JP4597841B2 - 送液ポンプ - Google Patents

Description

本装置は、送液ポンプに係り、特に、液体試料を分析する装置に用いられる送液ポンプに関する。

液体試料の分析装置の一例として、液体クロマトグラフ装置（ＬＣ）と質量分析装置（ＭＳ）とが接続された液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）がある。

この液体クロマトグラフ質量分析装置においては、試料の構造情報を多く取得するためにピークパーキングが用いられる。

このピークパーキングとは、試料のピークが分離カラムから溶出し、ＭＳで検出された時に瞬時にＬＣの流量を下げ、通常の流量では１分程度の時間をかけて溶出する試料ピークを、それ以上の時間で溶出させ続けるものである。

これは、この試料成分についてより多くＭＳ^ｎ分析を行うことが可能になるため、未知化合物の構造解析に於いて有効な技術である。

このピークパーキングを行うためには、ピークが検出されて、すぐに流量を落とさねばならない。そこで、例えば、特許文献１にはスプリット方式の技術が記載されている。

つまり、スプリット方式では、ポンプの流量を制御する抵抗配管の長さを二種類用意し、それらを流量に応じて切替えることで流量を変化させている。

一方、スプリットレス方式の送液ポンプとしては、特許文献２に記載された技術がある。この特許文献２に記載された技術は、第１プランジャと第２プランジャとが逆止弁を介して互いに直列に接続され、気泡を排出するため、第1プランジャで大流量で溶媒液をカラムに充填し、第２プランジャで低流量で送液し、定常運転を行なうものである。

このスプリットレス方式の送液ポンプでは、送液中に送液プランジャの送液速度を落としても、それまでの送液で生じたポンプ内に残存している圧力によって流量はすぐに下がらず、ポンプの動作に対する流量の追従性が悪い。

特に、低流量の送液ポンプにおいては、残存したポンプ圧力の影響が大きく、ピークパーキングを実行することは不可能である。

このため、スプリットレス方式の送液ポンプでピークパーキングを行うためには、特許文献３に記載されているように、送液ポンプ以外に、シリンジポンプのような低流量送液専用の第２の送液ポンプが必要である。

米国特許６３１５９０５Ｂ１明細書 特開２００４−１３７９７４号公報 米国特許６８５８４３５Ｂ２明細書

しかしながら、上記スプリット方式では、抵抗配管によりポンプの流量を変える構成となっているため、細い抵抗配管の詰まり等の原因で抵抗配管にかかる圧力が変動し、同じ抵抗配管を使用した場合でも、流量再現性や流量正確さが低かった。

また、スプリットレス方式の場合は、上述したように、第1の送液ポンプの他に、低流量送液専用の第２の送液ポンプが必要であり、高価格となり、装置の大型化するという問題点がある。

本発明の目的は、流量正確さの高いスプリットレス方式でありながら、単一のポンプで、ピークパーキング動作を実行可能な送液ポンプに関する。

本発明の低流量送液ポンプは、加圧用と安定送液用の用途の異なる二つのプランジャが直列に接続され、これらのプランジャ間を開閉する切替え手段と、二つのプランジャ及び切り替え手段の動作を制御する制御手段とを有する。

そして、上記制御手段は、安定送液用プランジャで送液中に切替え手段を開放して送液圧力を下げ、その後、切替え手段を閉じて、加圧用プランジャで目標の圧力値まで再加圧する。

また、本発明の低流量送液ポンプにおいて、制御手段は、切り替え手段の流路を設定して、安定送液用のプランジャの吐出部から液体を送液し、流量低下指令に従って、切り替え手段の流路を切り替えて、安定送液用のプランジャの送液圧力を低下させ、安定送液用のプランジャの吐出圧力が目標圧力となるように、加圧用プランジャを動作させた後、切り替え手段の流路に切り替えて、上記流量低下指令の流量値で送液するように安定送液用プランジャを動作させる。

また、本発明の低流量送液ポンプにおいて、安定送液用プランジャの吐出部からの送液圧力を検出する圧力センサを備え、制御手段は、流量低下指令に従って、切り替え手段の流路を切り替える前に、圧力センサにより検出されたと送液圧力を記憶し、流量低下指令の流量値で送液するように安定送液用プランジャを動作させる。そして、その後に出力される流量回復指令に従って、切り替え手段の流路を切り替えて、安定送液用プランジャの吐出圧力が記憶した送液圧力となるように加圧用プランジャを動作させる。その後、記記憶した送液圧力となったとき、切り替え手段の流路に切り替えて、安定送液用のプランジャの吐出流量が流量低下指令が出力されたときの流量となるように動作させる。

上記送液用ポンプは液体クロマトグラフ装置に用いられる。また、液体クロマトグラフ装置の検知器が質量分析器の場合、流量低下指令は、質量分析器が特定のイオンを検出したときに、質量分析器から制御手段に出力され、流量回復指令は、質量分析器が特定のイオンの検出を終了したときに制御手段に出力される。

本発明により、流量の正確さが高いスプリットレス方式でありながら、単一のポンプで、ピークパーキング動作を実行可能な送液ポンプを実現することができる。

また、本発明により、送液ポンプ単独での流量の変更を瞬時に行なうことができる。

また、本発明の送液ポンプを利用した液体クロマトグラフ装置において、ピークパーキングが可能になる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態である送液ポンプを液体クロマトグラフ質量分析装置に適用した場合の概略構成図である。

図１において、低流量送液用ポンプ４は、加圧用プランジャ１と、安定送液用プランジャ２と、これらプランジャ１と２との接続、分離を切り替える切替えバルブ３と、安定送液用プランジャ２の送液圧力を検出する圧力センサ１７とを備えている。このポンプ４は、液体５を送液するポンプである。

また、液体クロマトグラフ質量分析装置は、複数の溶媒６、７を、時間と共にそれらの組成を変えて混合しながら送液できる機能を持ったポンプ８と、このポンプ８によって送られた混合溶液を２つのループ９、１０に交互に満たし、低流量送液ポンプ４に接続され、この低流量ポンプ４で送り出すための１０方バルブ１１とを備える。

また、液体クロマトグラフ質量分析装置は、１０方バルブ１１と接続され、試料を液体流路内に導入するインジェクタ１２と、インジェクタ１２からの液体から試料を分離するカラム１３と、この分離カラム１３で分離された試料をイオン化してＭＳ^１及びＭＳ^ｎ分析が可能な質量分析装置（ＭＳ）１４とを備える。

さらに、液体クロマトグラフ質量分析装置は、質量分析装置１４、加圧プランジャ１、安定送液用プランジャ２、切り替えバルブ３、１０方バルブ１１及びポンプ８の動作を制御するコントローラ１５を備えている。

コントローラ５には、圧力センサ１７の検出圧力値及び質量分析装置１４の分析出力値が供給される。

操作者は、予めポンプ４の流量と目標圧力、ポンプ８の流量とグラジェントプログラムをコントローラ１５に設定する。

操作者が送液の開始をキーボードや表示画面等を介して指示すると、ポンプ４とポンプ８とは同時に送液を始める。送液開始時、ポンプ４では切替えバルブ３の流路は、図１の点線流路であり、プランジャ１の吐出部とプランジャ２の吸入部とは接続され、プランジャ１の吸入部と液体５が収容された容器との流路は分離された状態となっている。

加圧用プランジャ１は、操作者が設定した目標圧力に達するまでポンプ４の設定流量の５０倍という高流量で送液し、加圧する。プランジャ２の吐出部からの送液圧力が目標圧力に達すると、切替えバルブ３は、図１の実線流路へ切り替わり、プランジャ１の吐出部とプランジャ２の吸入部とは分離され、プランジャ１の吸入部と液体５が収容された容器との流路は接続された状態となり、安定送液用プランジャ２が設定流量で送液を開始する。このとき、加圧用プランジャ１は、プランジャ１内に液体５を吸引していく。

図２は、安定送液用プランジャ２により設定流量２００ｎＬ／ｍｉｎで送液を開始した時の、送液時間に対する流量変化を示す。上記の加圧用プランジャ１の加圧送液（０〜５秒）の後に、安定送液を行うシーケンスにより、流量は送液開始から約５秒で設定流量の２００ｎＬ／ｍｉｎに達することが可能である。

次に、操作者が分析開始を指示すると、インジェクタ１２によって試料が流路内に導入され、同時にポンプ８がグラジェント送液を始める。１０方バルブ１１は、一定時間毎に図１の点線で示す流路と実線で示す流路とを互いに切替え、ポンプ８が送液したグラジェント溶液をポンプ４から送液される流量で分離カラム１３へ送る。分離カラム１３へ送られた試料は成分毎に分離され、ＭＳ１４で順次、質量分離される。

本発明の一実施形態によるシステムを用いて、ピークパーキングを行なうこと無く、タンパク消化物の試料を２００ｎＬ／ｍｉｎで測定したトータルイオンクロマトグラムを図３に示す。図３中の各ピークは、それぞれ単一のペプチド成分を示す。

次に、図３のピークＡの成分について詳細にＭＳ^ｎ分析を行うため、ピークＡの溶出時間に限り２０ｎＬ／ｍｉｎでピークパーキングを行う場合を図４のフローチャートを参照して説明する。

図４のステップＳ１において、操作者は予め、上記の分析条件の他に、ピークパーキングによって詳細にＭＳ^ｎ分析を行いたいターゲット成分Ａのイオンの質量数と、ピークパーキング時の流量２０ｎＬ／ｍｉｎをコントローラ１５に設定する。

分析を開始すると、ステップＳ２にて、コンローラ１５は、ＭＳ１４で検出されるイオンをモニタする。そして、操作者が設定したターゲット成分Ａのイオンを質量分析装置１４が検知すると（質量分析装置１４が流量低下指令をコントローラ１５に出力）、コントローラ１５は、ステップＳ３において、ターゲット成分ＡをＭＳ１４が検知した時点のポンプ４の送液圧力を記憶する。

この時、ポンプ４はポンプ８によって作られたグラジェント送液の実行中であるため、溶媒６、７の混合比が送液開始時と異なっている。従って、送液圧力は送液開始時の目標圧力とは異なる。

続いて、ステップＳ４において、コントローラ１５は、バルブ３を図１の点線流路へ切替え、プランジャ１と２との流路を接続する。

これにより、プランジャ２内の送液圧力はプランジャ１へ開放され、ポンプ４の送液圧力は大気圧とほぼ等しくなり、ポンプ４の流量は０ｎＬ／ｍｉｎ近傍まで低下し、送液を停止し、ポンプ８のグラジェントプログラムの実行を一時停止する。

グラジェントプログラムを一時停止したポンプ８は、その時点の溶媒６、７の混合比を維持したままポンプ８の送液を続ける。

次に、コントローラ１５は、ステップＳ５において、ピークパーキング前後の流量比を元に、ピークパーキング開始時に記憶したポンプ４の送液圧力からピークパーキング送液を開始するためにプランジャ１が再加圧する目標圧力を算出する。

例えば、定常送液の流量が２００ｎＬ／ｍｉｎ、送液圧力８．０ＭＰａで送液中に、２０ｎＬ／ｍｉｎまで流量（流量低下指令の流量値）を落としてピークパーキングを行う場合、再加圧の目標圧力は８．０ＭＰａの１／１０である０．８ＭＰａとなる。

そして、算出した目標圧力になるように、ステップＳ６で、プランジャ１により再加圧を行わせる。目標圧力に達すると、ステップＳ７において、コントローラ１５は、バルブ３を図１の実線流路へ切替え、プランジャ１と２との流路を分離する。

そして、プランジャ２がピークパーキング時の流量２０ｎＬ／ｍｉｎで送液を行う。

ピークパーキングを行っている間、カラム１３には同一組成の混合溶媒が超低流量で送液される。ピークパーキング開始時にＭＳ１４が検出し始めたターゲット成分Ａのピークは、１０分程度維持させる。

なお、流量２０ｎＬ／ｍｉｎのピークパーキングにおいては、１０分程度維持させるが、ピークパーキングではなく、通常の送液２００ｎＬ／ｍｉｎの場合では、１分程度で溶出が終わる。

ターゲット成分が溶出し終えると、設定したイオンがＭＳ１４で検出されなくなる（流量回復指令をコントローラ１５に出力）。この時、ステップＳ８において、コントローラ１５は、バルブ３を図１の点線流路へ切替え、プランジャ１と２との流路を接続する。

これにより、プランジャ２の圧力がプランジャ１へ開放され、ポンプ４の送液が停止する。同時に、コントローラ１５はポンプ８のグラジェントプログラムを再開する。

次に、コントローラ１５は、ステップＳ９において、ピークパーキング開始時に記憶したピークパーキング前の送液圧力８．０ＭＰａを目標圧力に設定し、プランジャ１により再加圧を行う。

目標圧力に達すると、コントローラ１５は、ステップＳ１０において、バルブ３を、図１の実線流路へ切替え、プランジャ１と２との流路を分離する。そして、プランジャ２はピークパーキング前の通常流量２００ｎＬ／ｍｉｎで送液を開始する。このようにして、ピークパーキングは終了する。

図５は、本発明の実施形態により得られたトータルイオンクロマトグラムである。この図５に示すトータルイオンクロマトグラムは、図３に示したトータルイオンクロマトグラムと同じ試料において、Ａのピークについて流量２０ｎＬ／ｍｉｎでピークパーキングを行った結果を示している。

以上のように、本発明においては、低流量送液用ポンプ４の加圧用プランジャ１と安定送液用プランジャ２とを、流路切り替えバルブ３を介して直列に接続し、この流路切り替えバルブ３により、加圧用プランジャ１と安定送液用プランジャ２との接続、分離を行なうと共に送液圧力を制御して、ピークパーキングを行う構成としている。

したがって、本発明により、単一のポンプ４で、流量正確さの高いスプリットレス方式でありながら、ピークパーキング動作を実行可能とすることができる。

なお、上述した例は、本発明を液体クロマトグラフ質量分析装置に適用した場合の例であるが、液体クロマトグラフ質量分析装置のみならず、ピークパーキングを行なう、例えば、ＵＶ検出器を用いた液体クロマトグラフ装置等の液体試料分析装置に用いられる送液ポンプにも適用可能である。

本発明の一実施形態である送液ポンプを液体クロマトグラフ質量分析装置に適用した場合の概略構成図である。 安定送液用プランジャにより送液を開始した時の、送液時間に対する流量変化を示す図である。 ピークパーキングを行わない場合における、タンパク消化物試料のトータルイオンクロマトグラムを示すグラフである。 本発明の一実施形態によるピークパーキングの動作フローチャートである。 本発明の一実施形態によりピークパーキングを行った場合における、タンパク消化物試料のトータルイオンクロマトグラムを示すグラフである。

符号の説明

１ 加圧用プランジャ
２ 安定送液用プランジャ
３ 流路切替えバルブ
４ 低流量送液ポンプ
５ 低流量送液ポンプ用溶媒
６、７ グラジェントポンプ用溶媒
８ グラジェントポンプ
９、１０ １０方バルブのループ
１１ １０方バルブ
１２ インジェクタ
１３ 分離カラム
１４ 質量分析装置
１５ コントローラ
１７ 圧力センサ

Claims (7)

1. 加圧用と安定送液用の用途の異なる二つのプランジャが直列に接続され、これらのプランジャ間を開閉する切替え手段と、上記二つのプランジャ及び切り替え手段の動作を制御する制御手段とを有する低流量送液ポンプにおいて、
   上記制御手段は、上記安定送液用プランジャで送液中に上記切替え手段を開放して送液圧力を下げ、その後、再度上記切替え手段を閉じて、加圧用プランジャで目標の圧力値まで再加圧することで、流量を変化させることを特徴とする送液ポンプ。
2. 液体を低流量で送液する送液ポンプにおいて、
   加圧用の第１のプランジャと、
   安定送液用の第２のプランジャと、
   送液する液体の流路と上記第１のプランジャの吸入部とを接続し、上記第１のプランジャの吐出部と第２のプランジャの吸入部とを分離する第１の流路と、送液する液体の流路と上記第１のプランジャの吸入部とを分離し、上記第１のプランジャの吐出部と第２のプランジャの吸入部とを接続する第２の流路とを切り替える切り替えバルブと、
   上記第１のプランジャ、第２のプランジャ及び切り替えバルブの動作を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする送液ポンプ。
3. 請求項２記載の送液ポンプにおいて、
   上記制御部は、上記切り替えバルブを第１の流路に設定して、第２のプランジャの吐出部から液体を送液し、流量低下指令に従って、上記切り替えバルブを第１の流路に切り替えて、第２のプランジャの送液圧力を低下させ、第２のプランジャの吐出圧力が目標圧力となるように第１のプランジャを動作させた後、上記切り替えバルブを第２の流路に切り替えて、上記流量低下指令の流量値で送液するように上記第２のプランジャを動作させることを特徴とする送液ポンプ。
4. 請求項３記載の送液ポンプにおいて、
   第２のプランジャの吐出部からの送液圧力を検出する圧力センサを備え、上記制御部は、上記流量低下指令に従って、上記切り替えバルブを第１の流路に切り替える前に、上記圧力センサにより検出されたと送液圧力を記憶し、上記流量低下指令の流量値で送液するように上記第２のプランジャを動作させた後に出力される流量回復指令に従って、上記切り替えバルブを第２の流路に切り替えて、第２のプランジャの吐出圧力が上記記憶した送液圧力となるように第１のプランジャを動作させ、上記記憶した送液圧力となったとき、上記切り替えバルブを第１の流路に切り替えて、第２のプランジャの吐出流量が流量低下指令が出力されたときの流量となるように、第２のプランジャを動作させることを特徴とする送液ポンプ。
5. 第１の送液ポンプと、組成の異なる複数の溶媒を混合比を変えながら混合して送液する第２の送液ポンプと、第１の送液ポンプ及び第２の送液ポンプに接続される多方流路切り替え手段と、この多方流路切り替え手段からの液体に試料を導入する試料導入部と、この試料導入部から供給される混合試料を成分毎に分離する分離カラムと、この分離カラムによって分離された試料成分を検出する検出器と、上記第１、第２の送液ポンプ、多方流路切り替え手段、試料導入部及び検出器の動作を制御する制御部とを有する液体クロマトグラフ装置において、
   上記第１の送液ポンプは、
   加圧用の第１のプランジャと、
   安定送液用の第２のプランジャと、
   送液する液体の流路と上記第１のプランジャの吸入部とを接続し、上記第１のプランジャの吐出部と第２のプランジャの吸入部とを分離する第１の流路と、送液する液体の流路と上記第１のプランジャの吸入部とを分離し、上記第１のプランジャの吐出部と第２のプランジャの吸入部とを接続する第２の流路とを切り替える切り替えバルブと、
   を備え、上記制御部は、上記第１のプランジャ、上記第２のプランジャ及び上記切り替えバルブの動作を制御することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
6. 請求項５記載の液体クロマトグラフ装置において、
   上記第１の送液ポンプは第２のプランジャの吐出部からの送液圧力を検出する圧力センサを備え、上記制御部は、上記切り替えバルブを第１の流路に設定して、第２のプランジャの吐出部から液体を送液し、流量低下指令に従って、上記圧力センサにより検出されたと送液圧力を記憶した後に、上記切り替えバルブを第１の流路に切り替えて、第２のプランジャの送液圧力を低下させ、第２のプランジャの吐出圧力が目標圧力となるように第１のプランジャを動作させた後、上記切り替えバルブを第２の流路に切り替えて、上記流量低下指令の流量値で送液するように上記第２のプランジャを動作させ、その後に出力される流量回復指令に従って、上記切り替えバルブを第２の流路に切り替えて、第２のプランジャの吐出圧力が上記記憶した送液圧力となるように第１のプランジャを動作させ、上記記憶した送液圧力となったとき、上記切り替えバルブを第１の流路に切り替えて、第２のプランジャの吐出流量が、流量低下指令が出力されたときの流量となるように、第２のプランジャを動作させることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
7. 請求項６記載の液体クロマトグラフ装置において、
   上記検出器は質量分析器であり、上記流量低下指令は、上記質量分析器が特定のイオンを検出したときに、上記質量分析器から上記制御部に出力され、上記流量回復指令は、上記質量分析器が特定のイオンの検出を終了したときに上記制御部に出力されることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。

Images