JP6437005B2 - 多次元液体分析システムにおける体積フローの調整 - Google Patents
多次元液体分析システムにおける体積フローの調整 Download PDFInfo
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Description
本発明は、分析化学において使用される流動システムに関し、より具体的には、多次元液体クロマトグラフィ装置において移動相流を分割するための分割システムに関する。
化合物や被験物質の混合物は、液体クロマトグラフィとして知られるプロセスを用いたクロマトグラフィカラム等の分離デバイス内にその混合物を圧送することによって分離できる。液体クロマトグラフィの変形例は、高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）として知られる。試料の分離は、カラム内部のクロマトグラフィ充填剤に対して異なる親和性を有する被検物質によって生じる。分離された試料はクロマトグラフィカラムから連続的に流出するが、分離された被検物質は異なる時間にカラムから浮かび上がる。その後、被検物質を含む個々の化合物は、試料の組成を判定する助けとなる赤外線吸収検出器や質量分析器、蛍光検出器等のような様々な検出デバイスを通過させてもよい。被検物質は、受容器に送達してもよく、そこで、各被検物質を、画分収集として知られるやり方で別体の容器内に収容できる。場合によっては、各個々の被検物質を更に分析するために、少量のカラム流出物を質量分析器等の他の試料分析デバイスの入口に向けてもよい。更なる液体分析デバイスへのカラム流出物の少なくとも一部の送達は、「第２次元」分析と称され、複合的な液体分析において一般的に採用されている。
第２次元液体分析の用途の一例は、新薬の開発中における合成化合物の精製にある。多くの場合、合成による生成物は、所望の合成化合物（既知の分子量をもつ）、反応物質及び副生成物を含み、それらの全てが、合成試料の被検物質となる。この例では、「第１次元」分析は、カラム流出物を監視する高流量屈折率検出器や紫外線検出器等の専用の検出手段を用いて、ＨＰＬＣカラムを介する等して、分析的又は調製的規模の分離を実行する。「第２次元」分析は、好ましくは、カラム流出物の一部を取り込み、その流れを質量分析器等の二次分析デバイスへと向ける第２の分離流路を利用してもよい。「２次元」配置構成におけるそのように組み合わせられた機器は、流量計内の化合物の純度の理解を拡大するために、ますます使用されるようになっている。
質量分析器等の第２次元分析デバイスが最適に機能するように、被験物質を含む第１次元ＨＰＬＣカラムからの制御された低質量の流量の溶離液を送達すべきである。そのような質量又は流量は、第１次元システムの流量にばらつきがあったとしても、容易に調整可能であり綿密に制御可能でなければならない。流量は、再現可能に制御されなければならず、それによって所望の合成化合物の溶離ピークの純度の第２次元同定を容易にし、個々の画分における純粋な被験物質の収集を可能とする。経験のある分析者であれば、被験物質を第２次元検出器内へ移送するための所望のキャリア流体を選択しうるであろう。その第２次元キャリア流体は、合成化合物の第１次元調製分離を行うのに使用される移動相とは異なる場合もある。クロマトグラフ分離を行うのに使用される特定の移動相流体は、質量分析器等の異なる第２次元分析デバイスのファウリングを生じさせる可能性のある溶解させた緩衝塩を含む可能性があり、移動相の特定の有機成分は、質量分析器で必要とされる被験物質の最適なイオン化を阻害する可能性がある。キャリア溶媒を適切に選択することで、質量分析器内へ移送される第１次元被験物質−移動相の質量分析器に対する影響を軽減できる。また、質量分析器内への被験物質の質量移送流量は小さくすべきであり、一般に、第１次元における被験物質の総流量に対して小さい割合とするべきである。質量分析器への質量流量が大きいと、質量分析器の結果を歪めるリンガリング（ｌｉｎｇｅｒｉｎｇ）又はテイリング（ｔａｉｌｉｎｇ）信号に繋がる可能性があり、また、大きな質量流量は、システムの誘電特性を変化させ、信号の一時的損失を生じさせる可能性がある。
分析者は、場合により、ＨＰＬＣ分離からの流出流量が質量分析器の液体流容量と一致するようにＨＰＬＣ移動相の流量を最適値未満の値まで低下させて、複合ＨＰＬＣ及び質量分析設備を運転しようと試みてきた。そのようなＨＰＬＣカラムを通る流量の低下は、利用可能なクロマトグラフの分離度を低下させる傾向がある。ＨＰＬＣ分離度の低下を回避するために、フロースプリッタをフルフローレジーム（ｆｕｌｌ−ｆｌｏｗ ｒｅｇｉｍｅ）に適用して，ＨＰＬＣカラム又は検出器の出口からの流れの一部を質量分析器の入口への流れに分割し、流れの残りの部分を他の検出器に流すか、又は廃棄している。市販の典型的なフロースプリッタは、抵抗管エレメントを利用して、液体流を２本以上の個別の流れに分割している。フロースプリッタの例は、特許文献１及び特許文献２に記載されている。抵抗による液体流の分割は、均一なレベルに維持することが難しい。移動相の可変粘度や、温度、分析中の流路における何らかの変動といった要因によって、流路間の分割率が変化しうる。このような変動性が、多次元液体クロマトグラフィを実施する際に特に問題となる。
移動相の分割が望ましいクロマトグラフの用途の一例が、２次元液体クロマトグラフィ（ＬＣ＊ＬＣともいう）である。２次元液体クロマトグラフィでは、第１次元ＨＰＬＣカラムからの流出物が、第２次元ＨＰＬＣカラムに導入され、第１次元分離物のいかなる部分も、その後の「第２次元」分離のための第２次元カラムには導入されない。ＨＰＬＣ分析の当業者であれば、試料をクロマトグラフィカラムに注入するための様々な技術が知られていることは理解するであろう。多くの場合、試料の容積は、マルチポート・バルブにおいて設定され、その後、ポンプにより発生する流体力によって、クロマトグラフィカラムに注入される。試料は、流動している移動相流に導入してもよい。
理論的には、第１次元分離物の容積全体を第２次元分離カラムに注入するのが望ましいが、このような手法は、第１分離カラムからの流出流の流量が第２分離カラムに直接注入するには大きすぎるため、非現実的である。従って従来、「第１次元」分離物の分析は、画分収集によって第１分離カラムからの流出流の総容積を収集し、そして各画分の代表試料を第２次元分離カラムに再注入することによって行なわれてきた。
流量の不一致に加えて、第１次元において展開するクロマトグラムでは、含まれる有機溶媒の相対濃度が増加することがある。有機溶媒の相対濃度の増加は、有機溶媒が水系移動相の後に分離カラムに注入される特定の液体クロマトグラフィ手法の結果である場合がある。有機溶媒の相対濃度が第１次元分離において増加すると、第１次元から第２次元クロマトグラフへの固定容積の注入によって、第２次元分離中の有機溶媒の相対濃度が更に増加する。ある条件下では、第２次元クロマトグラフへ大量の有機溶媒を注入することは、第２次元分離に悪影響を及ぼす。第１次元分離において有機溶媒の経時的なばらつきが発生すると、第１分離カラムの下流に配置された標準的な抵抗型フロースプリッタから流出する流量が予想できなくなる。従って、分析者は、第２次元分離カラムへ注入可能な試料の実際の流量を知ることが難しいことが分かっている。試料の流量を把握することは、第２次元分離カラムにおける有機溶媒濃度を制御し、また、第１次元クロマトグラフの一部が第２次元分離においてサンプリングされない事態が起こらないのを確実にするために重要である。典型的な抵抗型フロースプリッタでは、第２次元での分析を一貫して制御するのに必要な情報を分析者に提供することができない。標準的な抵抗型フロースプリッタのその制約のために、ＬＣ＊ＬＣは当該技術分野において広くは使用されていない。
負変位圧送方式（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｃｈｅｍｅ）を用いたフロー分割方法が、特許文献３に記載されている。特許文献３に記載の方法は、例えば、第２次元インジェクションバルブの上流に位置付けられたフロースプリッタからの分割流を引き出すシリンジポンプを利用する。そのような分割流の容積流量は、フロースプリッタにおいて第１次元流出物から分割流を引き出すように働く負変位ポンプ（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｕｍｐ）によって決まる。しかしながら、圧力下でのシリンジポンプのコンプライアンスのために、引き出し容量は、シリンジポンプの油圧剛性、印加される圧力、及び、負変位ポンプ内の圧力下での流体の容積によって大きく変動しうる。従って、より一貫性のあるフロー分割方式が、分析者にとって関心の対象であり、本発明の目的である。
本発明によって、第１次元流出物の全ての代表試料の適切な分析を確実にしながら、第２次元分析での入口流量要求を満たせるように分割流を多次元液体分析システムにおいて正確に制御しうる。制御された流れの分割は、フロースプリッタからの一方の出口流に対して流量計量を直接行うことによりフロースプリッタの他方の出口流からの流出を測定することによって実現される。流量制御は、出口流路において不連続部を確立するバルブにより行われてもよく、ここで、不連続部は、所望の時間間隔でブリッジされる。分割点と、フロースプリッタの制御されないレッグに取り付けられた質量分析器等の任意の検出手段との間に追加の排斥できない容積は介在しない。
一実施例において、多次元液体分析システムは、液体移動相を、第１次元流出流量を有する第１次元流出流にクロマト分離するための第１分離カラムを含む第１次元分析システムを含む。システムは、第１次元流出流を、第１分割出口流と、第１圧力を有する第２分割出口流とに分離するためのフロースプリッタを更に含む。第２次元分析システムは、第２分割出口流を第２次元流出流にクロマト分離するための第２分離カラムと、第２分割出口流からの試料を第２分離カラムに向けるインジェクションバルブとを含む。インジェクションバルブは、第２分割出口流を受容する入口ポートと、出口ポートと、第２分割出口流又は第２分離カラムと流体連通するように交互に位置付け可能な流れチャネルを確立する第１及び第２個別試料ループとを含む。多次元液体分析システムは、出口流路に沿うインジェクションバルブの出口ポートから第２分割出口流を受容する流量計量デバイスを更に含む。流量計量デバイスは、指定された時間内において出口流路に沿って流量計量デバイス内を許容された容積の第２分割出口流によって決まる所定の第２分割出口流量でフロースプリッタから第２分割出口流を許容するようにプログラムされた計量コントローラからの制御信号に応じて出口流路を選択的に開閉するバルブを含む。
液体試料を分析する方法は、液体試料を、第１ポンプで、液体試料の化学成分を同定する第１クロマトグラフィカラムを有する第１次元分析システムであって、第１次元流出流量で第１次元液体流出流を生じさせる第１次元分析システムに圧送することを含む。この方法は、第１次元液体流出流を、第１分割出口流と、少なくとも１キロパスカルの第１圧力を有し、第１ポンプにより動かされる第２分割出口流とに分離することを更に含む。
第２分割出口流を、流量計量デバイスで出口流路を選択的に開閉することによって、出口流路に沿って、第２分割出口流量に計量する。第２分割出口流を、液体試料の化学成分を同定するための第２クロマトグラフィカラムを有する第２次元分析システムを通るように向ける。第２次元分析システムは、第２分割出口流を受容する入口ポートと、出口ポートと、第２分割出口流又は第２クロマトグラフィカラムと流体連通するように交互に位置付け可能な流れチャネルを形成する第１及び第２個別試料ループとを有するインジェクションバルブを含む。第１及び第２試料ループのそれぞれは、対応する第１及び第２試料ループ容積を規定し、第２分割出口流量が、第２クロマトグラフィカラムの分析時間及び平衡化時間の合計である指定された時間内に、第２分割出口流が第１及び第２試料ループ容積の対応する一方を充填するのを許容されるのに十分である。
第１次元分析システムからの流出物の流れの一貫性のある分割を実現するために、流量計量デバイスを採用して、フロースプリッタデバイスの一方の出口から延びる加圧流体流路を選択的に開閉することによって、その出口からの流れを指定された流量に制御することができる。従って、その結果得られるフロースプリッタの第２の出口からの流れも制御される。フロースプリッタの両方の出口の流量を決定するこのような制御は知られている。
本発明の配置構成の第１の概略図を図１に示す。多次元液体分析システム１０は、第１次元分析システム１２と、第２次元分析システム１４とを備え、移動相が、第１次元インジェクションバルブ１９を介して駆動される第１次元ポンプ１８によって、第１次元分離カラム１６内を運ばれる。第１分離カラム１６は、液体移動相を、第１圧力及び第１次元流出流量を有する第１次元流出流２０にクロマト分離する。第１次元流出流２０は、第１次元検出器２２に直接送達されてもよいし、最初にフロースプリッタ２４によって分割されてもよい。フロースプリッタ２４内への第１次元流出流量は、第１次元ポンプ１８によって制御され、第１次元分離カラム１６を通る移動相の流量を規定する。第１次元ポンプ１８は、第１次元分離カラム１６の下流の第１次元流出流２０の第１圧力を更に規定する。第１次元流出流２０の第１圧力は、好ましくは少なくとも１キロパスカルであり、典型的に１〜１０，０００キロパスカルである。好ましくは、第１次元流出流２０の第１圧力は、第１次元検出器２２及び第２次元分析システム１４の両方に正の流体圧力を確立するのに十分な圧力である。
フロースプリッタ２４は、Ｋｉｎｅｓｉｓ−ＵＳＡ社から「Ｍｉｃｒｏ−Ｓｐｌｉｔｔｅｒ ｖａｌｖｅ １０−３２／６−３２ Ｐｏｒｔ ５５ ｎｅｅｄｌｅ（ＥＡ）」として販売されているもののような、第１入口と、第１及び第２出口とを有するＴ字型分岐継手を備えてもよい。図１に示した配置構成において、フロースプリッタ２４からの第１分割出口流２６を、第１次元検出器２２に向けてもよく、また、フロースプリッタ２４からの第２分割出口流２８を、１〜１０，０００キロパスカルの第２圧力で第２次元分析システム１４に向けてもよい。第２圧力を、１〜１０，０００キロパスカルの目標点に維持するのを補助するために、フローリストリクタ２７を、第１分割出口流２６を規制するように位置付けてもよい。
分析システム１０は、第１及び第２次元カラム１６，３４内に圧送された液体試料の化学分析を行う。本発明の目的のために、第１及び第２次元「カラム」は、カラムを必ずしも伴わない分析モダリティを含むように、広く解釈できる。例えば、次元の１つ以上に、液体クロマトグラフィ、ＨＰＬＣ、分取液体クロマトグラフィ、超臨界流体分析、ゲル浸透クロマトグラフィ、質量分析、その他の分光分析又はクロマトグラフィ分析、及び、それらの組み合わせを伴ってもよい。特定の用途において、第１及び第２次元はそれぞれ、液体試料を評価するクロマトグラフィカラムである。幾つかの実施例において、このような液体クロマトグラフィは、「高圧液体クロマトグラフィ」又は「高速液体クロマトグラフィ」（ＨＰＬＣ）とすることができる。これは、クロマトグラフ分離カラムへの注入用ポンプによってインジェクションバルブ又は「オートサンプラ」に送達された化合物溶液に対してクロマトグラフ分離を行なうための一般的な技術である。化合物を移送するために使用する液体又は液体混合物を、本明細書では「移動相」と称する。液体クロマトグラフィの「固定相」は、典型的に、分離カラム１６，３４内部の充填剤である。
第２次元分析システム１４は、第２分割出口流２８を、例えば質量分析器を備えてもよい第２次元検出器３９で分析するための第２次元流出流３８にクロマト分離するための第２分離カラム３４を含む。
上で示したように、第２分割出口流２８の出口流路２９を選択的に開閉するように動作可能な流量計量デバイス３０を用いて、流量制御を第２分割出口流２８に適用してもよい。流量計量デバイス３０は、計量コントローラ７４からの制御信号７２に応答して動作してもよく、計量コントローラ７４は、指定された時間内において出口流路２９に沿って流量計量デバイス３０内を許容された量の第２分割出口流２８によって決まる所定の第２分割出口流量でフロースプリッタ２４から第２分割出口流２８を許容するようにプログラムされる。
計量コントローラ７４は、第１次元流出流２０及び第１次元流入流１５を含む第１次元における流れから、流体圧力や流量、温度等といったデータ入力を受信してもよい。入力されたシステム情報に従い、計量コントローラ７４は、所望の時間間隔で出口流路２９を開閉することによって指定された時間に亘って第２分割出口流量を調整するように流量計量デバイス３０を動作させるための制御信号７２を出力してもよい。それを行う際、流量計量デバイス３０の動作は、フロースプリッタ２４の第１出口２６からの流量も制御する。
流量計量デバイス３０は、所望の時間間隔で出口流路２９を選択的に開閉することが可能なバルブを備えてもよい。幾つかの実施例において、流量計量デバイス３０は、流路の不連続部（ｆｌｏｗ ｐａｔｈ ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ）での個別液体アリコート容積を移動させることが可能なバルブデバイスを含んでもよい。個別液体アリコート容積の移動は、流路に沿った又は流路の不連続部を横断する容積の「流れ」を表す。これにより、流量計量デバイス３０は、出口流路２９に沿って第２分割出口流２８を受容・分配し、ここで、流量計量デバイス３０は、個別液体アリコート容積によって間欠的にブリッジされてもよい不連続部を、出口流路２９内に構成する。出口流路２９内の不連続部が流量計量デバイス３０によりブリッジされる割合、及び、各個別液体アリコートの容積によって、流量計量デバイス３０により許容される第２分割出口流量が決まる。
様々なバルブ構造体が、流量計量デバイス３０と同様に有用であると考えられる。個別液体アリコート容積を移送することによって流れの不連続部をブリッジする幾つかの従来の機構例は、本願と同じ譲受人に譲受され且つ参照により本願に組み込まれる特許文献４及び特許文献５に記載されている。流量計量デバイス３０の更なる機構例は、本願と同じ譲受人に譲受され且つ参照により本願に組み込まれる特許文献６に記載されている。一般に、そのようなバルブ機構は、入口ステーションにおいて第２分割出口流２８からの既知の容積の液体アリコートを受容するシャトルを含み、液体が充填されたシャトルを不連続部を介して排出ステーションに移動し、そこで液体アリコートが、シャトルから例えば廃棄レセプタクル３１に排出される。これにより、流量計量デバイス３０は、所望の速度で出口流路２９に沿って個別容積の第２分割出口流２８を「流す」ために少なくとも２つの別個のシャトルステーションの中でシャトルを移動させる。それを行う際、第１及び第２分割出口流２６，２８の両方の流量を動作可能に制御してもよい。シャトルが、入口ステーションで第２分割出口流２８を受容しない場合、流量計量デバイス３０が、流量計量デバイス３０の上流にある第２分割出口流２８を遮断する。第２分割出口流２８のバルブで制限された流量が、第１次元出口流２０の流体圧力と共に、既知の流体流量を、フロースプリッタ２４の第１出口レッグを介して第１分割出口流２６に押し出す。
流量計量デバイス３０の例示的実施例の概略図を図２Ａに示す。流量計量デバイス３０は、ステータ１１２を含み、ステータ１１２は、そのステータ１１２内を出口流路２９に沿って延在し第１ステータポート１１８からステータ面１１６に開口する第１入口ステータ通路１１４を有する。図２Ａに示す実施例において、ステータ１１２は、第１及び第２排出通路１２０，１２２を含み、第１排出通路１２０は、ステータ１１２内部を出口流路２９に沿って延在し、第１ステータポート１１８から離間した第２ステータポート１２４から、ステータ面１１６に開口する。流量計量デバイス３０の図示の実施例は、接触面においてステータ面１１６と流体密封接触したロータ面１３０を有するロータ１２８を更に含む。ロータ面１３０は、接触面と流体連通して液体アリコートを受容するように構成された第１シャトル１３２を含む。ロータ１２８は、好ましくは、ステータ１１２に対して回転軸線１３６周りに回転可能であり、それにより、第１シャトル１３２を周方向に離間した複数のステーション内へ移動し、第１ステーション１３８が、第１ステータポート１１８において出口流路２９と流体連通するように第１シャトル１３２を配列する。第２ステーション１４０は、第２ステータポート１２４において出口流路２９と流体連通するように第１シャトル１３２を配列する。
流量計量デバイス３０は、ロータ面１３０に、第２シャトル１３４を含んでもよい。第２シャトル１３４は、第１シャトル１３２が第１ステータポート１１８において出口流路２９と流体連通しているときに、第２シャトル１３４は第２ステータポート１２４において出口流路２９と流体連通するように第２ステーション１４０に位置付けられるように、ロータ面１３０において周方向に相対離間した位置にある。このようにして、流量計量デバイス３０は、第１の先に受容した液体アリコートが第１排出通路１２０を介して第２シャトル１３４から排出される間、同時に第２の液体アリコートを第２分割出口流２８から受容できる。様々な第２分割出口流量の設定点を収容するように１つ以上のシャトルをロータ面１３０に設けてもよいことが考えられる。
幾つかの実施例において、流量計量デバイス３０は、ステータ１１２内を排出路３３に沿って延在し第３ステータポート１２６からステータ面１１６に開口する第２排出通路１２２を含んでもよい。この配置構成において、第２及び第３ステータポート１２４，１２６は、少なくとも第１又は第２シャトル１３２，１３４が第２ステーション１４０に位置付けられているときに、互いに流体連通してもよい。第２排出通路１２２は、加圧ガス源８２から排出路３３を介して供給される加圧ガスを収容するように設けられてもよい。供給加圧ガスは、第２ステーション１４０に位置付けられたときに、第１又は第２シャトル１３２，１３４から液体アリコートを変位させるように働いてもよい。そのような変位によって、液体アリコートを、第２ステータポート１２４を介して、そして出口流路２９に沿う第１排出通路１２０を介して排出する。
他の実施例において、ロータ１２８の第２ステーション１４０は、出口流路２９に沿う第１排出通路１２０を介して液体アリコートを排出するように、第１又は第２シャトル１３２，１３４を、第２ステータポート１２４と流体連通するように位置付けてもよい。各第１又は第２シャトル１３２，１３４からの液体アリコートの排出を実現するために、真空ポンプ８４により第１排出通路１２０を介して減圧を印加してもよい。第２ステータポート１２４と真空ポンプ８４との間における出口流路２９内に発生させた真空力によって、第２ステーション１４０に位置付けられたときに第１又は第２シャトル１３２，１３４から液体アリコートを動作可能に排出する。幾つかの実施例において、各シャトルから液体アリコートを排出するための真空力の印加は、第１ステーション１３８に移動したときにシャトルに残る減圧環境が、第１ステーション１３８でのシャトルへの第２分割出口流２８の充填の助けとなりうるため、他の液体アリコート排出手段よりも好ましい場合がある。すなわち、シャトル内の減圧によって、第２分割出口流２８と第１又は第２シャトル１３２，１３４の「空」容積との間に、より高い差圧（Δｐ）が作り出され、その増加分Δｐが、第１又は第２シャトル１３２，１３４内へ第２分割出口流２８を送るのを助ける。
上述のように、第２分割出口流２８は、シャトル１３２，１３４が第１ステーション１３８に位置付けられたときに許容される。典型的に、流量計量デバイス３０は、適宜シャトル１３２，１３４を充填又は排出するのに十分なロータ一時停止時間を、第１ステーション１３８及び第２ステーション１４０において許容するようにプログラムされる。ロータ一時停止時間が満了すると、計量コントローラ７４は、ロータ１２８を軸線１３６周りに回転して第１シャトル１３２を第２ステーション１４０に運ぶよう、流量計量デバイス３０に指令を出す。この移行期間の間、ロータ面１３０及びステータ面１１６は、流体密封接触することによって、出口流路２９を閉じる。第１シャトル１３２が第２ステーション１４０に達すると、ロータ１２８が、適切な充填／排出時間の間再び停止され、その期間の間、出口流路２９が開かれることによって、第２分割出口流２８を許容する。フローサイクルは、入口／排出のロータ一時停止期間と、シャトルの移行ロータ回転期間との合計によって規定することができる。従って、第２分割出口流２８の流量は、シャトル容積及びフローサイクル時間によって決まる。ロータサイクル時間は、計量コントローラ７４によってある程度制御しうるが、ロータ回転速度の動作限界、並びに、両方の第１及び第２ステーション１３８，１４０においてΔｐにより駆動される液体の流入及び排出の流体流特性、粘度や表面張力等の液体の物理的特性によって制約される。上流側の流圧を測定してもよく、その結果得られたデータを、両方の第１及び第２分割出口流２６，２８の流量を制御する所望のパラメータで流量計量デバイス３０が動作するように、計量コントローラ７４に送達してもよい。
図１に示す概略配置構成において、流量計量デバイス３０は、第２次元インジェクションバルブ３２の下流に動作可能に位置付けられる。しかしながら、流量計量デバイス３０は、第１排出チャネル１２０を介して排出された液体アリコートが第２次元インジェクションバルブ３２に向けられるように、出口流路２９に沿ってフロースプリッタ２４と第２次元インジェクションバルブ３２との間に動作可能に位置付けられてもよいことは理解できよう。そのような実施例では、液体源から第２次元移動相液体を圧送する流量計量排出ポンプ（不図示）が、そのような液体移動相を、第２排出チャネル１２２を通るように圧送して、第２ステーション１４０において各シャトル１３２，１３４に含まれる第２分割流出流２８の液体アリコートを「運び出し」、出口流路２９に沿う第１排出チャネル１２０から出す。第２次元移動相液体は、第１次元移動相液体と同じであっても異なっていてもよい。第１ステーション１３８における第２分割出口流２８のシャトル１３２，１３４への再充填を収容するために、第２ステーション１４０においてシャトル１３２，１３４を介して圧送される第２次元移動相液体を放出又はガス排出するための少なくとも１つの第３ステーションが望まれる。
３つ以上のロータステーションを含む流量計量デバイス３０の実施例を図３〜６に示す。ここで、流量計量デバイス２３０は、ステータ２３２と、ステータ２３２に対して回転軸線２３６周りに回転可能なロータ２３４とを含む。ロータ２３４は、流体が流量計量デバイス２３０の外部に漏出することなくステータ２３２とロータ２３４との間を通過するのを許容されるように、接触面２３８においてステータ２３２と流体密封接触して流量計量デバイス２３０に取り付けられる。ステータ２３２は、ロータ２３４のロータ面２４４と密封係合するように構成されたステータ面２４２を含む。幾つかの実施例において、ステータ面２４２及びロータ面２４４は、略平面状で外部取付キット（不図示）を介して互いに密封係合するように配置されてもよい。
ステータ２３２は、ステータ２３２内を出口流路２９に沿って延在し第１ステータポート２５０からステータ面２４２に開口する入口ステータ通路２４６を更に含む。入口２次ステータ通路２５２が、ステータ２３２内を二次路２５４に沿って延在し、第２ステータポート２５６からステータ面２４２に開口している。出口２次ステータ通路２５８が、ステータ２３２内を二次路２５４に沿って延在し、第３ステータポート２６０からステータ面２４２に開口している。入口排出通路２６２が、ステータ２３２内を排出路２６４に沿って延在し、第４ステータポート２６６からステータ面２４２に開口している。出口排出通路２６８が、ステータ２３２内を排出路２６４に沿って延在し、第５ステータポート２７０からステータ面２４２に開口している。幾つかの実施例において、出口排出通路２６８が、上述のように、出口流路２９に沿って延在している。他の実施例において、入口スイープ通路２７２が、ステータ２３２内をスイープ路２７２に沿って延在し、第６ステータポート２７６からステータ面２４２に開口している。出口スイープ通路２７８が、ステータ２３２内を出口流路２９に沿って延在し、第７ステータポート２８０からステータ面２４２に開口していてもよい。
上述の通路は、ステータ２３２内に流体の通路を設ける流体通路である。そのような通路は、各流体を流通させるためにグループ化された入口通路及び出口通路を含む少なくとも２本のグループのようなセットで設けてもよい。しかしながら、少なくとも入口ステータ通路２４６が少なくとも１つの通路のセットに設けられ、特定の流体を運ぶための別の入口及び出口通路が必要ない場合も考えられる。
流体通路のセットは、ロータ２３４のロータ面２４４において１つ以上のシャトル２８２と協働して、接触面２３８と流体連通した液体アリコートを受容する。ロータ２３４は、ステータ２３２に対して回転軸線２３６周りに回転可能であり、それに続いてシャトル２８２を、各流体通路セットと流体配列された周方向に離間された複数のステーション内へ移動する。一次ステータ通路セット２８４は、入口ステータ通路２４６と、任意に、ステータ２３２内を任意の一次経路２４８に沿って延在し任意の一次経路ポート２８８からステータ面２４２に開口する出口一次ステータ通路２８６とを含んでもよい。幾つかの実施例において、一次経路２４８は、入口ステータ通路２４６と流体連通しているとき、シャトル２８２内の第２分割出口流２８の望ましくない流通を防止するためにプラグで塞がれてもよい。
二次ステータ通路セット２９０は、入口及び出口２次ステータ通路２５２，２５８を含み、好ましくは、ステータ面２４２において一次ステータ通路セット２８４から軸周方向に離間している。排出通路セット２９２は、入口及び出口排出通路２６２，２６８を含んでもよく、ステータ面２４２において一次及び二次ステータ通路セット２８４，２９０のそれぞれから軸周方向に離間していてもよい。スイープ通路セット２９４は、入口及び出口スイープ通路２７２，２７８を含んでもよく、ステータ面２４２において一次ステータ通路セット２８４、二次ステータ通路セット２９０及び排出通路セット２９２のそれぞれから軸周方向に離間していてもよい。通路セット２８４，２９０，２９２，２９４のそれぞれの位置は、好ましくは、ステータ面２４２におけるステーションを画成してもよく、ここで、シャトル２８２は、あるステーションとの配列から次のステーションへのロータ２３４の回転を伴って移動してもよい。幾つかの実施例において、ロータ２３４は、ステータ面２４２内に通路セット２８４，２９０，２９２，２９４により画成されたステーションのそれぞれと順次軸方向配列するように、回転軸線２３６周りに３６０°回転可能である。
本発明の幾つかの実施例において、通路セット２８４，２９０，２９２，２９４のうち１つ以上の各流体通路は、流体接続されて、ステータ２３２内の各流体経路に沿い、第１レッグに沿って接触面２３８へ、そして接触面２３８からステータ２３２内を戻って流体経路の第２レッグに沿う連続的な流体チャネルを形成してもよい。所定の通路セットにおける流体通路のそのような流体接続によって、シャトル２８２の軸周方向位置に関係なく、ステータ面２４２がロータ面２４２にシールされたときに各流体経路に沿う連続的な流体流が許容される。シャトル２８２が、ステータ面２４２のステーション間にあるとき、ロータ面２４４は、接触面２３８において流体通路に対してブロックとして働く。例示的な実施例を図５に示し、ここで、一次バイパスチャネル２９８がステータ２３２内に配置されて、入口ステータ通路２４６を出口一次ステータ通路２８６に流体接続している。同様に二次バイパスチャネル３００がステータ２３２内に設けられて、入口及び出口２次ステータ通路２５２，２５８間に流体接続を形成している。排出バイパスチャネル３０２がステータ２３２内に設けられて、入口排出通路２６２と出口排出通路２６８との間に流体接続を形成してもよい。図示の実施例において、スイープ通路セット２９４のためのバイパスチャネルは設けられていない。しかしながら、スイープ通路セット２９４のために、スイープバイパスチャネル３０４を含めて入口及び出口スイープ通路２７２，２７８間のステータ２３２内に流体接続を確立してもよいことは考えられる。通路セット２８４，２９０，２９２，２９４のいずれか又は全ての流体通路のいずれか又は全てが、例えば各バイパスチャネル２９８〜３０４でステータ２３２内に流体接続を有していてもよいし、有していなくてもよいことは理解されたい。バイパスチャネル２９８〜３０４の目的は、上述のように、ステータ２３２内に流体通路間の流体接続を確立することである。バイパスチャネル２９８〜３０４が、各流体通路間及び各流体経路間のバイパス流体流を適切に可能とする任意の適切な大きさ又は構成を有してよいことは考えられる。バイパスチャネル２９８〜３０４は、例えば、流体通路の各ポート間に延在するステータ面２４２内の溝であってよい。そのような実施例において、バイパスチャネルは、接触面２３８に開口してロータ面２４４によって囲まれていてもよい。他の実施例において、バイパスチャネル２９８〜３０４のうち１つ以上は、ステータ２３２内部に完全に囲まれていてもよい。図５にチャネル幅「Ｗ」が様々な程度で示されているが、ステータ面２４２における各ポートに対する代表的な幅の例である。
シャトル２８２は、ロータ面２４４の凹部の形態であってもよく、また、等しい又は等しくない容積を有してもよい。シャトル２８２内部に規定される容積の例は、シャトル２８２の形状を、液体アリコートを効果的に受容・排出し、ステータ２３２の対応する流体通路セット２８４，２９０，２９２，２９４と配列するように各ステーションに位置付けたときに所望の流体流特性を確立・維持するのに適切なものとしたときに、１０〜１，０００ナノリットルであってよい。シャトル２８２のうち１つ以上をロータ面２４４に設けてもよいことは考えられる。１つ以上のシャトル２８２は、ロータ２３４の回転軸線２３６周りの回転により、ロータ２３４とともに複数の軸周方向に離間されたステーションへと移動可能である。第１ステーションは、第１ステータポート２５０において出口流路２９と流体連通するようにシャトル２８２を配列する。ロータ２３０を回転軸線２３６周りに所定の程度回転させると、シャトル２８２を第２ステーションに移動して、シャトル２８２を第２及び第３ステータポート２５６，２６０において二次路と流体連通するように配列する。ロータ２３４を更に回転させると、シャトル２８２を第３ステーションに移動して、シャトル２８２を第４及び第５ステータポート２６６，２７０において排出路２６４と流体連通するように配列する。幾つかの実施例において、ロータ２６４を更に回転させると、シャトル２８２を第４ステーションに移動して、シャトル２８２を第６及び第７ステータポート２７６，２８０においてスイープ路２７４と流体連通するように配列する。幾つかの実施例において、上述のステーションのそれぞれは、周りに９０°の回転により分離されて、ロータ２３４を回転軸線２３６周りに３６０°回転させると、シャトル２８２を軸周方向に離間されたステーションにおいて各通路セット２８４，２９０，２９２，２９４と連続的に配列しながら周回させるようになっている。周回は、回転軸線２３６周りの連続的な回転により繰り返し可能である。ロータ面２４４にただ１つのシャトル２８２でも流量計量デバイス２３０の必要な機能を満たすことはできるが、第２分割出口流２８の所望の流量は、単一のシャトル２８２が指定のステーションのそれぞれに移行するための十分な時間が存在しない場合がある。例として１秒当たり１つの液体アリコートを第２分割出口流２８から取り出す状況では、単一のシャトル２８２では、合計１秒で各ステーション内を移動させ、各ステーションで適切な流体を交換するのに十分な時間停止させる必要がある。ここで固有の制約によって、単一のシャトル２８２のみでは、第２分割出口流２８からの一秒当たりの一サンプルの流路の不連続部に亘る移送が許容されない。しかしながら、追加のシャトル２８２を設けることで、ロータ２３２の回転速度を大幅に低下させることができる。１秒当たり１つの試料を引き抜く間隔をもつ同じ例において、軸周方向に等間隔に離間された４つのシャトル２８２を有するロータ面２４４では、４秒当たり１回転する回転速度（１５ｒｐｍ）で、所望のサンプリング速度を実現できる。ロータ２３４の回転速度を大幅に遅くすることによって、移送サイクルにおける各個別のシャトルステーションでの一時停止時間を長くすることが可能となる。
幾つかの実施例において、第２次元インジェクションバルブ３２は、当該技術分野において既知のマルチポート・マルチ試料ループバルブである。当該技術分野において既知の１０ポートバルブの例を、第１及び第２バルブの位置にある第２次元インジェクションバルブ３２を表す図７Ａ及び７Ｂに示す。特に、図７Ａは、第１バルブ位置３５ａにある第２次元インジェクションバルブ３２を示し、ここで、第２分割出口流２８からの液体は、出口流路２９に沿って流れ、入口ポート（１）で受容される。この実施例において、第２次元インジェクションバルブ３２は、２本の個別の流路を設定して、ダブルループインジェクタとして使用されてもよい。第１試料ループ３６ａは、第１試料ループポート（１０，７）間に延在する流れチャネルを備え、ここで、液体が入口ポート（１）から送達され、余剰分は出口ポート（６）から流出する。第１バルブ位置３５ａにおいて、第１試料ループ３６ａは、入口ポート（１）及び出口ポート（６）に流体連結され、第２試料ループ３６ｂは、ポート（２，５）を接続し、第２次元ポンプ３９により注入ポート（４）からポンプ入口ポート（９）を介して第２次元カラム３４へ駆動され、ポート（８，３）を含む注入経路に流体連結している。その結果、第１試料ループ３６ａは第２分割出口流２８で充填されてもよく、第２試料ループ３６ｂ内部の試料が第２次元カラム３４において分析される。
図７Ｂに、第２位置３５ｂにある第２次元バルブ３２を示し、ここで、第２試料ループ３６ｂは充填されてもよく、第１試料ループ３６ａ内部の試料が第２次元カラム３４において分析される。この場合、第２分割出口流は、流量計量デバイス３０により制御された流量で入口ポート（１）において受容されて、ポート（２，５）において第２試料ループ３６ｂを流通し、出口ポート（６）において第２次元インジェクションバルブ３２から流出するようにしてもよい。第１試料ループ３６ａの注入は、第２次元ポンプ３９により駆動され、ポート（９，１０，７，８，３，４）を順次流通する。第２分割出口流２８の流れは、第１又は第２試料ループ３６ａ，３６ｂに交互に向けられてもよい。第２分割出口流２８の制御された流量は、充填される試料ループの容積が、分析及び第２次元分析の平衡化の時間全体で消費されるのに適切な容積を表すようになっていてもよい。第１及び第２試料ループ３６ａ，３６ｂは、交互に充填されて第２次元カラム３４に注入されてもよい。この技術の利点は、各試料ループ３６ａ，３６ｂが、分析の時間全体で、第２次元の移動相により完全に洗浄されて、キャリーオーバーを排除できることである。上述のように、第２試料ループ３６ｂが第２分割出口流２８と流体連通しているときに、第１試料ループ３６ａは第２分離カラム３４と流体連通する。
幾つかの実施例において、第１及び第２試料ループ３６ａ，３６ｂのそれぞれは、第２次元カラム３４に送達可能な所望の試料容積以上の各第１及び第２試料ループ容積を規定する。流量計量デバイス３０により規定される許容される流量は、第２次元カラム３４の必要な分析時間によって分割されるような試料容積と略等しい。特に、制御された流量は、第２次元カラム３４の分析時間及び平衡化時間の合計である指定された期間内に、第２分割出口流２８が第１及び第２試料ループ容積の対応する一方を充填するのを可能とするのに十分である。そのような計算された第２分割出口流２８の流量によって、フロースプリッタ２４を流通する全ての移動相の代表試料が第２次元カラム３４に送達されるのを確実にする。
以下に、第２次元カラム３４において移動相の完全なクロマトグラフィ分析を確実にするのに適切な第２分割出口流２８の流量を確立するための計量コントローラ７４のための制御方式例の関係を記載する。
Ｆｃ≦ＶＬ／（Ｔ２ａ＋Ｔ２ｅ）
（式中、
Ｆｃ＝第２分割出口流２８の制御された流量
ＶＬ＝試料ループの容積
Ｔ２ａ＝第２次元カラム３４の分析時間
Ｔ２ｅ＝第２次元カラム３４の平衡化時間
である）。
Ｆｃ≦ＶＬ／（Ｔ２ａ＋Ｔ２ｅ）
（式中、
Ｆｃ＝第２分割出口流２８の制御された流量
ＶＬ＝試料ループの容積
Ｔ２ａ＝第２次元カラム３４の分析時間
Ｔ２ｅ＝第２次元カラム３４の平衡化時間
である）。
第２次元の「平衡化時間」とは、逆相溶媒の第２次元カラムを「洗い流す」のに必要な時間のことである。例えば、ある「ＨＰＬＣ」分析は、まずカラムに水系相を通過させ、その後、有機相を流し、試料を水系／有機相の一方又は両方に適宜注入する。試料は、交互に連続する水系／有機相を介して、クロマトグラフィカラム内で溶出する。クロマトグラフィカラムでの試料の溶出が終了したら、その後の試料分析において、最初の移動相とは逆の水系／有機相の残りをカラムから「除去」することが望ましい。従って、まず水系相で、その後有機相で試料を試験する例において、そのような有機相を、好ましくは、その後の試料シークエンスを開始する前に、ブランクの（純粋な）水系相（水等）でカラムから「洗い流す」。この「洗い流す」時間が、上記の関係式で利用する「平衡化時間」である。
本発明を、新規の原理を適用し必要に応じて本発明の実施例を構築・使用するために必要な情報を当業者に提供し、且つ特許制定法を遵守するために、極めて詳細に説明してきた。しかしながら、本発明自体の範囲から逸脱することなく、様々な変形例を実現できることは理解されたい。
Claims (14)
- 液体移動相を、第１次元流出流量を有する第１次元流出流に分離するための第１分離機構を含む第１次元分析システムと、
前記第１次元流出流を、第１分割出口流と、第１圧力を有する第２分割出口流とに分離するためのフロースプリッタと、
前記第２分割出口流を第２次元流出流に分離するための第２分離機構と、前記第２分割出口流からの試料を前記第２分離機構に向けるインジェクションバルブとを含み、前記インジェクションバルブが、前記第２分割出口流を受容する入口ポートと、出口ポートと、前記第２分割出口流又は前記第２分離機構と流体連通するように交互に位置付け可能な流れチャネルを備える第１及び第２個別試料ループとを有する、第２次元分析システムと、
出口流路に沿うバルブを備える流量計量デバイスであって、
前記バルブは、
（ｉ）ステータ面と、ステータ内を前記出口流路に沿って延在し、第１ステータポートから前記ステータ面に開口する第１入口ステータ通路と、前記ステータ内を前記出口流路に沿って延在し、前記第１ステータポートから離間した第２ステータポートから前記ステータ面に開口する第１排出通路とを有するステータと、前記ステータ内を排出路に沿って延在し、第３ステータポートから前記ステータ面に開口する第２排出通路と、
（ｉｉ）接触面において前記ステータ面と流体密封接触したロータ面を有し、前記ロータ面が、前記接触面と流体連通して液体アリコートを受容するように構成されたシャトルを含む、ロータであって、前記シャトルを、前記第１ステータポートにおいて前記出口流路と流体連通するように前記シャトルを配列する第１ステーション、及び、前記第２ステータポートにおいて前記出口流路と流体連通するように前記シャトルを配列する第２ステーションを含む、軸周方向に離間された複数のステーション内へ順次移動するロータと
を含み、前記第２及び第３ステータポートが、少なくとも前記シャトルが前記第２ステーションに位置付けられているときに、互いに流体連通する、流量計量デバイスと、
前記インジェクションバルブの前記出口ポートから前記第２分割出口流を受容する流量計量デバイスであって、指定された時間内において前記出口流路に沿って前記流量計量デバイス内を許容された容積の前記第２分割出口流によって決まる所定の第２分割出口流量で前記フロースプリッタから前記第２分割出口流を許容するように所望の時間間隔で前記出口流路を開閉するように前記バルブを制御するようにプログラムされた計量コントローラと
を備える多次元液体分析システム。 - 前記第１排出通路を介して前記シャトルから前記液体アリコートを排出する排出手段を含む、請求項１に記載の多次元液体分析システム。
- 前記第１及び第２試料ループがそれぞれ、分析のために前記第２分離機構により必要とされる前記第２分割出口流の注入容積以上の対応する第１及び第２試料ループ容積を規定する、請求項１に記載の多次元液体分析システム。
- 前記第１圧力が、少なくとも１キロパスカルである、請求項１に記載の多次元液体分析システム。
- 前記第１圧力が、１〜１０，０００キロパスカルの間である、請求項４に記載の多次元液体分析システム。
- 第２試料流れチャネルが前記第２分割出口流と流体連通しているとき、第１試料流れチャネルが前記第２分離機構と流体連通する、請求項１に記載の多次元液体分析システム。
- 前記フロースプリッタからの第１分割出口流量が、前記第１次元流出流量と前記第２分割出口流の流量との差として規定される、請求項１に記載の多次元液体分析システム。
- 液体試料を分析する方法であって、
（ａ）前記液体試料を、第１ポンプで、前記液体試料の化学成分を同定するための第１クロマトグラフィカラムを有する第１次元分析システムであって、第１次元流出流量で第１次元液体流出流を生じさせる第１次元分析システムに圧送することと、
（ｂ）前記第１次元液体流出流を、第１分割出口流と、少なくとも１キロパスカルの第１圧力を有し、前記第１ポンプにより動かされる第２分割出口流とに分離することと、
（ｃ）所望の時間間隔で前記第２分割出口流に沿う出口流路を選択的に開閉しそれにより、第２分割出口流量を制御するように、コントローラから流量計量デバイスへの出力信号によって、前記コントローラにより前記流量計量デバイスを制御することと、
（ｄ）前記第２分割出口流を、前記液体試料の化学成分を同定するための第２クロマトグラフィカラムを有する第２次元分析システムであって、前記第２分割出口流を受容する入口ポートと、出口ポートと、前記第２分割出口流又は前記第２クロマトグラフィカラムと流体連通するように交互に位置付け可能な流れチャネルを備えそれぞれが対応する第１及び第２試料ループ容積を規定する第１及び第２個別試料ループとを有するインジェクションバルブを含む第２次元分析システムを通るように向けることと
を含む方法であって、
前記第２分割出口流量が、前記第２クロマトグラフィカラムの分析時間及び平衡化時間の合計である指定された時間内に、前記第２分割出口流が前記第１及び第２試料ループ容積の対応する一方を充填するのを許容されるのに十分である、方法。 - 前記流量計量デバイスが、液体アリコートを受容するように構成されたシャトルを有するロータを含み、前記ロータが、前記シャトルを、前記出口流路に沿う前記第２分割出口流から前記液体アリコートを受容するように前記シャトルを配列する第１ステーション、及び、前記出口流路に沿う前記第２分割出口流に前記液体アリコートを排出するように前記シャトルを配列する第２ステーションを含む離間された複数のステーションへ、対応して移動させるように移動可能である、請求項８に記載の方法。
- 前記第２分割出口流が、前記シャトルによって、前記流量計量デバイスで不連続的に接続される、請求項９に記載の方法。
- 前記出口流路が、前記シャトルを前記第１ステーションに位置付けることによって開かれる、請求項９に記載の方法。
- 前記インジェクションバルブの前記出口ポートからの前記第２分割出口流を、前記流量計量デバイスに向けることを含む、請求項９に記載の方法。
- 前記液体アリコートをガスで移動させることによって、前記液体アリコートを前記シャトルから排出することを含む、請求項９に記載の方法。
- 印加された真空圧で、前記液体アリコートを前記シャトルから移動させることを含む、請求項９に記載の方法。
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