JP6341081B2 - 超臨界流体分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体を利用して試料成分の分離を行なう超臨界流体分離装置に関するものである。

農産物中の残留農薬量の測定、血液中の代謝物や薬物等の量の測定にクロマトグラフが用いられるが、その前処理として測定対象の成分の抽出を行なう必要がある。測定対象成分を抽出するために、試料内への拡散力が強く、多くの物質に対して優れた溶解性を示す超臨界流体を用いた抽出装置が提案されている（特許文献１参照。）。

特許文献１の抽出装置は、複数の抽出容器を備え、各抽出容器における超臨界流体を流入させる入口部と超臨界流体を流出させる出口部の双方又は一方が、その入口部又は出口部に接続すべき流路の端部に設けられたニードルの先端を挿入することで流路接続が行われるニードルシール構造になっており、ニードルを自動で移動させることによって、試料の抽出を行なう抽出容器の切替えを自動的に行なうように構成されている。

抽出容器を保持するホルダは熱伝導性であり、そのホルダの温度がヒータやペルチェ素子などの素子を用いて所定温度に制御される。抽出容器の入口部に接続される流路には液体二酸化炭素とモディファイアが供給される。抽出容器の出口部に接続される流路上には背圧制御弁が設けられている。

液体二酸化炭素とモディファイアからなる移動相は、背圧制御弁によって背圧が一定の高圧状態に保持されることで、背圧制御弁までの流路内を超臨界状態で送液される。これにより、抽出容器の内部が超臨界流体で満たされ、抽出容器に収容された試料中の成分が抽出容器の出口部から抽出される。抽出された成分は、その下流側に設けられた分取装置において捕集されるか、又は分析カラムで分離された後で検出器に導入された分析される。

特開２０１４−１６００５５号公報

抽出容器には、分析者が試料を収容することができるように開閉可能なカバーが設けられており、そのカバーの締め忘れや締め具合が不十分な場合には、試料や抽出成分、移動相が抽出容器から漏れ出すことになるが、分析者がそれに気付かなければ抽出成分や移動相などが装置内に飛散し続けることになる。また、抽出容器と流路との配管接続が不十分な場合にも同様の問題が生じる。これは、超臨界流体クロマトグラフにおいて分析カラムへの配管接続が不十分な場合にも生じる問題である。

そこで、本発明は、抽出容器や分析カラムなどの分離部において流体の漏れが生じたときにその漏れを迅速に検知することができるようにすることを目的とするものである。

本発明に係る超臨界流体分離装置の一実施形態は、移動相を送液する移動相送液流路と、移動相送液流路の下流側に接続され、移動相送液流路を流れる移動相が超臨界状態となるように移動相送液流路内の圧力を制御する背圧制御弁と、移動相送液流路と背圧制御弁との間に設けられ、移動相送液流路からの移動相によって試料成分の分離を行なう分離部と、分離部の外面の温度を検出する温度センサと、温度センサの出力に基づき、分離部への移動相の導入が開始された後の分離部の外面の温度が予め設定されたしきい値以下となったときに分離部における流体の漏れを検知する流体漏れ検知部と、を備えている。

この超臨界流体分離装置における分離部としては、超臨界流体を通液させることによって試料を成分ごとに分離する分析カラムのほか、試料を収容する内部空間を有し、その内部空間を超臨界流体で満たすことによって試料からの成分の抽出を行なう抽出容器が挙げられる。

分析カラムや抽出容器への配管接続が不十分な場合や抽出容器に設けられているキャップの締め忘れがあった場合には、溶媒である液体二酸化炭素が配管接続部分や抽出容器から漏れ出して気化し、その気化熱によって分析カラムや抽出容器の外面温度が急激に低下することが実験的にわかっている。そこで、これら分離部の外面温度を温度センサによって監視しておくことで、分離部の外面温度の急激な低下を検知することができ、それによって分離部における流体漏れを検知することができる。

本発明に係る超臨界流体分離装置の一実施形態では、分離部の外面の温度を検出する温度センサと、温度センサの出力に基づき、分離部への移動相の導入が開始された後の分離部の外面の温度が予め設定されたしきい値以下となったときに分離部における流体の漏れを検知する流体漏れ検知部を備えているので、分離部における流体の漏れを迅速に検知することができる。

超臨界流体分離装置の一実施例を示す概略構成断面図である。 同実施例における抽出容器の出口部におけるニードルシール構造を示す断面図である。 同実施例における抽出容器外面の温度の時間変化の一例を示す図である。 同実施例における流体漏れの検知動作を説明するためのフローチャートである。 超臨界流体分離装置の他の実施例を示す概略構成図である。

分離部としては、試料を収容する内部空間、移動相送液流路が接続され内部空間に移動相送液流路からの移動相を導入する入口部、及び背圧制御弁に通じる流路が接続され内部空間から移動相とともに抽出された試料を背圧制御弁側へ流出させる出口部を有する抽出容器が挙げられる。かかる抽出容器の場合は、入口部及び出口部における配管接続が不十分な場合だけでなく、内部空間に試料を収容するために設けられたキャップの締め忘れや締め具合が不十分な場合に、抽出容器の外面温度の低下を温度センサで検知することによってそれらの問題を迅速に検知することができる。

分離部が上記抽出容器である場合、抽出容器の入口部又は出口部の少なくとも一方が、入口部又は出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた可動性のニードルを挿入させることによってその流路を内部空間に接続するニードルシール構造となっており、抽出容器の入口部又は出口部に接続されるべき流路の端部に設けられたニードルを移動させて、ニードルの入口部又は出口部への接続と離脱を行なうニードル移動機構をさらに備えていてもよい。そうすれば、抽出容器の入口部又は出口部への配管接続が自動でかつ容易になされ、抽出容器の洗浄や交換等の作業が容易になる。

さらに、温度センサは、ニードルが抽出容器の入口部又は出口部に挿入される際に抽出容器の外面に接するようにニードル移動機構に保持されていてもよい。そうすれば、抽出容器の外面温度を検出する温度センサを抽出容器ごとに設ける必要がない。

さらに好ましい実施例として、抽出容器を複数備え、ニードル移動機構は試料成分の抽出を行なうべき抽出容器の入口部又は出口部にニードルを挿入して接続するように構成されている。これにより、複数の試料からの成分の抽出を自動で連続的に行なうことができる。

超臨界流体分離装置の一実施例について図１を用いて説明する。

成分を抽出する試料を内部に収容する分離部としての抽出容器６が容器ホルダ２に収容される。この実施例では、４つの抽出容器６が設けられているが、抽出容器６は３つ以下又は５つ以上であってもよい。抽出容器６は良好な熱伝導率を有する金属により構成されている。

容器ホルダ２は、抽出容器６の上部のキャップ部１０より下側部分を収容する穴を備えている。容器ホルダ２は良好な熱伝導率を有する金属によって構成され、容器ホルダ２の下部に加熱ブロック４が設けられている。加熱ブロック４は例えばヒータ（図示は省略）とサーミスタ（図示は省略）などの温度センサが埋設された熱伝導性の金属部材である。加熱ブロック４に埋設されたヒータの出力は、加熱ブロック４に埋設されている温度センサで検出される温度が設定された温度（例えば、４０℃）になるように、後述する制御部２７により制御され、ヒータの出力が制御されることによって容器ホルダ２全体の温度が設定された温度で一定になるように制御される。

抽出容器６の上部にキャップ部１０が着脱可能に装着されており、そのキャップ部１０を取り外すことで抽出容器６内に試料を収容したり、収容された試料を取り出したりすることができる。キャップ部１０の上面側に出口部１１が設けられている。抽出容器６の下面側には入口部８が設けられている。

入口部８及び出口部１１は、ニードルを挿入させることによって流路接続が行われるニードルシール構造を有する。ニードルシール構造については後述する。

試料ホルダ２の下方に、先端部が鉛直上方向を向く入口側ニードル１２と、その入口側ニードル１２を水平面内方向及び鉛直方向へ移動させるニードル移動機構１４が設けられている。入口側ニードル１２の基端部に移動相送液流路１５が接続されている。移動相送液流路１５には送液装置１６が接続されている。送液装置１６は、二酸化炭素容器１８から液体二酸化炭素を送液する送液ポンプ１６ａとモディファイア容器２０からモディファイアを送液する送液ポンプ１６ｂを備えている。送液装置１６により入口側ニードル１２の先端に二酸化炭素とモディファイアの混合溶液が供給される。

入口側ニードル１２は抽出容器６の入口部８に挿入され、移動相送液流路１５を抽出容器６の内部空間に接続するものである。図示されていないが、試料ホルダ２の加熱ブロック４には、試料ホルダ２に収容された抽出容器６の入口部８に通じる穴が設けられており、入口側ニードル１２はその穴から入口部８に挿入される。

試料ホルダ２の上方に、先端部が鉛直下方向を向く出口側ニードル２４と、その出口側ニードル２４を水平面内方向と鉛直方向へ移動させるニードル移動機構２２が設けられている。出口側ニードル２４の基端部に抽出流路２３が接続されている。抽出流路２３は分取装置３２へ通じているとともに、抽出流路２３上に背圧制御弁（ＢＰＲ）３０が設けられている。

出口側ニードル２４は抽出容器６の出口部１１に挿入され、抽出流路２３を抽出容器６の内部空間に接続するものである。出口側ニードル２４にセンサホルダ２６が設けられており、そのセンサホルダ２６の下端に温度センサ３６（図２参照）が設けられている。温度センサ３６は、出口側ニードル２４が抽出容器６の出口部１１に挿入される際に抽出容器６の外面に接し、抽出容器６の外面の温度を検出する。

この実施例の超臨界流体分離装置は、成分の抽出を行なう試料が収容されている抽出容器６の入口部８に入口側ニードル１２、出口部１１に出口側ニードル２４をそれぞれ挿入し、送液装置１６を駆動して液体二酸化炭素とモディファイアからなる移動相を抽出容器６へ供給する。このとき、背圧制御弁３０によって、背圧制御弁３０よりも上流側の移動相送液流路１５、抽出容器６及び抽出流路２３で構成される系内の圧力が、移動相が超臨界状態となる圧力に制御される。

抽出容器６が超臨界流体で満たされることにより抽出容器６に収容されている試料から成分が抽出され、その成分が移動相とともに抽出流路２３を通じて分取装置３２に導入され、捕集される。

ここで、抽出容器６の出口部１１におけるニードルシール構造及びセンサホルダ２６の構造について図２を用いて説明する。抽出容器６の入口部８もニードルシール構造となっているが、その構造は出口部１１のニードルシール構造と同じである。

抽出容器６の出口部１１は、抽出容器６の上部に装着されるキャップ部１０に設けられている。抽出容器６の本体部分の内面上部に周方向のネジが設けられ、キャップ部１０の外周面下部にもネジが設けられ、キャップ部１０を抽出容器６の本体部分とは相対的に回転させることによって、キャップ部１０を締めて本体部分に固定し又はキャップ部１０を緩めて本体部分から取り外すことができる。

出口部１１には、出口側ニードル２４の先端部を挿入させる孔１１ａと、その孔１１ａを抽出容器６の内部空間へ通じさせる孔１１ｂが設けられている。孔１１ａの内径は出口側ニードル２４の外径よりも大きく、孔１１ｂの内径は出口側ニードル２４の外径よりも小さい。孔１１ａと孔１１ｂの繋ぎ目部分１１ｃは下方へいくほど内径が小さくなるテーパ形状になっており、その繋ぎ目部分１１ｃに出口側ニードル２４の先端部が押し付けられることで、出口側ニードル２４の内側流路と孔１１ｂとがシール性を保って接続される。

出口側ニードル２４の先端側にセンサホルダ２６が取り付けられている。センサホルダ２６は、出口側ニードル２４の外周面を囲う筒状の部材であり、その下端面に、例えばサーミスタなどの温度センサ３６が設けられている。センサホルダ２６の内側に出口側ニードル２４の軸方向に伸縮する、例えばコイルバネなどの弾性部材３８が収容されている。弾性部材３８は、上端が出口側ニードル２４に設けられた鍔状の突起３４と係合し、下端がセンサホルダ２６と係合する。センサホルダ２６は弾性部材３８によって出口側ニードル２４の先端側へ付勢されている。

センサホルダ２６の下端面に設けられた温度センサ３６は、出口側ニードル２４が出口部１１の孔１１ａに挿入されたときに出口部１１の孔１１ａの縁に接するとともに、弾性部材３８の弾性力によって孔１１ａの縁に押し付けられて当該縁と密接する。温度センサ３５はキャップ部１０の外面温度を検出する。

図１に戻って説明を続けると、加熱ブロック４に埋設されているヒータの出力、ニードル移動機構１４，２２の動作、送液装置１６の動作、及び背圧制御弁３０の動作を制御する制御部２７が設けられている。制御部２７は、専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現される。制御部２７は、抽出容器６からの流体漏れを検知する機能である流体漏れ検出部２８と、その流体漏れ検出部２８が流体漏れの検知に用いるしきい値を保持するしきい値保持部２９を備えている。しきい値保持部２９には、抽出容器６の温度調節の設定値に基づいて決定されるしきい値（例えば、設定値−３０％）が保持される。

流体漏れ検出部２８は、温度センサ３６からの出力信号に基づき、成分の抽出を開始してからの抽出容器６の外面温度（出口部１１の温度）がしきい値保持部２９に保持されたしきい値以下となったときに、抽出容器６からの流体漏れを検知するように構成されている。

図３は、キャップ部１０の締め忘れがあった場合における温度センサ３６の検出温度の時間変化の一例である。

成分の抽出効率を向上させるため、加熱ブロック４に埋設されたヒータにより抽出容器６を設定温度まで加温し、抽出容器６の温度が安定してから送液装置１６を駆動して抽出容器６に超臨界流体を供給し、成分の抽出を開始する。しかし、抽出容器６のキャップ部１０を締め忘れがあった場合やその締め具合が不十分な場合には、キャップ部１０の締め付け部分から移動相が漏れ出して気化し、その気化熱によって抽出容器６の外面、特にキャップ部１０の温度が急激に低下する。

図３の例において、抽出容器６の温度が安定した時刻Ｔ₀に送液装置１６による移動相の送液を開始した後、温度センサ３６の検出温度が急激に低下し、時刻Ｔ₁にその検出温度がしきい値以下となった。実験では、抽出容器６の温度制御の設定温度を４０℃、しきい値を２８℃とした場合に、抽出容器６の温度が安定して成分の抽出動作を開始してから４５秒で抽出容器６からの流体漏れを検知することができた。

抽出容器６からの流体漏れを検知する動作について図１とともに図４を用いて説明する。

まず、加熱ブロック４に埋設されているヒータ（図示は省略）により、抽出容器６の温度を設定温度で安定させる。この温度制御を開始する前に又は開始した後で、成分の抽出を行なう抽出容器６の入口部８と出口部１１にそれぞれ入口側ニードル１２と出口側ニードル２４を挿入する。抽出容器６の温度が安定した後、送液装置１６により移動相を抽出容器６に供給する。

温度センサ３６が検出する抽出容器６のキャップ部１０の温度は一定時間ごとに制御部２７に取り込まれ、逐次その検出温度としきい値とが比較される。温度センサ３６の検出温度がしきい値を上回っているときは、成分の抽出が終了するまで送液装置１６による移動相の供給が続行される。温度センサ３６の検出温度がしきい値以下となった場合、抽出容器６から流体漏れを検知し、制御部２７に接続された液晶ディスプレイなどの表示部にその旨を表示したりランプを点灯させたりするなどして分析者に警告を発し、送液装置１６の動作を停止させて成分の抽出動作を終了する。

次に、超臨界流体分離装置の他の実施例について図５を用いて説明する。

この実施例の超臨界流体分離装置は、二酸化炭素容器４２から液体二酸化炭素を送液する送液ポンプ４６ａとモディファイア容器４４からモディファイアを送液する送液ポンプ４６ｂを有する送液装置４６によって、分析流路４０（移動相送液流路）中を二酸化炭素とモディファイアの混合溶液が移動相として送液される。分析流路４０上には、上流側から、試料注入部４８、分析カラム５０、検出器５４及び背圧制御弁（ＢＰＲ）５６が設けられている。

背圧制御弁５６は、分析流路４０を流れる移動相が超臨界状態となるように分析流路４０内の圧力を制御する。試料注入部４８は、分析流路４０内に試料を注入する、例えばオートサンプラなどの試料注入装置である。分析カラム５０は超臨界流体クロマトグラフィー用の分析カラムであり、試料注入部４８により分析流路４０内に注入された試料を成分ごとに分離する。分析カラム５０で分離された試料成分は検出器５４に導かれて検出される。図示は省略されているが、分析カラム５０はその内部温度が一定温度に制御されるカラムオーブン内に収容されている。

送液装置４６や背圧制御弁５６の動作は制御部５８によって制御される。制御部５８は、分析カラム５０の配管接続部分からの流体漏れを検知するための流体漏れ検知部６０とその流体漏れの検知に用いられるしきい値を保持するしきい値保持部６２を備えている。分析カラム５０の外面温度を検出する温度センサ５２が設けられており、温度センサ５２の出力信号が制御部５８に取り込まれるようになっている。しきい値保持部６２には、分析カラム５０が収容されているカラムオーブンの設定温度に基づいて決定された値（例えば、設定温度−３０％）が保持される。

分析カラム５０への配管接続が不十分であった場合、送液装置４６により移動相の送液を開始したときにその配管接続部分において液体二酸化炭素を含む移動相の漏れが発生し、その移動相の気化熱によって分析カラム５０の外面温度が低下する。

流体漏れ検知部６０は、温度センサ５２からの出力信号に基づき、送液装置４６による移動相の送液を開始してからの分析カラム５０の外面温度がしきい値保持部６２に保持されたしきい値以下となったときに、分析カラム５０における流体漏れを検知する。制御部５８は、流体漏れを検知したときに、送液装置４６の動作を停止させ、分析者に警告を発するように構成されていることが好ましい。

２ 容器ホルダ
４ 加熱ブロック
６ 抽出容器
８ 入口部
１０ キャップ部
１１ 出口部
１２ 入口側ニードル
１４，２２ ニードル移動機構
１５ 移動相送液流路
１６，４６ 送液装置
１６ａ，１６ｂ，４６ａ，４６ｂ 送液ポンプ
１８，４２ 二酸化炭素容器
２０，４４ モディファイア容器
２３ 抽出流路
２４ 出口側ニードル
２６ センサホルダ
２７，５８ 制御部
２８，６０ 流体漏れ検知部
２９，６２ しきい値保持部
３０，５６ 背圧制御弁
３２ 分取装置
３４ 突起
３６，５２ 温度センサ
３８ 弾性部材
４０ 分析流路
５０ 分析カラム
５４ 検出器

Claims (3)

1. 移動相を送液する移動相送液流路と、
   前記移動相送液流路の下流側に接続され、前記移動相送液流路を流れる移動相が超臨界状態となるように前記移動相送液流路内の圧力を制御する背圧制御弁と、
   前記移動相送液流路と前記背圧制御弁との間に設けられ、前記移動相送液流路からの移動相によって試料成分の分離を行なう分離部と、
   前記分離部の温度が所定の設定温度になるように前記分離部を加熱する加熱部と、
   超臨界流体である移動相の前記分離部からの漏れに起因した前記分離部の外面の温度の低下を検知するために、前記設定温度に基づいて予め決定されたしきい値を保持するしきい値保持部と、
   前記分離部の外面の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの出力に基づき、前記分離部への移動相の導入が開始された後の前記分離部の外面の温度が前記しきい値保持部に保持されているしきい値以下となったときに前記分離部における流体の漏れを検知する流体漏れ検知部と、を備えた超臨界流体分離装置。
2. 移動相を送液する移動相送液流路と、
   前記移動相送液流路の下流側に接続され、前記移動相送液流路を流れる移動相が超臨界状態となるように前記移動相送液流路内の圧力を制御する背圧制御弁と、
   前記移動相送液流路と前記背圧制御弁との間に設けられ、前記移動相送液流路からの移動相によって試料成分の分離を行なう分離部と、
   前記分離部の外面の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの出力に基づき、前記分離部への移動相の導入が開始された後の前記分離部の外面の温度が予め設定されたしきい値以下となったときに前記分離部における流体の漏れを検知する流体漏れ検知部と、を備え、
   前記分離部は、試料を収容する内部空間、前記移動相送液流路が接続され前記内部空間に前記移動相送液流路からの移動相を導入する入口部、及び前記背圧制御弁に通じる流路が接続され前記内部空間から移動相とともに抽出された試料を前記背圧制御弁側へ流出させる出口部を有する抽出容器であり、
   前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部の少なくとも一方が、前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた可動性のニードルを挿入させることによってその流路を前記内部空間に接続するニードルシール構造となっており、
   前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に接続されるべき流路の端部に設けられた前記ニードルを移動させて、前記ニードルの前記入口部又は前記出口部への接続と離脱を行なうニードル移動機構をさらに備え、
   前記温度センサは、前記ニードルが前記抽出容器の前記入口部又は前記出口部に挿入される際に前記抽出容器の外面に接するように前記ニードル移動機構に保持されている、超臨界流体分離装置。
3. 前記抽出容器を複数備え、
   前記ニードル移動機構は試料成分の抽出を行なうべき抽出容器の前記入口部又は前記出口部に前記ニードルを挿入して接続する請求項２に記載の超臨界流体分離装置。
   

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