JP6269345B2 - 超臨界流体を用いた成分抽出分離装置及び成分抽出分離方法 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体を利用して試料から目的成分を抽出する成分抽出分離装置及び成分抽出分離方法に関する。また、超臨界流体を用いたクロマトグラフに関する。

超臨界流体クロマトグラフ（Supercritical Fluid Chromatograph; SFC）は、臨界点（臨界温度、臨界圧力）を超える温度及び圧力を有する流体（超臨界流体）を移動相としたクロマトグラフであり、温度及び圧力を調整することによって移動相の溶出力を制御することができるという特徴を有している。特に、超臨界流体の移動相として二酸化炭素を用いた超臨界流体クロマトグラフは、流体の粘性が低いため、移動相の流速を高めて短時間で分析することができる分析装置としてよく使用されている（特許文献１参照）。

図４は、このような従来の超臨界流体クロマトグラフの概略構成図であり、超臨界流体クロマトグラフ４０は、カラム４１、カラムオーブン４２、検出器４３、背圧レギュレータ４４、送液ポンプ４５ａ、４５ｂ、移動相源４６、オートサンプラ４７、複数の回収容器４８ａを収容する回収部４８を備える。移動相源４６は、超臨界流体（例えば、臨界圧力が７．４ＭＰａ、臨界温度が３１℃である二酸化炭素）を供給するボンベ４６ａ及びメタノール等の溶媒を供給する溶媒容器４６ｂで構成される。カラム４１の一方の端には、送液ポンプ４５ａ、４５ｂに繋がる入力側流路４１１が設けられており、入力側流路４１１の途中にオートサンプラ４７が設けられている。また、カラム４１の他方の端には、検出器４３へと繋がる出力側流路４１２が設けられており、その先には背圧レギュレータ４４が設けられている。検出器４３としては、ＰＤＡ（Photo Diode Array）を用いた多波長検出器やＵＶ検出器等が用いられる。

超臨界流体クロマトグラフ４０は以下のように動作する。まず、背圧レギュレータ４４は、送液ポンプ４５ａ、４５ｂと該背圧レギュレータ４４の間の入力側流路４１１、カラム４１及び出力側流路４１２内の移動相の圧力を、臨界圧力を超える圧力に調整する。使用する超臨界流体の種類によるが、一般的には、１０ＭＰａ程度に加圧する。次に、送液ポンプ４５ａ、４５ｂは、移動相源４６から移動相（超臨界流体及び溶媒）を入力側流路４１１を通してカラム４１に流す。試料はオートサンプラ４７で移動相に注入され、移動相により入力側流路４１１を流れてカラム４１へと運ばれる。

カラム４１は、カラムオーブン４２内に配置されており、使用する移動相（超臨界流体）の臨界温度を超える温度（例えば、４０℃）に調整されている。そのため、カラム４１内を通過する移動相は、ここでは超臨界状態になる。入力側流路４１１からカラム４１内に入った試料は、カラム４１の固定相と相互作用して成分毎に分離され、出力側流路４１２から、順次、成分毎に異なる時間に出てくる。ここで、分離された成分が出てくる時間は、既知の成分を有する標準試料を測定することで、予め知ることができる。

正確な検出のためには、カラム４１から出てくる試料の成分の状態を変化させずに速やかに検出することが重要である。そのため、上述のように分離された試料の成分は、カラム４１の出口の近くで、超臨界状態のまま検出器４３により検出される。検出器４３が検出した検出データは、図示しないコンピュータ等のデータ処理装置に送られる。データ処理装置は、検出データから成分毎のスペクトルを作成する。該スペクトルの形状から、分離された成分の定量を行うことができる。成分毎に分離された試料は、検出器４３で検出された後、背圧レギュレータ４４を経て、移動相と共に回収部４８内に設置した回収容器４８ａに回収される。

特開2010-243215号公報

超臨界流体クロマトグラフ４０では、流路内を超臨界状態に維持するために、背圧レギュレータ４４により流路内の圧力を一定に保つように制御している。しかし、実際には、流路内の圧力を一定に保つことは難しく、０．０１ＭＰａ程度の脈動が生じてしまう。超臨界流体は、わずかな圧力の変化によって、その密度が大きく変化することが知られている（特許文献１参照）。この密度の変化は、検出器４３で検出される成分のスペクトルにおいて、ベースラインが変動する原因となる。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、ベースラインの変動が小さいスペクトルを得ることが可能な、超臨界流体を利用した成分抽出分離装置及び成分抽出分離方法を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明に係る成分抽出分離装置は、
a) 移動相及び試料をカラムに通す流路と、
b) 前記流路内の前記移動相に加える圧力を、前記移動相が超臨界状態になる圧力である、臨界圧力を超える圧力に調整するレギュレータと、
c) 前記カラム内の前記移動相が前記超臨界状態になる温度である、臨界温度を超える温度に前記カラムを加熱するカラムオーブンと、
d) 前記カラムを通過した前記移動相を冷却する冷却部と、
e) 前記冷却部により冷却された前記移動相中の前記試料の成分を検出する検出器と、
を備えることを特徴とする。

また、上記課題を解決するために成された本発明に係る成分抽出分離方法は、
a) 移動相及び試料をカラムに通す流路内の移動相に該移動相が超臨界状態になる圧力である、臨界圧力を超える圧力を加えるステップと、
b) 前記カラム内の前記移動相が前記超臨界状態になる温度である、臨界温度を超える温度に前記カラムを加熱するステップと、
c) 前記カラムを通過した前記移動相を冷却部により冷却した後に、前記試料の成分を検出するステップと、
を備えることを特徴とする。

冷却部は、移動相が液体となる臨界温度以下まで移動相を冷却することができる。このような冷却部は、ペルチェ素子を用いたものであってもよいし、空冷装置や水冷装置であってもよい。また、検出器に取り付けられて検出器と一体となっていてもよい。

本発明者は、超臨界流体クロマトグラフの各部の条件を変化させつつ様々な実験を行った結果、検出器が検出する対象である、試料の成分を含む移動相を冷却するにつれて、圧力の変化に対するベースラインの変動が小さくなることを実験的に見出して、本発明を成すに至った。この結果は、試料の成分の状態を変化させずに速やかに検出することが正確な検出のために重要であるという従来の考えに反し、カラムから出てくる試料の成分の状態をむしろ変化させることにより、ベースラインの変動が小さい正確な検出が可能になるという驚くべきものであった。

上記構成から成る本発明に係る成分抽出分離装置及び成分抽出分離方法によれば、カラムを通過した移動相を冷却部により冷却した後に、試料の成分を検出器が検出するため、超臨界状態にある移動相の圧力の脈動に起因するベースラインの変動が小さいスペクトルを得ることが可能になる。これにより、定量結果の信頼性が高く、且つ、繰り返し測定精度が高い測定結果を得ることができる。

本発明の一実施の形態である超臨界流体クロマトグラフの概略構成図。 本発明の一実施の形態である検出器の概略構成図。 移動相の温度が（ａ）臨界温度（３１℃）の場合、（ｂ）３５℃の場合、（ｃ）４０℃の場合について、圧力の変化に対する、スペクトルのベースラインにおける変動の程度を示す図。 従来の超臨界流体クロマトグラフの概略構成図。

図１は、本発明に係る成分抽出分離装置の一実施の形態である超臨界流体クロマトグラフの概略構成図であり、超臨界流体クロマトグラフ１０は、カラム１１、カラムオーブン１２、検出器１３、背圧レギュレータ１４、送液ポンプ１５ａ、１５ｂ、移動相源１６、オートサンプラ１７、複数の回収容器１８ａを収容する回収部１８を備える。移動相源１６は、超臨界流体を供給するボンベ１６ａ及びメタノール等の溶媒を供給する溶媒容器１６ｂで構成される。カラム１１の一方の端には、送液ポンプ１５ａ、１５ｂに繋がる入力側流路１１１が設けられており、入力側流路１１１の途中にオートサンプラ１７が設けられている。また、カラム１１の他方の端には、検出器１３へと繋がる出力側流路１１２が設けられており、その先には背圧レギュレータ１４が設けられている。

超臨界流体クロマトグラフ１０は、検出器１３に冷却部１３０が取り付けられており、出力側流路１１２を流れる移動相を冷却する構成となっている点で、従来の超臨界流体クロマトグラフ４０と異なる。本実施の形態では、二酸化炭素を超臨界流体として用い、ＵＶ検出器を検出器１３として用いる。図２に示すように、検出器１３は、フローセル１３１、断熱材１３２、レンズ１３３、温度計測部１３４を有する。検出器１３は断熱材１３２により外部とは熱的に遮断されており、外部の温度変化の影響をほとんど受けない。本実施の形態では、冷却部１３０はペルチェ素子１３０ａ及び放熱フィン１３０ｂを有し、検出器１３と一体となるように断熱材１３２に取り付けられている。レンズ１３３は、フローセル１３１に入射する光及びフローセル１３１から射出する光を通すためのレンズであり、フローセル１３１に隣接し、断熱材１３２に埋め込まれるように配置されている。温度計測部１３４には、白金抵抗体を有する熱電対を用いることができる。

超臨界流体クロマトグラフ１０は以下のように動作する。まず、背圧レギュレータ１４は、送液ポンプ１５ａ、１５ｂと該背圧レギュレータ１４の間の入力側流路１１１、カラム１１及び出力側流路１１２内の移動相の圧力を、臨界圧力を超える圧力に調整する。本実施の形態では、移動相である二酸化炭素の臨界圧力（７．４ＭＰａ）を超える圧力である１０ＭＰａ程度にする。次に、送液ポンプ１５ａ、１５ｂは、移動相源１６から移動相（超臨界流体及び溶媒）を入力側流路１１１を通してカラム１１に流す。試料はオートサンプラ１７で移動相に注入され、移動相により入力側流路１１１を流れてカラム１１へと運ばれる。

カラム１１は、カラムオーブン１２内に配置されており、移動相である二酸化炭素の臨界温度（３１℃）を超える温度である４０℃程度に調整されている。そのため、カラム１１内を通過する移動相は、ここでは超臨界状態になる。入力側流路１１１からカラム１１内に入った試料は、カラム１１の固定相と相互作用して成分毎に分離され、出力側流路１１２から、順次、成分毎に異なる時間に出てくる。ここで、分離された成分が出てくる時間は、既知の成分を有する標準試料を測定することで、予め知ることができる。

このようにして分離された試料の成分を含む移動相は、出力側流路１１２を通って検出器１３内に入り、コイル状流路１１３を流れる。移動相はコイル状流路１１３を流れる間に冷却部１３０により冷却される。コイル状流路１１３の近くに設けた温度計測部１３４は、コイル状流路１１３を流れる移動相の温度を計測する。計測された温度は、検出器１３の外部に設けられた温度制御回路１３５により検出され、温度制御回路１３５は、冷却部１３０のペルチェ素子１３０ａに供給する電流量をフィードバック制御する。

試料の成分を含む移動相は上述のように冷却された後、フローセル１３１を流れる。フローセル１３１では、レンズ１３３を介して、図示しない光源からの紫外光を、試料の成分を含む移動相に照射し、試料の成分が紫外光を吸収する吸光特性を測定する。吸光特性は物質によって異なるため、このような光学的検出により、フローセル内の試料の成分を特定することができる。

上述のフローセル１３１における試料の成分の検出データは、図示しないコンピュータ等のデータ処理装置に送られる。データ処理装置は、検出データから成分毎のスペクトルを作成する。該スペクトルの形状から、分離された成分の定量を行うことができる。成分毎に分離された試料は、検出器１３のフローセル１３１で検出された後、背圧レギュレータ１４を経て、移動相と共に回収部１８内に設置した回収容器１８ａに回収される。

（実施例）
上述の超臨界流体クロマトグラフ１０を用いて、送液ポンプ１５ａ、１５ｂと該背圧レギュレータ１４の間の入力側流路１１１、カラム１１及び出力側流路１１２内の移動相の圧力を変化させた場合に、検出器１３で検出される特定の試料成分のスペクトルについて、そのベースラインの位置を確認する実験を行った。移動相の温度を冷却部１３０により臨界温度（３１℃）及び３５℃にした場合、並びに冷却部１３０を作動させず、カラムオーブン１２と同じ温度（４０℃）にした場合について行った実験結果を図３（ａ）〜図３（ｃ）に示す。図３（ａ）〜図３（ｃ）において、横軸は移動相の圧力を、縦軸はベースラインの位置を示す。

図３（ａ）〜図３（ｃ）から、ベースラインの位置は、圧力に対して直線的に変化することが分かる。直線近似した傾きの大きさの絶対値は、試料の成分を含む移動相の温度を下げるにつれて小さくなった。この結果から、試料の成分を含む移動相を冷却するにつれて、圧力の変化に対するベースラインの変動が小さくなる傾向が見出された。これは、意図的に圧力を変化させた実験で得られた傾向であるが、０．０１ＭＰａ程度の脈動に対しても当てはまる。

つまり、カラムを通過した移動相を冷却部により冷却した後に、試料の成分を検出器１３が検出することにより、超臨界状態にある移動相の圧力の脈動に起因するベースラインの変動が小さいスペクトルを得ることが可能になる。これにより、定量結果の信頼性が高く、且つ、繰り返し測定精度が高い測定結果を得ることができる。

また、図３（ａ）から分かるように、移動相が液体となる臨界温度（３１℃）まで移動相を冷却してもなお、圧力の変化に対するベースラインの変動が小さくなった。これは、試料の成分の状態を変化させずに速やかに検出することが正確な検出のために重要であるという従来の考えに反するものであり、カラム１１から出てくる試料の成分の状態をむしろ変化させることにより、ベースラインの変動が小さい正確な検出が可能になるという驚くべき結果であった。

なお、上記実施の形態は本発明の一例にすぎず、本発明の趣旨の範囲で適宜、変形、修正、追加を行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。上記実施の形態では、冷却部１３０としてペルチェ素子１３０ａが検出器１３と一体となるように取り付けられている例を示したが、本発明に係る成分抽出分離装置の構成はこれに限られない。カラム１１と検出器１３のフローセル１３１の間の出力側流路１１２を流れる試料の成分を含む移動相を冷却できる構成であれば良く、ペルチェ素子１３０ａの代わりに、空冷装置や水冷装置など他の冷却装置を有していてもよい。また、冷却部１３０は、検出器１３と分離したユニットであってもよい。

上記実施の形態では、超臨界流体として二酸化炭素を用いる例を示したが、他の公知の超臨界流体を用いてもよい。また、検出器１３としてＵＶ検出器を用いる例を示したが、液体クロマトグラフにおいて用いられる、ＰＤＡ（Photo Diode Array）を用いた多波長検出器、旋光度検出器、円二色性検出器、蛍光検出器、屈折率検出器、及び蒸発光散乱検出器のいずれの光学的検出器を用いてもよい。

１０、４０…超臨界流体クロマトグラフ
１１、４１…カラム
１２、４２…カラムオーブン
１３、４３…検出器
１４、４４…背圧レギュレータ
１５ａ、１５ｂ、４５ａ、４５ｂ…送液ポンプ
１６、４６…移動相源
１６ａ、４６ａ…ボンベ
１６ｂ、４６ｂ…溶媒容器
１７、４７…オートサンプラ
１８、４８…回収部
１８ａ、４８ａ…回収容器
１１１、４１１…入力側流路
１１２、４１２…出力側流路
１１３…コイル状流路
１３０…冷却部
１３０ａ…ペルチェ素子
１３０ｂ…放熱フィン
１３１…フローセル
１３２…断熱材
１３３…レンズ
１３４…温度計測部
１３５…温度制御回路

Claims (6)

1. a) 移動相及び試料をカラムに通す流路と、
   b) 前記流路内の前記移動相に加える圧力を、前記移動相が超臨界状態になる圧力である、臨界圧力を超える圧力に調整するレギュレータと、
   c) 前記カラム内の前記移動相が前記超臨界状態になる温度である、臨界温度を超える温度に前記カラムを加熱するカラムオーブンと、
   d) 前記カラムを通過した前記移動相を冷却する冷却部と、
   e) 前記冷却部により冷却された前記移動相中の前記試料の成分を検出する検出器と、
   を備えることを特徴とする、成分抽出分離装置。
2. 前記冷却部は、前記移動相が液体となる前記臨界温度以下まで前記移動相を冷却することを特徴とする、請求項１に記載の成分抽出分離装置。
3. 前記冷却部は、ペルチェ素子を用いたもの、空冷装置又は水冷装置であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の成分抽出分離装置。
4. a) 移動相及び試料をカラムに通す流路内の移動相に該移動相が超臨界状態になる圧力である、臨界圧力を超える圧力を加えるステップと、
   b) 前記カラム内の前記移動相が前記超臨界状態になる温度である、臨界温度を超える温度に前記カラムを加熱するステップと、
   c) 前記カラムを通過した前記移動相を冷却部により冷却した後に、前記試料の成分を検出するステップと、
   を備えることを特徴とする、成分抽出分離方法。
5. 前記冷却部は、前記移動相が液体となる前記臨界温度以下まで前記移動相を冷却することを特徴とする、請求項４に記載の成分抽出分離方法。
6. 前記冷却部は、ペルチェ素子を用いたもの、空冷装置又は水冷装置であることを特徴とする、請求項４又は５に記載の成分抽出分離方法。

Images