(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な支持体；該支持体に自転及び公転可能に取付けられ、且つ周囲に液体搬送及び濃縮用のチューブを巻いた、自転及び公転駆動されるドラム；前記チューブと連結させる液体搬送用のチューブ；該支持体に取付けられ、前記液体搬送用のチューブを軸内の通路に通した前記ドラムの公転軸；及び自転軸と公転軸を結合する回転同期機構；を有する高速向流クロマトグラフにおいて、公転軸受けと自転軸受けを回転ドラムの片側に配置してなることを特徴とする高速向流クロマトグラフ。
【請求項２】
液体搬送用のチューブが、公転軸内を通って自転軸内へ連結される２本以上のチューブからなり、かつ互いに半回転以上捻じられたものである、請求項１記載のクロマトグラフ。
【請求項３】
ドラムの自転軸方向の厚みが１００mm以下であり、公転半径が１０cm以上で公転軸受けの回転数が１，０００ rpmを超えるものである、請求項１又は２記載のクロマトグラフ。
【請求項４】
公転軸を取り付けた支持体に、振動ピックアップを設け、かつ公転軸を挟んで自転軸の反対側に重りを取付けてなる、請求項１〜３のいずれかに記載のクロマトグラフ。
【請求項５】
重りの取付け位置を自転及び回転軸方向に２個所以上配置してなる、請求項４記載のクロマトグラフ。
【請求項６】
公転軸内を通して外部に引き出した液体搬送用のチューブに、液体の流路切り換えバルブ、液体搬送用ポンプ、及び試料とチューブ内に固定される固定相とを流路内に導入するためのインジェクターを取付けてなる、請求項１〜５のいずれかに記載のクロマトグラフ。
【請求項７】
公転軸内を通して外部に引き出した液体搬送用のチューブの出口側に分析装置を接続してなり、濃縮目的元素の分析を連続的に行い、チューブ内の濃縮状態を監視し、かつ測定の開始時間、バルブの開閉タイミング又はポンプの流速を自動的に制御し得る、請求項１〜６のいずれかに記載のクロマトグラフ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は微量元素の分離、濃縮に関し、特に原子吸光分析法やＩＣＰ発光分光分析法などにより溶液中の微量元素を分析するにあたって、感度を上げるための濃縮法及び高速向流クロマトグラフに係る。
【０００２】
【従来の技術】
従来、原子吸光分析法やＩＣＰ発光分光分析法などの機器分析法で溶液試料中の微量金属元素等を分析する際、予め試料を濃縮して感度を上げるための濃縮前処理法としてはイオン交換法や溶媒抽出法などの手法が一般的であった。しかしイオン交換法ではピークのブロードニングや樹脂の寿命などの問題がある。また溶媒抽出法では抽出の体積比をあまり大きく出来ず、微量の液体中に抽出するのが難しいなどの問題があった。これらの方法で最終的に分析に供せられる水溶液試料を０．５ml以下とするのは一般に難しい。０．１mlあるいはそれ以下の、できるだけ微小な体積中に物質を高倍率で濃縮できれば効率的な分析が可能になる。
【０００３】
高速向流クロマトグラフを用いるpHゾーンリファイニング（pH−ｚｏｎｅ  ｒｅｆｉｎｉｎｇ）法によれば、微小な体積まで濃縮が可能であるが、０．１ml以下に濃縮するためには出来るだけ細い（例えば直径０．５mm以下）チューブを使って、通常の装置で供せられる回転数以上の強い遠心力を与える必要がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、機器分析法等で高感度化を達成するため、微量元素のpH−ゾーンリファイニング法による濃縮法のための装置であって、分析用高速向流クロマトグラフとして使用できる装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、回転可能な支持体；該支持体に自転及び公転可能に取付けられ、且つ周囲に液体搬送及び濃縮用のチューブを巻いた、自転及び公転駆動されるドラム；前記チューブと連結させる液体搬送用のチューブ；該支持体に取付けられ、前記液体搬送用のチューブを軸内の通路に通した前記ドラムの公転軸；及び自転軸と公転軸を結合する回転同期機構；を有する高速向流クロマトグラフにおいて、公転軸受けと自転軸受けを回転ドラムの片側に配置してなることを特徴とする高速向流クロマトグラフである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態として以下のものがあげられる。
液体搬送用のチューブが、公転軸内を通って自転軸内へ連結される２本以上のチューブからなり、かつ互いに半回転以上捻じられたものである、クロマトグラフ。
ドラムの自転軸方向の厚みが１００mm以下であり、公転半径が１０cm以上で公転軸受けの回転数が１，０００ rpmを超えるものである、クロマトグラフ。
公転軸を取り付けた支持体に、振動ピックアップを設け、かつ公転軸を挟んで自転軸の反対側に重りを取付けてなる、クロマトグラフ。
重りの取付け位置を自転及び回転軸方向に２個所以上配置してなる、クロマトグラフ。
公転軸内を通して外部に引き出した液体搬送用のチューブに、液体の流路切り換えバルブ、液体搬送用ポンプ、及び試料とチューブ内に固定される固定相とを流路内に導入するためのインジェクターを取付けてなる、クロマトグラフ。
公転軸内を通して外部に引き出した液体搬送用のチューブの出口側に分析装置を接続してなり、濃縮目的元素の分析を連続的に行い、チューブ内の濃縮状態を監視し、かつ測定の開始時間、バルブの開閉タイミング又はポンプの流速を自動的に制御し得る、クロマトグラフ。
【０００７】
従来、高速向流クロマトグラフまたはコイルプラネット遠心器と呼ばれる装置は中心軸の両側に受け手がある、いわゆる両軸受け方式であった。本発明においては、この中心軸を片軸受とし、中心固定軸内より取り出される液体搬送用のチューブを中心固定軸の先端より取り出す事を可能にすることにより回転時に中心軸との接触部分を少なくしてチューブの耐久性を向上させた。さらに本発明によれば、カラムの取り扱いが容易になると共に、チューブの曲率半径を大きくできるので、チューブは高速回転に耐えることができる。それと同時に小型化できるので、公転半径（公転軸から自転軸までの距離）が１０cm以上の場合、回転数が１，０００rpm が限界であった従来装置より格段に高速回転が可能になった。
【０００８】
本発明による高速向流クロマトグラフの概略の構造を図１に示す。
図１において、固定中心軸（公転軸）ａに固定ギヤｅ−１が取り付けられている。回転ドラムｄが連結されている回転軸ｃに固定されているギヤｅ−２は固定ギヤｅ−１と噛み合っている。ｅ−１とｅ−２の歯数は同数とする。モータなどの動力を用いて固定中心軸ａの回りでドラムを含む回転部分を回転させれば、ドラムｄは自転しつつ固定軸ａの回りを自転の角速度の１／２倍の角速度で公転する。つまり１回の公転につき２回の自転を行う。液体の入り口及び出口となる、少なくとも２本以上の液体搬送用のチューブｂは固定軸ａの一方（図では下部）より入り、固定軸の中を経由して図の上部先端より取り出され、お互いに捻じられながら回転軸（自転軸）ｃの末端より軸の中心に入り、内部を経由してドラムｄに巻き付けられる。ｆは回転のバランスを取るための重り（カウンターバランス）であり、回転ドラムの重量に応じて調整し、静的及び動的バランスを調節する。
【０００９】
pH- ゾーンリファイニング法は移動相と固定相にあらかじめ酸またはアルカリを溶かして両者の液性を逆にしておき、移動相を流して中和反応を行いながら、pHの境界に物質が集まることを利用して分離や濃縮を行う方法であり、既にＩｔｏらにより特許が出願されている。（米国特許第５，３３２，５０４及び５，３５４，４７３号明細書など）
【００１０】
またモノグラフ（"High-speed Countercurrent Chromatography", edited by Y. Ito and W.D. Conway, John Wiley & Sons, Inc., 1995)なども出版され、解説されている。カラムの中で中和反応が行われる結果、溶離液のpHはちょうど中和滴定の場合に見られるようなpH変化を示す。有機酸などの混合物試料の場合、試料のｐＫａ及び分配比に従って順番に溶出させることができる。また、これまで難しかった高速向流クロマトグラフィーでのｇオーダーの試料の分離が可能である。
【００１１】
一方、カラムの中でpHが急激に変化する部分が移動して行くので、そのpHの境界に特定の化合物を封じ込め、数十倍以上の大きな濃縮率で濃縮できる利点がある。この場合、通常のクロマトグラフィーに見られるような、試料の拡散が無く、極めて微小な体積中に化合物が濃縮できる。そこで従来の溶媒抽出法に代わって微量金属不純物などの効率的な濃縮法として使用できるが、金属の濃縮を行なった例は無い。金属を濃縮する場合は固定相に錯体生成試薬（リガンド）を含有させれば良い。本発明により微量の金属が濃縮される様子を図２と図３に示す。
【００１２】
図２は実験直後の様子で、初めに装置を回転させ、塩酸や硝酸などの酸を移動相とし、最初に試料をカラムに導入し始めた時に、試料中の金属イオンあるいは無機イオンがカラムの先端部分に濃縮される様子を示している。III の長方形で示されたゾーンが固定相であり、主成分はエーテルやヘプタンなどの有機溶媒であり、リガンドとしてＤＥＨＰＡ（ジ−２エチルヘキシルリン酸）などの錯体生成試薬、pH調整用としてアンモニア等のアルカリを含んでいる。IIの部分は試料であり、試料中に含まれる金属イオンが固定相中に十分抽出されるように、あらかじめアンモニア等でpHが調整されている。また金属イオンの水酸化物による沈殿が問題となる場合は、試料には沈殿を防ぐために酒石酸やクエン酸などの錯形成剤をあらかじめ加えておく。装置を回転させるとIII の固定相の部分（有機相）は移動相（酸溶液、図中ＭＰと示されているＩの部分）に比べて軽いので、数百ｒｐｍ以上の回転を与えた場合、アルキメデスのスクリュー効果によりカラムのヘッド（入口側、図２では左側）に移動する。この移動しようとする力はカラムの回転数が大きくなるほど強いので、適当な条件のもとでは移動相をポンプで流してやっても押し出されることなく、固定相がカラム中に保持される。固定相の保持率はこの場合カラム全体に対する固定相の割合として０〜７０％程度にわたって変化するが、移動相の流速や二相の組み合わせ、カラム回転数などの諸条件を一定にすればいつもほぼ一定の値が得られる。すなわちIII の長方形の部分は大きく移動することはなく、いつもカラム中のほぼ一定の位置に存在している。そこで初期の段階では目的のイオンはIII の左端の、濃く示したカラムヘッドに集まる。図では簡単のために水素イオンは省略しているが、Ｍ+ （金属イオンまたは無機イオン）がＲ- （錯形成試薬のイオン）と反応あるいは会合して固定相中に抽出される様子をあらわしている。
【００１３】
図３はカラム中に試料が全部導入された後、濃縮された金属イオンや無機イオンが、pHの境界をはさんで抽出、逆抽出を繰り返しながらさらに濃縮されつつ進んで行く様子を示している。図３ではIIとIII を合わせた長方形のゾーンが固定相をあらわしている。
一方、酸を含む移動相（ＭＰ）は固定相と接触しながら常に一定の速度でカラムのヘッドからテール（終端、右方向）へと流れている。図中の大きな３つの矢印（ＨＩＧＨ）は移動相の流れを示している。移動相は酸性なので、固定相中のアンモニア等のアルカリを中和しつつカラム中を進んでいく。固定相のうち、IIで示される台形状の部分では有機相がすでに酸で中和されている。固定相のうち、右側のIII の部分は有機相はまだ酸との反応が終了しておらず、アルカリを含んでいる。色の濃くなっているIIとIII の境目の部分は酸とアルカリがちょうど中和されている領域（pHの境界）を示している。カラム内では十分な攪拌がなされているので、移動相中でも図中の点線で示したpHの境界が存在すると考えられる。
【００１４】
pHの境界は移動相と同じ方向に進んでいくが、移動相中の酸と固定相中のアルカリが反応しつつ進むので、移動相の速度に比べて遅くなる。固定相中の小さい矢印（ＬＯＷ）でpHの境界の移動方向を示している。そこで最初カラムヘッドに濃縮されたイオンＭ+ は、図中の矢印のサークルで示されるように、pHの境界を中心として、抽出と逆抽出を繰り返しながら移動相の速度よりゆっくりと固定相中を進んでいく。酸で中和された後の部分（II）ではイオンＭ+ は移動相に逆抽出される（図では水素イオンは省略している）。移動相の速度はpHの境界の移動速度に比べて早いので、逆抽出されたイオンはpHの境界を通過する。通過すると急激にpHが上がるので、リガンドイオンＲ- と再び結合し、固定相中に抽出される。このサイクルを何回も繰り返しながらイオンはカラムの終端に向かって進んでいく。そこで通常のイオン交換法やＨＰＬＣ法と違ってカラム内でのイオンの拡散が無いので微量のイオンを極めて狭い領域に濃縮することができ、濃縮率を高めることができる。
【００１５】
固定相中や試料中にアルカリが含まれていない場合は、イオンは固定相と移動相に対する分配比の差により分離しながらカラム中を進むが、この場合は通常のクロマト分離となり、pHの境界が存在しないので濃縮されることはない。分離の例については既に論文（E. Kitazume, N. Sato, Y. Saito and Y.Ito, Anal.Chem., 65,2255(1993).
E. Kitazume, M.Bhatnagar and Y. Ito, Mutual. separation of rare earth elements by high-speed countercurrent chromatography, Proc.Internat. Trace Anal. Symposium, 103,1990 (in Sendai, Japan).
E. Kitazume, M. Bhatnagar and Y. Ito, J.Chromatogr., 538,133(1991). やモノグラフ(E.Kitazume: Separation of Rare Earth and Certain Inorganic Elements by High-Speed Countercurrent Chromatography (Edited by Y. Ito and W.D. Conway)High-Speed Countercurrent Chromatography (John Wiley & Sons,Inc.), 415-443(1995)),   また特許(Separation of rare earth elements and other compounds with high-speed countercurrent chromatography U.S. Pat. No.5,215,664(1993))などに示されている。
【００１６】
なお、図２および図３では簡便のために水素イオンを省略したが、水素イオンと抽出試薬（ＤＥＨＰＡ）を考慮した場合の抽出の様子を図４に示した。金属イオンはここではランタナイドなどの３価の陽イオンを例にとっている。太線はカラムの壁面を示している。カラム内の上の部分（固定相）にはＤＥＨＰＡが含まれる。ＨＧと略されているＤＥＨＰＡはダイマーとなって３価の陽イオンと反応することが知られている。図中、液性が酸性になると平衡が左にずれ、金属イオンは移動相（水相）側に移る。一方液性がアルカリ性になると、平衡が右にずれ、金属イオンは固定相（有機相）側に移る。
【００１７】
図５にポンプ、インジェクター、高速向流クロマトグラフ、検出器などを含んだシステムを示す。図中、１−ｌ２は以下のとおりである。
１：エチルアルコール、２：イオン交換水、３：溶離液（塩酸等）、４−１，４−２，４−３：流路切り換えバルブ、５：ポンプ、６：インジェクター（試料）、７：インジェクター（固定相）、８：高速向流クロマトグラフ、９：検出器、１０：出口（フラクションコレクター等に接続または廃棄）、１１：インジェクター（標準試料）、ｌ２：イオン交換水
図５において、はじめに流路切り換えバルブ（４−１）をエチルアルコール（１）、ついで水（２）に切り換えてポンプ（５）により適当な流速で流し、流路切り換えバルブ（４−２）を経由して出口（１０）から排出して流路及び高速向流クロマトグラフ（８）のカラムを洗浄する。その後、流路切り換えバルブ（４−１）を溶離液（３）に切り換え、同時に流路切り換えバルブ（４−２）を排出側にしてポンプ内を溶離液で置換する。
ポンプを停止し、インジェクター（６）のループ中に、固定相に目的物が十分抽出されるようにpHを調整した試料、インジェクター（７）のループに固定相を導入する。インジェクター（７）、（６）を切り換えて溶離液の流路を両方導入側にする。
【００１８】
高速向流クロマトグラフ（８）を１０００rpm を超える一定回転数で動作させ、回転が安定したらポンプ（５）により溶離液の送液を開始する。
出口をフラクションコレクターに接続し、濃縮されたフラクションを得る。または検出器（９）によりピークをモニターし、濃縮されたフラクションのみ分取する。あるいは検出器の信号により直接定量値を得る。検出器（９）については、通常の液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）の場合に見られるような吸光光度計や光散乱計、屈折計などを使用する。または原子吸光分析装置やＩＣＰ発光分光分析装置、ＩＣＰ−質量分析装置等を使用する。
なお、検出器に導入する最適な流速を調整するため、流路切り換えバルブ（４−３）の開閉によりイオン交換水（１２）を流路に加えることができるようになっている。イオン交換水を導入する場合は、検出器自体が流速を制御するポンプ等を持たない時は流路切り換えバルブ（４−３）と検出器（９）の間にポンプを入れる。
【００１９】
【実施例】
以下、実施例をあげて説明する。
実施例  １
図６にＺｎ、Ｍｇ、Ｃａ各２ｐｐｂを含む０．１Ｍ酒石酸溶液１０mlを試料とし、本システムで濃縮した結果を示す。なお、試料はアンモニア水でpHを７．１に調整した。ドラム（径１００mm、厚さ５０mm）に内径０．５mm、外形１．５mmのテフロンチューブを一層巻き付けて濃縮用カラムとした。（カラム長さは約１０ｍ、内容積は約２ml、公転半径１０cm）高速向流クロマトグラフの装置の回転数は１２００ｒｐｍとした。溶離液は酒石酸０．１Ｍを含む０．１Ｍ塩酸溶液、固定相は０．２ＭのＤＥＨＰＡおよび０．１８Ｍのアンモニアを含むヘプタン溶液０．６mlを用いた。図６において、横軸は０．１Ｍ塩酸溶離液の体積、縦軸は検出器（ＤＣＰ発光分光分析装置）からの発光強度を示している。ポンプ流速は試料濃縮時は０．１ml／min 、発光強度測定時は１ml／min とした。溶離液の体積１３．８mlより１４mlにかけてＰの強度が急激に低下しているが、これはpHの急峻な変化がこの領域で起こっていることを示している。１４ml付近でＭｇとＣａのピークが見られるので、これらの元素はpHの境界で濃縮されていることが分かる。一方、Ｚｎは少し遅れて１４．３〜１４．４ml付近でピークが見られる。これはＺｎの場合は他元素に比べてpHが減少しても有機相に抽出される割合（分配比）が大きいので溶出が遅れるためである。この例は分配比が異なっていれば通常のクロマトグラフィーのように分離も可能であることを示している。それに加えて通常のクロマトグラフィーでは不可能な濃縮が可能であることを示している。
【００２０】
実施例  ２
図７にＣｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕなどの重金属を含む０．１Ｍ酒石酸標準溶液を濃縮した時の発光強度を示す。なお、実験条件は実施例１と同じである。Ｃｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ各２ｐｐｂを含む溶液１０mlを試料とし、本システムで濃縮した。図７においてはＰの発光強度が急激に減少する溶離液体積１４mlのところで４元素ともピークが出現している。
【００２１】
実施例  ３
図８には水道水に酒石酸を加えて酒石酸０．１Ｍ溶液とし、アンモニア水でpHを８．０に調整した試料１０mlを濃縮した結果を示す。実験条件は実施例１と同じである。図８にはＺｎ、Ｍｎ、Ｃａについての発光強度が示されている。Ｃａ、ＺｎはＭｎに比べて大量に含まれていることがわかる。
【００２２】
実施例  ４
図９に水道水中のＣｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕの濃縮結果を示す。実験条件は実施例１と同じである。また実施例３における水道水試料と同じものを使用している。Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕとも十分な発光強度が得られている。Ｃｄの発光強度プロファイルを詳細に調べるため、図９の縦軸を拡大したものを図１０に示す。Ｃｄは通常水道水中にはｐｐｂレベルあるいはそれ以下と考えられるがはっきりしたピークが確認された。
【００２３】
表１に実施例１より実施例４までの各元素の濃縮結果に基づき、標準試料のピーク面積を基準として、水道水中に極微量含まれるＣｄ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕを定量した例を示す。
【００２４】
【表１】
0003756649.tif 000002
【００２５】
実施例  ５
図１１に水道水試料中のＭｎ、Ｎｉの濃縮結果を示す。試料は実施例３の場合と同様の処理を行なっている。実験条件はポンプ流速が実験全部を通して０．１ml／min である以外は実施例１と同じである。またこの場合は検出器（ＤＣＰ発光分光分析装置）に入る流量は図５の（１２）よりイオン交換水を導入して約１ml／min になるように調整した。高速向流クロマトグラフの溶離液は０．１ml／min であり、ゆっくり検出器に導入されるので、より正確な発光プロファイルが示されている。発光強度のピーク幅はこの図で、約０．１mlとなっている。またカラム内の固定相の終端から検出器までのデッドスペースが約２mlあるので、濃縮後、検出器に到達するまでに試料ゾーンの拡散がある。それにもかかわらず、溶離液約０．１mlの範囲でピークが出終わっていることから、確実に０．１ml以内に濃縮されるていることがわかる。もともとの試料の体積は１０mlであるので、体積比で１００倍以上の濃縮率が達成されていることがわかる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の高速向流クロマトグラフによれば、公転半径１０cm以上で１，０００rpm を超える高速回転が可能であり、Ｃａ、Ｃｄ、Ｍｇ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｃｕ、Ｐｂなどの金属を１００μｌ以下の微小体積中に１００倍以上の濃縮率で濃縮でき、超微量分析が可能となる。また、チューブの耐久性が大きく、カラムの取扱いも容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高速向流クロマトグラフの概略の構造を示す説明図である。
【図２】高速向流クロマトグラフのカラムにおける、濃縮開始直後の、試料中の金属イオンがカラムヘッドに集まる様子を示す説明図である。
【図３】高速向流クロマトグラフのカラムにおける、ｐＨ界面での金属の濃縮の様子を示す説明図である。
【図４】高速向流クロマトグラフのカラムにおける、イオンの抽出および逆抽出を示す説明図である。
【図５】高速向流クロマトグラフを含む装置の概略の構成を示す説明図である。
【図６】高速向流クロマトグラフによるＣａ、Ｍｇ及びＺｎの標準溶液の濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【図７】高速向流クロマトグラフによるＣａ、Ｍｇ、Ｎｉ及びＣｕの重金属標準溶液の濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【図８】高速向流クロマトグラフによる、水道水試料中のＺｎ、Ｍｎ及びＣａの濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【図９】高速向流クロマトグラフによる、水道水試料中のＣｄ、Ｍｎ、Ｎｉ及びＣｕの濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【図１０】高速向流クロマトグラフによる、水道水試料中のＣｄ及びＮｉの濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【図１１】高速向流クロマトグラフによる、水道水試料中のＭｎ及びＮｉの濃縮結果を示すクロマトグラムである。
【符号の説明】
ａ  公転軸
ｂ  液体搬送用のチューブ
ｃ  自転軸
ｄ  ドラム
ｅ−１  ギヤ
ｅ−２  ギヤ
ｆ  重り
【図１】
0003756649.tif 000003
【図２】
0003756649.tif 000004
【図３】
0003756649.tif 000005
【図４】
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【図５】
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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】
0003756649.tif 000012
【図１１】
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