JP6639527B2 - 二次元液体クロマトグラフィー - Google Patents

Description

本発明は、液相クロマトグラフィーの分野に属し、特に、並行動作機能を含む二次元液体クロマトグラフィーに関する。

二次元液体クロマトグラフィーは、従来の液体クロマトグラフィーに基づいて開発されたクロマトグラフィー装置であって、分離能力は、クロマトグラフィー分離レベルの数およびクロマトグラフィーカラムの数を増加させることによって改善される。一般に、第一次元液体クロマトグラフィーは試料の濃度および一次分離の原因となり、第二次元液体クロマトグラフィーは試料のさらなる分離および検出の原因となるため、試料は、複雑なマトリックスから目的成分を分離するために、オンラインで処理されることができる。従来の液体クロマトグラフィーと比較すると、従来の液体クロマトグラフィーを用いて血液試料や尿から目的成分を分析する際、煩雑で複雑な液液抽出処理や固相抽出処理が必要となることが多く、かつ、これらの処理は大きな偏差を引き起こす場合があり、または目的物質さえも抽出することができない。一方、二次元液体クロマトグラフィーは、高度な自動化によって試料の濃縮、移動および分離を達成することができ、それによってクロマトグラフィー分離および自動化レベルの精度を大幅に改善する。

二次元クロマトグラフィーにおける従来の標準試料の第一次元液体クロマトグラフィーシステムは、試料に対して一次分離および濃縮処理を行い、その後、連続的な処理のために試料を第二次元液体クロマトグラフィーに移動する。このため、試料の分析時間は、第一次元液体クロマトグラフィーの処理時間と第二次元液相クロマトグラフィーの処理時間の合計となる。試料の分析速度を改善するために、並行動作機能を有する二次元クロマトグラフィー装置が提案されており、この装置の第一次元液体クロマトグラフィーは、２つの同一の試料濃度と一次分離クロマトグラフィーカラムを有し、試料の目的成分を交互に処理し、移動する。すなわち、第一次元液相の一のクロマトグラフィーカラムが第二次元液相のクロマトグラフィーカラムに接続され、試料の分離検出作業状態にあるとき、他の第一次元クロマトグラフィーカラムは、次の試料の濃縮または一次分離作業状態にある。この動作モードでは、第一次元液体クロマトグラフィーと第二次元液体クロマトグラフィーが同時に作業するため、従来の二次元液体クロマトグラフィーと比較して、分析速度が速く効率が良い。

しかしながら、上述した二次元クロマトグラフィーは、第一次元クロマトグラフィーの２つのクロマトグラフィーカラムが同じ仕様、特性、長所および短所を有する場合にのみ、一貫性のある分析結果が得られるという問題を有する。比較的多数の試料が分析された後、クロマトグラフィーカラムは異なる程度の劣化を受ける。このため、２つの同一の第一次元クロマトグラフィーカラムを一定期間使用した後は、特性が変化し、２つの同一の第一次元クロマトグラフィーカラムの保持能力およびクロマトグラフィーピークが異なるようになり、分析結果に差異が生じるか、または連続分析作業の失敗に深刻につながる。別の問題は、試料がバッチ処理で分析される場合、２つの第一次元クロマトグラフィーカラムのうちのどちらかが試料に対応するかを特定する必要があり、それによって試料処理シーケンスをコンパイルする際に煩雑になり、試料注入シーケンスリストをコンパイルする複雑さが増大する。

先行技術の欠点を考慮して、本発明の二次元液体クロマトグラフィーは、１つの第一次元クロマトグラフィーカラムのみを使用して、第一次元液体クロマトグラフィーによる試料処理、および第二次元液体クロマトグラフィーによる試料処理の並行動作を実現することを目的とする。二次元液体クロマトグラフィーでは、多流路切換弁および堆積弁間の切り換えによって中間クロマトグラフィーカラムの位置を変化させる。このため、中間クロマトグラフィーカラムは、第１流路の下流の流路若しくは第２流路の下流の流路に存在することができ、または第１流路の下流の流路若しくは第２流路の下流の流路のどちらでもない流路に存在することができる。また、中間クロマトグラフィーカラムの堆積機能が実現され、これにより第一次元液体クロマトグラフィーによる試料処理、および第二次元液体クロマトグラフィーによる試料処理の並行動作といった目的を達成する。

上述の目的を達成するために、本発明の技術的解決策は以下の通りである。

二次元液体クロマトグラフィーは、第１クロマトグラフィーカラムに接続され、第１移動相を搬送するとともに試料に対して一次分離を行う第１流路と、第２移動相を搬送する第２流路と、捕捉された物質に対して分離および検出を行う分析流路と、廃液を排出する廃液流路と、を備えている。二次元液体クロマトグラフィーは、複数のインターフェースを含む多流路切換弁と、複数のポートを含む堆積弁と、を更に備え、堆積弁のいずれか２つのポート間に、中間クロマトグラフィーカラムが接続され、多流路切替弁のいずれか３つのインターフェースは、それぞれ第１接続管路の一端部、第２接続管路の一端部、および第３接続管路の一端部に接続され、第１接続管路の他端部および第２接続管路の他端部は、堆積弁の残りのポートのうちのいずれか１つにそれぞれ連通され、第３接続管路の他端部は、Ｔ字形の結合部Iを介して第２接続管路に連通され、第１流路、第２流路、分析流路および廃液流路は、多流路切換弁の残りのインターフェースのうちのいずれか１つにそれぞれ接続されている。

好ましい解決策
二次元液体クロマトグラフィーは、変調溶液を搬送する変調流路を更に含み、変調流路は、Ｔ字形の結合部IIを介して第２接続管路に接続されている。変調溶液は、酸性、中性若しくはアルカリ性の溶液、または高比重の有機溶媒であってもよい。中間クロマトグラフィーカラムに入る第一次元移動相のｐＨ、溶媒成分比およびイオン強度は変調されており、試験試料のより多くの目的成分が中間クロマトグラフィーカラムによって捕捉されることができ、目的成分の損失を抑制する。また、第一次元クロマトグラフィーカラムから溶出された成分は、中間クロマトグラフィーカラムに拡散される可能性が少ない。このため、一定期間使用され、第一次元液体クロマトグラフィーのクロマトグラフィーカラムが劣化するとともに悪化したとき、中間クロマトグラフィーカラムにおける試料の目的成分の拡散や変化は明らかとはならず、第二次元クロマトグラフィーカラムに移動した後に、分析結果やクロマトグラフピークタイプの安定性を保つことができる。

さらに好ましい解決策
多流路切換弁は、インターフェースａと、インターフェースｂと、インターフェースｃと、インターフェースｄと、インターフェースｅと、インターフェースｆと、インターフェースｇと、インターフェースｊと、を含み、インターフェースａは、第１流路に接続され、インターフェースｂは、廃液流路に接続され、インターフェースｃは、第１接続管路の一端部に接続され、インターフェースｄは、分析流路に接続され、インターフェースｅは、第２流路に接続され、インターフェースｆは、第２接続管路の一端部に接続され、インターフェースｊは、第３接続管路の一端部に接続されている。

変調流路は、多流路切換弁のインターフェースｇに接続されている。

多流路切換弁は、インターフェースｈおよびインターフェースｉを更に含んでいてもよく、インターフェースｈおよびインターフェースｉが存在した場合、インターフェースｇおよびインターフェースｉは、塞がれた状態である。

さらに好ましい解決策
堆積弁は、ポートａと、ポートｂと、ポートｃと、ポートｄと、ポートｅと、ポートｆと、を含み、中間クロマトグラフィーカラムは、ポートａとポートｄとの間に配置され、ポートｅは、第２接続管路の他端部に接続され、ポートｆは、第１接続管路の他端部に接続されている。

好ましい解決策
中間クロマトグラフィーカラムは、第１クロマトグラフィーカラムから流れる目的成分に対してより有能な機能を有するクロマトグラフィーカラムである。

好ましい解決策
第１クロマトグラフィーカラムおよび中間クロマトグラフィーカラムは、試料の目的成分を保存可能なクロマトグラフィーカラムまたはループである。

特記しない限り、本発明における多流路切換弁および堆積弁の一のポートまたは一のインターフェースは、一つの管路のみに接続されている。本発明における多流路切換弁と堆積弁の両方は、二位置切換弁（two-position switch valve）である。

閉じた状態にあるポートまたはインターフェースを除いて、管路に接続されていないポートまたはインターフェースは、残りのポートまたは残りのインターフェースと称される。

従来技術と比較して、本発明は以下の利点を有する

１．二次元液体クロマトグラフィーは、１つの第一次元クロマトグラフィーカラムのみを有する。これにより、指示に対する動作の複雑さを低減し、第二次元クロマトグラフィーカラムの分離および検出に及ぼす、第一次元クロマトグラフィーカラムの劣化の影響を低減する。

２．二次元液体クロマトグラフィーが、１つの第一次元クロマトグラフィーカラムのみを有するため、試料注入シーケンスがコンパイルされる際に、試料と第一次元クロマトグラフィーカラムとの間の対応関係が特定される必要がなく、これにより、処理シーケンスのコンパイルの複雑さを低減する。

３．第一次元クロマトグラフィーカラムから溶出された試料の目的成分を中間クロマトグラフィーカラムに保持する能力は、付加された変調機能によって高められ、目的成分は完全かつ安定して移動される。

図１は、第１の実施の形態における液体クロマトグラフィーを示す構造模式図である。 図２は、第１の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作業状態を示す図である。 図３は、第１の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作業状態を示す図である。 図４は、第１の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作業状態を示す図である。 図５は、第１の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作業状態を示す図である。 図６は、第１の実施の形態における二次元流体クロマトグラフィーの作動状態を示す図である。 図７は、第１の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作動状態を示す図である。 図８は、第２の実施の形態における二次元液体クロマトグラフィーの作用状態を示す図である。

１はインターフェースａ、２はインターフェースｂ、３はインターフェースｃ、４はインターフェースｄ、５はインターフェースｅ、６はインターフェースｆ、７はインターフェースｇ、８はインターフェースｈ、 ９はインターフェースｉ、１０はインターフェースｊ、１１はポートａ、１２はポートｂ、１３はポートｃ、１４はポートｄ、１５はポートｅ、１６はポートｆを表す。ＡＳは試料注入器、Ｗ１は廃液ポート、ＤＥは検出器を表す。Ｓ１は第１移動相、Ｓ２は第２移動相、Ｓ３は変調溶液を表す。Ｐ１は配送ポンプI、Ｐ２は配送ポンプII、Ｐ３は配送ポンプIIIを表す。Ｃ１は第１クロマトグラフィーカラム、Ｃ２は中間クロマトグラフィーカラム、Ｃ３は第２クロマトグラフィーカラムを表す。
Ｌ３は第１流路、Ｌ１１は第２流路、Ｌ１４は分析流路、Ｌ４は廃液流路、Ｌ９は第１接続管路、Ｌ１２は第２接続管路、Ｌ５は第３接続管路、Ｌ１７は変調流路を表す。
Ｔ１はＴ字形の結合部I、Ｔ２はＴ字形の結合部IIを表す。Ｖ１は多流路切換弁、Ｖ１は堆積弁を表す。図中の塗りつぶされた点は、塞がれた状態を表し、太い実線は、移動相の流路を表す。

本発明は、図面および実施の形態を組み合わせて、以下において更に説明されるとともに例示される。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、二次元液体クロマトグラフィーは、
試料注入器ＡＳおよび第１クロマトグラフィーカラムＣ１に連続的に接続されるとともに、第１移動相Ｓ１を搬送するとともに試料に対して一次分離を行う第１流路Ｌ３と、
第２移動相Ｓ２を搬送する第２流路Ｌ１１と、
捕捉された物質に対して分離および検出を行う分析流路Ｌ１４と
廃液を排出する廃液流路Ｌ４と、を備えている。
二次元液体クロマトグラフィーは、
複数のインターフェースを含む多流路切換弁Ｖ１と、
複数のポートを含む堆積弁Ｖ２と、を更に備え、
堆積弁Ｖ２のいずれか２つのポート間に、中間クロマトグラフィーカラムＣ２が接続され、
多流路切替弁Ｖ１のいずれか３つのインターフェースは、第１接続管路Ｌ９、第２接続管路Ｌ１２、および第３接続管路Ｌ５にそれぞれ接続され、
第１接続管路Ｌ９および第２接続管路Ｌ１２は、堆積弁Ｖ２の残りのポートのうちのいずれか１つにそれぞれ連通され、
第３接続管路Ｌ５は、Ｔ字形の結合部IＴ１を介して第２接続管路Ｌ１２に連通され、
第１流路Ｌ３、第２流路Ｌ１１、分析流路Ｌ１４および廃液流路Ｌ４は、多流路切換弁Ｖ１の残りのインターフェースのうちのいずれか１つにそれぞれ接続されている。

多流路切換弁Ｖ１は、インターフェースａ１と、インターフェースｂ２と、インターフェースｃ３と、インターフェースｄ４と、インターフェースｅ５と、インターフェースｆ６と、インターフェースｇ７と、インターフェースｈ８と、インターフェースｉ９と、インターフェースｊ１０と、を含んでいる。インターフェースａ１は、第１流路Ｌ３に接続され、インターフェースｂ２は、廃液流路Ｌ４に接続され、インターフェースｃ３は、第１接続管路Ｌ９に接続され、インターフェースｄ４は、分析流路Ｌ１４に接続され、インターフェースｅ５は、第２流路Ｌ１１に接続され、インターフェースｆ６は、第２接続管路Ｌ１２に接続され、インターフェースｊ１０は、第３接続管路Ｌ５に接続されている。作業の間、インターフェースｇ７およびインターフェースｉ９は塞がれた状態にある。

堆積弁Ｖ２は、ポートａ１１と、ポートｂ１２と、ポートｃ１３と、ポートｄ１４と、ポートｅ１５と、ポートｆ１６と、を含んでいる。中間クロマトグラフィーカラムＣ２は、ポートａ１１とポートｄ１４との間に配置され、ポートｅ１５は、第２接続管路Ｌ１２に接続され、ポートｆ１６は、第１接続管路Ｌ９に接続されている。

機能の説明
図２は、第１クロマトグラフィーカラムの分離機能を示している。配送ポンプIＰ１が起動され、IＰ１の推進力のもとで第１移動相が下流に移動する。試料は、試料注入器ＡＳを介して、第１移動相に取り込まれる。試料を包含する第１移動相は、第１クロマトグラフィーカラムＣ１に入り、試料の成分は、第１移動相および第１クロマトグラフィーカラムのクロマトグラフィー分離機構のもと分離が開始される。多流路切換弁Ｖ１のポートａ１およびポートａ２が連通され、第１移動相が廃液流路Ｌ４に流れて排出される。

図３は、中間クロマトグラフィーカラムの捕捉機能を示している。配送ポンプIＰ１が起動され、第１移動相が下流に配送されるとともに、試料注入器ＡＳおよび第１クロマトグラフィーカラムＣ１を連続的に通過する。試料は、ＡＳを介して第１移動相に取り込まれる。試料の目的成分は、第１移動相および第１クロマトグラフィーカラムのクロマトグラフ作用力により分離される。多流路切換弁Ｖ１のポートａ１およびポートｊ１０は、試料の目的成分が第１クロマトグラフィーカラムから流出しようとしたとき、連通される。目的成分を包含する第１移動相は、第３接続管路Ｌ５および第２接続管路Ｌ１２を介して、堆積弁Ｖ２に流入する。第２クロマトグラフィーカラムＣ２を介して流れ、第２クロマトグラフィーカラムＣ２による有能な作用力を有する目的成分は、第２クロマトグラフィーカラムＣ２によって捕捉され得る。捕捉されなかった成分は、第１移動相とともに第１接続管路Ｌ９を通過するとともに、連通された多流路切換弁Ｖ１のポートｃ３およびポートｂ２を通過し、廃液流路Ｌ４に流れて排出される。

図４は、堆積機能を示している。堆積弁V２は、流体がポートｂ１２またはポートｃ１３に流入または流出しないように、中間クロマトグラフィーカラムがポートｂ１２およびポートｃ１３と連通するように切り替えられる。中間クロマトグラフィーカラムＣ２は、第１流路の下流の流路または第２流路の下流の流路のいずれでもなく、このとき、中間クロマトグラフィーカラムに保持されていた成分は静的な状態にあり、次回に流体が流れると溶出して、中間クロマトカラムＣ２における目的成分の堆積機能を実現する。

図５は、並行動作機能を示している。同じ期間内に、送達ポンプIＰＩが起動され、第１移動相が下流の管路に配送されるとともに、試料注入器ＡＳおよび第１クロマトグラフィーカラムＣ１を連続的に通過する。試料がＡＳを介して第１移動相に取り込まれた後、第１クロマトグラフィーカラムＣ１は、試料の成分を分離する作業を開始する。一方、注入ポンプIIＰ２の推進の下で、第２流路内の溶液は、多流路切換弁Ｖ１および堆積弁Ｖ２上の中間クロマトグラフィーカラムＣ２を連続的に通過して、中間クロマトグラフィーカラムＣ２に堆積された目的成分を第２クロマトグラフィーカラムＣ３に押し出す。Ｃ３において、堆積された目的成分を分離する作業が開始され、第１クロマトグラフィーカラムＣ１および第２クロマトグラフィーカラムＣ３は、並行かつ同時に、両方ともが試料処理作業の状態になる。

図６に示すように、第１クロマトグラフィーカラムＣ１上の被分析溶液中の目的成分が第１流路Ｌ３の溶液によって押し出されようとすると、堆積弁および多流路切換弁の位置が選択され、中間クロマトグラフィーカラムＣ２が第１クロマトカラムＣ１に連通され、目的成分が、中間クロマトグラフィーカラムＣ２に押し込まれる。Ｃ２による有能な保持作用力を有する目的成分は、Ｃ２によって捕捉される。このとき、第２クロマトグラフィーカラムＣ３は、前回の試料の成分を分離する作業状態にあり、中間クロマトグラフィーカラムＣ２の捕捉と第２クロマトグラフィーカラムＣ３の分離の並列動作の機能が実現される。

図７に示すように、第１クロマトグラフィーカラムＣ１から流出した目的成分が中間クロマトグラフィーカラムＣ２に入った後、堆積弁Ｖ２の位置が選択され、中間クロマトグラフィーカラムＣ２は、第１流路Ｌ３および第２流路Ｌ１１のいずれにも接続されない。このため、目的成分は、中間クロマトグラフィーカラムＣ２に堆積される。このとき、第２クロマトグラフィーカラムＣ３も、前回の試料の目的成分を分離する作業状態にある。このため、中間クロマトグラフィーカラムＣ２の堆積と第２クロマトグラフィーカラムＣ３の分離との並行動作の機能が実現される。図５乃至図７に示す作業処理は、二次元液体クロマトグラフィーの並行動作機能を連続して実現するために、繰り返される。

（第２の実施の形態）
第１の実施の形態に基づいて、二次元液体クロマトグラフィーは、変調溶液Ｓ３を搬送する変調流路Ｌ１７を更に備え、変調流路Ｌ１７は、Ｔ字形の結合部IIＴ２を介して第２接続管路Ｌ１２に接続されているか、または多流路切換弁のポートｇ７に直接接続されている。さらに、試料の目的成分に対する保持能力を有するクロマトグラフィー固定相が、中間クロマトグラフィーカラムＣ２のために選択される。

機能説明
図８に示すように、第１の実施の形態において中間クロマトグラフィーカラムＣ２の捕捉機能が実行されると、配送ポンプＰ３が起動されて第２接続管路Ｌ１２に変調溶液Ｓ３が配送され、第１移動相と結合する。第１移動相Ｓ１のｐＨ、イオン強度または有機相特性は、変調溶液Ｓ３によって変化する。中間クロマトグラフィーカラムＣ２の目的成分の保持能力は向上し、Ｃ２の捕捉行為の間、目的成分の流出が抑制される。

Claims (6)

1. 二次元液体クロマトグラフィーであって、
   第１クロマトグラフィーカラム（Ｃ１）に接続され、第１移動相（Ｓ１）を搬送するとともに試料に対して一次分離を行う第１流路（Ｌ３）と、
   第２移動相（Ｓ２）を搬送する第２流路（Ｌ１１）と、
   捕捉された物質に対して分離および検出を行う分析流路（Ｌ１４）と、
   廃液を排出する廃液流路（Ｌ４）と、を備え、
   前記二次元液体クロマトグラフィーは、
   複数のインターフェースを含む多流路切換弁（Ｖ１）と、
   複数のポートを含む堆積弁（Ｖ２）と、を更に備え、
   前記堆積弁（Ｖ２）のいずれか２つの前記ポート間に、中間クロマトグラフィーカラム（Ｃ２）が接続され、
   前記多流路切換弁（Ｖ１）のいずれか３つのインターフェースは、第１接続管路（Ｌ９）の一端部、第２接続管路（Ｌ１２）の一端部、および第３接続管路（Ｌ５）の一端部にそれぞれ接続され、
   前記第１接続管路（Ｌ９）の他端部および前記第２接続管路（Ｌ１２）の他端部は、前記堆積弁（Ｖ２）の残りの前記ポートのうちのいずれか１つにそれぞれ連通され、
   前記第３接続管路（Ｌ５）の他端部は、Ｔ字形の結合部I（Ｔ１）を介して前記第２接続管路（Ｌ１２）に連通され、
   前記第１流路（Ｌ３）、前記第２流路（Ｌ１１）、前記分析流路（Ｌ１４）および前記廃液流路（Ｌ４）は、前記多流路切換弁（Ｖ１）の残りの前記インターフェースのうちのいずれか１つにそれぞれ接続されている、二次元液体クロマトグラフィー。
2. 変調溶液（Ｓ３）を搬送する変調流路（Ｌ１７）を更に含み、
   前記変調流路（Ｌ１７）は、Ｔ字形の結合部II（Ｔ２）を介して前記第２接続管路（Ｌ１２）に接続されているか、または前記多流路切換弁（Ｖ１）の残りの前記ポートのうちのいずれか１つに接続されている、請求項１に記載の二次元液体クロマトグラフィー。
3. 前記多流路切換弁（Ｖ１）は、インターフェースａ（１）と、インターフェースｂ（２）と、インターフェースｃ（３）と、インターフェースｄ（４）と、インターフェースｅ（５）と、インターフェースｆ（６）と、インターフェースｇ（７）と、インターフェースｊ（１０）と、を含み、
   前記インターフェースａ（１）は、前記第１流路（Ｌ３）に接続され、
   前記インターフェースｂ（２）は、前記廃液流路（Ｌ４）に接続され、
   前記インターフェースｃ（３）は、前記第１接続管路（Ｌ９）の一端部に接続され、
   前記インターフェースｄ（４）は、前記分析流路（Ｌ１４）に接続され、
   前記インターフェースｅ（５）は、前記第２流路（Ｌ１１）に接続され、
   前記インターフェースｆ（６）は、前記第２接続管路（Ｌ１２）の一端部に接続され、
   前記インターフェースｊ（１０）は、前記第３接続管路（Ｌ５）の一端部に接続されている、請求項２に記載の二次元液体クロマトグラフィー。
4. 前記変調流路（Ｌ１７）は、前記多流路切換弁（Ｖ１）の前記インターフェースｇ（７）に接続されている、請求項３に記載の二次元液体クロマトグラフィー。
5. 前記堆積弁（Ｖ２）は、ポートａ（１１）と、ポートｂ（１２）と、ポートｃ（１３）と、ポートｄ（１４）と、ポートｅ（１５）と、ポートｆ（１６）と、を含み、
   前記中間クロマトグラフィーカラム（Ｃ２）は、前記ポートａ（１１）と前記ポートｄ（１４）との間に配置され、
   前記ポートｅ（１５）は、前記第２接続管路（Ｌ１２）の前記他端部に接続され、
   前記ポートｆ（１６）は、前記第１接続管路（Ｌ９）の前記他端部に接続されている、請求項１または２に記載の二次元液体クロマトグラフィー。
6. 前記第１クロマトグラフィーカラム（Ｃ１）および前記中間クロマトグラフィーカラム（Ｃ２）は、前記試料の目的成分を保存可能な、クロマトグラフィーカラムまたはループである、請求項１または２に記載の二次元液体クロマトグラフィー。

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