JP4082309B2

JP4082309B2 - 液体クロマトグラフ用溶液混合装置

Info

Publication number: JP4082309B2
Application number: JP2003298751A
Authority: JP
Inventors: 淳家氏
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2008-04-30
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005069818A

Description

本発明は、液体クロマトグラフに用いられる、グラジエント分析用の溶離液や、ポストカラム反応分析用のカラム溶出液（試料液）と反応試薬液など、２種類以上の成分を含む溶液を混合する溶液混合装置に関するものである。

液体クロマトグラフのグラジエント分析では、２種類又はそれ以上の溶離液を混合してカラムに導くために、そのグラジエント溶出装置には複数の液を混合するための溶離液混合装置が備えられている。また、ポストカラム反応分析では、カラムからの溶出液（試料液）と反応試薬溶液を混合するための試薬混合装置が備えられている。

これらの溶液混合装置としては、ボールミキサやプレートミキサなど可動部を持たないフロースルー方式の溶液混合装置が多く使用されている。ボールミキサは、パイプの中にステンレススチールなどのボールを充填したものであり、プレートミキサは、２枚以上の板が、内部に複数の流路が形成される様に接合されていて、その接合体の外面に流路に通じた混合する液の供給口と混合された液の取り出し口を設けたものである（特許文献１参照）。

特開２００３−１５６４８１

クロマトグラムのベースラインの安定性を向上させ、ピークのＳ／Ｎ比を向上させるためには、グラジエント分析では溶離液を、ポストカラム反応分析では試料液と試薬液とを均一に混合することが必要である。しかしながら、上述したプレートミキサにおいては、各溶液の流路が合流することによってのみ混合を行うために混合効率が悪い。また、ボールミキサは混合効率はよいものの、粘性の大きく異なる溶液を均一に混合するためには、内部容量をより大きくする必要がある。その結果、ミキサ内を流れる溶液に流路差が生じることとなり、ボールミキサをグラジエント分析における溶離液混合に用いた場合にはグラジエント遅れが、ポストカラム反応分析における試薬液混合に用いた場合は、ミキサ内での試料の拡散によるクロマトグラムのピークの広がり、といった問題が生じる。

ベースラインノイズの低減と同時にクロマトグラム上の目的ピークの広がりを防ぐための、オンラインポストカラム分析用の混合装置がある（特許文献２参照）。特許文献２に記載された混合装置は、溶液が混合部である大径部で滞留し、生じた渦流と縮流を利用して溶液を混合するため、移動相流量が0.25mL/min、試薬液流量が0.125mL/minといったセミミクロスケールで用いることが必要である。標準流量のコンベンショナルスケール（移動相流量が1.0ｍL／min、試薬液流量が0.5mL／min程度）で用いた場合、特許文献２で示される構造では大径部での滞留時間が確保できず、結果、混合が均一にされない。

特開２００２−１３１３２６

上記問題を解決するためになされた本発明の液体クロマトグラフの溶液混合装置は、２種類以上の成分を含む溶液が流れる管状の溶液流路に、流路管の内径が該溶液流路管の内径より小さい小径部と、流路管の内径が該小径部の内径より大きい大径部とをこの順に連結し、小径部で線速度を増加させた溶液を大径部に噴射させることによって、該溶液を均一に混合することを特徴とする。

即ち、本発明では、グラジエント分析における溶離液や、オンラインポストカラム反応分析における試料液や試薬液を含む溶液など、２種類以上の成分を含む溶液が流れる管状の溶液流路に続いて、流路径が該溶液流路管の内径より小さい小径部を設けることで、溶液の線速度（単位断面積当たりの溶液の通過量）を該溶液流路での線速度より増加させる。該小径部に続いて、該小径部の流路径より内径が大きな大径部を設けることで、小径部にて線速度が増加した溶液が大径部に勢い良く噴射し、大径部にて乱流が生じるため、大径部に存在する先行の溶液と噴射された溶液とが混じり合い、結果、溶液中の複数成分を効率よく混合することができる。

以上の様に、本発明の溶液混合装置は、一定の流量で流路管を流れる溶液の線速度を上昇させた後、同軸上で急激に低下させることで、溶液の混合を行うものであり、線速度の変化は流路管の内径を変化させることによって行う。
従って、該小径部の内径は、該溶液流路を流れる溶液の線速度を上昇させるために必要なほど、溶液流路管の内径に対して小さければよい。
該大径部の内径は、該小径部にて線速度が上昇した溶液が注入した際に、該大径部にて乱流を生じさせるほど、該小径部の内径に対して大きければよい。
該小径部の長さは、大径部へ溶液が勢い良く噴射され乱流を生じさせるために十分な線速度を保つために必要な長さを有していればよい。
該大径部の長さは、該大径部で生じた乱流によって溶液が混合するために必要な長さを有していればよい。
該小径部から該大径部への内径の変化は、該大径部にて乱流が起こればよいので、複数段で広がってもよい。
該小径部と該大径部との連結を、二つ以上連続させてもよい。

具体的には、液体クロマトグラフに用いられる溶液流路管（通常配管）の内径は通常0.1〜0.3mmである。
小径部の内径は、この通常配管の内径の0.1〜0.7倍、好ましくは0.1〜0.2mmである。
大径部の内径は、小径部の内径の2〜8倍が好ましい。
小径部の長さは、小径部内径の2倍以上であればよい。
大径部の長さは、小径部の長さの2倍以上が好ましい。

液体クロマトグラフにおけるベースラインの安定性には、溶離液、試料液と試薬液など複数の溶液の混合効率が寄与することがわかっているが、異なる溶離液や試料液および試薬液といった粘性の異なる溶液同士の混合効率を上げるためには、容量の大きいボールミキサを用いることが必要となる。しかしながら、ボールミキサでは、ベースラインの安定性を保つことができるが、ミキサ内で試料の拡散が起こり、結果、目的ピークの広がりが生じる。
本発明の溶液混合装置によれば、単に容量を設けて溶液の混合を行うのではなく、溶液流路に小径部と大径部とをこの順に接続し、溶液の線速度を変化させることによって溶液の混合を行うため、２種類以上の成分を含む溶液を効率よく混合することができ、クロマトグラムのベースラインを安定させると同時に、目的ピークの広がりを防ぐことが可能である。
また、本発明は、溶液の線速度を一端上昇させた後、急激に線速度を低下させることができるように小径部と大径部の内径を調整すればよいので、分析条件を選ぶことなく、コンベンショナルスケールにおいてもセミミクロスケールにおいても、本発明の溶液混合装置を使用することが可能である。
また、本発明の混合装置は流路管に小径部と大径部とを設けるのみであるため、従来のミキサに比べて構造が非常に単純であり、加工や組立が容易であり、部品点数も少なくて済む。

図１はポストカラム反応分析用の液体クロマトグラフシステムの一例を示したものである。図において１は移動相溶液が蓄積された移動相容器、２は送液ポンプ、３は送液される移動相中に試料を注入するためのインジェクタ、４は試料を成分ごとに分離する分離カラム、５は分離カラムを一定温度に維持するためのカラム恒温槽である。６１、６２は試薬液が蓄積された試薬容器、７１、７２は送液ポンプ、８は分離カラムから溶出してきた試料液と試薬液とを反応させるための温調機能を備えた反応恒温槽、９は分離カラムから溶出してきた反応生成物の検出を行う検出器、１０は検出器からの検出信号をデータ処理するデータ処理装置、１１は検出器を通過した後の廃液を廃棄するドレインである。１２１および１２２が、カラムから溶出してきた試料液と試薬液とを混合する試薬混合部である。

図２は、図１に示したポストカラム反応分析用液体クロマトグラフシステムにおいて、本発明の溶液混合装置の一実施例を使用した試薬混合部１２１の拡大図を示す。２０はカラムから溶出してきた試料液が流れる試料液流路管、２１は試薬容器から送液される試薬反応液が流れる試薬液流路管、２３は３つの端部を有するT字ジョイントであって、試料液流路管２０と試薬液流路管２１とが２つの端部に各々接続されており、残りの一端に本発明の溶液混合装置２７が接続されている。溶液混合装置２７は、試料液と試薬液が含まれる溶液が流れる通常配管（溶液流路）２４に小径部２５、大径部２６がこの順に接続されている。また、大径部２６の後段には、通常配管２８を接続しているが、通常配管を接続せず大径部２６をそのまま延長し反応部としてもよい。

具体的に、溶液混合装置２７の各部の寸法を例示すると、溶液流路２４の内径が0.25mm、小径部２５の内径が0.13mm、長さ50mm、大径部２６の内径が0.75mm、長さが50mmである。

また、図１における溶液混合部１２２においても図２と同様に本発明の混合装置を使用することができる。

また、本発明はグラジエント分析用の溶離液混合装置に使用することができ、図３に、そのグラジエント分析用の液体クロマトグラフシステムの一例を示す。図において、３１１、３１２は２種類の溶離液A及びBが各々蓄積された溶離液容器、３３は溶離液A及びBを所定のプログラムに従って混合して分離カラムに供給するグラジエント溶出装置、３４は送液される溶離液中に試料を注入するためのインジェクタ、３５は試料を分離する分離カラム、３６は分離カラムを一定温度に維持するためのカラム恒温槽、３７は分離カラムから溶出してきた反応生成物の検出を行う検出器、３８は検出器からの検出信号をデータ処理するデータ処理装置、３９は検出器を通過した後の廃液を廃棄するドレインである。グラジエント溶出装置３３に、本発明の溶液混合装置３１０が備えられている。

溶液混合装置３１０は、図２に示した構造と同様であり、T字ジョイントの三つの端部のうち一端には溶離液Ａが流れる流路管を、もう一端には溶離液Bが流れる流路管を、残りの一端に本発明の混合装置を接続する。

３種類以上の溶離液を使用する場合は、通常配管２４に全溶離液を注入できるよう、前段に各種ジョイントにより各溶離液の流路管を接続する。

次に、図１に示される本発明の溶液混合装置を使用したポストカラム分析用液体クロマトシステムによる臭素酸イオン分析の例を用いて、本発明の実施例を説明する。なお、臭素酸イオンの分析は、食品化学、水分析、環境分析等の種々の分野において必要とされる手法である。

次に分析条件について、以下に説明する。
分析分離条件：分離カラム：Shim-Pack IC-SA２（250mmL.×4.00mmI.D.）
移動相：12ｍM NaHCO₃＋0.6ｍM Na₂CO₃
流量：1.0mL/min.
カラム温度：40℃
第一反応液：1.5M KBr＋1.0M H₂SO₄
流量：0.4mL/min.
反応温度：40℃
第二反応液：1.2mM NaNO₂
流量：0.2ml/min.
反応温度：40℃
検出器：UV検出器（検出波長268nm）

図４（ａ）に、溶液混合部１２１及び１２２に本発明の溶液混合装置を用いた場合のベースラインを示す。対照として、（ｂ）に、溶液混合部１２１及び１２２に市販品のボールミキサを用いた場合、（ｃ）に、溶液混合部１２１及び１２２にＴ字ジョイントのみを使用した場合のベースラインを示す。Ｔ字ジョイントのみの場合、試料液と試薬液は各々の流路が合流することによってしか混合されないため、試料液と試薬液の塊が流路管を移動するのみで混合効率が悪い。その結果、ベースラインのノイズが非常に大きい。一方、溶液混合部１２１及び１２２に本発明の溶液混合装置を使用した場合、（ｂ）の市販品のボールミキサを溶液混合部１２１及び１２２に用いた場合と同等に試料液と試薬液の混合を効率よく行うことが可能であることがわかる。

図５（ａ）に本発明の混合装置を用いた場合、及び、図５（ｂ）に市販品の400μボールミキサを用いた場合のピーク形状の違いを示す。ボールミキサの場合、ベースラインノイズの低減は可能であるが、混合効率を上げるために容量を大きくする必要があり、その結果、クロマトグラムのピーク形状の広がりが避けられない。一方、本発明の混合装置は、ボールミキサと同等にベースラインノイズの低減が可能であると同時に、良好なピーク形状を得ることができ、液体クロマトグラフにおける高感度分析に適した溶液混合が可能である。

以上から、本発明の溶液混合装置は、安定したクロマトグラムのベースラインを得ると同時に、ピーク形状の広がりを防ぐことが可能であると言える。つまり、本発明の溶液混合装置は、２種類以上の成分を含む溶液を、混合装置内での経路の差を生じることなく効率よく混合することが可能である。このことから、本発明の溶液混合装置をポストカラム反応用の溶液混合部及びグラジエント分析用の溶離液混合部に用いた場合、２種類以上の溶液を効率よく混合することが可能であるため、ベースラインの安定及び高感度分析可能であると同時に、従来のボールミキサ等で生じる経路の差によって生じるグラジエント遅れやピークのブロードニングを防ぎ、高精度な分析が可能である。

本発明の一実施例であるポストカラム反応分析用液体クロマトグラフシステムを示す図。本発明の一実施例であるポストカラム反応分析用液体クロマトグラフの試薬混合部の拡大図。本発明の一実施例であるグラジエント分析用液体クロマトグラフシステムを示す図。ポストカラム反応分析用液体クロマトグラフシステムにおいて、用いた溶液混合装置の違いによるベースラインの例。ポストカラム反応分析用液体クロマトグラフシステムにおいて、用いた溶液混合装置の違いによるピーク形状の例。

符号の説明

２３Ｔ字ジョイント
２４通常配管
２５小径部
２６大径部
２７溶液混合装置

Claims

２種類以上の成分を含む溶液が流れる管状の溶液流路に、流路管の内径が該溶液流路管の内径より小さい小径部と、流路管の内径が該溶液流路管の内径より大きい大径部とをこの順に連結したことを特徴とする液体クロマトグラフ用溶液混合装置。
該溶液流路管の内径が０．２５ｍｍ、該小径部の内径が０．１３ｍｍ、該大径部の内径が０．７５ｍｍである、請求項１記載の液体クロマトグラフ用溶液混合装置。
溶液流路管内で２種類以上の成分を含む溶液の混合方法であって、該溶液の線速度を上昇させた後、流路管の内径が該溶液流路管の内径より大きい大径部へ噴出して、線速度を同軸上で急激に低下させることによって該溶液の混合を行うことを特徴とする溶液混合方法。