特開2015-194499(P2015-194499A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2015-194499(P2015-194499A)
(43)【公開日】2015年11月5日
(54)【発明の名称】流体混合器及び流体混合方法
(51)【国際特許分類】
   G01N 30/84 20060101AFI20151009BHJP
   B01F 3/08 20060101ALI20151009BHJP
   B01F 5/00 20060101ALI20151009BHJP
   G01N 30/88 20060101ALI20151009BHJP
【FI】
   G01N30/84 A
   B01F3/08 Z
   B01F5/00 D
   G01N30/88 F
【審査請求】有
【請求項の数】2
【出願形態】OL
【全頁数】15
(21)【出願番号】特願2015-141155(P2015-141155)
(22)【出願日】2015年7月15日
(62)【分割の表示】特願2011-224314(P2011-224314)の分割
【原出願日】2011年10月11日
(71)【出願人】
【識別番号】501387839
【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ
(74)【代理人】
【識別番号】110001829
【氏名又は名称】特許業務法人開知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】大坪 綾乃
(72)【発明者】
【氏名】塚田 修大
(72)【発明者】
【氏名】源 法雅
(72)【発明者】
【氏名】河原井 雅子
(72)【発明者】
【氏名】伊藤 正人
【テーマコード(参考)】
4G035
【Fターム(参考)】
4G035AB37
4G035AC01
(57)【要約】
【課題】検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さく、分析装置の分析精度を向上可能な流体混合器を実現する。
【解決手段】分岐前の流路115に流体が+X軸方向に流れ、分岐流路116で+Y軸方向と−Y軸方向の流れに分岐し、下流でX軸方向に流れが曲がり、その下流で+Y軸方向と−Y軸方向に流れが曲がり、その下流で合流し−X軸方向に流れが曲がる。さらに、その下流で+Z軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がり、その下流で−Z軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がる。流体混合器921内を流れる検出対象成分が流体混合器921内に滞留する時間は、流体混合器921の入口断面において検出対象成分が流入する場所によらず同等である。よって、流体混合器921の上流に対する流体混合器921の下流における検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さくなる。
【選択図】図4
【特許請求の範囲】
【請求項1】
アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置において、
試料液と溶離液を合流させるオートサンプラーと、
上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離する分離カラムと、
上記分離カラムにより分離された検出対象成分と試薬液とを混合する流体混合器であるとともに、上記検出対象成分と上記試料液との反応部の配管を兼用し、上記検出対象成分と上記試薬液とを加温させて反応させるための加温器を一体とした流体混合加温器と、
上記流体混合加温器により混合および加温されることにより生じる反応生成物を検出する検出器と、を備えることを特徴とするアミノ酸分析装置。
【請求項2】
アミノ酸を分析するアミノ酸分析装置を用いたアミノ酸分析方法において、
オートサンプラーにより試料液と溶離液とを合流させ、
上記オートサンプラーから供給される混合液から検出対象成分を分離カラムにより分離し、
上記分離した検出対象成分と試薬液とを混合する流体混合器であるとともに、上記検出対象成分と上記試料液との反応部の配管を兼用し、上記検出対象成分と上記試薬液とを加温させて反応させるための加温器を一体とした流体混合加温器により混合および加温されることにより生じる反応生成物を検出器により検出することを特徴とするアミノ酸分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、2種類以上の液体を混合する流体混合器に関する。
【背景技術】
【0002】
例えば、液体クロマトグラフのポストカラム反応を利用したアミノ酸分析装置がある。このアミノ酸分析装置は試料内のアミノ酸の含有量の測定や種類の同定を行う装置である。
【0003】
アミノ酸分析装置は、試料液を分離カラムに通して、試料液内の検出対象成分であるアミノ酸を分離し、分離したアミノ酸にニンヒドリン試薬などの試薬液を混合し、混合液を加熱することで反応させ、反応生成物を検出器で検出する装置である。
【0004】
従来のアミノ酸分析装置は、試薬液と検出対象成分とを混合するためにT字コネクタと配管とを用いていた。試薬液と検出対象成分はT字コネクタで合流し、その下流の配管内で濃度拡散によって混合する。
【0005】
この場合、混合に必要な時間が長いため、混合に必要な配管長が長くなり、その配管内において測定対象成分が流れ方向に拡がる。液体クロマトグラフでは、検出対象成分が配管内で流れ方向に拡がると、検出対象成分が検出器に流入してから流出するまでの時間が長くなるため、分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
【0006】
したがって、試薬液と検出対象成分の混合に必要な時間を短くするために流体混合器が用いられる。
【0007】
分析装置内にある流体混合器の一例として、特許文献1に記載された技術がある。特許文献1に記載の流体混合器は、試薬液が流れる管状の試薬流路と、液体クロマトグラフ装置の分離カラムからの試料液が流れる管状の試料流路とが連結部にて合流する流体混合器である。
【0008】
この流体混合器は、連結部と、その下流の合流流路と、試薬流路および試料流路よりも流路断面積が大きくかつ流路長が短い大径部と、この大径部よりも流路断面積が小さくかつ流路長が長い小径部とが順に連結されている構造である。
【0009】
この流体混合器では、合流流路と大径部の幅が異なるため、大径部において渦流が発生し、この渦流により液体の混合が行われる。
【0010】
また、流体混合器の他の例としては、特許文献2に記載された技術がある。特許文献2に記載の流体混合器は、流路が分岐と混合を繰り返す構造である。この流路構造では、2つの流体の衝突、流れ方向の変化、流速の変化などで乱流が発生し、その結果、2つの流体が混合する流体混合器である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0011】
【特許文献1】特開2002−131326号公報
【特許文献2】特開2008−246283号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
特許文献1に記載の流体混合器にあっては、渦流によって液体を混合するが、この場合、渦流に巻き込まれた検出対象成分と渦流に巻き込まれなかった検出対象成分とは、流体混合器内での滞留時間が異なる。そのため、流体混合器の上流に比べて流体混合器の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がりが大きくなる。
【0013】
その結果、分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
【0014】
特許文献2に記載の流体混合器は、流体が分岐前の流路と、分岐流路と、合流後の流路とを流れることによって、流体が分岐と合流を繰り返す。この流体混合器の流路では、流路中央では流れが速く、流路の壁面近くでは流れが遅い流速分布を持つ。
【0015】
また、特許文献2に記載の流体混合器では、分岐前の流路において流路中央の速い流れの位置にある流体は、分岐流路においては壁面近くの遅い流れの位置となり、合流後の流路においては再び流路中央の速い流れの位置となる。
【0016】
また、分岐前の流路において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体は、分岐流路においては流路中央の速い流れの位置となり、合流後の流路においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置となる。
【0017】
一方、分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置にある流体は、分岐流路においても壁面近くの遅い流れの位置にあり、合流後の流路においても壁面近くの遅い流れの位置にあり、常に遅い流れの位置を流れる。
【0018】
したがって、分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間は、分岐前の流路において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間に比べて長い。
【0019】
また、上記分岐前の流路において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間は、分岐前の流路において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分が分岐前の流路と分岐流路と合流後の流路に滞留する時間に比べて長い。
【0020】
すなわち、流体混合器の入口(分岐前の流路)の断面において、検出対象成分が流入する場所によって、流体混合器内に滞留する時間が異なる。その結果、流体混合器の上流に比べて流体混合器の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がりが大きくなる。
【0021】
その結果、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
【0022】
本発明の目的は、検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さく、分析装置の分析精度を向上可能な流体混合器及び流体混合方法を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【0023】
上記目的を達成するため、本発明は次のように構成される。
【0024】
少なくとも2種類の流体を混合させる流体流路を有し、直交座標系の互いに直交する3軸を、第1軸、第2軸、第3軸としたとき、+第1軸方向に延び、流体導入口からの流体を+第1軸方向に流体を流し、上記第1の流路から第2の流路及び第3の流路に流体を分岐し、上記第2の流路と第3の流路とに分岐された流体を合流部で合流し、上記合流部で合流した流体を、−第1軸方向に流し、上記流体を導出口に導出する。
【発明の効果】
【0025】
検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さく、分析装置の分析精度を向上可能な流体混合器及び流体混合方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
図1】本発明の流体混合器が適用されたアミノ酸分析装置の概略構成図である。
図2】本発明の流体混合器の組み立て分解斜視図である。
図3】本発明とは異なる例であり、本発明との比較のため、流路内での検出対象成分の拡がりを示す図である。
図4】本発明の原理説明のため、検出対象成分の拡がりの抑制効果を示す図である。
図5】本発明の第1の実施例における流体混合器を複数組み合わせた例を示す図である。
図6】配管内の検出対象成分と溶離液と試薬液の様子を説明する図である。
図7】混合率と合流部からの距離の関係のシミュレーション結果を示す図である。
図8】本発明の第2、第3の実施例による流体混合器の説明図である。
図9】本発明の第4の実施例における流体混合器が適用されたアミノ酸分析装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、添付図面を参照して本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施例に限定されるものではない。
【実施例】
【0028】
図1は本発明の流体混合器が適応されたとアミノ酸分析装置の概略構成である。図1において、アミノ酸分析装置は、試料液容器1と、溶離液容器2と、オートサンプラー3と、溶離液送液ポンプ4と、試薬液容器5と、試薬液送液ポンプ6と、試料液中の検出対象成分を分離する分離カラム7とを備える。
【0029】
また、アミノ酸分析装置は、流体混合器13と、反応部配管9と、反応部配管9を内部に有し、検出対象成分と試薬液を加温させて反応させるための加温機10と、反応部配管9で生じた反応生成物を検出する検出器11と、配管17と、廃液容器18とを備える。12は検出器11を通過した廃液、14は試料液、15は溶離液、16は試薬液である。
【0030】
図1に示したアミノ酸分析装置は、溶離液15が溶離液容器2から溶離液送液ポンプ4によって送液される。試料液14は試料液容器1からオートサンプラー3によって、溶離液15に合流し、分離カラム7に流れる。分離カラム7では、電荷の違いで試料液の中の検出対象成分が分離され、分離された検出対象成分は試薬液16と流体混合器13で合流する。流体混合器13は後述するように、A基板407、B基板408、C基板409が積層されている。
【0031】
試薬液16は試薬液容器5から試薬液送液ポンプ6によって送液される。分離カラム7で分離された検出対象成分と試薬液16とは流体混合器13で混合された後、反応部配管9にて反応する。そして、反応部配管9で生じた反応生成物は検出器11にて検出され、廃液容器18に送液される。
【0032】
図6は、分離カラム7で分離された検出対象成分19(アミノ酸A21、アミノ酸B22、アミノ酸C23)と溶離液15と溶離液と試薬液の混合液27の配管内の分布を示す図である。図6において、配管17の内部には、アミノ酸A21、アミノ酸B22、アミノ酸C23、溶離液15、アミノ酸A21と試薬液と反応してできた反応生成物24、アミノ酸B22と試薬液が反応してできた反応生成物25、アミノ酸Cと試薬液が反応してできた反応生成物26、溶離液と試薬液の混合液27が存在sじている。
【0033】
図6の(a)は、検出対象物成分19と溶離液15との混合前の配管17内を示し、検出対象成分19(アミノ酸A21、アミノ酸B22、アミノ酸C23)は、それぞれ溶離液15中に分離されて流れる。
【0034】
そして、流体混合器13でアミノ酸A21、アミノ酸B22、アミノ酸C23が試薬液16と混合する。図6の(b)は、検出対象物成分19と溶離液15との混合後の配管17内を示し、混合後の配管17内では、溶離液と試薬液の混合液27の中に、アミノ酸A21と試薬液が反応してできた反応生成物24、アミノ酸B22と試薬液が反応してできた反応生成物25、アミノ酸C23と試薬液16が反応してできた反応生成物26が存在するようになる。
【0035】
図2は本発明の流体混合器13の組み立て分解斜視図である。図2が示すように、本発明の第1の実施例による流体混合器13は、A基板407と、B基板408と、C基板409とから形成される。ネジ(図示せず)をネジ通し穴411に通してネジ穴410に回し入れることで、3枚の基板を積層して固定し、流体混合器13を形成する。A基板407には、A液401の導入口404、B液402の導入口405、混合液403の導出口406が形成されている。
【0036】
A基板407、B基板408、C基板409の材質は、例えば、ステンレス、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンなどを用いることができる。図2に示した流体混合器により、図5に示す流路形状が形成される。
【0037】
図3は、本発明とは異なる原理の流体混合器の説明図であり、本発明との比較例を示す図である。
【0038】
図3の(a)は、1本の流路内での検出対象成分の流れ方向の拡がりを説明するための流路概略断面図である。図3の(a)において、1本の流路901に検出対象成分19が入り、流路内を通過する場合、流路内の流速分布は902のように、流路の流体流れ方向中心線から流路の壁面に向かうにつれて流速が遅くなる放物線状となる。このため、検出対象成分の分布も放物線状の分布904となり、検出対象成分の流れ方向の拡がりは905となる。
【0039】
図3の(b)は、流路分岐前の流路111と、分岐流路112と、合流流路113とからなる比較例における流体混合器911内での検出対象成分の流れ方向の拡がりの様子を示す流路概略断面図である。
【0040】
図3の(b)では、分岐前の流路111に検出対象成分19が入り、分岐前の流路111を通過すると、検出対象成分が放物線状流速分布903によって分岐部62の直前の上流側では放物線状の分布930になっている。分布930の検出対象成分は分岐部62で、図3の(b)に示した+Y軸方向と−Y軸方向に分岐し(成分60および成分61)、分岐流路112内の流速分布903により、流路中央では速く移動し(中央成分908)、壁面付近では遅く移動する(壁面成分906)。そのため、合流部33の直前の上流側では、検出対象成分は成分30および成分31のように流れ方向に拡がる。
【0041】
合流部33において、成分30と成分31とが合流して図3の(b)に示した+X軸方向に流れ、成分40になる。
【0042】
ここで、成分30については、流路内の壁面近くの流れの遅い成分(壁面成分906(合流流路113から遠い方の壁面の成分))が、合流流路内の中央に移動し(中央成分907)、流路中央の流れの速い成分(中央成分908)が合流流路内の壁面側に移動する(壁面側成分909)。
【0043】
一方、分岐前の流路111での壁面近くの流れの遅い成分933は、分岐流路112内においても壁面近くの遅い流れの位置913にあり、合流流路113においても壁面近くの遅い流れの位置914にある。
【0044】
したがって、合流流路113での成分の分布910の拡がりは912となる。
【0045】
分岐前の流路111において、流路中央の速い流れの位置にある流体934は、分岐流路112においては、壁面近くの遅い流れの位置935にあり、合流後の流路113においては、再び流路中央の速い流れの位置907にある。
【0046】
また、分岐前の流路111において、流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体936は、分岐流路112においては流路中央の速い流れの位置908にあり、合流後の流路113においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置909にある。
【0047】
一方、分岐前の流路111において壁面近くの遅い流れの位置にある流体933は、分岐流路112においても壁面近くの遅い流れの位置913にあり、合流後の流路113においても壁面近くの遅い流れの位置914にあり、常に遅い流れの位置を流れる。
【0048】
したがって、分岐前の流路111において壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分933が分岐前の流路111と分岐流路112と合流流路113に滞留する時間は、分岐前の流路111において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分934が分岐前の流路111と分岐流路112と合流流路113に滞留する時間より長い。また、検出対象成分933は、分岐前の流路111において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分936が分岐前の流路111と分岐流路112と合流流路113に滞留する時間に比べて長くなる。
【0049】
すなわち、この流体混合器911内を流れる検出対象成分が流体混合器911内に滞留する時間は、流体混合器の入口(分岐前の流路111)断面において検出対象成分が流入する場所によって異なる。よって、流体混合器911の上流に比べて流体混合器911の下流では検出対象成分の流れ方向の拡がり912が大きくなる。その結果、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がり、分析精度が低下する。
【0050】
図4は、本発明の流体混合器の原理説明図であり、流路構造921において、検出対象成分の拡がりの抑制効果を示している。直交座標の互いに直交する軸を、第1軸、第2軸、第3軸とする。これらを、X軸、Y軸、Z軸として説明する。
ただし、第1軸をX、Y、Z軸のいずれにも設定可能である。同様に、第2軸、第3軸をX、Y、Z軸のいずれにも設定可能である。
【0051】
図4の(a)においては、分岐前の流路115の流れ方向をX軸とし、 分岐前の流路115の流れ方向に垂直な方向をY軸、Z軸とし、紙面に垂直な方向をZ軸とする。
【0052】
図4の(b)においては、分岐前の流路115の流れ方向をX軸とし、 分岐前の流路115の流れ方向に垂直な方向をY軸、Z軸とし、紙面に垂直な方向をY軸とする。
【0053】
図4の(b)は、流路の側面図を示し、図4の(a)は、図4の(b)のA−A線に沿った断面を示す。
【0054】
流路構造921においては、図4の(a)に示すように、分岐前の流路115(第1の流路)に流体が+X軸方向に流れ、その下流の分岐流路116(第2の流路、第3の流路)で+Y軸方向と−Y軸方向の流れに分岐し、その下流でX軸方向に流れが曲がり、その下流で+Y軸方向と−Y軸方向に流れが曲がる。そして、その下流で第2の流路と第3の流路は合流部に接続され、分岐した流体がこの合流部で合流する。この合流部は第4の流路に接続されており、第4の流路は、−X軸方向に延び、流体の流れも−X軸方向に曲がる。
【0055】
さらに、図4の(b)に示すように、第4の流路は、流体を導出する導出口に導く第5の流路(導出路)に接続される。この第5の流路は、+Z軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がり、その下流で−Z軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がる。そして、第5の流路は、+X軸方向に延びて、流体は+X軸方向に流れる。
【0056】
図4の(a)において、流路構造921に流入する検出対象成分19は、流速分布915により、分岐部52の直前の上流側で放物線状の分布を持つ成分940となる。成分940は分岐部52で+Y軸方向と−Y軸方向に分岐し(成分50および成分51)、分岐流路116内の流速分布915により、流路中央では速く移動し(中央成分918)、壁面付近では遅く移動するため(壁面成分923)、成分53および成分54のように流れ方向に拡がる。
【0057】
合流部55で、成分53と成分54とが合流して−X軸方向に流れが曲がり、成分56になる。成分56については、成分53と成分54の壁面近くの遅い流れの成分(壁面成分923)が流路中央に移動し(中央成分917)、成分53と成分54の流路中央の速い流れの成分(中央成分918)が壁面側に移動する(壁面側成分919)。また、成分53と成分54の壁面近くの遅い流れの成分(壁面成分916)は、壁面における流の成分920となる。その後、図4の(b)に示すように、流体は+Z軸方向、+X軸方向、−Z軸方向、+X軸方向に流れ方向を変化していく。
【0058】
したがって、分岐前の流路115の壁面近くの遅い流れの成分943は、分岐と合流後に流路中央の速い流れに位置する(中央成分917)。流体混合器出口での成分の分布926の拡がりは922となる。この広がり922は、図3に示した1本の流路901による拡がり905よりも小さく、分岐合流する流体混合器911による拡がり912よりも小さくなる。分布926は中心部925の成分より壁面部の成分が上流側に位置する状態となっており、流体混合器出口に向かうにつれ、中心部925の成分と壁面部の成分のとの距離は短縮する。
【0059】
本発明の流路構造921では、分岐前の流路115において、流路中央の速い流れの位置にある流体945は、分岐流路116においては壁面近くの遅い流れの位置946にあり、合流後の流路117においては壁面近くの遅い流れの位置920にある。
【0060】
また、分岐前の流路115において、流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置にある流体947は、分岐流路116においては流路中央の速い流れの位置918にあり、合流後の流路117においては再び流路中央と流路の壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置919にある。
【0061】
一方、分岐前の流路115において、壁面近くの遅い流れの位置にある流体943、944は、分岐流路116においても壁面近くの遅い流れの位置923にあり、合流後の流路117においては流路中央の速い流れの位置917にある。
【0062】
したがって、分岐前の流路115において、壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分943、944が分岐前の流路115と分岐流路116と合流流路117に滞留する時間は、分岐前の流路115において流路中央の速い流れの位置に流入する検出対象成分945が分岐前の流路115と分岐流路116と合流流路117に滞留する時間と同等となる。
【0063】
また、壁面近くの遅い流れの位置に流入する検出対象成分943、944は、分岐前の流路115において流路中央と流路壁面近くの中間の中程度の速さの流れの位置に流入する検出対象成分947が分岐前の流路115と分岐流路116と合流流路117に滞留する時間と同等となる。
【0064】
すなわち、この流体混合器921内を流れる検出対象成分が流体混合器921内に滞留する時間は、流体混合器921の入口(分岐前の流路115)断面において検出対象成分が流入する場所によらず同等である。その結果、流体混合器921の上流に対する流体混合器921の下流における検出対象成分の流れ方向の拡がりが小さくなる。
【0065】
したがって、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が拡がらず、アミノ酸分析装置の分析精度を向上することができる。
【0066】
なお、図4の(b)に示した流路において、+Z軸方向に延長した後、+X軸方向に延び、その後、−Z軸方向に延びているが、+Z軸方向への延長距離、+X軸方向への延長距離、及び−Z軸方向への延長距離は、流路の断面積、流体の流量等を考慮して、流路中心部分の検出対象成分と流路壁面部分の検出対象成分の位置関係が、流体混合器の出口部分で最も接近するように、つまり、拡がり922が最も小となるように設定することが可能である。
【0067】
図4に示した流体混合器921は、分岐前流路115と合流流路117との間でXY平面内での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えた。しかし、XZ平面の流速分布によるXZ平面での検出対象成分の流れの拡がりが存在し、図4に示した流れの位置の入れ替えをXZ平面についても行うことで、XZ平面での検出対象成分の流れ方向の拡がりを抑えることができる。
【0068】
XZ平面での流れの位置の入れ替えは、図4の流路921をX軸回りに角度90度回転させた流路構造に流体を流せばよい。XY平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、XZ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器とを接続し、一つの流体混合器とすることができる。
【0069】
XZ平面での流れの位置の入れ替えの流路構造を以下に説明する。
【0070】
図4に示したY軸をZ軸とし、Z軸をY軸として、分岐前の流路115(第1の流路)に流体が+X軸方向に流れ、その下流の分岐流路116(第2の流路、第3の流路)で+Z軸方向と−Z軸方向の流れに分岐し、その下流でX軸方向に流れが曲がり、その下流で+Z軸方向と−Z軸方向に流れが曲がる。そして、その下流で第2の流路と第3の流路は合流部に接続され、分岐した流体がこの合流部で合流する。この合流部は第4の流路に接続されており、第4の流路は、−X軸方向に延び、流体の流れも−X軸方向に曲がる。
【0071】
さらに、図4の(b)に示すように、第4の流路は、第5の流路に接続され、この第5の流路は、+Y軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がり、その下流で−Y軸方向に流れが曲がり、その下流で+X軸方向に流れが曲がる。
【0072】
そして、第5の流路は、+X軸方向に延び、流体は+X軸方向に流れる。
【0073】
また、XY平面において、Y軸方向から流体が流入する場合は、図4のX軸とY軸とを入れ替えた場合の流路構造となる。この場合、合流後の流路117における流体の流れは、−Y方向となる。
【0074】
さらに、YZ平面において、+Z軸方向から流体が流入する場合は、図4において、X軸とZ軸とを入れ替えた場合の流路構造となる。この場合、合流後の流路117における流体の流れは、−Z方向となる。YZ平面において、−Z軸方向から流体が流入する場合は、合流後の流路117における流体の流れは、+Z方向となる。
【0075】
XY平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、XZ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器と、YZ平面での速い流れの位置と遅い流れの位置とを入れ替えを行う流体混合器とを接続し、一つの流体混合器とすることも可能である。各流体混合器をそれぞれ複数個とし、6つ以上の流体混合器を接続して流体混合器を構成することも可能である。
【0076】
ここで、流体混合器に流路の一例として、断面形状が正方形であり、一辺の寸法が100〜1000マイクロメートルの配管を使用することができる。
【0077】
図5は、本発明の第1の実例による流体混合器の流路形状を示す図である。なお、後述する要素101〜106は、図4に示した本発明の原理に従って形成されているが、図示の都合上、分岐した流体が合流した直後に、−X軸方向、−Y軸方向又は+Z軸方向に流体を流す流路は省略されている。
【0078】
図5において、直交座標系の3軸を、X軸、Y軸、Z軸とすると、本発明の第1の実施例における流体混合器は、A液(試料液に相当)401と、B液(試薬液に相当)402が、それぞれの入口であるA液導入口404、B液導入口405から、−Z軸方向に導入され、A液401は+X軸方向に流れ、B液402は−X軸方向に流れて、合流部801で互いに合流し、その後に−Z軸方向に流れる。
【0079】
そのとき、A液401とB液402とがY軸方向から見て左右に位置する(流路断面A)。その下流で、−Y軸方向と+Y軸方向とに分岐部802で分岐し、+X軸方向に流れる(流路断面B)。その後、−Y軸方向と+Y軸方向に流れ、合流部803で合流し、−X軸方向から+Z軸方向に流された後、+X軸方向に流れ、分岐部804で、+Z軸方向と−Z軸方向に分岐し、+X軸方向に流れた後(流路断面C)、+Z軸方向と−Z軸方向に流れて合流部805で合流する。その後、−X軸方向に流れた後、+Y軸方向に流れ、+X軸方向と−X軸方向に分岐部806で分岐し、+Y軸方向に流れた後(流路断面D)、+X軸方向、−X軸方向に流れて、合流部807で合流する。その後、−Y軸方向に流れた後、+Z軸方向に流れ、+Y軸方向と−Y軸方向に分岐部808で分岐し、−Z軸方向に流れ(流路断面E)、+Y軸方向と−Y軸方向に流れて合流部809で合流する。
【0080】
その後、+Z軸方向に流れた後、+X軸方向に流れ、+Z軸方向、続いて+X軸方向に流れた後、+Z軸方向と−Z軸方向に分岐部810で分岐する。そして、+X軸方向に流れた(流路断面F)後、+Z軸方向と−Z軸方向に流れ、合流部811で合流し、−X軸方向に流れた後、+Y軸方向に流れ、+X軸方向と−X軸方向に分岐部812で分岐し、+Y軸方向、+X軸方向、−X軸方向に流れた後、合流部813で合流し、−Y軸方向に流れた後、+Z軸方向に流れる。そして、混合液導出口406から混合液403が導出される。
【0081】
A液401とB液402とは、流路内で層を形成し、A液401とB液402とが上下または左右に位置する。そして、A液401とB液402との2液の層間の距離が短くなり、互いに混合する。
【0082】
このように、要素101〜106をXY軸方向とXZ軸方向に繋ぎ合わせることで、1番目の要素101と3番目の要素103と6番目の要素106とは、XY軸方向の流速分布による拡がりを抑制し、2番目の要素102と4番目の要素104と5番目の要素105とは、XZ軸方向の流速分布による拡がりを抑制して、出口406での成分分布の拡がりを抑えることができる。
【0083】
つなぎ合わせる要素数で、A液とB液との混合のしやすさが決まる。流路幅(119)が0.2mm、1つの要素の流路の長さ(118)が1.0mmとすると、5個目の要素数の多層流の厚さ(120)は0.00625mmとなる。検出対象成分のアミノ酸の一種であるグリシンの水中における拡散係数は1.04×10−9/sであるため、グリシンが水中で5個目の要素の多層流の厚さ0.00625mmを拡散する時間は0.009sである。流量が0.75mL/minのとき、1つの要素を流体が通過する平均時間は0.0137sであることから、6個目の要素を通過したときグリシンは試薬液と完全に混合する。
【0084】
このように、検出対象成分の拡散係数と流路寸法と流量に応じて要素の数を設けておけば、検出対象成分と試薬液が本発明の流体混合器を通過することで完全に混合する。
【0085】
図7は、混合率と、合流部からの距離との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。
【0086】
図7の横軸は、A液とB液の合流部からの距離(m)を示し、縦軸は、A液とB液とが流路断面に均一に拡がっているかを表す混合率を示す。混合率100%が完全に混合した状態である。
【0087】
本発明の流体混合器での混合率の変化111(実線)と、本発明とは異なりT字コネクタでの混合率の変化112(破線)とを比較すると、本発明では、0.008m近辺で混合率がほぼ100%となっているのに対し、T字コネクタの場合は、混合率がほぼ100%となるのに約2m必要としている。このように、本発明の流体混合器ではT字コネクタよりも短い距離で混合が可能なことがわかる。
【0088】
したがって、本発明の流体混合器をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、本発明の流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりも分析時間を短くすることができる。
【0089】
また、本発明の流体混合器をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、本発明の流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりもポンプの送液圧力を小さくすることができる。
【0090】
図8は、本発明の第2、第3の実施例における流体混合器の概略構成図である。図8の(a)が本発明の第2の実施例であり、図8の(b)が本発明の第3の実施例である。
【0091】
分岐流路の形状は、図4に記載のようなZ軸方向から見て、四角形の流路に限らず、図8の(a)に示す円形または楕円形の形状や、図8の(b)に示す菱形又は三角形の形状でもよい。つまり、流路の曲り部は直角以外の角度又は曲線状に曲がっていてもよい。
【0092】
図8の(a)に示す楕円形の形状の流路では、図4に示す四角形の流路に比べて、曲がり部での淀みや渦流がより小さくなる。このため、検出対象成分の流路内の流れ方向の拡がりが小さくなり、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が小さくなって、分析精度が向上する。
【0093】
また、図8の(b)に示す菱形の形状では、図4に示す四角形の流路に比べて曲がりの数が少ないため、曲がり部での淀みや渦流による検出対象成分の流路内の流れ方向の拡がりが小さくなる。このため、アミノ酸分析装置の分析結果であるクロマトグラムのピーク幅が小さくなり、分析精度が向上する。
【0094】
図9は、本発明の第4に実施例である流体混合器をアミノ酸分析装置に適用した例の概略構成図である。
【0095】
図1に示した例と、図9に示した例との相違点は、図1に示した例においては、流体混合器13と、反応部配管9を有する加温機10とが別箇に設けられているが、図9に示した例においては、本発明の流体混合器を反応部配管と兼用することにより、流体混合器と加温器とを一つとした流体混合加温器30として構成した点である。流体混合加温機30は、例えば、図5の構成の流路に加温機構を備えている。
【0096】
この第4の実施例は、第1の実施例と同様な効果を有する他、流体混合器と加温機とを一体化してアミノ酸分析装置の構造を簡素化することができる。
【0097】
なお、本発明の流体混合器は、流体が互いに分岐した後に合流するまでの流路距離と、合流して再び分岐するまでの流路距離は、流路断面積、材質が同一であることを条件として原則的に同一である。ただし、流体流量、流路断面積を考慮して、流速分布が分岐前の流速分布と同一となる距離未満まで合流後の流路距離を延長可能である。
【0098】
また、上述した実施例においては、+X軸方向に流れる流体を2つに分岐し、合流した後に、−X軸方向に流すことにより、流路中央成分を壁面側成分の下流側とし、+Z軸方向→+X軸方向→−Z軸方向に流し、下流側となった流路を跨ぐ構成としているが、本発明はこの構成に限定されるものではない。
【0099】
例えば、+X軸方向に流れる流体を2つに分岐し、合流した後に、+Z軸方向に流した後、−X軸方向に流し、その後、+Z軸方向→+X軸方向→−Z軸方向に流し、下流側となった流路を跨ぐ構成とすることも可能である。
【0100】
以上のように、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、クロマトグラムのピーク幅の拡がりが小さく、従来の流体混合器を用いるアミノ酸分析装置よりも分析精度が向上する。
【0101】
また、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、 流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりも分析時間が短くなる。
【0102】
さらに、本発明の流体混合器又は流体混合方法をアミノ酸分析装置に適用すると、検出対象成分と試薬の混合に必要な配管の長さが短くなるので、流体混合器を用いないアミノ酸分析装置よりもポンプの送液圧力が小さくなる。
【符号の説明】
【0103】
1・・・試料液容器、2・・・溶離液容器、3・・・オートサンプラー、4・・・溶離液送液ポンプ、5・・・試薬液容器、6・・・試薬液送液ポンプ、7・・・分離カラム、9・・・反応部配管、10・・・加温機、11・・・検出器、12・・・廃液、13・・・流体混合器、14・・・試料液、15・・・溶離液、16・・・試薬液、17・・・配管、18・・・廃液容器、19・・・検出対象成分、30・・・流体混合加温機、115・・・分岐前の流路、116・・・分岐流路、117・・・合流後の流路、407〜409・・・基板
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9