WO2011039909A1

WO2011039909A1 - フローセル，検出器、および液体クロマトグラフ

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Publication number: WO2011039909A1
Application number: PCT/JP2010/004072
Authority: WO
Inventors: 塚田修大; 富樫盛典; 長岡嘉浩; 庄司智広
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2011-04-07
Anticipated expiration: 2012-03-30
Also published as: JP5047248B2; US20120127469A1; JP2011075352A

Abstract

　液体クロマトグラフにおいて、フローセルによってクロマトグラムが拡がり、分析精度が低下する。　検出光の方向と被測定液の流れの方向が平行であり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向が変化するフローセルにおいて、以下の手段でクロマトグラムの拡がりを小さくする。第一に、複数の流出路４１，４２を配置し、流れの角と流出口との距離を短くする。第二に、検出部中心面２２に対して線対称な複数の流入路３１，３２を配置し、検出部２に流入する噴流を衝突させる。第三に、流路方向が検出部中心線２１と交わらない複数の流入路３３，３４を配置し、検出部２に流入する噴流を旋回させる。これらの構成を組み合わせることで、クロマトグラムの拡がりの小さいフローセルを得る。

Description

フローセル，検出器、および液体クロマトグラフ

　本発明は、フローセル，検出器、および液体クロマトグラフに関し、フローセルを流れる液体試料の吸光度を測定する液体クロマトグラフに関する。

　液体クロマトグラフにおいて、分離カラムで分離したサンプルの検出に最も一般的に使用されているのは紫外吸収検出器である（非特許文献１）。吸光度は、ランベルト・ベールの法則（Lambert-Beer′s law）より、
　　Ａ＝εｃｌ＝logＩ０／Ｉ　　　　（１）
で表される。ここで、Ａは吸光度、εはモル吸光係数、ｃはモル濃度、ｌは光路長、Ｉ０は入射光量、Ｉは透過光量である。式（１）より、吸光度Ａは光路長ｌに比例する。また、吸光度測定の透過光量を測定する受光器のシグナルは受光量に比例し、ノイズは受光量の１／２乗に比例するため、Ｓ／Ｎ比は受光量の１／２乗に比例する。一方、受光器の受光量は照射面積に比例する。したがって、受光器のＳ／Ｎ比は、照射面積の１／２乗に比例する。以上より、吸光度測定において物質の検出に必要なＳ／Ｎ比を確保するには、ある程度以上の光路長と照射面積が必要である。

　液体クロマトグラフに用いられる配管の内径は０.１mm程度であり、このサイズでは、吸光度測定に必要な光路長と照射面積を得ることはできない。そこで、検出に必要な光路長と照射面積を確保するために、それらに応じた流路長と流路幅を持つフローセルと呼ばれる流路が用いられる。

　特許文献１に、従来技術によるフローセル構造が記載されている。フローセルの流路は、検出光が当たる検出部と、上流配管から検出部に被測定液を流入させる流入路と、検出部から下流配管に被測定液を流出させる流出路からなる。検出部は３～１５μｌの容積，３～１０mmの長さ，０.５～１.５mmの内径を持っている。また、検出光の方向と被測定液の方向が平行であり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向が大きく変化する。

　特許文献２では、被測定液を渦流生成路を通して検出部に流入させる構成により、検出部内で渦流を生じさせることで流路断面における濃度を均一化させるフローセルが開示されている。このフローセルも、従来技術によるフローセルと同様に、検出光の方向と被測定液の流れの方向が平行であり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向が大きく変化する。

　特許文献３，特許文献４，特許文献５では、複数の流入路により、検出部内に均一に被測定液を流入させるフローセルが開示されている。このフローセルは、検出光の方向と被測定液の流れの方向は異なり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向がほとんど変化しない。

特開平９－１７０９８１号公報特開２００１－０９９８２２号公報特開平８－２７８２４７号公報特開平９－１２７０８６号公報特表２００１－５１０５６８号公報

津田孝雄、「化学セミナー　クロマトグラフィー　第２版　分離のしくみと応用」、丸善、東京、１９９５.

　本発明が開示しようとする課題は、検出光と被測定液の流れの方向が平行であり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向が変化する構成のフローセルにおいて、クロマトグラムの拡がりを低減することである。

　特許文献１記載の従来技術のフローセルでは、流出路と検出部の接続部である流出口、および、流入路と検出部の接続部である流入口および流出口において、流れが淀む。淀みの中に入り込むサンプル分子は、入り込まないサンプル分子に比べて検出部に留まる時間が長いため、クロマトグラムが拡がる。

　流出口付近の淀みは、流れ方向の変化のために生じる。検出光の向きと被測定液の流れの向きが同じ場合、検出部の端面は検出光が透過する面となる。したがって、流出口は、検出部の側面に配置し、検出部から流出路にかけて流れの方向を変えなければならない。流れの方向が変化する場合、流路の角付近で流速が遅くなり、流れが淀む。したがって、流路の角が流出口から遠いほど、サンプル分子が検出部から抜け出すのに時間がかかる。

　一方、流入口付近の淀みは、流路幅が急激に拡大することで流れが流路壁面から剥離し、その結果として生じる渦によって起こる。渦に入り込んだサンプル分子は、分子拡散によってのみ渦から抜け出る。分子拡散による移動速度は、サンプル分子と溶媒の間の物性である拡散係数によって決まり、流れの速度には依存しない。したがって、渦の大きさが大きいほど、サンプル分子が渦から抜け出すのに時間がかかり、その結果、検出部から抜け出す時間も長くなる。

　特許文献２記載のフローセルでは、流入口付近では渦流が生じるため、従来フローセルよりも流れの淀みは小さい。しかし、流出口は従来フローセルと同様の構成であるため、流出口付近の流れの淀みも従来と同程度である。

　特許文献３，特許文献４，特許文献５記載のフローセルは、検出光の方向と被測定液の流れの方向が異なり、流入路と検出部の流れの方向が同一な構成である。流路幅が検出器よりも小さい流入路が検出部に複数本接続されているため、各流入口の間で渦が発生し、流れが淀む。

　本発明の目的は、フローセルによるクロマトグラムの拡がりが小さくすることである。

　本発明のフローセルは、検出光が照射される検出部と、検出部における試料の流れ方向と異なる方向に検出部に試料を流入させる流入部と、検出部における試料の流れ方向と異なる方向に検出部から試料を流出させる流出部とを備え、検出光の照射方向と検出部の試料の流れ方向が平行であるフローセルにおいて、流出部は、試料を検出部から複数方向へ流出する流路を有している。

　本発明によって、フローセルによるクロマトグラムの拡がりが小さくなる。それによって、液体クロマトグラフの分析精度が向上する。

液体クロマトグラフの構成図である。クロマトグラムの模式図である。本発明の２本の分岐流出路を持つフローセルの構成図である。本発明の３本の分岐流出路を持つフローセルの構成図である。本発明の全周流出路を持つフローセルの構成図である。本発明の２本の分岐流入路と２本の分岐流出路を持つフローセルの構成図である。本発明の２本の旋回流用流入路と２本の分岐流出路を持つフローセルの構成図である。本発明の４本の旋回流用流入路と単一流出路を持つフローセルの構成図である。フローセルのクロマトグラム拡がりのシミュレーション結果を示すグラフである。

　検出光の方向と被測定液の流れの方向が平行であり、検出部と流出路、検出部と流入路のそれぞれで流れの方向が変化するフローセルにおいて、以下の手段によってクロマトグラムの拡がりを小さくする。

　第一の手段として、検出部内の流出口付近での流れの淀みを小さくするために、複数の流出路を配置し、流れが淀む流路角から流出口までの距離を短くする。これによって、サンプル分子が検出部から抜け出す時間が短くなる。

　第二の手段として、検出部内の流入口付近での流れの淀みを小さくするために、検出部の中心に対して線対称な複数の流入路を配置し、流入路から検出部に流入する噴流を衝突させる。これによって、検出部の中心面に対して対称な流れが生じるために、従来のフローセルよりも渦が小さくなり、サンプル分子が渦から抜け出す時間が短くなる。

　第三の手段として、検出部内の流入口付近での流れの淀みを小さくするために、流入方向が検出部の中心と交わらない流入路を複数配置し、流入路から検出部に流入する噴流によって旋回流を生じさせる。これによって、一つの旋回流で生じる渦を別の旋回流によって打ち消すために、従来よりも渦が小さくなり、淀みからサンプル分子が渦から抜け出す時間が短くなる。

　第一，第二の手段、または、第一，第三の手段は組み合わせることも可能であり、それらの組み合わせによってさらにクロマトグラムの拡がりは小さくなる。

　図１を用いて液体クロマトグラフの構成を説明する。液体クロマトグラフは、送液ポンプ１０１，サンプルインジェクタ１０２，分離カラム１０３，検出器１０４、それらを接続する配管１０５，検出部１０４の測定結果を記録する記録機１０６、を備えている。検出器１０４は、フローセル１，光源１０８，受光器１０７を有する。光源１０８から出射した検出光１０９が、フローセル１内を流れる被測定液を透過し、受光器１０７に受光されることで、被測定液の吸光度が測定される。

　図２にクロマトグラム（吸光度の時間変化）の模式図を示す。本発明の目的は、記録機１０６に記録されるクロマトグラムの拡がりを、図２に示すように低減させることである。クロマトグラムの拡がりが低減することで、より微小量のサンプルの検出が可能であり、液体クロマトグラフの分析精度が向上する。

　図３から図５を用いて、本発明における第一の実施例について説明する。

　図３は、検出部２，１本の単一流入路３，２本の分岐流出路４１，４２，分岐流出路の下流の合流流出路４５より構成されるフローセルである。上流配管５からフローセル１に流入する被測定液は、単一流入路３から流入口３００を通って検出部２に入り、検出部２から流出口４０１，４０２を通って分岐流出路４１，４２に流出し、その下流で合流して合流流出路４５を通って、下流配管６に流れ込む。検出光１０９は、検出部の上流側端面２０１から入射し、下流側端面２０２から出射する。もしくは、検出光１０９は、検出部の下流側端面２０２から入射し、上流側端面２０１から出射する。

　この構成では、流出口が４０１，４０２の２箇所にあるため、流れの角から流出口までの距離が短い。その結果、角部から流出路までサンプル分子が移動する時間が短くなり、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。流れの角と流出口との距離を最小にするには、流出路４１，４２の配置は、検出部中心面２２に対して対称位置が好ましい。

　図４は、３本の分岐流出路４１，４２，４３が配置された構成である。流出路の数は３本に限らず、それ以上の本数の構成でもよい。

　流出路が多くなるほど、流れの角と検出部内の流出口との距離が短くなるため、角部から流出路までサンプル分子が移動する時間が短くなる。流出路が３個以上配置される場合も、各流出路の配置は検出部２の中心線２１に対して対称が望ましい。

　図５は検出部２の周囲全てに全周流出路４４を配置した構成である。図４に示した構成において、流出路の数を実質的に無限にしたものである。

　本発明によれば、流れの角と流出口との距離が短くなることで、角部から流出路までサンプル分子が移動する時間が従来例と比べて小さくなり、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。その結果、液体クロマトグラフの分析精度が向上する。

　図６を用いて、本発明における第二の実施例について説明する。

　図６は、検出部２，２本の分岐流入路３１，３２，２本の分岐流出路４１，４２で構成されるフローセルである。２本の分岐流入路３１，３２は検出部２の検出部中心面２２に対して線対称に配置されている。上流配管５からフローセル１に流入する被測定液は、分岐流入路３１，３２から流入口３０１，３０２を通過して検出部２に入り、検出部２から流出口４０１，４０２を通過して、その下流で合流して合流流出路４５を通って、下流配管６に流れ込む。流出路の数は２本に限らず、従来フローセルと同様の単一の流出路、図４に示したような３本以上の複数、図５に示した検出部周囲全ての配置をとってもよい。検出光１０９は、検出部の上流側端面２０１から入射し、下流側端面２０２から出射する。もしくは、検出光１０９は、検出部の下流側端面２０２から入射し、上流側端面２０１から出射する。

　検出部内の流入口付近の淀みは、流路幅が急激に拡大することで流れが流路壁面から剥離して噴流となり、それに伴って渦が生じるために起こる。噴流が持続する長さが長いほど、渦は大きくなる。流入路が単一の従来フローセルでは、流入する噴流は検出部の壁面に衝突するまで消失しない。それに対して、本発明の構成では、分岐流入路３１，３２は検出部中心面２２に対して線対称に配置されているため、それぞれから流入する噴流同士が検出部中心面２２で衝突する。それによって、噴流は検出部中心面２２で消失する。したがって、従来フローセルと比べて、噴流が維持する距離が短い。そのために、噴流に伴って生じる渦も小さくなる。結果として、サンプル分子が渦から抜け出す時間が短くなり、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。

　図６に示す流入路と流出路がともに検出部中心に対して対称な配置のフローセルでは、検出光の光量分布が検出部の中心が最も強度が高い場合に、特にクロマトグラムの拡がりが小さい。この構成では、検出部内の流れ場は、中心の流速が大きく、壁面近くの流速が小さい。そのため、サンプル分子は主に検出部の中心を流れる。検出光の光量分布は、壁面近くに比べて、中心の方が大きいため、検出部の中心を流れるサンプル分子の検出濃度への寄与が大きくなる。したがって、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。

　本発明によれば、検出部内の流入口付近に生じる渦が従来例と比べて小さくなり、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。その結果、液体クロマトグラフの分析精度が向上する。

　図７を用いて、本発明における第三の実施例について説明する。この実施例によって、検出部内の流入口付近の淀みが低減する。

　図７は、検出部２，２本の旋回流用流入路３３，３４，２本の分岐流出路４１，４２で構成されるフローセルである。上流配管５からフローセル１に流入する被測定液は、旋回流用流入路３３，３４から流入口３０３，３０４を通って検出部２に入り、検出部２から流出口４０１，４０２を通って分岐流出路４１，４２に流出し、その下流で合流して合流流出路４５を通って、下流配管６に流れ込む。２本の旋回流用流入路３３，３４の流入方向は検出部２の中心線２１と交わらずオフセットしており、かつ検出部２の中心線２１に対して点対称に配置されている。流出路の数は２本に限らず、従来フローセルと同様の単一の流出路、図４に示したような３本以上の複数、図５に示した検出部周囲全ての配置をとってもよい。検出光１０９は、検出部の上流側端面２０１から入射し、下流側端面２０２から出射する。もしくは、検出光１０９は、検出部の下流側端面２０２から入射し、上流側端面２０１から出射する。

　旋回流用流入路３３，３４から検出部に流入する流れは、液体の慣性によって噴流となる。旋回流用流入路３３，３４の流入方向は検出部２の中心線２１と交わらないため、それぞれから流入する噴流は検出部２の壁面に沿って旋回する。旋回する噴流は検出部２内部の壁面に沿って流れるために、その摩擦によって短い距離で慣性が失われ、消失する。そのために、噴流に伴って生じる渦が小さくなる。また、流入路が２本であるとき、一方の流入路から流入する噴流が、もう一方の流入路から流入する噴流によって生じる渦を低減させるために、流入路が１本の場合よりも渦は小さくなる。結果として、サンプル分子が渦から抜け出す時間が短くなり、クロマトグラムの拡がりが小さくなる。

　図８を用いて、本発明における第四の実施例について説明する。図８は、検出部２，４本の旋回流用流入路３３，３４，３５，３６，単一流出路４で構成されるフローセルである。上流配管５からフローセル１に流入する被測定液は、旋回流用流入路３３，３４と、３５，３６の検出部２の両端部に接続する流路から検出部２に入り、検出部２から単一流出路４に流出し、下流配管６に流れ込む。それぞれの流入方向は、図７の第三の実施例と同様に、検出部２の中心線２１と交わらずオフセットしており、かつ検出部２の中心線２１に対して点対称に配置されている。

　図９に従来フローセルと上記実施例の図３，図６，図７で示したフローセルのクロマトグラム拡がりのシミュレーション結果を示す。クロマトグラム拡がりの指標は半値幅とし、従来フローセルの半値幅を１００％としたときの、図３，図６，図７で示したフローセルの半値幅の相対値を示している。いずれの実施例においても、従来フローセルよりもクロマトグラムの拡がりが低減していることがわかる。

１　フローセル
２　検出部
３　単一流入路
４　単一流出路
５　上流配管
６　下流配管
２１　検出部中心線
２２　検出部中心面
３１，３２　分岐流入路
３３，３４，３５，３６　旋回流用流入路
４１，４２，４３　分岐流出路
４４　全周流出路
４５　合流流出路
１０１　送液ポンプ
１０２　サンプルインジェクタ
１０３　分離カラム
１０４　検出器
１０５　配管
１０６　記録機
１０７　受光器
１０８　光源
１０９　検出光
２０１　検出部上流側端面
２０２　検出部下流側端面
３００，３０１，３０２　流入口
４０１，４０２　流出口

Claims

　検出光が試料に照射される検出部と、前記検出部における前記試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部に前記試料を流入させる流入部と、前記検出部における前記試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部から前記試料を流出させる流出部とを備え、前記検出光の照射方向と前記試料の流れ方向とが平行であるフローセルにおいて、
　前記流出部は、前記試料を前記検出部から複数方向へ流出させる流路を有することを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記流出部の流路は、前記複数方向へ流出した前記試料をその後合流させるように構成されたことを特徴とするフローセル。
　請求項２において、
　前記検出部からの前記試料の流出方向は前記検出光の照射方向と直交することを特徴とするフローセル。
　請求項２において、
　前記試料は前記検出部から放射状に流出することを特徴とするフローセル。
　請求項２において、
　前記流入部は、前記試料を前記検出部の手前で一旦分岐させ、前記検出部で合流させる流路から構成されており、前記検出部への前記試料の流入方向が、前記検出部の端面の中心に対してオフセットし、点対称であることを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記複数方向へ流出する流路の方向が２方向であり、
　該流路の方向は、前記検出部の中心面に対して対称であることを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記複数方向へ流出する流路の方向が３方向以上であり、
　該流路の方向は、前記検出部の端面の中心に対して対称であることを特徴とするフローセル。
　請求項７において、
　前記試料は前記検出部から放射状に流出することを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記検出部からの前記試料の流出方向は前記検出光の照射方向と直交することを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記流入部は、前記試料を前記検出部の手前で一旦分岐させ、前記検出部で合流させる流路から構成されており、前記検出部への前記試料の流入方向が前記検出部の端面の中心と交差していることを特徴とするフローセル。
　請求項１０において、
　前記検出部への前記試料の流入方向が、前記検出部の端面の中心と直交することを特徴とするフローセル。
　請求項１において、
　前記流入部は、前記試料を前記検出部の手前で一旦分岐させ、前記検出部で合流させる流路から構成されており、前記検出部への前記試料の流入方向が、前記検出部の端面の中心に対してオフセットし、点対称であることを特徴とするフローセル。
　検出光が照射される検出部と、前記検出部における試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部に前記試料を流入させる流入部と、前記検出部における前記試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部から前記試料を流出させる流出部とを備え、前記検出光の照射方向と前記検出部の前記試料の流れ方向が平行であるフローセルにおいて、
　前記流入部は、前記検出部の手前で前記試料を一旦分岐させ、前記検出部で合流させるように前記検出部の両端部に接続する流路から構成されており、前記検出部への前記試料の流入方向が、前記検出部の端面の中心に対してオフセットし、点対称であることを特徴とするフローセル。
　検出光が試料に照射される検出部と、前記検出部に前記試料を流入させる流入部と、前記検出部から前記試料を流出させる流出部とを有するフローセル、
　前記検出部に対して前記検出光を照射する光源、
　前記検出部を通過した前記検出光を受光する受光器を備えた検出器において、
　前記検出部を流れる前記試料の流れ方向と前記検出光の照射方向とが平行であり、
　前記流入部では、前記検出部の前記試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部に前記試料を流入させ、
　前記流出部では、前記検出部の前記試料の流れ方向と異なる複数方向に前記検出部から前記試料を流出させることを特徴とする検出器。
　請求項１４において、
　前記流出部では、前記複数方向へ流出した前記試料をその後合流させるように構成されたことを特徴とする検出器。
　供給液を送液する送液ポンプと、
　前記供給液に測定対象を混合させるインジェクタと、
　該インジェクタから送られる試料を分離する分離カラムと、
　前記分離カラムで分離された前記試料に検出光を照射し検出する検出器と、
　前記検出器で検出された前記検出光に基づいて前記試料の測定結果を記録する記録機とを備えた液体クロマトグラフにおいて、
　前記検出器は、前記検出光を照射する光源、前記検出光を受光する受光器、前記試料の流れ方向と前記検出光の照射方向とが平行であるように前記試料が流れる検出部と、前記検出部に前記試料を流入させる流入部と、前記検出部から前記試料を流出させる流出部とを有するフローセルを備え、
　前記流入部は、前記検出部の前記試料の流れ方向と異なる方向に前記検出部に前記試料を流入させ、
　前記流出部は、前記検出部の前記試料の流れ方向と異なる複数方向に前記検出部から前記試料を流出させることを特徴とする液体クロマトグラフ。
　請求項１６において、
　前記流出部では、前記複数方向へ流出した前記試料をその後合流させるように構成されたことを特徴とする液体クロマトグラフ。