JP6647380B1 - 試料注入装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等における大容量サンプル注入技術を提供する。【解決手段】試料注入装置１０は、サンプル容器１２と、サンプルループ１４と、シリンジ１６と、送液流路１８を含み、サンプルループ１４を送液流路へ装脱着可能に切り替える第１流路切替バルブ３０と第１流路切替バルブと共にシリンジ１６の流路を切り替える第２流路切替バルブ４０を備える。第２流路切替バルブ４０は正ｎ角形（ｎは偶数）を形成する頂点位置に（ｎ−２）個の貫通穴を有するステーター部と、ステーター部と接触しながら回転して流路を切り替えるローター部を備え、ローター部は（（ｎ／２）−１）本の流路溝を有し、２個の貫通穴と１本の流路溝とが面して流路が形成される。【選択図】図１

Description

本発明はクロマトグラフィーのサンプル注入に使用する試料注入装置、特に高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等における大容量サンプル注入技術の改良に関する。

一般的な物質の分離分析方法としてクロマトグラフィーが知られている。このクロマトグラフィーに利用する移動相が液体、気体のときにそれぞれ液体クロマトグラフィー（ＬＣ）、ガスクロマトグラフィー（ＧＣ）と呼ばれ、昨今では移動相として超臨界流体が用いられる超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）も行われている。さらに、分離性能を高めるためにμｍ程度の微粒子を固定相（分離カラム）とする高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）が広く普及している。

このクロマトグラフィーにおけるサンプル注入方法として、いわゆるサンプルループ方式やダイレクトインジェクション方式が一般的である。サンプルループ方式は、所定容量のチューブ（サンプルループ）を移動相の送液流路に装脱着可能に配置し、脱着状態でサンプルループにサンプルを注入し、流路切替バルブの操作によりサンプルループを送液流路中に装着することによりサンプル溶液を分離カラムに導入するものである。

その際に、実際には移動相が送液流路内を高圧送液されている場合には、サンプルループ内部の圧力開放が必要となる。例えば図７に示すようにシリンジとストップバルブ（Ｏｐｅｎ−Ｃｌｏｓｅの切替用のバルブ）を利用した所定構造のサンプルループ方式の試料注入装置とすることで、サンプルループ内の圧力開放を行いながらサンプル注入が可能となる。

ここで、クロマトグラフィーにより分離分析を行うのであればμｌオーダーのサンプルをサンプルループに注入できればよいことが多いが、例えば分取を行う場合には数ｍｌ〜数十ｍｌもの大容量サンプルをサンプルループに注入する必要がある。ところが、図７に示すサンプルループ方式の試料注入装置では、連続注入によりサンプルループに注入できる総サンプル量はシリンジ容量に制限されてしまい、数十ｍｌもの大容量の連続注入は困難である。

そこで、図８に示されるようにシリンジとニードルを利用した所定構造のいわゆるダイレクトインジェクション方式の試料注入装置とすることで、連続注入による大容量のサンプル注入が可能となる。ところが、この構造では大容量のサンプル注入は可能となるがこのままの構造ではサンプルループの圧力開放をすることが困難であるため、例えば超高圧下での高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等に利用することができない。

そこで特許文献１には、ニードル駆動機構及び切替機構の動作を制御することによって、送液装置と分析カラムとの間にサンプリング流路が介在した状態の後でニードル先端がインジェクションポートから引き抜かれる前に、送液装置と分析カラムとの間にサンプリング流路が介在せず、かつサンプリング流路を含む系が開放系となるように切替機構を切り替えてサンプリング流路内の圧力が大気圧に戻るまで待機する圧力開放動作を実行する圧力開放動作部を備えることで、ニードル先端がインジェクションポートから引き抜かれる前にサンプリング流路内の圧力が大気圧に戻され、ニードル先端がインジェクションポートから引き抜かれたときに、ニードル先端から移動相が噴出することを防止できる技術が開示されている。

特許第６３６５３２３号公報

しかしながら、特許文献１のように所定の圧力開放動作部等を備えることでシリンジとニードルを利用した構造であってもサンプルループの圧力開放と大容量のサンプル注入を実現できるが、ニードルの気密性（または耐圧）はニードル先端のシール性により決まり、実際にはニードル先端のシール部分の気密性が低いため、例えば超臨界流体クロマトグラフィー等に特許文献１の構造を利用することは困難である。

本発明は、上記従来技術に鑑みて行われたものであって、その目的は、高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等でも利用できる耐圧を有し、且つ、短時間間隔での連続注入が可能であるとともに構成が簡単な大容量の試料注入装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明に係る試料注入装置は、
少なくとも内部にサンプルを有するサンプル容器と、分離カラムに注入するサンプルを一時的に保持するサンプルループと、サンプルを前記サンプル容器から吸引して前記サンプルループへ注入するシリンジと、移動相が送液ポンプによって前記分離カラム方向へ送液される送液流路と、を含み、前記サンプルループを前記送液流路へ装脱着可能に切り替える第１流路切替バルブと該第１流路切替バルブとともに前記シリンジの流路を切り替える第２流路切替バルブと、を備えた試料注入装置であって、
前記第２流路切替バルブは、正ｎ角形（ｎは偶数）を形成する頂点位置に（ｎ−２）個の貫通穴を有するステーター部と該ステーター部と接触しながら回転して流路を切り替えるローター部を備え、
前記ローター部は、（（ｎ／２）−１）本の流路溝を有し、２個の貫通穴と１本の流路溝とが面して密着配置されることで流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明に係る試料注入装置は、
前記第２流路切替バルブは、正八角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴を有するステーター部と３本の流路溝を有するローター部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る試料注入装置は、
前記第１流路切替バルブは、正六角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴を有するステーター部と３本の流路溝を有するローター部を備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る試料注入装置は、
当該試料注入装置は、高速液体クロマトグラフィーまたは超臨界流体クロマトグラフィーのサンプル注入に利用されることを特徴とする。

そして、本発明に係るクロマトグラフィー用の試料注入装置に利用できる流路切替バルブは、
当該流路切替バルブは、正ｎ角形（ｎは偶数）を形成する頂点位置に（ｎ−２）個の貫通穴を有するステーター部と該ステーター部と接触しながら回転して流路を切り替えるローター部を備え、
前記ローター部は、（（ｎ／２）−１）本の流路溝を有し、２個の貫通穴と１本の流路溝とが面して密着配置されることで流路が形成されることを特徴とする。

また、本発明に係る流路切替バルブは、
当該流路切替バルブは、正八角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴を有するステーター部と３本の流路溝を有するローター部を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、試料注入装置に第１流路切替バルブおよび特徴的な構造の第２流路切替バルブを備え、第２流路切替バルブのステーター部には正ｎ角形を形成する頂点位置に（ｎ−２）個の貫通穴を設けるとともにローター部には（（ｎ／２）−１）本の流路溝を設けてサンプルの注入条件に合わせて所定切替動作により流路を切り替えることで、液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等でも利用できる耐圧を有し、且つ、短時間間隔での連続注入による大容量サンプル注入が可能であるとともに構成が簡単な試料注入装置を提供できる効果を奏する。

本発明の実施形態に係る試料注入装置の概略構成図を示す。 本発明の実施形態に係る第１流路切替バルブの概略構成図を示す。 本発明の実施形態に係る第２流路切替バルブの概略構成図を示す。 本発明の実施形態に係る第２流路切替バルブによる流路状態の概略説明図を示す。 本発明の実施形態に係る試料注入装置における注入シーケンスの概略説明図を示す。 本発明の実施形態に係る試料注入装置における洗浄シーケンスの概略説明図を示す。 シリンジとストップバルブを利用したサンプルループ方式の試料注入装置の概略図を示す。 シリンジとニードルを利用したダイレクトインジェクション方式の試料注入装置の概略図を示す。

以下、本発明の試料注入装置について図面を用いて説明するが、本発明の趣旨を超えない限り何ら以下の例に限定されるものではない。

図１に本発明の実施形態に係る試料注入装置の概略構成図を示す。本明細書において試料注入装置とは、例えばクロマトグラフィー分析等でサンプルを分離カラムに注入するための構成を意味する。同図に示す試料注入装置１０は、少なくとも内部にサンプルを有するサンプル容器１２と、分離カラムに注入するサンプルを一時的に保持するサンプルループ１４と、サンプルを前記サンプル容器１２から吸引して前記サンプルループ１４へ注入するシリンジ１６と、移動相が送液ポンプによって前記分離カラム方向へ送液される流路としての送液流路１８と、各種溶液等を排出するためのドレイン部２２と、前記サンプルループ１４の圧力を開放するためのデコンプ部２０と、を含んで構成されている。

また、図１に示される試料注入装置１０は、前記サンプルループ１４を前記送液流路１８へ装脱着可能に切り替える第１流路切替バルブ３０と該第１流路切替バルブ３０とともに前記シリンジ１６の流路を切り替える第２流路切替バルブ４０を備えている。すなわち、本実施形態に係る試料注入装置１０は第１流路切替バルブ３０および第２流路切替バルブ４０を利用して所定の流路を形成することにより、分離カラムへのサンプル注入動作を行う。

サンプル容器１２にはクロマトグラフィーの対象となるサンプルが含まれている。サンプルループ１４は分離カラムに注入する分析対象としてのサンプルを一時的に保持するものである。そしてシリンジ１６は、サンプル容器１２内部に含まれているサンプルを吸引し、その後に吸引したサンプルをサンプルループ１４へ注入する役割を果たす。

デコンプ部２０は、サンプルループ１４の圧力開放（サンプルループ内部を大気圧に戻す動作）のために設けられている。本実施形態における試料注入装置１０は、このデコンプ部２０を利用することでサンプルループ１４の圧力開放が可能であるため、例えばサンプルループの圧力開放が必要な高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等にも使用することが出来る。

ドレイン部２２は、サンプル注入動作後に残った溶液や空気等を排出したり、あるいは洗浄工程において洗浄液等が吸引される部分である。本実施形態に係る試料注入装置１０はサンプル容器１２、サンプルループ１４、シリンジ１６、デコンプ部２０、ドレイン部２２を、それぞれ第１流路切替バルブ３０および第２流路切替バルブ４０によって所定の流路に切り替えられてサンプルの注入動作を行うこととなる。

ここで、第１流路切替バルブ３０および第２流路切替バルブ４０の構成について詳しく説明する。図２には本実施形態に係る第１流路切替バルブの概略構成図を示す。同図に示すように第１流路切替バルブ３０は、ステーター部３２とローター部３４とが互いに重なり合うように構成されている。ステーター部３２（ローター部３４と重なり合う面）は略円形状であり、該ステーター部３２には正六角形を形成するそれぞれの頂点位置に貫通穴３６が設けられている。

ローター部３４は略円盤状の形状を有しており、該ローター部３４には３本の流路溝３８が等間隔で設けられている。ローター部３４はステーター部３２と接触しながら回転できるように設けられている。そしてステーター部３２とローター部３４は、接触回転動作をして隣接する２個の貫通穴３６と１本の流路溝３８とが面することで密着配置されて所定の流路を形成する。

図３には本実施形態に係る第２流路切替バルブの概略構成図を示す。同図に示す第２流路切替バルブ４０は第１流路切替バルブ３０と同様に、ステーター部４２とローター部４４とが重なり合うように構成されている。図３に示されるように第２流路バルブ４０のステーター部４２には正八角形を形成する頂点位置のうち６カ所に貫通穴４６が設けられている。貫通穴４６の配置は特に限定されるものではなく、後述する注入シーケンスおよび洗浄シーケンスを実行出来ればどのような配置でも構わない。貫通穴４６はそれぞれ各構成部（サンプル容器１２やシリンジ１６など）に接続されている。ローター部４４には３本の流路溝４８が設けられている。

第２流路切替バルブ４０は第１流路切替バルブ３０と同様に、ローター部４４とステーター部４２とが接触しながら回転できるように設けられている。そしてステーター部４２とローター部４４は、接触回転動作をして隣接する２個の貫通穴４６と１本の流路溝４８とが面することで密着配置されて所定の流路を形成する。

本実施形態では図３に示すように第２流路切替バルブ４０のステーター部４２には６個の貫通穴４６が設けられているが、この構成に限らず例えば正ｎ角形（ｎは偶数）の頂点位置に（ｎ−１）個の貫通穴４６が設けられる構成としても構わない。この場合、第２流路切替バルブ４０のローター部４４には（（ｎ／２）−１）個の流路溝４８を設ける構成とすることが好ましい。

また、第１流路切替バルブ３０は本実施形態のサンプル注入動作が実現できれば良いため、第２流路切替バルブ４０の構成に合わせて貫通穴３６や流路溝３８の数量や設置個所を適宜変更することが出来る。

図４には本実施形態に係る第２流路切替バルブ４０による流路状態の概略説明図を示す。この図４に示された流路は、図１における第２流路切替バルブ４０とその流路について抜き出したものである。上述したとおりステーター部４２には貫通穴４６が６個設けられ、ローター部４４には流路溝４８が３本設けられている。そして貫通穴４６と流路溝４８との配置により、サンプル注入動作に必要な流路が形成される。例えば図４ではシリンジ１６とドレイン部２２との間で流路が形成され、第１流路切替バルブ３０側とデコンプ部２０との間で流路が形成されている。

ここで、図４のサンプル容器１２に着目してみると、この流路状態ではサンプル容器１２は他の構成部分とは接続されていないのが分かる。すなわち、第２流路切替バルブ４０においてはステーター部４２の一部に貫通穴４６を設けず、また、ローター部４４の一部に流路溝４８を設けない構造とすることで、他の構成部分との流路を遮断するためのストップバルブを形成しているのである。

本実施形態では、図４のように第２流路切替バルブ４０は貫通穴４６ａ、４６ｂ、および流路溝４８ａによりストップバルブを構成している。つまりサンプル容器１２の流路は、第１流路切替バルブ３０側との流路を形成するかあるいは流路が遮断された状態のどちらかになる。

また、例えば上述した図７におけるサンプルループ方式の試料注入装置では、シリンジからの流路を遮断するために流路切替バルブとは別にストップバルブを設けているが、本実施形態では第２流路切替バルブ４０の特徴的な構造により、流路切替バルブとは別にストップバルブを設ける必要がなくなるのである。

本実施形態における試料注入装置１０（および流路切替バルブ３０、４０）は概略以上のように構成されている。以下、クロマトグラフィーにおけるサンプルの注入シーケンスについて詳しく説明する。

注入シーケンス
図５に本発明の実施形態に係る試料注入装置における注入シーケンスの概略説明図を示す。図５の（ａ）〜（ｇ）は、本実施形態における試料注入装置１０のそれぞれの流路状態を示しており、（ａ）から（ｇ）の流路状態について順番に説明する。

まず図５（ａ）は、クロマトグラフィーにおける試料注入装置１０の初期状態を示す。図５（ａ）ではサンプルループ１４は送液流路１８に装着されており、且つ、シリンジ１６とサンプル容器１２は未接続状態となっている（シリンジ１６とドレイン部２２との間で流路が形成されている）。

この流路状態から第１流路切替バルブ３０のローター部３４を右方向（反時計回り方向）へ回転させると（第２流路切替バルブ４０はそのまま）、試料注入装置１０は図５（ｂ）の流路状態となる。この時、サンプルループ１４は送液流路１８から脱着され（流路が切り離され）、デコンプ部２０との間で流路が形成される。すなわち、図５（ｂ）の流路状態では、サンプルループ１４内部の圧力開放を行うことができる。

次に図５（ｃ）に示されるように第２流路切替バルブ４０のローター部４４を右方向へ回転させてそれぞれの流路を切り替える。この流路状態ではシリンジ１６がサンプルループ１４を経由してサンプル容器１２につながっている。この流路状態において図５（ｄ）に示すようにシリンジ１６による吸引動作を行うことで、サンプル容器１２内部に含まれているサンプルをサンプルループ１４へ注入することが出来る。この時、サンプルループ１４は送液流路１８とは切り離された流路状態となっている。

その後、図５（ｅ）に示されるように第２流路切替バルブ４０のローター部４４を左方向（時計回り方向）へと回転させることで、サンプルループ１４はシリンジ１６（およびサンプル容器１２）から切り離された流路状態となる。また、サンプル容器１２は第２流路切替バルブ４０の該当箇所（図４の貫通穴４６ａ、４６ｂ、および流路溝４８ａ）がストップバルブとしての役割を果たすので他の構成部分から遮断された状態となる。

さらに図５（ｆ）に示されるように第１流路切替バルブ３０を左方向に回転させることで、サンプルループ１４は送液流路１８に装着された流路状態となる。この時、図５（ｄ）におけるシリンジ１６の吸引動作によりサンプルループ１４には所定量のサンプルが注入されているので、該サンプルは送液ポンプによって送液されている移動相とともに分離カラムへと注入されることになる。

そしてシリンジ１６内部に残った溶液や空気等は、図５（ｇ）に示されるようにシリンジ１６の押圧動作によりドレイン部２２から排出される。この動作により、図５（ａ）の初期状態へと戻る。すなわち、この図５（ａ）から（ｇ）までのサンプル注入シーケンス（および流路切替動作）を繰り返し行うことで短時間間隔によるサンプルの連続注入が可能となり、大容量のサンプルを分離カラムへ注入することが出来る。

また本実施形態における試料注入装置１０では例えばニードル等の耐圧が低い部品は使用しておらず、且つ、サンプル注入シーケンスの途中段階でサンプルループ１４の圧力開放を行うことができるので、高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー等にも良好に利用することが可能である。

このように本実施形態に係る試料注入装置１０は、特徴的なバルブ構成を有する第２流路切替バルブ４０（および第１流路切替バルブ３０）を利用して上記説明したような所定のサンプル注入シーケンスを行うことで、耐圧の問題を気にする必要がなく簡単な構成で且つ圧力開放機構を実現した大容量のサンプル注入が可能となる。

また、本実施形態ではサンプルの連続注入が実現であるため、例えば最初のクロマトグラフィー分析中においても次のサンプル注入動作を行うことができ、結果的に分析時間の大幅な短縮が期待できる。

洗浄シーケンス
次に本実施形態の洗浄シーケンスについて説明する。図６には本発明の実施形態に係る試料注入装置における洗浄シーケンスの概略説明図を示す。図６の（ａ）〜（ｅ）は、本実施形態の洗浄時における試料注入装置１０のそれぞれの流路状態を示しており、（ａ）から（ｅ）の流路状態について順番に説明する。この洗浄シーケンスにおいて洗浄が必要なのはサンプル注入動作時にサンプルが通過した流路である。また、サンプルループ１４は移動相によってサンプルが流されているので、本洗浄シーケンスにおける洗浄を必要としない。

はじめに図６（ａ）のようにドレイン部２２に試料注入装置１０の洗浄に利用するための洗浄液を設置する。この時、シリンジ１６はドレイン部２２と流路が形成されている。また、この洗浄シーケンスにおいてサンプルループ１４は常に送液流路１８に装着されている。

そして図６（ｂ）に示すように、シリンジ１６の吸引動作により洗浄液はシリンジ１６内部に注入される。その後、図６（ｃ）のように第２流路バルブ４０のローター部４４を右方向（反時計回り方向）に回転させて流路を切り替える。この時、シリンジ１６は第１流路切替バルブ３０の流路を介して廃液容器１２ａと流路が形成された状態となっている。すなわち、上述したサンプル注入動作においてサンプル容器１２（図６では廃液容器１２ａに置き換えている）からサンプルを吸引する際にサンプルが通過した流路（洗浄流路と呼ぶ）とシリンジ１６との間で流路が形成された状態となっている。

その後、図６（ｄ）に示されるようにシリンジ１６の押圧動作をすることでサンプル注入動作時にサンプルが通過した洗浄流路へ洗浄液を流す。この洗浄シーケンスにおいて洗浄流路を通過した洗浄液は、廃液容器１２ａへ排出される。そして図６（ｅ）のように第２流路切替バルブ４０を左方向に回転させることで初期状態に戻すことができる。

このように、本実施形態に係る試料注入装置１０における洗浄シーケンスでは、サンプル注入動作時にサンプルが通過した流路のみを洗浄することができるので、少ない洗浄液で効率良く洗浄流路の洗浄を行うことが可能となる。また、本実施形態ではさらに別の流路切替バルブを用意して洗浄シーケンスのために別途流路を形成する必要がないため、簡単な構成を維持したままで大容量のサンプル注入と洗浄を行うことが出来る。

以上のように本発明に係る試料注入装置１０は、特徴的な構造の第２流路切替バルブ４０を備え、第２流路切替バルブ４０のステーター部４２には正八角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴４６を設けるとともにローター部４４には３本の流路溝４８を設けて所定切替動作により流路を切り替えることで、所定の耐圧を有し、且つ、短時間間隔での大容量サンプルの連続注入が可能であるとともに簡単な構成で効率良く洗浄も行うことができる。

そして、本実施形態に係る試料注入装置１０および前記特徴的な第２流路切替バルブ４０は、高速液体クロマトグラフィーや超臨界流体クロマトグラフィー以外の他の分析装置に利用しても同様の効果を得ることが出来る。

１０ 試料注入装置
１２ サンプル容器
１２ａ 廃液容器
１４ サンプルループ
１６ シリンジ
１８ 送液流路
２０ デコンプ部
２２ ドレイン部
３０ 第１流路切替バルブ
３２ ステーター部
３４ ローター部
３６ 貫通穴
３８ 流路溝
４０ 第２流路切替バルブ
４２ ステーター部
４４ ローター部
４６ 貫通穴
４８ 流路溝

Claims (3)

1. 少なくとも内部にサンプルを有するサンプル容器と、分離カラムに注入するサンプルを一時的に保持するサンプルループと、サンプルを前記サンプル容器から吸引して前記サンプルループへ注入するシリンジと、移動相溶媒が送液ポンプによって前記分離カラム方向へ送液される送液流路と、を含み、前記サンプルループを前記送液流路へ装脱着可能に切り替える第１流路切替バルブと該第１流路切替バルブとともに前記シリンジの流路を切り替える第２流路切替バルブと、を備えた試料注入装置であって、
   前記第１流路切替バルブは、少なくとも前記サンプルループを送液流路に接続するために利用され、
   前記第２流路切替バルブは、サンプル容器からサンプルを吸引する流路ないしサンプルループ圧力開放機能を有するデコンプ部と、第１流路切替バルブとの間に設けられ、該サンプル容器からサンプルを吸引する流路またはデコンプ部のいずれか一方を選択して第１流路切替バルブに接続するために利用され、
   前記送液流路は前記送液ポンプによって加圧された移動相溶媒が分離カラムへ送液される流路であり、該送液流路は第１流路切替バルブまたは第１流路切替バルブおよびサンプルループを経由するものであり、且つ、第２流路切替バルブを経由せず、
   前記第１流路切替バルブおよび第２流路切替バルブは、２つのポジションへ切り替え可能な２ポジション切り替え機能を有し、
   前記第２流路切替バルブは、正八角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴を有するステーター部と該ステーター部と接触しながら回転して流路を切り替えるローター部を備え、
   前記ローター部は、３本の流路溝を有し、２個の貫通穴と１本の流路溝とが面して密着配置されることで流路が形成されることを特徴とする試料注入装置。
2. 請求項１に記載の試料注入装置であって、
   前記第１流路切替バルブは、正六角形を形成する頂点位置に６個の貫通穴を有するステーター部と３本の流路溝を有するローター部を備えたことを特徴とする試料注入装置。
3. 請求項１または請求項２のいずれかに記載の試料注入装置であって、
   当該試料注入装置は、高速液体クロマトグラフィーまたは超臨界流体クロマトグラフィーのサンプル注入に利用されることを特徴とする試料注入装置。