(57)【要約】【課題】従来はクロマトカラム内において隙間の流れが不均一になり、一度分離した成分が再び他の分離成分と混合する場合がある。そのため、分離能力を向上することができなかった。【解決手段】上記課題は、試料液の入口と、それに続く入口流路と、複数の等しい断面形状で、等しい長さの分離用流路と、分離液の出口と、出口に繋がる出口流路と、入口流路から複数の分離用流路に分岐させる分岐部と、複数の分離用流路を一本の出口流路に合流させる合流部を平板上に形成することで達成される。【効果】本発明により、クロマトカラム内において隙間の流れが均一で、一度分離した成分が再び他の分離成分と混合することのない、分離能力の高い試料分離装置および化学分析装置を提供することができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料液の入口と、それに続く入口流路と、複数の等しい断面形状で、等しい長さの分離用流路と、分離液の出口と、出口に繋がる出口流路と、入口流路から複数の分離用流路に分岐させる分岐部と、複数の分離用流路を一本の出口流路に合流させる合流部を平板上に形成したことを特徴とする試料分離装置。
【請求項２】
請求項１において、前記分離用流路の合流部に、分岐部と複数の分離流路と合流部を備えた試料分離部を階層的に設けたことを特徴とする試料分離装置。
【請求項３】
請求項１において、前記分岐部から合流部に至る分離用流路は、格子状に交差しており、格子間の流路は、全て等断面、同じ長さであり、分岐部から合流部まで下流方向に沿ってどの経路を辿っても同じ距離となるように形成したことを特徴とする試料分離装置。
【請求項４】
試料液中の溶解化学成分を分離し、各分離成分の濃度を検出する化学分析装置において、
試料液の入口と、それに続く入口流路と、複数の等しい断面形状で、等しい長さの分離用流路と、分離液の出口と、出口に繋がる出口流路と、入口流路から複数の分離用流路に分岐させる分岐部と、複数の分離用流路を一本の出口流路に合流させる合流部を平板上に形成した試料分離装置を設けたことを特徴とする化学分析装置。
【請求項５】
請求項４において、前記試料分離装置を複数積層して構成すると共に、前記各試料分離装置の間に試料送液手段を設けたことを特徴とする化学分析装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は試料液中に溶存する成分を分離する試料分離装置および、分離された各々の成分濃度を定量する化学分析装置に係わり、特に生体液や水などの成分分析を行うクロマトグラフに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の化学分析装置に対応する従来技術としては、文献Ｇｒｅｇｏｒ　Ｏｃｖｉｒｋ，　”Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　ｍｉｃｒｏ　ｌｉｑｕｉｄ　ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈ　ｏｎｔｏ　ａ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｃｈｉｐ”，　Ｐｒｏｃ．．　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　’９５　ｐｐ７５６−７５９　（１９９５）記載のシリコン基板上に形成されたクロマトカラムと光学測定用フローセルがある。
【０００３】
本クロマトカラムはシリコン基板をエッチング加工により幅３００μｍ、深さ１００μｍ、長さ２０ｍｍに彫った溝の上から、ガラス板を接合した後、計５μｍの微粒子（吸着物質のコート済み）を充填して形成されている。またクロマトカラムの出口直後には、光学測定用のフローセルが同じくエッチング加工により形成されている。このカラム内を試料液が通過する際に、試料液中の成分毎に微粒子表面への吸着の度合いが異なるため、カラム出口では、吸着の低い成分から順に出てくる。この分離成分をカラム直後に設けられた光学測定用のフローセルで検知する。本従来技術ではクロマトカラムとフローセルをエッチング加工により近接して設けることが可能となるため、その間の流路において分離成分の拡散が抑えられ、高い分離性能を維持できるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
各溶解成分を高感度に、迅速に分析するためには、検知部での各分離成分の検出ピークが相互に重なることなく十分に離れている必要がある。また分離能力を同等にして、クロマトカラムを短くした場合、計測時間の短縮、送液圧力の低減による送液ポンプの簡素化などの効果がある。しかし、この検知部での分離度を上げるためには、クロマトカラムでの分離能力をさらに向上させる必要があること、カラムから検知部に至る流路で各分離成分が再び混合しないようにする必要がある。
【０００５】
上記従来技術では、分離性能を上げるためにクロマトカラムからフローセルに至る流路を短縮して、輸送中に起きる拡散による分離成分の再混合を極力抑えようとしている。その一方、分離性能を司るクロマトカラムに関しては、機能的には微粒子を詰める従来の管型カラムと大差なく、特に分離性能が向上しているわけではない。この微粒子を充填したクロマトカラムでの分離の原理を微視的に見ると次のようになる。
【０００６】
クロマトカラム内に送液された試料液は、まずカラム断面一杯に広がり、各微粒子間の隙間に入り、流れ込む。この際に試料液内の溶解化学成分の分子は、隙間の中の局所的な流れや、分子拡散によって微粒子表面まで到達し、微粒子表面にコーティングされている吸着物質との間で吸着反応を起こす。この吸着の度合いが成分分子毎に異なるため、隙間を通過する際に成分毎に分離が起こる。しかしながら、この微粒子を用いた分離技術には以下の問題点がある。
【０００７】
各隙間を流れ出た試料液は、その下流では別の隙間を流れてきた試料液と合流することになるが、別々の隙間を通過した試料液の分離状態は、各隙間の大きさ、距離が均一ではないため、同じ分離成分が同じタイミングで合流するとは限らず、異なる分離成分同士が再び合流し混合することになる。
【０００８】
また、合流位置で淀むような流れがあれば、そこで分離成分が再び混合してしまう。このように微粒子を詰めたクロマトカラムでは微粒子同士の隙間の形状が不均一のため、分離能力向上には限界がある。この問題を解決するために、クロマトカラムの断面積を小さく、断面内での流れの偏在を小さくしたり、カラム内に充填する微粒子を小さくして、隙間の均一性を増すなどの改良が行われているが、根本的な解決には至っていない。
【０００９】
本発明の目的は、クロマトカラム内において隙間の流れが均一で、一度分離した成分が再び他の分離成分と混合することのない、分離能力の高い試料分離装置および化学分析装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、試料分離装置あるいは化学分析装置において、試料液の入口と、それに続く入口流路と、複数の等しい断面形状で、等しい長さの分離用流路と、分離液の出口と、出口に繋がる出口流路と、入口流路から複数の分離用流路に分岐させる分岐部と、複数の分離用流路を一本の出口流路に合流させる合流部を平板上に形成することにより解決される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１〜図６を用いて説明する。図１は本発明の試料分離装置を備えた化学分析装置の全体構成図、図２は本発明の試料分離装置の詳細説明図、図３、４は本発明の別の試料分離装置の説明図、図５は本発明の別の化学分析装置の全体構成図を示す。図６は本発明の分離流路での分離の原理を説明する模式図である。
【００１２】
図１において本発明の化学分析装置の構成について、上流から下流に向かって順に説明する。
【００１３】
移動用の媒体として用いるキャリア液１１がキャリア液槽１０に保持されている。キャリア液槽１０から試料分離装置４０の間は配管１２で繋がれており、この配管１２の途中にはキャリア液１１を汲み上げて試料分離装置へ送液するためのポンプ２０、およびキャリア液１１中に試料液３０を注入するための注入バルブ３１が、順に設けられている。注入バルブ３１には、試料液３０を注入するための孔があり、そこに注射器３２が取り付けられるようになっている。注射器３２の中は試料液３０が吸引保持されている。
【００１４】
試料分離装置４０には配管１２と接続された入口４１、試料分離装置４０で分離した試料液の出口４２がある。この出口４２から廃液槽７０までは配管１３で繋がれており、途中には液の吸収スペクトルを計測するためのフローセル５０が設けられている。またフローセル５０に光を照射するための光源５１、フローセル５０を透過した光を検知するための検知器５２が設けられている。信号処理・動作制御部６０からポンプ２０、光源５１に対しては制御信号を、また検知器５２には検知信号用のケーブルが繋がれている。
【００１５】
次に、図２を用いて試料分離装置４０の構造について説明する。試料分離装置４０には試料液３０やキャリア液１１を導入するための入口４１、および分離した試料液３０を排出するための出口４２が設けられている。入口４２から等しい断面形状、等しい長さの２つの分離用流路４５１、４６１が分岐している。各々の分離用流路４５１、４６１は、分岐部４５２、４６２を経て、それぞれ等しい断面形状、等しい長さの分離用流路４５３、４５４および４６３、４６４に別れている。この分岐用流路４５３、４５４および４６３、４６４は、再び合流部４５５、４６５を経てそれぞれ等しい断面形状、等しい長さの分離用流路４５６、４６６に統合される。更に、これらの流路４５６、４６６は一つに合流し、出口４２へと連結している。これら全ての分離用流路の内壁には、分離用の吸着物質がコーティングされている。
【００１６】
上記構成の化学分析装置は、以下のように動作する。
【００１７】
まず、信号処理・動作制御部６０からの制御信号を受けてポンプ２０が送液を開始する。ポンプ２０はキャリア液槽１０からキャリア液１１を一定流量で汲み上げ配管１２を通して試料分離装置４０へ供給を始める。流れが安定した時点で注入バルブ３１に試料液３０の入った注射器３２を挿入し、一定量の試料液３０を配管１２中に注入する。試料液３０はキャリア液１１の流れに乗って試料分離装置４０の入口４１から内部に導入される。ここで各分離流路の断面形状、長さともに等しいので試料分離流路４５１に続く流路の圧力抵抗、４６１に続く流路の圧力抵抗は等しい。従って、試料液３０を含むキャリア液１１は流路４５１、４６１にそれぞれ等流量で均等に分岐して流れる。同じく流路４５１から分岐部４５２へ差し掛かった流れは、それに続く流路４６３、４６４共に流路抵抗が等しいため、均等の流量でそれぞれに分岐して流れる。以下の流路４６１−分岐部４６２−流路４６３、４６４においても同様であり、等流量で分岐する。
【００１８】
図６は本発明の分離工程を示したものであるが、まずそれぞれの分離流路４５３，４５４において、流路壁面の吸着物質との相互作用で試料液中の成分が第１から第３までの３成分３３、３４、３５に分離する。２つの流路で起こる分離パターンは２つの流路の形状、流動条件が同じであれば、図に示したように同じパターンを示す。また２つの流路の長さが同じであれば、同様に図に示すとおり合流部において同じタイミングで各成分同士が合流する。そのため、従来技術で顕著であった、微粒子間の隙間の不均一性による分離性能の低下は発生しない。各流路で分離した成分は、相互に混合することなく合流し、出口４３より出て、フローセル５０に送られる。フローセル５０では信号処理・駆動制御部６０からの信号を受けて光源が発光し、フローセル中の分離成分の吸収スペクトルの時間変化を検知器５２が捉え、その信号を信号処理・駆動制御部６０へ送りデータ処理を行う。
【００１９】
以上のように本発明は、クロマトカラム内において均一な流れを形成させることが可能となり、一度分離した成分が再び他の分離成分と混合することのない、分離能力の高い試料分離装置および化学分析装置を提供することが可能となる。
【００２０】
本発明の他の実施例について図３を用いて説明する。図３は、試料分離装置４０の他の構造を示したものである。本実施例は、図２で示した試料液分離装置４０の分離用流路を階層構造としたもので、図２と同じ部分は同じ番号を付した。図２の試料分離装置と同様に、同じ階層の各流路の断面形状、流路長さは等しくなっているので第１の実施例同様に高い分離能力が得られる。第１図の実施例の試料分離装置と比較すると、分離流路の数が多くなるため、試料液と吸着物質との接触確率は高まり、より短時間で高い分離性能が得られる。また本実施例の試料分離装置は２つの試料分離部７１、７２を直列に繋げているため、より細かに成分を分離することができる。
【００２１】
図４は本発明の他の実施例の試料分離装置を示したものである。
図４では３枚の分離用流路プレート９１、９２、９３を縦方向に積層したものであり、入口４１から入った試料液は３枚の分離用流路プレートに均等に分散する。それぞれのプレート内の流路において、左から右に向かって試料液が流れて行くが、どの経路を辿っても入口から出口までの距離は同じとなるように格子状に流路が形成されている。格子の一辺に相当する単位流路要素９４の断面形状を同じにしておけば、合流位置で異なる分離成分が混合することはない。さらに本実施例においては３つの分離用流路プレートを重ねて並列接続しているため、多量の分離成分を短時間に得ることができ、測定の感度も向上する。なお分離流路の形状は図２又は図３と同じ形状に構成していも良い。
【００２２】
図２、図３、図４記載の試料分離装置内の分離流路を同じ断面形状で高精度に形成するためには、エッチング等の半導体製造技術を利用する。従来の微粒子を充填することにより、隙間に匹敵する幅の微細な流路を非常に容易に薄い板に多数形成でき、これを複数枚重ねることで小さな容積で高密度に分離流路が実装でき、小形化に寄与する。
【００２３】
本発明の他の実施例を図５を用いて説明する。図５は高分離性能を得るために、図１に示すキャリア液と試料液が混合された状態で送液用のポンプ２０で吸引送出して、その他の部品を直列に連結して構成した化学分析装置である。
【００２４】
この構成の場合、各試料分離装置での圧力損失が積算されるため、駆動ポンプとして高圧で大型のポンプが必要となる。そこで、これらの問題を解決するために試料分離装置の各々の間に薄型の小形ポンプ２０を設けたものである。本実施例のポンプ２０はバイモルフ振動体２１、逆止弁２２、２３から成る。最下部のポンプより吸引された試料およびキャリア液は順次下からフローセル５０に向かって汲み上げられる。ひとつのポンプはひとつの試料分離装置内のみ試料液を送液するだけの圧力があれば良いから、図に示したようなダイヤフラム型の簡素なポンプであっても試料液の送液ができ、全体システムの小形化へ寄与する。
【００２５】
【発明の効果】
本発明により、クロマトカラム内において隙間の流れが均一で、一度分離した成分が再び他の分離成分と混合することのない、分離能力の高い試料分離装置および化学分析装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の化学分析装置の構成図である。
【図２】本発明の試料分離装置の構成図である。
【図３】本発明の別の試料分離装置の構成図である。
【図４】本発明の別の試料分離装置の構成図である。
【図５】本発明の別の化学分析装置の構成図である。
【図６】本発明の分離流路での試料分離の状態の様子を示す説明図である。
【符号の説明】
１０…キャリア液槽、１１…キャリア液、１２、１３…配管、２０…ポンプ、３０…試料液、３１…注入バルブ、３２…注射器、４０…試料分離装置、４１…入口、４２…出口、５０…フローセル、５１…光源、５２…検知器、６０…信号処理・動作制御部、４５１〜４６６…分離流路、７１…第１試料分離部、７２…第２試料分離部、９１、９２、９３…分離用プレート、９４…単位流路要素、２１…バイモルフ振動体、２２、２３…逆止弁。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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