JP6954395B2 - 成分抽出装置 - Google Patents

Description

本発明は、超臨界流体を利用して試料から目的成分を抽出する成分抽出装置に関する。

超臨界流体は臨界点（臨界温度、臨界圧力）を超える温度及び圧力を有する流体であり、多くの物質に対して優れた溶解力を示すことから、農産物中の農薬成分の抽出や血液中の薬物成分の抽出等のための溶媒として用いられている（非特許文献１、特許文献１）。

超臨界流体を抽出溶媒とする成分抽出装置では、タンクに貯留された液化二酸化炭素等の抽出溶媒がポンプによって加圧された状態で試料容器に供給される。試料容器はオーブン内に収容されており、試料容器に供給された抽出溶媒は、そこで加熱されて超臨界流体となる。超臨界流体となった抽出溶媒は溶出力を獲得し、試料中から成分を抽出する。また、抽出された成分を含んだ抽出溶媒（超臨界流体）は試料容器から検出器に送られ、そこで成分の分析が行われる。

特開2005-172679号公報

「SFE 超臨界CO2残留農薬抽出システム - 日本分光株式会社」,[online], [平成27年9月10日検索], インターネット<URL:http://www.jasco.co.jp/jpn/product/SFE/sfe.html>

上記成分抽出装置では、複数の試料容器がオーブン内に収容されており、加圧された抽出溶媒はそれら複数の試料容器に同時に供給されるのではなく、１つずつ供給されていく。そして、全ての試料容器に抽出溶媒が供給され、加熱及び抽出のために所定時間保持された後、１つずつ検出器に送られ、分析が行われる。このため、試料容器によって加熱開始から分析までの時間、すなわち加熱時間が異なることになる。

二酸化炭素の臨界温度は約31℃であり、比較的低温であるものの、試料から抽出される成分が熱安定性の低い物質である場合には、加熱時間が長くなると変性したり、分解したりする。このため、加熱時間が異なると、それによって成分の分析結果が異なるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、超臨界流体を用いて試料から成分を抽出する装置において、抽出溶媒を超臨界状態にするための加熱による抽出成分の分析結果のばらつきを防止することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、
試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
a)複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
b)前記容器ラックが載置される載置部と、
c)前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
d)前記複数の加熱ブロックのそれぞれの温度を検出する温度センサと、
e)前記複数の温度センサの検出結果に基づき前記複数の加熱ブロックをそれぞれ制御する加熱制御手段と
を備えることを特徴とする。

本発明によれば、容器ラックの試料容器保持部に保持された複数の試料容器内の試料から成分を抽出し、分析するタイミングに合わせて、複数の加熱ブロックの加熱開始及び加熱停止並びに温度調節をそれぞれ行うことができるため、複数の試料容器中の試料から抽出した成分の分析結果のばらつきを防止することができる。

本発明の一実施形態である成分抽出装置の概略構成図。 試料容器が収容された容器ラック及びラック載置台の斜視図。 キャップが装着された試料容器が収容された容器ラック及びラック載置台の斜視図。 ラック載置台の下面の構造を示す、保持部材からプレヒートコイルを取り出した状態の斜視図。 ラック載置台の下面図（ａ）、及びプレヒートコイル及び保持部材を取り外した状態の下面図。 ラック載置台の載置部に容器ラックが案内される様子を示す図。 本実施形態に係る成分抽出装置のスタティック抽出時の流路構成を説明する概略図。

本発明に係る成分抽出装置の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の成分抽出装置の概略構成図である。この成分抽出装置１０は、4個の試料容器１１を収納可能な容器ラック１２と、該容器ラック１２の下部に配置された加熱ブロック１７１（図３参照）と、容器ラック１２の上部に配置された、流出ニードル１５を左右及び上下方向に移動させるニードル移動機構１６と、容器ラック１２が載置されるラック載置台１７とを備えている。試料容器１１は、円筒状の本体１１１と、その上端部に固定された蓋部１１２から構成されており、試料容器１１の下端部中央、及び上端中央部にはそれぞれ流入口及び流出口が形成されている。

ラック載置台１７には、容器ラック１２に収納された試料容器１１の流入口に挿入される4個の流入ニードル１３が保持されている。これら4個の流入ニードル１３は、流路切換バルブ１９の4個のポートにそれぞれ接続されている。流路切換バルブ１９の1個のポートには、二酸化炭素ボンベ２０と、そこから流出する二酸化炭素を加圧して流入ニードル１３に供給する加圧ポンプ２１、並びにモディファイア（修飾剤）を供給するモディファイアポンプ２２が接続されている。ニードル移動機構１６には、流路切換バルブ２５を介して、背圧調整弁２６とトラップカラム２７、分取容器（フラクションコレクタ）２８がこの順に接続されている。流路切換バルブ２５にはまた、溶出用ポンプ２９を介して溶出用溶媒容器３１が接続されている。さらに、流路切換バルブ２５と背圧調整弁２６を繋ぐ流路には、流路切換バルブ１９の1個のポートに一端が接続された流路の他端が接続されている。

成分抽出装置１０には、ニードル外周洗浄ポート３５及びニードル内面洗浄ポート４５が配置されている。ニードル外周洗浄ポート３５にはリンスポンプ３６を介してリンス液容器３７が接続されている。ニードル内面洗浄ポート４５は流路切換バルブ１９の1個のポートに接続されている。
成分抽出装置１０が備える加熱ブロック１７１、ニードル移動機構１６、及び流路切換バルブ１９、２５等は、コンピュータから成る制御部３９により制御される。

次に、容器ラック１２及びラック載置台１７の構造について図２〜図５を参照して説明する。
容器ラック１２は、矩形板状の保持部材１２１と、該保持部材１２１の一端に設けられた把持部材１２２とから構成されている。保持部材１２１には４個の穴が形成されており、各穴に金属製の円筒状部材１２４が嵌め込まれている。円筒状部材１２４が本発明の試料容器保持部及び熱伝導部材に相当する。円筒状部材１２４の底部は容器ラック１２の下面に露出しており、その中央には細孔（図示せず）が形成されている。試料容器１１が円筒状部材１２４に挿入されたとき、該試料容器１１の流入口は前記細孔と対向するようになっている。また、円筒状部材１２４に挿入された試料容器１１の上端部にはねじ込み式のキャップ１２５が装着されるようになっている。これにより、円筒状部材１２４に挿入された試料容器１１が該円筒状部材１２４から抜け出ることが阻止される。キャップ１２５には、試料容器１１の流出口に対応して開口１２５ａが形成されている。容器ラック１２に収容された試料容器１１の流出口には、該開口１２５ａを通して流出ニードル１５が挿入される。

一方、ラック載置台１７は、平面視形状が容器ラック１２よりも大きい矩形状の板部材１８と、その四辺部のうちの３つに取り付けられた側壁１８１〜１８３とから成る（図２では側壁の図示を省略する）。側壁１８１〜１８３が設けられていない部分（図３における右端部分）がラック載置台１７への容器ラック１２の挿入口となる。ラック載置台１７の上面には、容器ラック１２の保持部材１２１に対応する形状の浅い窪みから成る載置部１７０が、挿入口の反対側に寄せて形成されている。ラック載置台１７には４個の加熱ブロック１７１が固定されている。これら加熱ブロック１７１は、ラック載置台１７の上面及び下面に跨って固定されており、ラック載置台１７の上面ではリング状に、下面では矩形板状に構成されている。各加熱ブロック１７１の中央には孔が空いており、この孔に、被覆板１７８に固定された流入ニードル１３の一端部が配置されている。載置部１７０に容器ラック１２が載置されたとき、各円筒状部材１２４の底部が各加熱ブロック１７１の上面に当接する。このとき、各流入ニードル１３の一端が各円筒状部材１２４に保持された試料容器１１の流入口に挿入される。

また、ラック載置台１７の下面にはプレヒータ１４が取り付けられている。４個の加熱ブロック１７１のうちラック載置台１７の下面に位置する箇所には、それぞれヒータ１７５及び温度センサ１７６が取り付けられている。上述の制御部３９は、各温度センサ１７６の検出結果に基づいて各ヒータ１７５をオン、オフし、各加熱ブロック１７１が所定の温度になるように調節する。従って、本実施形態では、ヒータ１７５、制御部３９が加熱制御手段を構成する。

プレヒータ１４は、載置台１７の下面に取り付けられた収容部１４１と該収容部１４１に収容されたプレヒートコイル１４２から構成されている。プレヒートコイル１４２の外周には、流路切換バルブ１９と流入ニードル１３の間の流路を構成する導管１４３が巻回されている。これにより、加圧ポンプ２１によって二酸化炭素ボンベ２０から引き出され、加圧された二酸化炭素（抽出溶媒）と、モディファイアポンプ２２によって容器から引き出されたモディファイアは、試料容器１１に流入する前に加熱される。

また、載置台１７の下面には、４個の加熱ブロック１７１を覆う被覆板１７８が取り付けられている。この被覆板１７８には前記流入ニードル１３の他端部が取り付けられている。

なお、載置台１７の挿入口の両側の側壁１８１、１８３は、その間隔が挿入口側よりも載置部１７０側の方が狭く設定されている。このような構成により、図６（ａ）に示すように、載置台１７の間口の広い挿入口に容器ラック１２を置き、挿入すると、該容器ラック１２は挿入口の両側の側壁１８１、１８３に倣い、載置部１７０に向かって移動する（図６（ｂ）及び（ｃ）参照）。

上述の成分抽出装置１０では、試料容器１１内の試料から成分を抽出する際は、該試料容器１１を容器ラック１２に収容するとともに、試料容器１１の上端にキャップ１２５を装着する。そして、この容器ラック１２を装置内に挿入し、載置台１７の挿入口側に載置すると、上述したように、容器ラック１２は載置台１７の側壁に案内されて載置部１７０の上に移動する。これにより、容器ラック１２の円筒状部材１２４が加熱ブロック１７１の上に配置されるとともに該円筒状部材１２４に収容された試料容器１１の流入口に流入ニードル１３の一端部が入り込む。このとき、流路切換バルブ１９及び２５は図１に破線で示す状態に設定されている。

続いて、流路切換バルブ１９及び２５を図１に実線に示す状態に切り換えると共に、背圧調整弁２６を所定の圧力（たとえば、二酸化炭素の超臨界流体の臨界圧力である約7MPa以上の圧力）に、プレヒートコイル１４２を所定の温度（たとえば、二酸化炭素の超臨界流体の臨界温度である約31℃以上の温度）に設定しておき、加圧ポンプ２１で二酸化炭素を試料容器１１に送給する。また、モディファイアポンプ２２により極性溶媒（メタノール、エタノールなど）である修飾剤（モディファイア）を試料容器１１に送給する。すると、二酸化炭素は超臨界状態となって優れた溶解性を示すため、試料容器１１内の試料を溶解する。また、超臨界流体が試料容器１１に流入するタイミングに合わせて各加熱ブロック１７１のヒータ１７５を作動させておき、加熱ブロック１７１を所定温度に加熱しておく。これにより、加熱ブロック１７１の熱が容器ラック１２の円筒状部材１２４に伝導され、容器ラック１２に保持された試料容器１１が加熱される。このため、試料容器１１内に流入した超臨界流体は臨界状態が維持される。以上により、試料容器１１内の試料から成分が抽出される。

成分を含んだ超臨界流体は、流出ニードル１５から流路切換バルブ２５を経由してトラップカラム２７に流入する。その直前で背圧調整弁２６を通り抜けているため、超臨界状態の二酸化炭素はここで超臨界状態ではなくなって気体となり、溶解力を喪失する。これにより、試料から抽出した成分はトラップカラム２７に残る。その後、流路切換バルブ２５を切り替え、図１の点線の状態にして、トラップカラム２７に溶出用ポンプ２９を介して溶出用溶媒容器３１内の溶媒を送ることにより、トラップされた成分を分取容器（フラクションコレクタ）２８に収容する。こうして採取した成分溶液をクロマトグラフで分析することにより、成分の分析が行われる。

別の試料容器１１の試料中の成分分析を行う場合は、加圧ポンプ２１の作動を停止し、流出ニードル１５をニードル移動機構１６で別の試料容器１１の流出口に移動し、挿入する。また、流路切換バルブ１９を切り換えて、別の試料容器１１に対応する流入ニードル１３を加圧ポンプ２１及びモディファイアポンプ２２と接続する。さらに、別の試料容器１１に対応する加熱ブロック１７１を加熱するヒータ１７５の作動を開始して、上述した手順で成分の抽出から分析までの処理を行う。これと同時に、サンプルの分析が終わった試料容器１１に対応する加熱ブロック１７１を加熱するヒータ１７５の作動を停止する。

以上により、試料容器１１に連続的に溶媒（超臨界流体及びモディファイア）を流入させて試料から成分を抽出（いわゆる「ダイナミック抽出」）し、該成分をトラップカラム２７を経て分取することができる。一方、試料容器１１に一旦溶媒を満たし、静置した状態で溶媒に試料から成分を溶かし出して抽出（いわゆる「スタティック抽出」）する場合は、流路切換バルブ１９及び２５を図７に示す状態にする。この状態では、超臨界流体及びモディファイアは流出ニードル１５から試料容器１１に流入する。

このように本実施形態の成分抽出装置によれば、試料から成分を抽出するタイミングに応じて各加熱ブロック１７１を加熱することができるため、容器ラック１２に収容されている各試料容器１１の加熱時間を均一にすることができる。このため、各試料容器１１から抽出された成分分析の結果のばらつきを抑えることができる。

また、上記実施形態では、プレヒートコイル１４２を載置台１７の下面に取り付けたため、ダイナミック抽出の際、抽出溶媒が試料容器１１に流入する直前で臨界状態にすることができ、しかも、その状態を維持したまま試料容器１１に流入させることができる。
尚、本発明は上記した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で適宜の変更が可能である。

１０…成分抽出装置
１１…試料容器
１２…容器ラック
１２１…保持部
１２２…把持部
１２４…円筒状部材（試料容器保持部）
１２５…キャップ
１３…流入ニードル
１４…プレヒータ
１４１…収容部
１４２…プレヒートコイル
１４３…導管
１５…流出ニードル
１６…ニードル移動機構
１７…ラック載置台
１７１…加熱ブロック
１７５…ヒータ
１７６…温度センサ
１９、２５…流路切換バルブ
３９…制御部

Claims (7)

1. 試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
   試料容器が挿入される複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
   前記容器ラックが載置される載置部を有するラック載置台と、
   前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
   超臨界流体が前記試料容器に流入するタイミングに合わせて、超臨界流体が流入する前記試料容器に対応する加熱ブロックの加熱を開始するように、前記加熱ブロックを制御する加熱制御手段と、
   前記載置部に取り付けられたプレヒータとを備え、
   該プレヒータの周りに、超臨界流体を前記試料容器に供給するための流路が巻回されていることを特徴とする、成分抽出装置。
2. 前記試料容器保持部が、前記容器ラックに固定された熱伝導部材を備えており、
   前記容器ラックを前記載置部に載置したときに前記熱伝導部材と前記加熱ブロックが熱的に接触することを特徴とする請求項１に記載の成分抽出装置。
3. 試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
   試料容器が挿入される複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
   前記容器ラックが載置される載置部を有するラック載置台と、
   前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
   超臨界流体が前記試料容器に流入するタイミングに合わせて、超臨界流体が流入する前記試料容器に対応する加熱ブロックの加熱を開始するように、前記加熱ブロックを制御する加熱制御手段と、を備え、
   前記試料容器保持部の底部は前記容器ラックの下面に露出し、その中央には細孔が形成され、前記試料容器が挿入されたとき前記試料容器の流入口は前記細孔と対向するように構成され、
   前記加熱ブロックはリング状に形成されることで中央には孔が空いており、当該孔に、超臨界流体を流入するための流入ニードルの一端部が配置され、前記載置部に前記容器ラックが載置されたとき、前記試料容器保持部の底部が前記加熱ブロックの上面に当接するとともに、前記流入ニードルの一端が前記試料容器保持部に保持された前記試料容器の流入口に挿入されるよう構成されている、成分抽出装置。
4. 試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
   試料容器が挿入される複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
   前記容器ラックが載置される載置部を有するラック載置台と、
   前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
   超臨界流体が前記試料容器に流入するタイミングに合わせて、超臨界流体が流入する前記試料容器に対応する加熱ブロックの加熱を開始するように、前記加熱ブロックを制御する加熱制御手段と、を備え、
   前記試料容器保持部に挿入された前記試料容器の上端部に、ねじ込み式のキャップが装着され、前記試料容器が前記試料容器保持部から抜け出ることが阻止されるよう構成されており、
   前記キャップには前記試料容器の流出口に対応して開口が形成され、前記容器ラックに収容された前記試料容器の流出口に、前記開口を通して、超臨界流体を流出するための流出ニードルが挿入されるように構成されている、成分抽出装置。
5. 前記ラック載置台は、平面視形状が前記容器ラックよりも大きい矩形状の板部材と、前記板部材の四辺部のうちの３つに取り付けられた側壁とを含み、前記側壁が設けられていない部分が前記ラック載置台への前記容器ラックの挿入口となっている、請求項１から４のいずれかに記載の成分抽出装置。
6. 試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
   試料容器が挿入される複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
   前記容器ラックが載置される載置部を有するラック載置台と、
   前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
   超臨界流体が前記試料容器に流入するタイミングに合わせて、超臨界流体が流入する前記試料容器に対応する加熱ブロックの加熱を開始するように、前記加熱ブロックを制御する加熱制御手段とを備え、
   前記ラック載置台は、平面視形状が前記容器ラックよりも大きい矩形状の板部材と、前記板部材の四辺部のうちの３つに取り付けられた側壁とを含み、前記側壁が設けられていない部分が前記ラック載置台への前記容器ラックの挿入口となっており、
   前記ラック載置台の前記挿入口の両側の側壁は、その間隔が前記挿入口側よりも前記載置部側の方が狭く設定されており、前記ラック載置台の前記挿入口に前記容器ラックを置き、挿入すると、前記容器ラックが前記挿入口の両側の前記側壁に倣い、前記載置部に向かって移動するように構成されている、成分抽出装置。
7. 試料中の成分を超臨界流体に溶出させることにより該試料から成分を抽出する成分抽出装置において、
   複数の試料容器保持部を有する容器ラックと、
   前記容器ラックが載置される載置部と、
   前記載置部の載置面のうち、前記複数の試料容器保持部に対応する部位にそれぞれ固定された加熱ブロックと、
   前記複数の加熱ブロックのそれぞれの温度を検出する温度センサと、
   前記複数の温度センサの検出結果に基づき前記複数の加熱ブロックをそれぞれ制御する加熱制御手段と、
   前記載置部に取り付けられたプレヒータとを備え、
   前記プレヒータの周りに、超臨界流体を前記試料容器に供給するための流路が巻回されている、成分抽出装置。
   

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