JPWO2013088834A1 - イオンクロマトグラフ - Google Patents

Abstract

溶出液流路を形成するための溶出液流路形成部材と再生液流路を形成するための再生液流路形成部材がイオン交換膜を挟んで積層されることによってイオン交換部が構成され、そのイオン交換部の外側を熱伝導性のヒートブロックが覆うことでサプレッサが構成されている。分離カラム、サプレッサ及び導電率計は共通の恒温槽内に収容されている。恒温槽内は一定温度で維持されるように温度制御部によってフィードバック制御される。

Description

本発明は試料溶液中の無機イオン又は有機イオンを分離分析するイオンクロマトグラフに関するものである。

イオンクロマトグラフでは、試料を分離カラムに導入して成分イオンに分離させた後、分離カラムからの溶出液を導電率計セルに導いて導電率を検出することにより成分イオンの検出を行う。その際、分離カラムからの溶出液中の不用イオンを除去することにより溶出液の導電率を下げて高感度測定を行えるようにするために、分離カラムと検出器の間にサプレッサが配置されている（特許文献１参照。）。

一般的なサプレッサとしては、イオン交換樹脂が充填剤として充填されたカラムで溶出液の導電率を抑制するものや、イオン交換膜を挟んで溶出液流路と再生液流路とを対向して配置し、両流路に溶出液と再生液を流すことで溶出液の導電率を抑制するものが知られている。しかし、これらのサプレッサには、次のような問題があった。

まず、導電率計は温度に非常に敏感であるため、セルに導入される液の温度や周囲の温度が僅かに変動によっても導電率信号が変化し、クロマトグラムにノイズとして現れてしまうという問題があった。

また、検出感度はＳ／Ｎ比で決まるので、検出器の濃度に対する出力信号は同じでも、ノイズが小さければそれだけ検出感度が上昇する。導電率の温度による変化の割合は、液の導電率が高いほど大きくなる。イオンクロマトグラフの場合、イオン交換樹脂が入った分離カラムを用いてイオン性の試料を分離するには、どうしてもイオン性の強い溶出液が必要となり、その結果、溶出液の導電率は高くなる。そこで、サプレッサによりカラムからの溶出液の導電率、すなわちバックグラウンド導電率を抑制しているが、バックグラウンド導電率を完全になくすことはできない。そのため、サプレッサの周囲温度が変動してサプレッサの温度が変動すると、サプレッサからの溶出液の温度も変動し、その影響を受けて溶出液のバックグラウンド導電率が変動し、測定精度が悪化するという問題があった。

特許第３２７２４３９号公報 特開２０１０−１３９３８７号公報

上記問題を解決するために、分離カラムの温度制御を行なうためのカラムオーブンの中にサプレッサを配置することによってサプレッサの温度を一定に保つ方法や、伝熱部材によってサプレッサをカラムオーブンと接触させることによってサプレッサの温度を一定に保つ方法が採られていた（特許文献２参照。）。しかし、これらの方法を採用しても、数十ｐｐｂという高感度の分析を安定的に行なうことは困難であった。
また、イオン交換膜を使用した市販のサプレッサにおいて、高温の条件下で高感度測定を行なうことができるようなものは存在しない。

そこで、本発明は、分離カラムからの溶出液のバックグラウンド導電率を安定させて高感度測定を安定的に行なうことができるようにすることを目的とするものである。

本発明は、試料中のイオン成分の分離を行なう分離カラムを備えた分離流路と、導電率を計測する導電率計を備えた計測流路と、分離流路と計測流路との間を接続して分離カラムからの溶出液を流通させる溶出液流路、溶出液流路と対向して配置され再生液を流通させるための再生液流路及び溶出液流路と再生液流路の間に介在し両流路間でイオン交換を行なわせるイオン交換膜を備え、分離カラムからの溶出液のバックグラウンド導電率を抑制するためのサプレッサと、を備えたイオンクロマトグラフであって、サプレッサは、溶出液流路を形成する溶出液流路形成部材、イオン交換膜及び再生液流路を形成する再生液流路形成部材が積層されてなるイオン交換部とそのイオン交換部を覆う熱伝導性のヒートブロックとで構成されており、導電率計とサプレッサは共通の恒温槽内に収容されていることを特徴としている。

本発明によれば、溶出液流路を形成する溶出液流路形成部材、イオン交換膜及び再生液流路を形成する再生液流路形成部材が積層されてなるイオン交換部とそのイオン交換部を覆う熱伝導性のヒートブロックとで構成されたサプレッサが導電率計とともに共通の恒温槽内に収容されているので、ヒートブロックを介してサプレッサ内部のイオン交換部へ恒温槽の熱を伝えやすくなり、イオン交換部の温度制御の応答性が向上する。さらに、サプレッサをイオン交換部のみで構成されている場合に比べて、イオン交換部がヒートブロックで覆われていることで熱容量が大きくなり、サプレッサの温度が変動しにくくなる。サプレッサが導電率計とともに恒温槽に収容されているので、溶出液がサプレッサから導電率計に導入されるまでの間に変化することが防止される。これにより、サプレッサの温度が高精度に一定温度に維持されてサプレッサからの溶出液の温度が一定温度に維持されるので、溶出液のバックグラウンド導電率を高精度に安定させることができ、高感度測定を安定的に行なうことができる。

イオンクロマトグラフの一実施例を概略的に示す流路構成図である。 イオン交換ユニットの構造の一例を示す断面図である。 イオン交換部を構成する各フィルタを説明するための各フィルタの平面図である。 サプレッサの温度制御を行なった場合と行なわなかった場合の導電率計の信号を示すグラフである。

本発明のイオンクロマトグラフの好ましい実施形態では、サプレッサに装着されサプレッサの温度を恒温槽内の温度と同じ一定温度に調節するためのサプレッサ温調機構をさらに備えている。一定温度に制御される恒温槽内ではサプレッサの温度の変動は小さく、その小さな温度変動に対し、サプレッサ温調機構がサプレッサの温度を一定温度に制御するため、サプレッサの温度制御の精度が向上し、サプレッサの温度をより安定させることができる。

サプレッサのイオン交換部の積層方向の厚みは２ｍｍ以下であることが好ましい。そうすれば、ヒートブロックから溶出液流路に熱が伝わりやすくなり、溶出液流路を流れる溶出液の温度制御の応答性を向上させることができる。

ところで、サプレッサの温度を高くするとサプレッサでのイオン交換速度が上昇し、Ｓ／Ｎ比が向上することによって測定感度が良くなることがわかっている。しかし、サプレッサの温度を４０℃以上にすると、サプレッサを構成する樹脂部材から不純物質が溶出し、その不純物質が溶出液に入り込んでコンタミネーションを引き起こすという問題がある。

そこで、本発明のイオンクロマトグラフの好ましい実施形態は、イオン交換部を構成する溶出液流路形成部材及び再生液流路形成部材がポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）樹脂からなるものとし、恒温槽の温度を４０℃以上１００℃以下に制御する。ＰＥＥＫ樹脂は４０℃以上の高温の条件下でも不純物質が溶出しないため、コンタミネーションを発生させずに高感度の測定を行なうことが可能になる。サプレッサ内の溶液の温度が高温で一定であることにより、拡散透析の化学平衡速度も安定しやすく、溶液濃度に依存する導電率信号のばらつきが改善される。

導電率計はヒートブロックに一体として設けられていることが好ましい。そうすれば、装置構成を簡略化することができる。また、サプレッサから導電率計までの溶出液の経路もヒートブロックにより温度制御されるので、サプレッサから導電率計に導入される溶出液の温度を一定温度でより安定させることができる。

好ましい実施形態では、イオン交換部の溶出液流路と再生液流路はともに流路幅が５００μｍ以下、深さが１００μｍ以下、流路長さが３０００ｍｍ以下である。これにより、溶出液流路及び再生液流路における液の流れを層流にすることが容易になり、液の流れを安定させることができる。

イオンクロマトグラフの一実施例について図面を参照しながら説明する。まず、図１を用いてイオンクロマトグラフの一実施例の構成について説明する。
この実施例のイオンクロマトグラフは、分離流路２、計測流路３、再生液送液用流路２４及び再生液排出流路２５を備えている。これらの流路の一端はそれぞれイオン交換ユニット１３に設けられたポートに接続されている。イオン交換ユニット１３については後述するが、イオン交換ユニット１３はサプレッサ１２と恒温槽３０で構成されたものである。

分離流路２の上流端は溶離液を貯留した容器４に接続されている。分離流路２上には溶離液を送液するための送液ポンプ６、試料を分離流路２に注入する試料注入部８及び試料を成分ごとに分離する分離カラム１０が設けられている。計測流路３の下流端はドレインとなっている。計測流路３上には導電率計２６が設けられている。

再生液送液用流路２４の上流端は再生液を貯留した容器２１に接続されている。再生液溶液用流路２４上には再生液を送液するための送液ポンプ２２が設けられている。再生液排出流路２５は下流端がドレインとなっている。

イオン交換ユニット１３のサプレッサ１２は、イオン交換膜１６を挟んで溶出液流路と再生液流路とが対向する構造となっており、溶出液流路に分離カラム１０からの溶出液、再生液流路に再生液をそれぞれ流すことによって溶出液の導電率を抑制し、導電率計２６で計測される溶出液のバックグラウンド導電率を安定させるためのものである。溶出液流路を形成するための溶出液流路形成部材１４ａと再生液流路を形成するための再生液流路形成部材１４ｂがイオン交換膜１６を挟んで積層されることによってイオン交換部が構成され、そのイオン交換部の外側を熱伝導性のヒートブロック１８が覆うことでサプレッサ１２が構成されている。

サプレッサ１２はサプレッサ温調機構である恒温槽３０内に収容されている。恒温槽３０内はサプレッサ１２の温度を一定温度、例えば４０℃で維持するように温度制御部４０によってフィードバック制御される。

分離カラム１０、イオン交換ユニット１３及び導電率計２６は共通の恒温槽２８内に収容されている。恒温槽２８内も恒温槽３０と同じ一定温度、例えば４０℃で維持されるように温度制御部３４によってフィードバック制御される。図示は省略されているが、恒温槽２８内の温度を検知する温度センサ、恒温槽３０内の温度を検知する温度センサがそれぞれ設けられており、温度制御部３４は温度センサからの信号に基づいて恒温槽２８と恒温槽３０に設けられたヒータの出力を制御する。

イオン交換ユニット１３は溶出液入口ポート３１ａ、溶出液出口ポート３１ｂ、再生液入口ポート３２ａ及び再生液出口ポート３２ｂを備えている。溶出液入口ポート３１ａはサプレッサ１２の溶出液流路の一端に通じるポートであり、分離流路２の下流端が接続されている。溶出液出口ポート３１ｂはサプレッサ１２の溶出液流路の他端に通じるポートであり、計測流路３の上流端が接続されている。再生液入口ポート３２ａはサプレッサ１２の再生液流路の一端に通じるポートであり、再生液送液用流路２４の下流端が接続されている。再生液出口ポート３２ｂはサプレッサ１２の再生液流路の他端に通じるポートであり、再生液排出流路２５の上流端が接続されている。

イオン交換ユニット１３の構造の一例を図２を用いて説明する。
上述のように、イオン交換ユニット１３は、サプレッサ１２と恒温槽３０で構成されている。サプレッサ１２は積層されたフィルム１４ａ−１、１４ａ−２、１６、１４ｂ−１及び１４ｂ−２からなるイオン交換部とそのイオン交換部を内部に収容して固定する熱伝導性のヒートブロック１８で構成されている。フィルム１４ａ−１、１４ａ−２、１４ｂ−１及び１４ｂ−２の材質はＰＥＥＫ樹脂である。ヒートブロック１８の材質は例えばアルミニウムである。ヒートブロック１８は２つの部材１８ａと１８ｂで構成され、それらの部材１８ａと１８ｂがイオン交換部を両面側から挟みこんだ状態でボルトとナットからなる締結具（図示は省略）により固定されている。

恒温槽３０はヒートブロック１８の外周面に密着して覆う例えばステンレスなどの熱伝導性ブロックで構成されており、ヒータ３６が取り付けられている。図示は省略されているが、ヒートブロック１８の内部の温度を検出する熱電対などの温度センサが取り付けられており、その温度センサの検出信号に基づいてヒータ３６の出力がフィードバック制御される。

フィルム１４ａ−１及び１４ａ−２は溶出液流路形成部材１４ａを構成している。フィルム１４ａ−２には溶出液流路となる蛇行した貫通溝４６が形成されている（図３（Ｂ）参照）。フィルム１４ａ−２がフィルム１４ａ−１とイオン交換膜１６との間に挟まれて積層されることにより、貫通溝４６が溶出液流路を構成する。フィルム１４ａ−１は、フィルム１４ａ−２の貫通溝４６の両端に相当する位置に溶出液流路に通じる流路となる貫通穴４２及び４４を備えている（図３（Ａ）参照）。

フィルム１４ｂ−１及び１４ｂ−２は再生液流路形成部材１４ｂを構成している。フィルム１４ｂ−１には再生液流路となる蛇行した貫通溝４８が形成されている（図３（Ｄ）参照）。貫通溝４８は、貫通溝４６とイオン交換膜１６を挟んで対向するように形成されており、貫通溝４６と略同一の形状を有する。フィルム１４ｂ−１がフィルム１４ｂ−２とイオン交換膜１６との間に挟まれて積層されることにより、貫通溝４８が再生液流路を構成する。フィルム１４ｂ−２は、フィルム１４ｂ−１の貫通溝４８の両端に相当する位置に再生液流路に通じる流路となる貫通穴５０及び５２を備えている（図３（Ｅ）参照）。

ヒートブロック１８及び恒温槽３０の熱伝導性ブロックは、フィルム１４ａ−１の貫通孔４２及び４４に通じる溶出液入口ポート３１ａ及び溶出液出口ポート３１ｂと、フィルム１４ｂ−２の貫通孔５０及び５２に通じる再生液入口ポート３２ａ及び再生液出口ポート３２ｂを備えている。ヒートブロック１８の溶出液出口ポート３１ｂの形成部分には、フィルム１４ａ−１の貫通孔４４と溶出液出口ポート３１ｂとの間を接続する流路を流れる溶液の導電率を計測する導電率計測部３８が設けられている。導電率計測部３８は図１における導電率計２６を構成しており、サプレッサ１２と導電率計２６とが一体化されている。溶出液出口ポート３１ｂは、導電率計測部３８の形成部分に設けられた穴に装着されたアダプタ４０に設けられている。

以上の構成により、サプレッサ１２の内部の温度制御を±０．０２℃の精度で行なうことができた。サプレッサ１２の温度制御を４０℃の比較的高い温度で安定させることで、図４に示されているように、サプレッサ１２の温度制御を行なわない場合に比べて導電率計２６の信号のドリフトがなくなり、ベースラインが安定するようになった。これにより、同図のＫ⁺イオンのピークのように高さの低いピークの検出も容易になり、検出感度が向上する。

なお、上記実施例では、サプレッサ１２が恒温槽３０内に収容されているが、この構成は必須のものではない。イオン交換部がヒートブロック１８で覆われた構造のサプレッサ１２が導電率計２６とともに恒温槽２８内に収容されているという構成のみによっても、導電率計２６の導電率信号の安定化が図れる。イオン交換部がヒートブロック１８で覆われているというサプレッサ１２の構造により、サプレッサ１２の熱容量が大きくなっているため、サプレッサ１２に入る溶液の温度が変動しても、サプレッサ１２の温度は変動しにくい。このため、恒温槽２８の外側の温度が変動して溶出液温度が変動しても、導電率計２６に導入される溶出液の温度やサプレッサ１２におけるイオン交換速度に大きく影響せず、バックグラウンド導電率の変動が抑制される。

２ 分離流路
３ 計測流路
４ 溶離液貯留容器
６，２２ 送液ポンプ
８ 試料注入部
１０ 分離カラム
１２ サプレッサ
１３ イオン交換ユニット
１４ａ 溶出液流路形成部材
１４ｂ 再生液流路形成部材
１６ イオン交換膜
１８ ヒートブロック
２１ 再生液貯留容器
２４ 再生液送液用流路
２５ 溶出液排出流路
２６ 導電率計
２８，３０ 恒温槽
３１ａ 溶出液入口ポート
３１ｂ 溶出液出口ポート
３２ａ 再生液入口ポート
３２ｂ 再生液出口ポート
３４ 温度制御部
３６ ヒータ
３８ 導電率測定部
４０ アダプタ

Claims (6)

1. 試料中のイオン成分の分離を行なう分離カラムを備えた分離流路と、
   導電率を計測する導電率計を備えた計測流路と、
   前記分離流路と前記計測流路との間を接続して前記分離カラムからの溶出液を流通させる溶出液流路、前記溶出液流路と対向して配置され再生液を流通させるための再生液流路及び前記溶出液流路と前記再生液流路の間に介在し両流路間でイオン交換を行なわせるイオン交換膜を備え、前記分離カラムからの溶出液のバックグラウンド導電率を抑制するためのサプレッサと、を備えたイオンクロマトグラフにおいて、
   前記サプレッサは、前記溶出液流路を形成する溶出液流路形成部材、前記イオン交換膜及び前記再生液流路を形成する再生液流路形成部材が積層されてなるイオン交換部とそのイオン交換部を覆う熱伝導性のヒートブロックとで構成されており、
   前記導電率計と前記サプレッサは共通の恒温槽内に収容されていることを特徴とするイオンクロマトグラフ。
2. 前記サプレッサに装着され前記サプレッサの温度を前記恒温槽内の温度と同じ一定温度に調節するためのサプレッサ温調機構をさらに備えている請求項１に記載のイオンクロマトグラフ。
3. 前記イオン交換部の積層方向の厚みは２ｍｍ以下である請求項１又は２に記載のイオンクロマトグラフ。
4. 前記溶出液流路形成部材及び前記再生液流路形成部材はポリエーテルエーテルケトン樹脂からなるものであり、前記恒温槽内の温度が４０℃以上１００℃以下一定温度に制御される請求項１から３のいずれか一項に記載のイオンクロマトグラフ。
5. 前記導電率計は前記ヒートブロックに一体として設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載のイオンクロマトグラフ。
6. 前記溶出液流路と前記再生液流路はともに流路幅が５００μｍ以下、深さが１００μｍ以下、流路長さが３０００ｍｍ以下である請求項１〜５のいずれか一項に記載のイオンクロマトグラフ。

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