(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
システムポンプと、流体流路によってシステムポンプに流体連通したカラムとを備える液体クロマトグラフィーシステムを制御する方法であって、
システムポンプに近い流路位置でのシステム圧力を記録するステップと、
記録されたシステム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと、
記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づいて、プレカラム圧力を推定するステップと、
推定プレカラム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと
を含む方法。
【請求項２】
プレカラム圧力が、次のベルヌーイの式に基づいて推定される、請求項１記載の方法。
プレカラム圧力［ＭＰａ］＝０．０００００００００６７９×Ｌ×Ｑ×Ｖ／Ｄ4、
式中、
Ｌ＝流体流路長［ｍｍ］、
Ｄ＝流体流路の直径［ｍｍ］、
Ｑ＝流速［ｍｌ／ｍｉｎ］、
Ｖ＝粘度［ｃＰ］。
【請求項３】
システムポンプと、流体流路によってシステムポンプに流体連通したカラムと、システムコントローラとを備える液体クロマトグラフィーシステムであって、システムコントローラが、
システム圧力センサにより、システムポンプに近い流路位置でのシステム圧力を記録し、
記録されたシステム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御し、
記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づいて、プレカラム圧力を推定し、
推定プレカラム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御する
ように構成されている、液体クロマトグラフィーシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体クロマトグラフィーシステムを制御するためのシステム及び方法に関し、特に、カラム圧力を制御するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの液体クロマトグラフィーシステムにおいて、カラム全体の圧力は、カラム機器及びカラム媒体を、高すぎる圧力から保護するために監視される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８／０２７５２２８号Ａ１明細書
【発明の概要】
【０００４】
本発明の目的は、バルブが従来技術の１以上の欠点を克服する、液体クロマトグラフィーシステムを制御するシステム及び方法を提供することである。このことは、独立請求項に記載のシステム及び方法によって達成される。
【０００５】
本発明の利点の１つは、カラムに圧力センサを追加する必要なく、クロマトグラフィーシステムがカラム圧力限界に近い圧力で安全に機能するよう制御することができることである。
【０００６】
一態様では、システムポンプと、流体流路によってシステムポンプに流体連通したカラムとを備える液体クロマトグラフィーシステムを制御する方法を提供し、本方法は、
システムポンプに近い流路位置でのシステム圧力を記録するステップと、
記録されたシステム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと、
記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づい、プレカラム圧力を推定するステップと、
推定プレカラム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと
を含む。
一実施形態では、プレカラム圧力は、以下のベルヌーイ（Ｂｅｒｎｏｕｌｌｉ）の式に基づいて推定される。
流路ΔＰ［ＭＰａ］＝０．０００００００００６７９×Ｌ×Ｑ×Ｖ／Ｄ4
式中、
Ｌ＝流体流路長［ｍｍ］
Ｄ＝流体流路の直径［ｍｍ］
Ｑ＝流速［ｍｌ／ｍｉｎ］
Ｖ＝粘度［ｃＰ］。
【０００７】
一実施形態では、推定プレカラム圧力に応じてシステムポンプの動作を制御するステップは、所定値未満のプレカラム圧力を制限するステップを含む。
【０００８】
一実施形態では、所定値は、カラムの圧力限界値である。
【０００９】
一実施形態では、カラムの圧力限界値は、クロマトグラフィーシステムに関連するシステムコントローラに記憶されているカラムプロパティテーブルからアクセスされる。
【００１０】
別の態様では、システムポンプと、流体流路によりシステムポンプと流体連通するカラムとを備える液体クロマトグラフィーシステム及びシステムコントローラが提供される。システムコントローラは、
システム圧力センサにより、システムポンプに近い流路位置でのシステム圧力を記録し、
記録されたシステム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御し、
記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づいて、プレカラム圧力を推定し、
推定プレカラム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するように構成される。
【００１１】
本発明のより完全な理解、並びにその更なる特徴及び利点は、以下の詳細な説明及び図面を参照することによって得られるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】液体クロマトグラフィーシステムの一例の概略フローチャートである。
【図２】図１による液体クロマトグラフィーシステムの簡略化したフローチャートである。
【図３】システム圧力を記録するための単一の圧力センサを備えた液体クロマトグラフィーシステムの簡略化したフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による、液体クロマトグラフィーシステムの簡略化したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
液体クロマトグラフィーシステム（ＬＣシステム）では、背圧は、システム内を液体が流れる際に生成される。背圧が設定圧力限界値のいずれかを超えた場合に、アラームが起動し、システムが停止する。これが、クロマトグラフィーにおける最も一般的な問題の１つであろう。
【００１４】
定義
【００１５】
【表１】
0006317745.tif 000002
プレカラム圧力は、カラム機器に影響を及ぼす。カラム機器に影響を及ぼす圧力は、カラム自体によって生成される背圧と、カラム後にシステムによって生成される背圧に左右される。カラム機器に対する圧力限界を超えると、カラムは漏出し始める可能性がある。
【００１６】
デルタカラム圧力はまた、圧力降下、すなわち、ΔＰと称してもよい。この圧力は、カラム内でクロマトグラフィー媒体に影響を及ぼす。充填層に影響を及ぼす圧力は、溶液の流速及び粘度のみに左右され、システムには左右されない。流速が高すぎる及び／又は高粘度溶液を使用する場合、充填層の圧力限界を超えてしまうこともある。充填層圧力限界は、充填層全体の最大許容圧力降下である。圧力限界を超えると、クロマトグラフィー媒体の粒子が変形し、及び／又はカラムの底部に付勢され、背圧を増加させる。これは、ギャップ形成或いは充填層の崩壊につながり、クロマトグラフィー性能の低下につながる。
【００１７】
システム圧力は、完全なシステム流路によって生成され、ほとんどのシステムは、システムポンプでのこの圧力を測定する。いくつかのシステムは、カラムの前後に追加圧力センサを有し、追加圧力センサにより、カラム全体の圧力降下（Δｐ）の算出を可能にする。
【００１８】
多くのシステムでは、ただ１つの圧力センサが、ポンプの直後に配置され、システム圧力を記録する。カラム機器を保護するために、この場合、唯一使用可能である圧力センサは、プレカラム圧力を測定しない場合でも、多くの場合はカラムである、流路内の最も弱い構成部品の圧力限界を超えないようシステム圧力を制御するために使用される。測定されたシステム圧力は常に実際のプレカラム圧力よりも高くなる。このことは、カラムが動作範囲全体で動作できない状態か、又は圧力アラームがカラムの圧力限界よりも高い値に設定されて、圧力センサとカラムとの間の圧力差を補償する状態のいずれかにする。この圧力差は、流路における流速、粘性、及び成分などの変動要因に依存するので、後者はむしろ危険である。
【００１９】
いくつかのシステム、例えば、ＡＫＴＡ  ａｖａｎｔは、複数の圧力センサを有している。これらのシステムでは、プレカラム圧力限界及びデルタカラム圧力限界は、対応する圧力アラームを設定するために直接使用することができる。このシステム設計の欠点は、当然、複数の圧力センサにより製造コストが高くなることである。
【００２０】
図１は、２つの三方向入力バルブ１６０及び１６１を備えるクロマトグラフィーシステム１９０の一実施形態を模式的に示し、三方向入力バルブ１６０及び１６１は、２つのシステムポンプ１５０及び１５１に対して、入力流体を、流体源Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２から選択するように構成される。クロマトグラフィーシステム１９０は、さらに、
システムポンプの後の流路におけるシステム圧力を記録するための圧力センサ２００と、
ポンプにより供給される流体を適切に混合することを確実にするためのミキサ２１０と、
流路内に試料を注入するための注入バルブ２２０と、
流路のカラム２４０を選択的に接続／切断するためのカラム接続バルブ２３０と、
プレカラム圧力センサ２３５及びポストカラム圧力センサ２３６と、
カラムからの出力を検出するための紫外線（ＵＶ）モニタ２５０と、
伝導性モニタ２６０と、
ｐＨモニタ２６５と、
例えば、フラクションコレクタ２８０や廃棄物容器などに接続されている、２箇所以上の出力位置を有する出力選択バルブ２７０と、
システムを通る流体の流れを制御するためのポンプ及びバルブに接続され、さらに流れを監視するためのセンサ及びモニタに接続されるシステムコントローラ３００と
を備えることができる。接続部は、点線３１０で示す。
【００２１】
図１のクロマトグラフィーシステムは、どのようにクロマトグラフィーシステムを設計することができるかの一般的な例を示しており、他の実施形態は、いくつかの構成要素の２以上を備える異なる設計とすることができ、構成要素のいくつかを欠いている可能性がある。一実施形態によれば、クロマトグラフィーシステムは、液体クロマトグラフィーシステムである。
【００２２】
図２は、図１による液体クロマトグラフィーシステム１９０の簡略化されたフローチャートである。図２において、図をより見やすくするために、流路は直線状に描かれ、いくつかの構成要素が除去されている。図２において、システムコントローラは、ポンプ１５０、圧力センサ２００、プレカラム圧力センサ２３５、及びポストカラム圧力センサ２３６のみに接続されると示されているが、上述したように他の構成要素に接続してもよい。図２では、システムは、プレカラム圧力センサ２３５及びポストカラム圧力センサ２３６の両方を備え、それにより、カラム圧力が、プレカラムセンサ２３５によって直接測定され、さらに、ポストカラムセンサ２３６によって記録された圧力をカラム圧力から差し引くことによって、デルタカラム圧力を測定する。
【００２３】
簡潔に上述したように、いくつかのシステムは、システム圧力センサ２００の他に圧力センサを有していない。図３は、システム圧力を記録するための単一の圧力センサ２００を有する液体クロマトグラフィーシステム１９０の簡略化されたフローチャートである。上述したように、そのようなシステムにおける圧力制御は、センサ２００によって、記録されたシステム圧力のみに左右される。
【００２４】
図４は、本発明の一実施形態による液体クロマトグラフィーシステムの簡略化されたフローチャートである。コントローラ３００は、記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づいてプレカラム圧力を推定するように構成される。推定プレカラム圧力は、薄い点線で図４に模式的に示す、「仮想圧力センサ」と呼ぶことができる。
【００２５】
一実施形態によれば、仮想圧力信号は、流路における圧力降下をベルヌーイの式に基づいて計算することができる。
【００２６】
流路ΔＰ［ＭＰａ］＝０．０００００００００６７９×Ｌ×Ｑ×Ｖ／Ｄ4
式中、
Ｌ＝長さ［ｍｍ］
Ｄ＝直径［ｍｍ］
Ｑ＝流速［ｍｌ／ｍｉｎ］
Ｖ＝粘度［ｃＰ］。
【００２７】
流路の長さ並びに直径及びシステム内の液体の粘度をシステムコントローラに提供することにより、現在の流速でカラムまでの流路に起因する圧力降下を算出するように構成してもよい。いくつかのシステムでは、システム圧力センサ２００とカラム２４０との間の流路の長さとサイズを統一することができるので、所定のパラメータを計算のために使用することができる。他のシステム（最も一般的な状況にある）では、クロマトグラフィーシステム内の構成要素間の流路は、利用者により規定されるため、システムの利用者は、ユーザインターフェースを使用してパラメータを入力しなければならない。一実施形態によれば、システム圧力センサ２００とカラム２４０との間の流路の大部分が同径のキャピラリー配管から構成されてもよく、その場合、流路特性は、配管の合計長さと推定でき、したがって、計算から、バルブなどの他の構成要素などからの寄与を除外することができる。他の実施形態では、流路におけるバルブなどからの寄与を考慮してシステムを定義することができるが、配管などは、利用者により定義される。流路が異なるサイズ（例えば、異なる内径の配管）の部分を備えている場合、各部分にわたる圧力降下を個別に算出し、最終的にはそれらを加算し、総圧力降下を提供しなければならないことに留意されたい。
【００２８】
カラム２４０までの流路の圧力降下が、上記計算によって推定されると、仮想プレカラム圧力はシステム圧力センサ２００によって記録されたシステム圧力からの圧力降下を差し引くことにより算出される。
【００２９】
例：システム圧力が５ｂａｒであり流路全体で計算された圧力降下が２ｂａｒである場合、算出される仮想プレカラム圧力は、３ｂａｒと推定される。
【００３０】
仮想圧力センサの後の全ての圧力寄与は、測定されたシステム圧力にこれらが直接影響するため、自動的に補償される。そのため、例えば、制流器が追加又は除去される場合、測定されたシステム圧力は、算出したプレカラム圧力と同様に変化する。システム圧力センサとカラムとの間の流路の変化は、推定の際に注意しなければならない。
【００３１】
一実施形態によれば、粘度が分からない場合、コントローラは、水が用いられると仮定し、粘度は、以下の既知の数式を使用して、異なる温度に対して推定することができる。
【００３２】
Ｖ［ｃＰ］＝Ａ×１０Ｂ／（Ｔ−Ｃ）、ここで、Ｔ＝温度［Ｋ］、Ａ＝０．０２４１４、Ｂ＝２４７．８Ｋ、Ｃ＝１４０Ｋである。
【００３３】
実際の状況では、仮想圧力推定の精度に影響を及ぼす可能性がある、いくつかの要因が考えられる。液体の粘度が未知であり、水であると仮定するが、粘度が高い場合、流路ΔＰの推定値が低くなりすぎる。その場合、仮想圧力信号に対して算出された値が実際の値よりも高くなり、それにより、実際の圧力がカラムに対して高くなりすぎる前に、圧力アラームが作動する。流路内の他の構成要素（ミキサ、バルブなど）が、何らかの背圧を発生した場合も同様である。その結果、水よりも低い粘度を有する液体の場合、推定は、実際の圧力よりも低い仮想プレカラム圧力をもたらす。しかし、そのような液体は、ほとんど、高圧カラムに対して使用され、そのようなカラムのほとんどは、それらが通常使用されるより高い圧力に耐えるので、高精度の圧力信号は要求されない。
【００３４】
一実施形態によれば、本システムは、カラム後の流路に対して同じ原理を用いてデルタカラム圧力を推定するように構成され、仮想ポストカラム圧力は、仮想デルタカラム圧力を計算するために推定及び使用することができる。
記載したように、仮想プレカラム圧力及びデルタカラム圧力を使用して、例えば、所定の、もしくは利用者が定義した圧力限界に対して圧力を監視することによって、又は所定のカラム圧力などでクロマトグラフィーシステムを動作させることによって、クロマトグラフィーシステムの動作を制御することができる。
【００３５】
上記のクロマトグラフィーシステムを制御する方法であって、
システムポンプに近い流路位置でのシステム圧力を記録するステップと、
記録されたシステム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと、
記録されたシステム圧力、流路の特性、並びにシステム内の液体の粘度及び流速に基づいて、プレカラム圧力を推定するステップと、
所定のカラム圧力限界に対する推定プレカラム圧力に応じて、システムポンプの動作を制御するステップと
を含む方法も提供する。
【符号の説明】
【００３６】
１５０、１５１  システムポンプ
１６０、１６１  三方向入力バルブ
１９０  クロマトグラフィーシステム
２００  圧力センサ
２１０  ミキサ
２２０  注入バルブ
２３０  カラム接続バルブ
２３５  プレカラム圧力センサ
２３６  ポストカラム圧力センサ
２４０  カラム
２５０  紫外線（ＵＶ）モニタ
２６０  伝導性モニタ
２６５  ｐＨモニタ
２７０  出力選択バルブ
２８０  フラクションコレクタ
３００  システムコントローラ
３１０  点線
Ａ１  流体源
Ａ２  流体源
Ｂ１  流体源
Ｂ２  流体源
【図１】
0006317745.tif 000003
【図２】
0006317745.tif 000004
【図３】
0006317745.tif 000005
【図４】
0006317745.tif 000006