JP2006017590A - 送液システム - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプの立ち上がり時間を短縮することができる送液システムを提供する。
【解決手段】
本発明の送液システムは、プランジャを備えた第１及び第２ポンプと吸込口と吐出口を有し、上記吸込口を介して吸込んだ液を上記第１、第２ポンプを経由して上記吐出口から吐出する。起動運転モードでは、上記第２ポンプを停止し上記第１ポンプのみを作動する。上記吐出口の吐出圧力が所定の値に到達したとき起動運転モードを定常運転モードに切り替える。定常運転モードでは、上記第１ポンプを停止し上記第２ポンプのみを運転する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、低流量の送液を行うのに適した送液システムに関し、特に液体クロマトグラフに使用して好適な送液システムに関する。

液体クロマトグラフ用ポンプとして、２つのプランジャを備えたプランジャポンプが知られている。このようなプランジャポンプでは、２つのプランジャを独立にモータで駆動し、両プランジャの協調駆動により流量の脈動を低減する。

特開昭６３−７５３７５号公報に記載された例では、第１プランジャが１往復する間に第２プランジャも１往復し、第１プランジャの吸込動作により発生する流量脈動を第２プランジャの動作により補正する。すなわち第１プランジャが送液流量を決定し、第２プランジャは第１プランジャの脈動補正用として使用する。

特開昭６３−７５３７５号公報

通常、液体クロマトグラフ用ポンプを運転する場合、先ず、ポンプ及び配管内に溶離液を充填し、気泡を排気する。こうして準備作業が終了したら、次に、ポンプを起動し、吐出圧力が所定の目標値に到達したら定常運転に切り替える。定常運転になってから、液体クロマトグラフによる計測を開始する。

液体クロマトグラフ用ポンプでは、低流量の送液が必要である。例えば、毎分ミクロリットル（μｌ）、ナノリットル（ｎｌ）レベルの極低流量の送液が要求される。このような低流量又は極低流量のポンプでは、準備作業を開始してから定常運転を開始するまでに長時間を要する。換言すればポンプ起動時の立ち上がり時間が長くなる。

本発明の目的は、ポンプ起動時の立ち上がり時間を短縮することができる送液システムを提供することにある。

本発明の送液システムは、プランジャを備えた第１及び第２ポンプと吸込口と吐出口を有し、上記吸込口を介して吸込んだ液を上記第１、第２ポンプを経由して上記吐出口から吐出する。起動運転モードでは、上記第２ポンプを停止し上記第１ポンプのみを作動する。上記吐出口の吐出圧力が所定の値に到達したとき起動運転モードを定常運転モードに切り替える。定常運転モードでは、上記第１ポンプを停止し上記第２ポンプのみを運転する。

本発明によれば、ポンプ起動時の立ち上がり時間を短縮することができる。

以下、本発明の一実施形態について、以下図面を参照して説明する。
図１および図２は、本発明による送液システムを使用した液体クロマトグラフ装置を示す。液体クロマトグラフ装置は、送液システム、インジェクタ５３、カラム５４、検出器５５、及び貯蔵槽５６を有する。本発明による送液システムは、カラム５４に、例えば、０．１ｎＬ（ナノリットル）／ｍｉｎ〜５０μＬ（ミクロンリットル）／ｍｉｎの極低流量の送液を行う。

本例の送液システムは、溶離液、又は溶媒液を貯蔵する貯蔵槽５１、液中のガスを除去する脱気装置（デガッサ）１４、４つのポートを有するアクティブバルブ５、２つのプランジャを有するプランジャポンプ装置１、プランジャに接続された直動機構（アクチュエータ）１２２、２２２、直動機構を駆動するモータ１２１、２２１、及び、モータ１２１、２２１及びアクティブバルブ５を制御するコントローラ５０を有する。

アクティブバルブ５は、脱気装置１４及び吸込配管１５を介して貯蔵槽５１に接続されている。

プランジャポンプ装置１は、吸込配管１６、中間吐出配管１７、及び、中間吸込配管１８を介してアクティブバルブ５に接続され、吐出配管１９を介してインジェクタ５３に接続されている。吐出配管１９には、ドレンバルブ９が設けられている。

プランジャポンプ装置１は、第１及び第２加圧室１０２、２０２を有し、これらの加圧室はシール１２４、２２４により液密されている。第１及び第２加圧室１０２、１０３には、それぞれ第１及び第２プランジャ１０１、２０１が配置されている。第１及び第２プランジャ１０１、２０１は軸受１２３、２２３により摺動可能に保持されている。

第１加圧室１０２には、吸込通路１０３と吐出通路１０４が接続されている。吸込通路１０３は、吸込配管１６に接続されている。吸込通路１０３には吸込チェック弁１０５が設けられている。吐出通路１０４は、中間吐出配管１７に接続されている。第２加圧室２０２には、吸込通路２０３と吐出通路２０４が接続されている。吸込通路２０３は中間吸込配管１８に接続されている。吐出通路２０４は吐出配管１９に接続されている。吐出通路２０４には圧力センサ６０が設けられている。尚、圧力センサ６０によって検出された吐出通路２０４の圧力を、ここではポンプの吐出圧力と言う。

以下に、第１加圧室１０２、第１プランジャ１０１、これを駆動するモータ１２１及び直動機構１２２を含む部分を第１ポンプと称し、第２加圧室２０２、第２プランジャ２０１、これを駆動するモータ２２１及び直動機構２２２を含む部分を第２ポンプと称することにする。図示のように、第１プランジャ１０１の径は第２プランジャ２０１の径より大きく、従って、第１ポンプの流量は第２ポンプの流量より大きい。

アクティブバルブ５は、外部の駆動部（図示せず）によって流路を切り替えるロータリーバルブであり、４つのポート５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄと２本の流路５ｅ、５ｆを有する。流路５ｅ、５ｆの体積は非常に小さい。第１ポート５ａは吸込配管１５に接続され、第２ポート５ｂは吸込配管１６に接続され、第３ポート５ｃは中間吐出配管１７に接続され、第４ポート５ｄは中間吸込配管１８に接続されている。

図１は、流路５ｅによって、第１及び第２ポート５ａ、５ｂが接続されているが、第３及び第４ポート５ｃ、５ｄは接続されていない状態を示す。図２は、流路５ｃによって、第３及び第４ポート５ｃ、５ｄが接続されているが、第１及び第２ポート５ａ、５ｂは接続されていない状態を示す。

モータ１２１、２２１の回転は、それぞれ直動機構１２２、２２２により直線運動に変換され、それぞれ第１及び第２プランジャ１０１、２０１を往復運動させる。コントローラ５０は圧力センサ６０の信号に基づいてモータ１２１、２２１に駆動信号を与えるとともに、アクティブバルブ５にバルブの開閉信号を与える。

本例の送液システムにおける送液経路の概略を説明する。まず、図１に示すように、流路５ｅによって、第１及び第２ポート５ａ、５ｂが接続されている場合には、貯蔵槽５１内の溶液は、脱気装置１４及び吸込配管１５を介してアクティブバルブ５の第１ポート５ａに導かれ、第１流路５ｅ、第２ポート５ｂ及び吸込配管１６を経由して、プランジャポンプ装置１の吸込通路１０３に導かれる。溶液は、更に、吸込チェック弁１０５を介して第１加圧室１０２に導かれる。

一方、図２に示すように第２流路５ｆによって、第３及び第４ポート５ｃ、５ｄが接続されている場合には、第１加圧室１０２内の溶液は、吐出通路１０４及び中間吐出配管１７を介してアクティブバルブ５の第３ポート５ｃに導かれ、第２流路５ｆ、第４ポート５ｄ及び中間吸込配管１８を経由して、プランジャポンプ装置１の吸込通路２０３に導かれる。溶液は、更に、第２加圧室２０２、吐出通路２０４、及び、吐出配管１９を介してインジェクタ５３に導かれる。

インジェクタ５３により分析対象となる試料が注入される。それにより、溶液中に試料が混合される。試料を含む溶液はカラム５４に導入され、試料に含まれる成分は互いに分離される。分離された各成分は、検出器５５により、成分分析される。カラム５４には微小なシリカゲル粒が充填されており、ここを流れる際の流体抵抗によってプランジャポンプ装置１には１０ＭＰａ程度の負荷圧力が発生する。負荷圧力の大きさはカラムの径と通過流量により変化する。

図３を参照して、本例の送液システムの動作を説明する。尚、同時に図１及び図２を参照する。図３Ａは、ドレンバルブの開閉動作、図３Ｂは、第１プランジャ１０１に対するアクティブバルブ５の開閉動作、図３Ｃは、第１プランジャ１０１の変位、図３Ｄは、第２プランジャ２０１に対するアクティブバルブ５の開閉動作、図３Ｅは、第２プランジャ２０１の変位、図３Ｆは、第１ポンプ流量、図３Ｇは、第２ポンプ流量、図３Ｈは、圧力センサ６０によって検出されたポンプの吐出圧力を示す。横軸は時間である。

また、図１の例のように、アクティブバルブ５において、流路５ｅによって、第１及び第２ポート５ａ、５ｂが接続され、且つ、第３及び第４ポート５ｃ、５ｄは接続されていない状態を、第１プランジャ１０１に対して「開」と呼び、第２プランジャ２０１に対して「閉」と呼ぶことにする。このとき、第１加圧室１０２は、アクティブバルブ５を介して貯蔵槽５１内の溶液に接続されるが、第２加圧室２０２には接続されていない。

図２に示すように、流路５ｆによって、第３及び第４ポート５ｃ、５ｄが接続され、且つ、第１及び第２ポート５ａ、５ｂは接続されていない状態を、第１プランジャ１０１に対して「閉」と呼び、第２プランジャ２０１に対して「開」と呼ぶことにする。このとき、第１加圧室１０２は、アクティブバルブ５を介して第２加圧室２０２に接続されるが、貯蔵槽５１内の溶液には接続されていない。アクティブバルブ５は、第１プランジャ１０１に対して「開」であるときは、第２プランジャ２０１に対して「閉」である。逆に、第１プランジャ１０１に対して「閉」であるときは、第２プランジャ２０１に対して「開」である。

更に、第１及び第２プランジャ１０１、２０１は、モータ１２１、２２１及び直動機構１２２、２２２によって引き込まれた状態にあるとき、即ち、図１及び図２にて、加圧室の左端に配置されている状態を下死点にあると言い、モータ２１及び直動機構２２によって押し込まれた状態にあるとき、即ち、図１及び図２にて、加圧室の右端に配置されている状態を上死点にあると言う。

本例では、試験開始前の溶離液充填及び気泡排出モードでは、第１ポンプおよび第２ポンプを使用し、起動運転モードでは第１ポンプを使用し、定常運転モードにて極低流量の送液を行う場合には、第２ポンプを使用する。

先ず、気泡排出及び溶離液充填モードを説明する。気泡排出及び溶離液充填モードでは、本例の送液システムに含まれるポンプ、通路、及び配管内の気泡を排出して溶離液を充填する。図３Ａに示すように、ドレンバルブ９を開放する。図３Ｂと図３Ｄを比較すると、アクティブバルブ５の第２プランジャ２０１に対する開閉動作は、第１プランジャ１０１に対する開閉動作に対して、半周期遅れている。

図３Ｃと図３Ｅを比較すると、第２のプランジャ２０１の往復運動は第１のプランジャ１０１の往復運動に対して、半周期遅れている。第１プランジャ１０１が引き込まれ上死点から下死点に移動するとき、第２プランジャ２０１は押し込まれ下死点から上死点に移動する。即ち、第１ポンプの吸込工程では、第２ポンプの吐出工程となる。逆に、第１プランジャ１０１が押し込まれ下死点から上死点に移動するとき、第２プランジャ２０１は引き込まれ上死点から下死点に移動する。即ち、第１ポンプの吐出工程では、第２ポンプの吸込工程となる。

図３Ｆと図３Ｇを比較すると、第１ポンプが吸込工程のとき、第２ポンプは吐出工程である。逆に、第１ポンプが吐出工程のとき、第２ポンプは吸込工程である。

図３Ｂ〜図３Ｅを比較すると、第１及び第２プランジャ２の動作は、アクティブバルブ５の開閉動作に対して、４分の１周期遅れている。従って、図３Ｂのアクティブバルブ５の第１プランジャ１０１に対する開閉動作、図３Ｃの第１プランジャ１０１の往復運動、図３Ｄのアクティブバルブ５の第２プランジャ２に対する開閉動作、及び、図３Ｅの第２プランジャ２の往復運動は、それぞれ、順に、４分の１周期ずつ遅れている。

例えば、図３Ｂに示すように、アクティブバルブ５が第１プランジャ１０１に対して「閉」から「開」に変化する。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｃに示すように、第１プランジャ１０１が上死点から下死点に変化し、第１ポンプの吸込工程が行われる。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｄに示すように、アクティブバルブ５が第２プランジャ２に対して「閉」から「開」に変化する。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｅに示すように、第２プランジャ２が上死点から下死点に変化し、第２ポンプの吸込工程が行われる。

図３Ｂに示すように、アクティブバルブ５が第１プランジャ１０１に対して、半周期遅れて、「開」から「閉」に変化する。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｃに示すように、第１プランジャ１０１が下死点から上死点に変化し、第１ポンプの吐出工程が行われる。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｄに示すように、アクティブバルブ５が第２プランジャ２に対して「開」から「閉」に変化する。次に、４分の１周期遅れて、図３Ｅに示すように、第２プランジャ２が下死点から上死点に変化し、第２ポンプの吐出工程が行われる。

図３Ｈに示すように、ポンプの吐出圧力は、第１ポンプ流量と第２ポンプ流量の変動成分を含むが略一定となる。

図３に示すように、気泡排出及び溶離液充填モードでは、第１及び第２プランジャを複数回往復運動させる。ドレンバルブ９からは、第１ポンプ流量と第２ポンプ流量の差分が排出され、同時に気泡も除去される。本例では、上流側の第１ポンプは流量が大きいので、下流側の第２加圧室２０２内に溜まった気泡を容易に排出することが可能である。これにより短時間で試験準備を完了することができる。

気泡排出及び溶離液充填モードが終了すると、第１及び第２プランジャとアクティブバルブは以下に説明するホームポジションに配置される。

次に、ポンプの起動運転から定常運転に移行する動作について説明する。第１及び第２プランジャとアクティブバルブはホームポジションに配置されている。ホームポジションでは、アクティブバルブ５は第１プランジャ１０１に対して「開」であり、第２プランジャ２０１に対して「閉」である。また、第１及び第２プランジャは下死点に配置されている。したがって、第１及び第２加圧室には、溶離液が満たされている。

以下に、アクティブバルブ５が第１プランジャ１０１に対して「開」であるとき、単に、アクティブバルブ５が「開」であると記述する。従って、アクティブバルブ５が「開」であるとは、図１に示すように第１プランジャ１０１に対して「開」であり、且つ、第２プランジャ２０１に対して「閉」であることを意味する。アクティブバルブ５が第１プランジャ１０１に対して「閉」であるとき、単に、アクティブバルブ５が「閉」であると記述する。従って、アクティブバルブ５が「閉」であるとは、図２に示すように、第１プランジャ１０１に対して「閉」であり、且つ、第２プランジャ２０１に対して「開」であることを意味する。

ホームポジションにあるときアクティブバルブ５は「開」である。まず、図３Ａに示すようにドレンバルブ９を閉じ、図３Ｂ及び図３Ｄに示すように、アクティブバルブ５を「開」から「閉」にする。従って、図２に示すように、第１加圧室１０２は、アクティブバルブ５を介して第２加圧室２０２に接続される。図３Ｃに示すように、第１プランジャ１０１を下死点から上死点方向に所定の速度にて移動し、第１ポンプの吐出工程が行われる。グラフの勾配から判るように、ポンプの起動運転における第１プランジャ１０１の移動速度は、気泡排出及び溶離液充填モードの場合より小さい。図３Ｅに示すように、第２プランジャ２０１は下死点に配置されているから、第１加圧室１０２から吐出された溶離液は、アクティブバルブ５を介して第２加圧室２０２に導かれ、そこから吐出配管１９に吐出される。このとき、第２ポンプは実質的に作動していない。従って、図３Ｆに示すように、第１ポンプ流量は第１プランジャ１０１の移動速度に対応した所定の値となるが、図３Ｇに示すように、第２ポンプ流量はゼロである。

図３Ｈに示すように、ポンプの吐出圧力が目標圧力Ｐsetに到達すると、定常運転に切り替える。目標圧力Ｐsetは、カラム径と通過流量によって決まる。圧力センサ６０は、ポンプの吐出圧力が目標圧力Ｐsetに到達すると、それをコントローラ５０に通知する。

コントローラ５０は、第１及び第２ポンプとアクティブバルブ５に定常運転モードの命令を送信する。定常運転では、吐出圧力を目標圧力Ｐsetに保持しながら、送液流量を一定に保持する。

定常運転では、図３Ｂ及び図３Ｄに示すように、アクティブバルブ５を「閉」から「開」にする。従って、図１に示すように、第２加圧室２０２は、第１加圧室１０２より遮断される。図３Ｃに示すように、第１プランジャ１０１は停止する。第１プランジャ１０１は、下死点と上死点の間の所定の位置に配置される。次に、図３Ｅに示すように、第２プランジャ２０１を下死点から上死点へ低速で移動する。第２ポンプの吐出工程が低速にて実行される。図３Ｆに示すように、第１ポンプ流量はゼロとなり、図３Ｇに示すように、第２ポンプ流量は目標流量Ｑsetとなる。本例では、第２プランジャ２０１を一定の低速度にて押し込むことにより、吐出圧力を目標圧力Ｐsetに保持し、且つ、送液流量を目標流量Ｑsetに保持することができる。

こうして定常運転が行われると、インジェクタ５３により分析対象となる試料が注入され、混合された溶液はカラム５４に入り，成分毎に分離された後に検出器５５で成分分析される。

本例では、ポンプの起動運転は、第１ポンプのみを運転し、定常運転では、第２ポンプのみを運転する。この運転方法によって目標圧力までの到達時間、つまりはポンプ起動時の立ち上がり時間を短縮することができる。

次に、起動運転から定常運転への切り替えについて述べる。実際には、アクティブバルブ５の切り替え時の応答時間やアクティブバルブ５のデッドボリュームの存在に起因して、ポンプ圧力は目標圧力Ｐsetに対しオーバーシュートし、立ち上がり時間が長くなることがある。そこで次はその対応策について説明する。

図４は、図３と同様に本発明の送液システムの他の運転方法を説明するものである。気泡の排出および溶離液の充填については図３と同様であるためその説明は省略する。

本例では、図３の例と同様に、ポンプの起動運転では、第１ポンプのみを運転する。図４Ｈに示すように、ポンプの吐出圧力が目標圧力ＰsetよりΔＰsetだけ低い値（Ｐset−ΔＰset）に到達すると、定常運転に切り替える。定常運転が開始されると、図４Ｂ及び図４Ｄに示すように、アクティブバルブ５を「閉」から「開」にする。図４Ｃに示すように、第１プランジャ１０１は停止する。図４Ｆに示すように、第１ポンプ流量はゼロとなり、図４Ｇに示すように、第２ポンプ流量は目標流量Ｑsetとなる。図４Ｈに示すように、ポンプの吐出圧力は、上昇し、目標圧力Ｐsetに到達する。

本例では、図３の運転方法に比べて、第１プランジャ１０１から第２プランジャ２０１への運転の切り替え時間をΔｔだけ早めに行うことによって、目標圧力に対するオーバーシュートを低減することができる。尚、時間Δｔにおけるポンプの吐出圧力の勾配は、起動運転におけるポンプの吐出圧力の勾配より小さい。

なお、本例ではオーバーシュートを低減するために、プランジャの切り替え時間を調整しているが、他の方法、例えば第１プランジャ１０１の送り速度を小さくする方法を用いてもよい。このように、オーバーシュートを低減するために、プランジャの切り替え時間を調整したり、第１プランジャ１０１の送り速度を小さくすることを、以下では圧力補正と称することとする。

次に、本実施形態の効果について図５および図６を用いて説明する。
図５は、ポンプを起動運転から定常運転に変化させたときポンプの吐出圧力の変化を測定した結果を示す。図５の実線の曲線５０１は、圧力補正を行った場合のポンプの吐出圧力を示し、破線の曲線は圧力補正を行わなかった場合のポンプの吐出圧力を示す。

圧力補正を行わない場合には、ポンプの立ち上がり時間が長くなるとともに、立ち上がり時間のデータのばらつきが大きくなる。これに対し、圧力補正を行った場合には、ポンプの立ち上がり時間が大幅に短縮されるとともに、立ち上がり時間のデータばらつきがほとんど無くなる。尚、図には示していないが、圧力補正を行わない場合には、第２ポンプの目標流量や目標圧力によっては、目標圧力に達しない場合も生じたが、圧力補正を行った場合にはこのような現象は生じなかった。

図６を参照して、第１ポンプ（第１プランジャの動作）による圧力補正を行う場合に、第１ポンプと第２ポンプとの流量関係について説明する。第１ポンプの設定流量（第１プランジャの断面積に第１プランジャの送り速度を乗じた値）をＱ１とし、第２ポンプの設定流量（第２プランジャの断面積に第１プランジャの送り速度を乗じた値）をＱ２とし、そのときの流量係数をαとすると、次の式が得られる。

Ｑ１＝α・Ｑ２ ……………… （数式１）

図６は流量係数αとポンプの立ち上がり特性の関係を示す。流量係数αが大きいと立ち上がり時間が短くなるが、大きすぎるとオーバーシュートが生じる。これに対し、αが小さいと立ち上がり時間は長くなるが、オーバーシュートは起きない。流量係数α＝１は、第１ポンプの設定流量が第２ポンプの設定流量と同一の場合である。流量係数α＝１では、ポンプの圧力は、目標圧力に到達しない場合が生じる。従って、流量係数αは少なくとも１より大きい。

流量係数αには最適値が存在する。流量係数αの最適値は、目標圧力および目標流量によっても異なる。換言すれば、目標圧力および目標流量が決まれば流量係数αの最適値が得られる。例えば、本送液システムを用いた液体クロマトグラフによる分析を行う場合、あらかじめ目標流量に対する目標圧力のマップを作成しておくとよい。このマップを利用して、本例の送液システムを自動的に立ち上げることも可能である。例えば、ユーザが、目標圧力を入力する。送液システムは、マップから目標圧力に対応する目標流量を読み取り、目標流量から流量係数αの最適値を得る。こうして、流量係数αの最適値を入力値とし送液システムを運転する。

なお、図１及び図２の例では、第１プランジャの径は第２プランジャの径より大きいように構成したが、第１プランジャ径と第２プランジャ径を同一にして、第１プランジャの移動速度を第２プランジャの移動速度より大きくしてもよい。それにより、第１ポンプの流量は第２ポンプの流量より大きくなる。

図７乃至図９を参照して、本発明の送液システムの他の例を説明する。図１乃至図３に示した送液システムの第１の例と同等の部分には同一の付号を付し、適宜その説明を省略する。本例では、アクティブバルブ５は、２つのポート５ｃ、５ｄと１本の流路５ｆを有する。

アクティブバルブ５の第１ポート５ｃは第１ポンプの吐出通路１０４に接続され、第２ポート５ｄは第２ポンプの吸込通路２０３に接続されている。第１ポンプの吸込通路１０３は、脱気装置１４及び吸込配管１６を介して貯蔵槽５１に接続されている。第１ポンプの吐出通路１０４には吐出チェック弁１０６が設けられている。第１の例と同様に、第１ポンプの流量は第２ポンプの流量より大きい。

図７は、アクティブバルブ５の第１及び第２ポート５ｃ、５ｄが流路５ｆによって接続されている状態を示す。ここでは、この状態をアクティブバルブ５が「開」であると称する。図８は、アクティブバルブ５の第１及び第２ポート５ｃ、５ｄが接続されていない状態を示す。ここでは、この状態をアクティブバルブ５が「閉」であると称する。

図９を参照して、本例の送液システムの運転方法を説明する。先ず気泡排出及び溶離液充填モードを説明する。図９Ａに示すように、ドレンバルブ９を「開」にし、図９Ｂに示すように、アクティブバルブ５を「開」にする。図９Ｃに示すように、第１プランジャ１０１を高速で往復運動させる。このとき、図９Ｄに示すように、第２プランジャは下死点に配置されている。図９Ｅに示すように、流量が大きい上流側の第１ポンプによって送液を行い、第１及び第２ポンプ内の気泡を排出して溶離液を充填する。流量が小さい下流側の第２ポンプの流量はゼロである。図９Ｇに示すように、ポンプの吐出圧力は、ゼロである。

本例では、上流側の容量の大きい第１ポンプによって気泡排出及び溶離液充填モードを行うため、下流側の第２加圧室内に溜まった気泡を容易に排出することが可能である。これによりさらに短時間で試験準備を完了することができる。図９Ｅに示すように、ポンプからの流量は、間欠的になるが、このモードでの流量脈動は測定精度には何ら影響しないので問題はない。

次に、起動運転から定常運転への切り替えについて説明する。ポンプの起動運転では、図９Ａに示すように、ドレンバルブ９を「閉」にし、図９Ｂに示すように、アクティブバルブ５を「開」の状態に保持する。図９Ｃに示すように、第１プランジャ１０１を所定の速度にて下死点から上死点方向に移動させる。このとき、図９Ｄに示すように、第２プランジャは下死点に配置されている。図９Ｅに示すように、第１ポンプの流量は、第１プランジャ１０１を移動速度に対応して所定の値となる。図９Ｆに示すように、第２ポンプの流量はゼロである。図９Ｇに示すように、ポンプの吐出圧力は増加する。ポンプの吐出圧力が目標圧力Ｐｓｅｔに到達すると、定常運転への切り替える。本例では、第１プランジャ１０１の位置がＸｉｎｉになったとき、ポンプの吐出圧力が目標圧力Ｐｓｅｔに到達した。

定常運転では、図９Ｂに示すようにアクティブバルブ５を「閉」にする。図９Ｃに示すように第１プランジャ１０１の位置をＸｉｎｉに保持し、図９Ｄに示すように、第２プランジャ２０１を低速で第２加圧室２０２内に押し込む。このとき、図９Ｅに示すように、第１ポンプの流量はゼロであり、図９Ｆに示すように、第２ポンプの流量は目標流量Ｑ１となる。

以上説明したように、本例の送液システムによれば、気泡の排出および溶離液の充填を短時間で実施でき、アクティブバルブの切り替え回数を少なくできるのでアクティブバルブの耐久性を向上させる効果がある。

図１０は高圧グラジエント運転システムの例を示す。高圧グラジエント運転システムは、２台の送液システムを接続して、高圧グラジエント運転を行う。本例の高圧グラジエント運転システムは、２つの送液システム１０ａ、１０ｂ、メインコントローラ７０、及び、ミキサー６２を含む。２つの送液システム１０ａ、１０ｂの第１ポンプの吐出通路には、第１の圧力センサ６０ａ、６０ｂがそれぞれ設けられ、第１加圧室に第２の圧力センサ６１ａ、６１ｂがそれぞれ設けられている。２つの送液システム１０ａ、１０ｂは、第２の圧力センサ６１ａ、６１ｂが設けられている点を除いて、図１の送液システムと同一であってよい。尚、２つの送液システム１０ａ、１０ｂの各々は、図１の送液システムの代わりに、上述の他の送液システムであってもよい。

２つの送液システム１０ａ、１０ｂの吐出配管１９ａ、１９ｂはミキサー６２に接続されている。ミキサー６２の吐出側はインジェクタ５３に接続されている。

図１１を参照してグラジエント運転を説明する。グラジエント運転とは２種類の溶離液Ａ，Ｂの混合比を時間と共に階段状に変化させながら送液することをいう。即ち、総送液流量（Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂ）を一定に保持しながら、２つの送液流量ＱａとＱｂの比率を変化させる。図１１Ａに示すように、第１の溶離液Ａの流量Ｑａは時間と共に段階的に増加し、例えば、Ｑａ＝１から９９まで段階的に変化する。図１１Ｂに示すように、第２の溶離液Ｂの流量Ｑｂは時間と共に段階的に減少し、例えば、Ｑｂ＝９９から１まで段階的に変化する。図１１Ｃに示すように、総送液流量Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂは一定であり、その値を１００とする。尚、総送液流量Ｑｔはミキサー６２の流量である。図１１Ｄはミキサー６２の吐出点Ｓにおける溶液の混合比を示す。第１の溶離液Ａと第２の溶離液Ｂの混合比は時間と共に段階的に増加する。例えば、Ｑｂ／Ｑａ＝１から９９まで段階的に変化する。本例は、１００段階のグラジエントである。従って、総送液流量Ｑｔを１μＬ／ｍｉｎとすると最小流量及び分解能はその１／１００、即ち、１０ｎＬ／ｍｉｎである。

図１１Ｅは、ポンプの吐出圧力を示す。２つのポンプの吐出配管１９ａ、１９ｂはミキサー６２を介して接続されている。ミキサー６２による圧力低下又は圧力損失を無視すると、２つのポンプの吐出圧力は同一である。即ち、第１ポンプの第１の圧力センサ６０ａによって検出された吐出圧力は、第２ポンプの第２の圧力センサ６０ｂによって検出された吐出圧力に等しい。更に、これらの圧力センサ６０ａ、６０ｂによって検出された吐出圧力は、ミキサー６２の吐出圧力に等しい。

図１１Ｃに示すように、総送液流量Ｑｔが一定でも、図１１Ｅに示すように、ポンプの吐出圧力は、最大１．５〜２倍程度も変化する。これは、２つの溶離液の混合比が変化すると、カラムを通過するときの流体抵抗が変化するためである。ポンプの吐出圧力を一定に保持しようとすると、逆に総送液流量Ｑｔが一定とならない。

一方、混合比と圧力変動の関係は過去の実験データより既知である。従って、総送液流量Ｑｔが一定である場合の圧力変動曲線は予測可能である。そこで、ミキサー６２の吐出圧力を測定し、それを、圧力変動曲線の予測値と比較し、両者の偏差をフィードバック信号としてポンプを駆動してよい。

図１１Ｅの実線の曲線は、ポンプの吐出圧力の測定値であり、破線の曲線は、過去の実験データより得られた目標圧力である。

図１０に示すように、第１の送液システムのポンプに設けられた第１の圧力センサ６０ａの出力は、メインコントローラ７０にフィードバックされる。メインコントローラ７０は、第１の圧力センサ６０ａからの測定値を目標圧力と比較し、両者の偏差を求める。この偏差を、各ポンプのコントローラ５０ａ、５０ｂに送信する。コントローラ５０ａ、５０ｂは、偏差に基づいて、各ポンプを制御する。

ポンプの吐出圧力が目標圧力より低い場合、総送液流量（Ｑｔ＝Ｑａ＋Ｑｂ）が低下している。従って、総送液流量を増加させればよい。しかしながら、２つの送液流量ＱａとＱｂのどちらがより大きく低下しているのかは不明である。例えば、実際には第１の送液流量Ｑａが低下しているのに誤って第２の送液流量Ｑｂが低下していると判断し、第２の送液流量Ｑｂを増加させた場合、混合比の精度が悪化する。これはグラジエント運転における相互干渉と呼ばれる問題である。

本例では、２つの送液流量ＱａとＱｂは、同一の割合で増加又は減少すると仮定する。従って、図１１Ｆに示すように、２つの送液流量ＱａとＱｂに対して、流量比に比例したフィードバックゲインを与える。即ち、比例制御を行う。例えば２つの送液流量の比Ｑａ：Ｑｂが２０：８０の場合、２つの送液流量Ｑａ、Ｑｂのフィードバックゲインは、それぞれ（２０／１００）×Ｋ、（８０／１００）×Ｋで与えられる。Ｋは定数である。仮に総送液流量Ｑｔが５だけ不足している場合、２つのポンプへの指令値はそれぞれ２０＋（２０／１００）×Ｋ×５、８０＋（８０／１００）×Ｋ×５で与えられる。例えばＫを１とすると、前者は２１、後者は８４となる。この方法によれば２個のポンプの固体差による混合比の精度の低下は避けられないが、相互干渉は避けられる。

以上により、送液安定性と混合精度に優れた高圧グラジエントシステムを提供することができる。

図１２（ａ）は、本発明の送液システムを使用して、液体クロマトグラフ及び質量分析計システムを構築した例を示す。液体クロマトグラフは、送液システム５２、インジェクタ５３、カラム５４、高電圧スプレー（噴霧器）５６を含む。本例では、液体クロマトグラフと質量分析計５８の間を接続するインターフェースとして、たんぱく質やペプチドなど極性の高い物質の分析に用いられるエレクトロスプレーイオン化（ＥＳＩ）法が使用されている。エレクトロスプレーイオン化法では、３〜５ｋＶの高電圧を印加したキャピラリーに試料溶液を送り込むと、非常に微細なスプレー（噴霧）が大気圧下にて生じ、試料分子がイオン化される。こうして、イオン化された試料分子は質量分析計に導入される。質量分析計は、質量を電荷で割った値を分析し、分子量を特定する。

図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は質量分析計での処理データの一例を示したものである。図１２（ｂ）のマススペクトル、図１２（ｃ）のマスクロマトグラムを示す。

プロテオーム解析においては、採取した細胞からたんぱく質を抽出して分析するが、細胞に含まれるたんぱく質は極微量であり、増殖も不可能である。従って、液体クロマトグラフ及び質量分析計システムの検出感度をあげるためには、液体クロマトグラフにおける低流量化が必要である。また、分析時間は試料を投入してデータ処理するまでに数時間を要する。

以上説明した液体クロマトグラフ及び質量分析計システムに、本発明の送液システムを導入することによって、液体クロマトグラフに投入する分析試料の量を微量化することができる。また、本発明の送液システムではポンプ起動時の立ち上がり時間が短いので、長時間の分析時間を確保することができる。その結果、データの処理件数を増やすことができる。

また、ポンプの圧力をモニターして、所定値（例えば、上述した目標圧力）に達したときに、試料を投入し分析を開始してもよい。それにより、省動力化を達成することができる。

図１３は、本発明の送液システムの他の例を示し、図１に示した送液システムと同等の部分には同一の付号を付し、適宜説明を省略する。本例の特徴は、第１ポンプ１と第２ポンプ２は別個のポンプとして構成されている。本例の送液システムは、２つの貯蔵槽５１−１、５１−２、２つの脱気装置（デガッサ）１４−１、１４−２、２つのプランジャポンプ装置１、２、直動機構（アクチュエータ）１２２、２２２、直動機構を駆動するモータ１２１、２２１、及び、コントローラ５０を有する。

２つのプランジャポンプ装置１、２は、吐出配管１９を介してインジェクタ５３に接続されている。吐出配管１９には、ドレンバルブ９及び圧力センサ６０が設けられている。

２つのプランジャポンプ装置１、２は、それぞれ第１及び第２ポンプに相当する。第１の例と同様に、第１ポンプの流量は第２ポンプの流量より大きい。

第１及び第２のプランジャポンプ装置１、２は、それぞれ第１及び第２加圧室１０２、２０２を有し、これらの加圧室はシール１２４、２２４により液密されている。第１及び第２加圧室１０２、２０２には、それぞれ第１及び第２プランジャ１０１、２０１が配置されている。第１及び第２プランジャ１０１、２０１は軸受１２３、２２３により摺動可能に保持されている。

第１加圧室１０２には、吸込通路１０３と吐出通路１０４が接続されている。吸込通路１０３は、吸込配管１６−１及び脱気装置１４−１を介して貯蔵槽５１−１に接続されている。吸込通路１０３には吸込チェック弁１０５が設けられている。吐出通路１０４は、吐出配管１９に接続されている。吐出通路１０４には吐出チェック弁１０６が設けられている。

第２加圧室２０２には、吸込通路２０３と吐出通路２０４が接続されている。吸込通路２０３は、吸込配管１６−２及び脱気装置１４−２を介して貯蔵槽５１−２に接続されている。吸込通路２０３には吸込チェック弁２０５が設けられている。吐出通路２０４は、吐出配管１９に接続されている。吐出通路２０４には吐出チェック弁２０６が設けられている。

次に、送液システムのポンプ動作について説明する。気泡排出及び溶離液充填モードでは、ドレンバルブ９を「開」にし、２つのプランジャポンプ装置を作動させ、それぞれ加圧室及び通路内の気泡を排出する。起動運転では、ドレンバルブ９を閉じ、第１プランジャ１０１のみを作動させる。第１プランジャ１０１の流量は第２プランジャ２０１の流量より大きい。従って、容易に、ポンプの吐出圧力は目標圧力に到達する。ポンプの吐出圧力が目標圧力の到達すると、ポンプの起動運転から定常運転に変える。定常運転では、ドレンバルブ９を閉じ、第１プランジャポンプ装置を停止し、第２プランジャポンプ装置のみを作動させる。第２プランジャを低速にて第２加圧室２０２に押し込む。それにより、ポンプの吐出圧力を目標圧力に保持しながら、所定のポンプ流量を達成することができる。

なお、本実施形態ではポンプの吐出側に吐出チェック弁を設けるが、上述したアクティブバルブを用いてもよい。

本例の送液システムでは、２つのポンプを別個の要素として設け、両者を配管で接続する。従って、ポンプの分解作業が容易となり、シール交換などのメンテナンス作業が容易となる。また、機器のレイアウト性が向上するなどの利点が得られる。

本発明の送液システムの第１の例及び液体クロマトグラフの概略構成を示す図であり、アクティブバルブが第１プランジャに対して「開」、第２プランジャに対して「閉」である状態を示す。 本発明の送液システムの第１の例及び液体クロマトグラフの概略構成を示す図であり、アクティブバルブが第２プランジャに対して「閉」、第２プランジャに対して「開」である状態を示す。 本発明の送液システムの第１の例の駆動方法の一例を示す図である。 本発明の送液システムの第１の例の駆動方法の他の例を示す図である。 本発明のポンプの圧力特性の実験結果を示す図である。 本発明のポンプの圧力特性の実験結果を示す図である。 本発明の送液システムの第２の例及び液体クロマトグラフの概略構成を示す図であり、アクティブバルブが「開」である状態を示す。 本発明の送液システムの第２の例及び液体クロマトグラフの概略構成を示す図であり、アクティブバルブが「閉」である状態を示す。 本発明の送液システムの第２の例の駆動方法の一例を示す図である。 本発明の高圧グラジエント運転システムの例を示す図である。 本発明の高圧グラジエント運転システムの駆動方法の一例を示す図である。 図１２Ａは、本発明の送液システムを用いた液体クロマトグラフ及び質量分析計システムの例を示す図である。図１２Ｂ及び図１２Ｃは、質量分析計による分析結果を示す図である。 本発明の送液システムの第３の例及び液体クロマトグラフの概略構成を示す図である。

符号の説明

１…プランジャポンプ装置、５…アクティブバルブ、５ａ、５ｂ、５ｃ…ポート、５ｅ、５ｆ…流路、９…ドレンバルブ、１０…プランジャポンプ装置、１４、１４’…脱気装置（デガッサ）、１５、１６…吸込配管、１７…吐出配管、１８…吸込配管、１９…吐出配管、２０…プランジャポンプ装置、５０、５０ａ、５０ｂ…コントローラ、５１ａ、５１ｂ…溶離液、５３…インジェクタ、５４…カラム、５５…検出器、５６…スプレー、５８…質量分析計、６０、６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂ…圧力センサ、６２…ミキサー、７０…メインコントローラ、１０１…第１プランジャ、１０２…第１加圧室、１０３…吸込通路、１０４…吐出通路、１０５…吸込チェック弁、１０６…吐出チェック弁、１２１…モータ、１２２…直動機構、１２３…軸受、１２４…シール、２０１…第２プランジャ、２０２…第２加圧室、２０３…吸込通路、２０４…吐出通路、２０５…吸込チェック弁、２０６…吐出チェック弁、２２１…モータ、２２２…直動機構、２２３…軸受、２２４…シール

Claims (14)

1. プランジャを備えた第１及び第２ポンプと吸込口と吐出口を有し、上記吸込口を介して吸込んだ液を上記第１、第２ポンプを運転して上記吐出口から吐出する送液システムにおいて、起動運転モードでは、上記第２ポンプを停止し上記第１ポンプのみを作動し、上記吐出口の吐出圧力が所定の値に到達したとき起動運転モードを定常運転モードに切り替え、定常運転モードでは、上記第１ポンプを停止し上記第２ポンプのみを運転することを特徴とする送液システム。
2. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記所定の値は、定常運転モードにおける上記吐出口の吐出圧力の目標値に等しいことを特徴とする送液システム。
3. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記所定の値は、定常運転モードにおける上記吐出口の吐出圧力の目標値より小さい値であることを特徴とする送液システム。
4. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記起動運転モードにおいて、上記吐出口の吐出圧力が所定の値に到達したとき、上記第１ポンプの作動速度を低下させることを特徴とする送液システム。
5. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記起動運転モードの前の気泡排出及び溶液充填モードでは、上記第１及び第２ポンプは吸込工程と吐出工程を所定の周期にて繰り返して行い且つ上記第２ポンプは、上記第１ポンプより半周期遅れて吸込工程と吐出工程を繰り返すことを特徴とする送液システム。
6. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記起動運転モードの前の気泡排出及び溶液充填モードでは、上記第２ポンプを停止し、上記第１ポンプのみを作動させることを特徴とする送液システム。
7. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記吐出口の吐出圧力を開放するドレンバルブを設け、上記気泡排出及び溶液充填モードでは、上記ドレンバルブを開放することを特徴とする送液システム。
8. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記第１ポンプの作動流量は上記第２ポンプの作動流量より大きいことを特徴とする送液システム。
9. 請求項１記載の送液システムにおいて、上記吐出口の吐出圧力の目標値と目標流量の関係を示すマップを有し、上記目標値が入力されたとき、上記マップを参照して目標流量を求め、該目標流量に基づいて、上記第１ポンプの作動流量と上記第２ポンプの作動流量の比である流量係数αの最適値を求めることを特徴とする送液システム。
10. プランジャを備えた第１及び第２ポンプとバルブ装置と吐出口を有し、溶液源からの溶液を上記第１、第２ポンプを経由して上記吐出口より吐出する送液システムにおいて、上記バルブ装置は、上記溶液源と上記第１ポンプの間を接続し且つ上記第１ポンプと上記第２ポンプの間を遮断する開の状態と上記溶液源と上記第１ポンプの間を遮断し且つ上記第１ポンプと上記第２ポンプの間を接続する閉の状態の２つの状態を有し、起動運転モードでは、上記バルブ装置を上記開状態にし、上記第２ポンプを停止し上記第１ポンプのみを作動し、上記吐出口の吐出圧力が所定の値に到達したとき起動運転モードを定常運転モードに切り替え、定常運転モードでは、上記バルブ装置を上記閉状態にし、上記第１ポンプを停止し上記第２ポンプのみを運転することを特徴とする送液システム。
11. 請求項１０記載の送液システムにおいて、上記起動運転モードの前の気泡排出及び溶液充填モードでは、上記バルブ装置を閉から開に変化させてから４分の１周期遅れて、第１ポンプの吸込工程を行い、第１ポンプの吸込工程の終了から４分の１周期遅れて、上記バルブ装置を閉から開に変化させ、上記バルブ装置を閉から開に変化させてから４分の１周期遅れて、第２ポンプの吸込工程を行い、上記バルブ装置を開から閉に変化させてから４分の１周期遅れて、第１ポンプの吐出工程を行い、第１ポンプの吐出工程の終了から４分の１周期遅れて、上記バルブ装置を開から閉に変化させ、上記バルブ装置を開から閉に変化させてから４分の１周期遅れて、第２ポンプの吐出工程を行うことを特徴とする送液システム。
12. 請求項１乃至１１項に記載の送液システムにおいて、送液流量の範囲は０．１ｎＬ／ｍｉｎ〜５０μＬ／ｍｉｎであることを特徴とする送液システム。
13. 第１の溶液を送液する第１の送液装置と、第２の溶液を送液する第２の送液装置と、上記第１及び第２の送液装置によって送液された溶液を混合するミキサーと、を有し、上記第１及び第２の溶液の混合比を時間と共に階段状に変化させながら送液するグラジエント運転を行うグラジエント運転システムにおいて、上記第１及び第２の送液装置の送液流量を制御するための信号に対して、２つの送液流量の比に比例したフィードバックゲインを与えることを特徴とするグラジエント運転システム。
14. 請求項１３に記載のグラジエント運転システムにおいて、上記第１及び第２の送液装置は、請求項１から１２のいずれか１項に記載の送液システムを含むことを特徴とするグラジエント運転システム。

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