(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料容器、収着スターラー、冷却源を含む、液体媒質から分析物を抽出する機器であって、
前記液体媒質が前記試料容器内に置かれ、前記収着スターラーが前記試料容器内に置かれかつ前記液体媒質の液相内に置かれ、前記試料容器が前記冷却源内又は前記冷却源上に置かれており、
機器は、前記収着スターラーの収着物質へと、又は収着物質により、分析物を同時に凍結濃縮及び抽出することによって、超微量成分レベルで分析物を抽出し、
前記収着スターラーは、凍結溶媒上で攪拌を継続する、前記機器。
【請求項２】
前記収着スターラーが、収着物質を有する磁気スターバー又はオーバーヘッドスターラーであり、前記収着スターラーが、化学的に不活性のコーティング、ジャケット、又は層を含んでもよい、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記収着スターラーが、収着磁気スターバーであり、機器が、前記試料容器の周囲を回転する磁場を生成する電磁場発生装置の磁気撹拌プレート、回転する磁気U型ブラケット、又は回転する磁気ドーナツ型構成部をさらに含む、請求項１に記載の機器。
【請求項４】
ホルダーに接続されたステッピングモーターをさらに含み、前記容器が前記ホルダーにより保持される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の機器。
【請求項５】
前記ステッピングモーターが、前記液体媒質の凍結を促進するために、前記液体媒質を含有する前記容器を冷却源中に降下させる、請求項４に記載の機器。
【請求項６】
1つ以上の機器変数を測定する少なくとも1つの測定デバイスをさらに含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の機器。
【請求項７】
前記測定デバイスが、温度、磁場、分析物の分光学的挙動、試料容器移動速度、撹拌速度、又はそれらの組合せから選択される機器変数を測定する、請求項６に記載の機器。
【請求項８】
ユーザー又はシステムにより選択された分析物に従って超微量成分分析を実施するために前記機器を操作するための制御ソフトウェアをさらに含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の機器。
【請求項９】
前記制御ソフトウェアが、温度、試料容器移動速度、スターバーの速度、磁場強度及び/又は位置、分光学的パラメーター、並びに/あるいはそれらの組合せから選択される機器変数を決定する、請求項８に記載の機器。
【請求項１０】
液体媒質から分析物を抽出する方法であって、
収着物質を含む収着スターラーで、試料容器中の分析物を含有する液体媒質を撹拌する工程、及び
液体媒質が凍結し、分析物が濃縮され、収着物質へと吸収されるか、又は収着物質により吸着されるように、液体媒質を撹拌しながら、試料容器を冷却する工程であって、前記吸着スターラーが前記液体媒質の液相内に置かれて凍結溶媒上で攪拌を継続し、前記冷却が冷却源によりなされる前記工程
を含み、前記分析物が超微量成分レベルで抽出される、前記方法。
【請求項１１】
前記収着スターラーが、磁気撹拌プレート、磁気U型ブラケット、ドーナツ型磁石、又は電磁場発生装置により回転させるオーバーヘッドスターラー又は収着磁気スターバーであり、前記収着スターラーが、化学的に不活性のコーティング、ジャケット、又は層を含んでいてもよい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記磁気U型ブラケット又はドーナツ型磁石が、前記冷却源の周囲を回転する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
冷却工程後に収着物質から分析物を抽出する工程をさらに含む、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記撹拌工程が、試料容器を冷却源中に徐々に降下させる工程をさらに含む、請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
方法の変数を測定する工程をさらに含み、その測定工程が、温度、試料容器移動速度、収着スターラーの速度、及びそれらの組合せを測定する、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
制御ソフトウェアを使用して方法を制御する工程をさらに含む、請求項１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１７】
収着物質を含む収着スターラーで、試料容器中の分析物を含有する水を撹拌する工程、及び
水が凍結し、分析物が濃縮され、収着物質へと吸収されるように、水を撹拌しながら、試料容器を冷却する工程であって、前記吸着スターラーが水の液相内に置かれて凍結水上で攪拌を継続する、前記工程
を含み、前記分析物が超微量成分レベルで抽出される、水から分析物を抽出する方法。
【請求項１８】
収着物質から分析物を抽出する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
ガスクロマトグラフィー及び質量分析(GCMS)、昇温脱離GCMS、液体クロマトグラフィー、蛍光光度法、又は分光法のうちの1つ以上を含む分析手法で分析物を同定及び/又は定量する工程をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
ナノグラムからフェムトグラムの量の分析物を定量する工程をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析物の選択的微量成分及び超微量成分分析に関する。特に、この分析は、収着物質へと、又は収着物質により、分析物を同時に凍結濃縮及び抽出することにより達成される。さらに、本発明の方法及び機器は、飲料水中に存在し得る毒性化学物質について超微量成分分析を実施する際に有用であり得る。さらに、本発明の方法及び機器は、高い価値を有する標的化学物質を濃縮及び単離する際に有用であり得る。
【背景技術】
【０００２】
分析化学は、化学物質の同定及び定量の両方に関する。微量成分及び超微量成分分析は、微量に焦点を合わせる。微量成分及び超微量成分分析は、分析化学の多くの領域において重要であり得る。例えば、それは、法医学分析、品質管理、及び毒素の分析において有用であり得る。予備濃縮を含む試料調製は、ほぼすべての分析について重要な工程である。試料調製及び予備濃縮は、高度に洗練された器具とともに、分析物の微量成分及び超微量成分検出が必要なときに、ますます重要になっている。より伝統的な試料調製手法、例えば液液抽出及び単純な溶媒蒸発に加えて、低濃度の分析物の決定において分析者を補助するために、過去数十年間にわたって複数の手法、例えば固相抽出(SPE)、固相微量抽出(SPME)、及びスターバー収着抽出(SBSE)が導入されてきた。これら手法との各分析物の適合性は個別に評価しなければならない一方で、これらの試料調製手法は、一般に、検出限界の減少、分析時間の減少、及び有機溶媒使用の減少をもたらす。10億分率(ppb、μg/L)及び高い1兆分率(ppt、ng/L)の範囲での分析について、現在の試料調製手法が優れているとはいえ、超微量成分分析を、分析化学者が困難な試料調製及び/極めて洗練された高価な器具なしに達成するのは、依然として非常に難しい。いくつかの場合において、最も感度の高い器具であっても、所望の濃度での目的の化合物の分析は、大量の試料(例えば、500mL超)を濃縮することなしには依然として可能でないことがある。したがって、目的の超微量成分濃度をより容易に決定する能力を有する手法は、分析的試料調製の分野において、基礎的な手法であり得る。さらに、そのような手法は、目的の毒性化合物について、より応用可能な基準が設定されることを可能にし、安全な飲料水の基準を含めたヒトの健康を保証するのに役立つと考えられる。
【０００３】
超微量成分濃度で汚染物質を分析する能力は、安全な飲料水を保証することについて、決定的に重要ではあるが、現在のところ困難な側面がある。EPA最大汚染物質レベル目標(MCLG:Maximum Contaminant Level Goal)は、いくつかの化合物についてゼロだが、最大汚染物質レベル(MCL:Maximum Contaminant Level)と呼ばれる強制力のある汚染物質レベルは、部分的に、利用可能な分析方法で汚染物質のレベルを正確に一貫して測定する実験室の能力に従って設定されている。これは、典型的には、MCLを10億分率又は1リットル当たり1マイクログラムの範囲に制限する。極めて低い濃度で化合物をより容易に分析する能力は、分析化学分野において大きな飛躍であると考えられ、例えば、安全な飲料水の提供の補助を含む、広範な影響を有すると考えられる。本発明は、現在利用可能なものよりもはるかに低い検出限界(LOD)の溶液中の選択化合物の分析を可能にする。本発明がなければ、飲料水試料中のいくつかのクラスの溶質の微量成分及び超微量成分分析を実施すること、そして究極的には安全な飲料水を保証することは、依然として困難であり、望ましくない分析代替策(例えば、高価な器具及び/又は大量の試料の濃縮)を強いられると考えられる。
【０００４】
過去数十年において、多数の試料調製手法が、標的分析物を精製及び予備濃縮し、洗練された器具を使用することにより、分析方法の範囲を低い10億分率、1兆分率、そして1000兆分率までの範囲へと拡張するために導入されてきた。試料調製手法、例えばSPE、SPME、及びSBSEは、分析のための濃度範囲を超微量成分レベルにまで拡張できる。これらの試料調製手法が、いくつかの分析物について有効であり得るとはいえ、それぞれが欠点、例えばなかでも予備濃縮係数の制限を有する。例えば、SBSEは、利用可能な吸着相の数に制限があるため、この手法を使用できる分析物のタイプに制限を有する。さらに、SPEは、典型的には、分析前に乾燥工程を必要とする。
【０００５】
さらに、凍結濃縮(FC)は、分析化学の分野においてほとんど注目されてこなかったとはいえ、溶液から溶質を濃縮するために何十年も使用されてきたのであり、食料品産業において、フルーツジュースの冷凍濃縮物及びアイスビールを作り出すための一般的な用途が見出されてきた。その名称が示唆するとおり、FCは、溶液を凍結することにより溶質を濃縮するための手法である。溶質は、凝固点降下と溶質モル濃度との間の直接的な関係に基づいて濃縮される。溶液をゆっくり凍結させる場合、低溶質濃度を有する溶媒の局所領域がまず凍結し、残りの溶液はより濃縮されている。より高い溶質濃度は溶液の凝固点を低下させるとはいえ、高い溶質濃度が存在するとき、純粋な溶媒を凍結して抜き出すには凍結速度は一般に速すぎる。したがって、溶質が凍結溶媒中へ組み込まれるのに対抗するため、典型的には、FC中、溶液は激しく撹拌される。しかしながら、FCは、濃縮される溶質について区別しない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、特定の化合物を区別できる選択的予備濃縮及び単離の方法及び機器を開発することが、特許請求の範囲に記載の本発明の一目的である。本方法及び機器を、高価値化合物の微量成分及び超微量成分分析又は単離を容易にするために使用できる。
【０００７】
本発明のさらなる一目的は、現在は容易に分析できない毒性化学物質の微量成分及び超微量成分分析を所望の濃度(例えば、最大汚染物質レベル、MCL)で可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、収着物質へと、又はそれにより、分析物を同時に凍結濃縮及び抽出することにより、微量成分及び超微量成分分析を実施するための機器及び方法を提供する。分析物は、収着物質から抽出し、定性分析により同定し、且つ/又は定量分析により定量することができる。好ましい一実施形態において、本発明の機器及び方法を、飲料水のモニタリングに適用できる。
【０００９】
本発明の一利点は、液体媒質中の非常に低い濃度の分析物に適用できる機器及び方法を提供する点である。
【００１０】
複数の実施形態が開示される一方で、本発明の例証的実施形態を示し記述する以下の詳細な説明から、本発明のさらなる他の実施形態が当業者に対し明らかとなるであろう。したがって、図面及び詳細な説明は本質的に例証的なものとみなされるべきであり、限定的なものとみなされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】u型ブラケットを含む本発明の機器を示す図である。
【図２】磁気撹拌プレートを含む本発明の機器を示す図である。
【図３】方法及び方法の経過中に生じる濃縮の異なる段階を示す図である。
【図４Ａ】本発明において分析物が関連する3つの物質相、すなわち液体、固体、及びスターバーが存在することを示す図である。
【図４Ｂ】氷-液体界面近傍の分析物の濃度プロファイルを示す図である。
【図５Ａ】分析物が本発明の方法を受ける際の、分析物の挙動(すなわち、スターバーへと抽出された分析物の割合)を示す図である。
【図５Ｂ】分析物のKSBが増加する際の、スターバーへと抽出された割合を示す図である。
【図５Ｃ】本発明が分析についてSBSEに対して有利であることを示す図である。
【図６Ａ】実施例1中の様々な時点でのメチルバイオレットの濃度を示す写真である図である。
【図６Ｂ】実施例1中の様々な時点でのメチルバイオレットの濃度を示す写真である図である。
【図６Ｃ】実施例1中の様々な時点でのメチルバイオレットの濃度を示す写真である図である。
【図７】本発明の方法を使用することにより両方の化学物質のサインが増強された、ピーク面積に基づく分析の結果を示す図である。
【図８】SBSE及び本発明について比較ピークを示す図である。
【図９】ベンズアルデヒドについて、温度の関数として濃縮係数を示す図である。
【図１０】撹拌速度の増加とともに濃縮係数が減少したことを示す図である。
【図１１】濃度と濃縮係数との間の関係を示す図である。
【図１２】濃縮係数と溶液濃度との間にほとんど又は全く相関がないことを示す図である。
【図１３Ａ】本発明を使用してベンズアルデヒドについて検出レベルを示す図である。
【図１３Ｂ】SBSEを使用してベンズアルデヒドについて検出レベルを示す図である。
【図１４】SBSEについて、より低い定量限界を示す図である。
【図１５Ａ】本発明及びSBSEについてより低い定量限界での濃縮係数を示す図である。
【図１５Ｂ】本発明について、SBSEについてのものと比較して、ベンズアルデヒドのより低い定量限界を示す図である。
【図１６】本発明を使用したベンジルアルコールの分析を、SBSEと比較して示す図である。
【図１７Ａ】本発明を使用してベンジルアルコールの検出限界を示す図である。
【図１７Ｂ】SBSEを使用してベンジルアルコールの検出限界を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の様々な実施形態が、図面を参照して詳細に説明され、同様の参照番号は、複数の図面を通じて同様の部分を表す。様々な実施形態の参照は、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に示される図面は、本発明による様々な実施形態に対する限定ではなく、本発明の例示のために提示される。
【００１３】
本発明は、微量成分及び超微量成分分析のための溶質の選択的濃縮に関する。本発明の方法及び機器は、現存の微量成分及び超微量成分分析に対して多くの利点を有する。例えば、本発明は、現存の試料調製方法に対して、選択された溶質の濃縮係数(すなわち、調製試料中の分析物の濃度の、原液中の濃度に対する比)を増加させる。
【００１４】
本発明の実施形態は、本発明の方法を実施するための特定の機器に限定されず、それらは変化し得るのであり、当業者により理解される。本明細書において使用されるすべての用語は、特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、範囲をいかなる仕方で限定することも意図されていないことが、さらに理解されるべきである。例えば、本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される単数形「a」、「an」及び「the」は、特に内容上明示されない限り、複数の指示対象を含み得る。さらに、すべての単位、接頭辞、及び記号は、そのSI単位系で認められた形態で表示され得る。本明細書内に記載の数値範囲は、範囲を定義する数を含み、定義された範囲の各整数を含む(例えば、1〜5は、1、1.5、2、2.75、3、3.80、4、及び5を含む)。
【００１５】
本発明がより容易に理解されるように、いくつかの用語を最初に定義する。別段定義しない限り、本明細書において使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明の実施形態が関連する技術分野の当業者に一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載のものと類似の、それを修正した、又はそれと同等の多くの方法及び材料を、過度の実験なしに本発明の実施形態の実施において使用でき、好適な材料及び方法は本明細書に記載される。本発明の実施形態の説明及び特許請求の範囲において、下に記載する定義に従って、以下の用語が使用される。
【００１６】
本明細書において使用される「分析物」という用語は、その化学構造が同定及び測定されている物質である。本明細書において使用される「溶質」は、溶媒中に溶解している溶液中の少量の成分である。さらに、分析物を溶質とは互換的に使用できる。
【００１７】
本明細書において使用される「ICELES」という用語は、「抽出撹拌とリンクされた氷濃縮抽出(ice concentration extraction linked with extractive stirring)」の略語であり、本発明の例示的方法を記述するために使用できる。
【００１８】
本明細書において使用される「Ksolid」という用語は、固相と液相との間の有効分配定数を指す。加えて、log Ksolidは、Ksolidのlog値として定義される。
【００１９】
本明細書において使用される「Kow」という用語は、オクタノール-水分配係数、又は化合物のオクタノールへの溶解度の水への溶解度に対する比を指す。Kowが高いほど、化合物はより無極性である。加えて、log Kowは、Kowのlog値として定義される。
【００２０】
本明細書において使用される「KSB」という用語は、スターバーと液相との間の有効分配係数を指す。加えて、log Ksbは、Ksbのlog値として定義される。
【００２１】
本明細書において使用される「ブランク限界(limit of blank)」又は「LOB」は、分析物を含有しないブランク試料の複製物が試験されるときに見出されると予測される最高の見かけ上の分析物濃度である。
【００２２】
本明細書において使用される「検出限界」又は「LOD」という用語は、LOBから信頼性をもって区別される可能性が高く、検出が可能な、最低分析物濃度である。
【００２３】
本明細書において使用される「定量下限(lower limit of quantification)」又は「LLOQ」という用語は、分析物が信頼性をもってのみは検出できないが、バイアス及び不正確性についていくつかの所定の目標が満たされる、最低濃度である。
【００２４】
本明細書において使用される「10億分率」又は「ppb」という用語は、1,000,000,000部当たり1部であり、1.0g/mLの密度の水で1μg/Lに相当する。同様に、本明細書において使用される「1兆分率」又は「ppt」という用語は、1,000,000,000,000当たり1部であり、1.0g/mLの密度の水で1ng/Lに相当する。
【００２５】
本明細書において使用される「重量パーセント」("weight percent," "wt-%," "percent by weight," "% by weight")という用語及びその変化形は、組成物の総重量で割った物質の重量に100を掛けたものとしての、物質の濃度を指す。「パーセント」、「%」等は、「重量パーセント」、「重量%」等と同義であると意図されることが理解される。
【００２６】
本発明の方法、システム、機器、及び組成物は、本発明の構成部及び成分を、本明細書に記載の他の成分とともに含むか、それらから本質的になるか、又はそれらからなり得る。本明細書において使用される「から本質的になる」は、方法、システム、機器及び組成物が、追加の工程、構成部又は成分を、それらの追加の工程、構成部又は成分が特許請求の範囲に記載の方法、システム、機器、及び組成物の基本的で新規な特徴を実質的に変化させない場合にのみ、含み得ることを意味する。
【００２７】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において使用される「構成される(configured)」という用語が、特定のタスクを実施するか、又は特定の構成を採用するよう構築又は構成されたシステム、機器、又は他の構造を記述することにもまた留意すべきである。「構成される」という用語は、他の同様の文言、例えば配置及び構成される(arranged and configured)、構築及び配置される(constructed and arranged)、適用及び構成される(adapted and configured)、適用、構築、製造及び配置される(adapted, constructed, manufactured and arranged)等と互換的に使用できる。
【００２８】
機器
本発明の実施形態は、選択的微量成分及び超微量成分分析のための方法及び機器を含む。本発明による方法及び機器は、微量及び超微量成分レベルでの分析のために試料から分析物を濃縮可能である。本発明は、試料体積を低減しながら微量成分及び超微量成分分析を可能にすることにより、従来の微量成分及び超微量成分分析手法の欠点を克服する。加えて、本発明は、所望の分析物を標的とすることが可能である
【００２９】
微量成分及び超微量成分分析を実施するための機器は、バイアル又は他の好適な容器、収着スターラー、及び冷却源を含み得る。いくつかの態様において、機器は、磁石をさらに含む。いくつかの態様において、機器は、さらに撹拌プレートからなる。いくつかの態様において、機器は、オーバーヘッドスターラーを含み得る。いくつかの態様において、機器は、少なくとも1つの測定デバイスを任意選択で含み得る。いくつかの態様において、機器は、制御システムを任意選択で含み得る。
【００３０】
機器は、分析される試料が置かれる容器を含む。収着スターラーの回転を可能にする、試料を保持するための任意の好適な容器、例えば、これに限定されないが、ビーカー、フラスコ、試験管、又はバイアルを使用できる。容器は、それ自体で、又は任意の好適な支持体、例えば、試験管又はバイアルホルダー、クランプ、ブラケット、又はアームにより支持できる。
【００３１】
本発明の機器及び方法は、収着物質を含む収着スターラーを用いる。分析物は、収着物質へと吸収されるか、又はそれにより吸着される。収着物質は、スターラー上のコーティング、ジャケット、又は層であり得る。いくつかの実施形態において、収着スターラーは、収着物質による分析物の吸着又は収着物質への分析物の吸収に影響しないように、化学的に不活性、又は十分に不活性の層、ジャケット、又はコーティングを有し得る。好ましい化学的に不活性のコーティング、層、又はジャケットは、ガラスである。他の好適な化学的に不活性のコーティング、層、又はジャケットを使用できる。
【００３２】
本発明のいくつかの実施形態において、収着スターラーは、収着ジャケット又は収着層を有する磁気スターバーであり、バイアル内に含有される。いくつかの実施形態において、収着スターラーは、収着ジャケット又は収着層を有するオーバーヘッドスターラーであり、使用できる。好ましくは、収着ジャケット/層を有する磁気スターバーは、収着層がフィッティング又はコーティングされている、密封ガラス容器内に含有される磁気バーである。好ましくは、収着ジャケット/層を有するオーバーヘッドスターラーは、収着物質でコーティング又はフィッティングされた、試料容器内に挿入できるスターロッドを有するオーバーヘッドスターラーであり、結果として収着物質は容器内の試料中に浸漬する。
【００３３】
収着物質は、特定の分析物を標的とするよう選択できる。本発明の一実施形態において、収着物質には、ポリジメチルシロキサン、ポリジメチルシロキサン/エチレングリコールコポリマー、分子インプリントポリマー、イオン交換物質、又は他の一般的な吸着相が含まれるが、これに限定されない。好ましい一実施形態において、収着層は、ポリジメチルシロキサンである。
【００３４】
機器はまた、スターバーを撹拌するための1つ以上の磁石を含む。磁石は、撹拌プレート、各アームに磁石を有するU型ブラケット、又はリング内の両反対側に収納された磁石を有するドーナツ型リングの一部であり得る。さらに、適切な電気回路を通した電流により、磁場を生成できる。U型ブラケットを使用した実施形態において、バイアル及び任意選択で冷却源は、ブラケットアーム間にあってもよく、ブラケットが回転すると、スターバーを回転させる。ドーナツ型リングを使用した実施形態において、バイアルは、リングの穴に収納され、リングが回転すると、スターバーを回転させる。電流により生成される磁場での実施形態において、バイアルは、磁場が容器内のスターバーを回転させるように収納される。
【００３５】
機器は、試料を凍結するために冷却源を含み得る。冷浴が好ましい冷却源である。しかしながら、試料を凍結するために任意の好適な冷却源を使用でき、例えば、ジャケットビーカー(すなわち、冷却剤流を可能にする入口及び出口を有する二重壁ビーカー)、冷却剤、空気冷却システム、熱電デバイス、ヘリウム、又は窒素システムの使用を含む。
【００３６】
本発明のいくつかの実施形態において、容器は、ホルダー内で容器を冷却源、例えば冷浴中に下降させるステッピングモーターと接続されたホルダーにより保持される。ステッピングモーターは、制御システムにより、容器の冷却源中への所定の下降速度を維持するよう指令される。
【００３７】
本発明のいくつかの実施形態において、機器は、少なくとも1つの測定デバイス又は複数の測定デバイスを含み得る。そのような測定デバイスは、システムの1つ以上の変数、例えば温度、速度、pH、及びそれらの組合せを測定するのに好適なものである。そのような測定デバイスは、冷却源、容器、磁場(例えば、強度及び/又は位置)、分析物の分光学的挙動、収着スターラー等を測定できる。例えば、本発明の一実施形態において、温度は、一貫した試料の凍結を保証するため、機器内の様々な点でモニタリングされる。本発明のさらなる態様において、機器は、任意選択の制御装置又はソフトウェアプラットフォームを含む。ソフトウェアプラットフォームは、ユーザー又はシステムが、凍結速度及び温度を、撹拌速度とともに選択できるようにする。結果として、機器の使用は、特定のユーザーにより同定される目的のために様々な分析物を濃縮するための顕著な使用の柔軟性を提供する。例えば、機器の操作のための制御装置又は制御ソフトウェアは、ユーザー又はシステムが、システムの温度及び撹拌速度の両方を選択することを可能にし得る。さらなる一態様において、制御ソフトウェアは、バイアルの降下のタイミング及び濃縮プロセス全体を決定できる。本発明のさらに別の一態様において、制御システムは、上述の測定デバイスを含む。
【００３８】
本発明のいくつかの実施形態において、機器全体又は機器の選択された構成部は、機器及び試料の温度を制御するために、冷却された容器内に含有され得る。
【００３９】
例示的で非限定的な図１に示す本発明の一実施形態によれば、試料及び収着スターラー3を含有する試料容器1は、磁石7に囲まれた冷却源5中に降下させられる。さらに、試料容器は、モーター11により徐々に降下させ得る試料ホルダー9により保持される。
【００４０】
例示的で非限定的な図２に示す本発明の一実施形態によれば、試料及び収着スターラー3を含有する試料容器1は、磁気撹拌プレート7の上に位置する冷却源5、5'中に降下させられる。
【００４１】
方法
分析物の微量成分及び超微量成分分析を実施するか、又は溶媒中の溶質を濃縮するための本発明による方法は、分析のために分析物を提供する工程、分析物を撹拌する工程及び分析物を同時に冷却する工程を含み得る。組成物の同時冷却及び撹拌は、溶媒が凍結し、溶質が濃縮されることを可能にする。本発明によれば、液体媒質中に含有される分析物は、目的の分析物と適合性の収着スターラーとともに容器内に置かれる。収着スターラーは、収着物質を含む。分析物は、収着物質へと吸収されるか、又はそれにより吸着されることができる。いくつかの実施形態において、スターラーを収着物質でコーティングする工程を追加できる。
【００４２】
容器が冷却源中に降下させられるか、あるいは溶媒がその凝固点に到達する際に、溶媒は、容器の底の上で(容器の底に対して)上方向に結晶化し始め、収着スターラーは凍結溶媒上で撹拌を継続する。溶媒が完全に凍結したら、収着スターラーを凍結溶媒の上から除去し、分析手法、例えばガスクロマトグラフィー質量分析(GCMS)、昇温脱離GCMS、液体クロマトグラフィー、蛍光光度法、分光法、又は任意の他の分析手法により分析できる。分析は、収着物質からの分析物の抽出を含み得る。好ましくは、分析物の抽出は、液体溶媒又は気相への抽出であり、結果としてそれは以降の分析に適用でいる。以降の分析手法を選択でき、液相、固相、及び/又は気相中の分析物に適用できる。
【００４３】
例示的で非限定的な図３に示す本発明の一実施形態によれば、方法及び、方法の経過中に生じる濃縮の異なる段階が示される。液相試料13及び収着スターラー3を含有する試料容器1が冷却され、結果として結晶相15が本方法中に形成される。
【００４４】
本発明を実施するのに機序の理解は必要ではなく、本発明は任意の特定の作用機序に限定されない一方で、いくつかの実施形態において、検討されるべき3つの物質相、すなわち液体、固体、及び収着スターラーが、図４Ａに示すとおり存在することが考慮される。分析物(A)のうちの一部は、図４Ａに示すとおり、これらの相のそれぞれと関連づけられる。図４Ｂは、氷-液体界面近傍の分析物の濃度プロファイルを示す。固相内に含有される分析物が、システム内の他の物質相と真に平衡状態にあるわけではないとはいえ、固体及び溶液との間の分析物の分布は、有効分配係数Ksolidにより記述される。本発明によれば、分析的試料調製の目的のための方法の有効性は、抽出された分析物の割合(fextr,SB)により示される。本発明について、抽出された分析物が、収着スターラーから分析される。方程式1は、抽出された分析物の割合を定義する。
【００４５】
【数１】
0006480396.tif 000002
【００４６】
式中、molA,SB、molA,solid、molA,lはそれぞれ、収着スターラー、固体、及び溶液における分析物の量である。任意の相における分析物の濃度を、単位体積(L)当たりの物質(モル)の量として表現できるので、式1は、式2と書くことができる。
【００４７】
【数２】
0006480396.tif 000003
【００４８】
式中、CA,SB、CA,solid、及びCA,lはそれぞれ、収着スターラー、固体、及び溶液における分析物の濃度を表す。VSB、Vsolid、及びVlはそれぞれ、収着スターラー、固体、及び溶液の体積である。分析物の分布が平衡状態にあると推定される場合、式2を式3に単純化できる。
【００４９】
【数３】
0006480396.tif 000004
【００５０】
本発明の方法中、固体の体積(Vsolid)は増加し、液体体積(Vl)は、Vlが無視できるようになるまで減少する。したがって、スターバーへと抽出された分析物の割合を記述する式は、式4となる。
【００５１】
【数４】
0006480396.tif 000005
【００５２】
有効な抽出が生じるにはKSBVSBはKsolidVsolidよりもはるかに大きくなければならず、抽出された分析物の割合は1に近づき、収着スターラーの体積(VSB)は固体体積(Vsolid)と比較して小さいので、本発明による有効な抽出が生じるには、KSBは、Ksolidよりもはるかに大きくなければならない。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態によれば、log KSBは、-0.7から4.0の間、より好ましくは-0.6から3.0の間、最も好ましくは-0.5から2.5の間である。本発明のさらなる一実施形態によれば、溶媒としての水について、Ksolidは、一般に、溶媒、撹拌速度、溶質濃度、及び凍結速度に応じて、およそ0.1〜0.0001(1〜4のpKsolid)である。特定の理論に限定されることを求めないが、溶質濃度が減少するとKsolidが減少するので、およそ0.01のKsolidが、本発明による分析にとって保存的と考えられると思われる。したがって、本発明は、好ましくは少なくとも80%の分析物、より好ましくは少なくとも85%の分析物、より好ましくは少なくとも90%の分析物を、15を超えるKSBを有する分析物について抽出する。比較して、これは、スターバー収着抽出の従来の方法に対する顕著な利点を示す。図５Ａは、分析物が本発明の方法を受ける際の、分析物の挙動(すなわち、収着スターラーへと抽出された分析物の割合)を示す。図５Ａに示すとおり、より小さいKSBを有する分析物について、スターバーへの濃縮は、最後の数mLの凍結にわたってより顕著であり、スターバー収着抽出には典型的には低すぎるKSBを有する分析物は、80%超で収着スターラーへと抽出されることが可能である。図５Ｂは、分析物のKSBが増加する際の、収着スターラーへと抽出された割合を示す。0.01のKsolidを使用して、抽出された割合は、分析物のlog KSBがちょうど1を超えて増加する際に90%超に上昇し、一方で、同じ条件下で90%を超える分析物を抽出するには、log KSB>3が必要である。図５Ｃは、本発明が分析についてSBSEに対して有利であることを示す。
【実施例】
【００５４】
本発明の実施形態を、以下の非限定的実施例においてさらに定義する。これらの実施例は、本発明の特定の実施形態を示す一方で、例示のみを目的として与えられることが理解されるべきである。上の議論及びこれらの実施例から、当業者は、本発明の本質的な特徴を確認でき、その趣旨及び範囲を逸脱することなしに、本発明を様々な使用及び条件に適用するために、本発明の実施形態の様々な変更及び修正を加えることができる。したがって、本発明の実施形態の様々な修正が、本明細書に示され記載されたものに加えて、前述の説明から当業者に明らかだと考えられる。そのような修正はまた、添付の特許請求の範囲内に収まることが意図される。
【００５５】
実施例1
本発明の方法及び機器により、染料溶液を試験した。10mLの量の水性染料溶液を、収着スターバーを伴うバイアル内に置いた。次に、バイアルをジャケットビーカー(すなわち、冷却剤流を可能にする入口及び出口を有する二重壁ビーカー)内に置いた。スターバー内のメチルバイオレットの濃度を視覚的に確認した。図６は、試験中の様々な時点でのメチルバイオレットの濃度を示す一連の写真である。図６Ａにおいて、染料溶液は、本発明の方法の適用前に視認可能である。図６Ｂは、本方法中に結晶相の上で視認可能に分離された染料を示し、およそ50%の染料溶液が凍結された。図６Ｃは、本方法中に結晶相の上で視認可能に分離された染料溶液を示し、染料は濃縮され、水の大部分が分離され凍結された。
【００５６】
実施例2
2つの分子、ジメチルトリスルフィド(DMTS、log Kow=1.87)及びベンズアルデヒド(BA、log Kow=1.48)を、本発明の方法及び機器により濃縮した。水性試料(100nM、DMTSを12.6ppb及びBAを10.6ppb)を本発明の方法及びまたSBSEにより調製した。本発明及びSBSEの両方の結果をGCMSにより分析した。図７は、分析のピーク面積に基づく結果を示す。DMTS及びBAの両方のシグナルが、本発明の方法を使用して増強された。本発明は、DMTS及びBAについてそれぞれ、SBSEと比較して3倍及び8倍の濃縮係数をもたらした。例えば、図８は、SBSE及び本発明について比較ピークを示す。図９は、BAについて温度の関数として濃縮係数を示す。図１０は、撹拌速度の増加とともに濃縮係数が減少したことを示す。図１１は、濃度と濃縮係数との間の関係を示す。図１２は、濃縮係数と溶液濃度との間に、ほとんど又は全く相関がないことを示す。BAについての検出レベル(LOD)もまた決定されたのであり、図１３Ａ及び図１３Ｂに比較して示す。BAのLODは、本発明の方法を使用して5倍減少した。さらに、図１４は、SBSEについて、より低い定量限界を示す一方で、図１５Ａ及び図１５Ｂは、本発明及びSBSEについて、より低い定量限界での濃縮係数を示す。示すとおり、本発明についてのより低い定量限界は、SBSEのそれよりはるかに低い。これを、図１５Ｂにさらに示す。したがって、本発明の方法は、現存の方法よりはるかに低い濃度での溶質の検出が可能である。
【００５７】
実施例3
本発明の方法及び機器により、ベンジルアルコールを分析した。本発明の結果を、図１６に示すとおりSBSEの結果と比較した。本発明及びSBSEの両方についてそれぞれ、図１７Ａ及び図１７Ｂに示すとおりベンジルアルコールの検出限界もまた決定した。本発明の方法により抽出されたベンジルアルコールのLODは、1μMと比較しておよそ40nMだった。したがって、LODは、本発明の方法を使用して25倍減少した。この実施例は、本発明の方法が現存の方法よりはるかに低い濃度での溶質の検出が可能であることをさらに確認する。
【００５８】
このように説明している本発明について、同じことを多くの仕方で変化させ得ることが明らかであろう。そのような変形形態は、本発明の趣旨及び範囲の逸脱とみなされるべきではなく、そのような修正のすべてが、以下の特許請求の範囲内に含まれることが意図される。本発明の実施形態は以下を包含する：
（１）試料容器、収着スターラー、冷却源を含む、液体媒質から分析物を抽出する機器であって、
前記液体媒質が前記試料容器内に置かれ、前記収着スターラーが前記試料容器内に置かれ、前記試料容器が前記冷却源内又は前記冷却源上に置かれる、前記機器。
（２）前記収着スターラーが、収着物質を有する磁気スターバー又はオーバーヘッドスターラーであり、前記収着スターラーが、化学的に不活性のコーティング、ジャケット、又は層を含んでもよい、実施形態１に記載の機器。
（３）前記収着スターラーが、収着磁気スターバーであり、機器が、前記試料容器の周囲を回転する磁場を生成する電磁場発生装置の磁気撹拌プレート、回転する磁気U型ブラケット、回転する磁気ドーナツ型構成部をさらに含む、実施形態１に記載の機器。
（４）ステッピングモーターをさらに含む、実施形態１に記載の機器。
（５）前記ステッピングモーターが、前記液体媒質の凍結を促進するために、前記液体媒質を含有する前記容器を冷却源中に降下させる、実施形態４に記載の機器。
（６）1つ以上の機器変数を測定する少なくとも1つの測定デバイスをさらに含む、実施形態１に記載の機器。
（７）前記測定デバイスが、温度、磁場、分析物の分光学的挙動、試料容器移動速度、撹拌速度、又はそれらの組合せを測定する、実施形態６に記載の機器。
（８）ユーザー又はシステムにより選択された分析物に従って超微量成分分析を実施するために前記機器を操作するための制御ソフトウェアをさらに含む、実施形態１に記載の機器。
（９）前記制御ソフトウェアが、温度、試料容器移動速度、スターバーの速度、磁場強度及び/又は位置、分光学的パラメーター、並びに/あるいはそれらの組合せを決定する、実施形態８に記載の機器。
（１０）液体媒質から溶質を抽出する方法であって、
収着物質を含む収着スターラーで、試料容器中の分析物を含有する液体媒質を撹拌する工程、及び
液体媒質が凍結し、分析物が濃縮され、収着物質へと吸収されるか、又は収着物質により吸着されるように、分析物を撹拌しながら、試料容器を冷却する工程であって、前記冷却が冷却源によりなされる前記工程
を含む、前記方法。
（１１）前記収着スターラーが、磁気撹拌プレート、磁気U型ブラケット、ドーナツ型磁石、又は電磁場発生装置により回転させるオーバーヘッドスターラー又は収着磁気スターバーであり、前記収着スターラーが、化学的に不活性のコーティング、ジャケット、又は層を含んでいてもよい、実施形態１０に記載の方法。
（１２）前記磁気U型ブラケット又はドーナツ型磁石が、前記冷却源の周囲を回転する、実施形態１１に記載の方法。
（１３）冷却工程後に収着物質から分析物を抽出する工程をさらに含む、実施形態１０に記載の方法。
（１４）前記撹拌工程が、試料容器を冷却源中に徐々に降下させる工程をさらに含む、実施形態１０に記載の方法。
（１５）方法の変数を測定する工程をさらに含み、その測定工程が、温度、試料容器移動速度、収着スターラーの速度、及びそれらの組合せを測定する、実施形態１０に記載の方法。
（１６）制御ソフトウェアを使用して方法を制御する工程をさらに含む、実施形態１０に記載の方法。
（１７）収着物質を含む収着スターラーで、試料容器中の分析物を含有する水を撹拌する工程、及び
水が凍結し、分析物が濃縮され、収着スターバーへと吸収されるように、水を撹拌しながら、試料容器を冷却する工程
を含む、水から溶質を抽出する方法。
（１８）収着物質から分析物を抽出する工程をさらに含む、実施形態１７に記載の方法。
（１９）ガスクロマトグラフィー及び質量分析(GCMS)、昇温脱離GCMS、液体クロマトグラフィー、蛍光光度法、又は分光法のうちの1つ以上を含む分析手法で分析物を同定及び/又は定量する工程をさらに含む、実施形態１８に記載の方法。
（２０）ナノグラムからフェムトグラムの量の分析物を定量する工程をさらに含む、実施形態１９に記載の方法。
【００５９】
上記明細書は、本発明の方法及び機器の説明を提供する。多くの実施形態が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなくなされ得るので、本発明は特許請求の範囲に属する。
【符号の説明】
【００６０】
1  試料容器
3  収着スターラー
5、5’  冷却源
7  磁石、磁気撹拌プレート
9  試料ホルダー
11  モーター
13  液相試料
15  結晶相
【図１】
0006480396.tif 000006
【図２】
0006480396.tif 000007
【図３】
0006480396.tif 000008
【図４Ａ】
0006480396.tif 000009
【図４Ｂ】
0006480396.tif 000010
【図５Ａ】
0006480396.tif 000011
【図５Ｂ】
0006480396.tif 000012
【図５Ｃ】
0006480396.tif 000013
【図６Ａ】
0006480396.tif 000014
【図６Ｂ】
0006480396.tif 000015
【図６Ｃ】
0006480396.tif 000016
【図７】
0006480396.tif 000017
【図８】
0006480396.tif 000018
【図９】
0006480396.tif 000019
【図１０】
0006480396.tif 000020
【図１１】
0006480396.tif 000021
【図１２】
0006480396.tif 000022
【図１３Ａ】
0006480396.tif 000023
【図１３Ｂ】
0006480396.tif 000024
【図１４】
0006480396.tif 000025
【図１５Ａ】
0006480396.tif 000026
【図１５Ｂ】
0006480396.tif 000027
【図１６】
0006480396.tif 000028
【図１７Ａ】
0006480396.tif 000029
【図１７Ｂ】
0006480396.tif 000030