JPWO2018146826A1 - 超臨界流体装置 - Google Patents

Abstract

超臨界流体装置は、分析流路と、超臨界流体を構成する移動相を前記分析流路中で送液する送液部と、前記分析流路内の移動相が超臨界状態となるように前記分析流路内の圧力を制御する背圧制御部と、試料を保持する試料保持部、及び前記試料保持部を前記分析流路に導入した状態と導入しない状態との間で切り替える切替バルブを有する試料導入装置と、一端が前記試料導入装置よりも上流の位置に接続され、他端が前記分析流路における前記試料導入装置よりも下流の位置に接続されたバイパス流路と、前記分析流路上における前記バイパス流路の前記他端が接続されている位置よりも下流に設けられ、前記試料導入装置により導入された試料を分離する分析カラムと、を備えている。

Description

本発明は、超臨界流体クロマトグラフ（ＳＦＣ）やオンライン超臨界流体抽出（ＳＦＥ）−ＳＦＣシステムなどの超臨界流体装置に関するものである。

超臨界流体を利用する装置として、超臨界流体の流れる分析流路中に試料を注入し、その試料を分析カラムで分離して分析する超臨界流体クロマトグラフ（以下、ＳＦＣ）や、試料が収容された抽出容器に超臨界流体を導入して成分を抽出する超臨界流体抽出（以下、ＳＦＥ）が知られている。

さらには、ＳＦＣとＳＦＥとを一体化させたＳＦＥ−ＳＦＣシステムが提案され、実施もなされている（特許文献１参照。）。ＳＦＥ−ＳＦＣシステムでは、ＳＦＥにおいて抽出された試料成分をオンラインでＳＦＣの分析カラムへ導入し、その試料成分の分離分析を行なうことができる。

国際公開第２０１６／０３１００８号明細書

上記のＳＦＣやＳＦＥ−ＳＦＣシステムには、超臨界流体が流れる分析流路中に試料を導入するための試料導入装置が設けられている。一般的に、試料導入装置は、注入された試料を一時的に保持するサンプルループなどの試料保持部を備え、その試料保持部を分析流路の途中に介在させるか否かを６方バルブなどの切替バルブによって切り替えるように構成されている。試料を保持した試料保持部を分析流路の途中に介在させることで、試料が分析流路中に導入される。

ＳＦＣやＳＦＥ−ＳＦＣシステムでは、分析流路内の圧力を分析カラムの下流に設けられた背圧制御部（ＢＰＲ）によって一定に制御している。しかし、試料導入装置の切替バルブの切替え時、特に、分析流路中へ試料を導入する際の切替バルブの切替え時に、分析流路内の圧力が変動し、移動相流量の安定性が一時的に低下するという問題がある。

そこで、本発明は、試料導入装置の切替バルブの切替え時の圧力変動による影響を緩和することを目的とするものである。

本発明に係る超臨界流体装置は、分析流路と、超臨界流体を構成する移動相を前記分析流路中で送液する送液部と、前記分析流路内の移動相が超臨界状態となるように前記分析流路内の圧力を制御する背圧制御部と、試料を保持する試料保持部、及び前記試料保持部を前記分析流路に導入した状態と導入しない状態との間で切り替える切替バルブを有する試料導入装置と、一端が前記試料導入装置よりも上流の位置に接続され、他端が前記分析流路における前記試料導入装置よりも下流の位置に接続されたバイパス流路と、前記分析流路上における前記バイパス流路の前記他端が接続されている位置よりも下流に設けられ、前記試料導入装置により導入された試料を分離する分析カラムと、を備えたものである。

本発明は、ＳＦＥ−ＳＦＣシステムに対しても適用することができる。すなわち、本発明の超臨界流体装置は、分析流路上における前記バイパス流路の前記一端が接続されている位置よりも上流に、前記送液部からの移動相によって試料成分を抽出する超臨界抽出部が設けられていてもよい。

ＳＦＥ−ＳＦＣシステムでは、ＳＦＥにおいて試料成分の抽出をした後のタイミングで、試料導入装置によって標準試料を分析流路中に導入し、分析を行なうことがある。この場合、標準試料を分析流路中に導入する際の試料導入装置の切替バルブの切替えにより、分析流路内の圧力が変動し、分析結果に影響を与えることが懸念される。

これに対し、本発明では、送液部からの移動相の一部が試料導入装置を介さないで分析カラム側へ導かれるようにバイパス流路が設けられているので、標準試料を分析流路中に導入する際の試料導入装置の切替バルブの切替えによる分析流路内の圧力変動が緩和され、分析結果への影響が抑制される。

特許文献１の[００２７]にも記載されているように、ＳＦＥでは抽出の速度を優先させるため、超臨界流体（移動相）の流量を多くすることが望ましい一方で、ＳＦＣでは分析カラムによる分離を優先させるため、分析カラム内の流量を小さくすることが望ましいことから、流量について、ＳＦＥとＳＦＣはトレードオフの関係にある。したがって、単純にＳＦＥとＳＦＣをオンラインにすると、ＳＦＥの抽出速度とＳＦＣの分離のいずれかを犠牲にする必要がある。

この問題を解決するために、特許文献１にも開示されているように、ＳＦＥ−ＳＦＣシステムにおける分析カラムの上流で分析流路を分岐させ、ＳＦＥを経た移動相をスプリットすることが提案され、実施もなされている。分析カラムの上流で移動相をスプリットすることで、分析カラムに流入する移動相の流量を小さくすることができ、ＳＦＥでの高い抽出速度とＳＦＣでの高い分離性能の両立を図ることができる。

そこで、本発明の超臨界流体装置は、前記分析流路における前記バイパス流路の前記他端が接続されている位置よりも下流で前記分析カラムよりも上流の位置で前記分析流路から分岐したスプリット流路をさらに備えていることが好ましい。そうすれば、超臨界流体部での抽出速度と分析カラムでの分離性能を高いレベルで実現することができる。

ここで、分析カラムの上流で移動相をスプリットするスプリット流路を備えている場合、分析結果の再現性を高めるためには、分析カラム側へ流れる移動相の流量とスプリット流路側へ流れる移動相の流量の比率、すなわちスプリット比を安定させる必要がある。このスプリット比は分析流路内の圧力変動による影響を大きく受けるが、本発明では、試料導入装置の切替バルブの切替えによる圧力変動を緩和するバイパス流路が設けられているので、スプリット比の乱れが抑制され、分析結果の再現性の低下を抑制することができる。

また、試料導入装置により導入された標準試料が分析流路のスプリット流路との分岐部分を通過する際に、流体の粘性の違い等によってスプリット比が変動し、移動相の流量が変動してしまうという懸念がある。しかし、本発明では、バイパス流路の他端が分析流路のスプリット流路との分岐部分よりも上流に接続されているため、試料導入装置により導入された標準試料がバイパス流路からの移動相によって希釈され、分析流路中において標準試料がより広がった状態となる。これにより、試料導入装置により導入された標準試料が分析流路のスプリット流路との分岐部分を通過する際のスプリット比の変動が抑制され、移動相の流量の変動が抑制される。

本発明の超臨界流体装置では、一端が試料導入装置よりも上流の位置に接続され、他端が分析流路における試料導入装置よりも下流の位置に接続されたバイパス流路を備えているので、試料導入装置の切替バルブの切替えによる分析流路内の圧力変動が緩和され、分析流路を流れる移動相の流量が安定し、分析結果の再現性が向上する。

超臨界流体装置の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例の抽出準備時の状態を示す概略構成図である。 同実施例の静的抽出時の状態を示す概略構成図である。 同実施例の動的抽出時の状態を示す概略構成図である。 同実施例の標準試料注入準備時の状態を示す概略構成図である。 同実施例の標準試料注入時の状態を示す概略構成図である。 同実施例の分析時の状態を示す概略構成図である。

以下に、本発明に係る超臨界流体装置の一実施例について、図面を用いて説明する。

まず、図１を用いて一実施例の超臨界流体装置の構成について説明する。この実施例の超臨界流体装置は、超臨界流体によって試料成分を抽出する超臨界流体抽出（ＳＦＥ）と、超臨界流体を用いて試料を分析カラムにおいて成分ごとに分離し分析する超臨界流体クロマトグラフ（ＳＦＣ）とが一体化してなるＳＦＥ−ＳＦＣシステムである。

この実施例の超臨界流体装置は、主として、分析流路４中で移動相を送液する送液部２、超臨界流体抽出部６、試料注入装置８、分析カラム１０、背圧制御部（ＢＰＲ）１２及び検出器１４を備えている。

送液部２は、液体状態の二酸化炭素を送液するための送液ポンプ１６とメタノールなどのモディファイアを送液する送液ポンプ１８を備えている。送液部２は、移動相として、二酸化炭素とモディファイアを所定の比率で又はその比率を変化させながら送液するものである。送液部２により送液される移動相中の二酸化炭素は、ＢＰＲ１２によって分析流路４内の圧力が所定圧力に制御されることによって超臨界状態となり、超臨界流体として分析流路４を流れる。

分析流路４上における送液部２の下流に超臨界流体抽出部６が設けられている。超臨界流体抽出部６は、図１においては示されていないが、試料を収容した抽出容器４４（図２参照）に送液部２からの移動相を導入し、分析対象の成分を抽出するものである。図１において超臨界流体抽出部６の構成が簡略的に示されているが、その構成は例えば特許文献１に開示されたＳＦＥユニットと同様の構成でよい。抽出容器４４から抽出された試料成分は分析カラム１０へ導入されて分離される。

分析流路４上における超臨界流体抽出部６の下流に試料導入装置８が設けられている。試料導入装置４は、試料の吸入と吐出を行なうニードル２０、そのニードル２０を挿入してニードル２０からの試料注入を行なう注入ポート２２、注入ポート２２を介して注入された試料を一時的に保持するサンプルループ２４（試料保持部）、及びそのサンプルループ２４を分析流路４の一部として導入した状態と分析流路４から切り離した状態のいずれかの状態に切り替える切替バルブ２６を備えている。

分析流路４における超臨界流体抽出部６と試料導入装置８との間の位置３０に、バイパス流路２８の一端が接続されている。バイパス流路２８の他端は、分析流路４における試料導入装置８の下流の位置３２に接続されている。バイパス流路２８は超臨界流体抽出部６を経た送液部２からの移動相の一部を、試料導入装置８を介さずに試料導入装置８の下流側へ流す流路である。バイパス流路２８の流路抵抗は、試料導入装置８側を流れる移動相流量とバイパス流路２８を流れる移動相流量との比率、すなわち分析流路４の位置３０でのスプリット比が１：３〜１：１０となるように設計されることが好ましい。

分析流路４上における試料導入装置８の下流に分析カラム１０が設けられ、分析カラム１０よりもさらに下流にＢＰＲ１２が設けられている。ＢＰＲ１２のさらに下流に検出器１４が設けられている。分析カラム１０はカラムオーブン１１内に収容されており、一定温度に維持されている。分析流路４における分析カラム１０とＢＰＲ１２との間の位置４０に、メイクアップポンプ４２によってメイクアップ液を送液するメイクアップ流路が接続されている。

分析流路４は、バイパス流路２８の他端が接続されている位置３２よりも下流で分析カラム１０よりも上流の位置３４で、分析カラム１０側の流路とスプリット流路３６に分岐している。分析流路４から分岐したスプリット流路３６上には、分岐部分３４におけるスプリット比を調節するためのＢＰＲ３８が設けられている。ＢＰＲ３８により、分析カラム１０側へ流れる移動相の流量とスプリット流路３６側へ流れる移動相の流量との比率（スプリット比）が、例えば１：９９になるように調節される。

図２から図７を用いて、この実施例の超臨界流体装置の動作の一例について説明する。

まず、図２に示されているように、超臨界流体抽出部６で試料抽出を行なうために、試料を収容した抽出容器４４を超臨界流体抽出部６に設置し、所定温度に加温する。その後、図３に示されているように、抽出容器４４の入口を送液部２に接続するとともに出口を分析流路４に接続しない状態にして、送液部２から移動相（超臨界流体）を送液して抽出容器４４に超臨界流体を充てんし、試料成分の静的抽出を行なう。

試料成分の静的抽出が終了した後、図４に示されているように、抽出容器４４の出口を分析流路４に接続して、試料成分の動的抽出を行なう。このとき、試料導入装置８の切替バルブ２６は、サンプルループ２４を分析流路４から切り離した状態となる。試料成分の動的抽出では、抽出容器４４から抽出された試料成分が送液部２からの移動相によって分析流路４及びバイパス流路２８を流れ、分岐部分３４に到達する。分岐部分３４において試料成分を含む移動相は所定の比率でスプリットされ、一部が分析カラム１０に導入され、残りの部分がスプリット流路３６を介して廃棄される。分析カラム１０に導入された試料成分はさらに成分ごとに分離された後、ＢＰＲ１２を経て検出器１４に導入され、検出される。

上記の動的抽出中に、分析流路４に標準試料を導入する。標準試料は図示されていないバイアルに収容されており、ニードル２０がそのバイアルから標準試料を吸入し、図５に示されているように、ニードル２０から注入ポート２２を介してサンプルループ２４に標準試料を注入する。注入ポート２２を介して注入された標準試料は、サンプルループ２４内に滞留する。

サンプルループ２４に標準試料を注入した後、図６に示されているように、切替バルブ２６を切り替えて、サンプルループ２４が分析流路４の一部として導入された状態にする。

このとき、分析流路４に導入される前のサンプルループ２４内と分析流路４内には圧力差があるため、切替バルブ２６を切り替えたときに、分析流路４内で圧力変動が生じる。分析流路４内で圧力変動が生じると、分析流路４内の圧力を所定圧力に維持するようにＢＰＲ１２が動作するため、分岐部分３４でのスプリット比が変動し、分析カラム１０側へ流れる移動相の流量が変動する。

しかし、送液部２からの移動相の一部は試料導入装置８を介さずにバイパス流路２８を流れるため、切替バルブ２６の切替え時の圧力変動はバイパス流路２８が設けられていない場合よりも小さいものとなる。これにより、分析流路４の分岐部分３４におけるスプリット比の変動幅もより小さく抑制され、分析カラム１０側へ流れる移動相の流量変動が抑制される。これにより、検出器１４で得られるクロマトグラムのピーク面積の再現性が向上する。

また、バイパス流路２８が設けられていることにより、送液部２からの移動相の一部が、バイパス流路２８を流れて試料導入装置８の下流の位置３２で、試料導入装置８によって導入された標準試料を含む移動相と合流する。これにより、試料導入装置８によって導入された標準試料が位置３２で合流するバイパス流路２８からの移動相によって希釈され、分析流路４内においてより広がりをもったものとなる。そして、位置３２で希釈された標準試料を含む移動相が分岐部分３４を通過することになる。

移動相中における標準試料の濃度が高い場合、分岐部分３４を通過する液の粘性の変化等の影響により分岐部分３４でのスプリット比が変化することが懸念されるが、この実施例では、分岐部分３４の上流の位置３２において標準試料がバイパス流路２８からの移動相によって希釈されるため、分岐部分３４でのスプリット比の変動が抑制される。

図４から図６に示した試料成分の動的抽出と標準試料の導入により、試料成分と標準試料が分析カラム１０に導入される。その後、図７に示されているように、抽出容器４４を分析流路４から切り離し、試料成分の抽出を完了し、分析カラム１０での試料成分の分離と検出器１４による検出を行なう。分析カラム１０から溶出速度を向上させる場合には、ＢＰＲ３８を閉じてスプリット流路３６の流量をゼロにし、分析カラム１０を流れる移動相の流量を高める。

本発明者らは、バイパス流路２８を設けた場合と設けなかった場合について、検出器１４の検出信号のクロマトグラムのピーク面積の再現性について検証を行なった。その結果、バイパス流路２８を設けなかった場合のピーク面積再現性（ピーク面積の％ＲＳＤ）は８．８〜１７．６であったのに対し、バイパス流路２８を設けた場合のピーク面性再現性は２．６〜３．８であった。すなわち、この検証では、バイパス流路２８を設けることによってピーク面積再現性を２．５倍〜６．５倍改善することができることを確認した。なお、この検証では、試料導入装置８側へ流れる移動相流量とバイパス流路２８側へ流れる移動相流量の比率、すなわち分析流路４の位置３０におけるスプリット比が１：３〜１：１０程度になるように設計した。

２ 送液部
４ 分析流路
６ 超臨界流体抽出部
８ 試料導入装置
１０ 分析カラム
１１ カラムオーブン
１２，３８ 背圧制御部（ＢＰＲ）
１４ 検出器
１６，１８ 送液ポンプ
２０ ニードル
２２ 注入ポート
２４ サンプルループ（試料保持部）
２６ 切替バルブ
２８ バイパス流路
３４ 分岐部分
３６ スプリット流路
４２ メイクアップポンプ
４４ 抽出容器

Claims (3)

1. 分析流路と、
   超臨界流体を構成する移動相を前記分析流路中で送液する送液部と、
   前記分析流路内の移動相が超臨界状態となるように前記分析流路内の圧力を制御する背圧制御部と、
   試料を保持する試料保持部、及び前記試料保持部を前記分析流路に導入した状態と導入しない状態との間で切り替える切替バルブを有する試料導入装置と、
   一端が前記試料導入装置よりも上流の位置に接続され、他端が前記分析流路における前記試料導入装置よりも下流の位置に接続されたバイパス流路と、
   前記分析流路上における前記バイパス流路の前記他端が接続されている位置よりも下流に設けられ、前記試料導入装置により導入された試料を分離する分析カラムと、を備えた超臨界流体装置。
2. 前記分析流路上における前記バイパス流路の前記一端が接続されている位置よりも上流に、前記送液部からの移動相によって試料成分を抽出する超臨界抽出部が設けられている請求項１に記載の超臨界流体装置。
3. 前記分析流路における前記バイパス流路の前記他端が接続されている位置よりも下流で前記分析カラムよりも上流の位置で前記分析流路から分岐したスプリット流路をさらに備えている請求項２に記載の超臨界流体装置。

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