(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮するサンプル濃縮装置であって、
（ａ）サンプル流フローチャネル及び入口と出口を備えたガス流フローチャネルを有する濃縮装置ハウジングを有し、
（ｂ）ガス源を有し、
（ｃ）前記ガス源と前記ガス流フローチャネル入口との間の連続又は不連続流体連通を可能にするガス流導管を有し、
（ｄ）前記ガス源、前記ガス流導管、又は前記ガス流フローチャネルと作動的に関連した加熱器を有し、
（ｅ）イオン交換サイトを含み且つ前記ガス流フローチャネルと前記サンプル流フローチャネルを分離する親水性膜バリヤを有し、前記膜バリヤは、前記ガス流が高い温度状態にあるとき、バルク液体流れを阻止するが前記膜とのインタフェース内又はそのところで前記サンプル流フローチャネル中の前記液体サンプル流から蒸発した溶媒の流れを可能にし、
（ｆ）前記ガス流フローチャネル又は前記サンプル流フローチャネルとの連続又は不連続流体連通状態にあり、親水性膜バリヤを再生する再生液源を有し、
前記濃縮装置は、前記濃縮装置と流体連通しているクロマトグラフ分離器を備え、前記濃縮装置はクロマトグラフ分離器の下流側に配置されている、濃縮装置。
【請求項２】
前記膜は、管状である、請求項１記載の濃縮装置。
【請求項３】
前記膜の互いに反対側に設けられていて、前記ガス流フローチャネル及び前記サンプル流フローチャネル中の水を電気分解する１対の電極を更に有する、請求項１記載の濃縮装置。
【請求項４】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する方法であって、
（ａ）サンプル濃縮装置と流体連通しているクロマトグラフ分離器を備え、前記サンプル濃縮装置はクロマトグラフ分離器の下流側に配置され、前記液体サンプル流を第１の温度状態で、イオン交換座席を備えた親水性膜バリヤによってガス流フローチャネルから分離されたサンプル濃縮装置内のサンプル流フローチャネル中に流すステップと、
（ｂ）ガス流を前記液体サンプル流の温度よりも少なくとも約１０℃高い第２の温度まで加熱された前記ガス流フローチャネル中に流して前記液体サンプル流の温度を上昇させ、それにより前記膜バリヤとのインタフェース内又はそのところに存在する前記溶媒の一部分が蒸発して前記膜を通って流れ、前記ガス流フローチャネル内の流動中のガス流で運び去られるようにすることによって前記分析物を濃縮するステップと、
（ｃ）前記イオン交換サイトを再生するステップとを有する、方法。
【請求項５】
前記液体サンプル流中の前記分析物は、クロマトグラフィーにより分離される、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記膜は、イオン交換基を含む、請求項４記載の方法。
【請求項７】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮するサンプル濃縮装置であって、
（ａ）サンプル流フローチャネル及び入口と出口を備えたガス流フローチャネルを有する濃縮装置ハウジングを有し、
（ｂ）ガス源を有し、
（ｃ）前記ガス源と前記ガス流フローチャネル入口との間の連続又は不連続流体連通を可能にするガス流導管を有し、
（ｄ）前記ガス源、前記ガス流導管、又は前記ガス流フローチャネルと作動的に関連した加熱器を有し、
（ｅ）前記ガス流フローチャネルと前記サンプル流フローチャネルを分離する非イオン親水性膜バリヤを有し、前記膜バリヤは、前記ガス流が高い温度状態にあるとき、バルク液体流れを阻止するが前記膜とのインタフェース内又はそのところで前記サンプル流フローチャネル中の前記液体サンプル流から蒸発した溶媒の流れを可能にし、
（ｆ）クロマトグラフ分離器を有し、前記濃縮装置は、前記クロマトグラフ分離器の下流側に配置されている、濃縮装置。
【請求項８】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する方法であって、
（ａ）サンプル濃縮装置と流体連通しているクロマトグラフ分離器を備え、前記サンプル濃縮装置はクロマトグラフ分離器の下流側に配置され、前記液体サンプル流を第１の温度状態で、イオン交換サイトを備えた非イオン親水性膜バリヤによってガス流フローチャネルから分離されたサンプル濃縮装置内のサンプル流フローチャネル中に流すステップと、
（ｂ）ガス流を前記液体サンプル流の温度よりも少なくとも約１０℃高い第２の温度まで加熱された前記ガス流フローチャネル中に流して前記液体サンプル流の温度を上昇させ、それにより前記膜バリヤとのインタフェース内又はそのところに存在する前記溶媒の一部分が蒸発して前記膜を通って流れ、前記ガス流フローチャネル内の流動中のガス流で運び去られるようにすることによって前記分析物を濃縮するステップとを有する、方法。
【請求項９】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する濃縮装置であって、
（ａ）サンプル流フローチャネル及び入口と出口を備えたガス流フローチャネルを有する濃縮装置ハウジングを有し、
（ｂ）ガス源を有し、
（ｃ）前記ガス源と前記ガス流フローチャネル入口との間の連続又は不連続流体連通を可能にするガス流導管を有し、
（ｄ）前記ガス源、前記ガス流導管、又は前記ガス流フローチャネルと作動的に関連した加熱器を有し、
（ｅ）前記ガス流フローチャネルと前記サンプル流フローチャネルを分離する親水性膜バリヤを有し、前記膜バリヤは、前記ガス流が高い温度状態にあるとき、バルク液体流れを阻止するが前記膜とのインタフェース内又はそのところで前記サンプル流フローチャネル中の前記液体サンプル流から蒸発した溶媒の流れを可能にし、
（ｆ）クロマトグラフ分離器を有し、前記濃縮装置は、前記クロマトグラフ分離器の下流側に配置されている、濃縮装置。
【請求項１０】
溶媒含有液体サンプル流中の分析物を分離して濃縮する方法であって、
（ａ）前記溶媒含有液体サンプル流中の前記分析物をクロマトグラフィーによって分離するステップと、
（ｂ）分離された分析物を含むステップ（ａ）からの前記液体サンプル流を第１の温度状態で、親水性膜バリヤによってガス流フローチャネルから分離されたサンプル濃縮装置内のサンプル流フローチャネル中に流すステップと、
（ｃ）ガス流を前記液体サンプル流の温度よりも少なくとも約１０℃高い第２の温度まで加熱された前記ガス流フローチャネル中に流して前記液体サンプル流の温度を上昇させ、それにより前記膜バリヤとのインタフェース内又はそのところに存在する前記溶媒の一部分が蒸発して前記膜を通って流れ、前記ガス流フローチャネル内の流動中のガス流で運び去られるようにすることによって前記分析物を濃縮するステップとを有する、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サンプル濃縮システムに関する。特に、本発明は、クロマトグラフィーシステムで用いられる溶媒蒸発を利用したオンラインサンプル濃縮システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
分析物の検出に先立って行われるクロマトグラフィーシステムにおける予備濃縮は、典型的には、好ましくは関心のある分析物に対して選択的であるカラム内で分析物を濃縮し、次いで、その後の分析のために捕捉され又は濃縮された化学種を溶離することによって行われる。分析物の濃度が適当な検出器応答を生じさせるには低すぎる場合、種々の溶液が使用される。この問題に対する伝統的な解決策は、分析物濃度を増大させるための事前のサンプルワークアップ、固相に対する予備濃縮が行われ又は行われない多量の注入、感度が高い検出器の採用又は感度の高い検出方式に対して行われる事前又は事後カラム誘導体化を含む場合のある変更が挙げられる。固相を用いた予備濃縮方法は、イオンクロマトグラフィーにおいて普及している。例えば、超純水（ＵＰＷ）サンプル中の陰イオンの微量レベル分析を行う際、予備濃縮は、典型的には、陰イオンを濃縮装置カラム上に濃縮するために用いられる。陰イオンに加えて、この方式は又、溶解状態の二酸化炭素を濃縮し、かかる二酸化炭素は、分析中、カーボネートとして表われる。濃度に応じて、カーボネートピークの存在は、他の陰イオン、例えばスルフェートの定量化を妨害する場合がある。ＵＰＷサンプルの場合、溶解二酸化炭素がない状態で陰イオンだけを濃縮する方法を提供することが有用である。環境的サンプル、例えば飲料水に関する微量分析を行う際、マトリックスイオンの存在下における微量イオンの検出は、問題である。微量イオンを濃縮することにより、一般に、マトリックスイオンも又濃縮される。選択的濃縮の仕組みを提供することが有用である。
【０００３】
感度を向上させる他の手段は、現在、溶媒凝縮又は蒸発技術を用いて溶媒を優先的になくすことによって行われている。窒素又は不活性ガス支援蒸発、蒸留、回転蒸発、管状加熱器による蒸発、凍結乾燥化等は、溶媒を優先的に除去する際に用いられる種々の方式である。これらは全て典型的には、卓上機器を用いて実施され、従って、クロマトグラフ機器又はインラインクロマトグラフィーに用いるのには適していないオフライン方法である。
【０００４】
液体クロマトグラフィーでは、検出前に溶媒を除去する概念を有する少なくとも２つの検出方式が存在する。一方式では、液体クロマトグラフィーと質量分析装置（ＬＣ‐ＭＳ参考文献１及び参考文献２）との間にインタフェースを必要とする。別の方式の応用分野は、蒸発光散乱検出（ＥＬＳＤ，参考文献３）である。これら方式の両方において、検出器は、濃度に敏感というよりむしろ質量に敏感であり、検出は、気相で達成される。加うるに、溶媒を除去する理論的根拠は、検出器との適合性を向上させることにあった。例えば、インタフェース、例えば熱スプレー、エレクトロスプレー、大気圧化学イオン化及びイオンスプレーは全て、質量分析装置に送られている溶媒を減少させるよう設計されていた。上述の検出器は全て、質量に敏感な検出器である。
【０００５】
近年、技術的開発により、毛管及び中規模クロマトグラフ機器の商業化が認可された。例えば吸光度、電気コンダクタンス又は蛍光を測定するこれら新世代の小セル容積型の濃度に敏感な検出器は、これらよりも旧世代の大セル容積型相当品と比べて、同一の（又はそれどころかより良好な）検出濃度限度（ＬＯＤ）を表示する。それにもかかわらず、液体クロマトグラフィー方式の大部分は、典型的な溶離液の流量が１ｍＬ／分のオーダーの標準型ボア（内径４．０〜４．６ｍｍ）のカラムに依然として中心が据えられている。大抵の場合、かかるシステムからのカラム溶離液は、分割され、元の流れの１０％が小セル容積型検出器に送られるに過ぎない場合、流出液全てが標準の大セル容積型検出器中に進む場合と比較して、見掛けの感度の劣化は生じないであろう。濃度に敏感な検出器を用いて動作する場合の感度を向上させることができれば有用である。
【０００６】
特許文献は、分析物流れを濃縮するバッチ方式の動作モードを用いたシステムを記載している。これら方式は、分離を保存せず、関心のある分析物の回収及び定量化を潜在的に阻止する場合がある多数のステップ及び移送プロセスを含む。
【０００７】
例えば、米国特許第４，０５５，９８７号明細書は、液体クロマトグラフと質量分析装置との間のインタフェースを記載している。インタフェースは、液体クロマトグラフカラムからの溶離液を受け入れる薄いリボンで構成され、このリボンは、幾つかの真空ロックに移されて残留溶媒が除去される。残留溶質は、質量分析装置のイオン化チャンバ内にフラッシュ蒸発される。
【０００８】
米国特許第４，４６５，５５４号明細書は、非反応ガスの高温流を、蒸発を助けるために集められたサンプルフラクションの表面上に直接差し向けることにより液体フラクションを蒸発させる装置を記載している。この方式は、オフライン方式であり、フラクションを集めることにより、分離は、保存されない。
【０００９】
米国特許第４，６０４，３６３号明細書は、溶媒交換と結合した蒸発及び濃縮を実行する自動蒸発システムを記載している。サンプルは、温度及び圧力制御式蒸発チャンバに送られる。この場合も又、これは、バッチモード装置である。
【００１０】
米国特許第４，８６７，９４７号明細書は、質量分析計による分析のために残留物を後に残しながら溶離液を連続的に取り除く可動ベルトインタフェースを記載している。直接イオン化により残留物をサンプル採取するプローブ先端部も又開示されている。ピーク形状は、保存されず、この方法は、事後分析ステップには好適ではない。
【００１１】
米国特許第５，８９７，８３８号明細書は、水性溶液の濃縮又は蒸発のための装置を記載している。この方式では、真空とマルチプレートウェル内に設けられたバイアル内に位置しているサンプルに対して空気流を当てることの組み合わせが行われる。
【００１２】
米国特許第５，１００，６２３号明細書は、蒸発の機能のための温度制御式水浴を記載している。この装置も又、溶媒を添加してサンプルを再構成する手段を有する。
【００１３】
米国特許第６，１４６，５９５号明細書は、分析に先立ってサンプルを蒸発させる閉鎖型積極蒸発システムを記載している。この方式は、連続式ではない。
【００１４】
米国特許第６，６２０，６２０号明細書は、液体の制御された蒸発を容易にするバッチモード装置を記載している。この装置は、分析されるべきサンプルが滴下方式により滴の状態で載せられる堆積定盤を有する。
【００１５】
米国特許第６，６５６，３６１号明細書は、ブライン溶液を乾燥させる膜支援蒸発プロセスを開示している。このプロセスの目的は、塩洞穴からの掘削油を稀釈塩溶液ではなく塩で置き換えることにある。したがって、ブライン溶液からの水を濃縮し又は蒸発させる必要がある。
【００１６】
米国特許出願公開第２００４／０２０３１７５号明細書は、流動中の液体流中の１種類又は２種類以上の分析物を濃縮する装置を記載している。加熱された移送管を通ってサンプル流を流すことにより溶媒成分を蒸発させ、蒸発は、流動中のサンプルの液滴を懸滴する際に達成される。部分蒸発は、溶媒の沸点未満の温度で動作することにより達成される。滴は、これ又次の蒸発を行うために加熱された収集装置内に堆積する。
【００１７】
ビショップ及びミトラ（Bishop and Mitra）（ジャーナル・オブ・クロマトグラフィー・エー（J.Chromatogr. A），第１０４６巻（２００４年），ｐ．１１〜１７及びジャーナル・オブ・ファーマシューティカル・アンド・バイオメディカル・アナリシス（J. Pharmaceutical and Biomedical Analysis），第３７巻，２００５年，ｐ．８１〜８６）は、溶媒を分析のためのＨＰＬＣシステムに噴射する前にメンブレン利用型蒸発モジュールでサンプル流から蒸発させるインライン予備濃縮方法を記載している。中空ファイバ利用型蒸発モジュールは、シロキサンで被覆されたポリプロピレン基材から成る中空ファイバ膜の５本のストランドを備えている。別の装置は、米国ニュージャージー州トムズリバー所在のパーマ・ピュアー（Perma pure）社から市販されているＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜を使用し、気相乾燥用途向けに設計されている。上述の第２の引用文献は、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）膜利用型モジュールの使用方法を記載している。中空ファイバモジュールを加熱するためにヒートテープが用いられる。最初に引用した刊行物では、蒸発後のサンプルは、次の分析のためにサンプルバイアル内に集められる。上述の方法は、噴射前サンプル前処理方式であり、かかる方法には、サンプルバイアルからの考えられる汚染の問題に対処する上で限界がある。２番目の刊行物は、噴射弁に対する直接的インタフェースを記載している。サンプルは、ポンプを用いて中空ファイバモジュールに送られる。両方の装置は、サンプル流からの溶媒の蒸発を可能にし、それによりサンプル流を濃縮する。
【００１８】
抑制型イオンクロマトグラフィーでは、非クロマトグラフ濃縮方法が要望されている。加うるに、クロマトグラフ分離にそれほど悪影響を及ぼさないで感度を高める濃縮装置が要望されている。加うるに、多次元分離方式では、インライン方式を採用し、それによりサンプル移送に関連したロスを回避することが有用である。また、分析物を選択的に濃縮する方法を提供することが有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許第４，０５５，９８７号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４６５，５５４号明細書
【特許文献３】米国特許第４，６０４，３６３号明細書
【特許文献４】米国特許第４，８６７，９４７号明細書
【特許文献５】米国特許第５，８９７，８３８号明細書
【特許文献６】米国特許第５，１００，６２３号明細書
【特許文献７】米国特許第６，１４６，５９５号明細書
【特許文献８】米国特許第６，６２０，６２０号明細書
【特許文献９】米国特許第６，６５６，３６１号明細書
【特許文献１０】米国特許出願公開第２００４／０２０３１７５号明細書
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】ビショップ及びミトラ（Bishop and Mitra），「ジャーナル・オブ・クロマトグラフィー・エー（J.Chromatogr. A）」，第１０４６巻（２００４年），ｐ．１１〜１７、
【非特許文献２】ビショップ及びミトラ（Bishop and Mitra），「ジャーナル・オブ・ファーマシューティカル・アンド・バイオメディカル・アナリシス（J. Pharmaceutical and Biomedical Analysis）」，第３７巻，２００５年，ｐ．８１〜８６
【発明の概要】
【００２１】
一実施形態では、本発明は、溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮するサンプル濃縮装置に関する。この濃縮装置は、（ａ）サンプル流フローチャネル及び入口と出口を備えたガス流フローチャネルを有する濃縮装置ハウジングと、（ｂ）ガス源と、（ｃ）ガス源とガス流フローチャネル入口との間の連続又は不連続流体連通を可能にするガス流導管と、（ｄ）ガス源、ガス流導管、又はガス流フローチャネルと作動的に関連した加熱器と、（ｅ）ガス流フローチャネルとサンプル流フローチャネルを分離する親水性膜バリヤとを有し、膜バリヤは、ガス流が高い温度状態にあるとき、バルク液体流れを阻止するが膜とのインタフェース内又はそのところでサンプル流フローチャネル中の液体サンプル流から蒸発した溶媒の流れを可能にし、濃縮装置は、（ｆ）ガス流フローチャネル又はサンプル流フローチャネルとの連続又は不連続流体連通状態にある再生液源を更に有する。
【００２２】
別の実施形態は、溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する方法に関する。この方法は、（ａ）液体サンプル流を第１の温度状態で、イオン交換座席を備えた親水性膜バリヤによってガス流フローチャネルから分離されたサンプル濃縮装置内のサンプル流フローチャネル中に流すステップと、（ｂ）ガス流を液体サンプル流の温度よりも少なくとも約１０℃高い第２の温度状態にあるガス流フローチャネル中に流して液体サンプル流の温度を上昇させ、それにより膜バリヤとのインタフェース内又はそのところに存在する溶媒の一部分が蒸発して膜を通って流れ、ガス流フローチャネル内の流動中のガス流で運び去られるようにすることによって分析物を濃縮するステップと、（ｃ）イオン交換座席を再生するステップとを有する。
【００２３】
他の実施形態では、本発明は、類似の形式のものであるが、必ずしも膜を再生せず或いは再生溶液源を用いないサンプル濃縮装置に関する。
【００２４】
一実施形態では、濃縮装置は、サンプル分析物のためのクロマトグラフ分離器の下流側に配置される。
【００２５】
別の実施形態では、本発明は、溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する方法に関する。
【００２６】
別の実施形態では、濃縮は、再生を必要としない非イオン親水性膜を用いて実施される。
【００２７】
別の実施形態では、濃縮に先立って、液体サンプル流は、サプレッサを通って流れて分析物イオンとは逆の電荷のイオンを除去する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の管状膜を利用した濃縮装置を示す図である
【図２】図１の管状膜濃縮装置を用いた水蒸発測定のための実験セットアップを示す図である。
【図３Ａ】迷路型濃縮装置を示す図である。
【図３Ｂ】迷路型濃縮装置を示す図である。
【図３Ｃ】迷路型濃縮装置を示す図である。
【図４】迷路型濃縮装置の外部包装材を示す図である。
【図５Ａ】螺旋型濃縮装置を示す図である。
【図５Ｂ】螺旋型濃縮装置を示す図である。
【図６】蛇行型濃縮装置を示す図である。
【図７】本発明の濃縮装置を用いるクロマトグラフィーシステムの概略流れ図である。
【図８】１０ｃｍ膜利用型濃縮装置を用いた場合（赤色）と用いない場合（黒色）の硝酸ナトリウムピークの比較図であり、硝酸ナトリウムを各実験条件について３回噴射し、全ての実験につき、特に断わらない限り、１０μＬ／分の流入流れ、ｔ＝３０℃、５ＳＬＰＭ  Ｎ2流れ、内径８９μｍのＮａｆｉｏｎ、（ａ）管状膜材料の効果につき、Ａ：陽イオン交換装置ＣｅｘＳＴ７３０、Ｂ：陽イオン交換装置ＣｅｘＳＴ７２８、Ｃ：−ＣＯＯＨ機能化アキュレル（Accurel）ＰＰ、Ｄ：Ｎａｆｉｏｎ被覆セルガード（Celgard）、Ｅ：Ｎａｆｉｏｎ内径８９μｍ、Ｆ：Ｎａｆｉｏｎ内径２２９μｍ、Ｆは、３ＳＬＰＭ  Ｎ2で動作し、（ｂ）流入流量の効果につき、指示されているように５〜２５μＬ／分流入流量、全体にわたって１ＳＬＰＭ  Ｎ2流れ、（ｃ）Ｎ2流量の効果につき、指示されているように０．１〜２ＳＬＰＭ  Ｎ2流量、（ｄ）温度の効果につき、指示されているように２４〜８０℃、１ＳＬＰＭ  Ｎ2流れを示す図である。
【図９】温度及び流入流量、５ＳＬＰＭの窒素（ｎ＝３）の関数としてのＮａｆｉｏｎ管状膜を利用した迷路型濃縮装置による水蒸発速度を示す図であり、挿絵としてのグラフ図は、水及び１０μＭ硫酸が、３０℃、１００μＬ／分で交互に流れている場合の代表的な出力を示す図であり、水蒸発速度は、方程式１によって計算されていることを示す図である。
【図１０】１５０μＬ／分、５ＳＬＰＭの窒素における迷路型、螺旋型、蛇行型濃縮装置相互間の水蒸発速度の比較図であり、水蒸発速度は、（流入流量）−（流出流量）として計算されており、装置の仕様については表１を参照すべきことを示す図である。
【図１１】ナイロンフィラメント充填Ｎａｆｉｏｎ螺旋型濃縮装置（表Ｉ、装置ＶＩ）、クロマトグラフ流量１５０μＬ／分、５ＳＬＰＭ  Ｎ2乾燥ガスによるカラム後濃度のクロマトグラフを示す図であり、（ａ）濃縮装置なし、（ｂ）ガス出口温度１４℃、（ｃ）２０℃、（ｄ）２５℃、（ｅ）３０℃、（ｆ）３５℃、（ｇ）４０℃、（ｈ）４５℃及び（ｉ）５０℃、１）クロリド、２）ニトリット、３）カーボネート、４）スルフェート、５）ニトレート、挿絵としてのグラフ図は、元のカーボネートピーク周りの応答を示す図である。
【図１２】体積を横座標としてプロットした図５のクロマトグラフを示す図である。
【図１３】ピーク高さと面積の比と流入流量と流出流量の比の関係を表わす図である。
【図１４】５ＳＬＰＭの窒素、６０℃でＮａｆｉｏｎ管状膜を利用した迷路型濃縮装置によるカラム前濃度のクロマトグラフを示す図であり、ａ）濃縮装置なし、ｂ）２００μＬ／分、ｃ）１７０μＬ／分、ｄ）１５０μＬ／分、ｅ）１４０μＬ／分、ｆ）１３５μＬ／分、１）クロリド、２）ニトリット、３）カーボネート、４）スルフェート、５）ニトレート、挿絵としてのグラフ図は、ピーク３周りの延長図としての図である。
【図１５】迷路型濃縮装置によるニトレートピーク高さに基づく濃度要因の時間変化を示す図である。
【図１６】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図１７】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図１８】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図１９】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図２０】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図２１】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【図２２】本発明の濃縮装置を用いたクロマトグラフシステムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
一観点では、本発明は、溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮するサンプル濃縮装置に関する。この濃縮装置は、（ａ）サンプル流フローチャネル及び入口と出口を備えたガス流フローチャネルを有する濃縮装置ハウジングと、（ｂ）ガス源と、（ｃ）ガス源とガス流フローチャネル入口との間の連続又は不連続流体連通を可能にするガス流導管と、（ｄ）ガス源、ガス流導管、又はガス流フローチャネルと作動的に関連した加熱器と、（ｅ）ガス流フローチャネルとサンプル流フローチャネルを分離する親水性膜バリヤとを有し、膜バリヤは、ガス流が高い温度状態にあるとき、バルク液体流れを阻止するが膜とのインタフェース内又はそのところでサンプル流フローチャネル中の液体サンプル流から蒸発した溶媒の流れを可能にし、濃縮装置は、（ｆ）ガス流フローチャネル又はサンプル流フローチャネルとの連続又は不連続流体連通状態にある再生液源を更に有する。
【００３０】
別の観点では、本発明は、溶媒含有液体サンプル流中の分析物を濃縮する方法に関する。この方法は、好ましくは、かかる濃縮装置によって実施され、（ａ）液体サンプル流を第１の温度状態で、親水性膜バリヤによってガス流フローチャネルから分離されたサンプル濃縮装置内のサンプル流フローチャネル中に流すステップと、（ｂ）ガス流を液体サンプル流の温度よりも少なくとも約１０℃高い第２の温度状態にあるガス流フローチャネル中に流して液体サンプル流の温度を上昇させ、それにより膜バリヤとのインタフェース内又はそのところに存在する溶媒の一部分が蒸発して膜を通って流れ、ガス流フローチャネル内の流動中のガス流で運び去られるようにすることによって分析物を濃縮するステップとを有する。
【００３１】
本発明の特定の観点では、本明細書において「溶剤除去膜」、「膜バリヤ」又は「膜」と呼ばれる濃縮装置の親水性膜バリヤは、ピーク効率の低下を最小限に抑えた状態でピーク形状を維持しながら水性溶媒の除去を容易にする。一実施形態では、膜は、親水性成分を含むポリマーを主成分とするものである。かかる成分としては、膜を親水性にする成分であればどのようなものであっても良い。というのは、その用語は、一般的に用いられているからである。典型的には、親水性膜は、水素結合基によって特徴づけられる。
【００３２】
一実施形態では、膜は、イオン交換膜として分類されるイオン交換座席を含む。イオン交換膜は、本発明によって使用できる。というのは、イオン交換膜は、これらを親水性にする機能を備えているからである。好ましいイオン交換親水性成分としては、スルフェート、スルホネート、カルボキシレート、ホスフェート、アンモニウム（四級アンモニウム）、水酸化基及びこれらの組み合わせが挙げられる。かかる膜の１つは、膜全体にわたって散在した親水基を有する対称膜、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）であっても良く、或いは、ポリプロピレン又はポリエチレンから成っていて、薄い親水性被膜層が多孔質ポリプロピレン層の頂部に被着され、例えば、Ｎａｆｉｏｎが多孔質ポリプロピレン層の頂部を被覆した非対称コアを有しても良い。被膜は、好ましくは、ピンホールがなく、それにより、膜は、バルク液体流れに対して不浸透性になる。例えば、米国特許第３，９７０，５３４号明細書、同第４，４１４，０９０号明細書、同第４，４０７，８４６号明細書、同第４，９９９，０９８号明細書及び同第５，３５２，３６０号明細書に記載されているように、ポリエチレン管を採用し、この管にモノマーが存在した状態でガンマ線又は電離放射線を照射することにより膜に親水基を植え付けることができる。ポリマークラッド膜の機能化は、周知の方法により、例えば、ポリスチレンクラッド膜を硫酸と反応させて膜の表面上に硫酸基を作ることにより起こりうる。硫酸基の存在により、膜は、親水性になる。かかるイオン交換膜を連続的に（クロマトグラフ分離中）又はバッチモードでは不連続に再生して再生が分離及び検出と同時には起こらないようにすることが好ましい。
【００３３】
同様に、ポリエチレン基材上の放射線グラフトポリビニルアセテート膜は、親水性の水酸化物含有膜を生じさせるために加水分解されるのが良い。固体ポリマー表面上に生じた活性座席からのモノマーのうちの１つのモノマーのグラフト重合による膜ポリマー表面の改質に適した技術は、周知である（これについては、例えば、エンサイクロピーディア・オブ・ポリマー・サイエンス・アンド・エンジニアリング（Encyclopedia of Polymer Science and Engineering），サプリメント（Supplement）第２巻，第２版，ジョン・ワイリー・アンド・サンズ（John Wiley & Sons），１９８９年，ｐ．６７８、マクロモレキュルズ（Macromolecules），第９巻，１９７６年，ｐ．７５４及びマクロモレキュルズ（Macromolecules），第１２巻，１９７９年，ｐ．１２２２を参照されたい）。最も一般的な技術は、放射線源、例えば60ＣＯ源を用いたガンマ線であり、この60ＣＯ源は、表面ラジカルを発生させるが、熱的、光化学的、プラズマ及び湿式化学的方法も又、開始のためのフリーラジカル座席を導入するために使用できる。モノマーが、気相で、溶液の状態で又はニート液体として存在する場合がある。この場合も又、ラジカル重合ステップ後に膜の重量増加により測定される好ましいグラフトレベルは、１０〜５０％レジーム、より好ましくは１５〜２５％レジームである。表面グラフト重合技術を用いると、イオン交換膜を改質して膜の外壁上に弱酸性の官能基を生じさせることができる。
【００３４】
また、非イオン親水性膜、即ち、イオン交換座席を備えていない膜を用いることができる。かかる非イオン官能基としては、非イオン交換親水基、例えばヒドロキシル基、ジオール基、エステル基、アミド基、フェノール基等が挙げられる。膜は又、ポリビニリデンフルオリド及びポリビニルアセテートの混合物から調製できる。加水分解ステップは、アセテート基をヒドロキシル基に変換する。非イオン親水性膜を、非イオンモノマー、例えばメチルグリシジルメタクリレート、メチルグリシジルアクリレート、アリルグリシジルエーテル、アリルフェノールグリシジルエーテル及びグリシジルメタクリレートのようなモノマーを含むエポキシドと放射線グラフトすることにより上述したように調製できる。非イオン親水性膜を形成するために重合可能な他の適当な中性単官能モノマーとしては、ヒドロキシアクリレート、アルコキシアルキルアクリレート、例えば２‐ヒドロキシエチルアクリレート、２‐ヒドロキシルエチルメタクリレート、ヒドロキシプロピルアクリレート、ヒドロキシプロピルメタクリレート、２‐メトキシエチルアクリレート、２‐フェノキシエチルアクリレート、２‐フェノキシエチルメタクリレート及びエーテル、例えばグリシジルエーテル、例えば１．４ブタンジオールジグリシジルエーテル、アリルグリシジルエーテル及びこれらの組み合わせが挙げられる。
【００３５】
「親水性」という用語は、全ての疎水性膜、例えば親水性成分を含んでいない有機ポリマー、例えば、疎水性被膜として用いられた場合又は疎水性被膜と共に用いられた場合のポリプロピレン又はポリエチレン管を除く。イオン交換膜の場合、交換可能なイオンは主として再生形態で存在することが好ましい。というのは、その用語は、イオンクロマトグラフィーで用いられるサプレッサで用いられるからである。例えば、アミン基を備えた陰イオン交換膜は、好ましくは、主として交換可能な水酸化物イオン（再生）形態で存在し、硫酸基を備えた陽イオン交換膜は、好ましくは、主として濃縮中、交換可能なヒドロニウムイオン（再生）形態で存在する。
【００３６】
上述したように、イオン交換膜を用いる場合、イオン交換膜を再生することが好ましい。再生は、酸又は塩基溶液を膜を通過させ又はこれを通って流すことにより達成できる。再生は、米国特許第４，４７４，６６４号明細書、同第４，９９９，０９８号明細書、同第５，５６９，３６５号明細書、同第５，５９７，７３４号明細書、同第６，６１０，５４６号明細書及び米国特許出願公開第２００６／００５７７３３号に記載されているように先行技術の周知の方法によって達成できる。なお、これら特許文献を参照により引用し、これらの記載内容を本明細書の一部とする。
【００３７】
一般に、再生は、化学的且つ（或いは）電解作用で実施できる。化学的再生は、再生溶液、例えば陽イオン交換膜については酸又は陽イオン交換基を備えた陰イオン交換膜については塩基を流すことによって達成できる。本明細書において使用する「再生溶液」という用語は、従来イオンクロマトグラフィーのサプレッサの再生に用いられる任意の溶液が挙げられる。一実施形態では、再生溶液は、１回のクロマトグラフ分離中、ガスと同時に、源からガス流チャネルを通って流れる（これは、連続ランと呼ばれる）。ガス及び再生剤は、例えばエーロゾル状の流動流体の形態でチャネルを通る流れに先立って又はチャネルを通る流れ中に、均質に混合されるのが良い。これを行う典型的な実験セットアップは、米国特許第６，４２５，２８４号明細書に記載されている。再生を達成するのに十分な量の液体が使用されるべきである。適切には、再生剤濃度は、１０ｍＭ〜２０００ｍＭレジーム、より好ましくは１０〜１００ｍＭレジームである。再生剤の好ましい流量は、０．２ｍｌ／分〜１０ｍｌ／分、より好ましくは０．５〜２ｍｌ／分レジームである。蒸発溶媒及び消費した再生剤を運び去るのに十分な流量のガスが使用されるべきである。
【００３８】
別の実施形態では、再生剤溶液は、サンプル流フローチャネルを通って流れる。これは、バッチモード又は不連続モードで達成される。すなわち、サンプル流フローチャネルを通るサンプル溶液の流れを停止させ、次にこれを通って再生剤溶液を流すのに弁装置を用いるのが良い。適切には、この弁装置は、実施例で説明するようなオートサンプラを利用するのが良い。完了すると、好ましくは洗浄溶液がチャネル中に流されて分析を妨害する場合のある酸又は塩基を除去する。
【００３９】
別の実施形態では、再生は、例えば米国特許第５，３５２，３６０号明細書に記載されているように、電解作用で実施されるのが良い。これは、１回のクロマトグラフ分離中に連続方式で実施されるのが良い。この場合、米国特許第５，３５２，３６０号明細書に示されているように、電荷をガス流フローチャネル及びサンプル流フローチャネルとそれぞれ電気的に連絡状態にある電極を介して膜前後に電荷を印加しながら酸又は塩基再生剤溶液又は洗浄流をガス流フローチャネル中に圧送し、それによりアノード及びカソードのところで水を電気分解するのが良い。十分な水が、この目的のためにガス流フローチャネルを通って流れる。
【００４０】
特定の実施形態では、アルカリ水酸化物試薬、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化テトラメチルアンモニウム等を圧送することにより陰イオン交換膜を水酸化物形態に再生するのが良い。典型的な試薬濃度は、１０ｍＮ〜２Ｎレジーム、より代表的には２５ｍＮ〜１００ｍＮレジームである。また、米国特許第６，４２５，２８４号明細書に開示されているようなガス支援方式を用いて膜を再生することが可能である。この方式は、不活性ガスと再生剤の組み合わせを用いる。別な方式は、米国特許第４，９９９，０９８号明細書に開示されているように水酸化物イオンを電解作用で供給することにより膜を再生することである。上述の方法の組み合わせも又、例えば化学的に供給された再生剤イオンと電気分解により生じた再生剤イオンの両方から成る再生剤を供給するために利用できる。多くの可能性が存在する。再生は、好ましくは、ランツーラン方式（run to run basis）又は数ラン毎の方式で（every few runs basis）でバッチモードで行われる。また、ガス流と関連して連続再生モードで動作することが可能である。サンプル流中への対イオンの漏れを最小限に抑えるために、再生剤対イオンは、好ましくは、粗大であり、例えばテトラブチルアンモニウムであるのが良い。ＤＩ水リンスを再生ステップ後に行うのが良い。再生剤は、米国特許出願公開第２００７／００６２８７３号明細書に記載されているように再生処理しても良い。なお、この特許文献を参照により引用し、その記載内容を本明細書の一部とする。
【００４１】
一実施形態では、膜は、これがその断面全体にわたって親水基を有している点において対称である。この種の適当な膜としては、イオン交換膜、例えばＮａｆｉｏｎ（登録商標）という商品名で市販されている膜が挙げられる。
【００４２】
他の膜は、膜が親水性を備えるようにする親水基を含む層で被覆されている。この種の適当な膜は、Ｎａｆｉｏｎの親水性被膜を備えた多孔質疎水性又は親水性構造用膜が挙げられる。好ましくは、被膜は、膜の両側に存在する。本発明による親水性機能により、揮発性水性成分は、膜を横切って透過することができる。
【００４３】
膜は、好ましくは、管状又は中空ファイバフォーマット、例えば毛管の形態をしている。管状膜（以下「膜管」という場合がある）の好ましい内径は、１〜１０００ミクロン、より好ましくは５０〜５００ミクロンである。膜は又、２つのフローチャネルを分離する平べったい又はシート状の形態であるのが良い。
【００４４】
管状膜には、米国特許第４，７５１，００４号明細書に記載されているように膜壁までの拡散距離を減少させ、混合を促進させ、そして遅延容積を減少させるのに役立つロッド、フィラメント又は他の適当な充填剤を入れるのが良い。充填剤に好ましい材料は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン又は他の適当なポリマーを主成分とする材料、例えばイオン交換樹脂等である。イオン交換ファイバも又使用できる。ロッド型充填剤を用いる管状中空ファイバフォーマットでは、膜の内径と充填剤ロッドの外径の好ましい比は、１．１〜１０又はより好ましくは１．２〜２である。
【００４５】
別の形態では、溶媒除去膜は、多数の中空ファイバ膜を備えた束形態であっても良い。同様に、平べったい膜フォーマットでは、装置は、多数の膜又は層及び適当なスクリーンを有するのが良く、或いは、米国特許第４，９９９，０９８号明細書に記載されているように他の材料を流れ経路に加えて膜への受け渡し具合を向上させても良い。
【００４６】
クロマトグラフ分離後に膜装置を用いる実施形態では、遅延容積は、ピーク効率に影響を及ぼす場合がある。この点に関し、本発明によれば、好ましくは、流出流量（ｍｌ／分）（分離カラムの内径が所与の場合に最適化される）と蒸発装置の遅延容積（ｍｌ）の比は、ｌ／分ユニットの単位で０．１〜２０００、より好ましくは５〜２００として表わされる。
【００４７】
本発明の装置がクロマトグラフ分離に先立って用いられる場合、遅延容積は、サンプル体積に影響を及ぼすに過ぎず、従って、ピーク効率には影響を及ぼさない。注目されるべきこととして、イオン交換膜の化学的再生を行う際、分離前形態は、分析を妨害する場合のある幾つかの再生剤イオンを導入し又は濃縮する場合があり、かかる場合、事後分離形態が好ましい。
【００４８】
注目されるべきこととして、多数の膜濃縮装置も又組み込まれるのが良く、例えば、１つはサンプル流濃縮のために分離器の前に配置され、別のものは、分離後流れを濃縮するために設けられる。同様に、多次元用途では、濃縮装置は、クロマトグラフ経路中の多くの場所に利用可能である。本発明によれば、イオン交換膜は、イオン交換膜で具体化される場合、再生形態であろう。例えばヒドロキシル基を有する膜（ジオールを主成分とする非イオン交換膜）では、再生は不要である。イオン交換膜の別の利点としては、分析物イオンの損失が最小限に抑えられる。というのは、ドナンバリヤは、膜バリヤと同一の電荷のイオンの輸送を可能にしないからである。例えば、スルホン化陽イオン交換膜の反発効果により、クロリドをサンプル流フローチャネルからガス流フローチャネルに移すことができない。
【００４９】
本発明の装置は、１μＬ／分〜２００００μＬ／分、より好ましくは１０μＬ／分〜５０００μＬ／分、最も好ましくは１０μＬ／分〜２０００μＬ／分で動作する。
【００５０】
高温ガス流の流れは、ファイバ膜の外部で流れ、ａ）溶媒（水）蒸発のための熱を提供すると共にｂ）除去した水蒸気を連続的に除去し又は吐き出すのに役立つ。好ましくは、ガス流の流れは、サンプル流の流れに対して向流である。適当なガス流は、不活性ガス、例えば窒素又はアルゴン若しくは従来型源、例えばガスタンク等からの浄化空気である。空気は、周知の手段、例えばAscarite及びDrieriteを含むトラップを用いて浄化できる。米国特許第６，４２５，２８４号明細書に記載されているようにガスを再生剤と結合するのが良い。
【００５１】
膜の外部は、高温ガス流及び除去された水分を運ぶ１つ又は２つ以上のチャネルによって構成されるのが良い。かかるチャネルは、膜からガス流への水分の輸送を助ける適当なスクリーン又は他の材料を有するのが良い。
【００５２】
加熱器が、システム内の任意の場所に位置決めされるのが良く、加熱器は、ガス温度を所望レベルまで上昇させてサンプル液体中の溶媒を所望の程度まで蒸発させる。加熱器は、（ａ）源のところ、（ｂ）ガス源と濃縮装置ガス流フローチャネルとの間の導管内で且つ（或いは）（ｃ）ガス流フローチャネルそれ自体の中でガスを加熱するよう設けられても良い。以下に説明するように、加熱器は、ハウジングの内部の濃縮装置の一部であっても良く、或いは、ハウジングを被覆しても良い。変形例として、加熱器は、濃縮装置及び（又は）クロマトグラフ分離器が収納されるエンクロージャのための加熱器であっても良い。
【００５３】
不活性ガスの好ましい流量は、ガス使用量及び蒸発器性能に基づいて選択される。ガス使用量を最小限に保つことが望ましい。ガスの好ましい流量は、０．０２〜１０ＳＬＰＭ（毎分の標準リットル）であり、より好ましくは０．１〜５ＳＬＰＭ、最も好ましくは０．１〜２ＳＬＰＭである。好ましい流れ方向は、サンプル流流れに対して向流であるが、装置は、サンプル流の方向と一致して動作されても良い。好ましくは、ガス温度は、ガス流フローチャネルの出口のところのガス温度をモニタすることによって制御される。
【００５４】
好ましくは、不活性ガス流の温度範囲は、室温からサンプル流の沸点よりも僅かに低い温度までである。主として蒸気を含む水の場合、出口のところで測定される好ましい温度は、３０℃〜９０℃であり、より好ましくは４０℃〜８０℃である。他の溶媒の場合、沸点は、不活性ガス流温度を設定する際に考慮することが必要である。出口のところの好ましい動作温度は、関心のある溶剤の沸点よりも約５℃〜１０℃低い。例えば、メタノールの沸点は、６５℃であり、設定温度は、５５〜６０℃であろう。最適動作温度は、溶媒の沸点よりも数度低い温度で始まり、蒸発したサンプル流流量をモニタしながら既知の増分で温度をゆっくりと減少させることにより実験的に決定できる。沸点よりも高い温度での動作は、関心のある分析物が膜上に堆積する場合があるので、回避されるべきである。加熱をターンオンし又はターンオフして要求に応じて蒸発を生じさせるのが良いことは注目されるべきである。これにより、分離中における蒸発の調整が可能になる。この方式は、高レベルのマトリックスイオンが存在している状態で微量イオンの分析を行う際に特に有用である。これらの条件下において、マトリックスイオンの溶離中、ガスの温度及び（又は）流れをオフに保ちながら微量イオンの感度だけを高めるのが有用である。かくして、分析物感度の選択的向上が可能であり、これは、先行技術の濃縮カラムではできない。したがって、事後分離形態でこの方式による濃縮を実行するのが有利である。
【００５５】
ガスの加熱により、膜とのインタフェース内又はそのところでの溶媒、典型的には水の一部分が蒸発して膜を通って流れ、そして流動中のガスによって運び去られると考えられる。好ましくは、溶剤蒸発率は、２０％を超え、より好ましくは４０％〜９５％である。溶剤の蒸発率は、サンプル流フローチャネルに出入りする流量をモニタすることによって計算可能である。
【００５６】
好ましくは、出口のところのガスの温度は、濃縮装置を通って流れる到来液体サンプルの温度よりも少なくとも約１０℃高く、好ましくは、少なくとも約２０℃高く、より好ましくは少なくとも約３０℃高い。さらに別の実施形態では、イオン交換膜は、平べったい膜フォーマットの状態にある。乾式フォーマットにおける膜の好ましい厚さは、２５μｍ〜１２５μｍであり、より好ましくは５０μｍ〜１２５μｍである。
【００５７】
注目されるべきこととして、陰イオン分析を行っている際、陽イオン交換膜を用い、陽イオン分析の場合にはこれとは逆の関係にすることが好ましい。本発明による濃縮は又、有機化合物の分離に有効である。このように、関心のある分析物は、膜と相互作用しないであろう。膜上に保持されたイオンは、通常、対イオンであり、一様な蒸発を保証するには再生を必要とする。
【００５８】
或る特定の実施形態の詳細な説明
【００５９】
「実施例１：管状膜利用濃縮装置」
各膜について１０ｃｍ長さ分を用いて種々の膜装置の性能に対する初期の研究を実施した。図１は、管状濃縮装置の略図である。管状膜は、ＰＴＦＥ管２０（内径６．７ｍｍ、外径７．７ｍｍ、長さ８０ｍｍ、ゼウス・インダストリアル・プロダクツ・インコーポレイテッド（Zeus Industrial Products, Inc.）製）内に収納した。ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）ポンプ管１０（内径１９０μｍ、外径２ｍｍ、長さ５ｍｍ、コール‐パーマー・インストラメント・カンパニー（Cole-Parmer Instrument Co.）製）を管状膜と溶融シリカ毛管１２ａ又は１２ｂ（内径２５０μｍ、外径３６５μｍ、ポリマイクロ・テクノロジーズ（Polymicro Technologies）製）との間の突き合わせコネクタとして用いた。内径が１／４インチ（６．３５ｍｍ）のアームのポリプロピレンＴ継手１６（アーク‐プラス・プロダクツ・インコーポレイテッド（Ark-Plas Products Inc.）製）を適当に切断し、ガス入口／出口連結部を得るためにＰＴＦＥ管に連結した。かくして、管状膜１８は、同軸外側管２０内に設けられる。加熱状態のガスは、膜と外側管との間の環状空間を通って流れて流入水性液溶媒流中の溶媒を加熱する。ガスフローチャネルの出口のところで温度を抵抗熱検出器センサ（ＲＴＤセンサ）８０でモニタした。
【００６０】
図２は、濃縮装置用の試験システムの略図である。シリンジポンプ２６（モデル２４５２０、ネバダ州ラスベガス所在のクローエン・リミテッド（Kloehn Ltd.）製）により入口１２ａを介して脱イオン水を管状膜３４中に圧送し、５〜２５μＬ／分の流量で出口１２ｂのところで管状膜から流出させ、他方、膜１８をジャケット内に納め、質量流量コントローラ４８（モデルＦＣ‐２８０、タイラン・ジェネラル（Tylan General）製）により計量した（毎分０．１〜２標準リットル（ＳＬＰＭ））浄化空気又はＮ2が、このジャケットを通って入口１４ａを介して向流方式で（脱イオン水の流れに対して）流して出口１４ｂのところで流出させた。硝酸ナトリウム（１ｍＭ、２００ｎＬ）を４ポート噴射弁（タイプＣＩ４Ｗ．２、バルコ・インストラメンツ・カンパニー・インコーポレイテッド（Valco Instruments Co. Inc.）製）により手作業で噴射させ、流出液を検出器３８によってモニタした。２１０ｎｍの吸光度検出器（ＣＶ4、ＩＳＣＯインコーポレイテッド）又は国産の非ガルヴァニックキャパシタンス／コンダクタンス検出器は、検出器出力をキャパシタンスかコンダクタンスかのいずれかの単位で読み取ることができるよう構成されており、後者がこの場合用いられている。蒸発装置全体（並びにコンダクタンス検出セル）をＨＰＬＣカラム加熱器（モデルＣＨ‐３０、フィアトラン・システムズ・インコーポレイテッド（Fiatron Systems Inc）製、ただし図示せず）のエンクロージャ内に収容し、これを用いて装置温度を制御した。これ又加熱状態のエンクロージャ内に配置された数本の銅製の管５２が、ガス流を予熱することができた。
【００６１】
以下の管状膜（１８）を濃縮装置内で試験したが、Ａ及びＢは、陽イオン交換管状膜であり、これら管状膜は、ＰＴＦＥを主成分とし、これらにポリスチレンモノマーを放射線グラフトし、次に、米国特許第４，９９９，０９８号明細書に開示されている方法に従って硫酸との反応によりスルホン化した。グラフトレベルは、それぞれ１７．８％及び８．２％であった。管Ｃは、カルボキシレート機能化多孔質ポリプロピレン膜（独国ブペルタル所在のエンカ（Enka）社製のＡｃｃｕｒｅｌ（登録商標）ＰＰ、内径４００μｍ、外径５０８μｍ）であり、これを商標付きプロセスに従ってパルスプラズマ機能化し、表面‐ＣＯＯＨ基を作った。管Ｄ，Ｅは、ニュージャージー州トムズリバー所在のパーマ‐ピュア・ＬＬＣ（Perma-Pure LLC）から得られたＮａｆｉｏｎ（登録商標）膜であり、管Ｆは、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）被覆微孔質ポリプロピレン膜（セラニーズ・コーポレイション（Celanese Corp.）のＣｅｌｇａｒｄ（登録商標）Ｘ‐１０、内径１００μｍ、外径１５０μｍ、実施例２において説明した被覆プロセス）であった。
【００６２】
濃縮装置で試験した管状膜１８は、次のように一覧表示される。
Ａ）陽イオン交換装置（グラフトレベル８．２％）内径８５μｍ、外径２５４μｍ
Ｂ）陽イオン交換装置（グラフトレベル１７．８％）内径１０２μｍ、外径３０５μｍ
Ｃ）ＣＯＯＨ機能化ＡｃｃｕｒｅｌＰＰ
Ｄ）Ｎａｆｉｏｎ被覆Ｃｅｌｇａｒｄ
Ｅ）Ｎａｆｉｏｎ内径８９μｍ、外径２０３μｍ
Ｆ）Ｎａｆｉｏｎ内径２２９μｍ、外径３３０μｍ
【００６３】
「実施例２：疎水性（Ｃｅｌｇａｒｄ）膜を親水性（Ｎａｆｉｏｎ）被膜で被覆する手順」
１本のＣｅｌｇａｒｄ膜をメタノール（Mallinckrodt）中に浸漬し、次に５％Ｎａｆｉｏｎ溶液（Aldrich）に浸漬させてこれから取り出し、次に１２時間かけて乾燥させた。次に、これをもう一度Ｎａｆｉｏｎ溶液中に浸漬させ、第２の被膜が、表面に１２時間かけて乾燥するようにした。薄い親水性層の被膜を多孔質Ｃｅｌｇａｒｄ膜の頂部に被着させることにより、管材料を親水性膜に変換させる。
【００６４】
「実施例３：迷路型濃縮装置」
図３Ａ〜図３Ｃは、管状膜が蛇行経路の状態にある迷路型濃縮装置を概略的に示している。これら装置は、有効長さが６２ｃｍのＮａｆｉｏｎ（登録商標）管を備えていた。装置を組み立てる前に、Ｎａｆｉｏｎ管を１Ｍの硫酸中で５分間沸騰させ、管を完全に再生し、水で十分に洗浄し、乾燥させた。Ｎａｆｉｏｎ管１８をアルミニウムブロック６２に機械加工された直角蛇行迷路６２ａに設けられた凹部内に取り付けられている３５ＰＥＥＫポスト５８（直径１／１６インチ（１．５９ｍｍ））に設けられている０．５ｍｍ孔に通した。溝は、深さ６．４ｍｍ、幅３．２ｍｍであった。ポスト５８は、Ｎａｆｉｏｎ管１８が外壁に当たり又は曲がり部のところで折れ曲がるのを阻止するのに役立った。管状膜（約１ｍｍ）の両方の端部をフッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）管（内径１５９μｍ、外径２５４μｍ、長さ２５ｍｍ）中に挿入し、各端部のところに１０‐３２〜１０‐３２ユニオンを用いて漏れ止め連結部（１２ａ，１２ｂ）を得た。抵抗温度検出器（ＲＴＤ）センサ（1PT100KN1515CLA、オメガ・エンジニアリング・インコーポレイテッド（Omega Engineering, Inc.））を窒素ガス出口のところにできるだけ密接して配置した。
【００６５】
図４を参照すると、Ａｌブロック６２をシリコン可撓性加熱器６４ａ，６４ｂ（７５ｍｍ×７５ｍｍ、０３００３０Ｃ１、ミズーリ州ワットローコロンビア）相互間にサンドイッチし、次にフォームパッド６６ａ，６６ｂ相互間にサンドイッチし、そして絶縁スチロフォーム容器６８ｂ内に配置した。温度コントローラ（ＣＮ８５９０（１／３２）ＤＩＮ温度コントローラ、オメガ・エンジニアリング・インコーポレイテッド）を用いて迷路チャネルの内部の所望の温度を読み取ってこれを保った。
動作原理を説明すると、液体は、管状膜を通って流れ、気体（ガス）は、向流の状態で迷路を通って流れ、ブロック温度は、ガス出口箇所内に配置された温度センサによって制御される。
【００６６】
管状膜からの水蒸発率を評価するため、１０μＭの硫酸を迷路型濃縮装置中に圧送した。水蒸発率ＷeμＬ／分を次のように計算した。
〔数１〕
Ｗe＝Ｆi（１−Ｃi／Ｃe）  （１）
上式において、Ｆiは、流入流量（１００、２００、３００、４００及び５００μＬ／分）であり、Ｃiは、流入硫酸濃度であり、Ｃeは、測定コンダクタンスから計算された流出硫酸濃度である。正確さを保証するため、２シリンジシステムを用いて硫酸と純水を交互に圧送した。乾燥中のガス流の効果を、定数５ＳＬＰＭ流量で空気又はＮ2を用いて評価し、流れは、圧力と真空の両方により達成された。
【００６７】
「実施例４：螺旋型濃縮装置」
図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、ナイロンモノフィラメント（直径１２７μｍ、長さ６２ｃｍ、カリフォルニア州コスタメサ所在のマキシマ・アメリカ（Maxima America）製）又はアクリルモノフィラメント（ＶＳ‐１００ブルーコア５０％、直径１４０μｍ、長さ６２ｃｍ、カリフォルニア州サンディエゴ所在のバイオジェネラル・インコーポレイテッド（Biogeneral Inc.）製）９０をＮａｆｉｏｎ管状膜１８（内径２２９μｍ、外径３３０μｍ、長さ６２ｃｍ）内に挿入した。フィラメント入り管状膜８８をスチールロッド（直径１．２７ｍｍ）の周りにコイル状に巻き、両方の管端部をＰＴＦＥテープでロッドに取り付けた。組立体全体を沸騰水中に浸漬した。沸騰水中における５分間の浸漬後、熱をターンオフし、装置が更に１５分間温かい水の中に留まるようにした。テープ及び螺旋管状膜をスチールロッドから取り外した。螺旋管状膜をガラス管８４（内径４．１ｍｍ、外径６．１ｍｍ、長さ７０ｍｍ）内に納め、管状膜（約１ｍｍ）の端部をＦＥＰ管７６（内径１５９ｍｍ、外径２５４μｍ、長さ２５ｍｍ）内に挿入した。内径１／８インチのＴ継手のアームを切断し（７８）、ガラス管に連結した。雄型ナット７０をエポキシ９１でＴ継手に連結し、螺旋体への液体の出し入れのための外部連結部を１０‐３２〜１０‐３２ユニオン７２で作った。ジャケット付き発熱フィラメント８６（長さ３０ｃｍ、コンチネンタル・ワイヤ・コーポレイション（Continental Wire Corp.）１２０Ｖ、３０Ｗ）をガラス管の周りにコイル状に巻いた。アルミニウムテープ８２を発熱フィラメント及びジャケットに巻き付けてフィラメントを取り付けると共に良好な熱分布状態が得られるようにした。ＲＴＤセンサ８０を、窒素流れの出力に連結されたテフロン（登録商標）（Ｔｅｆｌｏｎ）管内に配置した。発熱フィラメントの印加電圧を変化させることにより装置の温度を調節した。
【００６８】
「実施例５：蛇行型濃縮装置」
図６を参照すると、ナイロンモノフィラメント（直径１２７μｍ、長さ６２ｃｍ）入りのＮａｆｉｏｎ管状膜８８（内径２２９μｍ、外径３３０μｍ、長さ６２ｃｍ）をポリプロピレンスクリーンメッシュ布９２（ＣＭＰ‐５００、５００μｍメッシュ開口部、スモール・パーツ・インコーポレイテッド（Small Parts, Inc.）製）上に織成した。フィラメント入り管状膜（約１ｍｍ）の端部をＦＥＰ管７６（内径２５４μｍ、外径１．５９ｍｍ）内に挿入し、螺旋体への液体の出し入れのための外部連結部を１０‐３２〜１０‐３２ユニオンで作った。織成膜を支持したメッシュ布を導電性フォームシート内のキャビティ９４（７７ｍｍ×１０ｍｍ×３．５ｍｍ）内に埋め込んだ。組立体を液体及び窒素ガスのための入口及び出口を備えたアルミニウムボックス９６（頂部、９０ｍｍ×３１ｍｍ×３ｍｍ、底部、９０ｍｍ×３１ｍｍ×１０ｍｍ）内に配置した。長さ１００ｃｍの発熱フィラメントをアルミニウムボックスに巻き付け、接着アルミニウムテープ（図示せず）により定位置に保持した。窒素流れ出口をモニタするＲＴＤセンサ８０を用いて動作温度を制御した。組立体全体は、図６に示されている。
【００６９】
「クロマトグラフ試験装置」
イオンクロマトグラフ（ＩＣ）を迷路型、螺旋型及び蛇行型濃縮装置で実施した。表１は、このように試験された各濃縮装置についての特定の細部を示している。ＩＣシステムは、２ｍｍシステム（ＧＰ４０グラジエントポンプ１０２、１５０μＬ／分；ＥＧ４０溶離液発生器１０４、２１．５ｍＭ水酸化カリウム；ＬＣ３０クロマトグラフオーブン１２４、３０℃；ＡＧ１１‐ＨＣ２ｍｍガードカラム１０８＋ＡＳ１１‐ＨＣ２ｍｍ分離カラム１１０、ＡＳＲＳ  ＵＬＴＡ‐ＩＩ２ｍｍ陰イオンサプレッサ１１２、サプレッサ電流５０ｍＡ、外部水モード（２００μＬ／分）；ＣＤ２０導電率検出器、これら全てダイオネックス・コーポレイション（Dionex Corp.）から得られる）１２０として用いるよう構成した。共通陰イオン試験規格（０．１ｐｐｍクロリド、０．１ｐｐｍニトリト、０．２ｐｐｍスルフェート及び０．２ｐｐｍニトレート、２５μＬ）から成るサンプルをこのシステムのために用いた。
【００７０】
図７を参照すると、膜濃縮装置１１０をダイオネックス・コーポレイションにより商品名ＡＳＲＳで市販されており、米国特許第４，９９９，０９８号明細書に記載された形式の電解膜サプレッサ１１２と導電率検出器１２０との間でクロマトグラフカラム１１０から見て下流側に配置した。作用にあたり、ＤＩ水１００をガス圧力１２２を用いてリザーバ９８から加圧し、水をポンプ１０２によってダイオネックス・コーポレイションによって市販されている形式の高圧溶離液発生器（ＥＧＣ）カートリッジ内に圧送した。溶離液を噴射弁１０６に差し向け、次にガードカラム１０８及びセパレータカラム１１０に差し向け、関心のある化学種を分離した。サンプルをオートサンプラ（図示せず）から噴射し又は噴射弁１０６から手動で噴射した。カラム１１０からの溶離液をサプレッサ１１２内のサプレッサ溶離液チャネル中に差し向け、次に流入液ポート１２ａ及び流出液ポート１２ｂ（それぞれの図に示されている）を介して膜濃縮装置１１８内に送り込んだ。次に、濃縮分析物を導電率又は適当な検出器１２０内に差し向けて分析物を検出した。不活性ガス流、好ましくはＮ２  １２６を質量流量コントローラ１１６又は適当なガス調整器を経て５ＳＬＰＭで圧送し、次にガス入口ポート１４ａを経て膜濃縮装置１１８内に差し向け、好ましくは溶離液の流れとは逆の流れ方向でガス出口ポート１４ｂを通って流出させ、次に廃棄物場所に差し向けた。
【００７１】
水蒸発率を流入液流量と流出液流量の差（両方共、重量計で測定されている）として計算した。ピーク高さ／面積に基づく濃縮ファクタＣＦを次のように計算した。
〔数２〕
ＣＦ＝Ｃw／Ｃwo  （２）
上式において、Ｃw及びＣwoは、分析物のピーク高さ又は面積（面積は、流量が濃縮装置ありで又は濃縮装置なしで変化しているときの信号強度・時間ではなく、信号強度・体積によりコンピュータ処理される）である。
【００７２】
また、共通陰イオンの噴射前蒸発濃度も又研究した（この場合、濃縮は、ＩＣシステムへの注入に先立って生じる）。迷路型濃縮装置を専ら使用した。サンプル（上述したのと同じ共通陰イオン規格）をシリンジポンプにより１３５〜２００μＬ／分の流入液流量で濃縮装置中に連続的に圧送して２５μＬ注入ループを満たしたが、このサンプルは、定期的に上述したＩＣシステム内に注入された。
[表１]      濃縮装置の仕様
形式    管状      管の  管の  管の  管の  滞留    挿入    挿入    装置の表示
膜        内径  外径  肉厚  内側  容積    フィラ  フィラ
表面積  メント  メント
の直径
(μｍ) (μｍ) (μｍ) (ｍｍ2) (μＬ)        (μｍ)
迷路型  Nafion    229  330     51   223   25.5   なし      N/A-       Ｉ
迷路型  Nafion    229  330     51   223   17.7   ナイロン  127        II
迷路型  ST708Ba   127  330    102   124    7.9   なし      N/A        III
迷路型  ST741Aa   127  381    127   124    7.9   なし      N/A        Ｖ
迷路型  ST708Ca   127  483    178   124    7.9   なし      N/A        IV
螺旋型  Nafion    229  330     51   223   17.7   ナイロン  127        VI
螺旋型  Nafion    229  330     51   223   16.0   アクリル  140        VII
蛇行型  Nafion    229  330     51   223   17.7   ナイロン  127        VIII
全ての管状膜の長さは、６２ｃｍであった。
a放射線グラフトＰＴＦＥ利用型陽イオン交換膜
【００７３】
結果及び説明
【００７４】
「膜の種類及び操作変数の影響」
短い（１０ｃｍ）まっすぐな管状膜濃縮器を用いて、異なった膜管（管状膜）の性能並びに操作パラメータ、たとえば、流入流速、乾燥気体流速及び温度の影響を評価した（図１）。６つの異なった膜装置の結果が、別の同等の条件下で図８ａに示されている。８．２％という低いグラフトレベルの放射線グラフトした陽イオン交換体膜管１本は、無視できるほどの蒸発を示したが、そのほかのグラフトレベルの高いものは蒸発濃縮を示した。グラフトのレベルが高ければ高いほど、膜表面における官能基の数がそれだけ一層多くなり、それにより一層親水性になる。留意すべきこととして、蒸発装置が接続されている場合、幾分かの分散は回避できず、したがって、蒸発が殆どない又は全くなければ、添加された遅延容量のためにピークの高さは実際低下する。このことは実際に、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）を被覆したＣｅｌｇａｒｄ（登録商標）管（Ｄ）で認められる。放射線グラフトした陽イオン交換体による別の実験（以下参照）は、高いイオン交換能を持つものに限定され、すべて実質的な蒸発濃縮を示した。−ＣＯＯＨ官能化ポリプロピレンの管による蒸発濃縮は認識しうるが、少ない。この塗膜技法によって相対的に厚い塗膜を生じ、蒸発はほとんど起きない。対照的に、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）管は有意な蒸発濃縮を示す。蒸発濃縮の程度は、大きな内径の管についてはるかに大きい。さらに小さな膜管（Ｅ、内径８９μｍ、壁５７μｍ）と比較して、さらに大きな管（Ｆ、内径２２９μｍ、壁５１μｍ）がほぼ同じ膜厚及び２．６倍大きい内側表面積及び６．６倍大きい滞留容積を有する限り、このことは期待されるべきである。実際、さらに大きな管のデータは、さらに小さな乾燥気体流速で提示される。というのは、５ＳＬＰＭの同一の気体流量では、液体の蒸発が甚大なので液体はせいぜい断続的に検出器に達し、その結果ひどいノイズが生じるからである。
【００７５】
蒸発損失が管壁を介して起きると、管状の管路を介した流れに関して自明であるとみなされた多数のパラダイムが崩壊する。これは、管を通る流速は管の長さに沿って変化し、滞留時間と滞留容量との関係は、もはや線形ではなくなるからである。さらに大きな管については、単位長さ当たりの容積蒸発速度は、小さな管より大きい。その結果、流速は、小さな管よりも急速な割合で低下し、ほかの同一条件下で大きな管における滞留時間は、内部容積の比が示すものより大きい。同様な文脈で、同一の内径の管については、滞留時間は、管の長さに線形に比例するだけではない。流入する流れの大きなフラクションが損失の対象とされるので、線形モデルからの逸脱は明らかに大きく、流入の流れが大きく且つこの液体のほんのわずかな部分しか蒸発しない状況では、システム（系）は従来モデルに近く挙動するであろう。
【００７６】
従って、５〜２５μＬ／分のような低い流入流速範囲では、流入の流れの蒸発の程度は十分であり、流入流速が低下するにつれて濃縮器の存在下／非存在下でのピークの高さの比は、線形には増大しないが、指数関数的に増大する。このことは図８ｂのデータで容易に見て取れる。伝導性は図８ａでモニタしたが、図８のほかのパネルは吸収の検出を使用したことに留意すること。濃縮に感度のある検出器はいずれも、蒸発濃縮を介して達成された濃縮の獲得に同様に応答するであろう。
【００７７】
気体の流れは、膜管から発散する水蒸気を除くのに役立つ。３０℃にて水蒸気で飽和されたＮ2の各Ｌは、約８．６μＬの液状の水を保持する。従って、約１．２ＳＬＰＭより高い流量は、膜表面から発散する水蒸気を拡散させるのを主として助ける。従って、この挙動は、円筒管を介した流れについてのＧｏｒｍｌｅｙ−Ｋｅｎｎｅｄｙの方程式に類似した関係によって支配されるべきであり（参考文献４）、その際、プラトーには指数関数的に達する。この挙動は実際、０．１〜２ＳＬＰＭの乾燥気体流量の範囲にわたって図８ｃで見られる。
【００７８】
蒸発を介した水の損失量を決定することにおいて温度は当然、おそらく最も重要な役割を果たす。水の損失率は、水蒸気圧と線形に関係すべきであり、水の蒸気圧は温度と共に急速に上昇する。温度の上昇に伴って、蒸発濃縮の程度は図８ｄに示されるように劇的に増大した。水の蒸気圧を伴った濃縮器の存在下／非存在下での硝酸ナトリウムのピークの高さの比は、優れた線形の相関［ｒ2＝０．９９２０、ｔ＝２２〜８０℃］を示した。
【００７９】
「膜の選択」
そのデータが詳細には提示されていない蒸発事前濃縮について、上記ですでに議論したもの以外の幾つかの膜を検討した。これには、（ａ）放射線グラフトしたＰＴＦＥ陰イオン交換体（Ａｅｘ８８、内径７２μｍ、外径２１６μｍ、Ｄｉｏｎｅｘ社）、（ｂ）多孔性Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）ポリプロピレン膜（内径２００μｍ、外径２５０μｍ、４０％表面多孔率）及び（ｃ，ｄ）類似のポリプロピレン膜（参考文献５に記載されているようにシリコーン被覆したＣｅｌｇａｒｄ膜管と同様、内径２０９μｍ、外径２６３μｍ及び内径４００μｍ、外径４６０μｍ、プラズマで重合させたポリジメチルシロキサンの非常に薄い層（約１μｍ）によって被覆される））が含まれた。３０℃及び５ＳＬＰＭのＮ2の流量にて水の損失率がそれぞれ、（ａ）０．２２、（ｂ）０．２３、（ｃ）０．０８3及び（ｄ）０．１９μＬ／分／ｃｍであり、そのすべては、たとえば、中空のＮａｆｉｏｎ管（内径２２９μｍ、外径３３０μｍ）について認められる０．９３μＬ／分／ｃｍよりも実質的に低い。それらのうち、陰イオン交換膜管のみが比較の標準よりもはるかに小さな内径を有し、同等な寸法で使用されるのであれば、これが同等な蒸発を生じてもよい。分析物の陰イオンが捕捉されるので、抑制陰イオンクロマトグラフィーにおける蒸発濃縮には、当然陰イオン交換膜を使用することはできない。しかしながら、そのような膜は陽イオン性（同様に中性）の分析に対応することにおいて関心が持たれる。陽イオン交換体については、そのような交換体に存在する水素イオンの広範な溶媒化は、決定的な役割を担っていると思われ、これについては後の項で再び検討する。分子形態での弱酸はドナン（Ｄｏｎｎａｎ）バリヤに左右されないが、イオン化形態の強酸は負に荷電した陽イオン交換膜を通過することができない。従って、陽イオン交換膜はとにかく、陰イオンの分析において好ましい濃縮装置の基礎である。多孔性の膜によって、膜から膜への移動の程度は、フラクション表面の多孔率、細孔のねじれ及び膜厚の関数であることが期待される（参考文献６）。興味深いことに、多孔性Ｃｅｌｇａｒｄ（登録商標）膜を介した蒸発速度は、さらに良好な陽イオン交換体膜ほど高くなかった。この種の膜はまた、細孔が蒸発する固形物によって徐々に遮断されるという点で維持管理を必要とし（参考文献６）、たとえば、シロキサンの薄い非対称の層による被覆は、細孔の遮断を未然に防いでもよいが、水の輸送速度を改善しなかった。これからは、本発明のように好ましい膜として我々は陽イオン交換膜を使用した。
【００８０】
「流入流速の関数としての水の蒸発」
十分な溶解溶質濃縮が存在しない場合、流入速度が十分に高い限り、正確な流入流速にかかわりなく蒸発される水の絶対量は同一であることを人は期待する。１００〜３００μＬ／分の範囲の流入流速について、迷路濃縮器にて長さ６２ｃｍのＮａｆｉｏｎ管（内径２２９μｍ、外径３３０μｍ）について、このことがおおむね認められた。詳細な結果は図９に提示する。流入流速と一致する蒸発速度の変化のパターンはなかったが、図７ｄのように、それは温度とともに単調に増大した。１００〜５００μＬ／分の流速範囲にわたって、μＬ／分で表す水の蒸発速度は平均値±ｓｄ（ｎ＝３）として、それぞれ、２２、３０、４０、５０、６０、７０及び８０℃にて２３．５±９．２、３９．６±６．７、６８．９±５．６、９７．６±９．６、１３６．７±６．６、１５９．６±２．７及び１８７．４±４．６であった（明白な理由のために、後者４つのデータポイントは１００μＬ／分での流入流速を含めない）。これらのデータは線形のパターンに適合する
〔数３〕
蒸発速度（μＬ／分）＝２．９２±０．０８（ｔ°Ｃ）−（４４．９４±４．４４），  ｒ2＝０．９９６０                                  ・・・（３）
【００８１】
「ストリッピング気体流」
乾燥気体の質量流量及び温度が同一に維持されるとしても、陽圧によって又は真空を適用することによって乾燥気体流が供給されるかどうかに気体流の正確な配置が違いをもたらすことは興味深い。後者の場合、膜の外側では圧は大気に対して陰圧であり、膜を横切って圧の差異を増大させるので、蒸発を高める。差異は容易に認知できるが、大きくはない。上記段落で記載されたのと同じ迷路濃縮器について、１００μＬ／分の流入流量で操作し、ｔ＝４０℃、５ＳＬＰＭのＮ2を加圧下及び真空下で流した結果、それぞれ、６４．２μＬ／分及び７２．９μＬ／分の蒸発速度を生じた。しかしながら、ここで報告されるほかのデータはすべて、必要とされる配置が明らかにさらに単純なので、加圧気体流のもとで得られた。
【００８２】
「イオン形態の膜は大きな差異をもたらす」
抑制ＩＣシステムでは、濃縮装置は、カラムの後、サプレッサの前又は後のいずれか、検出器の前に設置することができる。サプレッサの上流にそれを設置することの利点は、塩として存在する分析物のバンドと共にアルカリ性の溶離液流を扱い、何であれ分析物の損失の可能性がないことである。濃縮器の陽イオン交換膜の正確な元々のイオン形態は、溶離液陽イオンのイオン形態に迅速に変換されるので重要ではない。興味深いことに、上述の迷路型濃縮器をクロマトグラフィーシステムで使用し、サプレッサの前に設置し、８０℃の装置温度でさえもピークの高さの上昇は全く認められなかった。ほかの実験によって、ほとんどの重要な蒸発濃縮には、膜は好ましくはＨ+‐形態であることが確認された。このことは、水に対するプロトンの高い親和性及び１つの水結合から別の水結合へと容易に通り抜ける正電荷の能力（参考文献７）が、実際に同等な多孔性膜で認められるものより大きい、これらの膜で認められる高い蒸発速度を説明してもよいことを示唆している。
【００８３】
「クロマトグラフィの用途  迷路／螺旋状／蛇行性の濃縮器のカラム後の配置」
６２ｃｍの一定の膜長さを持つ装置温度、５ＳＬＰＭのＮ2の乾燥気体流及び１５０μＬ／分の流入流量の関数として迷路、螺旋状及び蛇行性の濃縮器についての水の蒸発速度を図１０に示す。すべての場合で、積極的な熱制御を行わずに室温で単純に操作すると、断熱的蒸発冷却のために、出口の気体温度は、入口の温度（室温）より数度冷たい。蛇行性、迷路、螺旋状の濃縮器の順で水の蒸発速度は増した。最初の設計では、膜の良好な部分が支持体の格子に接触し、この領域からの蒸発が阻害される。蛇行性の設計は、流れる液体の中で良好な物質移動をもたらし、良好なバンドの分散特性をもたらすが（参考文献８）、以前の適用は、管の外側での良好な物質移動の必要性を有さなかったので、それは明らかに本出願における限界である。フィラメントを満たした螺旋状のものも流れる液体の中で良好な物質移動をもたらすので良好なバンドの分散特性をもたらすが（参考文献９、１０）、外部では間隙を介して浮遊し、膜から離れた物質移動は阻害されない。
【００８４】
図１１は、ナイロンの単フィラメントを満たしたＮａｆｉｏｎの螺旋状のものによるクロマトグラムを示すが、それは最も高い蒸発速度を明示した（しかしながら、Ｂに示される放射線でグラフトした陽イオン交換体ははるかに小さい内径を有し、我々が誘導された分散を基に比較すべきであったのなら、これらはＮａｆｉｏｎ管を凌ぐであろうことに留意すること）。塩化物、亜硝酸塩、硫酸塩及び硝酸塩のピークの高さは温度と共に劇的に上昇した。しかしながら、ピーク幅（時間という点で）も大きくなり、分解度の悪化があった。これの一部は、蒸発器出口と検出器の間の相対的に長く且つ大きい内径（３０ｃｍ、０．２５４ｍｍ）の通過管路による。膜濃縮の過程で炭酸塩のピークが低下し、図１１の挿入図に示されるように高い温度では本質的に消失したことに留意することも有用である。大気にさらした試料における高濃度で存在することが多い、広い炭酸塩のピークがＩＣによる特定の無機陰イオンのトレース測定で問題をもたらすことは周知である。特に、ＩＣによって大気の微量の気体を測定する場合、炭酸塩ピークの広い尾引き現象が、この領域で溶出するそのほかのイオンの応答を覆い隠す（参考文献１１）。従って、濃縮は炭酸塩の応答を低減するためにも有用である。
【００８５】
図１１は横座標として従来の時間単位によるクロマトグラムを描いているが、上から下まで検出器を通るクロマトグラムの個々の流速が６倍で変化する場合、これは全体像を与えていない。図１２は、容積の横座標スケールで同一のクロマトグラムを示す。興味深いことに、１４℃〜３０℃の間で硫酸塩と硝酸塩のピーク分解度を計算すると、分解度は実際不変のままである。バンドの分散は、壁面境界層での速度がゼロである層流の放物線速度の特性に由来する。壁への十分な質量流束を有する、管における速度特性が、従来の層流からどのように且つどの程度変えられるのかは興味深い疑問であり；我々の知るかぎり、そのような系が検討されたことはない。
【００８６】
「ピークの高さに基づいた濃縮因子及び流入／流出の流速比に対する面積比：分析物の損失」
高さ又は面積の比のいずれかという点で濃縮因子ＣＦ（公式２）を計算することができる。図１３は、硝酸塩ピークについての高さの比に基づくＣＦが、分散のために重量測定法で測定した流入／流出の流速比から急速に離れる一方で、面積比（面積は容積に基づく、公式２を参照のこと）は、流入／流出の流速比と共に線形のままであるということは、蒸発濃縮の間、硝酸塩の損失は生じなかったことを指していることを示す。これは、サプレッサの中で弱揮発性の炭酸を生じる炭酸塩については明らかに当てはまらず、そのような濃縮の間にそれは完全に失われることができ、そのことは本アプローチの別の予期しない利益である。中間のｐＫａ亜硝酸塩からの酸に由来する分析物についても面積比データを図１３でプロットするが、これらのデータは、亜硝酸の有意な損失を示していない。ＣＯ2／炭酸塩について認められたもののような、揮発性とｐＫa分析物の損失のどの適正な組み合わせが生じるかを立証されることが残っている。
【００８７】
「他の検出器」
濃縮器のこれらの型は、非常に高い効率で動作するが、非常に低い流速でしか動作しない特にチップに基づいたナノスプレーモジュール（www.advion.com）を伴った質量感受性の検出に役立つ。本アプローチは、濃縮感受性であるだけでなく物質移行に依存性である電流測定のような検出方法に役立つことも期待され、後者はさらに低い流速でさらに効率的である。
【００８８】
「事前注入の濃縮」
蒸発濃縮技法は当然、事前注入モードにも同様に使用することができる。技法は、たとえば、高純度の水の連続ステップ分析を伴った使用に理想的に好適である。図１４は、試料ループを負荷するのに先立って異なった流速で蒸発濃縮器（装置１、表１）を通過した試料のループ注入で得られたクロマトグラムを示す。塩化物、亜硝酸塩、硫酸塩及び硝酸塩のピークの高さは、クロマト分解度に影響することなく、試料の流速が低下すると共に、劇的に上昇した。サプレッサ後の使用と同様に、炭酸塩からの応答は膜濃縮器のために有意に低下した。
【００８９】
このモードの濃縮で可能性のある問題は、試料が一般に、膜によって捕捉される非Ｈ+陽イオンを含有することである。膜は、Ｈ+の形態からそのほかの陽イオン形態に変換されるので、膜の水輸送特性は、変化し、達成される蒸発濃縮の程度は低下する。図１５は、時間の関数（２０分毎の連続した注入の２４時間後６．０４）としてのＣＦ（開始時６．９０）の低下を示す。ほかの陰イオンのＣＦも同様に類似の損失が認められた。膜が有意に非Ｈ+形態に変換するのを防ぐために、当然、蒸発濃縮器の前に試料をサプレッサに通してもよい。或いは、同一の蒸発膜装置を数回の注入の後、定期的に再生することができる。４つの試料を注入した後ごとにペリスタポンプによって０．７ｍＬ／分で１分間、４ｍＭのＨＣｌをポンプで濃縮器に入れ、その後、同一流速で１９分間水洗して再生剤を洗い出す。次いで、試料の濃縮ステップ及び注入を再開する。残留する塩化物のピーク（０．０３０μＳ／ｃｍ）は、塩化物反応のブランク（０．０２１±０．００２μＳ、ｎ＝３）よりわずかに高いに過ぎなかった。当然、相当する陰イオンが一般に当該分析物ではない場合、たとえばメタンスルホン酸のような強酸再生剤も使用することができる。場合によっては、２つの濃縮器の間で交互に行うことが好ましくてもよい。上記の定期的な再生プロトコールを用いて、濃縮器（流入試料の流速１３５μＬ／分、ｔ＝６０℃）の２４時間連続操作について硝酸塩の結果を図１４に示す。すべてのイオンについてＣＦは２４時間にわたって一定のままであった（硝酸塩：１６．４±０．３、塩化物：１６．５±０．３）、亜硝酸塩：１２．０±０．２及び硫酸塩：１４．７±０．３）。
【００９０】
本発明者は、ＮａｆｉｏｎのＨ+の形態とそのほかの陽イオンの形態との間での水輸送の変動が低温よりも高温でさらに顕著であることを認めた。この文脈で、我々はまた試料流速６０μＬ／分にて３０℃で濃縮器を操作し、相対的に高いＣＦをさらに維持した。硝酸塩のＣＦの損失はたった０．３％／日に低下した。ほかのイオンについてのＣＦの損失は、塩化物で０．５％、亜硝酸塩で０．０％、硫酸塩で１．１％であり、６０℃よりもはるかに良好であった。しかしながら、正確な性能は試料の陽イオンの組成に明らかに依存しており、本発明のように定期的な再生によって再現可能な性能を生じるであろう。
【００９１】
「実施例６」
本発明の一実施形態が図１６に示されている。機器セットアップは、カリフォルニア州サニーベール所在のダイオネックス・コーポレイションによって市販されているイオンクロマトグラフィーシステムから成っており、これは、分析ポンプＧＰ５０（１２８）と、溶離液発生器モジュール（１３０）と、注入ループ（１５８）又は同一場所（図示せず）のところに設けられた濃縮装置カラムを備えた注入弁（１３２）と、カリフォルニア州サニーベール所在のダイオネックス・コーポレイションから商品名ＩｏｎＰａｃで市販されている分析カラム（１４６）と、商品名ＳＲＳで市販されているサプレッサと、導電率セル（１４８）と、導電率検出器（図示せず）と、本発明の膜濃縮装置（１１８）とを有し、この膜濃縮装置は、好ましい親水性膜（１８）と、カリフォルニア州サニーベール所在のダイオネックス・コーポレイションによって市販されている熱的コンパートメント、例えばＬＣ３０又は発熱手段（１３４）と、ガス源（１２６）と、サンプル源（１３６）と、再生剤源（１３８）とを有する。サンプルと再生剤の両方は、代表的には、カリフォルニア州サニーベール所在のダイオネックス・コーポレイションによって市販されている形式のオートサンプラモジュールＡＳから供給されるのが良い。
【００９２】
動作原理を説明すると、導管１４０を用いてサンプルを膜１８中に圧送し、蒸発後、蒸発したサンプルを導管１４２により注入弁１３２に差し向ける。サンプルを注入弁１３２内のサンプル注入ループ１５８に装填する。過剰サンプルを廃棄場所１４４に差し向ける。ＩＣシステムの側では、サンプル装填ステップ中、ポンプは、ＤＩ水を溶離液発生システム１３０中に圧送し、生じた溶離液を注入ループによりクロマトグラフィーカラム１４６内に差し向け、次に、溶離液をサプレッサ１１２内に差し向け、ここで溶離液を抑制し、抑制した溶離液を検出のために導電率セル１４８内に差し向ける。セル溶離液を導管１５０により、サプレッサ再生剤（水）を供給するサプレッサ再生剤チャネル中に送り戻し、次に、サプレッサからの廃棄物を廃棄物場所に送り戻し又は導管１５２により、ＥＧ脱ガスモジュール（図示せず）のための再生剤流れを供給するＥＧＣモジュールに差し向ける。注入ステップ中、溶離液をサンプル注入ループ１５８内に差し向け、これは、蒸発したサンプルに取って代わり、サンプルは、分析のためにクロマトグラフィーカラムに送られる。分離したサンプル成分を導電率セル（１４８）により検出する。
【００９３】
ガス源１２６は、加圧ガスを膜ガスフローチャネルに与える。ガスは、ガスフローチャネル内で加熱される。というのは、チャネル全体が外部から加熱されるからである。イオン交換膜を膜１８のために用いる場合、陽イオン交換膜は、陰イオン分析中、サンプルからの陽イオンで汚染状態になる場合があり、本発明によれば、蒸発機能は、陽イオン形態への膜のこの変換によって影響を受ける。本発明は、酸再生剤１３８をバッチモードで陽イオン交換膜中に圧送する再生ステップを実施することによりこの問題を解決する。サンプル流れを中断し、再生剤酸が導管１４０を通り、膜１８の内部チャネルを通って流れ、次に、導管１４２を通って廃棄物場所１４４に送られる。酸は、膜１８をヒドロニウム形態に変換し、それにより本発明に従って蒸発を容易にする。再生が達成された後、ライン１４０から膜１８の内部、導管１４２及び廃棄物場所までＤＩ水ですすぎ洗いされ、残留酸再生剤が除去される。セットアップは、今や、次のサンプルを濃縮するのに適している。サンプルが高レベルの陽イオンを含んでいる状態で、濃縮ステップの実施の度の後に再生が推奨される。陰イオンの分析の際、比較的低レベルの陽イオンの場合、数回の濃縮ステップ後に再生ステップが実施されるべきである。幾つかのサンプル、例えば超純水サンプルの場合、数百回の濃縮ステップ後に再生が必要であろう。非イオン交換に基づく親水性膜の場合、かかる再生は不要である。
【００９４】
「実施例７」
本発明の別の実施形態が図１７に示されている。動作原理及び機器構成に関し、この実施形態は、ポリッシャカラム又はサプレッサ１５６がイオン交換膜１８と相互作用するイオンを除去するために用いられる点を除き、実施例６と同じである。例えば、陰イオン分析の際、陽イオンは、陽イオン交換膜と相互作用する傾向があり、これら陽イオンは、陽イオン交換物質を有する陽イオンポリッシャカラム１５６を用いて除去できる。陽イオンポリッシャカラム１５６に代えてダイオネックス・コーポレイションからＡＳＲＳ又はＡＭＭＳとして市販されている標準型サプレッサを用いても良いことは注目されるべきである。陽イオンポリッシャカラム１５６は、寿命が制限されており、定期的に交換され又は定期的に再生される必要がある。陽イオンを陰イオンサンプルから除去することにより、膜１８は、常時ヒドロニウム形態にあり、それにより、蒸発及び濃縮機能が維持される。非イオン交換利用型親水性膜の場合、かかる再生は不要である。
【００９５】
「実施例８」
別の実施形態が図１８に示されている。この実施例の大抵のコンポーネントは、再生剤１３８がバッチモードで膜１８の外部を流れ、それにより膜を再生する点を除き実施例６とほぼ同じである。ガス流は、再生ステップ中、ターンオフされる必要がある。再生頻度は、実施例６で説明したサンプルで決まる。非イオン交換利用型親水性膜の場合、かかる再生は不要である。
【００９６】
「実施例９」
本発明の別の実施形態が図１９に示されている。セットアップ及び機能は、ガス流が再生剤と混合され、膜１８の再生のために蒸発装置１１８中に圧送される点を除き、実施例８とほぼ同じである。ガスと再生剤の混合物は、膜１８を再生する目的上、均質である必要はない。非イオン交換利用型親水性膜の場合、かかる再生は不要である。
【００９７】
「実施例１０」
本発明の別の実施形態が図２０に示されている。この実施形態では、膜濃縮は、事後分離セットアップで用いられる。図を参照すると、サンプル１３８は、ポリッシャカラム又はサプレッサ１５６中に圧送され、次に、導管１４２を経てサンプル注入ループ１５８に送られ、次に廃棄物場所１４４に差し向けられる。ポンプ１２８は、ＤＩ水を溶離液発生器モジュール内に圧送し、生じた溶離液は、注入弁を経てカラム１４６に送られ、ここで、サンプル成分の陰イオン又は陽イオンが分離される。次に、溶離液は、サプレッサを通って送られて溶離液が抑制され、次に、膜濃縮装置１１８中に送られる。濃縮されたサンプルは、検出器セル１４８で検出される。セル流出液は、導管１５０によりサプレッサを再生するためのサプレッサ再生チャネルに送られる。サプレッサ廃棄物は、導管１５２を経て廃棄物場所に送られ又は脱ガスモジュール（図示せず）に戻され、次に、廃棄物場所に差し向けられる。この実施形態では、膜１８がイオン交換膜である場合、イオン交換膜１８と相互作用するイオンは、本発明により注入前に除去される。膜１８が非イオン交換親水性膜である場合、カラム１５６は、このセットアップから除かれる。というのは、イオンは、この膜とは反応することができないからである。
【００９８】
「実施例１１」
本発明の別の実施形態が図２１に示されている。この実施形態は、膜と相互作用するイオンを除去するのにサンプルを処理しないという点において上述の実施形態１０とほぼ同じである。上述したような化学的再生剤を用いて膜１８の再生を行う。この再生は、ガスの流れを停止させ、次にガスの流れに代えて再生剤の流れを用いることによりバッチモードで達成できる。また、ガスと再生剤の混合物を実施例９で説明したように用いることができる。非イオン交換利用型親水性膜の場合、かかる再生は不要である。
【００９９】
「実施例１２」
本発明の更に別の実施形態が図２２に示されている。この実施例は、再生剤流１３６を二方弁１６０を経て圧送することにより再生を達成する点を除き上述の実施形態１１とほぼ同じである。弁の一方の位置では、弁は、膜１８の再生を可能にし、別の位置では、弁は、膜濃縮装置１１８への再生剤の流れを停止させる。再生時間中、分析は、終了しなければならず、サプレッサからの流れは、廃棄物場所（図示せず）に差し向けられる。
【０１００】
〔参考文献〕
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１０）ダスグプタ，ピー・ケー（Dasgupta, P. K.），「アナリティカル・ケミストリー（Anal. Chem.）」，１９８４年，第５６巻，ｐ．１０３〜１０５
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【図１】
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【図２】
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【図３Ａ−３Ｃ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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