特許 7288819 カラム、クロマトグラフ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-05-31

(45)【発行日】2023-06-08

(54)【発明の名称】カラム、クロマトグラフ装置

(51)【国際特許分類】

   G01N 30/60 20060101AFI20230601BHJP

【ＦＩ】

G01N30/60 B

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2019136768

(22)【出願日】2019-07-25

(65)【公開番号】P2021021585

(43)【公開日】2021-02-18

【審査請求日】2022-05-06

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】清水 祐輔

(72)【発明者】

【氏名】富田 将司

(72)【発明者】

【氏名】橋本 雄一郎

【審査官】高田 亜希

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第０５２２７０５９（ＵＳ，Ａ）

【文献】特開２００７－０７８４３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１９９３３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－００８３０１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ３０／００ －３０／９６

Ｂ０１Ｊ ２０／２８１－２０／２９２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

クロマトグラフ装置において用いる固定相を充填したカラムであって、
前記固定相を充填した流路、
前記カラムに対して移動相を供給する配管と、前記カラムとの間の境界面を封止するシール部材、
を備え、
前記シール部材は、第１中空部を有し、
前記第１中空部は、前記流路に対して前記移動相を導入する流路入口と接する第１端部を有し、
前記第１中空部はさらに、前記配管が前記移動相を放出する配管出口と接する第２端部を有し、
前記シール部材は、前記配管を挿入する第２中空部を有し、
前記第１中空部と前記第２中空部は、互いに連通しており、
前記第２中空部の径は、前記第１中空部の径よりも大きい
ことを特徴とするカラム。

【請求項2】

クロマトグラフ装置において用いる固定相を充填したカラムであって、
前記固定相を充填した流路、
前記カラムに対して移動相を供給する配管と、前記カラムとの間の境界面を封止するシール部材、
を備え、
前記シール部材は、第１中空部を有し、
前記第１中空部は、前記流路に対して前記移動相を導入する流路入口と接する第１端部を有し、
前記第１中空部はさらに、前記配管が前記移動相を放出する配管出口と接する第２端部を有し、
前記カラムはさらに、前記シール部材を前記カラム内に固定するシールホルダを備え、 前記シールホルダは、
前記配管を挿入する中空部、
前記シール部材を挿入する挿入穴、
前記挿入穴に対して挿入した前記シール部材と嵌合する第１ねじ溝、
を備える
ことを特徴とするカラム。

【請求項3】

クロマトグラフ装置において用いる固定相を充填したカラムであって、
前記固定相を充填した流路、
前記カラムに対して移動相を供給する配管と、前記カラムとの間の境界面を封止するシール部材、
を備え、
前記シール部材は、第１中空部を有し、
前記第１中空部は、前記流路に対して前記移動相を導入する流路入口と接する第１端部を有し、
前記第１中空部はさらに、前記配管が前記移動相を放出する配管出口と接する第２端部を有し、
前記シール部材は、弾性材料を用いて構成されている
ことを特徴とするカラム。

【請求項4】

クロマトグラフ装置において用いる固定相を充填したカラムであって、
前記固定相を充填した流路、
前記カラムに対して移動相を供給する配管と、前記カラムとの間の境界面を封止するシール部材、
を備え、
前記シール部材は、第１中空部を有し、
前記第１中空部は、前記流路に対して前記移動相を導入する流路入口と接する第１端部を有し、
前記第１中空部はさらに、前記配管が前記移動相を放出する配管出口と接する第２端部を有し、
前記カラムは、前記シール部材を嵌合する嵌合穴を有し、
前記流路の延伸方向に沿った前記シール部材の長さは、前記カラムに対して前記配管を挿入するカラム入口から前記流路入口までの長さよりも短い
ことを特徴とするカラム。

【請求項5】

前記シール部材は、前記第１中空部を内部に有する第１柱部と、前記第２中空部を内部に有する第２柱部とを有し、
前記シール部材はさらに、前記第１柱部と前記第２柱部との間において、前記第２柱部から前記第１柱部に向かって先細る第１テーパ部を有する
ことを特徴とする請求項１記載のカラム。

【請求項6】

前記カラムは、前記第１柱部を嵌合する嵌合穴を有し、
前記カラムはさらに、前記カラムに対して前記配管を導入する入口から前記流路入口に向かって先細る第２テーパ部を有し、
前記第１テーパ部のテーパ角は、前記第２テーパ部のテーパ角よりも小さい
ことを特徴とする請求項５記載のカラム。

【請求項7】

前記シールホルダは、第３柱部と第４柱部を有し、
前記第４柱部の径は、前記第３柱部の径よりも大きく、
前記第３柱部は、前記カラムの内壁と嵌合する第２ねじ溝を有する
ことを特徴とする請求項２記載のカラム。

【請求項8】

請求項１から４のいずれか１項記載のカラムを備えたことを特徴とするクロマトグラフ装置。

【請求項9】

前記クロマトグラフ装置はさらに、前記配管を前記シール部材に対して押し付ける押圧機構を備える
ことを特徴とする請求項８記載のクロマトグラフ装置。

【請求項10】

前記クロマトグラフ装置はさらに、前記押圧機構が前記配管を前記シール部材に対して押し付けた状態で前記配管と前記シール部材との間の位置関係を固定する位置固定機構を備える
ことを特徴とする請求項９記載のクロマトグラフ装置。

【請求項11】

前記押圧機構は、
弾性復元力によって前記配管を前記シール部材に対して押し付けるばね部材、
直動アクチュエータ、
回転動作を直進動作に変換する機構、
のうちいずれかによって構成されている
ことを特徴とする請求項９記載のクロマトグラフ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、試料を分析するクロマトグラフ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

クロマトグラフィーは、カラムを用いて試料を分析する分析方法である。カラムは、円筒状の細長い容器に、シリカゲルやポリマーゲルなどの母材とともに、各種官能基が結合した粒子の充填材を高圧で充填したものである。クロマトグラフィーは、物質が固定相とこれに接して流れる移動相との間の親和力（相互作用）の違いに起因して一定の比率で分布し、その比率が物質によって異なることを利用して各物質を分離する方法である。

【0003】

液体クロマトグラフィーは、移動相として液体を用いる。一般的に液体クロマトグラフィーにおいてピーク形状のよい結果を得るためには、分離に関係しない空間であるデットボリュームを低減する必要がある。カラムの入口・出口両端は、液体を流す配管と接続される。液体は高い圧力を伴って流れるので、配管とカラムとの間の接続部はシールされる。この部分を完全にシールし、デットボリュームを抑制することにより、配管およびカラム内での試料の拡散が抑えられ、保持時間が短くなる。これにより、ピーク形状のよい結果を得ることができる。配管とカラムをシールする一般的な方法は、フェルールまたはスリーブと呼ばれるテーパ状のシール材を、フィティングを介して締めこむことである。

【0004】

下記特許文献１記載の技術は、フェルール内を貫通する可動配管を設けることにより、シール時に稼働配管の先端がカラムの流路端面に接する構造を設けている。これにより、デットボリュームを低減することを図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ ５５２５３０３

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１においては、配管とカラムとの間の境界面は、フェルールのテーパ部によってシールされている。したがって流路を流れる流体をシールすることは可能である。しかしフェルールの先端部分とカラム内流路との間に、流路とは別の空間が存在しているので、この部分においてデッドボリュームが生じる。

【0007】

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、配管とカラムとの間の境界面を確実にシールするとともに、カラム内部におけるデッドボリュームを抑制することができる技術を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明に係るカラムは、カラム内流路と移動相配管との間の境界面をシールするシール部材を備え、前記シール部材は、一端において前記流路の入口と接し、他端において前記配管の出口と接する。

【発明の効果】

【0009】

本発明に係るカラムによれば、シール部材と配管との間の境界面をシールするとともに、シール部材とカラム内流路との間の境界面をシールすることができる。これにより、カラム内流路と配管との間の領域はその両端をシールされることになるので、余分な空間を抑制することができる。すなわちデッドボリュームを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１に係るカラム１０１と配管１０５との間の接続部の構造を示す断面図である。

【図2】配管１０５をカラム１０１内部に挿入した状態を示す断面図である。

【図3】カラム１０１を備えるクロマトグラフ装置の構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

＜実施の形態１＞
一般的な液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ：Ｈｉｇｈ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）は、固定相を充填したカラムに対して、移動相を流す配管を接続する。カラムと配管との間は、従来は特許文献１のようにフェルールなどを用いてシール接続されている。本発明の実施形態１では、カラムと配管との間をシールする従来とは異なる構造について説明する。

【0012】

図１は、本実施形態１に係るカラム１０１と配管１０５との間の接続部の構造を示す断面図である。カラム１０１は、クロマトグラフ装置において固定相を充填するカラムである。カラム１０１は、ステンレス製のカラムボディ１０２を有し、その内部に内径０．５ｍｍの流路を有している。流路内には、シリカゲルやポリマーゲル等を母材として、各種官能基が結合した粒子の充填材１０３が充填されている。流路の入口には、充填材１０３が流路外へ流出することを防ぎかつ充填材１０３の粒子を越える大きさの不純物による詰まりを防ぐため、フィルタ１０４が配置されている。カラムボディ１０２の材料はステンレスに限らず、耐薬品性で錆びない材料であればよい。

【0013】

フィルタ１０４よりも配管側は、流路が配管入口に向かって次第に太くなるテーパ形状を有している。これはカラム内流路よりも配管１０５のほうが太いことによる。カラムボディ１０２はテーパ部１０６の最大径よりも大きい径を有する。

【0014】

シール部材１０８は、カラム内流路の入口と配管１０５の出口との間に配置され、（ａ）カラム内流路の入口とシール部材１０８との間の境界面を封止するとともに、（ｂ）配管１０５の出口とシール部材１０８との間の境界面を封止し（詳細は図２で後述）、これによりカラム内流路と配管１０５との間をシール接続する。シール部材１０８は、２段階の外径（小外径柱部１０９と大外径柱部１１０）を有する２段円柱形状を有する。２つの円柱間の部分はテーパ部１１１となっている。シール部材１０８の内部は、２段階の内径（小内径中空部１１２と大内径中空部１１３）を有する２段中空構造となっている。両中空部は連通しており、各段の間の境界平面は平らになっている。シール部材１０８の材料は、弾性体かつ変位しやすい樹脂が望ましいが、それ以外の弾性体であってもよい。

【0015】

シールホルダ１１４は、シール部材１０８をカラム１０１内に固定するための部材である。シールホルダ１１４は、２段階の外径（小外径柱部１１５と大外径柱部１１６）を有する２段円柱形状を有する。小外径柱部１１５はオスねじ加工されており、これが端部１０７の内壁に形成されたメスねじ部と嵌合することにより、シールホルダ１１４がカラム１０１に固定される。シールホルダ１１４は配管１０５が通る中空構造を有する。小外径柱部１１５の内壁と、シール部材１０８の大外径柱部１１０の外壁は、それぞれねじ加工されており、これらが嵌合することにより、シールホルダ１１４がシール部材１０８を固定する。

【0016】

図２は、配管１０５をカラム１０１内部に挿入した状態を示す断面図である。配管ガイド１１７によって中心軸上に可動された配管１０５の先端が、シール部材１０８内の小内径中空部１１２と大内径中空部１１３との間の境界面に接触し、配管１０５がその境界面をカラム内流路に向かって押圧する。これにより、シール部材１０８が弾性変形して直線方向に弾性力が作用するので、配管１０５の出口とシール部材１０８との間の境界面がシールされることになる。さらに押圧力によってシール部材１０８とカラム内流路の入口が接触し、シール部材１０８とカラム内流路の入口との間の境界面においても同様の弾性力が作用するので、この境界面もシールされることになる。

【0017】

シール部材１０８の両端面を確実にシールするためには、配管１０５をシール部材１０８に向かって押す押圧力を、できる限り配管１０５の延伸方向に沿った直線方向に作用させることが望ましい。そこでテーパ部１１１のテーパ角は、テーパ部１０６のテーパ角よりも小さいことが望ましい。これによってテーパ部１１１と１０６との間に空間が生じ、両テーパ部が接触しないようにすることができる。すなわち押圧力が両テーパ部を介して拡散しないようにし、配管１０５の延伸方向に沿った押圧力をできる限り確保することができる。

【0018】

シール部材１０８の２段階構造（中空部と柱部）について補足する。シール部材１０８に対して配管１０５を押し付けることにより、シール部材１０８の両端面（図２の矢印部分）においてシール作用が生じるので、本実施形態１の目的を果たすことができる。その限りにおいては、シール部材１０８は必ずしも２段柱形状と２段中空部を有していない（すなわち１段円柱と１段中空部）形状であってもよい。

【0019】

ただし、配管１０５内の流路からシール部材１０８内の中空部を介してカラム内流路に至る経路は、連続している必要がある。換言すると、配管１０５とシール部材１０８を軸合わせする必要がある。配管１０５をシール部材１０８に対して押し付けるとき、シール部材１０８が変形するなどによってこの軸合わせが困難になる可能性がある。そこでシール部材１０８自身が配管１０５を内部に収容して固定保持するために、大内径中空部１１３を設けた。この部分に配管１０５を収容することにより、シール部材１０８自身が配管１０５を固定保持できる。これにより配管１０５とシール部材１０８を軸合わせするための保持部材などを別途設ける必要がなくなるので、カラム１０１自身は簡易な構造で本実施形態１の目的を達成できる点が有利である。

【0020】

図３は、カラム１０１を備えるクロマトグラフ装置の構成図である。図３にしたがって、配管１０５を押圧する機構について説明する。円柱状のカラム１０１は、直方体のカートリッジ３０２に包装される。直方体のカートリッジ３０２をステージ３０３に設置することにより、カラム１０１／配管１０５／出口配管３０５が同軸上に配置される。出口配管３０５は出口配管ガイド３０６によって拘束され、出口配管ガイド３０６は、圧縮ばね３０７により一定程度の保持力を維持する。カートリッジ３０２をステージ３０３に設置すると、圧縮ばね３０７は伸縮し、カラム側に復元力が働く。つまり出口配管３０５が押圧され、カラム１０１の出口側と出口配管３０５が接続される。

【0021】

配管１０５は入口配管ガイド３０８に拘束され、入口配管ガイド３０８は中心軸方向に可動する直動ガイド３０９上に配置される。ハンドルレバー３１０により直動ガイド３０９は可動し、レバーの固定位置において直動ガイド３０９は拘束される。入口配管ガイド３０８は、出口側同様に圧縮ばね３１１により、一定程度の保持力を維持する。カートリッジ３０２をステージ３０３に設置し、ハンドルレバー３１０により固定位置に拘束すると圧縮ばね３１１は伸縮し、カラム側に復元力がはたらく、つまり配管１０５が押圧され、カラム１０１の入口側と配管１０５が接続される。

【0022】

＜実施の形態１：まとめ＞
本実施形態１に係るカラム１０１は、配管１０５とカラム１０１との間を封止するシール部材１０８を備え、シール部材１０８内の小内径中空部１１２は、一端がカラム内流路の入口と接触し、他端が配管１０５の出口と接触する。これにより図２に示すように、シール部材１０８の両端面がシールされることになる。これにより、カラム内流路と配管１０５との間の領域はシール部材１０８によってその両端をシールされることになるので、余分な空間を抑制することができる。すなわちデッドボリュームを抑制しつつ、カラム１０１と配管１０５を接続することができる。

【0023】

本実施形態１に係るカラム１０１において、シール部材１０８は２段の中空部を有し、配管１０５は大内径中空部１１３に対して挿入される。これにより、配管１０５内の流路からカラム内流路までに至る一連の流路を容易に軸合わせすることができる。

【0024】

本実施形態１に係るカラム１０１が備えるテーパ部１０６のテーパ角は、シール部材１０８のテーパ部１１１よりも大きい。これにより配管１０５の押圧力がカラム１０１の内壁に向かって拡散しないようにすることができる。したがって配管１０５を押圧することにより、シール部材１０８の両端面を確実にシールすることができる。

【0025】

本実施形態１に係るカラム１０１は、シール部材１０８を嵌合する穴を有し、配管１０５の延伸方向に沿ったシール部材１０８の長さは、カラム内配管の入口からカラム１０１の入口までの距離よりも短い。すなわちシール部材１０８は、カラム１０１内部に完全に収容することができる。カラム１０１自体は定期的に交換する消耗品であるので、カラム１０１を交換するときシール部材１０８がカラム１０１内部に収容されていれば、カラム１０１とシール部材１０８をまとめて交換することができる。例えばカートリッジ３０２を着脱自在に構成することにより、カートリッジ３０２単位でカラム１０１を交換することができる。これによりクロマトグラフ装置のメンテナンス性が向上する。

【0026】

＜実施の形態２＞
実施形態１においては、各配管の変位を拘束し、ばねによる弾性復元力で各配管を押圧することを説明したが、その他の手段によって配管を押圧してもよい。例えばエアシリンダや油圧シリンダなどの直動アクチュエータにより押圧することもできるし、 モータとボールネジなどのような回転機構を直動に変換するアクチュエータにより押圧することもできる。その他適当な手段によって配管を押圧してもよい。

【0027】

＜本発明の変形例について＞
以上の実施形態において、シール部材１０８が弾性体部材ではない場合であっても、配管１０５をシール部材１０８に対して押し付けることにより、シール部材１０８の両端面をそれぞれカラム内配管と配管１０５に対して密着することができるのであれば、相応のシール効果を発揮することができることを付言しておく。

【0028】

以上の実施形態において、一般的にカラム１０１は温度管理することが望ましいので、ステージ３０３にヒータやペルチェ素子などの加熱冷却素子と温度センサを配置してもよい。これによりカラム１０１の温度管理が容易に可能となる。

【0029】

実施形態１～２においては、カラム１０１に対して配管１０５を導入する入口側に可動部位を設けたが、出口側に可動部位を設けてもよい。いずれにおいても、押圧力によってシール部材１０８の両端面をシールすることができればよい。

【0030】

以上の実施形態において、配管１０５は例えば、内径０．１ｍｍ、外径１／１６インチ（≒１．５９ｍｍ）のステンレス製とすることができる。もちろんこの大きさと材質に限らず、その他適当な大きさと材料を用いることができる。

【0031】

以上の実施形態において、カラム１０１としては例えば、シリカゲルを母材とし、官能基として逆相クロマトグラフィモードであるＯＤＳカラム（内径０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、粒子径２．６μＬ）を用いることができる。カラム１０１の分離モードは他のものでもよく、例えば、順相クロマトグラフィモード、ＨＩＬＩＣクロマトグラフィモード、イオン交換クロマトグラフィモード、ゲルろ過クロマトグラフィモード、アフィニティクロマトグラフィモード、イムノアフニティクロマトグラフィモードでもよい。その他、ガスクロマトグラフィー用のカラムにも本発明を適応可能である。

【0032】

以上の実施形態はＨＰＬＣを主な対象としているが、本発明は分析装置全般に適用可能なものである。本発明は、例えば、ガスクロマトグラフィー、超高速液体クロマトグラフィー、ＨＰＬＣ／ＭＳ（質量分析計）、カラム分離部を備える臨床検査装置、などに対して適用することができる。

【符号の説明】

【0033】

１０１：カラム
１０２：カラムボディ
１０３：充填材
１０４：フィルタ
１０５：配管
１０６：テーパ部
１０７：端部
１０８：シール部材
１０９：小外径柱部
１１０：大外径柱部
１１１：テーパ部
１１２：小内径中空部
１１３：大内径中空部
１１４：シールホルダ
１１５：小外径柱部
１１６：大外径柱部
３０２：カートリッジ
３０３：ステージ
３０５：出口配管
３０６：出口配管ガイド
３０７：圧縮ばね
３０８：入口配管ガイド
３０９：直動ガイド
３１０：ハンドルレバー
３１１：圧縮ばね

【図1】

【図2】

【図3】