(57)【要約】  ＨＰＬＣシステムの動作流路における液体のナノ規模の流速をモニタし制御するための方法および装置は、ＨＰＬＣで一般的に使用される、溶剤組成勾配を相殺する複雑な較正ルーチンに依存することなく流体流量を与える。その装置および方法の使用が、一般的なアナリティカルスケール（０．１〜５ｍＬ／ｍｉｎ）のＨＰＬＣポンプの流量出力を修正して細管（＜０．１ｍＬ／ｍｉｎ）およびナノ規模（＜１μＬ／ｍｉｎ）のＨＰＬＣ流速での精密で正確な流量流出を可能にする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のポンプであって、第１のポンプからの液体の第１の部分を第１の熱ベースの流量センサに搬送する第１の流路に流体連通しており、前記第１の熱ベースの流量センサが流体Ｔ字部に流体連通しており、前記第１の熱ベースの流量センサが動作可能に前記第１の流路に配設され、第１の信号を生成するように構成されている、第１のポンプと、
第２のポンプであって、第２のポンプからの液体の第２の部分を第２の熱ベースの流量センサに搬送する第２の流路に流体連通しており、前記第２の熱ベースの流量センサが前記流体Ｔ字部に流体連通しており、前記第２の熱ベースの流量センサが動作可能に前記第２の流路に配設され、第２の信号を生成するように構成されている、第２のポンプと、
前記第１および第２の信号で各流路内の流速を制御するための手段とを備える、
細管システムにおいて液体を送出するための装置。
【請求項２】
第１のポンプが第１の流量源を備え、第２のポンプが第２の流量源を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
第１の流量源がピストンを備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
第１の流量源が、ピストンの速度およびピストンの表面積に応じて特定の流速を提供するように構成されている、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
第１のポンプであって、前記第１のポンプからの液体の第１の部分を第１のセンサへ搬送する第１の流路に流体連通しており、前記第１のセンサが流体Ｔ字部に流体連通しており、前記第１のセンサが動作可能に前記第１の流路に配設され、第１の信号を生成するように構成されている、第１のポンプと、
前記第１の流路に動作可能に配設されている第１の流量制限要素と、
第２のポンプであって、前記第２のポンプからの液体の第２の部分を第２のセンサへ搬送する第２の流路に流体連通しており、前記第２のセンサが前記流体Ｔ字部に流体連通しており、前記第２のセンサが動作可能に前記第２の流路に配設され、第２の信号を生成するように構成されている、第２のポンプと、
前記第２の流路に動作可能に配設されている第２の流量制限要素と、
前記流体Ｔ字部と流体連結している第３のセンサと、
第１の流速を生み出す、前記第１のセンサと前記第３のセンサの間の圧力降下を測定するための減算器手段と、
第２の流速を生み出す、前記第２のセンサと前記第３のセンサの間の圧力降下を測定するための減算器手段であって、前記第１の流速および前記第２の流速が前記第１のポンプおよび第２のポンプそれぞれによって送出される流量に比例する減算器手段と、
前記第１および第２の信号で各流路内の流速を制御するための手段とを備える、
細管システムにおいて液体の流速を測定するための装置。
【請求項６】
前記細管システムが、ほぼ１ｎＬ／ｍｉｎからほぼ１００μＬ／ｍｉｎの範囲の流れ流速を有する高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムを備える、請求項１または５に記載の装置。
【請求項７】
前記流量センサが圧力タイプの流量センサを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
前記流量センサが熱ベースの流量センサを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
前記減算器手段が電子減算回路を備える、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
流量を制御するための前記手段が前記減速器手段に反応する、請求項５に記載の装置。
【請求項１１】
制御するための手段が、前記減算器手段より差信号を受け、前記差信号に応じて前記流路における液体流速を調整するように構成されているコントローラを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項１２】
前記センサおよび前記制限要素がさらに恒温ブロック内に収容されている、請求項５に記載の装置。
【請求項１３】
第１の流路において第１のＨＰＬＣポンプと第１のセンサの間の第１の圧力を測定するステップと、
第２の流路において第２のＨＰＬＣポンプと第２のセンサの間の第２の圧力を測定するステップと、
前記第１の圧力および前記第２の圧力を含む流体交差部において第３の圧力を測定するステップと、
前記第１の圧力と前記第３の圧力の間の第１の圧力降下を計算するステップと、
前記第２の圧力と前記第３の圧力の間の第２の圧力降下を計算するステップと、
前記第１の圧力降下と第２の圧力降下の間の差を決定することによって第１および第２のＨＰＬＣポンプのポンプ流速を調整するステップとを備える、
高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムにおいて液体のナノ規模の流速を測定するための方法。
【請求項１４】
前記調整のステップが、前記ＨＰＬＣポンプの出力流速を変更することによって前記流路における液体流量を調整するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記細管システムが、ほぼ５０ｎＬ／ｍｉｎからほぼ１００μＬ／ｍｉｎの範囲の流路流速を有する高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムを備える、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記測定結果が、デルタＰタイプの圧力トランスデューサによるものである、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
第１の流路において第１のＨＰＬＣ流量源ポンプと第１の熱ベースのセンサの間の第１の流速を測定して第１の流量信号を生成するステップと、
第２の流路において第２のＨＰＬＣ流量源ポンプと第２の熱ベースのセンサの間の第２の流速を測定し第２の流速信号を生成するステップと、
第１および第２の流速信号の少なくとも１つに応じて第１および第２のＨＰＬＣ流量源ポンプの少なくとも１つのポンプ出力を調整するステップとを備える、
高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムにおいて液体のナノ規模の流速を送出するための方法。
【請求項１８】
前記調整のステップが、前記ＨＰＬＣポンプの出力流速を変更することによって前記流路において液体流量を調整するステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記細管システムが、ほぼ５０ｎＬ／ｍｉｎからほぼ１００μＬ／ｍｉｎの範囲の流路流速を有する高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムを備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流量感知方法および装置に関し、より具体的には、マイクロ規模または通常規模のクロマトグラフィポンプを使用してナノ規模のクロマトグラフィシステムに安定した流量を送出することを可能にする、アナリティカルスケールの高速液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムの閉ループ流量制御をモニタし、これにフィードバックを与えるために使用される流量感知方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のナノ規模のクロマトグラフィ（＜１μＬ／ｍｉｎ流量）に対する関心が、ＨＰＬＣ機器製作者を促して小さな流速での送出を可能にするポンプの開発を試みさせてきた。あいにく、アナリティカルスケールのクロマトグラフィ（０．１〜５ｍＬ／ｍｉｎ）用に一般的に使用されている定流量開ループのアナリティカルスケールポンプは、〜０．１μＬ／ｍｉｎより上では良い流量源であるがこれより小さな流速では溶剤圧縮ならびにシール、取付け具またはチェックバルブの漏洩に起因する不正確さがその流量の正確さを危うくしており、一般的なアナリティカルスケールのＨＰＬＣポンプ技術はこれら低流速に見合わない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
旧来のプランジャ移動式ポンプシステムは、通常規模およびマイクロ規模の高速液体クロマトグラフィの状況では安定した精密な流量を送出することができた。通常規模のＨＰＬＣは、約０．１〜５．０ｍＬ／ｍｉｎの移動相流速で実行され、マイクロ規模のＨＰＬＣは、約１〜１００μＬ／ｍｉｎの移動相流速で実行されるが、ナノ規模のＨＰＬＣは、５０〜１０００ｎＬ／ｍｉｎ範囲の移動相流速を必要とする。一般的に現状のプランジャ移動式ポンプシステムでは信頼性および精度をもってナノ規模のＨＰＬＣ流速を送出することができない。
【０００４】
ＨＰＬＣシステムでナノ規模の流速を提供するための１方法は、ポンプからの流量の大部分を廃棄流（ｗａｓｔｅ  ｓｔｒｅａｍ）に向かわせ、ポンプ出力のごく一部をＨＰＬＣの動作流（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｓｔｒｅａｍ）に（つまり液体クロマトグラフィのカラムに）向かわせる分流器を使用することである。廃棄流および／または動作流内の分割制限器（ｓｐｌｉｔ  ｒｅｓｔｒｉｃｔｏｒ）がシステムの分割率を制御する。通常規模またはマイクロ規模のＨＰＬＣポンプを分割流モードで使用して動作流内にナノ規模のＨＰＬＣ流速を生成することができる。
【０００５】
あいにくＨＰＬＣシステムを分割流モードで動作させるためには、使用者がシステムの分割率を計算しなければならない。分割率を計算するには、使用者は分割制限器およびクロマトグラフシステム（つまり充填されたカラム）両方の透過率を知らなくてはならない。この透過率を使用して通常規模またはマイクロ規模のＨＰＬＣポンプによって与えられなければならない流速を計算し、クロマトグラフシステムを通る所望の流量を生成する。所望の分割率を与えるべき分割制限器の寸法を計算することは可能であるが、分割制限器またはクロマトグラフのカラムの透過率の経時的変化が予測できない分割率の変化を引き起こす。そのような変化が、クロマトグラフのカラムを通して許容できない流量の変化をもたらす。
【０００６】
分割率の変化の問題に対する可能な解決策の１つは、適切な流量センサでクロマトグラフのカラムへの流量をモニタすることである。流体の流速は、制限器を通って流れる液体の圧力を測定することによって決めることができる。粘度が一定であるとすれば、制限器を通って流れる液体の背圧は、液体の流速に直線的に対応する。流速は、圧力トランスデューサを流れと直列に制限器の前後に配置することによって測定される。圧力トランスデューサからの信号は、電気的に減算され増幅されて高度の共通モード雑音除去が達成される。
【０００７】
制限器の透過率は、その透過率が、対象となる流量範囲で測定可能な圧力差信号（ΔＰ）を生成するのに十分な背圧を与えるが、ポンプに対しては著しい背圧を生成しないように選定される。例えば長さ１０ｃｍ、内径２５μｍの細管は、５μＬ／ｍｉｎで流れる水に対してほぼ０．６９ＭＰａ（１平方インチ当たり１００ポンド（ｐｓｉ））の背圧をもたらす。この透過率は、流量測定値を与えるには十分であるが、ポンプには多大の流体負荷を生じさせない。
【０００８】
しかし圧力を測定する流量センサは、測定中の各流体の異なる粘度を相殺するために較正されなければならない。これが、クロマトグラフィの実行過程にわたって流体の構成要素が劇的に変化する液体クロマトグラフィの用途において大きな不都合をもたらす。
【０００９】
流体流を感知するのに使用することができるもう１つの方法は、熱的流量感知である。スイス、チューリッヒのＳｅｎｓｉｒｉｏｎ  ＡＧ社、およびオランダ、ルールロのＢｒｏｎｋｈｏｒｓｔ  Ｎｉｊｖｅｒｈｅｉｄｓｓｔｒａａｔ社を含むいくつかの企業が、ｎＬ／ｍｉｎ範囲の流量をモニタすることができる熱的流量センサを開発してきている。
【００１０】
これら熱的流量センサの動作で、液体が詰まった管／管路に伝わった熱は、上流および下流方向へ（つまりそれぞれ熱伝導または拡散により）伝播する。流量を感知する装置の管は、熱伝導率が低い材料（つまりガラス、樹脂）でできている。流量がゼロの状態で、管内の流体のある個別部分が連続して熱せられると温度プロファイルが成長する。この温度プロファイルの形状は、流体に加えられた熱の量ならびに液体の上流および下流の温度に依存する。流量がゼロの状態で上流および下流の流体温度が同一であるものとすると、両方向での熱拡散は等しいから第１および第２のセンサが測定する液体の温度は等しくなる。
【００１１】
管内の液体が流れることができるようになると、第１および第２のセンサでの流体温度は、液体流束の速度および結果として生ずる熱伝達に依存する。液体が加熱された領域を通過し始めるにしたがって温度プロファイルが成長する。熱の対称的な拡散に加え、非対称的な加熱流体の伝達が流体の流れ方向で発生する。したがって流れている状態で、第１および第２のセンサで測定される流体温度は異なっている。
【００１２】
第１および第２のセンサでなされた温度測定値は、高度の共通モード雑音除去を提供するためにそのまま電気的にサンプルされ、減算され、かつ増幅される。これが上流と下流の極めて小さな温度差の識別を可能にする。温度測定用プローブ（つまり第１および第２のセンサ）を適切に配置することによりおよび／または流動液体に加えられる熱の量を変えることにより、温度プロファイルに沿った変曲点で温度測定を行うことができる。変曲点での測定が流量変化に対する上流／下流のΔＴ応答を最大にする。
【００１３】
測定する各流体の異なる粘度を相殺するために較正されなければならない圧力測定流量センサと同様に、熱ベースの流量センサもこのような較正を必要とする。これが時としてクロマトグラフィの実行過程にわたって流体の構成要素が劇的に変化する液体クロマトグラフィの用途において不都合をもたらす。
【００１４】
ナノ規模のＬＣによって必要とされる低流速を生成するための、ポンプに対するその他の解決策には単行程シリンジポンプなどがある。このポンプの送出容量は固定されている。その結果ランタイムがポンプのストロークの長さによって制限されることもある。ポンプを再充填するために各動作の間で時間が必要である。この再充填サイクルの最中、クロマトグラフィシステムは減圧しなければならず、次いで再加圧して次の動作を開始させる。減圧／再加圧のサイクルを繰り返すと、あいにくクロマトグラフのカラムに悪影響を及ぼす。
【００１５】
さらにナノ規模のＬＣシステムは質量分析計に結合されることがしばしばである。ＬＣに結合された質量分析計で一般的に使用される電気スプレイインターフェースは、流れが一定のときに最も安定である。前記のような、シリンジタイプのポンプの再充填サイクル中に存在する停止／流れの状態は、質量分析計の電気スプレイインターフェースを不安定にすることもある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明のいくつかの実施形態にはＨＰＬＣで一般的に使用される、溶剤組成勾配を相殺するための複雑な較正ルーチンに依存することなく、ＨＰＬＣシステムの動作流路における流体のナノ規模の流速をモニタし制御するための方法および装置などがある。本発明のこれらいくつかの実施形態によれば、一装置および方法を使用して一般的なアナリティカルスケール（０．１〜５ｍＬ／ｍｉｎ）ＨＰＬＣポンプの流量出力を修正し、細管（＜０．１ｍＬ／ｍｉｎ）およびナノ規模（＜１μＬ／ｍｉｎ）のＨＰＬＣ流速で精密かつ正確な流量を送り出すことを可能にする。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、使用されているアナリティカルスケールの定流量源ＨＰＬＣポンプは、市販のポンプを改変したものである。この市販のポンプは、低流量の送出を可能にするために軽度のハードウェアおよび／またはファームウェアの変更をした上で後付けされる。一般的にアナリティカルスケールのＨＰＬＣポンプにはステップモータで駆動されるリニアアクチュエータが使用される。ポンプの構成に応じ、低流量の送出を可能にするために求められる変更には、ポンプ駆動機構の伝動装置を改変してより高いインクリメント形のドライブ分解能を提供することなどがある。本発明の一実施形態によれば、ファームウェア／ステップモータ駆動電子装置を変更してステップモータ駆動のマイクロステップ分解能を増加させることが企図されている。例えばマイクロステップ分解能を１０μステップから１００μステップに増やすことによるポンプのファームウェアへの軽度の変更が低流量動作を可能にすることが考えられる。
【００１８】
第１の例示的実施形態ではインラインセンサとしてデルタＰタイプの流量計が本発明の装置に使用されている。動作経路内の第１のポンプからの流体流は、最初のインライン圧力トランスデューサを通って、また制限要素を通って流れ、第２のインラインセンサおよび制限要素を有する第２の動作経路内の第２のポンプからの流体流と流体交差部（ｆｌｕｉｄｉｃ  ｃｒｏｓｓ）で混合される。この流体交差部での圧力は流体交差部圧力トランスデューサによって測定される。本発明によれば、第１および第２のインライン流量センサと流体交差部での圧力との間で測定される圧力降下は、それぞれ第１のポンプおよび第２のポンプによって得られる流量に比例する。デルタＰ流量センサは、各流路に対して圧力トランスデューサを２つ必要とするのが一般的であるが、本発明による流体交差部圧力トランスデューサの配置が、それぞれの流路各々でその流体交差部トランスデューサの使用を可能にしている。流体交差部で共通の流体交差部トランスデューサを使用すれば圧力トランスデューサが４つ必要ではなくなる。
【００１９】
本発明のもう１つの例示的実施形態では、細管システムにおいて液体を送出するための装置は、２つの流量源ポンプおよび２つの関連するサーマルセンサを含む。本発明の利点には、一般的なアナリティカルスケール（０．１〜５ｍＬ／ｍｉｎ）のＨＰＬＣポンプの流量出力を修正し、細管（＜０．１ｍＬ／ｍｉｎ）およびナノ規模（＜１μＬ／ｍｉｎ）ＨＰＬＣの流速で精密かつ正確な流量の送出を可能にすることなどがある。本発明では、既存のポンプの後付けおよびポンプ技術の再使用が可能でありコストおよび供給面で有利である。
【００２０】
本発明の装置および方法のさらなる利点は、本発明による流量修正装置と共に既存のポンプ技術を再使用することに対する著しい利点が存在することである。これら利点には、開発、販売およびサービストレーニングならびに在庫管理に関連するコストの削減などがある。さらに本発明によって従来型の定流量ＨＰＬＣポンプが理想的に使用できるようになる。
【００２１】
本発明の装置および方法のさらなる利点は、定流量ポンプを使用しているので、知られている流速をセンサに与えてその応答を決定することにより流量センサの較正を簡単に遂行することができることである。本発明によるこの較正ルーチンは、ポンプの漏洩および溶剤の圧縮性が問題にならず、開ループで安定した流量送出を得ることが期待できる比較的低い圧力で実施することができる。定流量ポンプにより既知の流速が送出されるので、この送出された流量と流量センサで測定された流量の差を使用してポンプの漏洩の診断をすることができる。本発明によりインテリジェンスを実行して流量差をポンプサイクルに関連付け、何処で漏洩が起こっているか特定することができる。有利なことにこのレベルの診断は、ポンプの故障を修理するためだけでなく、ポンプの故障を防止するための早期診断およびそれに基づく修正処置に対しても非常に有益である。
【００２２】
本発明の方法および装置のさらなる利点は一般的な定流量ＨＰＬＣ流量源を使用した連続流運転が可能であることである。停止／流れの状態がもたらすすべての制約を回避することができ有利である。
【００２３】
本発明の前記およびその他の特徴ならびにその利点は、以下の例示的実施形態に対する詳細説明を添付図面と併せ読めばより深く理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明の詳細な実施形態を本明細書に開示するが、ここに開示する実施形態は単に本発明の例示であるにすぎず、様々な形態に具象化できることを理解されたい。したがって本明細書に開示する特定の機能に関する詳細は、制限的であると解釈するべきではなく、単に特許請求の範囲に対する根拠として、ならびに当業者を教育して本発明を適切に詳細化されたほとんどすべての実施形態で様々に使用するための代表的な根拠として解釈するべきである。
【００２５】
本発明のいくつかの実施形態は、１つまたは複数の流量源を含む。本明細書では、「流量源」とは、単位時間当たりの体積に関連した流速を有する流体を提供する源であると理解される。例えば流量源の一タイプには単位時間当たりある体積の流体を移動させるピストンもある。例えばピストンの線速度を制御することおよびピストンが円形の断面を有している場合にはピストンの直径を選択することにより、ある特定の、単位時間当たりの体積の量が決められる。したがって、例えばピストンの速度に面積をかけると体積流速が決まる。この流速は、例えば電気回路で単位時間当たりある電荷量を提供する電流源に類似である。
【００２６】
流量源は、レギュレータ付の気圧による空気源のような圧力源とは別である。圧力源は、電気回路の、例えば電圧と類似である。圧力（アナロジでは電圧）は、流体制限（アナロジでは抵抗）にかけられたとき特定の流速（アナロジでは電流）を引き起こす。したがって流量源が単独で流速を決定する能力を有するのに反して、一般的に圧力源は単独で流速を決定しない。むしろ圧力源は、流量制限要素のような流路のその他の１つまたは複数の構成部品と連携して動作して流路を通る流速を決定する。
【００２７】
図１に本発明による閉ループシステム１００の略図が示されている。第１のポンプ１０２および第２のポンプ１０４は、例えばアナリティカルスケールの定流量源ＨＰＬＣポンプのような流量源ポンプである。これらのアナリティカルスケールの定流量源ポンプは、市販のポンプのような任意の適切なポンプ（例えば米国マサチューセッツ州ミルフォードのＷａｔｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＷＡＴＥＲＳ（登録商標）５１５，１５２５ｕおよびアクイティ（Ａｃｑｕｉｔｙ）ポンプ等）である。第１のポンプ１０２および第２のポンプ１０４は、低流量の送出を可能にするために軽度のハードウェアおよび／またはファームウェアの変更を行った上で取り付けられる。一般的にアナリティカルスケールのＨＰＬＣポンプにはステップモータ駆動のリニアアクチュエータが使用される。低流量の送出を可能にするために求められる変更には、ポンプの構成に応じたポンプ駆動機構の伝動装置の改変などがある。ポンプ駆動機構の伝動装置に対するこれらの改変がより高いインクリメント形のドライブ分解能を提供する。ステップモータ駆動のマイクロステップ分解能を増加させるための、ファームウェア／ステップモータ駆動用電子装置に対する変更を使用して低流量送出を可能にすることができることが本発明の範囲内で企図されている。第１の例示的実施形態では、マイクロステップ分解能を約１０μステップから約１００μステップに増やすことによるポンプのファームウェアへの軽度の改変がなされている。このさらに高い分解能が低流量動作を可能にする。
【００２８】
ナノ規模のＬＣに適応した流量を送出するための特別設計のポンプを開発することは可能かもしれないが、上記の流量修正装置と共に既存のポンプ技術を再使用することに対しては著しいコストおよび供給上の利点が存在する。従来型の定流量ＨＰＬＣポンプが本用途に理想的に相応しく有利である。
【００２９】
図１をさらに参照すると、第１のポンプ１０２は、第１のインラインセンサ１０６に流体連通している。第１の例示的実施形態では第１のインラインセンサ１０６は、デルタＰタイプの圧力トランスデューサである。この第１の例示的実施形態で使用されている圧力トランスデューサは、ＤＪモデルのＤＦ  Ｔｈｒｕｆｌｏｗ圧力トランスデューサで、マサチューセッツ州ビレリカのＤＪ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔの製品である。本発明の例示的実施形態によって流量感知を実施するために、マイクロ規模の流量範囲で精密で正確な出力信号を提供する能力のある任意の流量センサを使用できることが本発明の範囲内で企図されている。具体的には、例えばオランダ、ルールロのＢｒｏｎｋｈｏｒｓｔ  Ｈｉｇｈ  Ｔｅｃｈ  Ｂ．Ｖ社およびスイス、チューリッヒのＳｅｎｓｉｒｉｏｎ  ＡＧ社から入手可能な熱ベースの流量センサを含む（ただしこれに制限されない）、その他のタイプの流量センサを使用できることが本発明の範囲内で企図されている。
【００３０】
図１に示すように、第１の動作経路１０１において第１のポンプ１０２からの流れは第１のインラインセンサ１０６と流体連通している。第１のインラインセンサ１０６は第１の制限要素１０８と流体連通している。第１の制限要素１０８は流体交差部１１０と流体連通している。第２の動作経路１０３において第２のポンプ１０４は第２のインラインセンサ１１２と流体連通している。第１の例示的実施形態で第２のインラインセンサ１１２は圧力トランスデューサである。第２のインラインセンサ１１２は第２の制限要素１１４と流体連通している。第２の制限要素１１４は流体交差部１１０と流体連通している。流体交差部１１０での圧力は流体交差部センサ１１６によって測定される。第１の例示的実施形態で流体交差部センサ１１６は圧力トランスデューサである。
【００３１】
運転動作中、第１のインラインセンサ１０６と流体交差部センサ１１６の間、ならびに第２のインラインセンサ１１２と流体交差部センサ１１６の間の圧力降下の測定値は、それぞれ第１のポンプ１０２および第２のポンプ１０４によって送出される流量に比例する。
【００３２】
デルタＰ流量センサは、一般に各流路に対して２つの圧力トランスデューサを必要とするが、３つのセンサ１０６、１１２、１１６（第１の例示的実施形態では圧力トランスデューサである）を有する本発明の構成では、流体交差部センサ１１６を動作経路１０１、１０３の両方で使用することが可能である。本発明によるこの構成で、圧力トランスデューサが４つ必要ではなくなる。しかし各動作経路１０１、１０３は、圧力トランスデューサであるセンサを２つ有することができることが本発明の範囲内で企図されている。さらに各動作経路１０１、１０３は、第１および第２の流量信号を生成する流量センサを１つだけ有することができることが本発明の範囲内で企図されている。
【００３３】
運転動作中システムコントローラ１２０は、予め得られている較正定数を使用してセンサ１０６、１１２および１１６によって測定された圧力を解釈し、第１のポンプ１０２および第２のポンプ１０４によって送出されている流速を計算する。システムコントローラ１２０は、ポンプ１０２、１０４によって送出される流速を測定された流速と目標値流速との差に合わせて修正する。本発明の方法を用いることによって溶剤の圧縮性、ポンプまたはシステムの漏洩がもたらす流量の不正確さが修正される。
【００３４】
本発明の第１の例示的実施形態では、センサ１０６、１１２および１１６からの出力を使用して動作経路１０１、１０３それぞれにおける流速を制御する。本発明の第１の実施形態を図示する図１では、動作経路１０１、１０３における流速は、インラインセンサ１０６、１１２の圧力と流体交差部センサ１１６の圧力との差である圧力降下を計算し、それに比例して第１のポンプ１０２および第２のポンプ１０４の流速を調整することによって制御される。当業者ならばセンサ１０６、１１２、１１６の出力とポンプ１０２、１０４の入力の間に追加の制御回路（図示せず）が必要になることもあることを理解されよう。例えば追加の制御回路を実装して出力信号を調整し、使用される特定のポンプへの適正な制御入力として用いることもある。当業者に良く知られたいくつかの方法により例えばバッファ、インバータ、増幅器および／またはマイクロコントローラのような回路部品を使用して制御回路を実装することができる。
【００３５】
本発明の第１の例示的実施形態では、コントローラ１２０はマイクロコントローラまたはマイクロプロセッサであり、圧力トランスデューサの出力部とポンプ１０２、１０４それぞれの制御入力部の間に実装されている。コントローラ１２０は、例えばポンプ１０２、１０４の流速を、それぞれの流速を保持するのに適切なセッティングに調整し、選定された傾斜成分（ｇｒａｄｉｅｎｔ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）を生成するようにプログラムし、構成することができる。
【００３６】
デルタＰタイプの圧力トランスデューサを流量センサとして使用するとき、３つのセンサ１０６、１１２、１１６の差を使用して精密な流量測定値を得るためには各センサ１０６、１１２、１１６のゼロ点を一定に保つことが好ましい。歪ゲージ圧力トランスデューサでは、ゼロ点ドリフトの一般的な原因はトランスデューサの温度変動である。歪ゲージ圧力トランスデューサは歪要素の抵抗変化を測定して圧力を決定する。歪要素の抵抗は温度でも変化する。センサ１０６、１１２、１１６として使用されている３つの圧力トランスデューサの内の１つまたは複数のセンサのゼロ点が、温度の変動により変化する場合、流速を測定するために使用される差の演算が不正確になる。一貫性および再現性のある結果を得るために、第１の例示的実施形態においてセンサ１０６、１１２、１１６として使用されている３つの圧力センサを第１の恒温ブロック１２２内に収納することもある。さらにセンサ１０６、１１２、１１６と共に使用されている制限要素１０８、１１４も第２の恒温ブロック１２４内に保持されることもある。制限要素１０８、１１４の温度は、およそこれらが較正された温度に保持されなくてはならない。制限要素１０８、１１４の温度が変化すると、温度が引き起こす制限要素１０８、１１４内の流体の粘度変化が、制限要素１０８、１１４両端の圧力差を変化させるので誤った流量測定値がもたらされる。センサ１０６、１１２、１１６および制限要素１０８、１１４は、恒温に保持することができるが、これらを同じ温度に保持する必要はない。
【００３７】
本発明の流量修正装置で使用されている流量センサは、システム内で使用される各溶剤に対して較正する必要がある。市販の熱的流量センサは、測定する流体の熱容量に依存した異なる応答を有する。デルタＰタイプの流量センサは溶剤の粘度に敏感である。一定流量のポンプを使用しているので、これら流量センサの較正は、センサに知られている流速を与えてその応答を決定することにより簡単に果すことができる。この較正ルーチンは、ポンプの漏洩および溶剤の圧縮性が問題にならず、開ループで安定した流量を得ることが期待できる比較的低い圧力で実施することができる。
【００３８】
定流量ポンプにより既知の流速が送出されるので、この送出された流量と流量センサで測定された流量の差を使用してポンプの漏洩の診断をすることができる。流量コントローラ１２０でシステムインテリジェンスを実行して流量差をポンプサイクルに関連付け、何処で漏洩が起こっているか特定することができることが本発明の範囲内で企図されている。一般的な２プランジャのレシプロ式または直列式流量送出ポンプでは、流量差を漏洩に関与しているシールまたはチェックバルブに関連付けることができる。本発明によってこのようなシステムインテリジェンスにより可能になるこのレベルの診断は、ポンプの故障を修理するために有益であり、出費のかさむ、ポンプの故障を防止するための早期診断およびそれに基づく修正処置を可能にする。
【００３９】
ナノ規模のＨＰＬＣによって必要とされる低流速を生成するための、ポンプに対するその他の解決策には単行程シリンジポンプなどがある。このポンプの送出容量は固定されている。その結果ランタイムがポンプのストロークの長さによって制限されることもある。ポンプを再充填するために各動作間で時間が必要である。この再充填サイクルの最中、クロマトグラフィシステムは減圧しなければならず、次いで再加圧して次の動作を開始させる。減圧／再加圧のサイクルを繰り返すと、クロマトグラフのカラムに悪影響を及ぼすこともある。ナノ規模のＬＣシステムは質量分析計に結合されることがしばしばである。ＬＣに結合された質量分析計で使用される電気スプレイインターフェースは、流れが一定のときに最も安定である。シリンジタイプのポンプの再充填サイクル中に存在する停止／流れの状態は、質量分析計の電気スプレイインターフェースを不安定にすることもある。本明細書に説明する本発明の装置および方法を使用すれば、定流量ＨＰＬＣ流量源を用いた連続流動作が可能である。したがって停止／流れの状態からもたらされるすべての制約を回避することが可能である。
【００４０】
アナリティカル規模の連続流ＨＰＬＣポンプを使用することにより、溶剤の切換えが必要なとき高い流速を使用してシステムの初期化をすることができる。低流量に限定されたポンプを使用するナノ流量システではこの初期化動作は、著しい量の時間がかかることもある。
【００４１】
本明細書では、特定の圧力タイプ、デルタＰ、流量センサまたは熱ベースの流量センサの点から見てセンサを説明しているが、当業者ならば任意の数のさまざまな流量センサタイプが、本発明の精神および範囲から逸脱することなくその代用になることを理解されよう。例えば本発明によりいくつかのタイプの市販のセンサまたは同等物をインライン流量センサとして使用することができる。同様に圧力タイプのセンサ以外のセンサを使用する実施形態では、各流路が、単数の流量センサを含みそのそれぞれのポンプまたは圧力源の出力を制御することもある。
【００４２】
本明細書では、流量感知制限器と流体連通していることとして流量センサを説明しているが、当業者ならば本明細書に説明するセンサが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく流量感知制限器を伴わずに使用されることもあることを理解されたい。
【００４３】
本発明のもう１つの例示的実施形態では、システムは、図１を参照して説明した実施形態よりも少ない構成部品を任意選択で含む。この代替システムは、流量源ポンプを２台および関連するサーマルセンサを２つ含む。しかし流量制限器および交差部センサはこの代替実施形態には含まれていない。
【００４４】
この代替実施形態は、いくつかの潜在的な利点を有する。例えば圧力タイプのセンサに起因して折々に発生する寄生的な損失が回避される。
【００４５】
本明細書では本発明の様々な実施形態を、様々なセンサ部品からの圧力を比較するための別々の回路部品に関連して説明しているが、当業者ならば本発明により単一の回路部品を実装して多重比較機能を実施することができることを理解されたい。例えば複数の測定用入力ポートおよび制御用出力ポートを有する単一のマイクロコントローラを使用して第１の圧力降下および第２の圧力降下信号を受けかつ処理し、所望の流路流速を計算し、第１および第２のポンプへ通信するための出力信号を生成することができる。例えばこれらの機能を遂行し、ポンプの機能を組み込むためにデジタルまたはアナログ動作による特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を本発明の精神および範囲から逸脱することなく設計することもできる。
【００４６】
本明細書では、ポンプを制御することによってそれぞれの動作経路における流速を制御する本発明の実施形態が説明されているが、当業者ならばこれら様々の制御要素が本発明によって様々な組合せでも実装できることを理解されたい。
【００４７】
本発明の様々な実施形態が、ＨＰＬＣシステムにおけるナノ規模の流速測定に使用する目的で説明されているが、当業者ならば本発明を使用して本発明の精神および範囲から逸脱することなく、いろいろな異なる細管システム、あるいは流体制御および分析システムの測定および制御を行うことができることを理解されたい。
【００４８】
上記に本発明がその例示的実施形態に関して説明されているが、当業者ならば本発明の精神および範囲から逸脱することなく前述および様々なその他の変更、省略および追加がその形の上でおよびその詳細で行うことができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明による、温度を安定化させたデルタＰ流量センサを使用した閉ループ流量制御式２元溶剤送出システムの略図である。
【図１】
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【国際調査報告】
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