JP5939781B2 - 高耐圧フローセル、フローセルアッセンブリ、蛍光検出器および超臨界流体クロマトグラフ - Google Patents

高耐圧フローセル、フローセルアッセンブリ、蛍光検出器および超臨界流体クロマトグラフ Download PDF

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Description

本発明は高耐圧蛍光フローセル、そのアッセンブリ、および、高耐圧蛍光フローセルを用いた蛍光検出器および超臨界流体クロマトグラフに関する。
<超臨界流体クロマトグラフ>
主に二酸化炭素(CO)を移動相に用いた超臨界流体クロマトグラフ(Supercritical fluid chromatograph: SFC)や亜臨界流体クロマトグラフ(Subcritical fluid chromatograph)は、有機溶媒を用いる液体クロマトグラフ(Liquid chromatograph: LC)の代わりに利用できる分離分析・分離精製装置として注目されている。SFCでは、移動相として用いる流体の粘度が低く、高い拡散係数という物性により、カラム効率を低下させることなく流速を上げて短時間で分析することが可能である。
超臨界流体クロマトグラフ(SFC)は使用するカラムの形態によって2つに大別できる。充填カラム(Packed-column)を用いるSFCは、液体クロマトグラフ(LC)で培われた技術を応用したものであり、キャピラリーカラム(Capillary column)を用いるSFCは、ガスクロマトグラフ(Gas
chromatograph: GC)で培われた技術を応用したものである。充填カラムを用いたSFCは、LCから発展した装置であり、その扱いやすさと分離技術の拡張性により、種々の試料の分析に利用され、応用分野が拡大している。特に、光学異性体の分離、高分子オリゴマーの重合単位での分離で使用され、環境に優しく、ランニングコストが安価である。溶媒除去のための後工程も少なく、酸化しやすい物質や熱に不安定な物質にも適している。最近の研究では、アキラル物質の分離にSFCが応用されるなど、SFCが広く使用されるようになった。
このような分離分析装置は、環境保全の観点からも注目されており、液体クロマトグラフ(LC)から超臨界流体クロマトグラフ(SFC)に切り換える傾向がある。
<超臨界流体クロマトグラフ用検出器>
超臨界流体クロマトグラフ(SFC)に使用される検出器には、紫外可視吸光度検出器(UV/VIS)、蒸発光散乱検出器(ELSD)、質量分析計(MS)などが存在する。紫外可視吸光度検出器など光学フローセルを要する検出器をSFCで使用する場合は、10MPa以上の圧力をセル内にかけて使用するため、高耐圧の光学フローセルが必要になる。
<蛍光検出器>
光学フローセルを要する検出器としては、上記の他に、励起された試料成分の蛍光(燐光を含む)を検出する蛍光検出器(FLD)もあり、液体クロマトグラフ(LC)で使用されている。従来の蛍光検出器は、例えば石英ガラス製の角型フローセルを有し、LCのカラムで分離された試料成分を順次、移動相とともにフローセルに導入する。例えば、角型フローセルの下方から試料成分を導入し、セル内の流路を通って上方から導出する。励起光は、フローセルの一側面からセル流路内の試料成分を照射する。そして、試料成分に蛍光が生じたら、励起光の照射方向に垂直な方向からこの蛍光を検出する。
一般的にクロマトグラフを用いて試料を分離分析する際には、カラムからの試料成分のフローセル内での拡散を防ぐために、セル容量を小さくすることが重要とされている。例えば、特許文献1のように、4つの石英ガラス製の光透過材料を互いに融着して中空の角柱形のフローセルを組み立てることで、小容量のフローセルを形成することが行なわれてきた。セル容量の最小化によって、セル内での試料の拡散が抑えられ、検出されるクロマトグラムのピークの広がりを防止することができる。
さらに、セル容量の最小化による蛍光検出器の感度低下を防ぐため、セル中の試料成分に対してできるだけ多くの励起光を効率的に照射できるように構成されたフローセルも使用されるようになってきた。励起光をセルの流路方向に対して直角方向から照射する場合、セルの流路の断面積が小さければ小さいほど、必然的にセルの光路長が短くなってしまう。そこで、例えば特許文献2のフローセルは、励起光を流路方向に平行に照射するように構成されている。長い光路長を確保して多くの蛍光が生じるようにしている。
特開昭60−207038号公報 特開2006−300961号公報
特許文献1や特許文献2などの従来の融着式の光学フローセルでは、内部を通す流体の圧力上限が1MPa〜数MPa程度である。しかし、前述のように、蛍光検出器を超臨界流体クロマトグラフ(SFC)に使用するためには、少なくとも10MPaの圧力に耐え得る高耐圧の蛍光フローセルが必要になり、従来の光学フローセルは使用できない。そのため、SFCでは蛍光検出器を利用したアプリケーションが存在しなかった。
この点を詳細する。一般的にカラムからの流体は導入管を通ってフローセルに導かれ、フローセルから導出管を通って排出される。また、蛍光検出のためにセル本体は石英ガラスなどの光透過材料で形成されている。セル本体が金属製であれば、導入管の接続部を直接セル本体に接続して流体の経路を形成することができる。しかし、セル本体が光透過材料製の場合は、導入管の接続部を直接セル本体に接続できない。そのため、特許文献1の図7に示されているように、石英ガラス製のセル本体を一対のセル押え部材で上下から挟持して、入側のセル押え部材に導入孔を形成し、このセル押え部材に導入管を接続するようにしている。出側のセル押え部材についても同様にセル押え部材に導出孔を形成し、このセル押え部材に導出管を接続するようにしている。セル本体とセル押え部材との間にはガスケットを介在して流体の漏れを防止している。しかし、従来のフローセルにて10MPa以上の耐圧を得るには、セル押え部材によるセル本体の圧縮力をかなり大きくしなければならず、従来の融着式のフローセルでは圧縮力に耐えられなかった。
本発明の目的は、蛍光(りん光を含む)の検出器に利用可能なフローセル(以降、蛍光フローセルと呼ぶ。)において、前述のセル容量の最小化の要件を考慮した上で、さらに耐圧性能を上げることである。すなわち、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)で使用される高圧流体の蛍光検出に利用できる、光透過材料製の10MPa以上の耐圧を有する蛍光フローセルを提供することにある。また、このような高耐圧の蛍光フローセルを用いた蛍光検出器および超臨界流体クロマトグラフを提供することにある。
本発明の高耐圧蛍光フローセルは、
高圧流体のための直線状に貫通した流路を有する光透過材料製のセル本体を備え、
前記セル本体は、
前記流路の長手方向に直交する断面の大きさが0.1mm以上、5mm以下になるように形成され、かつ、
前記流路の壁厚t(mm)と前記流路の幅寸法d(mm)との比(t/d)が次式(1)を満たすように形成されていることを特徴とする高耐圧蛍光フローセル。
Figure 0005939781
ここで、σは前記セル本体の材質の引張応力(MPa)を表わし、Pは前記セル本体の耐圧(MPa)を表わす。
特に、前記流路の壁厚と前記流路の幅寸法との比がt/d≧1.8を満たしていることが好ましく、セル本体の耐圧を40MPa以上とすることができる。
また、前記セル本体の前記流路は、前記光透過材料のブロックを穴加工して、または、前記光透過材料製の管材を伸張加工して形成されたものである。
さらに、前記セル本体の材質としては、前記流路内で発生する蛍光が紫外可視領域のものであれば、前記セル本体を石英ガラスまたはサファイア製とし、前記流路内で発生する蛍光が可視領域のものであれば、前記セル本体をBK7製とする。ここで、紫外可視領域の蛍光を検出する場合には、光透過材料として、通常は石英ガラスが用いられるが、サファイアのような結晶構造の光透過材料を用いることによって、より高い耐圧のセル本体を提供できる。
本発明のフローセルアッセンブリは、前記高耐圧蛍光フローセルの前記流路の前後に前記高圧流体の導入孔および導出孔を形成するフローセルアッセンブリである。
すなわち、フローセルアッセンブリは、
前記高耐圧蛍光フローセルと、
前記フローセルへ前記高圧流体を導入する導入孔を有し、該導入孔が前記フローセルの前記流路の一方の開口に連通するように配置された入側セル押えと、
前記フローセルからの前記高圧流体を導出する導出孔を有し、該導出孔が前記フローセルの前記流路の他方の開口と連通するように配置された出側セル押えと、
前記入側セル押えおよび前記出側セル押えのうちの一方を保持する保持手段と、
前記入側セル押えおよび前記出側セル押えのうちの他の一方を前記フローセルに向けて押圧する押圧手段と、を備える。
前記押圧手段の押圧力により前記一対のセル押えの間で前記フローセルが挟持されて、
前記導入孔から前記フローセルの前記流路を通って前記導出孔までの前記高圧流体の経路が形成されている。
このように、フローセルを挟持する一対のセル押えが流路の入出側に設けられているので、流路に対して垂直に励起光を高圧流体に照射し、この励起光の照射方向および高圧流体の流路の両方向に垂直な方向から蛍光を検出するという光学系を容易に構成することができる。
また、前記いずれか一方のセル押えと前記押圧手段との間に低摩擦のシートが介在している。さらに、前記シートの材質は、フッ素樹脂またはポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)であり、特に、三フッ化塩化エチレン樹脂(PCTFE)などが好ましい。
特に、本発明のフローセルアッセンブリでは、前記導入孔および前記導出孔の少なくとも一方の孔は、前記セル本体の前記流路と同一直線上に形成され、かつ、前記孔の端部は、光透過材料の窓板によって塞がれており、
前記窓板を有する前記セル押えには、さらに、前記窓板の内側部分において前記孔に連通する連絡孔が設けられ、
前記窓板を介して光を前記流路の長手方向に入射または出射可能になっており、
前記連絡孔を通じて前記セル押えの外部との間で前記高圧流体を授受できることが好ましい。
このフローセルアッセンブリの構成によれば、例えば、窓板を介してフローセルの流路の長手方向に励起光を高圧流体に照射して、流路に垂直な方向から蛍光を検出するという光学系を採用することができるし、逆に、流路に垂直な方向から励起光を高圧流体に照射して流路の長手方向から窓板を介して、蛍光を検出するという光学系も採用することができる。
また、本発明の蛍光検出器は、
前記フローセルアッセンブリと、
前記フローセルアッセンブリの前記セル本体に励起光を入射させる励起光学系と、
前記セル本体内の高圧流体から発生した蛍光を受光する受光光学系と、
を備える。
また、本発明の超臨界流体クロマトグラフは、
前記蛍光検出器を用いて10MPa以上の高圧流体の蛍光検出を行なうことにより蛍光に関するクロマトグラムを取得する。
以上の発明によれば、セル容量の最小化とともに、さらに耐圧性能に優れた高耐圧蛍光フローセルを提供できる。すなわち、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)で使用される高圧流体の蛍光検出に利用できる、光透過材料製の10MPa以上の耐圧を有する蛍光フローセルを提供することができる。また、このような高耐圧の蛍光フローセルを用いた蛍光検出器および超臨界流体クロマトグラフを提供することができる。
本発明に係る蛍光検出器の全体構成図である。 本発明の第1実施形態に係るフローセルアッセンブリの外形図である。 前記フローセルアッセンブリの縦断面図である。 前記フローセルアッセンブリの分解図である。 本発明に係る高耐圧蛍光フローセルの構成のバリエーションを示す図。 前記フローセルアッセンブリにおける高圧流体の経路のバリエーションを示す図である。 本発明の高耐圧蛍光フローセルの反射手段について説明する図である。 本発明の高耐圧蛍光フローセルへの励起光の入射方向および蛍光の検出方向のバリエーションを示す図である。 本発明の第2実施形態に係るフローセルアッセンブリの外形図である。 本発明のフローセルに対するバンドルファイバーの位置関係を説明する図である。 高圧ガス保安法に対応可能なフローセルの全体構成を説明する図。 本発明の超臨界流体クロマトグラフを用いて、アントラセンの蛍光検出および紫外可視検出の検出結果を比較するためのクロマトグラム。 前記超臨界流体クロマトグラフを用いて、多環芳香族炭化水素の微量分析の分析結果を示すクロマトグラム。 本発明の超臨界流体クロマトグラフを用いて、プレカラム誘導体化法により遊離脂肪酸を分離した結果を示すクロマトグラム。
蛍光検出器
先ず、本発明の蛍光検出器に係る実施形態について、図1に基づいて説明する。同図にて、蛍光検出器10は、フローセルアッセンブリ1と、光源2と、励起光分光器4と、蛍光分光器6と、光検出器7とから構成される。
この蛍光検出器10は、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)の検出器として使用され、カラムで分離された試料成分の蛍光を検出する。フローセルアッセンブリ1には、カラムからの試料成分が移動相(CO等)とともに送られてくる。キセノンランプや水銀ランプのような光源2からの光は励起光分光器4で分光される。分光された励起光3はフローセルアッセンブリ中の試料成分を照射し、その励起光により試料成分に蛍光5が生じる。蛍光5は、励起光3と直交する方向から取り出され、蛍光分光器6で分光された後、光電子増倍管などの光検出器7で検出される。この検出値に基づき蛍光のクロマトグラムが得られる。以降の説明では、励起光分光器からの励起光を単に入射光と呼び、試料の蛍光による光を単に出射光と呼ぶ場合がある。
なお、本発明に係る蛍光検出器は、このような構成に限られるものではなく、少なくとも励起光学系、フローセルアッセンブリ、および高圧流体から発生した蛍光を受光する受光光学系を備えた構成のものを含む。
<第1実施形態>
フローセルアッセンブリ
次に、蛍光検出器の構成要素であるフローセルアッセンブリ1について図2〜図4に基づいて詳しく説明する。図2にて、第1実施形態に係るフローセルアッセンブリ1は、高耐圧蛍光フローセルを保持するU字型保持部本体12と、フローセルにカラムからの高圧流体を導入する入側流路14と、高圧流体をフローセルから排出する出側流路16とを備える。
図3の縦断面図および図4の分解図も参照すると、フローセルアッセンブリ1は、さらに、フローセル18と、フローセル下方の入側セル押え20と、フローセル上方の出側セル押え22とを備える。フローセル18は、入側セル押え20と出側セル押え22の間に、入側ガスケット24および出側ガスケット26を介して挟持されている。
保持部本体12を形成するZ方向(図中の上下方向)に隔たった2つのアーム部は、それぞれZ方向に貫通する孔を有し、各孔の中心軸が一致している。この下側のアーム部の孔に入側セル押え20が挿入され、入側セル押え20のZ方向の位置が定まる。入側セル押え20の中央部分にはZ方向に沿って導入孔28が形成されている。前述の入側流路14は、入側流路接続部30により入側セル押え20に接続され、導入孔28と連通している。
入側セル押え20の上面には入側ガスケット24を介して円筒形のフローセル18が載置されている。フローセル18の中央部分には、Z方向に貫通するセル流路32が入側セル押え20の導入孔28と連通して直線状に形成されている。
フローセル18の円筒上面には、保持部本体12の上側のアーム部の孔に挿入された出側セル押え22が、出側ガスケット26を介して載置されている。出側セル押え22の中央部分にはZ方向に沿って導出孔34が形成され、フローセル18のセル流路32と連通している。前述の出側流路16は、出側流路接続部36によって出側セル押え22の上部に接続され、その導出孔34と連通している。なお、出側セル押え22を挿入した上側アーム部の孔の内周面には雌ネジが形成され、押圧手段であるセル押えナット38の外周面には前記雌ネジに螺合する雄ネジ38A(図4参照)が形成されている。
セル押えナット38をネジ込むと、このセル押えナット38が出側セル押え22をフローセル側へ押す。これによりフローセル18がZ方向の圧縮力を受け、ガスケット24,26の変形により、フローセル18と上下のセル押え20,22との隙間が密封される。その結果、入側流路14から導入孔28、セル流路32、導出孔34の順に出側流路16に通じる直線状の経路が形成され、その経路の耐圧を10MPa以上にすることができる。
高耐圧蛍光フローセル
本実施形態に用いる高耐圧蛍光フローセル(以降、単にフローセル18とも呼ぶ)は、図5(A)に示すように、石英ガラス(アモルファス構造)などの光透過材料からなる円筒体のセル本体42Aで構成される。セル本体42Aは、直線状のセル流路(貫通孔)32Aを有する。セル本体42Aは、円柱体の石英ガラスブロックに、セル流路32Aを円柱形にくり貫いて形成されている。セル流路32Aの両端の入側開口および出側開口は、それぞれ円筒体の上下面(入側面44および出側面46と呼ぶ)に形成される。入側面44と出側面46は平行である。
セル本体の各種の態様を図5(B)〜(F)に示す。同図(B)のセル本体42Bは、角柱体の石英ガラスブロックに、角柱形のセル流路32Bをくり貫いて形成されている。
同図(C)のセル本体42Cは、四角柱体の石英ガラスブロックに、円柱形のセル流路32Cをくり貫いて形成されている。同図(D)のセル本体42Dのように、円柱体の石英ガラスブロックに、角柱形のセル流路32Dをくり貫いて形成してもよい。
また、同図(E)のセル本体42Eのように、セル流路32Eを角錐台形に形成して、入側から出側に向けてセル流路32Eの断面が一定の割合で大きくなるようにしてもよい。この場合、外形形状も角錐台形である。同様に、同図(F)のように、円錐台形の石英ガラスブロックに円錐台形のセル流路32Fをくり貫いて形成されたセル本体42Fを用いてもよい。角錐台形および円錐台形のセル流路32E,32Fを有するセル本体42E,42Fのように、セル本体の外壁面およびセル流路の内壁面がセル流路の中心軸に対して平行面になっていない場合には、セル流路内で試料成分の滞留を効率よく抑制できる。また、セル本体への励起光がセル流路の中心軸に対して垂直に入射される場合には、セル本体の外壁面、セル流路の内壁面に対して励起光は垂直に入射されず、セル流路の中心軸に対して垂直方向と違った方向に反射する。蛍光の検出方向は、通常、セル流路の中心軸に対して垂直方向に設定されているので、中心軸に対して垂直方向と違った方向への反射光は蛍光の検出器の方向へ入射することがなく、その結果、蛍光の検出器でのバックグラウンド信号レベルが下がるので、ノイズの少ない蛍光検出が可能となる。
図5(A)のセル本体42Aにおいて、円柱形のセル流路32Aの壁厚(t)とセル流路の直径(d)との比(t/d)は、後述する式(1)を満たしている。同様に、図5(B)のセル本体42Bにおける角柱形のセル流路32Bについても、その壁厚(t)とその幅(d)との比(t/d)は後述の式(1)を満たす。また、図5(C)のセル本体42Cにおいても、円柱形のセル流路32Cの壁厚(t)とその直径(d)との比(t/d)は後述の式(1)を満たす。図5(D)のセル本体42Dについても、角柱形のセル流路32Dの壁厚(t)とその幅(d)との比(t/d)は後述の式(1)を満たす。図5(E)、(F)のセル本体42E、42Fにおいても、同様に、セル流路の壁厚とその幅との比は後述の式(1)を満たす。
図5の各種セル本体42A〜42Fの材質については、セル流路内で発生する蛍光が紫外可視領域のものであれば、石英ガラスまたはサファイア製とし、セル流路内で発生する蛍光が可視領域のものであれば、BK7などの一般的な光学ガラス製とする。
これらのセル本体42A〜42Fでは、セル流路の壁厚を十分に大きくすることにより、要求される耐圧が確保される。一般的に、ガラス管の壁厚と耐圧には、次式の関係がある。
Figure 0005939781
ここで、Pは、許容内圧力つまり耐圧(MPa)、
σは、引張応力(MPa)であり、
石英ガラスの場合は47MPa、
サファイアの場合は2250MPaであり、
dは、光透過材内径(mm)、
Dは、光透過材外径(mm)である。
上記のように、セル本体の材質がサファイアである場合、石英ガラスよりも大きな耐圧Pを確保することができる。しかし、光透過特性については、サファイアよりも石英ガラスの方が優れている。よって、紫外可視領域の蛍光検出の場合には、通常は、石英ガラスを採用し、より大きな耐圧を要する際はサファイアを採用する。
セル本体の外径Dは、セル流路の内径dおよび壁厚t(mm)を用いて、D=d+2tで表わされる。式(2)から壁厚と内径の比(t/d)を示す次式が導かれる。
Figure 0005939781
式(3)を満足する耐圧Pとt/dとの関係を石英ガラスについて以下に示す。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
耐圧P(MPa) t/d
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
(石英ガラス) 10 0.120593
15 0.195971
20 0.287636
25 0.404534
30 0.564121
35 0.807032
40 1.262709
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
(サファイア) 10 0.002227
15 0.003345
20 0.004464
25 0.005587
30 0.006712
35 0.007839
40 0.008969
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
ここで、実用上の適切なセル流路の断面積は、0.1mm以上、5mm以下である。セル流路の断面が円形の場合について、セル流路の内径dと断面積の関係を以下に示す。
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
セル流路の内径d(mm) 断面積(mm
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
0.1 0.007854
0.3 0.070686
0.6 0.282743
1.0 0.785398
1.5 1.767146
2.0 3.141593
2.5 4.908739
5.0 19.63495
――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
上記の式(3)に示すように、壁厚と内径の比(t/d)は、セル本体の材質(引張応力σ)と必要な耐圧Pとにより差が生じる。
まず、実用上の耐圧については、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)や亜臨界流体クロマトグラフ(Subcritical fluid chromatograph)の場合に、10〜40MPa程度と考えられるので、耐圧Pを40Mpa程度に設定する場合があり得る。
次に、材質に関しては、紫外光の透過率は石英ガラスの方が高く、できるだけ石英ガラスを使用したいが、必要な耐圧を確保することが難しい場合は、サファイアを使用する。
発明者らは、セル本体の材質に関わらず、また、セル本体およびセル流路の各断面形状に関わらず、セル流路の壁厚をt(mm)、セル流路の幅寸法をd(mm)とした場合に、これらの比(t/d)が次式(1)を満たすようにセル本体を形成することによって、必要な耐圧P(MPa)を有するフローセルが得られることを見出した。
Figure 0005939781
ここで、σはセル本体の材質の引張応力(MPa)を表わす。
例えば、セル本体の材質を石英ガラス(引張応力47MPa)として、40MPaの耐圧Pを確保する場合には、前述の式(3)によるとt/dを1.2以上にする必要がある。しかし、実際の設計では安全率αを1.5〜2.0以上にするのが一般的である。安全率α=1.5の場合にはt/dが1.8以上となり、α=2.0の場合にはt/dが2.4以上となる。すなわち、実際の設計では、t/d≧1.8〜2.4として設計すべきであり、上記の式(1)を満足するt/dの値を用いるべきであることを見出した。
特に、上記のt/d≧1.8〜2.4の設計値は、材質を石英ガラスとして導き出したものであるが、材質がサファイアの場合についても同様に適用できる。式(1)を用いて、サファイアの強度(引張応力2250MPa)から計算した壁厚tに関しては非常に低い値を示すが、加工上の制約や流体シールとの関係などから、実用上の壁厚はこの計算値以上の値を用いる。また、石英ガラス、サファイアを問わず、式(3)の計算値はあくまでも管材の耐圧Pと壁厚tの関係を示したものであり、実際のフローセルにはそれ以外の力も加わることを考慮すると、実設計は式(3)による壁厚tよりも厚くする傾向にあると言える。これらのことを考慮した結果、発明者らは、式(1)を満足するt/dの値を用いれば本発明の目的を達成できること、特に、材質に関わらずt/d≧1.8〜2.4として設計するとよいことを見出した。
本実施形態のフローセルアッセンブリ1には、迷光を低減するためにフローセル18の入射側にスリット48(図2参照)が設置されている。このスリット48はスリット板50に形成された細長矩形の孔であり、スリット板50は留めネジ52で保持部本体12に固定されている。また、フローセル18のセル流路32における試料成分の滞留を防ぐためには、セル流路32の幅をできる限り狭くすることが望ましい。さらに、セル流路32に励起光を効率的に入射するためには、スリット48の幅とセル流路32の幅とを等しくするとよい。
しかし、スリット48の幅とセル流路32の幅とを極端に狭くしてしまうと、蛍光の発光量が小さくなってしまい感度が低下する。これらのことを全て考慮すると、入射側のスリット48の幅も、セル流路32の幅も、共に「適度に狭い」幅であることが求められる。適度に狭い幅としては、0.5mm〜2.0mm程度がよい。従来、石英ガラスブロックに円柱形や円錐台形のセル流路32を加工する場合には、そのような幅の狭いセル流路32を石英ガラスブロックに加工することが従来は非常に困難であった。ところが、今日の研磨技術や光ファイバー製造工程(線引工程)で培われたガラス、石英材の伸張加工技術の向上により、0.5mm〜2.0mm程度の幅の狭いセル流路であっても所望の精度で加工することができるようになった。
図5(A)のセル本体42Aの場合の具体的な寸法例を示すと、
セル本体の直径:10.0mm径
セル流路の直径: 1.8mm径
セル流路の長さ: 7.5mm長
になる。このようなセル流路32Aの寸法形状であれば、十分な光量の励起光を入射できる。セル本体の直径は、耐圧の計算式(1)を用いておよそ40MPaの耐圧を持つように算出した寸法である。この寸法例では、セル流路の壁厚(t=4.1mm)は、セル流路の直径(d=1.8mm)の約2.3倍になっている。
なお、本実施形態では、石英ガラスブロックにセル流路を穴加工してセル本体42A〜Fを形成する場合を説明したが、その他のセル本体の製造方法として、石英ガラス製の管材を伸張加工することによる方法もある。
次に、図6(A)〜(C)に基づいて、フローセルアッセンブリを流れる高圧流体の経路について説明する。フローセル18の流路はどれも共通するが、入側セル押え20の導入孔と出側セル押え22の導出孔の各経路が異なっている。同図(A)は、図3に示すフローセルアッセンブリ1の略図であり、フローセルに隣接する入側流路と出側流路は、セル流路と共に一直線状の経路を形成している。経路内での滞留などの影響が最も小さいアッセンブリである。
また、同図(B),(C)に示すフローセルアッセンブリのように、フローセル18への入射光や出射光の進行方向に応じて、入側セル押え20Aへの入側流路14の接続方向および出側セル押え22Aへの出側流路16の接続方向を、フローセル18のセル流路に対して垂直にしてもよい。同図(B)はU字型の高圧流体の経路の例であり、同図(C)はZ字型の高圧流体の経路の例である。同一のセル本体18を用いても、異なる経路のフローセルアッセンブリを構成することができる。
フローセルアッセンブリでは、フローセル18と入出側のセル押えとの隙間から高圧流体が漏れないようにするため、つまり、フローセルアッセンブリの耐圧を確保するために、フローセル18を2つのセル押えで圧縮している。フローセル18の加圧方法は、前述の図3、4を用いて説明した通りである。すなわち、図6のいずれのフローセルアッセンブリにおいても、セル押えナットの締め付け力などにより、フローセル18に大きな圧縮力が加わる。本実施形態では、加圧によって光透過材料製のフローセル18が破損しないように、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)などで形成されたガスケット24,26をフローセル18とセル押え20,20A,22,22Aの間に設置している。例えば、図5(A)の円筒形のセル本体42Aを用いたフローセルアッセンブリにおいて、40MPaの耐圧が得られるようにセル押さナットの締め付けトルクを計算すると、2.5N・mになる。適用できるガスケット24,26として、例えば厚さ0.3mmのドーナツ板状パッキン(外径9.9mm、内径2.5mm)を用いることができる。
更に、図3および図4に示すように、本実施形態では出側セル押え22とセル押えナット38との間には、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などで形成されたリング状シート40が設置されている。PCTFE製のシートは滑りが良いため、セル押えナット38の締め付けの際に出側セル押え22が回転してフローセル18を破損したり、フローセル18の位置がずれたりする現象を防ぐことができる。
また、リング状シート40の使用により、フローセル18を均一に加圧することができる。およそ10分の間隔を空けて3回程度、所定のトルクでセル押えナット38を締め付ける作業を繰り返すと、リング状シート40の緩みを取り除くことができて、より均一にフローセル18を加圧できる。フローセル18を均一に加圧できれば、フローセル18の局所応力の発生による破損や、時間経過による耐圧の低下などを防止できる。
なお、滑り材として使用するリング状シート40の材質には、PCTFEに限らず、フッ素樹脂やポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)を採用してもよい。
図7(A),(B)に示すように、セル本体42A,42Bの側面に反射膜52,54(または反射板でもよい)を設けて、検出感度を向上させることができる。同図でハッチングを付した2領域は、セル流路32A,32Bを挟んで励起光の照射面とは反対側の面(照射側の対面)、および、セル流路32A,32Bを挟んで蛍光の出射面とは反対側の面(出射側の対面)である。これらセル本体42A,42Bの照射側の対面、出射側の対面にそれぞれ光を反射する手段を設けると、その反射光によって光量を増加させることができ、検出感度を上げることができる。反射手段として、セル本体42A,42Bの外壁面にアルミニウムを蒸着して反射膜52,54を形成する他、セル本体42A,42Bの外壁面に平面鏡を密着させてもよいし、外壁面から少し離れた位置に凹面鏡を設置してもよい。
また、図示を省略するが、セル本体42A,42Bの入射側方向、および、出射側方向にそれぞれ集光レンズを設置すれば、光の損失を低減する効果がある。
<第2実施形態>
第1実施形態に係るフローセルアッセンブリ1を用いて蛍光測定を行なう場合、図8(A)に示すように、セル流路32の中心軸に対して垂直(Y方向)に励起光を入射して、蛍光もセル流路32の中心軸に対して垂直(X方向)に取り出す。入射方向(Y方向)と出射方向(X方向)は、セル流路32に垂直な平面上となり、かつ、互いに直交している。同図(A)では、フローセル18に対する入射光と出射光が互いに直角になるので、出射光に入射光が入り込み難くなり、感度向上の点で効果がある。
しかし、フローセル18の利用方法はこれに限られるものではなく、図8(B),(C)のような利用も可能である。同図(B)では、セル流路32の中心軸に対して平行に励起光を入射して、蛍光をセル流路32の中心軸に対して垂直に取り出す。また、同図(C)では、セル流路32の中心軸に対して垂直に励起光を入射して、蛍光をセル流路32の中心軸に対して平行に取り出す。なお、前述の図5に示した各種フローセルの全てについて、図8(A)〜(C)の利用方法が可能である。
以下に説明する実施形態では、図8(B)の利用方法を実現可能なフローセルアッセンブリについて詳しく説明する。第2実施形態に係るフローセルアッセンブリ101の構成を図9に示す。同図には、他の構成要素の図示を省略して、フローセル18、ガスケット24,26、入側セル押え120、出側セル押え122、および、励起光の導光経路を図示した。
本実施形態で特徴的なことは、入側セル押え120および出側セル押え122の両方のセル押えに(2つのセル押えのうちの片方だけでも構わない)、励起光を透過するための窓板60が設けられていることにある。そして、励起光の導光経路が、光ファイバー62およびファイバー接続部64から構成されて、光ファイバー62により出側セル押え122の窓板60を通じて、セル流路32に励起光が導光されることにある。
すなわち、出側セル押え122の導出孔は、フローセル18のセル流路32と同一直線上に形成され、かつ、導出孔の端部は、光透過材料の窓板60によって塞がれている。この窓板60は、窓板押え66により出側セル押え122に固定されている。出側セル押え122には、さらに、窓板60の内側部分においてセル流路32の長手方向に垂直な方向から導出孔に連通する出側連絡孔68が形成されている。高圧流体はセル流路32から導出孔を通り、さらに出側連絡孔68を通って、出側流路16へ排出される。
フローセルアッセンブリ101では、励起光が窓板60を介してセル流路32の長手方向に入射可能であり、かつ、出側連絡孔68を通じて出側セル押え122の外部へ高圧流体が排出される。なお、本実施形態では、入側セル押え120についても、出側セル押え122と同じ構成の窓板60、窓板押え66、入側連絡孔70を有する。そして、出側セル押え122の窓板60から導出孔内に入射した励起光は、導出孔とセル流路32と導入孔とからなる直線状の経路内の試料成分を励起して蛍光を生じさせる。入側セル押え120の導入孔まで達した励起光はそのまま直進して入側の窓板60から外部に出る。試料成分からの蛍光は全方位に放射されるが、そのうちの蛍光検出方向に出射した分が蛍光分光器へ導光される。蛍光検出方向はセル流路32の中心軸に対して垂直方向に設けられている。
ここで、図9の例では励起光の進行方向(図中で上から下)に対して内部を流れる流体の進行方向(図中で下から上)は逆方向になっているが、2つの方向を同一方向としてもよい。実質的な差は生じない。
なお、入側セル押えについては、第1実施形態の入側セル押えを使用してもよく、必ずしも本実施形態のように窓板60を有するセル押えを使用する必要はない。
励起光は、光ファイバー62により出側セル押え122の窓板60の近傍まで導光される。具体的には、図9のようにファイバー接続部64の照射口74をアッセンブリ1の窓板60に向けて、窓板60に近い位置に配置することにより、窓板60を通じて励起光をフローセル18のセル流路32に導光することができる。このように光ファイバー62を使用すると、断面積の小さいセル流路32のみに効率よく励起光を照射することができるため、また、励起光の散乱や反射による迷光を低減することができるため、検出感度を向上させることができる。光ファイバー62は、本実施形態の窓板60のような微小な面に入射光を照射する場合に適しており、上記の効果を発揮し易い。
なお、本実施形態においては、光ファイバーによる励起光の導光手段を用いなくても、通常の光学系による導光手段によって励起光分光器4からの励起光3を窓板60まで導光してもよい。
第1実施形態、第2実施形態のフローセル18からの蛍光を集光して、蛍光分光器まで導光するための集光手段について、図10に基づいて説明する。蛍光は全方位に放射されるが、図7で説明した反射手段などにより特定の検出方向に導くこともできる。さらに蛍光の検出感度を上げるためには、フローセル18の検出方向の側面に対して蛍光分光器の入射口をできるだけ接近させることが理想であるが、スペース上の制約を受けたり、蛍光分光器の発熱の影響を避けたりするため、フローセル18の近傍に蛍光分光器を配置することが困難になる場合が多い。このため、図10に示すバンドルファイバー72A,72Bを集光手段として用いれば、効率的な集光を行なうことができる。バンドルファイバー72A,72Bの一端を蛍光分光器の入射口に接続し、他の一端面を同図のように、フローセル18の側面の近傍に対向させる。同図(A)は、断面矩形のバンドルファイバー72Aの配置を示し、同図(B)は、断面円形のバンドルファイバー72Bの配置を示す。
バンドルファイバー72A,72Bは、広い範囲の受光面を持っているので、集光量が大きく、蛍光の検出漏れを低減できる。また、蛍光分光器までの光ファイバー内におけるロスも小さくて済む。さらに、光ファイバーのフレキシブル性が高いので、フローセル18から蛍光分光器までの光路設定の自由度が大きい。
次に、図11(A),(B)に基づいて、参考例としての高耐圧蛍光フローセル118について説明する。日本国の高圧ガス保安法などでセル本体の材質選定の規制を受けて、第1および第2実施形態のようにセル本体142の全体を石英ガラスなどの光透過材料で構成することができない場合がある。このような場合に本実施形態のフローセル118が有効である。同図のフローセル118では、入射部84や出射部86などの付属部分を除いて、セル本体142がSUS316などの金属材料で構成されている。
フローセル118は、セル本体142、入側セル蓋80、出側セル蓋82、入射部84および出射部86によって構成されている。セル本体142には、10MPa以上の圧力に耐え得るセル流路132がZ方向に形成されている。このセル流路132の両端部には、それぞれガスケット124,126を介して入側セル蓋80と出側セル蓋82が固定されている。固定方法としては例えば、図11のように出側セル蓋82に形成された雄ネジをセル本体142の雌ネジにねじ込んで、出側セル蓋82をセル本体142に固定してもよい。各セル蓋80,82には、高圧流体の入側流路または出側流路が接続されるようになっている。
このフローセル118において特徴的なことは、セル流路132の中心軸に対して垂直方向に励起光用の導光路88および蛍光用の導光路90が設けられている点にある。また、励起光用の導光路88と蛍光用の導光路90は互いに直角に交わり、セル本体142のほぼ中心部においてそれぞれセル流路32に連通する。各導光路88,90の途中には、導光路を塞ぐための石英ガラスなどの光透過材料からなる窓板92がそれぞれ設けられている。窓板92は、窓板押え94によりセル本体142に固定されており、セル流路132内をフローセル118の外部から遮断している。
入射部84への励起光は、励起光用の窓板押え94に形成された導光路88を通って、さらに励起光用の窓板92を透過して、セル流路132に達する。セル流路132では、その中心軸に対して垂直方向に励起光が高圧流体を照射する。高圧流体からの蛍光は、入射部84の導光路88に対して垂直方向に設けられた蛍光用の窓板92を透過して、さらに蛍光用の窓板押え94に形成された導光路90を通ってフローセル118の外部に取り出される。
図11(B)に示すセル本体142においては、セル流路132に対して励起光用の導光路88側とは反対の位置に、特段、別の導光路を設けていない。このような場合、入射した励起光がセル流路132内で散乱して、その散乱した励起光が蛍光用の導光路90に導出されるという心配がある。このような散乱光の影響を排除するために、セル本体142において、セル流路132に対して励起光用の導光路88側とは反対の位置に、励起光出口用の導光路を設けてもよい。特に、励起光の出口用の導光路の中心軸と、入射用の導光路88の中心軸が一致するように設けるとよい。このようにすれば、セル流路132に入射した励起光を出口用の導光路から逃がすことができ、散乱光の発生を抑えて蛍光の検出感度の向上を図ることができる。
本実施形態の高耐圧蛍光フローセル118を用いれば、セル本体142をSUS316などの金属製として、入射部84および出射部86の窓板92にのみ石英ガラスなどの光透過材料を用いるので、日本国の高圧ガス保安法などの規制をクリアして、10MPa以上の耐圧を有するフローセルを構成することができる。
感度の向上(蛍光検出と紫外可視吸光度検出との比較)
超臨界流体クロマトグラフ(SFC)のカラムへ下記の分離条件でアントラセンを注入し、カラムの後段に設けた本発明に係る蛍光検出器によって蛍光検出を行ってクロマトグラムを取得した。また、カラムの後段に紫外可視吸光度検出器を設けて、同じ分離条件でアントラセンの吸光度検出を行ってクロマトグラムを取得した。各検出器により得られたクロマトグラムを図12(A),(B)に示す。また、このクロマトグラムのピークの面積値・高さ値・S/N比(シグナル/ノイズ比)を表1に示す。従来のSFCでは、紫外可視吸光度検出器によるクロマトグラムしか得ることができなかったが、本発明のフローセルを使用することで蛍光検出器によるクロマトグラムを取得できるようになった。そして、図12及び表1に示すように、試料の注入開始からたった2.5〜3.0minでアントラセンのピークが検出された。また、ピーク高さは245861μVとなり、紫外可視吸光度検出器によるピーク高さの25倍以上になった。ピーク面積については従来の18倍以上、S/N比については従来の54倍以上の数値が得られた。このようにSFCによって短時間の分析が可能となり、かつ、蛍光検出によって検出感度が大きく向上したことを確認した。なお、本実施例のである。
分離条件
CO: 3 mL/min
温度: 40 ℃
圧力: 15 MPa
カラム: シリカゲル (I.D. 4.6 mm x 長さ 250 mm)
注入量: 5 μL
試料: アントラセン 1.1 μg/mL
蛍光検出: 励起光330 nm、蛍光400
nm
紫外可視検出: 240 nm
Figure 0005939781
微量分析(多環芳香族炭化水素)
多環芳香族炭化水素(PAHs:Polycyclic Aromatic
Hydrocarbons)は、排気ガス等に含まれている強い発ガン性を持つ有害物質であり、様々な国において規制の対象となっている。そのため、PAHsを微量分析する手段の提供が強く要求されている。PAHsは強い蛍光を持っているので、蛍光検出による分析を適用できる。従って、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)による分離と、本発明のフローセルを用いた蛍光検出とを組み合わせることで、PAHsの微量分析が可能となる。
本実施例では、超臨界流体クロマトグラフ(SFC)のカラムへ下記の分離条件で多環芳香族炭化水素(PAHs)を注入し、カラムによって分離された試料成分の蛍光検出を行った。その分析結果であるクロマトグラムを図13に示す。同図に示すように、ナフタレンやフルオレンなど多成分からなるPAHsは、SFCのカラムにより短時間で分離され、さらに蛍光検出により20min程度で全ての成分のピークを検出することができた。また、本発明の高耐圧蛍光フローセルを用いれば、セル容量が0.5〜50μLであるマイクロフローセルを構成することができるので、試料の注入量が微量(例えば5μL)である場合に、適切なセル容量のマイクロフローセルを使用することができる。その結果、微量の試料成分を明確なピークとして捉えることができた。
分離条件
CO: 3 mL/min
温度: 40 ℃
圧力: 20 MPa
カラム: ODSカラム (I.D. 4.6 mm x 長さ 250 mm)
注入量: 5 μL
試料: ナフタレン, フルオレン, アントラセン, フェナントレン,
ピレン, 1,2-ベンゾアントラセン, トリフェニレン, クリセン,
ベンゾピレン
蛍光検出: 試料成分の蛍光検出においては、成分毎に単一波長の励起光を入射して、同じく単一波長の蛍光を測光するのが一般的である。励起光および蛍光の波長を成分毎に示すと以下のようになる。
励起光270 nm、蛍光330 nm (ナフタレン,フルオレン)
励起光250 nm、蛍光370 nm (アントラセン,フェナントレン)
励起光335 nm、蛍光390 nm (ピレン)
励起光280 nm、蛍光380 nm (ベンゾアントラセン, トリフェニレン, クリセン)
励起光290 nm、蛍光440 nm (ベンゾピレン)
プレカラム誘導体化法
検出器に対して十分な応答を示さない試料(脂肪酸等)であっても、化学反応などにより強い応答を示す物質へ変換させてから検出を行なうことによって、検出感度を堅守できる場合がある。このような手法は誘導体化法と呼ばれる。プレカラム誘導体化法を適用した超臨界流体クロマトグラフ(SFC)で下記の分離条件により遊離脂肪酸を分離した結果を図14に示す。従来のSFCでは、高価な質量分析計を使用しないと遊離脂肪酸の分析をすることができなかったが、本発明により蛍光検出器での分析が可能となった。誘導体化法は遊離脂肪酸に限られず様々な種類の試料に対して有効な方法であり、SFCの汎用性を高めることができる。
分離条件
CO: 2.8 mL/min
アセトニトリル:0.2 mL/min
温度: 40 ℃
圧力: 15 MPa
カラム: ODSカラム (I.D. 4.6 mm x 長さ 250 mm)
注入量: 5 μL
試料: Caprylic acid (C8), Capric acid (C10), Lauric acid (C12),
Linolenic acid (C18:3), Myristic acid
(C14),
Linolenic acid (C18:2), Palmitic acid (C16),
Oleic acid (C18:1), Stearic acid (C18),
Arachidic acid (C20), Behenic acid (C22)
蛍光検出: 励起光365nm、蛍光412nm
1,101 フローセルアッセンブリ
2 光源
4 励起光分光器
6 蛍光分光器
7 光検出器
10 蛍光検出器
12 U字型保持部本体(保持手段)
14 入側流路
16 出側流路
18,118 高耐圧蛍光フローセル
20,120 入側セル押え
22,122 出側セル押え
24,124 入側ガスケット
26,126 出側ガスケット
28 導入孔
30 入側流路接続部
32,132 セル流路
34 導出孔
36 出側流路接続部
38 セル押えナット
40 リング状シート
42A〜42F,142 セル本体
60 窓板
66 窓板押え
68 出側連絡孔
70 入側連絡孔

Claims (7)

  1. 高圧流体のための直線状に貫通した直線状流路を有する光透過材料製のセル本体を備え、
    前記セル本体は、融着部を有さないブロックからなり、
    前記直線状流路の長手方向に直交する断面の大きさが0.1mm以上、5mm以下になるように形成され、かつ、
    前記直線状流路の壁厚t(mm)と前記直線状流路の幅寸法d(mm)との比(t/d)が次式(1)を満たすように形成されていることを特徴とする高耐圧フローセル。
    Figure 0005939781
    ここで、σは前記セル本体の材質の引張応力(MPa)を表わし、Pは前記セル本体の耐圧(MPa)を表わす。
  2. 請求項1記載の高耐圧フローセルにおいて、
    前記直線状流路の壁厚と前記直線状流路の幅寸法との比が特にt/d≧1.8を満たしていることを特徴とする高耐圧フローセル。
  3. 請求項1または2記載の高耐圧フローセルの前記直線状流路の前後に前記高圧流体の導入孔および導出孔を形成するフローセルアッセンブリにおいて、
    前記高耐圧フローセルと、
    前記高耐圧フローセルへ前記高圧流体を導入する導入孔を有し、該導入孔が前記高耐圧フローセルの前記直線状流路の一方の開口に連通するように配置された入側セル押えと、
    前記高耐圧フローセルからの前記高圧流体を導出する導出孔を有し、該導出孔が前記高耐圧フローセルの前記直線状流路の他方の開口と連通するように配置された出側セル押えと、
    前記入側セル押えおよび前記出側セル押えのうちの一方を保持する保持手段と、
    前記入側セル押えおよび前記出側セル押えのうちの他の一方を前記高耐圧フローセルに向けて押圧する押圧手段と、を備え、
    前記押圧手段の押圧力により前記一対のセル押えの間で前記高耐圧フローセルが挟持されて、
    前記入側セル押えの前記導入孔から前記高耐圧フローセルの前記直線状流路を通って前記出側セル押えの前記導出孔までの前記高圧流体の経路が形成されていて、
    前記入側セル押えの前記導入孔および前記出側セル押えの前記導出孔の少なくとも一方の孔は、前記高耐圧フローセルの前記直線状流路と同一直線上に形成され、かつ、前記孔の端部は、光透過材料の窓板によって塞がれており、
    前記窓板を有する前記セル押えには、さらに、前記窓板の内側部分において前記孔に連通する連絡孔が設けられ、
    前記窓板を介して光を前記直線状流路の長手方向に入射または出射可能になっており、
    前記連絡孔を通じて前記セル押えの外部との間で前記高圧流体を授受できることを特徴とするフローセルアッセンブリ。
  4. 請求項記載のフローセルアッセンブリにおいて、前記いずれか一方のセル押えと前記押圧手段との間に低摩擦のシートが介在することを特徴とするフローセルアッセンブリ。
  5. 請求項記載のフローセルアッセンブリにおいて、前記シートの材質は、フッ素樹脂またはポリエーテル・エーテル・ケトン樹脂(PEEK)であることを特徴とするフローセルアッセンブリ。
  6. 請求項からのいずれかに記載のフローセルアッセンブリと、
    前記フローセルアッセンブリの前記セル本体に励起光を入射させる励起光学系と、
    前記セル本体内の高圧流体から発生した蛍光を受光する受光光学系と、
    を備えていることを特徴とする蛍光検出器。
  7. 請求項記載の蛍光検出器を用いて10MPa以上の高圧流体の蛍光検出を行なうことにより蛍光に関するクロマトグラムを取得することを特徴とする超臨界流体クロマトグラフ。
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