JP6351717B2 - 分析機器内のサンプルキャリーオーバーを制御する方法および装置 - Google Patents

Description

背景
液体サンプル分析測定機器に関するよくある問題は、注入するサンプルの運転毎のキャリーオーバーである。

２つのサンプルを連続して注入するたびに、２番目に注入したサンプルを測定する際に、微量の１番目に注入したサンプルがセル内に常に残っている。さまざまな分析機器がこのサンプルキャリーオーバーに悩まされる場合があり、これらの中には、光散乱、屈折率、紫外線吸収、粘度、および電気泳動移動度を測定する機器がある。特に本発明の対象となるのは電気泳動移動度測定の分野であり、これはたとえば、２０１３年５月１４日に発行された米国特許第８，４４１，６３８号においてHsiehおよびTrainoffによって記載されており、引用により本明細書中に援用される。サンプルキャリーオーバーの問題を緩和するためのさまざまな技術が用いられている。この汚染問題を克服するための最も簡単でよく用いられている方法は、入ってくるサンプルの測定前に、先に注入したサンプルの大部分が測定チャンバからフラッシュされているように、サンプル注入同士の間に大量の洗浄液をフラッシュし、大量のサンプルを注入してセルが何度も過充填されることを確実にすることを含む。しかし、測定セルは、測定セルの主要体積とほとんど関係がない領域に複雑な内部形状を含むことが多いため、これらの領域にサンプルを押込むことは容易であるがサンプルを再び流し出すのは困難であるので、これはわずかに効果があるに過ぎないことが多い。これらの処理では時間および貴重なサンプルも無駄になる場合があり、しばしば過剰な廃棄物が出る。

サンプルキャリーオーバー問題を引起こす分析機器の内部に含まれる最も問題のある形状のうちの１つは、ｏリング溝である。ｏリングは、効果的であり、安価であり、耐久性および信頼性があるため、測定セル内によく用いられている。さらに、ｏリングシールを用いて組立てられたセルは概して、洗浄のために、かつ摩耗または損傷した構成部品を交換するために分解することができる。しかし、ｏリングは、サンプルの閉じ込めを可能にすることで評判が悪い。図１に示されるような、圧縮されていない標準的な面シールｏリング溝設計を考察する。標準的な面シール設計では、この場合はディスク形状の窓であるトッププレート１０１が、溝１０３を含むマニホルド面１０２に直接押付けられ、圧縮後にマニホルド面１０２とトッププレート１０１との間に隙間は存在しない。溝の垂直方向の大きさは、ｏリング１０４の直径よりも典型的に１５％小さい。ｏリング１０４は、圧縮されると、意図的にオーバーサイズの溝１０３の内部で変形して横方向に広がる。溝１０３の水平方向の大きさはｏリング直径の典型的に１．５倍であるが、幅および圧縮は特定の用途に合わせて最適化され得る。溝１０３の内部に余分な体積が存在するしているのは、ｏリングの最悪の場合の公差、溝の機械加工、ｏリング材料の化学的膨張、ならびにその動作温度範囲に対するｏリング材料および溝の熱膨張差を補償するためである。ｏリング設計者は、最悪の場合の公差を前提として設計した測定セルがリークしないように、溝１０３内にかなりの余分な隙間を残さざるを得ない。この隙間は、セルに入る任意の流体のためのキャリーオーバー槽、すなわちデッドボリュームとして作用し、窓１０１がマニホルド上面１０２に直接押付けられるため、いったんサンプルがこの空間に押込まれると、取除くのは非常に困難である。シールを加圧すると、ｏリングが伸長して溝の外縁に追いやられ、内部の隙間が流体で充填される。シールを減圧すると、摩擦によってｏリングがその伸長した構成に保持され得、シールに閉じ込められた流体が残る。静荷重を前提とすると、閉じ込められたサンプルが溝を出ることができるようにする唯一の手段は拡散によるものであり、これは緩慢なプロセスである。本発明の目的は、１つのサンプル注入から次のサンプル注入の測定セル内のキャリーオーバーを激減させるか完全になくす、単純な拡散よりも迅速な方法を可能にすることである。

測定セルの内部は環境に対して加圧されるため、設計規則では、最も信頼性が高いシールが形成されるのはｏリングが溝１０３の外壁１０５に押付けられて、伸長、およびそれに起因するシール圧縮の対応する減少を最小化する時であると教示されている。それでもやはり、リングが内壁１０６を抱きかかえるようにｏリング溝１０３を設計して、デッドボリュームがサンプル空間の外側にあることを確実にすることによってキャリーオーバー問題に対処したくなることがある。これは、セルの充填を常に伴うセル内部の加圧が十分に小さく、ｏリングの引張強度が、ｏリングと封止面との間の摩擦と組合わされて、ｏリングを所定位置に維持するのに十分である限り、うまくいく。しかし、ｏリングは通常は柔軟性ゴムで作られ、これは十分であることはまれである。さらに、ｏリングが老化するにつれて、繰返される加圧によってｏリングが溝の外側に近づき、摩擦によってｏリングが所定位置に保持されることになる。この点において、セルの内部に再びデッドボリュームが存在し、さらに、今や圧縮が弱まって伸長したシールを有するため、ｏリング設計を抱きかかえる内壁の利点がなくなってしまう。

上述のように、分析機器の中には、ｏリング材料、予想される動作温度範囲、材料公差、および化学的膨張を入力パラメータとして用いて溝幅を最小化する最適化溝設計を組込むように作られるものもある。極限の公差では、これらの溝はゼロのデッドボリュームを有し得る。しかし、これらの「最適化」システムは溝体積の減少、したがってより小さいデッドボリュームを可能にし得るが、公差のいずれかを超えると、当該システムはリークまたは窓の破損などの致命的な故障のリスクを負う。本発明の目的は、ｏリング溝がかなりのデッドボリュームを含むシステムを含む重要な非理想性を可能にするために、ｏリング溝を含むシステム内でキャリーオーバーを最小化または除去できるようにする手段を可能にすることである。

発明の簡単な説明
本発明は、分析機器内の複数ｏリングシステムを利用する。分析対象のサンプルと接触していない機器の領域に流体圧力が印加される。この圧力は、サンプルと流体接触しているｏリングの位置および形に影響を与え、当該ｏリングが、ｏリング溝の中に閉じ込められたサンプルを押出す。

標準的な面シールｏリング溝設計を示す図である。 セルの測定範囲からサンプルを取除くためのシール洗浄ポートおよび二重ｏリングシステムを含む本発明の実施形態の切取図である。 本発明の実施形態の機能および処理中のさまざまな時間におけるｏリングの位置の例を示す図である。 ｏリングの形に対応し、注入同士の間でキャリーオーバーされるいずれのサンプルもさらに最小化するために、内溝の内壁が底部で丸められている、図３に係る本発明の代替実施形態を示す図である。 セルの測定範囲に対する高圧が、制限キャピラリ管によって２つのｏリング同士の間のシール洗浄範囲内に維持されている、受動的な設計を利用する本発明の実施形態を示す図である。 電気泳動移動度測定機器の測定セルの中の従来の流れにおいて収集された導電率データを示す図である。最初の高塩濃度を注入して１０回測定した後、フラッシングおよびさらに１０回の測定の期間が続いた。フラッシュおよび測定手順をさらに数回繰返す。 図６で収集されて示されているのと同様の導電率データを示す図であるが、このデータは、各フラッシング段階が、内側測定チャンバの封止面の拭取りを可能にする４つの交互の圧力パルスを伴う、本発明に係る測定セルおよび方法を用いて生成された。

発明の詳細な説明
ｏリング溝に閉じ込められたサンプルを取除く処理を迅速化する１つの方法は、セルが加圧されると起こるｏリング変形を利用することである。加圧および減圧を繰返すと、いくらかの流体がデッドボリュームに押入れられ、かつデッドボリュームの外に追いやられ、次に測定セルから流し出される。本発明はこの処理を一部利用するが、閉じ込められたサンプルが測定セルから取除かれ得る速度を大幅に改良するさらなる加圧ステップを追加する。

図２に示される発明の測定セルセットアップを考察する。この実施形態では、主要封止ｏリング２０１は変化しておらず、膨張および公差に対応する設計されたデッドボリューム２０２を含んでいる。相違点は、第１のｏリングの外側に第２のｏリング２０３および対応の溝があることである。第２のｏリング２０３は、セルの封止に関与しない。しかし、２つのｏリング同士の間のシール洗浄領域２０４が外部の圧力源で加圧されると、内側ｏリング２０１を動かして内壁２０５に接触させる力が働くため、デッドボリュームが所望通りに測定セル領域２０６の外側にある。

内部圧力はセルを充填する時に高く、流れがない時にのみ低くなり得るため、多くの場合、２つのｏリング同士の間に圧力を維持することは便利ではなく、または可能ですらない。この場合、単にセル２０６の内部に代替的に圧力を印加するのみでよく、これによって内側ｏリング２０１がその溝内で溝の外側に摺動した後、２つの間のシール洗浄領域２０４に圧力を印加することにより、内側ｏリングが溝の内壁を押す。内部空間２０６と外部空間２０４との間で圧力を交互にすることによって、内側ｏリング２０１は封止面を拭取り、閉じ込められたサンプルを追出すことになる。複数のそのような加圧が各測定同士の間に適用され、新しい溶媒またはサンプルが、いずれかのデッドボリュームに依然として閉じ込められているいずれの古いサンプルも希釈して追出すことができる。

２つのｏリング同士の間の空間２０４もデッドボリュームであるが、これは測定体積と接触しておらず、したがってこの空間に閉じ込められた流体は測定に影響しない。さらに、これは、この領域内で用いられる加圧媒体に対する制限が本質的になく、したがってシール洗浄加圧流体は気体または液体のいずれか一方であり得ることを意味する。内側ｏリング２０１はサンプルと接触しており、したがってサンプル自体とのいずれの相互作用も最小化するように選択される高品質でなければならないが、外側ｏリング２０３はサンプルと決して接触せず、したがって同様の品質材料からなる必要はなく、つまり、部分的に、改良されたフラッシュシステムに関する全費用を最小化できる。さらに、外側封止手段２０３は本明細書全体にわたってｏリングと称されているが、この封止機構は、作製されるシールが加圧された際に自身と内側ｏリング２０１との間のシール洗浄領域２０４からのリークを防止するのに十分である限り、座金、ガスケット、または適切にコーティングされた表面などの、任意の数の他の封止手段であってもよい。図３は、測定およびフラッシングの処理時のさまざまな時点における内側および外側ｏリングの可能性のある位置を示す。任意の注入を行なう前、ｔ＝１において、圧縮された内側ｏリング３０１は内溝の外壁の近くに位置決めされる可能性が高い。しかし、本発明は、外壁がｏリング設計を抱きかかえる設計に限定されないことに留意すべきである。１つまたは複数の内壁を抱きかかえるｏリングを組込んだ設計も本発明によって改良される。さらに、内側ｏリングは、外側ｏリングがその各自の溝内で抱きかかえるのと同じ壁をその溝内で抱きかかえる必要はなく、いずれか一方のｏリングが壁を抱きかかえることもまったく必要でないが、これは構造の組立を容易にするのに有利であり得る。外側ｏリング３０２は、時間ｔ＝１においてその溝内に同様に位置決めされる。時間ｔ＝２において、サンプルが注入ポート３０３を介して測定セルに注入され、内側ｏリング３０１に印加される圧力を増加させ、内側ｏリング３０１をその溝の外壁に向けてさらに押す。測定が記録された後、液体または気体媒体によってｔ＝３において圧力がシール洗浄ポート３０４に印加される。この圧力によって内側ｏリングがその溝の内壁に向けて追いやられ、外側ｏリングが外溝の外壁に向けてさらに遠くに追いやられる。内側ｏリングが内壁に追いやられるので、古いサンプルが測定セルデッドボリュームの外に追いやられ、新たなサンプルまたは溶媒を注入して、これまで可能であったよりもはるかに効率的かつ完全に古いサンプルを流し出すことができる。

測定セルの設計に対する多くの変更も可能である。たとえば、図４に示されるように、内側ｏリング４０１の溝は、内側ｏリング４０１がシール洗浄ステップにおいて内壁に追いやられると利用可能なデッドボリュームをさらに制限するように、丸い角４０２を有するように作られてよい。これらの溝のいずれか一方の外壁のいずれも丸い角を有してもよいことに留意すべきである。測定セルマニホルドまたは窓が作られる材料も異なってもよい。たとえば光学的測定のための透明窓などの必要な要件を可能にし、かつ、リークを防止しつつセルおよびシール拭取領域の加圧を可能にするのに十分な剛性および強度を有するいずれの物質も、本発明を実施するのに適切であり得る。たとえば、ＰＥＥＫ、ステンレス鋼、ポリカーボネート熱可塑性樹脂、およびガラスが、本発明を実施するための窓および／またはマニホルドとして用いるのに適切な材料の例である。

上記の説明は、弁で制御される流れによってポートが概して加圧される能動的な設計に関するが、図５に示されるように、同様のメリットを本発明の受動的な実施形態に提供することも可能である。セルに直接注入する代わりに、インラインＴユニオン５０１がサンプル源配管５０２に接続されている。１つのポートはシールウォッシュ５０３に接続されており、第３のポート５０４は制限キャピラリ５０５に接続されており、制限キャピラリ５０５は次に機器入口５０６に接続されている。このように、流れがあるたびに、キャピラリ５０５の両端に圧力降下が生じ、シール洗浄ポートが機器５０７内のセルの内部よりも高い圧力を有することになる。この圧力によって、内側ｏリングが溝の内部に追いやられる。流れが停止すると、圧力は周囲圧力に低下し、ｏリングは溝の内壁に接したままである。その後システムが加圧手段で加圧されると、内側ｏリングは両側が等しく加圧されているため、自身の両端にほとんど圧力を有さない。内側ｏリングを溝の外部に再び追いやる過渡圧力が存在し得るが、これはデッドボリュームを新しいサンプルで充填するのみであり、当該サンプルは次のサンプルが導入されると廃棄物５０８へとフラッシュされる。

図６に提示される、本発明を組込んでいない従来の測定セルから収集されたデータを考察する。この実験では、電気泳動移動度測定機器（カリフォルニア州サンタバーバラ、ワイアット テクノロジー コーポレイション、Mobiuζ）の測定セルの中の従来の流れに、５００ｍＭ ＫＣｌの高濃度食塩水の５００μＬのサンプルを注入した。セル内で熱平衡に達すると、サンプルの導電率を当該機器によって１０秒間隔で１０回連続測定した。セルを、セルの中の流れの出口に接続される出力絞りによって１０バールの圧力下に置いた。最初の１０回の測定セットの後、セルを、２５０μＬ／分の流量で、セル体積の約３倍の５００μＬの脱イオン水でフラッシュした。この点でポンプをオフにし、熱平衡が確立し、追加の１０回の測定を行なった。この後、セルを２５０μＬ／分で流れる５００μＬの脱イオン水で再びフラッシュし、１０回のさらなる導電率測定を行った。この手順を数回繰返して、図６に示されるデータが生成された。データ点の各グループ分けは、１つの連続した１０回の測定を表わす。第２の測定セット（最初のセットはサンプルの測定であり、２回目の測定は１回目のフラッシュ後の測定である）に始まり、一番最初のデータ点はデータセットの最低導電率を示していることに留意されたい。１回目の測定に続いて、所与のセットにおいて、セル内のさまざまな凹部の中に閉じ込められた当初の注入からの残留サンプルが放出されるにつれて導電率は上昇するため、導電率は、セル内に残っているイオンの濃度が平衡化するにつれて、セット内のその後の測定毎に時間とともに上昇する。さらに、フラッシングの９回目の試みにおいて初めて、導電率が当初の測定値の１％未満に低下するようにセル内の最後の残留サンプルが十分にフラッシュされていることに留意されたい。フラッシングの１９回目の試みの後でさえも、それは当初の値の０．１％に決して達しない。

次に、図７に提示されるデータを考察する。対照的に、このデータは、本発明に従って修正され、かつ図６に提示されたデータと同じ電気泳動移動度機器の内部で用いられたセルの中の流れを用いて収集された。この実験のプロセスは図６のデータを生成するのに用いたプロセスと同様であり、例外は、各フラッシュステップの際に、３０秒間隔で発明のセルの実施形態の２つのｏリング同士の間のシール洗浄領域に２０バールの圧力をパルスを印加したことである。したがって、各フラッシュ段階において、内側ｏリングは４回曲がり、残留して最初のサンプル注入からのキャリーオーバー溶液でセルを汚染するはずであった閉じ込められた液体を押出すのを助ける。発明のセルの修正および発明の方法を用いると、２回目の一連のフラッシュ／加圧の後ですでに汚染が当初の導電率測定値の１％をはるかに下回るように低下していることに留意されたい。フラッシングおよび加圧の組合せを繰返した後、セルが平衡化した後でもキャリーオーバーは０．１％未満に低下する。

さらに、本発明に従って修正されたセルを用いても上記の実験で明らかである残留キャリーオーバーは、セル設計の形状の改良によってさらに最小化され得ることにも留意すべきである。たとえば、図７のデータを生成するのに用いたセルにおいて使用される内側ｏリング溝は、図２に示されるような四角形の角を有する。図４に示されるような溝内の角度を付けられたまたは丸い角は、いずれのキャリーオーバーもさらに減少させ得る。他の改良点は、より研磨され、多孔度の低い、および／または滑らかな表面を有する材料を利用することを含み、または、専用のｏリングが、注入サンプルがその中に閉じ込められ得るいずれの隅もしくは他の利用可能な空間も最小化し得る。

さらに、上記の例および対応する図は電気泳動移動度測定セルの内部で取られたデータを表わしているが、上述のように、本発明の用途は電気泳動移動度測定に決して限定されるべきでない。本明細書中に開示される発明の方法および装置は、光散乱測定、屈折率検出、ＵＶ吸収検出、および粘度測定を含むがこれらに限定されない、測定セルに圧力が印加され得る、かつサンプルキャリーオーバーの減少が求められる他の用途に等しく有利であり得る。さらに、本明細書中に提示される図面および上述の説明のほとんどは、内側ｏリングによって範囲を定められる領域として測定チャンバを表わしているが、発明はそのような実施形態に限定されない。実際、外側領域が測定セル、たとえば外側ｏリングと内側ｏリングとの間の領域を含むことも可能であり、内側領域がシールウォッシュとして作用してもよい。さらに、そのような構成では、加圧され得る外側ｏリングの外側に付加的なシール洗浄領域が存在し、第３のｏリングによって含まれるその領域もシールウォッシュとして作用することも可能である。

分析機器の分野の当業者に明らかとなるように、実施のために列記した基本的な要素から逸脱しない本発明の方法および装置の多くの明白な変更が存在し、そのようなすべての変更は上に記載した発明の明白な実現例であり、以下の請求項を参照することによって含まれる。

Claims (15)

1. 分析機器内のサンプルキャリーオーバーを制御するための装置であって、
   内部に液体サンプルが注入され得る測定チャンバを含むサンプル測定セルと、
   第１のｏリング溝の内部に着座する第１のｏリングとを備え、前記第１のｏリングは、前記サンプル測定セルの前記測定チャンバを封止しており、前記装置はさらに、
   前記第１のｏリング溝の周りに位置する第２の封止手段と、
   前記サンプル測定セルのシール洗浄領域とを備え、前記シール洗浄領域は、一方側が前記第１のｏリングによって、他方側が前記第２の封止手段によって境界をつけられており、かつ、流体ポートに接続されており、
   前記シール洗浄領域は、前記第１のｏリングを、前記第１のｏリング溝の内部のその最初の横方向の位置から、前記第１のｏリングが壁に接して圧縮され、それによって前記第１のｏリング溝の内部に含まれるある量の流体を追出す位置まで、移動または変形させるのに十分な圧力を圧力源から受けることが可能である、装置。
2. 分析機器内のサンプルキャリーオーバーを制御するための装置であって、
   内部に液体サンプルが注入され得る測定チャンバを含むサンプル測定セルと、
   第１のｏリング溝の内部に着座する第１のｏリングとを備え、前記第１のｏリングは、前記サンプル測定セルの前記測定チャンバを封止しており、さらに、
   前記第１のｏリング溝の周りに位置する第２の封止手段と、
   前記サンプル測定セルのシール洗浄領域とを備え、前記シール洗浄領域は、一方側が前記第１のｏリングによって、他方側が前記第２の封止手段によって境界をつけられており、かつ、流体ポートに接続されており、さらに、
   ３つのポートを有するＴユニオンを備え、
   前記測定チャンバおよび前記シール洗浄領域は、前記第１のｏリングを、前記第１のｏリング溝の内部のその最初の横方向の位置から、前記第１のｏリングが壁に接して圧縮され、それによって前記第１のｏリング溝の内部に含まれるある量の流体を追出す位置まで、移動または変形させるのに十分な圧力を受けることが可能であり、
   前記３つのポートは配管を介して、前記サンプルの源と、前記サンプル測定セルのシール洗浄ポートと、前記測定チャンバに接続されている制限キャピラリ配管とに接続されており、流れが存在する場合、前記制限キャピラリ配管の両端に圧力降下が生じることによって、前記シール洗浄ポートは前記測定チャンバよりも高い圧力を有し、それによって前記第１のｏリングを前記第１のｏリング溝の内壁に追いやる、記載の装置。
3. 前記サンプル測定セルはさらに、コヒーレント光のビームが通過し得る光学的に透明な窓を含む、請求項１または請求項２に記載の装置。
4. 前記第１のｏリング溝の内部に含まれる角の１つ以上は丸い、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記第２の封止手段は第２のｏリングである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記第２のｏリングの周りに位置する第３のｏリング溝の内部に着座する第３のｏリングをさらに備える、請求項５に記載の装置。
7. 前記第２の封止手段はガスケットである、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
8. 前記第２の封止手段は表面コーティングを含む、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の装置。
9. 前記サンプル測定セルはステンレス鋼からなる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
10. 前記サンプル測定セルはポリエーテルエーテルケトンからなる、請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の装置。
11. 分析機器内のサンプルキャリーオーバーを制御するための方法であって、
    前記分析機器の内部に含まれる測定チャンバに液体サンプルを注入するステップを備え、前記測定チャンバは、第１のｏリング溝の内部に着座する第１のｏリングによって横方向に規定される領域の内部に含まれており、前記方法はさらに、
    注入した前記サンプルの１つ以上の物理的性質を測定するステップと、
    シール洗浄領域に圧力を印加するステップとを備え、前記シール洗浄領域は、一方側が前記第１のｏリングの外縁によって、他方側が第２の封止手段によって境界をつけられた範囲として規定され、印加する前記圧力は、前記第１のｏリングを前記第１のｏリング溝の内側の限度に追いやるのに十分であり、前記方法はさらに、
    前記測定チャンバを液体でフラッシュするステップを備える、方法。
12. 前記測定チャンバと前記シール洗浄領域との間で加圧を交互にし、それによって、前記第１のｏリングを前記第１のｏリング溝の一方の壁から前記第１のｏリング溝の他方の壁にその溝の内部で繰返し動かすさらなるステップを備える、請求項１１に記載の方法。
13. 前記シール洗浄領域は、流体ポートを介した前記シール洗浄領域への流体の注入よって加圧される、請求項１１または請求項１２に記載の方法。
14. 加圧された前記流体は、ある量の前記液体サンプルである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記液体サンプルは、前記測定チャンバに入る前にキャピラリ制限配管を通る、請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の方法。