JPH05502717A - 毛管流体力学による分画方法および装置 - 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】 金朋二凝り賢 本発明は、一般に流体力学分画法を用いたミクロン以下の大きさの粒子の分画に 関するものである。

１１Ｌ夾炙旦笠旦 流れによる分画は、ＤｉＭａｒｚｉｏおよびＧｕｔｔｍａｎ　（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｌｅｔｔｅｒｓ　７２６７　（１９６９））により理論的根拠に基づいて最初に 提案された。彼らの分析によると、流れを用いた粒子の大きさ別の分画は次の２ つの要因に依る。すなわち、（ｉ）毛管を通過する流体により生じる半径方同の 速度特性により、粒子がそれぞれ異なった速度で移動可能であること、および（ ｉｆ）大きな粒子は、小さな粒子はどには毛管壁に接近することができず、その ため、大きな粒子は概して溶離剤の平均速度より速い速度で移動し、より速い速 度の流体流線の見本となることである。

管を通る流れによるミクロンの大きさの粒子の分画は、１ミクロンより大の直径 を持つ粒子を分画するために、内径が２５０〜５００ミクロンの長い毛管（長さ ５０〜２００メートル）を用いて、Ｎｏｅｌら（Ｊ、　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａ ｐｈｙ　１６６、３７３　（１９７８））とＭｕｌｌｉｎｓおよびＯｒｒ　（Ｉ ｎｔｊ、　Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ　Ｆｌｏｗ　５．　７９　（１９７９））によ って説明されてきた。これらの研究者はミクロン以下の粒子と以上の粒子との分 画には成功したが、ミクロン以下の粒子の混合物を分画することはできなかった 。Ｂｒｏｕｇｈおよびその協力者（Ｊ、　Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ、　２ ０８．１７５　（１９８１））は、分画できる粒子の大きさの範囲を広げようと 、より細い毛管（直径１５０ミクロン）を用いた。Ｂｒｏｕｇｈたちは、ミクロ ン以下の粒子間の溶離時間の差異を検出することはできたが、彼らの解決法は、 ミクロン以下の粒子の２つのモードを有する混合物を解決するには充分ではなか った。ｄｅ　Ｊａｅｇｅｒら（Ｐ、　Ｃｈａｒ−ａｃｔ、３．１８７．　（１９ ８６））は上記よりわずかに直径の小さな毛管（１００ミクロン）を、溶離剤の 流れにとけて、毛管の壁や粒子の表面に吸着するブロック共重合体と共に用いて 、この分画の解決法を改良した。これらの研究者たちは、様々な単分散基準物の 混合物を有する多分散系のサンプルにおいてミクロン以下の粒子の存在を検出す ることができた。

及豆旦１道 本発明は、毛管流体力学分画によりミクロン以下の粒子を大きさ別に完全に分画 するための方法および装置を提供する。

直径の小さな毛管を用いること、分画しようとする粒子の分散液の少量部を少な くとも１つの毛管に導入すること、少量部を毛管に通すこと、および毛管の出口 において、追加溶剤により少量部を希釈することによって、この目的は達成され る。流動パターンにおけるこれらの改良は、直径６０ミクロン以下の毛管を使う 場合には本質的なものである。本発明は特に、堅いコロイド状粒子のみならず、 柔らかいラテックス、超高分子量生体ポリマーおよび高分子の高速での分析分画 に採用される。

図面の簡単な説明 図１は、この発明の毛管流体力学による分画装置の略図である。

図２〜８は、分画された分散液の代表的分光計トレース記録である。

発Ｊドと１剃ｌ」１期 ここでは「単分散」という用語は、分散粒子が基本的にすべて同じ大きさである ことを意味し、「多分散」という用語は、分散粒子が様々な大きさを育すること を意味する。

本発明によれば、流体中の粒子の多分散液を大きさ別に分画するための装置およ び方法が提供されるが、これは、分画される粒子より数倍大きな直径を持つ毛管 に粒子分散液を通すこと、およびさらに分散媒体を加えて毛管を溶離し、これに より分散液の大きい粒子をまず毛管から溶離させ、ついでそれより小さい粒子を 引続き溶出させることを含有する。

本発明の原理を採用した代表的な分画システムの略図を図１に示す。貯蔵器ＩＯ が、溶剤を、選択的に表面活性剤と共に、ポンプ１２を介して分流器１４に供給 する。液中に分散した粒子のサンプルは、分流器１４の上流側に位置する注入口 １６を介して導入される。流れの大部分は廃液として売出される。流れのうちの 少量部が、１つまたはそれ以上の毛管流体力学分画（ＣＨＤＦ）管１８を通過す る。ここで粒子は速度特性により分画される。ＣＨＤＦ管１８を通過した後、分 画された分散液は、合流器２２において、管２０を介して注入される追加溶剤ま たは補給液により希釈される。希釈され分画されたサンプルはその後、選択的に コンビニータ２６に接続された、Ｕ■探知器２４などの適切な分析器に通される 。

１つの実施態様においては、パルス緩衝装置を備えたＬａｂｏｒａｔｏｒｙ　Ｄ ａｔａ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｍｏｄｅｌ　１３９６−５７二重ポンプなどのポンプ が毛管を通して溶剤を吸入するために使用された。このポンプは最高圧５０００ 　ｐｓｉまで可能であり、流速は５８０ａｌ／ｈから２９ｍ１／ｈまで調整可能 である。Ｏ，Ｓ、　１．および５ｔの選択可能なサンプル・ループを有するＲｈ ｅｏｄｙｎｅ　Ｍｏｄｅｌ　７４１３サンプル注入バルブを介して、サンプルは 溶離剤の流れへ、毛管への流れを邪魔することなく注入される。

使用した開口毛管は、融解石英製で、Ｐｏｌｙｍｉｃｒｏ　Ｔｅｃｈｎｏｌ−ｏ ｇｉｅｓの販売する、長さ１〜５０ｍ、直径４．７．１４．３４．および６０ミ クロンのものであった。

注入および検出システムの中の静止液によって引き起こされる問題は、大きな内 径を持つ毛管の場合より、これら細い毛管においてかなり深刻であるため、注入 および検出システムの周囲の流れが改良されている。静止液の影響を最小限にと どめるため、溶離溶液が注入バルブを通過した後、これを２つの流れに分けた。

その一方、毛管の出口では、検出セルに入る流れにざらに溶離剤を追加した。使 用したサンプルの分流液と補給液の比率は１ｇ１ｏｏから１：１０７の間であり 、これは、毛管の直径およびマイクロ毛管を通る流速に依存する。毛管と流速の どのような組み合せに対しても、ピーク拡散が最小になるような分流・補給比が 使用されるべきである。

補給溶離剤を吸入するためにミニポンプを使用したが、この溶離剤は、毛管から 出て検出セルを通る流体と混合される。

使用した検出器は、１４−ｌの流量セルを備えたＬａｂｏｒａｔｏｒｙＤａｔａ 　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＳＭ　４０００　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　ＵＶ−Ｌｉｇ ｈｔ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒであった。２２０ｎｍにおける（これ以外の波長も使用 し得る）濁度を監視することにより、流出液中のコロイド状およびマーカーの種 類が検出された。検出器からの出力は、ストリップチャートレコーダーに、また 、Ａｎａｌｏｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＤＡＳ１１５５　Ａ／Ｄコンバーターおよび Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　４極Ｂｅ５ｓｅｌアクテイブフイルター を通して検出器に接続されたディスクドライブによりデジタルとして監視された 。デジタルデータの分析は、マイクロコンピュータにより行われ、その処理結果 はドツトマトリックスプリンターに出力された。

溶離剤は、一般に、分画されるサンプルが分散している溶剤と同じものである。

好ましくは、溶離剤は、ラウリル硫酸ナトリウムまたはポリオ牛ンアルキレング リコールなどの、０．０００１Ｍ〜０．１Ｍの濃度の、１つまたはそれ以上の表 面活性剤を含有する。最も好ましくは、表面活性剤は、ラウリル硫酸ナトリウム とポリオキ７エチレンラウワルアルコールの混合液である。

本発明では、多くの種類の毛管を使用し得る。一般に、毛管の形状は重要ではな い。しかし、使用するに最も便利なものは、円筒形の毛管である。望ましい毛管 は、一般に表面がである。つまり、分散媒体に不溶であり、分散媒体中で溶液に 被われても、毛管壁に粒子を吸収しないものである。本発明の実施において、分 画される粒子が毛管の内壁に固着してそこに多粒子層を形成しないことが本質的 旦つ重要である。

毛管は、例えば、融解石英、ガラス、プラスチック、金属など幅広い種類の物質 により形成され得る。内径約３・〜３０ミクロンの融解石英またはプラスチック の管が、多くの適用例において特に満足のいくものである。本発明の方法は、約 １００オンゲス％ａ−ムから上は１〜５ミクロンはどの大きさの多分散の人工ラ テックス粒子を分画するために使用すると有利であり、好マしくは、１００オン グストロームから２ミクロンまでの大きさの、また最も有利には、０．０５〜０ ．５ミクロンの大きさの、多分散ラテックス粒子を分画するために使用される。

通例は、毛管の内径は、分画するラテクッス粒子の最大のものの直径の５〜５０ 倍の大きさであることが望ましい。代表的には、毛管は、所望する分画の度合に よって、１０センチから５０または１００メートルもしくはそれ以上の長さを有 する。直径７ミクロン、長さ３メートルの毛管に対する代表的な操作圧力は、１ 平方インチあたり約３００〜５０００ボンドである。はとんどの適用例において 、特に、小規模な実験室での操作または解析処理において、通常は、直径５ミク ロン、長さ１０メートルなどの小さな直径と実質的な長さを持つ毛管を使用する ことが望ましい。このような毛管は、フレキシブル石英管または合成プラスチッ ク管、もしくはフレキシブル金属管などにより形成されるならば、占有スペース を最小限に抑えるためにコイル状にすると好都合である。複数の毛管を、連続し て接続するか、並行に置くか、あるいはその二つを伴用して、採用してもよい。

実施例１ 粒子の直径がそれぞれ０．３５７ミクロンと０．１０９ミクロンの２つの単分散 ポリスチレンラテックスの混合物を調製した。このようにして形成した多分散ラ テックスを、１０−”モルのラウリ硫酸ナトリウムを含有する消イオン化水で３ 重量％に希釈した。毛管は平均４ミクロンの直径を有する。この表面活性剤を含 有する消イオン化水を、毎分１ミリリツトルの速度でシステムに吸入した。その うち毎分１．１３ｘｌＯ”　リアトルが毛管を通過する。ラテックス混合液の０ ．００５　ミリリットルを、サンプル注水バルブを介して導入し、流出液の濁度 をストリップチャートレコーダーに記録し、約３分後、０．１０９ミクロンの粒 子と０．３５７　ミクロンの粒子が明らかに分画されているのが観察された。図 ２の時間に対する吸収度のグラフから、大きい粒子と小さい粒子の分画が比較的 はっきりと行われていることがわかる。

実施例２ ０、２３４ミクロンと０．３５７ミクロンの単分散ラテックスの混合液に対して 、実施例１と同じ手順を繰り返した。その結果のグラフは、図３に示すように、 サンプル注入後１５５秒で現れた大きい粒子のピークと、サンプル注入後１６３ 秒で現れた小さい粒子のピークの２叉のピークからなっている。

実施例３ 毛管を通る溶離剤の平均速度を毎分０．６７ｘｌＧ−７Ｉｔに減らして、実施例 ２の手順を繰り返した。図４に示すように、２つのラテックスは完全に分画した 。

実施例４ 直径０．３５７　ミクロンの粒子と１．１ミクロンの粒子の混合液を、直径３４ ミクロンで長さ２０メートルの毛管に連結したシステムに注入して、実施例１の 手順を繰り返した。注入バルブを通る流速は、毎分０．４Ｌ、０．２９．および Ｑ、　ｔｉｌｌ偽ｌであり、一方対応する毛管を通る流速はそれぞれ毎分４．３ ．および１．８μｍであった。

図５に示すように、２つのラテックスは部分的に分画された。

図５は、溶離剤のそれぞれの平均速度に対して、光散乱検出器の記録から得られ たトレースを表示したものである。実施例２および３で示したミクロン以下の粒 子の混合液の場合に観察されたものとは反対に、０．５ミクロンより大の直径を 持つ粒子を含有するサンプルの場合には、溶離剤の速度を上１デる（溶離時間を 短くする）に伴って、分画の効果は下刃くる。

実施例５ 直径０３５７ミクロンと１．１ミクロンのポリスチレンラテックス粒子の混合液 を調製し、実施例４のシステム１こ注入した。

Ｐｌｕｒｏｎｉｃ　Ｆ−１０８（ＢＡＳＦ）という商品名で販売されて０る非イ オン性の表面活性剤の水性溶剤を１リットルあたり０．１５グラムの濃度で、毎 分１ミリリ・ソトル、容量型ポンプ１こより毛管（こ注水した。毛管を通る流速 は毎分２９μｌであった。図６（こ示すように、ラテックス粒子の分画は良好で あった。

実施例６ 多分散ラテックスを用いて実施例１の手順を繰り返した時、粒子の大きさ分布に 特性を示す曲線が得られた。図７番よ、直径０．１０９．０．１？６，０．２３ ４．および０．３５７ミクロンの粒子の混合液で得られた分画を示している。

実施例７ １０−１モルのラウリル硫酸ナトリムと０．１重量％のポリオキシエチレンラウ リルアルコールの水溶液を毎分１．３ｍｌの速度でシステムに吸入した。使用し た毛管は内径７．０ミクロン、長さ５メートルであった。毛管内の流速は毎分２ ．５ｘ１０−５ｍｌであった。

直径０．１０９．０．１７６、ｎ、　２３４．および０．３５７ミクロンのポリ スチレンラテックス粒子の混合液を、流動しているラウリル硫酸ナトリウムとポ リオキシエチレンラウリルアルコールの水溶液に注入した。図８に示すように、 ４つのラテックスは完全に分画した。他の実験において、ポリオキシエチレンの 濃度がほいと、大きい粒子はど分画が良好であった。

ＦＩＧ、ｉ ＦＩＧ、２ ＦＩＧ、３ ＦＩＧ、４ 暗ｒｎ諌レ− ＦＩＧ、６ Ｆ１″Ｇ、７ ＦＩＧ、Ｂ 片間、干グ 補正書の写しく翻訳文）提出書く特許法第１８４条の８）平成３年９月３０日

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．粒子を大きさ別に分画する装置であり、ａ）分画する粒子の分散液の少量部 を、該分散液を分画するための少なくとも１つの毛管に通すために導入する手段 と、ｂ）希釈され、分画された分散液を収集し、粒子の大きさ分布を測定する手 段を有する装置であり、該手段は、ｃ）該収集および測定を容易にするために、 分画された分散液を希釈する手段を有する装置。
2. ２．前記導入する手段が、分散液を大量部と少量部に分割するための注入口およ び分流器を有する、請求項１に記載の装置。
3. ３．前記希釈する手段が、分画された分散液を追加液と混合するための合流器を 有する請求項１に記載の装置。
4. ４．流体中に分散した粒子を大きさ別に分画する装置であり、 ａ）溶離剤を含有する貯蔵器と、 ｂ）該貯蔵器に接続され、溶離剤が内部を循環する配管列と、 ｃ）該配管内で流体のサンプルを溶離剤に導入するための注入口と、 ｄ）該配管を通して該サンプルと該溶離剤を吸入するポンプと、 ｅ）該サンプルを大量部と少量部に分流する手段と、ｆ）該サンプルの少量部の 分画を行うための、該サンプルを分流する手段に接続された、少なくとも１つの 毛管と、ｇ）該毛管からの分画された溶離剤を追加溶離剤と混合する手段と、 ｈ）該溶離剤中の分画されたサンプルの粒子の大きさ分布を測定する手段と、を 備えた装置。
5. ５．前記サンプルを分流する手段が、少量部と大量部の割合を約１：１００から 約１：１０７にするように採用されている、請求項４に記載の装置。
6. ６．少なくとも１つの毛管が、約４ミクロンから約６０ミクロンの直径を持つ、 請求項１に記載の装置。
7. ７．連続して接続された少なくとも２つの毛管を持つ、請求項１に記載の装置。
8. ８．並行に接続された少なくとも２つの毛管を持つ、請求項１に記載の装置。
9. ９．サンプルを分流する手段が３方向接続器であり、分画された流出液と溶離剤 を混合する手段が３方向接続器であり、また粒子の大きさ分布を測定する手段が ＵＶ可視分光光度計である、請求項４に記載の装置。
10. １０．流体中の粒子の多分散液を分画する方法であり、ａ）分画する粒子の分散 液のサンプルの少量部を１つまたはそれ以上の毛管チューブに導入する工程と、 ｂ）分散液を分画するために該少量部を管に通す工程と、ｃ）最後の毛管からの 流出液を追加液で希釈する工程と、ｄ）希釈、分画された分散液の粒子を収集し 、大きさ分布を測定する工程と、を包合する方法。
11. １１．サンプルの少量部が全サンプルの約１：１００から約１：１０７である、 請求項１０に記載の方法。
12. １２．毛管が約４ミクロンから約６０ミクロンの直径を有する、請求項１０に記 載の方法。
13. １３．サンプルの前記少量部が、連続して接続された少なくとも２つの毛管を通 過する、請求項１０に記載の方法。
14. １４．サンプルの前記少量部が、並行に接続された少なくとも２つの毛管を通過 する、請求項１０に記載の方法。
15. １５．サンプルに表面活性剤を追加する工程をさらに包含する、請求項１０に記 載の方法。
16. １６．前記表面活性剤が、ポリオキシエチレンラウリルアルコールとラウリル硫 酸ナトリウムの混合液である、請求項１５に記載の工程。