JP6594886B2 - マルチカラム分離装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、混合物成分の分析を容易にする、物質の混合物の分離に関する。より詳細には、本発明は、物質の混合物のクロマトグラフィ分離、最も具体的には放射性成分を含む混合物の分離に関する。

原子力産業では、原子炉、製造施設、再処理工場、及び廃棄物貯蔵施設から得られる物質試料の分離及び分析が常に必要とされている。典型的には、このような物質は放射能含有量の観点から危険であり、構成材料の正確な同定及び相対量の正確な特定のために、かかる材料を分析規模で分離するより信頼性の高い効率的な方法が常に求められている。

原子炉オペレータ、燃料製造施設、再処理工場、及び廃棄物貯蔵施設を運営する英国各地の研究所によって毎年処理される放射化学試料の数は推定４万３千個、費用総額は約４千万ポンド（約５５億円）にもなることから、自然及び上記のような放射性物質の構成の理解が必要であることが分かる。この数字は、欧米全域の１００超の施設で行われている同様の試験も考慮に入れると５倍に跳ね上がる。実際には、原子力産業の放射性試料向け分析試験の標準フルスイートは、典型的には約１，０００ポンド（約１４万円）のコストがかかると推定される。したがって、この需要を満足するために、新規且つより効率的な手順の開発が必要とされていることは明らかである。

最も具体的には、現行の技術では、典型的には試料を抽出した後、かかる試料を処理可能な指定の試験施設に輸送する必要がある場合が該当する。上記の物質は、その危険性から物流上の大きな問題となっていることは明らかである。したがって、本発明の一目的は、ラボ環境を試料に効果的にもたらすことを可能にし、それによってより簡便で安価且つ迅速なｉｎ−ｓｉｔｕ分析を実現し、その結果、試料の抽出及び輸送を不要にすること、場合によっては活性レベルの高さ又はアクセス不能性の程度により従来不可能であった試料分析も容易に行うことを可能にする装置及び方法を提供することである。

一般に、ラボ環境の試料分析に利用される分離技術は、カラムクロマトグラフィー、気−液クロマトグラフィ、イオン交換クロマトグラフィ、逆相クロマトグラフィ、サイズ排除クロマトグラフィ等の技術を用いたクロマトグラフィ分離に基づく。このような技術の多くは文献でも盛んに論じられており、分析化学分野の当業者にはよく知られている。

近年、分析者が利用可能なクロマトグラフィ法は高度化及び自動化が進められている。したがって、例えばクロマトグラフィ装置は、混合物の各種成分の分離を可能にする複数のカラムを含み得る。特許文献１には、キャリア流体から試料流体を分離し、試料の分析を行う装置が開示されている。この装置は、ユニットの迅速な修繕を可能にするとともにカートリッジの構成部品の操作も大幅に簡略化するクロマトグラフィーカートリッジを備えたモジュラユニットとして構成される。カートリッジは、キャリアから試料を分離するための分離カラムで構成され、更に、カラムを出る流体の特徴的な特性を検出する検出器も含む。カートリッジは、流体の流れがカートリッジと流体の流量を調整するリストリクタとを通るように導くバルブアセンブリも含むことが好ましい。カートリッジの構成部品は、カートリッジを流体源に取り付ける手段を有するマニホールド上に構成される。

特許文献２は、試料調製ステーションを有するハウジングと、ハウジング内の試料分析ステーションとを含む試料調製分析システムを教示する。分析ステーションは、調製ステーションから離間され、輸送アセンブリは、ハウジングの内部並びに調製ステーションと分析局の間で、少なくとも１つの試料を移動させるように構成される。

特許文献３は、本技術分野の大部分の従来技術文献と同様、生物学的応用に関するものであり、モノクローナル抗体、タンパク質治療薬、ワクチン等のバイオ医薬品及び生物学的製品を精製するための連続処理技術の開発に関するものである。フィード流中の生物学的製品を連続処理して精製バルク製品を調製する方法と、介在弁モジュールを介して直列接続された複数のクロマトグラフィカラムを含むシステムとが記載されている。

特許文献４は、液体クロマトグラフィーシステムに溶剤又は試薬を供給するシステムに関するものであり、このシステムは、共通ポート及び複数の他のポートを備える弁であって、該共通ポートが該他のポートのいずれか１つと流体連結可能なように構成可能である、弁と、前記弁の前記共通ポートと流体連結されたポンプと、前記弁の前記他のポートのうちの第１のポートを通る流れを遮断するように構成されたプラグと、前記溶剤又は試薬を含む容器であって、前記弁の前記他のポートのうちの第２のポートと流体連結された容器と、流体流に対して既知の抵抗を有し、前記弁の前記他のポートのうちの第３のポートに流体結合された流体配管ラインと、前記ポンプ内の流体圧力を測定するように構成された圧力計とを備え、前記溶剤又は試薬は、前記他のポートのうちの第４のポートによって前記液体クロマトグラフィーシステムに供給されることを特徴とする。

特許文献５は、ハウジングと、前記ハウジングを少なくとも部分的に貫通する少なくとも第１及び第２のクロマトグラフィカラムとを備えるクロマトグラフィ分離用カートリッジであり、各クロマトグラフィカラムは、クロマトグラフィをクロマトグラフィーシステムの外部配管に接続するように動作可能な第１及び第２の端部金具を備える、クロマトグラフィ分離用カートリッジに関する。各カラムの各端部にはハウジングの外側に突出する接続金具が設けられ、これらの接続金具はクロマトグラフィ配管系統及び／又は質量分析計検出器への流体接続を可能にする。このカートリッジは、ヒータと、温度センサと、流体の流量又はｐＨをモニタリングするオプションのセンサとを備えることができ、バーコードやＲＦＩＤモジュール等の受動識別機能は、外部ソフトウェアに対してカートリッジ及びそれに関連するクロマトグラフィ法を識別することができる。さらに、オンボードメモリモジュール及びコントローラチップを使用して、モジュール履歴情報を含めたコンピュータ読み取り可能なモジュール情報を能動的に記録することもでき、当該情報はＵＳＢポート等の標準インターフェースを介して転送可能である。

特許文献６には、１つ又は複数のクロマトグラフィ分離カラム及び／又は供給配管又は抽出配管に接続するための複数のコネクタを有するマニホールドを備えたクロマトグラフィ分離装置が記載されている。それぞれ入口及び出口を形成する少なくとも２つのコネクタ間で少なくとも１つの中央ダクトが形成され、該中央ダクトは、閉鎖可能なダクト弁と、該中央ダクトから分岐コネクタに分岐する複数の分岐ダクトとを備える。この分岐ダクトは閉鎖可能な分岐弁を備え、前記入口と前記中央ダクト弁との間に少なくとも１つの分岐ダクトが配置され、前記出口と前記中央ダクト弁との間に少なくとも１つの分岐ダクトが配置される。この装置は、シングルカラムクロマトグラフィー分離及び（連続式）マルチカラムクロマトグラフィー分離を実行し、それにより各弁の洗浄手順の開発、実証、及び検証を行う必要なしにバイオ医薬品を精製することを可能にするように構成される。

米国特許第５３４０５４３号明細書 国際公開第２０１２／０５８５５９号 米国出願公開第２０１３／２６０４１９号明細書 国際公開第２０１２／０５８５１６号 米国特許出願第２０１３／２０６６５３号明細書 米国特許出願第２００９／２１８２８６号明細書

一方、本発明者らは、核技術分野での応用に着目し、原子炉、燃料製造施設、再処理工場、及び廃棄物貯蔵施設で発生する放射性物質の安全且つ効率的な分離を容易にするシステム及び方法を提供することを企図する。具体的には、本発明は、単純で効率的且つ安価な放射性物質のｉｎ−ｓｉｔｕ分離及び試験を可能にし、それにより試料輸送要件の緩和及び処理コストの大幅な削減を実現するクロマトグラフィ分離システムを提供することを目的とする。放射性試料の分離及び分析のための典型的な従来技術のシステムでは、指定されたラボに試料を輸送する必要があり、ラボでは試料から特定の物質を分離するために時間のかかる別々の分離手順が実行される。その後、様々な技術を用いて試料の分析が行われ、試料に含まれる正確な成分及び各成分の相対量が特定される。こうした努力はいずれも実施期間として典型的には数日を要し、その分コストも高くなる。

一方、本発明は、基本的にマイクロ流体技術の原理を使用するものであり、各種抽出分離技術を組み合わせてα線、β線、及びγ線放出種の分離を可能にし、その後かかる種の分光分析を行うことを可能にすることにより、従来に比べて必要な情報がはるかに高速且つ安価に得られるルートをもたらす単一のユニットを提供する。本システムは、従来のラボ内の試料配置ポイントに配備可能であり、そのため試料の輸送に伴うコストの問題及び安全性／環境／汚染の問題を解消することができる。本システムは、核燃料サイクル全体にわたって普遍的な適用性を有する、試料のα線、β線、及びγ線分光分析をｉｎ−ｓｉｔｕで実行可能なオンライン監視システムを提供することから、燃料製造、原子炉運転、再処理、廃棄物貯蔵等の応用例における核燃料サイクル全体の重要情報の提供に利用することも可能である。したがって、本システムは、例えば燃料製造施設におけるオンライン品質管理、原子炉サイト上の冷却サイクル物質のオンライン分析、再処理施設内における可能な制御フィードバックによる物質のオンライン分析、並びに、処分方針を決定するための廃棄物のｉｎ−ｓｉｔｕキャラクタリゼーション及び中長期の廃棄物貯蔵に関連するキャラクタリゼーション要件と関連付けて使用することも可能である。

本発明の第１の態様によれば、物質試料の構成成分を分離する装置であり、カートリッジを備え、該カートリッジは、互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムに複数の制御弁を介して流体接続される、少なくとも１つの試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと；複数の出口ポートであって、それぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える複数の出口ポートとを備え、前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にする装置が提供される。

前記出口弁は、典型的には前記出口ポートの上流端に位置する。

本発明の諸実施形態において、カートリッジを備える前記装置は、複数の異なる層を備え、典型的には少なくとも第１の層及び第２の層を備える。

本発明のいくつかの実施形態は、カートリッジを備える装置であり、該カートリッジは、
（ａ）第１の層であって、
（ｉ）試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと、
（ｉｉ）互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムと
を備え、前記（ｉ）は前記（ｉｉ）に複数の制御弁を介して流体接続される、第１の層と；
（ｂ）第２の層であって、複数の出口ポートを備え、該複数の出口ポートはそれぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える又は該出口弁と連動する、第２の層と
を備え、
前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にする装置を提供する。

本発明のいくつかの実施形態では、前記第１の層は上部層を備え、前記第２の層は下部層を備える。

前記カートリッジは、典型的には前記システムと共に使用される様々な試料及び試薬に対する耐化学薬品性を有するプラスチック材料から形成される。ここで、特に好適な材料はポリカーボネート樹脂であることが分かった。

典型的なカートリッジ寸法は、前記カートリッジが設置される具体的な応用例に応じて決定され、前記カートリッジは、具体的な応用例に適する任意のサイズとすることができる。ただし、典型的な寸法は、長さ約５０〜５００ｍｍ、幅約２５〜３５０ｍｍ、深さ約２〜４０ｍｍである。本発明の諸実施形態において、前記寸法は、長さ約７５〜３００ｍｍ、幅約５０〜２５０ｍｍ、深さ約５〜３０ｍｍである。本発明の他の実施形態において、前記寸法は、長さ約１００〜２００ｍｍ、幅約７５〜２００ｍｍ、深さ約１０〜２０ｍｍである。いくつかの具体的な応用例において、好適な寸法は、長さ約１４０ｍｍ、幅約１００ｍｍ、深さ約１５ｍｍであることが分かった。

前記クロマトグラフィカラムは、該カラムを通る所望の経路長さに応じて線形とすることも非線形とすることもできる。経路長さは、前記カラムに一連のＵベンドを組み込むことにより延長可能である。前記カラムは、典型的には０．１〜５０ｍＬ、より典型的には２〜２５ｍＬ、最も典型的には５〜１５ｍＬの体積を有する毛管路である。非線形性の程度及びカラム内のベンド数を使用して体積を制御することができる。

前記クロマトグラフィカラムは、物質試料をそれ自体の構成成分に分離することを可能にするために選択されるクロマトグラフィ活性樹脂を含む。前記樹脂は、当業者によく知られる標準的なスラリー充填手順を使用して前記カラムに導入され、前記カートリッジの前記第１の上部層に設けられた少なくとも１つの樹脂入口ポートを介して前記カートリッジに入る。充填密度は、製造時に流速、濁度、及び充填背圧（packing back pressure）を監視／制御することにより制御される。

前記カートリッジは、前記クロマトグラフィ樹脂の導入及び除去を簡便に行えるように適合される。したがって、前記樹脂入口ポートは、前記カートリッジの使用後に手動で又は機械化された方法を利用して前記カートリッジから取り外し可能なように着脱可能に取り付けられる。このように、流体の入口ポート及び出口ポートを利用することにより、液体を使用して汚染された樹脂を容易に洗い流すことが可能となり、その結果、液体の保管及び／又は処分を前記カートリッジのリモートから行うことが可能となる。

各クロマトグラフィカラムは、前記カラムから前記樹脂材料が漏出するのを防止する手段を含む。前記手段は、例えば不活性材料のプラグを含んでもよい。ただし、前記手段は、最も好都合には好適な不活性材料のフリット（frit）から形成可能である。かかるフリットの具体例は、多孔性ポリカーボネートフリット及び多孔性ＰＴＦＥフリットである。

前記カートリッジの上面側には様々な入口ポートが設けられる。典型的には、単一の試料入口ポートが設けられる。本発明の諸実施形態において、前記入口ポートは、前記カートリッジに流体試料を送達する手段を備える。好適な流体送達システムは、例えば圧力フィッティングを含む流体結合部（fluidic coupling）を備えてもよく、前記圧力フィッティングは、例えば先端を前記カートリッジの入口に力の作用下で保持し、流体試料が前記カートリッジに圧送されるようにすることが可能な、計量器付きサンプラを備えたピペッティング手段を介して、前記試料を前記カートリッジに提示（presentation）することを容易にするように適合される。本発明のいくつかの実施形態において、前記ピペッティング手段／サンプラは、使い捨てピペットヘッドを備え、前記使い捨てピペットヘッドは、汚染の可能性をなくすために、試料を変更するたびに交換される。本発明の諸代替実施形態において、前記ピペッティング手段／サンプラは、使い捨てシリンジを備えてもよい。

前記カートリッジは、複数の試薬及びパージ入口ポートを有する。本発明の典型的な諸実施形態において、前記複数の試薬及びパージ入口ポートは、圧力フィッティングを含む流体結合部を備える。ポートの数は、典型的には前記カートリッジの所期の具体的な応用例に応じて決定されるが、典型的には２〜４０、より典型的には２〜２０、最も典型的には２〜１２であってよい。

任意選択で、前記カートリッジの上面は、前記カートリッジの前記入口ポートに続くポートが組み込まれたマニホールドで覆われてもよい。

前記クロマトグラフィカラムは、複数の制御弁によって互いに直列に接続され、前記カラムを通過する流体の流れは、前記制御弁によって制御される。したがって、前記制御弁は、前記入口ポートを、流体チャネルを介して前記クロマトグラフィカラムに結合し、前記クロマトグラフィカラムを相互接続して、前記試料が各カラムを通過することを可能にし、前記各カラムを切り離して、様々な試薬を使用したカラムの個別処理を可能にするように適合される。本発明のいくつかの実施形態において、前記制御弁は、可鍛性を有する又は変形可能なメンブレンを備えることが可能な組み込み式メンブレン弁を備えてもよい。かかる弁の例はバイトン（Viton）弁である。

好都合には、前記出口ポートは、前記カートリッジの下面側に複数設けることができる。ポートの数は、典型的には前記カートリッジの所期の具体的な応用例に応じて決定されるが、典型的には２〜２０であってよい。前述のとおり、前記出口ポートは、前記出口ポートを通過する流体の流れを制御する用に適合された出口弁を備える。本発明のいくつかの実施形態において、前記出口弁はメンブレン弁を備えてもよく、前記メンブレン弁は、例えばメンブレンを収容するメンブレンチャンバを備えてもよい。前記出口弁は、典型的には前記出口ポートの上流端に位置する。

典型的には、前記カートリッジから出る流体は、好適な回収リザーバにおいて回収される。前記回収リザーバは、固定式リザーバであっても可動式リザーバであってもよい。本発明の他の実施形態において、前記出口ポートは、他のクロマトグラフィカラム又は下流の機器に流入する流体の流れを制御することができる。

本発明の諸実施形態において、前記出口ポート内の前記出口弁はメンブレン弁を備え、前記出口ポートにおけるメンブレンと協働して流体の流れが前記出口ポートを通過することを可能にするアクチュエータを設けることができる。前記アクチュエータは、典型的には機械的手段、電気機械的手段、若しくは電磁気的手段によって操作され、又は圧縮空気を利用して操作される。本発明のいくつかの実施形態において、前記アクチュエータ、例えば機械アクチュエータは、回収リザーバに収容してもよい。本発明のいくつかの実施形態において、アクチュエータは、前記メンブレンと係合するロッド等の可動式部材を備えてもよい。

本発明の諸実施形態において、前記回収リザーバは、分離式回収ベッセルに収容可能である。本発明の諸代替実施形態において、前記回収リザーバは、複数の別々の隔室を含む回収ベッセルに収容される。前記回収ベッセルは、典型的には線形配置又は回転配置される。

本発明の諸実施形態において、本発明の前記カートリッジは、２〜４０本のクロマトグラフィカラムを任意に備えることができ、典型的には２〜２０本のカラム、より典型的には２〜１２本のカラムを備えることができる。本発明の最も典型的な実施形態において、前記カートリッジは、２、３、又は４本のカラムを含む。

本発明の第１の態様に係る装置は、個々のカートリッジの動作寿命を分単位で測定可能な、使い捨て式の単回使用システムである。このようにして、交差汚染が回避可能となるのでカートリッジの洗浄が不要となり、それによりシステムの効率性を更に改善することが可能となる。

本発明の第１の態様に係る装置を備えるカートリッジは、それ自体の機能性及び操作性を確保するために構造的一体性（structural integrity）を備える。一方、前記カートリッジは、典型的には使用後に機能時の体積よりも小さい体積に圧縮できるよう処分可能に適合される。典型的には、前記カートリッジの圧縮は、前記カラムから樹脂を除去した後に実行される。

本発明の典型的な諸実施形態において、前記カートリッジは、好適な分析システム並びに諸種の制御及び実験ソフトウェアと関連付けて使用可能なように適合される。分析システムの例としては、分光スペクトル分析及び分光測定分析を実行するように設計された分析機器、例えばシステムから得られた試料の赤外分光光度分析又は紫外／可視分光光度分析を実行する分光光度計が挙げられる。代替的な分析システムとしては、例えば誘導結合プラズマ質量分析計（inductively coupled plasma mass spectrometry：ＩＣＰ−ＭＳ）、又はアルファカウンタ、ベータカウンタ、若しくはガンマカウンタが挙げられる。

前記カートリッジに試料を導入し、前記装置に試薬及びパージ材料を追加し、その後前記装置から試料を回収する各処理を自動化するために、制御及び実験ソフトウェアを導入してもよい。好適なソフトウェアを使用してシステム全体の弁の動作を制御してもよい。好都合には、ソフトウェアを利用した前記カートリッジへの試薬の追加の自動化を可能にするために、上記で定義したカートリッジに試薬容器を接続してもよい。同様に、前記カートリッジに回収リザーバを接続することにより、前記カートリッジから出る流体の回収をシステムソフトウェアにより自動制御できるようにしてもよい。これらの目的に適したソフトウェアを導入することは当業者の日常業務の範囲であるだろう。

したがって、本発明の第２の態様によれば、物質試料の構成成分を分離するシステムであり、
（ａ）本発明の第１の態様に係るカートリッジと、
（ｂ）複数の試薬容器と、
（ｃ）複数の回収リザーバと、
（ｄ）試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う手段と、
（ｅ）前記カートリッジからの試料の回収を制御する手段と
を備えるシステムが提供される。

任意選択で、前記システムは、追加的に前記構成成分の分析も容易にし、少なくとも１つの分析設備を備える。前記少なくとも１つの分析設備は、少なくとも１つの分析機器、例えば分光光度計、分光計、誘導結合プラズマ質量分析計、又はアルファカウンタ、ベータカウンタ、若しくはガンマカウンタを備えてもよい。

試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う前記手段と、前記カートリッジからの試料の回収を制御する前記手段とは、好適にはソフトウェアを利用して制御される弁を備えてもよく、前記弁は任意選択でメンブレンを備えることができる。

特定の実施形態において、本発明のシステムは、試薬及びパージ流を前記システム内で圧送する手段を備える。典型的には、前記システムはシリンジポンプを含んでもよい。

本発明の諸実施形態は、流体の混合を実行する手段を組み込むことにより、試薬を前記クロマトグラフィカラムに投入する前に試薬の混合を促進するシステムも提供する。典型的には、かかる実施形態は、回転弁及び混合チャンバを含む。

典型的には、諸種の流体の圧送及び混合を実行する手段の制御は、好適なソフトウェアを利用して自動的に実行される。

より詳細には、試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う手段は、典型的には複数のポンプ及び弁、例えばシリンジポンプ、流れ選択弁（flow selection valve）、及び回転弁を備える。前記手段は、諸種の個々の試薬の混合を容易にし、複数の混合試薬を提供し、それらの試薬を前記カートリッジに移送することができる。したがって、例えば本発明の一実施形態では、５種の濃縮試薬を混合して１７種の異なる混合試薬を得ることができ、これらを前記カートリッジのカラム用の洗浄液及び溶離液として利用してもよい。混合は、典型的にはカラムに流体接続された混合チャンバにおいて実行される。

本発明の典型的な諸実施形態において、カートリッジ内の各カラムは、１つの混合チャンバ、１つの回転選択弁、１つのシリンジポンプ、及び１つの流れ選択弁と直列に流体接続され、試薬容器は、流れ選択弁に接続される。したがって、一実施形態では、１つのカラムが１つの混合チャンバに接続され、混合チャンバは、多方向回転選択弁を介して多方向流れ選択弁に接続され、多方向回転選択弁は、シリンジポンプにも接続される。したがって、動作において、前記シリンジポンプは、試薬容器から流れ選択弁及び回転選択弁を介して所望の試薬を吸い上げる。次いで、満液のシリンジの内容物は、回転選択弁を介して混合チャンバに、そこからカラムに排出される。回転選択弁は、任意選択で空気入口チャネル及び廃棄物出口チャネルを更に備え、これらのチャネルを利用して、空気及び／又は試薬容器からのイオン交換水により回転選択弁をフラッシュ洗浄することができる。使用後のイオン交換水は廃棄物として排出することができる。

本発明は特に、本発明の装置及びシステムを放射性物質試料の分離又は分離及び分析に適用することを想定している。より具体的には、本発明の装置及びシステムは、核燃料サイクル全体で生成される試料のｉｎ−ｓｉｔｕのアルファ、ベータ、及びガンマ分光分析の実施に応用例が見出される。

前記応用例において、本発明のカートリッジは、最も典型的には２、３、又は４本のクロマトグラフィカラムを含む。本発明のいくつかの実施形態において、前記カートリッジは、４本のクロマトグラフィカラムを含む。

本発明の特定の実施形態において、クロマトグラフィカラムはそれぞれ異なるクロマトグラフィ活性樹脂を含む。本発明の特定の実施形態において、前記樹脂は、具体的には放射性同位体等の放射性物質の分離に適用される。したがって、放射性物質試料の分離に適用する場合、好適なクロマトグラフィ活性樹脂としては、例えばイオン交換樹脂等の吸着樹脂又は化学的に活性な樹脂が挙げられ、具体例としては、アニオン交換樹脂、ＵＴＥＶＡ（登録商標）樹脂（不活性担体に担持されたジペンチルペンチルホスホネート）、ＴＲＵ樹脂（不活性担体に担持されたオクチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ジ−イソブチルカルバモイルホスフィンオキシド／トリ−ｎ−ブチルホスフェート）、及びＳｒ樹脂（不活性担体に担持された４，４’−（５’）−ジ−ｔ−ブチルシクロヘキサノ１８−クラウン−６（クラウンエーテル）／１−オクタノール）が挙げられる。

放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析に関する応用例において、前記複数の試薬容器は、典型的には４〜８個の入力試薬容器を含み、前記複数の回収リザーバは、好適には８〜１５個の出力回収リザーバを含む。本発明の特定の実施形態において、カートリッジは典型的には、単一の試料入口ポート、４本のカラム、４つの試薬入口ポート、及び４つの出口ポートを備える。本発明の他の特定の実施形態では、５つの試薬容器を含むシステムを提供することができる。本発明の他の特定の実施形態では、１１個の回収リザーバを含むシステムを提供することができる。

本発明の第３の態様によれば、物質試料の構成成分を分離する方法であり、
（ａ）前記試料を、本発明の第１の態様に係る装置に入口ポートを介して挿入するステップと、
（ｂ）前記装置を利用して前記試料を処理するステップと、
（ｃ）前記装置の出口ポートから流体を回収するステップと
を含む方法が提供される。

必要に応じて、前記試料は、前記装置に挿入される前に少なくとも一種の適切な溶媒中で温浸（digest）してもよい。

本発明は、前記方法が前記出口ポートから回収される流体を分析するステップを更に含む実施形態も想定している。したがって、物質試料の構成成分の分離及び分析を行う方法であり、本発明の第３の態様に係る方法の各ステップを実行するステップを含むとともに、
（ｄ）前記装置の前記出口ポートから回収される流体を分析するステップ
を更に含む方法も提供する。

本発明の諸実施形態において、物質試料の構成成分の分離及び分析を行う前記方法は、前記装置の前記出口ポートから回収される流体の分光光度分析、分光分析、誘導結合プラズマ質量分析（ＩＣＰ−ＭＳ）、又はアルファカウンティング分析、ベータカウンティング分析、若しくはガンマカウンティング分析を行うステップを含む。本発明の前記実施形態は、好都合には本発明の第２の態様に係るシステムを使用して実行することができる。

本発明の諸実施形態において、本発明の第３の態様に係る前記方法は、放射性物質試料の分離又は分離及び分析を含む。より具体的には、前記方法は、核燃料サイクル全体で生成される試料の分離及びアルファ、ベータ、及びガンマ分光分析を含む。

本発明の前記実施形態は、典型的には２、３、又は４本のクロマトグラフィカラムを含むカートリッジの使用を含む。本発明のいくつかの実施形態において、カートリッジは、４本のクロマトグラフィカラムを含む。

放射性物質試料の分離又は分離及び分析を実行する本発明の諸実施形態において、前記クロマトグラフィカラムは、任意選択でイオン交換樹脂等から選択されるクロマトグラフィ活性樹脂を含むことができ、具体例としては、アニオン交換樹脂、ＵＴＥＶＡ（登録商標）樹脂（不活性担体に担持されたジペンチルペンチルホスホネート）、ＴＲＵ樹脂（不活性担体に担持されたオクチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ジ−イソブチルカルバモイルホスフィンオキシド／トリ−ｎ−ブチルホスフェート）、及びＳｒ樹脂（不活性担体に担持された４，４’−（５’）−ジ−ｔ−ブチルシクロヘキサノ１８−クラウン−６（クラウンエーテル）／１−オクタノール）が挙げられる。

放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析に関する諸実施形態では、典型的には４〜８個の入力試薬容器及び８〜１５個の出力回収容器を備える装置を利用することができる。本発明の具体的な諸実施形態では、５つの試薬容器及び／又は１１個の回収リザーバを含むシステムを使用することができる。

放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析が実行される本発明の諸実施形態では、試料構成成分のクロマトグラフィ分離を実行するための好適な試薬には、硝酸や塩酸等の無機酸、シュウ酸等の有機酸、及びアンモニウム塩、最も具体的にはヨウ化アンモニウム等のハロゲン化アンモニウムを含む無機塩が含まれる。典型的には、他の試薬の濃度調整に利用可能な試薬としてイオン交換水も使用される。イオン交換水はパージ試薬としての用途もある。

放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析が実行される本発明の諸実施形態では、試料の分離により、トリウム、プルトニウム、ネプツニウム、テクネチウム、ウラン、アメリシウム／キュリウム、及びストロンチウムを含む構成成分が別々の出力流に含まれるようなる。

本発明の装置に含まれる個々のクロマトグラフィカラムはそれぞれ廃棄物流を生成する。したがって、２、３、又は４本の別々のクロマトグラフィカラムを含む装置が利用される本発明の特定の実施形態では、２、３、又は４つの追加的な廃棄物流が生成される。したがって、４本の別々のクロマトグラフィカラムが存在し、放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析が実行される本発明の諸実施形態では、４つの廃棄物流と、上述の分離された構成成分の７つの出力流とが生成され、結果として１１個の回収リザーバを設けることが必要となる。

諸実施形態において、本発明の方法は、物質試料の構成成分を分離する本発明に係る装置の使用後に、前記カラムから汚染された樹脂を除去するステップ、及び／又は前記装置を処分のために圧縮するステップを更に含む。前記圧縮するステップは、典型的には前記樹脂を除去するステップの後に実行される。

本発明の装置及び方法は、ラボ環境を試料に効果的にもたらすことにより、より簡便で安価且つ迅速なｉｎ−ｓｉｔｕ分析を実現し、試料の抽出及び輸送を不要にし、それによりコスト面、安全面、及び環境面の大きな利点をもたらすシステムを提供する。本発明の装置及び方法は、特に核燃料サイクル全体で生成される放射性試料の分離及び任意選択の更なる分析に具体的な応用例が見出される。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

本発明の方法を実行する本発明の装置が組み込まれた分離システムの外略図である。 本発明の方法を実行する本発明の装置が組み込まれた分離及び分析システムの外略図である。 メンブレン弁を有する出口ポートを備える本発明に係るカートリッジを、アクチュエータと共に示す展開図である。 メンブレン弁を有する出口ポートを備える本発明に係るカートリッジを、アクチュエータと共に示す折り畳み図である。 ２本のクロマトグラフィカラムが組み込まれた本発明に係るカートリッジの簡略平面図である。 ４本のクロマトグラフィカラムが組み込まれた本発明に係るカートリッジの簡略平面図である。 クロマトグラフィカラムに樹脂を充填する前の、本発明に係るカートリッジの上部層における開放状態の樹脂入口ポートの断面図である。 クロマトグラフィカラムに樹脂を充填した後の、本発明に係るカートリッジの上部層における閉鎖状態の樹脂入口ポートの断面図である。 本発明に係るカートリッジの上部層における試料入口ポートの断面図であり、該ポートにピペットが係合する前の状態を示す断面図である。 本発明に係るカートリッジの上部層における試料入口ポートの断面図であり、該ポートにピペットが係合した状態を示す断面図である。 典型的な回転回収ベッセルを、本発明に係るカートリッジの出口ポートの下方に位置する分離式回収リザーバと共に示す図である。 試料を容器から本発明に係るカートリッジに移送するピペッティング手段として使用可能なオートサンプラを示す図である。 試料待機試験に適した保管構成を示す図であり、使用前のオートサンプラピペットチップ及び使用後（廃棄用）のピペットチップが示されている。 試薬の混合と、発明に係るカートリッジのクロマトグラフィカラムへの試薬の圧送とを実行するのに使用可能な弁構成の外略図である。 本発明に係る装置と共に使用可能な複数の回収リザーバを備える回収ベッセルを示す図である。 図１３ａに示す回収ベッセル内の回収リザーバのレイアウトの外略図である。 本発明に係る方法に従って分離を実行する際にオペレータによって使用される典型的なプロトコルを示す図である。 本発明に係る装置を操作するユーザに表示される画面表示例を示す図である。

本発明は、物質試料の構成成分を分離する装置であり、カートリッジを備え、該カートリッジは、互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムに複数の制御弁を介して流体接続される、少なくとも１つの試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと；複数の出口ポートであって、それぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える複数の出口ポートとを備え、前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にする装置を提供する。

本発明の諸実施形態において、カートリッジを備える前記装置は、複数の異なる層を備え、典型的には少なくとも第１の層及び第２の層を備える。

本発明のいくつかの実施形態は、カートリッジを備える装置であり、該カートリッジは、
（ａ）第１の層であって、
（ｉ）試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと、
（ｉｉ）互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムと
を備え、前記（ｉ）は前記（ｉｉ）に複数の制御弁を介して流体接続される、第１の層と；
（ｂ）第２の層であって、複数の出口ポートを備え、該複数の出口ポートはそれぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える又は該出口弁と連動する、第２の層と
を備え、
前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にする装置を提供する。

本発明のいくつかの実施形態では、前記第１の層は上部層を備え、前記第２の層は下部層を備える。

本発明は、物質試料の構成成分を分離するシステムであり、
（ａ）上記で定義したカートリッジと、
（ｂ）複数の試薬容器と、
（ｃ）複数の回収リザーバと、
（ｄ）試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う手段と、
（ｅ）前記カートリッジからの試料の回収を制御する手段と
を備えるシステムも提供する。

任意選択で、前記装置は、追加的に前記構成成分の分析も容易にし、前記カートリッジは、分析システム並びに諸種の制御及び実験ソフトウェアと関連付けて使用可能なように適合される。好適な分析システムとしては、分光スペクトル分析及び分光測定分析を実行するように設計された分析機器、例えばシステムから得られた試料の赤外分光光度分析又は紫外／可視分光光度分析を実行する分光光度計、誘導結合プラズマ質量分析計、又はアルファカウンタ、ベータカウンタ、若しくはガンマカウンタが挙げられる。本発明のいくつかの実施形態において、前記分析システムは、少なくとも１つの分光光度計又は分光計を備える。

さらに、本発明は、物質試料の構成成分を分離する方法であり、
（ａ）前記試料を、本発明の第１の態様に係る装置に入口ポートを介して挿入するステップと、
（ｂ）前記装置を利用して前記試料を処理するステップと、
（ｃ）前記装置の出口ポートから流体を回収するステップと
を含む方法を提供する。

本発明の諸実施形態において、前記方法は更に、前記出口ポートから回収される前記流体の分析も想定しており、したがって、物質試料の構成成分の分離及び分析を行う方法であり、上記で定義した本発明に係る方法の各ステップを実行するステップを含むとともに、
（ｄ）前記装置の前記出口ポートから回収される流体を分析するステップ
を更に含む方法も提供する。

本発明は特に、本発明の装置及びシステムを放射性物質試料の分離又は分離及び分析に適用することを想定している。より具体的には、本発明の装置及びシステムは、核燃料サイクルにわたって生成される試料のｉｎ−ｓｉｔｕのアルファ、ベータ、及びガンマ分光分析の実施に用途が見出される。

本発明の諸実施形態において、物質試料の構成成分の分離及び分析を行う前記方法は、前記装置の前記出口ポートから回収される流体の分光光度分析、分光分析、誘導結合プラズマ質量分析、又はアルファカウンティング分析、ベータカウンティング分析、若しくはガンマカウンティング分析を行うステップを含む。本発明のこれらの実施形態は、好都合には本発明の第２の態様に係るシステムを使用して実行することができる。

ここで図１を参照すると、本発明の装置が組み込まれた分離システムの概略図が示されている。カラム１は、入口２と、出口３とを有する。試料４が１本目のカラムに入力され、濃縮試薬５が提供され、濃縮試薬５の混合及び入口２からの圧送６が行われる。クロマトグラフィ分離後、出口３を介して廃棄物及び試料の回収７が行われる。

次に図２を参照すると、本発明の装置が組み込まれた分離及び分析システムの概略図が示されている。カートリッジ８は、装置のプラテン９上に挿入可能であり、マニホールド１０によって覆うことができる。このアセンブリは、廃棄物及び試料回収部１１の上方に置かれ、試料引出し１２に保管された試料は、ロボットマニピュレータアーム１３を利用してカートリッジに導入することができる。次いで、クロマトグラフィ分離を実施するために、試薬ボトル１４に保管されている試薬をカートリッジに導入する。本装置の操作はユーザインターフェース画面１５を利用して実行することができる。ユーザインターフェース画面１５を用いて本装置の動作状態を収集することもできる。

図３には本発明に係るカートリッジの拡大図が示されている。最上層にはカラム１６が示され、最下層にはメンブレンチャンバ１８を備えた出口弁を含む出口ポート１７が示され、メンブレンチャンバ１８の上部にはメンブレン１９が配置される。出口ポートの下端には機械アクチュエータ２０用のアクセスホールが設けられる。機械アクチュエータ２０は、メンブレン１９と相互作用して流体が出口ポート１７を通過することを可能にする鉛直方向に突出したロッドを含む。

図４は、アクチュエータとカートリッジを係合させた後の、図３の構成の折り畳み図である。

図５は、直列に接続した２本のクロマトグラフィカラムが組み込まれた本発明に係るカートリッジの平面図であり、クロマトグラフィ樹脂をカラム内に保持するのに使用される樹脂入口ポート２１及びポリカーボネートフリットのプラグ２２が示されている。各カラムは複数の入口２３及び複数の出口２４も有する。

図６は、各カラムが単一の入口及び出口のみを有する４本のクロマトグラフィカラムが組み込まれた本発明に係るカートリッジの平面図である。図示のとおり、このカートリッジは試料入口２５を有し、ここからカラム内への試料の進入は、一連の弁２６によって制御される。試薬は入口２７を経てカラムＡに入り、出口２８側の出力画分（output fraction）となる。同様に、別の試薬は入口２９を経てカラムＢに入り、出口３０側の出力画分となり、また別の試薬は入口３１を経てカラムＣに入り、出口３２側の出力画分となり、また別の試薬は入口３３を経てカラムＤに入り、出口３４側の出力画分となる。

図７ａ及び図７ｂは、それぞれクロマトグラフィカラムに樹脂を充填する前後の時点における、本発明に係るカートリッジの上部層における開放状態及び閉鎖状態の樹脂入口ポートの断面図である。図示のとおり、充填孔３５に樹脂を配置することができ、樹脂が流路３６を経てカラムに入った後に充填孔３５をプラグ３７で封止することができる。

図８ａ及び図８ｂは、本発明に係るカートリッジの上部層における試料入口ポートの断面図であり、該ポートにピペッティング装置が係合する前と係合した後の状態を示している。図示のとおり、処理対象の試料は、流体封止を実現するＯリング３９を含むピペッティング装置３８に収容される。ピペッティング装置３８は試料入口チャンバ４０に導入され、それにより試料を放出して試料入口チャネル４１から装置内に投入することが可能となる。図示の実施形態ではＯリングがピペッティング装置上に位置するが、諸代替実施形態ではＯリングをカートリッジの表面上に配置することもできる。

図９は、本発明に係るカートリッジの出口ポート４４の下方に位置する分離式回収リザーバ４３を備えた回転回収ベッセル４２を示す。回収ベッセルを操作することにより、様々な出口ポート（図示せず）の下方に様々な回収リザーバが配置されるようにすることができる。

図１０は、容器から本発明のカートリッジに試料を移送するのに使用されるオートサンプラの形をとるピペッティング手段を示す。図示のとおり、ピペットヘッド４５には使い捨てピペットチップ４６が接続され、オートサンプラは、リニアアクチュエータ４７及びプランジャ４８も備え、動作時はリニアアクチュエータ４７及びプランジャ４８を押し下げることで試料を本発明の装置内に流入させることができる。

図１１にはオートサンプラに適した保管構成が示されている。ここで、ピペットチップは試料保管領域４９から試料を収集することができ、収集された試料がカートリッジ（図示せず）に導入されると、ピペットチップは廃棄物入れ５０に送られ、ピペットチップ保管領域５１から新しいピペットチップが取得される。

図１２は、試薬の混合と、発明に係るカートリッジのクロマトグラフィカラムへの試薬の圧送とを実行するのに使用される弁構成を示す。図１２には、イオン交換水５６、濃硝酸５７、濃塩酸５８、ヨウ化アンモニウム５９、及びシュウ酸６０のうちから選択される試薬を導入可能な、六方選択弁５２及び四方選択弁５３〜５５を含む一連の４つの流れ選択弁が示されている。前記流れ選択弁５２〜５５は、対応する４つの回転選択弁６１〜６４に流体接続され、回転選択弁６１〜６４は、４つのシリンジポンプ６５〜６８と相互作用する。前記回転選択弁はそれぞれ、空気入口ポート６９〜７２と、廃棄物出口ポート７３〜７６とを更に備え、各回転選択弁はそれぞれ、混合チャンバ７９〜８２と流体接続され、混合チャンバ７９〜８２は、カートリッジ（図示せず）内に位置するクロマトグラフィカラムと流体接続される。

動作において、シリンジポンプは、六方流れ選択弁５２から所望の試薬の構成成分を吸引する。したがって、例えばリザーバから濃塩酸５８及びイオン交換水５６を取り込んで４．５Ｍの塩酸を含む試薬を生成することもできる。次いで、満液のシリンジ６５を対応する混合チャンバ７９に送り、そこから更に、回転選択弁６１を利用してカートリッジ上のカラムへと送ることができる。次いで、回転選択弁６１が空気供給源６９に接続されるようにしてカラムをフラッシュ洗浄すること、又は、イオン交換水５６を流れ選択弁５２を介して回転選択弁６１にチャージし、チャージされたイオン交換水５６を使用して、シリンジを廃棄物ポート７３から排出する前に洗浄することができる。

図１３ａ及び図１３ｂは、装置が４本のクロマトグラフィカラムを含み、放射性試料に含まれる構成成分の分離に使用される、本発明の特定の一実施形態で使用するために設けられる特定の回収ベッセルに関する図である。１１個の分離式回収リザーバ８４〜９４を有する回収ベッセル８３が示されており、具体的な体積も示されている。図示のとおり、リザーバ８４（体積＝４０ｍＬ）はカラム１からの廃棄物回収用リザーバ、リザーバ８５（体積＝４０ｍＬ）はトリウム含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ８６（体積＝２０ｍＬ）はプルトニウム含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ８７（体積＝３０ｍＬ）はネプツニウム含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ８８（体積＝１０ｍＬ）はテクネチウム含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ８９（容量＝６０ｍＬ）はカラム２からの廃棄物回収用リザーバ、リザーバ９０（体積＝２０ｍＬ）はウラン含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ９１（体積＝１０ｍＬ）はカラム３からの廃棄物回収用リザーバ、リザーバ９２（体積＝２０ｍＬ）はアメリシウム及びキュリウム含有溶離液回収用リザーバ、リザーバ９３（体積＝１４５ｍＬ）はカラム４からの廃棄物回収用リザーバ、リザーバ９４（体積＝５０ｍＬ）はストロンチウム含有溶離液回収用リザーバである。

最後に、図１４は、本発明の方法に係る分離を実行する際にオペレータによって使用される典型的なプロトコルの概要を、図１５は、本発明に係る装置を操作するユーザに表示可能な画面表示例を示す。本システムの制御及び実装態様は全てモジュールインアプローチ（modular in approach）であり、それぞれ下位の独立したドライバを含む。上位の手続き型順次ソフトウェアが下位のドライバに対して命令用のコマンドを送り、それによりシステムに特定の機能及び動作を実行させる。

本ソフトウェアは２つのモード、即ち、開発者モード及びユーザモードで構成される。開発者モードでは放射化学者等のオペレータがプロトコルを作成し、そのように作成されたプロトコルを他のユーザが（ユーザモードで）使用して、システムを事前定義されたとおりに動作させ分離ルーチンを実行させることができる。

プロトコルは基本的には反復コマンドセットであるが、図１４に示した実施形態ではテンプレートが事前定義される。プロトコルは、後にユーザモードでプロトコルの位置を特定しロードするための変数として働くプロトコル名を有する。プロトコル全体は一連の反復ステップで構成される。したがって、例えばステップ１はシステム基本コマンドであるが必ずしも試料充填コマンドである必要はなく、任意の行を試料充填とすることができる。

図示の実施形態において、「入力」は、使用すべきカラム／シリンジ／流れ選択弁を記述する項目、「経路」は、プランジャが適正な流路を通るように構成する項目、「出力」は、プランジャが流体を所望の回収容器に導くように構成する項目である。「流体」は、（「入力」で識別された）流れ選択弁に対して、シリンジにどの流体をどのような濃度で流入させるかを命令する項目であり、「体積」は、流入させるべき（任意選択でシステムの死空間（dead volume）を埋め合わせる）流体の量を命令する項目である。「流量」は、流体を混合チャンバ（混合器）に流出させ、続いてカラムに流出させる流量をシリンジに命令する項目である。これらの全ての命令及び順序は「ユーザ」用に記憶される。

図１５に示すユーザインターフェース画面を利用して、デイリーユーザは、事前作成されたプロトコルデータベースに基づく事前定義ルーチンのみを実行することができる。ユーザが選択可能な追加オプションは、試料の選択と、選択した試料の充填体積のみである。次いで、全ての必要な安全確認及び措置（カートリッジのロードや装置上の全ての引出しが閉じられているか等）が完了したことを条件として、ユーザは実行したいプロトコルを選択することができ、装置の動作が開始する。

本発明の特定の一実施形態において、カートリッジは、ポリカーボネート樹脂で構成される使い捨てカートリッジであり、放射性物質試料の分離に使用される。カートリッジは、連続分離手順を実行するのに必要な４本の分離カラムを含み、各カラムに含まれる樹脂は、順に、アニオン交換粉末、ＵＴＥＶＡ（登録商標）樹脂、ＴＲＵ樹脂、及びＳｒ樹脂であり、これらは全てアイクロムテクノロジーズ社（1955 University Lane, Lisle, IL 60532, USA）から入手可能である。

これらの樹脂はそれぞれ標準的なスラリー充填手順によってカラムに充填され、その後、樹脂の流出を防止するために、各カラムの端部にポリカーボネート製の１０μｍポアフリットが挿入される。充填密度（packing density）／繰り返し精度（repeatability）は、樹脂の挿入中に流量、濁度、及び充填背圧を監視制御することによって制御される。カートリッジの寸法は、長さ約１４０ｍｍ、幅約１００ｍｍ、深さ約１５ｍｍである。アニオン交換樹脂カラムの体積は２．２ｍＬであり、後続のカラムの体積はそれぞれ０．７ｍＬである。動作において、試料は４本のカラムのそれぞれを通過するように導入され、その後、各カラムに含まれる同位体がそれぞれ溶離溶媒を順番に通過するようにさせ、それにより同位体を溶出させる。したがって、４本のカラムは、それらが単一の試料注入ポートによってパージされるよう、互いに直列に流体接続されるように構成されている。

カートリッジの上部には、試料及び試薬入口ポートが設けられている。カートリッジは、単一の試料入口を備える。流体結合部は圧力フィッティングを介して達成され、圧力フィッティングでは、計量器付きオートサンプラチップを介して試料がカートリッジに提示される。計量器付きオートサンプラチップは、動作時に、流体試料をカートリッジ内に圧送できるようにするために、力の作用下でカートリッジ入口に保持される。カートリッジには試薬及びパージ液を導入するための入口４が設けられ、ここでの流体結合部も圧力フィッティングである。

流量及び方向の制御は、組み込み弁を利用して達成される。組み込み弁としてはメンブレンバイトン弁が挙げられ、かかる弁は、動作において各カラムを結合して試料が各カラムを通過することを可能にし、その後各カラムを切り離してカラムの個別処理を可能にするように作用する。バイトン弁は処理試薬との化学的適合性が良好であり、また、装置の動作中に加えられる処理圧力に耐えることができる。

カートリッジの下側には出口ポートが設けられる。カートリッジは、順に、カラム１からの廃棄物用出口、トリウム含有溶離液用出口、プルトニウム含有溶離液用出口、ネプツニウム含有溶離液用出口、テクネチウム含有溶離液用出口、カラム２からの廃棄物用出口、ウラン含有溶離液用出口、カラム３からの廃棄物用出口、アメリシウム／キュリウム含有溶離液用出口、カラム４からの廃棄物用出口、及びストロンチウム含有溶離液用出口の１１個の出口を含む。出口ポートはそれぞれ成形流体案内部を有し、溶離液の流れを回収リザーバに案内する。動作においては、チップから流れる液体がシステムの固定インフラを汚染しないことが重要である。

本装置は更に、装置構成及び実験結果表示のためのユーザインタラクションを容易にするために、内蔵又は外付けのＰＣ及びモニタを含み、又はＵＳＢ及びイーサネット接続を備える。

試料の抽出及び溶離に必要な試薬は、必要に応じて動的に混合される保管濃縮物の形をとり、図１２に示すシステムを備えた混合サブシステムがカートリッジ内に試薬を流すポンプ機構体として機能する。カートリッジはカートリッジプラテン上に置かれ、カートリッジの各出口は、プラテンを通って下方の使い捨て式／着脱式の廃棄物及び試料回収容器に至る。

動作において、試料は、図１０に示すカスタム設計オートサンプラを利用してロボット制御によりカートリッジ内に導入され圧送される。試薬については汚染のリスクが生じないので、カートリッジへの試料の導入モードは試薬よりも重要度が高い。オートサンプラは、使い捨てピペットが図１１に示す試料引出し内の流体試料容器と協働可能なように構成される。いくつかの実施形態において、オートサンプラは、試料引出しのチップセクションから新しいピペットチップを自動的に引き抜き、試料上を移動し、試料中に浸漬し、一定の体積（ピペットの使い捨て部分に相当する分）を抽出する。次いで、オートサンプラアームがカートリッジ上の試料入口上に移動し力を受けて下降すると、それにより、図８ａ及び図８ｂに示すように、ピペットＯリングと陥凹したカートリッジ試料入口との間に流体圧力シールが形成される。流体接続がなされると、プランジャの押し下げ動作によって試料がカートリッジに注入される。試料の注入後、アームがピペット廃棄物容器上に移動しピペットを手放すと、オートサンプラが他の試料の処理のために利用可能となる。

本装置は、本発明の方法で使用される５種の別々の試薬を含む。これらの試薬は、外部容器又は図２に示すような内部リザーバの引出しに保管される。個々のリザーバにはそれぞれ塩酸、硝酸、シュウ酸、ヨウ化アンモニウム、及びイオン交換水が収容される。イオン交換水は、適正な濃度の溶離剤の調製を容易にするために、溶媒として、洗浄液／パージとして、及び他の濃縮溶媒の希釈剤として使用される。これらの構成成分を使用することにより、図１２に示すような試薬混合圧送セクションでは、諸種の全ての洗浄液及び溶離液を調製し分配することが可能となる。具体的には、本発明の一実施形態では、５種の指定試薬を混合して、洗浄液及び溶離液として使用される１７種の異なる組成物が得られる。

クロマトグラフィカラム（アニオン交換樹脂、ＵＴＥＶＡ、ＴＲＵ、及びＳＲ）はそれぞれ、それ自体と関連付けられたシリンジポンプを有し、シリンジポンプはそれぞれ、図１２に示す多方向回転選択弁を有する。これにより、計量された量の塩酸と相補的な量のイオン交換水とを適正な濃度になるようシリンジポンプを使用して吸引し圧送することにより、例えば４．５Ｍの塩酸をアニオン交換カラムに供給することが容易となる。次いで、弁を出力モードに切り替えて、シリンジポンプによって流体が混合器を介してカートリッジに向かって押し出されるようにし、溶離液が出口ポートを出て回収リザーバに入るまで、流体をカートリッジ内で圧送することができる。次いで、シリンジを切り替えてイオン交換水を吸い上げ、後続の調製対象試薬混合物の準備のために廃棄物として排出することができる。

本実施形態において、混合試薬は、回転選択弁と流体接続された送達マニホールドを介してカートリッジ内に送達することができる。次いで、ロードされたカートリッジが強制上昇されてマニホールドの下側まで移動され、それにより各試薬入口内に圧縮フィッティングが形成される。

カートリッジは、スライド機構体を使用して図２に示す装置にカートリッジを挿入することを可能にするプラテン上にロードされる。本実施形態において、プラテンは試薬を添加するための弁プランジャも収容することができ、これらのプランジャは、カートリッジ内の弁孔と整合するように設計され、適切なソフトウェアを介して適正な順序で制御される。通常、弁アクティベーションプランジャーはスプリングリターン式であって、電磁ソレノイドに基づくものである。

動作において、溶離試料及び廃棄物流体は、カートリッジ上の出力ポートから回収ベッセル内の回収リザーバに回収される。回収ベッセルは射出成形ポリカーボネートベッセルを含む。図１３ａ及び図１３ｂに示すように、回収ベッセルは、それぞれ廃棄物回収用又は試料溶離液回収用の１１個の分離式回収リザーバから構成される。動作サイクルの完了後、回収ベッセルは蓋をしてユニットから取り外すことができる。回収ベッセルは、試料が収容された個々のリザーバを、更なる分析で使用するために分離できるように設計されてもよい。オートサンプラ及びカートリッジローダの場合と同様に、廃棄物及び試料回収リザーバのロード及びアンロードは自動化可能である。

本明細書及び特許請求の範囲の全体をとおして、「comprise」及び「contain」並びにそれらの変化形は、「including but not limited to（〜を含むがそれだけに限らない）」の意味で使用するものであり、他の部分、添加物、構成要素、整数、又はステップを排除するものではない。本明細書及び特許請求の範囲の全体をとおして、別段の定めがない限り、単数形は複数形も含むものとする。特に、不定冠詞を使用した用語は、別段の定めがない限り、単数形の場合も複数形の場合も包含するものと理解されたい。

本発明の特定の態様、実施形態、又は実施例に関して記載した特徴、整数、特性、構成成分、化学的部分、又は群は、矛盾がない限り、本明細書に記載する他の任意の態様、実施形態、又は実施例にも適用可能であることを理解されたい。本明細書（特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む。）に開示する全ての特徴、及び／又は本明細書に開示するいずれかの方法若しくはプロセスの全てのステップは、相互に排他的な特徴及び／又はステップが含まれることにならない限り、任意に組み合わせることができる。本発明は、上記で詳述した実施形態に限定されるものではない。本発明は、本明細書（特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む。）に開示する特徴のうちの任意の新規な特徴若しくはそれらの任意の新規な組合せ、又は、本明細書に開示するいずれかの方法若しくはプロセスの任意の新規なステップ若しくはそれらの任意の新規な組合せまで拡張されるものである。

なお、本明細書と同時に又は事前に提出した本願に関連する論文及び文献は全て、本明細書と共に公衆の縦覧に供されるものであり、それらの論文及び文献の内容は全て、参照により本明細書に組み込まれるものとする。

Claims (27)

1. 物質試料の構成成分を分離する装置であり、カートリッジを備え、該カートリッジは、互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムに複数の制御弁を介して流体接続される、少なくとも１つの試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと；複数の出口ポートであって、それぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える複数の出口ポートとを備え、前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にし、前記クロマトグラフィカラムは、前記出口ポートに対して固定されている装置。
2. 請求項１に記載の装置であり、前記出口弁は前記出口ポートの上流端に位置することを特徴とする装置。
3. 請求項１又は２に記載の装置であり、カートリッジを備える前記装置は、複数の異なる層を備えることを特徴とする装置。
4. 請求項３に記載の装置であり、少なくとも第１の層及び第２の層を備えることを特徴とする装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置であり、カートリッジを備え、該カートリッジは、
   （ａ）第１の層であって、
   （ｉ）試料入口ポート、少なくとも１つの樹脂入口ポート、並びに、複数の試薬及びパージ流入口ポートと、
   （ｉｉ）互いに直列に流体接続された複数のクロマトグラフィカラムと
   を備え、前記（ｉ）は前記（ｉｉ）に複数の制御弁を介して流体接続される、第１の層と；
   （ｂ）第２の層であって、複数の出口ポートを備え、該複数の出口ポートはそれぞれ各出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された出口弁を更に備える又は該出口弁と連動する、第２の層と
   を備え、
   前記複数のクロマトグラフィカラムはそれぞれ、前記複数の出口ポートのいずれかと位置合わせされ、前記カラムからの流体流が該出口ポートを通過することを可能にする装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置であり、前記クロマトグラフィカラムは、放射性同位体の分離に適用されるクロマトグラフィ活性樹脂を含むことを特徴とする装置。
7. 請求項６に記載の装置であり、前記クロマトグラフィ活性樹脂は、イオン交換樹脂、不活性担体に担持されたジペンチルペンチルホスホネートを含む樹脂、不活性担体に担持されたオクチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ジ−イソブチルカルバモイルホスフィンオキシド／リン酸トリ−Ｎ−ブチルを含む樹脂、及び不活性担体に担持された４，４’−（５’）−ジ−ｔ−ブチルシクロヘキサノ１８−クラウン−６（クラウンエーテル）／１−オクタノールを含む樹脂のうちから選択されることを特徴とする装置。
8. 請求項７に記載の装置であり、前記イオン交換樹脂はアニオン交換樹脂を含むことを特徴とする装置。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置であり、前記クロマトグラフィカラムは、前記カラムから前記樹脂材料が漏出するのを防止する手段を含み、前記手段は不活性材料のプラグを含み、前記不活性材料のプラグはフリットを含むことを特徴とする装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置であり、前記クロマトグラフィカラムは、複数の制御弁によって互いに直列に接続され、前記カラムを通過する流体の流れは、前記制御弁によって制御されることを特徴とする装置。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置であり、前記制御弁は、前記クロマトグラフィカラムを相互接続して、前記試料が前記各カラムを通過することを可能にし、前記各カラムを切り離して、様々な試薬を使用したカラムの個別処理を可能にするように適合されることを特徴とする装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置であり、前記制御弁は、前記入口ポートを、流体チャネルを介して前記クロマトグラフィカラムに結合し、前記クロマトグラフィカラムを相互接続するように適合されることを特徴とする装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一項に記載の装置であり、前記制御弁はメンブレン弁を備えることを特徴とする装置。
14. 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の装置であり、前記出口ポートを通過する流体の流れを制御するように適合された前記出口弁は、メンブレンを収容するメンブレンチャンバを備えることを特徴とする装置。
15. 請求項１４に記載の装置であり、前記出口ポートにおけるメンブレンと協働して流体の流れが前記出口ポートを通過することを可能にするアクチュエータを備えることを特徴とする装置。
16. 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置であり、２〜４０本のクロマトグラフィカラムを備えることを特徴とする装置。
17. 請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置であり、２、３、又は４本のクロマトグラフィカラムを備えることを特徴とする装置。
18. 物質試料の構成成分を分離するシステムであり、
    （ａ）請求項１〜１７のいずれか一項に記載のカートリッジと、
    （ｂ）複数の試薬容器と、
    （ｃ）複数の回収リザーバと、
    （ｄ）試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う手段と、
    （ｅ）前記カートリッジからの試料の回収を制御する手段と
    を備えるシステム。
19. 請求項１８に記載のシステムであり、試薬の混合及び試薬容器から前記カートリッジへの試薬の制御された移送を行う前記手段は、ソフトウェアによって制御される弁を備えることを特徴とするシステム。
20. 請求項１８又は１９に記載のシステムであり、前記カートリッジからの試料の回収を制御する前記手段は、ソフトウェアを利用して制御される弁を備えることを特徴とするシステム。
21. 請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のシステムであり、放射性物質試料の分離及び分析に適用されることを特徴とするシステム。
22. 請求項２１に記載のシステムであり、前記クロマトグラフィカラムは、イオン交換樹脂、不活性担体に担持されたジペンチルペンチルホスホネートを含む樹脂、不活性担体に担持されたオクチルフェニル−Ｎ，Ｎ−ジ−イソブチルカルバモイルホスフィンオキシド／リン酸トリ−Ｎ−ブチルを含む樹脂、及び不活性担体に担持された４，４’−（５’）−ジ−ｔ−ブチルシクロヘキサノ１８−クラウン−６（クラウンエーテル）／１−オクタノールを含む樹脂のうちから選択される少なくとも一種のクロマトグラフィ活性樹脂を含むことを特徴とするシステム。
23. 物質試料の構成成分を分離する方法であり、
    （ａ）前記試料を、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の装置に入口ポートを介して挿入するステップと、
    （ｂ）前記装置を利用して前記試料を処理するステップと、
    （ｃ）前記装置の出口ポートから流体を回収するステップと
    を含む方法。
24. 請求項２３に記載の方法であり、放射性物質試料の分離又は分離及び分析を含むことを特徴とする方法。
25. 請求項２３又は２４に記載の方法であり、前記処理するステップは、無機酸、有機酸、無機塩、及びイオン交換水のうちから選択される試薬を使用して前記試料の構成成分のクロマトグラフィ分離を実行するステップを含むことを特徴とする方法。
26. 請求項２５に記載の方法であり、前記無機酸は硝酸及び塩酸のうちから選択され、且つ／又は、前記有機酸はシュウ酸であり、且つ／又は、前記無機塩はヨウ化アンモニウムであることを特徴とする方法。
27. 請求項２４、２５、又は２６に記載の方法であり、トリウム、プルトニウム、ネプツニウム、テクネチウム、ウラン、アメリシウム／キュリウム、及びストロンチウムを含む構成成分が別々の出力流に含まれるようにする放射性試料の分離を含むことを特徴とする方法。
    

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