。フロー変化が各リストリクタにおいて比例するなら、同様にΔｐのみが達成されることだけができるので、フローの比はシステムにおける任意のフロー変化に対して一定のままである。

同様の方法で、移動相フローの粘性の変化は、各リストリクタのΔｐの比例した変化を引き起こす。注目すべきは、リストリクタ６８、７０はメインフローストリームからの移動相のみを含むことである。これは、下流である混合ティー７２での副フローストリームの稀釈にもかかわらずである。さらに、これらのリストリクタ中の滞留時間は、約１秒以下で短い。流体粘性は、常に、２つの各リストリクタ６８、７０において同じである。結果は、移動相の粘性変化として、第１のスプリッタの両リストリクタの圧力低下が分岐比に影響することなく、再び調整するということである。

定数項がκによって表わされる式３に示されるように、スプリッタ６０のための分岐比は、主副フローリストリクタ６８、７０をそれぞれ通るフローの比として計算される。
Ｆ_１／Ｆ_２＝κ（Δｐ_１／Δｐ_２）（η_２／η_１）（ｒ_１／ｒ_２）^４（Ｌ_２／Ｌ_１） （３）

第１の分岐稀釈段に関して上記されるように、Δｐ_１＝Δｐ_２およびη_１＝η_２であり、したがって、式３は管半径および長さの最終の２つの比に変形する。半径比は４乗されており、したがって、半径の微小変化は相対フローに対する劇的を有する。

本発明は、リストリクタ６８、７０が同じ種類であることを必要としない。例えば、非常に小さな内容積が非常に小さなフローの迅速な移動を保証することが必要な場合に、層流毛管は最良の解決である可能性がある。他方、非常に大きなフローが存在する、またはタイミングがそれほど重要でない場合には、他の種類のリストリクタが使用されてもよい。唯一の要件は、リストリクタが移動相の組成の変化と概して同じようにΔｐが変化することである。例えば、層流リストリクタは、粘性と概して直線的に圧力低下を増大する任意の種類のリストリクタと適合してもよい。そのような代替リストリクタの１つの例は、式４に示されるダーシーの法則によって変化する多孔性床リストリクタである。
Ｆ＝κＡΔｐ／（Ｌη） （４）

ここで、Ｆは管を通る流量、κは透過因子、Ａは床の断面積、Δｐは床に沿った圧力低下、Ｌは床長、ηは動粘性係数である。式１、４は、圧力低下、長さおよび粘性などのキーパラメーターの変動が、同様にフローに関連していることを示し、したがって２つの異なるリストリクタが互いに平衡を保つことを可能にするとともに、流体組成またはフローの変化にもかかわらず一定の分岐比をもたらすべきである。同一種類のリストリクタでのように、２つのリストリクタは、リストリクタ７０を通る適切なフローをもたらすように適合する必要がある。１つの実施形態では、このフローは、５００μＬ／ｍｉｎ未満となり、標準分析ポンプなどの５ｍＬ／ｍｉｎの稀釈フローソースで分岐フローの最小１０：１の希釈を可能にする。他の適切なリストリクタとしては、オリフィスリストリクタ、アクティブレジスタが挙げられる。

圧力平衡ティー７８は、ソース８０からの過剰稀釈フローのために低い制限経路をもたらす。より高い流量が混合ティー７２に送られるので、希釈比は増大する。導管７４、７６が最小の圧力低下を引き起こすために適切な大きさとされるなら、希釈比はリストリクタ７０からの分岐フローまたは以下に検討される下流分岐フローに影響することなく、非常に広い範囲にわたって変化されてもよい。これは、ソース８０からの稀釈フローを単に増減させることによって、希釈比を調整する能力を備えた第１のスプリッタ段をもたらす。そのような適応性によって、メインフローストリームにおいて非常に広範囲のアナライト濃度を処理するためのスプリッタを調整する容易な方法がもたらされる。

第２の分岐稀釈段６２は、第１の分岐稀釈段６０と重複し、入口導管７４、分岐ティー８８、フロー導管７６、制限フロー要素９０、混合ティー９２からなる。この第２の分岐段は、上記第１の分岐段とは非常に異なって作動する。まず、入口導管７４中の液体は、本来の移動相の組成の重要な稀釈の結果である。この稀釈が少なくとも１０：１である限り、導管７４に含まれた液体の組成は、物理的特性がメイン移動相の組成中で発生する任意の変化にもかかわらず希釈溶媒に非常によく類似した状態で本質的に一定である。実際には、５ｍＬ／ｍｉｎの流量で、１０：１から２００：１の希釈比がこの段において望ましく、より望ましくは１０：１から５０：１であり、それは、メイン移動相の寄与をさらに低くする。

分岐ティー８８は、フローを２つのストリームに分離する。主フローストリームは、圧力平衡ティー７８でメインフローストリームを再混合し、分岐ティー８８に背圧レギュレータ８６からの圧力を戻す一般的に導管７６である。それは、リストリクタ９０を通るフローを決定する分岐ティー８８の圧力であり、それによって、この段の分岐比である。図１で示される実施形態では、リストリクタ９０はほとんど大気圧で混合ティー９２にフローを送る。従って、リストリクタ９０のΔｐは、圧力平衡ティー７８で測定されたゲージ圧と同じとなる。さらに、この圧力は、ＢＰＲ８６の設定によって一般的に決まる。ＨＰＬＣシステムについて、この値は、数百ｐｓｉ以下であってもよい。超臨界流体システムでは、値は、一般的に１００ｂａｒ（１４５０ｐｓｉ）を超え３００ｂａｒ以下であり、液状密度で超臨界成分を維持する。好ましくは、圧力は、１００から２００ｂａｒに維持される。その結果、リストリクタ９０は、使用される背圧範囲の予備的知識に基づいた大きさとされる必要がある。

一般的目標として、リストリクタ９０を通るフローは、分岐検出器のフロー範囲内で十分なさらなる稀釈を可能にするために限定されるべきである。注目されるべきは、超臨界成分の相転移の影響が、前のステップの高い稀釈によりこの時点で非常に小さいことである。ガス成分は、これらの条件でさえ一般的に５０：１以上の比で有機液体に溶解されたままである。スプリッタティー８８に入る液体の組成が比較的一定であるので、リストリクタ９０を通る副分岐フローは、式１から計算されることができる。

リストリクタ９０を出たフローは、ソース９４からの調整フローと混合する混合ティー９２に入る。調整液体は、分岐検出器９６内で特定の種類またはレベルのイオン化を達成するために、溶液中の目標溶質のイオン化を引き起こすために緩衝溶液などの化学試薬を含んでいてもよい。調整フローソース９４からのフローは、また、検出器フローストリームにさらなる稀釈を加える。混合ティー９２を離れる全フローストリームは、分岐検出器９６のフロー要件によって制限される。一例として、質量分析検出器が、フローをある共通のイオン化プローブのために１ｍＬ／ｍｉｎに制限して適切に行うことは普通である。

稀釈フローソースおよび調整フローソースの両方は、電子コントローラー（図示せぬ）によって（流量および組成に関して）調整される。

単一段で約２０，０００：１より大きい分岐フローの試みによって、時間遅延の問題が起こるとともに、フローシステム内の一掃されていない体積が、分岐フローストリームの組成のひずみに寄与する可能性がある。分岐および希釈の２つ以上の段を使用するスプリッタは、同じ問題なしで容易に組み立てられることができる。第１段において、２，０００：１の分岐および１００：１の希釈が達成される。次に、１００：１の分岐比および２０：１の稀釈で、分岐および希釈の第２段が分岐フローストリームで行われる。２つの段からの有効な分岐比は２００，０００：１である。２つの稀釈ステップの有効な希釈比は２，０００：１である。

この例において、１００ｍＬ／ｍｉｎのメインフローに関して、個々の分岐リストリクタ７０、９０は、それぞれ、５０μＬ／ｍｉｎのフローを運ぶ。リストリクタ７０、９０の体積が一般的に１μＬより多いので、このプロセスのタイミング遅延は２秒未満で維持されることができ、それは、９９９．５μＬ／ｍｉｎの希釈溶媒で希釈された０．５μＬ／ｍｉｎ（例えば、２００，０００：１の分岐比）の単一分岐フローを生成する非常に困難な多重第２プロセスよりも優れている。分岐および稀釈アプローチの連続段で使用されるリストリクタ流量は、単一段の分岐フローの１００倍であり、不十分に一掃されたフロー領域により著しいピークひずみを回避するために、フローシステムの連続洗浄を提案する。

標準溶媒を使用する分取クロマトグラフィのための本発明の特定の実施の一例は、以下のとおりである。

５０ｍＬ／ｍｉｎ（ＨＰＬＣからのフロー）のメインフローに関して、長さ１００ｃｍ、内径５００μｍの管がリストリクタ６８として使用され、長さ３５ｃｍ、内径７５μｍの管がリストリクタ７０に使用される。この場合、分岐比は、７２μＬ／ｍｉｎでリストリクタ７０を通り、残りのフローがリストリクタ６８を通る状態で、６９１：１として、式３から計算される。この第１の分岐段の計算された圧力低下は、純水についてのおよそ８０ｐｓｉ（５．５ｂａｒ）から純アセトニトリルについての３０ｐｓｉ（２．１ｂａｒ）に及び、一般的にＨＰＬＣ移動相の溶媒成分である。さらに、この段用の副フローストリームの希釈比は、稀釈フローソース８０からの５ｍＬ／ｍｉｎの添加を前提として、７０：１である。第２段に関して、ここでは、メタノールが第１の稀釈溶媒として使用され、Δｐは１４５ｐｓｉ（１０ｂａｒ）であり、リストリクタ９０用に長さ２０ｃｍ、内径４０μｍの管を選択すると、およそ３４μＬ／ｍｉｎのフローが可能となる。これによって、第２の分岐段について１５１：１の分岐比がもたらされる。０．９６６ｍＬ／ｍｉｎの最終調整フローを加えると、３０：１未満の第２の稀釈が付与される。

分岐希釈比の最終決定は、連続分岐ステップまたは稀釈ステップの積を計算することによって達成される。実施例では、最終分岐比は、第１段の６９１と第２の分岐段の１５１の積になり、全分岐比は１０４，０００：１未満である。したがって、本来の注入されたサンプルの０．００１％未満が分岐検出器に入る。サンプル１００ｍｇについては、これは検出器に送られた１μｇ未満になる。同様に、７０倍および３０倍の連続希釈は、溶質濃度の２１００：１未満、すなわち０．０５％未満の最終稀釈をもたらす。これらの条件は、分離カラムから出現する１０ｍｇ／ｍＬの溶質が５μｇ／ｍＬ未満の濃度で分岐検出器に入ることを可能とする。これは、質量分析器またはＥＬＳＤ検出器などの分析検出器のためにはるかにより適切な濃度である。最後に、リストリクタを通るフロー遅延が計算されるなら、調整されたサンプルは、スプリッタに入る０．１から５秒以内、より好ましくは０．１から２秒以内に分岐検出器に送られる。この高い稀釈でのそのような短い遅延は、ピーク形状に厳しいひずみのない従来の単一段分岐稀釈技術を使用して可能ではない。

微小調整のみが、ＣＯ_２、例えば５０ｍＬ／ｍｉｎを使用するＳＦＣシステムに必要である。フローシステムの移動相のより低い粘性およびはるかに高い背圧のために調整がなされる必要がある。このシステムについて、リストリクタ６８は、５０％のメタノール組成でおよそ０．３ｃＰである最も高い粘性フローのために、３０から１２０ｂａｒの圧力低下をもたらすために一般的に選択される。この場合、内径３０μｍ、長さ２０ｃｍの毛管としてリストリクタ７０を選択すると、６０μｌ／ｍｉｎのフローまたは８３８：１の分岐比が可能となる。ソース８０から５ｍＬ／ｍｉｎの稀釈フローが加えられる場合、希釈比は８５：１である。一般的レベルの１００ｂａｒ以上で設定された圧力平衡ティー７８は、この分岐段の間に超臨界成分のアウトガスがないことを保証する。このシステムでの第２段は、リストリクタ９０を通るフローについて式１に従う。従って、ＢＰＲが１００ｂａｒに設定される場合に、内径２５μｍ、長さ２５ｃｍのリストリクタは、４１μｌ／ｍｉｎ未満のメタノールのフローをもたらす。この段の分岐比は１２３：１である。調整フロー１ｍＬ／ｍｉｎを加えると、さらに、５２：１で第２の分岐フローが希釈される。その結果、全分岐比および希釈比が、それぞれ１０３，０００：１および２１５０：１と計算されることができ、それはＨＰＬＣの場合に非常に類似している。

下の表１は、ＳＦＣシステムおよびＨＰＬＣシステムの両方のための特定の実施のさらなる例を付与する。

各場合におけるスプリッタの非常に高い稀釈により、分岐検出器は、各システム（ＨＰＬＣおよびＳＦＣ）から事実上同一の組成を受け、同一の結果を得るべきである。したがって、スプリッタは、本来のフローソースから独立して測定をする利点をももたらす。これは、質量分析器によって測定される従来のＳＦＣ対ＨＰＬＣ分岐装置の場合ではなく、イオン化と抑制レベルの差が頻繁に見られる。

図１に示されるスプリッタの実施形態は、任意の分取クロマトグラフィ制御システムへの組み込みに適している。例えば、分岐検出器の位置の質量分析計、およびインライン位置のＵＶ検出器からの信号が、メインフローストリームが回収システムに達する直前にメインフローストリーム中の溶質の存在を示すために使用されることができる。タイミングの目的のために、時間遅延要素８２は、コントローラーによって要求される時間に応じてインライン検出器８４の前または後に設置されて、トリガー信号に応答し、収集を開始してもよい。タイミング遅延は、メインフローストリームからの溶質がティー７８でスプリッタを出る時間と調整された分岐フローが分岐検出器に達する時間との間で最小限にされるべきである。これは、システムの分離効率を悪化する可能性があるフローストリームにおける長い遅延の必要性を防ぐ。ここで、５秒未満の遅延の概略目標は、一般的な操作のためには十分であるが、性能は、より短い遅延時間、例えば、０．１から２秒で改善されることができる。

本発明のさらなる実施形態が図２に開示されている。図１のように、実施形態は、２つの分岐稀釈段１００、１０２をそれぞれ有し、分岐検出器９６用のメインフローストリームの一部を連続的に希釈する。これらの実施形態間の重大な相違は、図１に示される圧力平衡ティー７８が図２にはないことである。圧力平衡ティーを取り除くと、フロー、粘性および圧力の変化のための第１のスプリッタ段１００における自動的な補償が除去される。その結果、この段は、ＨＰＬＣシステムおよびＳＦＣシステムに共通の標準勾配分離の間の実行において非常に広く変化する。さらに、これらの要因（フロー、粘性および圧力）は、スプリッタの設計において手動で計算される必要があり、その操作を図１に示される実施形態より小さなダイナミックレンジに制限する。

しかしながら、図２は、スプリッタが分取クロマトグラフィフローストリームに見られるように、アナライトの高濃度を処理することを可能にする連続分岐および稀釈の利点を保つ。図２では、分岐稀釈段１００は、分岐ティー１０４、メインフロー導管１０６、分岐フローリストリクタ１０８、混合ティー１１０からなる。スプリッタは、導管１０６およびリストリクタ１０８をそれぞれ流れる主フローストリームおよび副フローストリームに分離するメインフローソース６４からフローを受ける。稀釈ソース８０は、混合ティー１１０で稀釈溶媒を供給して、フローストリーム中の溶質の濃度を低減する。希釈フローストリームは、導管１１２を介して分岐稀釈段１０２に通される。

第２の分岐稀釈段１０２は、分岐ティー１１４、リストリクタ１１６、１１８、混合ティー１２０からなる。フローは導管１１２を介してこの段に入り、リストリクタ１１６、１１８をそれぞれ通って、主フローストリームおよび副フローストリームに分岐される。リストリクタ１１８は、過剰の希釈フローを廃棄１２２に、またはフローシステム（図示せぬ）における第２の分岐検出器に交互に運ぶ。リストリクタ１１６からの分岐フローは、調整フロー９４によって混合ティー１２０で希釈され、次いで第１の分岐検出器９６に送られる。

このスプリッタの操作と図１の操作との相違は、流体ネットワークに基づく分岐および稀釈の非線形挙動である。まず、圧力平衡ティーがないことにより、背圧レギュレータが分岐リストリクタ１０８の圧力低下を決定する主要なリストリクタになるので、メインフローストリームの導管１０６に平衡リストリクタを加える必要はない。リストリクタ１０８を通るフローは、分岐比が勾配クロマトグラフィ分離の間に段１００において変化することを意味する粘性依存性である。次に、図１の実施形態と異なり、稀釈ソース８０からのフローは下流に制限される。その結果、フローが増加されれば、より高い圧力低下が第２段１０２に生じ、リストリクタ１０８の圧力低下は減少する。したがって、稀釈ソースのフローを高めると、これが同時に分岐フローの低減を引き起こすので、図１で示される実施形態よりも大きな稀釈をもたらす。副拡散フローのみが混合ティー１１０を通る時点でリストリクタ１０８の圧力低下が０になるまで、この稀釈の非線形変化は続く。この時点から稀釈フローを高めると、リストリクタにそのフロー方向を逆にさせ、主フローストリームに稀釈溶媒をバックフラッシュする。この条件下で、さらなる溶質信号が分岐検出器で受けられることはない。

ＳＦＣシステムの場合には、リストリクタが選択されて、分岐段１００の出力で十分に高い背圧を維持し、超臨界成分のアウトガスを防ぐ必要がある。稀釈ソースの調整のある範囲が達成されることができるように、稀釈ソースからの最小フローの予めの決定と共にこれがなされる必要がある。スプリッタは、また、ＨＰＬＣおよびＳＦＣの両方の場合のために、システムの背圧調整が（図１に示される実施形態と比較して）増加されて、両方の段の十分な圧力低下を保証することを必要としてもよい。

図３は、３つの分岐稀釈相を備えた実施形態を示す。この図では、図１に説明されるように、分岐稀釈段６０、６２は作用する。分岐稀釈段６２の副フローは、この場合、分岐検出器９６に直接ではなく、第３の分岐稀釈段１３０に送る。段１３０は、分岐ティー１３２、フローリストリクタ１３４、１３６、混合ティー１３８からなる。廃棄容器１２２は、リストリクタ１３６を介して変化されたフローを受ける。

段６２のように、分岐稀釈段１３０は、リストリクタネットワークの圧力低下を操作することを必要とする。しかしながら、これは、約数ｂａｒ程度でかなり小さい可能性があり、上流段でより大きな圧力低下で著しく妨げるべきではない。その結果、２つの第１の段は、第３の段を加えることからの効果をほとんど受けない。

図３の稀釈フロースキームも注目に値する。この場合、単一稀釈ソース８０は、両段６０、６２に希釈溶媒を供給する。これは、ＢＰＲ８６からの背圧に基づいて、段６２に対する稀釈フローを制限するリストリクタ１４０を加えることによってなされる。従って、計算の目的のために、第１の段に受けられた稀釈フローは、全フローからリストリクタ１４０を通るフローを差し引いたものになる。リストリクタ９０を通る稀釈フローおよび分岐フローの両方は、ＢＰＲ８６によって管理されるので、それらはＢＰＲの変化に応じて比例して変化する。その結果、希釈比はこの場合一定のままである。必要に応じて、より直接の制御が必要であるなら、ポンプなどの分岐フローソースが段６２で稀釈に使用されてもよい。

一般的には、段１３０などの第３段は実行されて、検出器に達する前にメインストリームのより全体的な稀釈を可能とする。この場合に、調整フロー９４などの第２の稀釈ソースからのフローは、分岐検出器の能力を問わず増加されて、より高い稀釈をもたらすことができる。３つのステップに対する連続希釈の利点は、はるかに大きな範囲および効率をも可能とする。例えば、１ｍＬ／ｍｉｎの全フローに対する１０μｌ／ｍｉｎの分岐フローの３つの連続希釈（例えば、１００：１の稀釈）は、３ｍＬ／ｍｉｎ未満の稀釈フローを消費しながら、１，０００，０００：１の最終稀釈をもたらす。これは、稀釈の１段または２段でさえ必要とされるよりも実質的に少ない溶媒である。この例は、本発明にさらに分岐稀釈段を加える拡張性を示し、非常に高い希釈比を達成する。

付与されたすべての例について、クロマトグラフィの目的のためのリアルタイム連続分岐および稀釈の使用に検討が集中するが、それは、標準電子検出器の範囲外で、溶質を含む任意の加圧されたフローストリームに当業者によって容易に適用されることができる。超臨界移動相を備えた本発明の使用は、分岐操作中に液状密度で超臨界成分を保持するために高圧で生じる第１の分岐稀釈段に依存する。その後、少なくとも１０：１希釈で、稀釈された分岐フローストリームは、希釈剤の特性を有するように本質的に処理されてもよく、それらの超臨界状態により特別の処理を受ける必要はない。本発明は、また、液体または超臨界抽出フローストリームと同様に、ストリームを処理するために容易に適用されてもよい。さらに、本発明は、自動反応システムからの再循環されたフローストリームにおいて反応の進行を監視するために使用されてもよい。

Claims (18)

1. 移動相の加圧された第１のフローストリーム用のスプリッタであって、
   第１の制限フロー要素および第２の制限フロー要素によって主分岐フローストリームと副分岐フローストリームとに第１のフローストリームを分離する第１の分岐段と、
   副分岐フローストリームと稀釈フローソースを混合して希釈副フローストリームを生成する第１の稀釈段と、
   第２の副希釈フローストリーム中の第３の制限要素によって第２の主希釈フローストリームと第２の副希釈フローストリームとに希釈副フローストリームを分離する第２の分岐段と、
   スプリッタからの第２の副希釈フローストリームの出口より前、第３の制限要素後に、調整フローソースが第２の副希釈フローストリームを調整する第２の稀釈段とを含む、スプリッタ。
2. 移動相の加圧された第１のフローストリーム用のスプリッタであって、
   第１の制限フロー要素および第２の制限フロー要素によって主分岐フローストリームと副分岐フローストリームとに第１のフローストリームを分離する第１の分岐段と、
   副分岐フローストリームと稀釈フローソースを混合して、希釈副フローストリームを生成する第１の稀釈段と、
   第２の副希釈フローストリーム中の第３の制限要素によって第２の主希釈フローストリームと第２の副希釈フローストリームとに希釈副フローストリームを分離する第２の分岐段と、
   スプリッタからの第２の副希釈フローストリームの出口より前、第３の制限要素後に、調整フローソースが第２の副希釈フローストリームを調整する第２の稀釈段と、
   第１の分岐段および第２の分岐段の主分岐フローストリームおよび第２の主希釈フローストリームを背圧レギュレータと流体連通して出口フローストリームに再混合する圧力平衡段とを含む、スプリッタ。
3. 調整フローソースが、電子検出器で溶質の検出を最適化するための化学試薬を含む、請求項１または２に記載のスプリッタ。
4. 第１の制限フロー要素、第２の制限フロー要素、または第３の制限フロー要素の１つまたは複数が、層流管リストリクタからなる、請求項１または２に記載のスプリッタ。
5. 第１の制限フロー要素、第２の制限フロー要素、または第３の制限フロー要素の１つまたは複数が、多孔性床リストリクタからなる、請求項１または２に記載のスプリッタ。
6. 第１のフローストリームの移動相が、（１）超臨界流体、（２）１つまたは複数の溶質、および任意に（３）１つまたは複数の有機液体溶媒、の混合物を含む、請求項１または２に記載のスプリッタ。
7. １つまたは複数の有機液体溶媒が、エタノール、メタノール、２−プロパノール、イソプロパノール、ｎ−ブタノール、アセトニトリル、ジオキサン、塩化メチレン、およびそれらの混合物からなる群から選択される、請求項６に記載のスプリッタ。
8. 第１のフローストリームの移動相が、（１）溶質、（２）任意に水性緩衝溶液、および（３）水、アルコール、アセトニトリルおよびそれらの混合物からなる群から選択される１つまたは複数の溶媒、の混合物を含む、請求項１または２に記載のスプリッタ。
9. 稀釈フローソースおよび調整フローソースに動作可能に接続された１つまたは複数のコントローラーと、
   第２の副希釈フローストリームに接続され、少なくとも１つのコントローラーに動作可能に接続された電子検出器とをさらに含み、
   第１のフローストリームのアクティブフローの間に、１つまたは複数のコントローラーが、副分岐フローストリームおよび第２の副希釈フローストリーム中の溶質の希釈を制御し、第２の副希釈フローストリーム中の溶質が電子検出器によって分析される、請求項１または２に記載のスプリッタ。
10. 第１のフローストリームがクロマトグラフィシステム内にある、請求項１または２に記載のスプリッタ。
11. 第１のフローストリームが抽出システム内にある、請求項１または２に記載のスプリッタ。
12. 第１のフローストリームが反応システム内にある、請求項１または２に記載のスプリッタ。
13. 検出器に達する溶解された溶質の質量分率に対する第１のフローストリーム中の溶解された溶質の質量分率の分岐比が、５０：１から５，０００，０００：１である、請求項９に記載のスプリッタ。
14. 調整された副希釈フローストリームがスプリッタへの入口から電子検出器に０．１から５秒で送られる、請求項９に記載のスプリッタ。
15. 第３の主フローストリームおよび第３の副フローストリーム中の第４の制限要素および第５の制限要素によって第３の主希釈フローストリームと第３の副希釈フローストリームとに第２の副希釈フローストリームを分離する第３の分岐段と、
    第３の主フローストリームの第４の制限要素からのフローを受ける廃棄レシーバーと、
    第２の調整フローソースが第５の制限要素から出現するフローを希釈する第３の稀釈段とをさらに含み、
    第３の副フローストリームが電子検出器に送られる、請求項２に記載のスプリッタ。
16. スプリッタが１０から３０ＭＰａ（１００から３００ｂａｒ）の大気圧環境で作動する、請求項１または２に記載のスプリッタ。
17. 第１のフローストリームの流量が、２ｍＬ／ｍｉｎから２，０００ｍＬ／ｍｉｎである、請求項１または２に記載のスプリッタ。
18. 第１のフローストリームの流量が、１０ｍＬ／ｍｉｎから１，０００ｍＬ／ｍｉｎである、請求項１または２に記載のスプリッタ。

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