JPH01269053A - 超臨界流体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超臨界流体クロマトグラフ（５ｕｐｅｒｃｒ−
ｉｔｉｃａｌ　Ｆｌｕｉｄ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐ
ｈｙ、　Ｓ　Ｆ　Ｃ）に関するものであり、特に、高分
解能で試験所要時間が短い超臨界流体クロマトグラフシ
ステム（ＳＦＣシステム）に関する。

〔従来技術とその問題点〕

分析化学においては、液体クロマトグラフおよびガスク
ロマトグラフ技術が化学試料成分の同定混合物を多孔質
保持媒体（ｐｏｒｏｕｓ　ｒｅｔｅｎｔｉｖｅ　ｍｅ−
ｄｉａ）等を用いて移動流体内を輸送することにより個
々の成分に分離することである。移動流体は移動相と言
い、保持相は固定相と呼ばれる。液体クロマトグラフと
ガスクロマトグラフの相違の一つは移動相がそれぞれ液
体であるか気体であるかということである。

たとえば、ガスクロマトグラフを考える。典型的には、
不活性キャリアガス（移動相）が多孔質収着性媒体（固
定相）を含む加熱されたカラムを通る流れとして連続的
に供給される。測定対象の試料混合物を移動相の流れに
注入し、カラムを通過させる。検出器は、カラムの出口
端部に設置されており、分離された各成分をカラムより
流出するとき検出する。分離は主として各試料成分のカ
ラム温度での揮発性（ｖｏｌａｔｉｌｉｔｙ）の相違に
よって生じる。

液体クロマトグラフとガスクロマトグラフの技術のいず
れを選択するかは分析される化合物の分子量に大きく依
存する。液体クロマトグラフはガスクロマトグラフより
はるかに重い化合物の分析に適している。ただし、ガス
クロマトグラフの検出技術の方がより敏感であることに
より好ましい。

超臨界流体クロマトグラフィー（ＳＦＣ）の進歩により
高感度とより重い分子量の試料成分を分析できる等のガ
スクロマトグラフィーの利点と液体クロマトグラフィー
の利点との間にポテンシャルなブリッジを与えることと
なった。ＳＦＣでは、その臨界点以上に加熱された流体
を移動相として使用する。このような流体はある圧力下
で試料成分を個別に保持する媒体を通る。移動相の圧力
を、たとえば約４０気圧（ＡＴＭ）から約４００気圧ま
で、増加させると、分析対象の試料は各成分の移動相に
対する溶解度の相対的差異によりその様々な成分に分離
する。移動相は気体であるので、ガスクロマトグラフの
検出器を利用することができ、検株 出感度及び選択桂の向上を高めることができる。

ＳＦＣは簡単にはガスクロマトグラフィーをもっと分子
量の大きい成分まで拡張したものと見ることができる。

ＳＦＣは主として、中程度の分子量の同族列（分子量１
００から１０．０００）および、農薬や薬剤等の熱的に
不安定な分子の分析に有用であることがわかっている。

しかし、分析時間と分解能とに伴う問題のため、分析の
ツールとしてのＳＦＣはその可能性を完全には発揮して
いない。本明細書で用いる「分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉ
ｏｎ）　Ｊという語はＳＦＣクロマトグラエ ムに現れる成分ピークのＸ別（ｄｉｓｔｉｎｃｔｉｖｅ
ｎｅｓｓ）を意味する。クロマトグラムはＸＹプロッタ
または他のレーダをクロマトグラフ検出器に接続するこ
とにより作られる検出器出力信号対時間のグラフであっ
て、ピークは成分の検出を示している。

元来、ＳＦＣシステムは液体クロマトグラフに使用して
いるものと同じ媒体が充てんされている充てんカラムを
使用していた。しかしながら、圧力低下が大きいこと、
効率の低いこと、および媒体の安定度が小さいことに関
する問題から、固定相として充てんカラムの代りにキャ
ピラリ・カラムを使用することが一般的に受入れられて
きている。固定相がコーティングされたキャピラリを使
用するＳＦＣシステムを一般にキャピラリＳＦＣシステ
ムと言う。この種のシステムにふいて本発明は有益であ
る。

第１図に従来のキャピラリＳＦＣシステムを示す。移動
相の流体はポンプに供給され、次にポンプはこの流体を
インジェクタに供給する。分析対象の試料は移動相に注
入され、この混合物がスプリッタに供給される。キャピ
ラリＳＦＣは、１０ナノリツトルの程度の極めて小さい
体積を用いることから、スプリッタを組込んで許容体積
の混合物だけを確実に分析するためキャピラリへ通過さ
せる。ＳＦＣは静止的あるいはプログラム的にダイナミ
ックの圧力状態等、予め決定された圧力状態で動作する
ことにより、リストリクタをキャピラリの出口とスプリ
ッタの分析されない出力とに設置し、質量の流れ（ｍａ
ｓｓ　ｆｌｏｗ）を制限する。キャビラ！ＪＳＦＣシス
テムの圧力はポンプで制御される。キャピラリ・リスト
リクタの出力は検出器へ流入する。前述したように、こ
の検出器は、水素炎イオン化検出器（Ｆ　Ｉ　Ｄ）等の
ガスクロマトグラフの検出器が好ましい。検出器の出力
である電圧信号はＸＹプロッタまたは成る形式のチャー
ト・レコーダに印加され、検出器出力対時間のグラフを
出力する。たとえば、ポンプ圧力を一定の割合で増加さ
せる等、圧力は時間と共に変化するので、ＳＦＣクロマ
トグラムは検出器出力対圧力をも反映している。

スプリッタ設定とリストリクタはナノリットル等のキャ
ピラリ体積が維持されるような流量比を生成する機能を
有することが理解されている。この比はスプリット比と
も言う。

前述したとおり、ＳＦＣは実質上ガスクロマトグラフよ
り速度が遅く、分解能が低いのでその最大の可能性を発
揮していない。同じ直径のカラムで同じ理論効率（すな
わち、理論段数の数）では、ＳＦＣシステムはガスクロ
マトグラフより約１０００倍遅い。内径が更に小さいキ
ャピラリを使用しても、ＳＦＣはキャピラリ・カラムが
より大きいキャピラリ・カラムを用いるガスクロマトグ
ラフと比べても、約２００倍遅い。ＳＦＣシステムに関
する時間の問題を解決するため、代表的により小さい直
径のカラムで操作すること、また、しばしば最適な線速
度で試験サイクル中に圧力を異なるレートで増加させる
等、圧力プログラムの変更を試みた。残念ながら、この
方法では従来のＳＦＣシステムの分解能をかなり低下さ
せてしまう。第２図はこのような分解能が劣化したこと
を示す一例である。分解過程の後半では明確に検出すべ
きピーク（破線で示す）は信号が集まってしまい、これ
らのピークを失ってしまう。

このような分解能の低下の主な原因はプログラムされた
圧力スケームやシステム設計が移動相の溶液の線速度（
ｌｉｎｅａｒ　ｖｅｌｏｓ＋ｔｙ）に関係していること
が影響を及ぼす。以前は圧力がプログラムされた試験中
キャピラリの線速度は一定であると考えられていた。し
かし、これは正しくないことがわかった。一般に確認さ
れなかった点は、線速度が増加するにつれてＳＦＣの効
率がかなり低下するということである。ＳＦＣで最も広
く使用されているキャピラリ・カラムの内径は５０μｍ
である。

代表的な溶質拡散係数は約Ｉ　Ｘ　１０−’ｃｕｔ／　
ｓである。

ゴーレイの式（Ｇｏｌａｙ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）を使用
すれば、気体の非理想性を補正しない場合に、理論段数
対カラムの線速度の簡単なグラフを得ることができる（
第３図参照）。第３図では、線速度の増加と共にカラム
効率がかなり低下することがみられる。

特に、ポンプ圧力が増加するとリストリクタ両端間の圧
力低下が増加する。リス）　ＩＪクタの間の圧力降下が
増加すると流れ（ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ）が増加する。移
動相の密度と粘度がすべての圧力において一定であれば
、流れは圧力に正比例して増加する。

しかし、密度と粘度および二つの比が圧力と共に一定で
なく、大きく変化する。圧力の組合せと密度対粘度の比
の組合せは典型的な圧カプログラム損保で現れる圧力範
囲において流れ（ｍａｓｓ　ｆｌｏｖｉ）は膨大に増加
する可能性があることを意味する。

圧力の増加は同時にカラム密度（ｃｏｌｕｍｎ　ｄｅｎ
ｓ−ｉｔｙ）を増加させる。これは一定の流れの流量（
ｍ−ａｓｓ　ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ）においてカラムの線
速度を低下させ、リストリクタを通る流れが非常に増加
することを還元させる。ただし、８０気圧から４００気
圧（ＡＴＭ）までのプログラミングでは流量を５０倍以
上、カラムの線速度を１０倍以上増加させる可能性があ
る。このような増加は、成分がキャピラリ内に保持され
る時間（保持時間）とクロマトグラムのピーク幅を減少
させることができるが、分解能も低下させてしまう。

したがって、キャピラリＳＦＣでは特に圧力プログラム
で操作を行う際、キャピラリの線速度と圧力とを個別に
制御する重大な必要性がある。従来の装置では圧力また
は密度だけを制御していた。

線速度を独立に調節すればカラム効率と分解能を一定に
することができ、クロマトグラムの異なる部分で速度と
分解能とのトレードオフ（ｔｒａｄｅ−ｏｆ　ｆ）も調
整することができる。

ＳＦＣにおける溶質の拡散係数はＩ　Ｘ　１０−’Ｏｆ
ｆ！／秒の程度であるから、キャピラリ・カラムを通る
移動相の最適な速度は０．１から０．５ｃｍ／秒の範囲
であることがわかる。より高い線速度は、クロマトグラ
フの分解能を低下させ、性能を劣化させる。

長さ１０ｍで内径５０μｍのカラムを用いるクロマトグ
ラフの高度な分解能のため、最大の線速度は１００ｍ／
秒以上にならないように設定する。これらの制限下では
移動相の流れの流量は０．５Ｘ１０−６から１０００ｘ
　１０−６ｇ　／秒の間となる。周知のとおり、このよ
うな最適線速度はＶａｎ　Ｄｅｅｍｔｅｒプロット（Ｖ
ａｎＤｅｅｍｔｅｒ　ｐｌｏｔｓ）を用いて求めること
ができる。

移動相の密度は圧力と共に増加するので、カラム（キャ
ピラリ・カラム）の線速度を一定に保つためには、 により流れを増加させなければならない。ここで■はカ
ラム内における平均線速度をＣ１１７秒で表わしたもの
、Ｆは流量をｇ／秒で表わしたもの、ρはカラム内にお
ける移動相の密度をｇ　／　ｃｕｔで表わしたもの、Ａ
はカラムの断面積をｃｉで表わしたちのである。第１図
に示したものと同じＳＦＣシステムの理想的な流れ制御
装置（ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ　ｃｏｎｔｒ−ｏｌ　１ｅｒ
）は流量をヘッド（ポンプ）圧力に関係なく線速度を増
加させ、一定に維持し、あるいは減少させるために流量
を調整する。

現存する調整可能な機械的な流れ制御装置は大きい死容
量（ｄｅａｄ　ｖｏｌｕｍｅ）を有する傾向にある。

キャピラ’ＪＳＦＣのカラムの出力可能な溶質のピーク
体積（カラム出口で溶質の９９％を含む移動相の体積）
は　１００ｎｌ　（ナノリットル）未満であるので、分
離を劣化させないため流れ制御装置の死容量は２００１
未満でなければならない。加えて、キャピラ！ｌ５ＦＣ
のための流れ制御装置は通常、温度が極めて高くなりつ
るガスクロマトグラフ検出器のベースの内部に取付けな
ければならない。代表的な温度は２００°から４００′
で、８００℃にさえなることもある。流れ制御装置はこ
の温度範囲において動作することができなければならな
い。従来では、所望の特性を備えた実行可能で調整がで
きる流れ制御装置を得られなかった。

調整可能な流れ制御装置が欠落していることにより、ピ
ンホールまたは長さ５から２０ＣＩ１１内径４から１０
μｍの管等の固定された幾何学的形状寸法が一定のりス
フリフタが広く使用されている。ショート・ツー・ロン
グ（ｓｈｏｒｔ−ｔｏ−１ｏｎｇ）の内側テーバ部分を
備え、ピンホールまで延伸されたキャピラリ管も広く使
用されている。

しかしながら、リストリクタが異なれば動作条件に応じ
て流れの特性も異なる。その結果、異なる動作条件に対
して同様な効率で操作が望まれる場合にはリストリクタ
を変えなければならない。

リストリクタを変えなければ、試験接作中カラム圧力が
増加すると、線速度は最初、わずかに減少し、続いて急
速に増加する。圧力が増加するにつれて、特性の異なる
（たとえば、長さや内径の異でいた。

〔発明の目的〕 本願発明の目的は、上述の問題点を解消し、実質上効率
が−様な超臨界流体クロマトグラフ・システムを提供す
ることにある。

更に、最大の分解能でより短い分析時間で実施可能な超
臨界流体クロマトグラフ・システムを提供する。

また、本発明の他の目的はクロマトグラフ分析における
移動相の線速度を制御する方法と装置とを提供する。

本発明の別の目的は圧力が移動相の粘度および密度の特
性が変ることにより変化するクロマトグラフにおいて、
移動相の線速度変化を制御する方法と装置を提供する。

〔発明の概要〕

本願発明に係る超臨界流体クロマトグラフは、入口端部
と出口端部を有し、試料を各成分に分離させる固定相を
備えるカラムと、カラムの入口端部に導入する移動相導
入手段と、試料を入口端部に導入する前に前記移動相流
に注入する試料注入手段と、移動相を予め選択した圧力
でカラムを通過させる圧力手段と、カラムの出口端部に
設けられたリストリクタと、試料の分離された各成分を
カラムの出口端部で検出する検出手段と、移動相の線速
度を制御する線速度制御手段より構成され、る。更に、
線速度制御手段はリストリクタに熱を伝える加熱手段を
含み、リストリクタ内の移動相を加熱し、圧力手段が移
動相圧力を変化させる。

これにより、リストリクタ内の移動相の温度は変化し、
移動相の線速度を最適値に維持することが〔発明の実施
例コ 以下に本発明の一実施例を第４図から第８図に基づいて
詳述する。本実施例は図面で明らかなように超臨界流体
クロマトグラフ（Ｓｕｐｅｒｃｉｔｉｃａｌ　Ｐ−ｉｕ
ｉｄ　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ、　５ＦＣ）であ
る。

第４図に示すように、移動相流体は源１０からポンプ１
２に供給される。移動相はポンプ１２によっである圧力
下でインジェクタｒ４を通ってスプリッタ１６に供給さ
れる。分析する試料（図示せず）はインジェクタ１４に
より移動相の流れに注入される。

ポンプ１２、インジェクタ１４、スプリッタ１６、およ
び相互接続手段はすべて周知の技術で校正される。

本実施例の説明上、ポンプ１２がプログラム可能である
ことが好ましく、よって、移動相の圧力を所定の値に固
定し、試験操作中圧力を様々な割合で枚 増加するように変更させることができる。

スプリッタ１６は移動相／試料の混合物の一部をキャピ
ラリ１８に供給し、残留物は分析されない出力２０へ流
出させる。キャピラリ１８に供給される分と出力２０に
供給される分との比はスプリッタ比とト して知られている。スプリッタ比は分析されない出力に
流入した流れに対するキャピラリに流入した流れの比で
ある。

本発明の好適な一実施例では、キャピラリ１８は長さ１
０ｍで５０ミクロンの内径を有する。キャピラＩＪ　Ｓ
　Ｆ　Ｃでは移動相がキャピラリ中流れるとき移動相を
所定の圧力状態に設置しなければならないので、キャピ
ラリ１８の中の圧力をポンプ１２で制御することが知ら
れており、そうすることが望ましい。

圧力状態をキャピラリ１８内で維持しなければならない
ので、リストリクタ２２を既知の方法でキャピラリ１８
の出口端部に取付ける。好適な一実施例では、リストリ
クタ２２は内径が１０ミクロン未満、長さがｌｃｗ、外
径が約３００ミクロンのフユーズドシリ力のリストリク
タである。リストリクタ２２はまた検出器２４のベース
に固定されている。検出器２４は既知のどんな検出器で
もよいが、本実施例に基づく説明においては検出器２４
がガスクロマトグラフイー水素炎イオン化検出器である
ことが好ましい。本実施例における検出器２４の出力は
電圧信号で、プロッタ２６の人力に印加される。プロッ
タ２６は検出器出力電圧を時間軸で表わすチャート２８
を作成する。このようなチャートはクロマトグラムとし
て知られている。

ＳＦＣでは移動相をその臨界温度以上の温度まで加熱し
なければならないので、スプリッタ１６とキャピラリ１
８とリストリクタ２２は温度制御されたオーブン３０の
内部に設置される。移動相流体はキャピラリ・カラム内
でのみ超臨界状態になる必要がある。すなわち、キャピ
ラリだけをオーブン内に設置すればよいのであるが、ス
プリッタをも同様にオーブン内に設置することも可能で
ある。本発明では移動相の温度をその臨界温度以上に維
持できればどんな市販のオーブンをも使用することがで
きる。

第３図に基づいて説明したように、カラム効率は線速度
が増加すると共に減少する。本発明では、リス）　ＩＪ
クタ２２の内の移動相の密度および粘度の特性を利用し
たプログラムによる圧力操作中にキャピラリ内の移動相
の線速度はリストリクタ２２内の流体温度を調整するこ
とにより制御することができる。第４ｒＸＪに線速度を
制御する装置を示す。

リス）　Ｕフタ２２内の流体を加熱するヒータ３２を備
えており、これはリストリクタ２２と伝熱関係に取付け
られている。ヒータ３２により維持される温度は温度制
御器３４により調整される。

動作中はスプリッタ１６の内の圧力を維持しなければな
らないので、第２のリストリクタ３６を分析されない出
力２０に設置される。リストリクタ３６を通る流体の線
速度はリストリクタ３６と伝熱関係に設置される第２の
ヒータ３８により制御される。ヒータ３８により維持さ
れる温度は温度制御器４０により調整される。ガスクロ
マトグラフ検出器を本願発明と関連して使用するので、
リストリクタ温度をプログラムするためにある検出器の
ベース内に見い出される加熱域の使用が望まれる場合が
ある。

しかしながら、温度を制御可能に変化させるために現存
する加熱域を単に使用することは適当ではない。この加
熱域は移動相流体の温度上昇が早過ぎないよう充分に短
くなければならない。これが生ずる場合、移動相の密度
が溶質の溶解度と共に急激に低下する可能性がある。溶
質はリストリクタ内で損失する傾向があり、下流の検出
器に誤った結果を与え、更に、リストリクタを詰まらせ
てしまう。この現象を防ぐには加熱域ではできる限り短
くしなければならず、リストリクタの長さ、すなわち、
内部圧力降下の大部分が発生する長さと比較的良好に適
合していなければならない。加えて、リス）　ＩＪクタ
を取囲む加熱域の内部の直径はできる限り小さく、リス
トリクタと加熱域とが密接な接触を可能にしなければな
らない。温度の急激な変化に対しては加熱域の熱的質量
（ｔｈｅｒｍａｌｍａｓｓ）もできる限り小さくすべき
であり、こうすれば所要電力を制限するのにも役立つ。

加熱域とリストリクタの許容最大内径（ｍａｘｉｍｕｍ
ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ　［０）の短さ（５ｈｏｒｔｎｅ
ｓｓ）はリストリクタを通り流体に入る伝熱の制約によ
り決定される。リストリクタが非常に短ければ、必然的
に非常に小さい内径を有することになる。流体は非常に
短い時間しかリストリクタに接触しないことになる。カ
ラムの線速度が１０ｃｍ／秒であってもカラムの長さ１
　ｃｍにおける接触時間は１／１０秒である。

リストリクタの直径がカラム直径の１／１０であれば、
その体積と接触時間は１／１００秒である。線速度はリ
ス）　ＩＪクタの両端において膨張と共に５００倍も増
大するので、接触時間はマイクロ秒のｌ／１０あるいは
それ以下に降下する。

超臨界二酸化炭素ＣＯ２を加熱することに必要な電力の
大まかな測定より、好適な一実施例のリス）　ＩＪクタ
内の流体温度を上昇させるために平均的２．５ＸＩＯ−
３ワツト秒／ｇ″Ｋが必要であることがわかった。最悪
の場合の流れ（ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ）が約２００ｘ　ｔ
ｏ−’ｇ　／秒でカラムとリストリクタとの最大温度差
が７６０°であるとすれば、最悪の場合の所要伝熱は１
゛の上昇につき約２ミリワツトまたは温度を４０から８
００℃へ上昇させるために必要な約１．５ワツトの連続
的電力がある。この低い電力レベルでさえ極めて小さい
リストリクタの壁を通して伝達するのは難しい。リスト
リクタの長さの伝熱の計算より、外径３００μｍ、内径
１０μｍ、長さ１　ｃｍで、伝熱係数が１ワツ）／”Ｋ
−ｍのリストリクタは最大所要電力を流体に伝える通路
を可能にする。これはヒータがリストリクタの外表面と
緊密に接触（ｉｎｔｉｍａｔｅ　ｃｏｎｔａｃｔ）　し
ているものと仮定している。緊密な接触でない場合、付
加的な電力が必要になる。リストリクタの壁厚を減少さ
せるか長さを増加させることにより適切な伝熱が一層良
好に行われる。膨張は断熱（ａｄｉａｂａｔｉｃ）では
なく等温（ｉｓｏｔｈｅｒｍａｌ）により接近し、流量
の計算が幾分乱されるが、その影響は大きくない。

ある一定の温度条件のもとで、熱分解が発生することが
あるが、クロマトグラフィーは溶質がリストリクタに到
達する前に既に実施されているので主要な問題点は熱分
解生成物がリストリクタ内で失われるか否かということ
である。熱分解生成物をあまり重大な損失なしに検出器
まで輸送することができれば、おそらく適切なリスポン
スをまだ得ることができる。もちろん不安定な分子に関
する構造的情報はいくらか失われることになる。

非常に長いリストリクタは実質的にリストリクタ内部の
システム圧力のすべてを実質的に降下させる。これはリ
ストリクタ内部の流体密度が低くなることを意味し、溶
質が溶液から離れ易くなり（ｄｒｏｐ　ｏｕｔ）　、壁
面に固着するか粒子を形成する傾向にあり、これらはま
た検出器にスパイキングを生じさせる。長いリストリク
タは短い断熱膨張デバイスより等温的に動作する傾向が
ある。これは更にリストリクタに沿う任意の点において
密度と粘度を減少させる傾向にある。溶質の溶解度は減
少し、線速度が増加するので、したがって溶質の揮発性
も高くなる。溶媒粒子による検出器のスパイキングも減
少することになるが、溶質粒子によるスパイキングが増
す。揮発性と線速度が高くなるとより多くの溶質をリス
トリクタの壁部の代りに検出器へ運搬する傾向がある。

これはすべてこのようなリストリクタが可能な限り避け
るべきことを示唆するものである。適切な流量を得る最
短で最小内径のリストリクタを常に使用すべきである。

このことは更に加熱域の長さがリストリクタの長さに適
合するあるいは例えば、５倍以下の、リストリクタの長
さの成る小さな倍数以下であることを意味している。

第５図では、オーブンの壁絶縁体５０に固定されて熱ブ
ロック５２を示す。熱ブロック５２は中心にボア５４を
備えており、ボア５４の中に熱伝導アダプタ５６が設置
されている。アダプタ５６はその長さの一部に沿ってブ
ロック５２と緊密に接触し伝熱関係が得られるように設
置されている。アダプタ５６には４００ミクロン程度の
小さな直径を有するボア５８が中心に設けられている。

リストリクタ２２がその出口端部に取付けられるキャピ
ラリ１８は圧入シール（ｐｒｅｓｓ　ｆｉｔ　５ｅａｌ
）　　（図示せず）または他の適当な手段によりボア５
８の内部に保持される。熱は適切なボアに挿入された電
圧制御カートリッジ・ヒータ６０によりブロック５２に
与えられる。ブロック５２の温度を所望のレベルに確保
するためにセンサ６２（たとえばサーミスタ）が別のボ
ア６４に挿入される。ヒータ６０を制御するために使用
する電圧信号は温度制御器３４より出力される。詳細に
は図示してないが、温度制御器３４の回路はセンサ６２
から信号を受取り、ヒータ６０の出力を調整してここに
記した所望の温度に応じて熱をリストリクタの流体に印
加することができるどんな既知の設計のものでもよい。

第５図に示す本実施例の検出器はガスクロマトグラフ水
素炎イオン化検出器であるので、更に一連のボアを設け
て水素（ブロック５２のボア６６とアダプタ５６のボア
６８）や酸素（ボア７０）が導入される。第５図のボア
６８を通る水素の通路を必要とすることに注意しなけれ
ばならない。したがって、リストリクタの流体を加熱す
るのに必要な電力は伝熱損失を補償するため増加させな
ければならないことに留意すべきである。

次に本実施例に基づいてキャピラ！ＪＳＦＣにおける流
体の直線速度を制御する方法について述べる。再び、キ
ャピラＵ　Ｓ　Ｆ　Ｃにおける流体の線速度の制御は移
動相の粘度と密度を変化させるリストリクタ温度プログ
ラムによって達成される。

最初はリストリクタの温度を低くして始動させ、この温
度をカラム圧力が増加するにしたがって上昇させること
が望ましい。この方法はフユーズド・シリカ等の温度係
数（ｔｅｍｎｐｃｏ）の小さいリストリクタ材料を使用
する場合最も良好に達成することができる。なぜならば
、温度上昇と共に内径が増加すれば所望の効果が部分的
に無効になるからである。リストリクタの直径の変化は
一般に動作温度範囲を材料の融点で割ったものに関係す
る。それ故、フユーズド・シリカまたは白金等の融点が
非常に高いリストリクタ材料を使用し直径の変化を極力
小さくするのが望ましい。

最も有用なキャビラＩＪ　Ｓ　Ｆ　Ｃの条件では、リス
トリクタを通る流体の流れは層流である。この層流流体
流を示すリストリクタでは線速度対圧力が最悪の場合の
増加を示す。平均粘度を使用すればＰｏｌｓｅｉｌｌｅ
式（Ｐｏｉｓｅｉｌｌｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ）が適用さ
れる。以下にＰｏｌｓｅｕｉｌｌｅ式を示す。

ここではＰは気圧で表わしたシステム・ヘッド圧力であ
り、Ｌ　（Ｒ）はリストリクタの長さであり、η（Ｒ）
はリストリクタ内の平均流体粘度であり、ｒ　（Ｒ）は
リストリクタの半径であり、Ｋは変換常数であり、Ｖ　
（Ｒ）は体積で表わした流量（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ　
ｆｌｏｗ　ｒａｔｅ）である。

体積流量は質量で表わした流量（ｍａｓｓ　ｆｌｏｗ　
ｒａｔｅ）を密度で割ったものに等しいのでＰｏ　１ｓ
ｅｕ　ｉ　Ｉ　Ｉｅ式は次のように質量の流量と平均密
度との項で変換することができる。

ここでＦ　（Ｒ）はリストリクタ内の質量流れであり、
ρ（Ｒ）はリストリクタ内の平均密度である。

この（２）式では圧力とリストリクタまでの長さとの関
係を示す。成る温度での圧力と密度との関係がわかれば
リス）ＩＪクタ内の平均密度を正確に推定することがで
きる。

カラム内の移動相の線速度を求めるには、カラムの質量
流量と密度を知らなければならない。定常状態下では成
る一点を通る流れは他の一点を通る流れに等しくなけれ
ばならないので、カラムの流れはリストリクタの流れに
等しくなければならない。カラムの両端の圧力降下を無
視できると仮定すれば、カラム全体は同じ密度を有する
。カラムのヘッド圧力と温度とがわかれば、カラムの密
度Ｃｐ　　（Ｃ））はＢ１５ｅｖｉｅｒ　５ｃｉｅｎｔ
ｉｆｉｃ　ＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＣｏ、出版のＧａｓ　
Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ　（英語版のディストリビュ
ータ、ニューヨーク州ニューヨーク市のＢ−Ｉｓｅｖｉ
ｅｒ　／　Ｎｏｒｔｈ−Ｈｏｌｌａｎｄ社）より、以下
の式から求められる。

ここで丁はカラムの平均線速度であり、Ａはカラムの断
面積である。

定常状態では、 Ｆ　（Ｃ）　＝Ｆ　’（Ｒ）　　　　　　　　　　　（
４）であるから、体積流れと圧力とに対する前述の式を
使用して、線速度に関して次の式に到達することができ
る。

簡単にし、且つ常数を組合せれば が得られる。カラムとリストリクタの寸法は常数に゛の
中に含まれる。リス）　＋Ｊクタの温度を変えてρ（Ｒ
）／η（Ｒ）がＰ／ρ（Ｃ）に逆比例する効果をもたせ
ると、圧力が増加してもカラムの線速度は一定のままで
ある。密度と、更に少い程度ではあるが、速度とは圧力
と共に変化するので、このような条件を見出す最も簡単
な方法はグラフ化である。（ρ（Ｒ）／η（Ｒ））（Ｐ
／ρ（Ｃ））の変化はＣ０２移動相に対してその臨界温
度の上まで計算されており、多数のカラムおよびリスト
リクタの温度についてＰに対してプロットされている。

これら各種の線速度を計算するに際しては前述の文献に
示されている粘度と密度のレベルを利用するのが有利で
ある。

式（６）を使用して所望の線速度を計算するため、圧力
とキャピラリ温度が既知であることにより、カラム密度
ρ（Ｃ）を計算することができる。同様に、リストリク
タの密度ρ（Ｒ）を計算することもできる。しかし、粘
度は非理想的に圧力と温度両方の関数であるから計算で
きる正確さは低い。

もっと扱いやすい方法はρ（Ｒ）／η（Ｒ）対圧力（Ｐ
）の比の表を複数の温度点について作成することである
。表の値の間の温度に対しては外挿が必要である。好適
な一実施例では（図示してはいないが）、コンピュータ
を使用すれば、作成した表のデータはデータを様々な非
線形「最も適した」非線形で数学的還元の形式で表わす
ことにより外挿が可能である。単純な線形外挿はデータ
が外挿の領域内で極めて非線形でない限り満足できる。

ＣＯ２移動相に対する計算の結果を第６図および第７図
だに示し、これらは単一のカラム温度より得た結果であ
る。４０から２００℃の間のカラム温度の範囲は移動相
としてＣＯ２を使用するキャビラＩＪ　Ｓ　Ｆ　Ｃにお
ける有用な密度範囲のほとんどを包含する。線速度の実
際の値はリストリクタとカラムとの寸法を組合せたに°
によって変化する。

適切なリス）　ＩＪクタ温度を求めて圧力変化中力ラム
の線速度を一定に保つために、次式を利用して温度に対
して解いた。

ρ（Ｃ）／Ｐ＝Ｋ”　（ρ（Ｒ）／η（Ｒ））　　（７
）ただし、所望の線速度を生ずる最初の温度を求めるに
は特定の圧力で所定の線速度における温度について式（
６）を解かなければならない。ρ（Ｒ）とη（Ｒ）とは
独立に変化することができないことに留意すべきである
。

様々な線形圧力勾配の期間中のカラムの線速度を一定に
保つために必要な温度対時間プロフィルを第８図に示す
。このデータは第６図および第７図に関して作った表（
図示せず）よりそれらリストリクタ温度を探し、式（７
）を解くことによって得たものである。これは特定のρ
　（Ｒ）／η（Ｒ）が圧力プログラム期間中Ｐ／ρ（Ｃ
）の変化を正確にオフセットする温度を見出すことによ
り行った。これら曲線は８０から　４００気圧まで２．
５から１０気圧／分の傾斜割合の圧力プログラムをキャ
ピラリ内の４０℃のＣＯ２移動相と共に使用する第４図
に示すものと同様のキャピラリＳＦＣシステムで線速度
を一定に維持するのに必要な温度プログラムを示してい
る。密度が圧力と共に非常に急激に変化する８０気圧付
近で成る比較的小さな非線形擾乱があり、その後は、温
度対時間プロフィルは極めて線形でありその傾斜は５〜
ｂ これら温度は急激には変化せず、その温度制御帯域は非
現実的に狭い。

温度は速度／分解能のトレードオフを最適化し、分析を
実施するため、操作の異なる部分においてカラムの線速
度が異なるようにプログラムすることができる。たとえ
ば、分解能が最適以上である試験操作の部分では、線速
度を大きくすることができる。逆に、たとえば第２図の
場合のように分解能が不充分である操作部分においては
、線速度を一定に保つか、小さくすることさえできる。

したがって、線速度を制御することにより、分解能を最
大限にすることができ、試験時間を最小限にすることが
できる。

上述の有利な結果はスプリッタ１６の分析されない出力
２０に線速度制御装置を組込むことによっても達成され
ることを理解すべきである。出力２０の線速度を制御す
ることによりスプリット比を一層精密に制御することが
できる。上述したように、線速度を制御すれば流れが制
御される。キャピラリ内の流れの分析されないスプリッ
タ出力に対する比はスプリット比である。従来の装置で
は、動作条件が変化すればスプリット比も変り、動作変
化ごとに再計算が必要であった。本発明では、線速度制
御を行えば、スプリット比はカラム内の線速度が変化す
るにつれて分析されない出力に対して補正調整を行うこ
とにより一定に維持することができる。

更に乱流リストリクタに対しては、本発明を利用してカ
ラムの線速度を下げることにより一層効果が著しくなり
、したがって制御帯域が広くなる。

リストリクタの簡単な線形温度プロフィルは温度制御器
により線形傾斜発生器を使用して発生することができる
。形状が更に複雑な場合または再現性を高くするために
は、リストリクタの温度制御をカラム圧力と同期させる
べきである。上述したように、制御制限内の所定の線速
度対ヘッド圧カプロフィルは、リストリクタの形状寸法
、カラム内径、および移動流体の特性が既知であれば正
確に追随することができる。これには移動相流体の密度
と粘度対温度と圧力を知る必要がある。調節可能な流れ
制御装置が無くても本発明は線速度を正確に制御するこ
とができる。

本発明について特定の実施例を参照して説明したが、当
業者は本明細書に開示した本発明の原理から逸脱するこ
となく修正および変形を行うことができることは明らか
である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本願発明ではクロマトグラフに印
加する圧力と移動相の線速度を個別に制御することより
、超臨界流体クロマトグラフの効率を向上させる。また
、より高速な線速度で分解能を劣化させることなく調整
可能であることより分析時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超臨界流体クロマトグラフの概略図。第
２図は第１図の超臨界流体クロマトグラフで得たクロマ
トグラム、第３図は第１図の効率特性を表す図、第４図
は本発明の一実施例である超臨界流体クロマトグラフの
概略図、第５図は第４図の部分詳細図。第６図はカラム
温度が４０″Ｃで様々なリストリクタ温度について本発
明より求められた移動相線速度と圧力の関係を表した図
。 第７図はカラム温度が２００″Ｃで様々なリストリクタ
温度について本発明より求められた移動相線速度と圧力
の関係を表した図、第８図は線速度が一定で様々な圧力
勾配について本発明より求められた温度と時間の関係を
表した図。 １２：　ポンプ、１４：　インジェクタ、１６：　スプ
リンタ、１８：　キャピラリ、２４：検出器、２６：Ｘ
Ｙプ０７タ、３０：　オーブン、３４：温度制御Ｉｌ器
、５６：アダプタ、６０：　ヒータ、６２：　センサ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）入口端部と出口端部を有し、試料を各成分に分離
   させる固定相を備えるカラムと前記カラムの入口端部に
   導入する移動相導入手段と前記試料を前記入口端部に導
   入する前に前記移動相流に注入する試料注入手段と前記
   移動相を予め選択した圧力で前記カラムを通過させる圧
   力手段と前記カラムの出口端部に設けられたリストリク
   タと前記試料の分離された各成分を前記カラムの出口端
   部で検出する検出手段と前記移動相の線速度を制御する
   線速度制御手段より構成され、前記線速度制御手段は前
   記リストリクタに熱を伝える加熱手段を含み、前記リス
   トリクタ内の移動相を加熱し、前記圧力手段が前記移動
   相圧力を変化させることにより、前記移動相の線速度は
   所望の値に保持することを特徴とする超臨界流体クロマ
   トグラフ。
2. （２）請求項第１項記載の超臨界流体クロマトグラフに
   おいて、前記加熱手段は、前記リストリクタ内に設置さ
   れた伝熱体ブロックと前記ブロックに取り付けられたヒ
   ータと前記ブロックの温度を感知するセンサと前記セン
   サと前記ヒータの間に設けられ前記センサより感知され
   たブロック温度を受信し、ブロック温度を所望の値に調
   整するため前記ヒータに制御信号を供給する加熱制御手
   段より構成されることを特徴とする。
3. （３）請求項第１項記載の超臨界流体クロマトグラフに
   おいて、前記リストリクタ内の移動相温度は以下の式で
   求められた値に調整されることを特徴とする。 ρ（Ｃ）／Ｐ＝Ｋ′〔ρ（Ｒ）／η（Ｒ）〕ここで、ρ
   （Ｃ）は移動相のカラム密度、Ｐは圧力、Ｋ′は定数、
   ρ（Ｒ）はリストリクタ内の移動相密度、η（Ｒ）はリ
   ストリクタ内の移動相粘度を表す。
4. （４）請求項第１項記載の超臨界流体クロマトグラフに
   おいて、前記移動相は臨界温度を有し、前記加熱手段は
   前記カラム内の移動相温度をその臨界温度またはそれ以
   上に維持することを特徴とする。
5. （５）請求項第１項記載の超臨界流体クロマトグラフに
   おいて、前記圧力手段と前記線速度制御手段はプログラ
   マブルで移動相圧力が変化すると前記線速度制御手段は
   前記リストリクタ内の移動相温度を変化させ、前記カラ
   ムの移動相の線速度を所望の値に維持することを特徴と
   する。