JP5397269B2 - 試料導入装置 - Google Patents

Description

本発明は、分析機器に液体試料を導入する試料導入装置に関し、詳細には、流路切換弁に接続されるニードル及び注入ポートを有する試料導入装置に関する。

多数の試料を分析するために、試料を所定の順序で自動的に液体クロマトグラフ等の分析機器に導入する試料導入装置が使用される。図５(ａ)は、液体クロマトグラフの概略を示すものである。液体クロマトグラフは、送液装置１０、試料導入装置２０、分離・検出部３０、制御・解析部４０からなり、試料導入装置２０は、送液装置１０と分離・検出部３０の間に設置される。分離・検出部３０は、分析カラム３１や検出器３２が含まれ、分析の目的に応じて様々な流路が構成され、分析部として機能する。送液装置１０、試料導入装置２０、分離・検出部３０は、制御・解析部４０により制御され、また、制御・解析部４０においては、検出器３２からの信号を受けて、試料の定性・定量等の解析を行い、解析データの保存や分析レポートの作成・出力が行なわれる。

試料導入装置には、試料容器から計量した試料の全量を注入することが可能な「全量注入方式」と、試料容器から計量した試料の一部をサンプルループに充填し注入を行なう「部分注入方式」とがある（特許文献１，２等）。試料が極微量しか採取できない分野では、採取した試料を無駄なく分析することができるという理由で全量注入方式を採用したものが広く用いられている。

図５(ｂ)は、全量注入方式の試料導入装置２０の内部の流路の概略を示すものである。試料導入装置２０は、６ポート２ポジションバルブ２１と、６ポジションバルブ２２を中心に流路が構成されている。送液装置１０から試料導入装置２０に流入する移動相溶液の流路は、まず、６ポート２ポジションバルブ２１のポートの１つに接続される。サンプルループ２３からその先端に設けられたニードル２４、さらにニードル２４が嵌挿された注入ポート２５を経て、上流側の送液装置１０からの流路と下流側の分離・検出部３０への流路が連通されるので、ニードル２４〜サンプルループ２３に充填された試料は全て分離・検出部３０に導かれる。６ポジションバルブ２２には、洗浄液容器に連通する流路、洗浄液容器から洗浄液や試料容器２８から試料を吸入する計量ポンプ２６に連通する流路、ニードル２４を挿入してニードルの洗浄を行なう洗浄ポート２７に連通する流路が接続されており、また、６ポート２ポジションバルブ２１を経由してニードル２４及びサンプルループ２３と計量ポンプ２６の流路を連通させるようになっている（特許文献３，４等）。

試料を注入部に注入する際にニードル先端を下降させて注入ポートの正しい位置（流路穴）にニードル先端を挿入させるようになっている。しかし、ニードルの先端が注入ポートの正しい位置に下降させられなかった場合、ニードルの先端が磨耗してしまったりニードル先端部により注入ポートが汚染されてしまったりする。そのため、ニードルが注入ポートの正しい位置に下降するようにニードルの位置を調整する必要がある。しかしながら、近年は分析のスループット向上のためにニードルの動作速度が速くなっていることに伴い、ニードルの位置調整を正確に行なうことが求められている。特許文献５は、通常動作における速度より遅い速度で位置あわせを行い、その後、通常の速度で複数回上下動を繰り返す（エージング動作）ことにより、ニードルと注入ポートの位置関係を装置に記憶させることを開示している。

このように試料導入装置は、ニードルを注入ポートに押し込んで水密状態に保つのであるが、ニードルと注入ポートを水密に保つために、一般にニードルあるいは注入ポートは一方が機械強度の低い材質で構成することにより、いわゆるシール状態を保つように設計されている。多くの場合、ニードルは試料バイアルのフタを貫通する必要があることから、ニードルには硬い材質（例えば、母材としてステンレス）、注入ポートには相対的に柔らかい材質（例えば、PEEK;polyetheretherketone樹脂)が用いられている。

特開平 ６−１４８１５７号公報 特開平１０−１７０４８８号公報 国際公開第０９／０４１４４１号パンフレット 国際公開第０９／０４１４４２号パンフレット 特許第４０８５９５４号

ニードルと注入ポートのシールこのような組み合わせの場合、ニードルが注入ポートの流路穴に対して垂直に押しつけられると、押しつけ回数に伴って流路穴が僅かに拡張するが、異なった位置に押しつけられると、テーパ面にニードルによる圧痕が形成される。すると圧痕部での水密状態を保つことができなくなる。特に、全量注入方式の場合、送液装置−サンプルループ−ニードル−注入ポート−カラムが連通する流路が形成されるので、送液装置による送液圧力が高くなるとニードルと注入ポートの接合部から液が漏れるという問題が顕著に発生する。

また、ニードルの表面には試料バイアルにニードルを挿入したときに試料成分が付着している。この状態で注入ポートにニードルを挿入すると、注入ポートの注入穴に試料成分が付着し、次の注入時にその付着成分を一緒に注入してしまい、いわゆるキャリーオーバと呼ばれる現象が発生する。キャリーオーバとは、注入した試料の一部が残留し、次の分析を妨害する現象をいう。キャリーオーバについては、ニードルの表面処理、ニードルの洗浄、注入ポートの形状の変更により、大幅に改善されてきたが、なおも問題として生じており、さらに近年の分析の極微量化および検出の高感度化に伴い、その問題も深刻化してきている。キャリーオーバは、試料を試料容器から採取した量に対する正確な分析を妨げる原因となる。

ニードルが注入ポートの流路穴とずれた位置に下降してくると、ニードルは注入ポートのテーパ面を滑るように下降し、流路穴と水密状態を形成するが、このときニードルは前述のように外表面が試料で汚れているので、テーパ面を滑るときに注入ポートを試料で汚す。次の注入時にその汚れをニードルがこすりとって流路穴に押しつけるため、キャリーオーバが顕著に発生するという問題が発生する。

先端に試料注入用ニードルを備えた試料計量用サンプルループと、垂直方向に降下してくる前記ニードルが挿入される開口を有し前記ニードルが吸入した試料を分析用の流路に注入する注入ポートと、試料を注入する際に所定の位置から前記注入ポートに対して前記ニードルを移動させる速度を複数の候補から選択される設定部と、選択された速度でニードルの移動を制御する前記ニードルの移動を制御する制御部とを備える。
さらに、ニードルを洗浄する洗浄機構と、前記洗浄機構による洗浄工程を設定する洗浄工程設定部とを備える。
さらに、洗浄工程の設定により、前記ニードルを移動させる速度が決定される。
あるいは、試料を分析する条件の一つとして、前記ニードルを移動させる速度が設定される。

前記所定の位置から前記注入ポートまでの行程における前記ニードルの移動速度が、前記注入ポートに近い側で低くなるようにしておくとよい。

ニードルの下降速度を遅くすることによって、試料導入装置のその他の構成をそのままにニードル下降機構部の機械的な隙間によるばらつきを排除し、ニードルが注入ポートに下りる位置を一定の位置に保つことができる。高圧で移動相を送液をしても注入ポートで液漏れや、キャリーオーバの発生を低減することができる。

ニードルが注入ポートに当接する直前で速度が低下するように設定すれば、所定の位置（注入ポートの直上）から注入ポートまでの距離を移動する時間が短縮され、かつ、ニードルが注入ポートと当接する時点でのニードルの移動速度を低く抑えることができる。

本発明に係る試料導入装置を模式的に表したものである。 洗浄工程に対応して、ニードルの降下速度を設定する組み合わせの一例である。 本発明に係る試料導入装置の低速モード及び通常モードで行なったブランクテストのクロマトグラムある。 ブランクテストの評価のためのカフェイン水溶液のクロマトグラムである。 液体クロマトグラフ及び試料導入装置の構成の概略を示すものである。

以下、図を参照しつつ本発明を説明する。
図１は、本発明に係る試料導入装置を模式的に示すものである。試料導入装置５０は、試料を吸引・吐出するニードル５１ａとその駆動機構５１ｂ、試料導入装置５０を動作させるための諸条件を入力する入力部５２、ニードルの動作を設定するニードル動作設定部５３、設定された動作条件に基づいてニードルの動作を制御するニードル動作制御部５４からなる。分析を行うためには、その他、流路切換バルブやサンプルループ等を有するが、これらについては、従来のものと相違点はない。

ニードル動作設定部５３には、ユーザが簡便に選択できるように、「通常モード」・「低速モード」というように予め候補として複数のモードが記憶されている。一例として、「通常モード」を50mm/sec、「低速モード」を5mm/sec程度として説明すると、「通常モード」は従来の装置相当の動作速度であり、「低速モード」はその１／１０の動作速度ということになる。

ユーザが入力部５２を操作し、「通常モード」或いは「低速モード」が選択されると、選択されたモードに対応する速度で、注入ポート上の所定の位置から注入ポートに降下するように設定される。図中では選択の明示のためにラジオボタンによりモードが選択されているが、いずれかのモードを指定できればよく、モードの選択肢は３以上あってもよい。各モードに対応して数字やアルファベットなどの適当な識別子を付しておけば、装置側の処理におけるパラメータとしての取り扱いが簡便になる。

さらに、各モードに対応するニードルの速度を固定の値とせずに、ニードルの降下速度が過小な設定にならないように変更できるようにしてもよい。機械的ばらつきの経時変化に対応することができる。

ニードル動作制御部５４は、ニードル５１ａの動作をニードル駆動機構５１ｂに指示するもので、分析のスケジュールに従ってニードル５１ａから試料を吸引し、注入ポート上に移動した後、設定された速度で、注入ポートに降下するように指示する。

「通常モード」ではニードルの下降位置はばらついても下降速度を早くすることで分析時間を短くすることを重視した分析に好適である。「低速モード」では高圧送液あるいは低キャリーオーバなどを目的とする分析に好適である。

また、ニードルの降下速度は所定位置から注入ポートまでの全区間で等速である必要はなく、ニードルが注入ポートに当接する直前に低速動作に切り替えるようにすると、当該区間をニードルが移動する時間は、「低速モード」であっても「通常モード」に近い程度まで短縮することができる。

ニードルの降下速度を[距離／時間]の次元の数値で設定する必要はない。例えば、ニードルをパルスモータで駆動するのであれば、速度を単位時間当たりのパルス数として設定できることは明らかである。

本発明の一態様においては、試料バイアルや洗浄ポート上への平面内の移動や試料の吸引、洗浄工程の動作はそのままに、ニードルの降下速度のみを低速に設定するのみで、高圧送液あるいは低キャリーオーバなどを目的とする分析に対応することができる。

試料導入装置を用いる分析装置では、多数の試料の分析を分析スケジュールに沿って逐次自動的に行われる。１つの分析スケジュールの間、常に同じモードで動作させる必要はなく、個々の分析における分析条件の一つとして、ニードルの降下速度を設定できるようにしておくのが好ましい。

本発明は、ニードルと注入ポートとの当接の瞬間の速度を低く設定する点に主眼をおいたものであるので、関連技術との併用も可能である。注入ポート上でのニードルの動作に関連して、国際出願PCT/JP2009/004408において、ニードルから洗浄液を吐出・吸引することで注入ポートの洗浄を行なうことを提案している。そこに開示された洗浄工程を本発明のニードルの降下速度の選択と関連させることもできる。

図２は、洗浄工程とニードルの降下速度を関連付けて設定するようにした組み合わせの例である。
「洗浄工程」は、洗浄ポートでのニードル外面の洗浄と注入ポートでのニードル内面の洗浄の選択の有無、「ニードル速度」は上述の注入ポート上の所定の位置から注入ポートに対して降下する際のニードルの降下速度に関するパラメータである。例えば、モード２を選択した場合、「洗浄ポートでのニードル外面の洗浄を行なう、注入ポートでのニードル内面の洗浄を行なわない、ニードルの降下速度は50mm/sec」という条件が設定される。
ここで「ニードル外面の洗浄」とは、ニードルへの試料吸入の前及び／又は後にニードルを洗浄ポートに浸漬して洗浄を行うこと、「ニードル内面の洗浄」とは、ニードルへの試料吸入の前に採取する試料量を計量する流路や注入ポートの注入穴付近の洗浄のことである。「ニードル外面の洗浄」に関しては特許第３８２６８９１号公報、「ニードル内面の洗浄」に関しては国際出願PCT/JP2009/004408で詳述されているので、ここでは簡単な説明に留めておく。

ユーザは入力部を操作し、注入に関しての洗浄工程の設定及びニードルの動作速度が設定されるように、ニードル動作設定部から所望のモードを選択する。

ユーザが直接に入力部から設定する他、本発明の試料導入装置を含む液体クロマトグラフにおいては、システム全体を制御する制御・解析部から設定することも可能である。

キャリーオーバが低減するためになされた本発明の試料導入装置の構成及び動作は上述の通りである。
次に、本発明の試料導入装置によるキャリーオーバの低減効果の実測例を示す。ここでは、キャリーオーバ量を表現するために、カフェイン水溶液を試料として分析を行い、カフェイン水溶液について得られたクロマトグラムのピークの面積αを求め、続いて、移動相溶液と同じ組成の液体（ブランク試料）について同様に分析を行い、カフェイン水溶液と同じ保持時間に出現するピークの面積βを算出し、そして、αに対するβの比率を以ってキャリーオーバ量とした。これを、本発明の試料導入装置の「通常モード」と「低速モード」について、以下の分析条件で行なった。
［分析条件］
試料 カフェイン水溶液
試料注入量 ５μＬ
移動相組成 水：メタノール＝７：３
流量 ０．３ｍＬ／ｍｉｎ（送液圧力：９０ＭＰａ）
カラム 逆相カラム（内径１．５mm×長さ１００ｍｍ）
検出器 紫外可視分光光度検出器（検出波長：２７２ｎｍ）

図４は、本発明に係る試料導入装置を備えた液体クロマトグラフにより得た濃度が２０ｍｇ／Ｌのカフェイン水溶液のクロマトグラムである。カフェインのピークは保持時間２．３４分の位置に現れることが確認される。ブランク試料の分析を行った場合、この保持時間に現れるピークがカフェインのものである。

図３は、それぞれブランク試料のクロマトグラムであり、それぞれ、(a)「低速モード」、(b)「通常モード」によるものである。各クロマトグラムは時間軸である横軸の目盛りは同一であるが、検出信号の強度軸である縦軸の目盛りについては（ａ）が（ｂ）よりも１／２程度に小さくなっている。

なお、２０ｍｇ／Ｌカフェイン水溶液の分析後のブランク試料では、カフェインのピークは未検出（検出器による検出限界以下）となるため、ブランク試料によるキャリーオーバの評価は１００倍の２０００ｍｇ／Ｌカフェイン水溶液の注入後、ブランク試料を分析して行ったものである。

図４のピークの面積αは２７３１６１、ブランク試料分析時に検出されたカフェインに対応するピークの面積βは、「低速モード」で１４４（キャリーオーバ量β／αとして０．０００５％）、「通常モード」で５９８（キャリーオーバ量β／αとして０．００２２％）であることを示している。すなわち、本発明の試料導入装置の「低速モード」は、より優れた低キャリーオーバを実現していることを示している。

以上のように、本発明に係る試料導入装置により、キャリーオーバが激減された。発明の説明に際して、注入ポート２５と高圧バルブ２１との間の流路を長く図示しているが、図示する上で流路が交差することを防ぐためである。分析時間の短縮化やデッドボリュームの低減といった観点からは、この流路は短い方が好ましく、特開２００４−２１５１１８号公報に記載の発明のように、注入ポート２５を高圧バルブ２１のポート上に直接設けたものもある。また、サンプルループ２３については明示的にらせん部を有するように図示しているが、特開２００４−８５４９９号公報に記載の発明のように、らせん部を有さずにサンプルループ２３として必要な容量を確保するものもある。これらの文献に開示される試料導入装置の特徴を、本発明に係る試料導入装置に適用することに何ら支障はない。

上記実施例は本発明の単に一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜変更や修正することも可能である。これら変更や修正したものも本発明に包含されることは明らかである。

１０・・・・・送液装置
２０・・・・・試料導入装置
２１・・・・・６ポート２ポジションバルブ（高圧バルブ）
２２・・・・・６ポジションバルブ（低圧バルブ）
２３・・・・・サンプルループ
２４・・・・・ニードル
２５・・・・・注入ポート
２６・・・・・計量ポンプ
２７・・・・・洗浄ポート
２８・・・・・試料容器
３０・・・・・分離・検出部
３１・・・・・カラム
３２・・・・・検出器
４０・・・・・制御・解析部
５０・・・・・試料導入装置
５１ａ・・・・ニードル
５１ｂ・・・・ニードル駆動機構
５２・・・・・入力部
５３・・・・・ニードル動作設定部
５４・・・・・ニードル動作制御部

Claims (5)

1. 先端に試料注入用ニードルを備えた試料計量用サンプルループと、
   垂直方向に降下してくる前記ニードルが挿入される開口を有し、前記ニードルが吸入した試料を分析用の流路に注入する注入ポートと、
   試料を注入する際に所定の位置から前記注入ポートに対して前記ニードルを降下させる速度を複数の候補から選択される設定部と、
   前記設定部で選択された速度で前記ニードルの降下を制御する制御部とを備えることを特徴とする試料導入装置。
2. 請求項１に記載の試料導入装置において、
   さらに、前記ニードルを洗浄する洗浄機構と、前記洗浄機構による洗浄工程を設定する洗浄工程設定部とを備えることを特徴とする試料導入装置。
3. 請求項２に記載の試料導入装置において、
   洗浄工程の設定により、前記ニードルを降下させる速度が決定されることを特徴とする試料導入装置。
4. 請求項１に記載の試料導入装置において、前記設定部は、前記所定の位置から前記注入ポートまでの行程における前記ニードルの降下速度が前記注入ポートに近い側で低いものとする候補を有することを特徴とする試料導入装置。
5. 請求項１に記載の試料導入装置を備えた分析装置であって、
   試料を分析する条件の一つとして、前記ニードルを降下させる速度が設定されることを特徴とする分析装置。

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