JP2022503974A - 化学試料の圧力制御分離のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

圧力制御分割を使用して、低減されたピーク幅を伴う化学分析（例えば、ガスクロマトグラフィ又はガスクロマトグラフィ質量分光測定）のために、化学試料を注入源から検出器（例えば、質量分光測定器）に注入することができる。例えば、試料は、最初に第１の圧縮容積に移送され、次いで、システム内の圧力を増加させて、試料を圧縮して、それを第２の圧縮容積とカラムとの間で分割する。カラムに分割された試料の分画は、圧縮及び分割前のピーク幅と比較して、低減されたピーク幅を有することができるが、トレースレベル分析のために高感度を保つために、同じピーク高さを維持することができる。試料のこの部分は、カラムを横断し、化学ノイズを低減した分析のために検出器に溶出することができる。より速い注入速度は、試料が検出器に到達する前に必要とされる化学物質の分離がより少ないため、より速い分析時間を可能にすることができる。

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１８年１０月２５日付で出願された米国仮特許出願第６２／７５０，３８４号の利益を主張し、全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

（発明の分野）
これは、ガスクロマトグラム（ＧＣ）カラムに試料を注入する技術に関し、より具体的には、ＧＣカラムと別個の圧縮容積との間で試料を圧縮及び分割し、それによって試料のピーク幅を低減するために、圧力の制御された増加を使用する技術に関する。

ガスクロマトグラフィの速度を増加させることは、長年にわたってかなりの量の研究の目標であった。より短いカラム、より薄いカラムコーティング、より速い流量、及びより速い温度上昇を使用することにより、全ての化合物がＧＣカラムからより速く溶出することを可能にすることができる。しかしながら、より薄いコーティングを有するより短いカラムの使用は、カラムの分解能を低減することができ、これにより、ピーク分離が生じ得る。更に、試料が短い時間枠内でカラム上に均等に分布しない場合、ピークが歪む可能性がある。したがって、いくつかの状況では、ＧＣカラムへの試料の注入速度又は堆積速度を増加させてピーク幅、及び、したがってＧＣカラムの必要な分解能を低減し、それによって分析時間を低減することが望ましい場合がある。注入速度を増加させるために、３つの技術が過去に採用されている。流量制御分割、パルススプリットレス注入、及び注入される試料容積を単純に低減する。注入される試料容積を低減させることにより、分析の感度が低減する。

流量制御分割は、流量及び圧力制御装置を使用してカラムヘッド圧力を設定し、同時に制御された量のガスを「スプリットアウト」ポートを通して通気することも可能にする。所与の温度では、キャリアガスメークアップ、キャリアガス圧、及びカラム構成（例えば、長さ及び内径）は、特定のＧＣカラム温度でのキャリアガスの粘度を使用して計算することができる。すなわち、ＧＣカラムを通る流れは、計算された圧力を実施することによって単純に制御される。より速い全体流量が増加し、試料注入速度が増加するが、一定圧力での流量制御分割を使用する分割は、ピーク面積が分割される量に比例して低減し、それによって分析の感度が低減する。すなわち、２０：１分割使用フロー制御分割は、検出されたピークの面積をおよそ２０倍低減させるであろうが、ピーク高さはピークの狭小化に起因してわずかに低減され得る。分割時の圧力を上昇させることは、流量制御分割を使用して効果的ではなく、これは、特に、低い分割比（例えば、２：１、３：１又は１０：１未満）を達成しようと試みるときに、圧力が変化している際に分割流量を制御しようとする固有の困難さに起因して、一貫性のない分割比を引き起こす。分割比が一貫していない場合、この技術は非常に再現可能ではなく、したがって非常に定量的ではない。

パルススプリットレス注入は、注入時の圧力を増加させて、カラムのヘッドで試料を圧縮する。パルススプリットレス注入はピーク幅を低減することが示されてきたが、効果は、ピーク幅の約１．５～２倍の低減に限定され、多くの用途には不十分である。加えて、パルススプリットレス注入は、注入器内での溶媒膨張の影響を低減するために液体溶媒注入と共にしばしば使用されるが、最初に気相中にある試料を注入する際に有効ではない。

これは、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）カラムに試料を注入する技術に関し、より具体的には、圧力の制御された増加を使用して、ＧＣカラムと別個の圧縮容積との間で試料を圧縮及び分割し、それによって試料のピーク幅を低減する技術に関する。試料注入速度を増加させることによるピーク幅の低減は、ＧＣカラムの端部での検出前に化合物を分解するのに必要な時間を低減する。

圧力制御分割（ＰＣＳ）は、溶出ピークの頂点における信号対雑音比を低減することなくＧＣカラムへの注入速度を改善する。分割比は、圧力及び圧力上昇速度を制御することによって維持される。

圧力制御分割は、ＧＣカラムの分解能要件を低減しながらＧＣの稼働時間を加速するガスクロマトグラフィ（ＧＣ）分析中の注入帯域幅を低減する。プレカラムへの試料注入直後に、キャリアガス圧は短時間で急速に増加して、試料の一部がＧＣカラム及び軸外圧縮容積の両方に圧縮することを可能にする。この分割は、各溶出ピークの重心で各化合物の強度を実質的に低減させずにＧＣ分離カラム上を通過する各化合物のピーク幅を低減させる。部分的分割後に元のピーク高さを保持することは、非圧縮試料と同じ信号対雑音比を維持する一方で、ピーク幅が減少すると、厳密に溶出する化合物（化学ノイズ）からの干渉が低減される。圧力制御分割により、従来の流量制御分割技術を用いた分割よりも再現可能な方法で、２：１、３：１又は４：１の同等性を可能にする。ピーク高さに影響を及ぼすことなくピーク幅を低減することにより、全体的な感度を非常にわずかに又は実質的に低減させずに、はるかに速いＧＣ稼働時間を可能にし、そうでなければ分解されていない化学的干渉を排除することにより、精度の向上を可能にする。

いくつかの実施形態による、圧力制御分割を利用する例示的なシステムを示す。 いくつかの実施形態による、圧力制御分割を利用する例示的なシステムを示す。

いくつかの実施形態による、システムの動作に対応する例示的な圧力プロファイルを示す。

いくつかの実施形態による、システムの分割ティーを越えて移動するピークの図である。

いくつかの実施形態による、圧力制御分割を伴う及び伴わない例示的な部分クロマトグラフを示す。 いくつかの実施形態による、圧力制御分割を伴う及び伴わない例示的な部分クロマトグラフを示す。

いくつかの実施形態による、圧力制御分割を実行するための例示的なプロセスを示す。

以下の説明では、本明細書の一部を形成し、実施され得る具体的な例を例示することによって示される添付図面を参照する。他の例を使用することができ、本開示の実施例の範囲から逸脱することなく、構造的変化を行うことができることを理解されたい。

これは、ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）カラムに試料を注入する技術に関し、より具体的には、圧力の制御された増加を使用して、ＧＣカラムと別個の圧縮容積との間で試料を圧縮及び分割し、それによって試料のピーク幅を低減する技術に関する。試料注入速度を増加させることによるピーク幅の低減は、ＧＣカラムの端部での検出前に化合物を分解するのに必要な時間を低減する。

圧力制御分割（ＰＣＳ）は、溶出ピークの頂点における信号対雑音比を低減することなくＧＣカラムへの注入速度を改善する。分割比は、圧力及び圧力上昇速度を制御することによって維持される。

圧力制御分割は、ＧＣカラムの分解能要件を低減しながらＧＣの稼働時間を加速するガスクロマトグラフィ（ＧＣ）分析中の注入帯域幅を低減する。プレカラムへの試料注入直後に、キャリアガス圧は短時間で急速に増加して、試料の一部がＧＣカラム及び軸外圧縮容積の両方に圧縮することを可能にする。この分割は、各溶出ピークの重心で各化合物の強度を実質的に低減させずにＧＣ分離カラム上を通過する各化合物のピーク幅を低減させる。部分的分割後に元のピーク高さを保持することは、非圧縮試料と同じ信号対雑音比を維持する一方で、ピーク幅が減少すると、密接に溶出する化合物（化学ノイズ）からの干渉が低減される。圧力制御分割により、従来の流量制御分割技術を用いた分割よりも再現可能な方法で、２：１、３：１又は４：１の同等性を可能にする。ピーク高さに影響を及ぼすことなくピーク幅を低減することにより、全体的な感度を非常にわずかに又は実質的に低減させずに、はるかに速いＧＣ稼働時間を可能にし、そうでなければ分解されていない化学的干渉を排除することにより、精度の向上を可能にする。図１Ａ～図１Ｂは、いくつかの実施形態による、圧力制御分割を利用する例示的なシステムを示す。図１Ａに示すように、システム１００は、圧力制御装置１０２、注入器源１０４、第１の圧縮容積１１２を含むガスクロマトグラフ１１０、第２の圧縮容積１１６、分割ティー１１４、ＧＣカラム１１８、ベントソレノイド弁１０６、及び検出器１０８（例えば、質量分光測定器（ＭＳ））を含む。

システム１００は、ＧＣ分離カラム１１８を通して試料を検出器１０８に送達することができる。システム１００を介した試料の移送は、約＋／－０．０１ｐｓｉ以内の圧力を再現可能に制御する電子圧力制御（ＥＰＣ）システム１０２によって制御される。高度に再現可能なＥＰＣ１０２を使用して試料流を制御することにより、カラム１１８を通じた全ての化合物の溶出時間を、稼働ごとに再現可能であることを可能にする。溶出の窓が狭いことを可能にし、化合物の誤同定の可能性を低減することが重要である。ＥＰＣシステム１０２はまた、図２～５を参照して以下でより詳細に説明するように、ＧＣ分析の間、より低い圧力で開始し、より高い圧力まで増加する定常速度で圧力を増加させることができる。圧力を増加させることにより、ＧＣ１１０内の温度が増加し、温度上昇中に同じ温度でカラム全体を維持するため、ＧＣカラム１１８を通る一定流量を維持することができる。ＧＣカラム１１８及びその内部キャリアガスの温度が増加するにつれて、ガスの粘度も増加する。したがって、圧力を増加させることは、ＧＣカラム１１８を通る一定流量を維持するために使用することができる。この圧力の漸進的増加及び定常流量の維持は、温度が３５℃～３００℃、又は更に高い温度に徐々に増加し得るため、全稼働全体にわたるピークの広帯化を防止するのに役立つことができる。

システム１００の構成要素は、ここでより詳細に説明される。注入器源１０４は、注入及び分析の前に化学試料を収容することができる。注入源は、ループ注入弁、熱脱着管、パージ＆トラップシステムなどの熱脱着トラップ、又は多重キャピラリカラムトラップであり得る。例示的な多重キャピラリカラムトラップは、米国特許出願第１５／４７９，１２２号、「ＭＵＬＴＩ－ＣＡＰＩＬＬＡＲＹ ＣＯＬＵＭＮ ＰＲＥ－ＣＯＮＣＥＮＴＲＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＥＮＨＡＮＣＥＤ ＳＥＮＳＩＴＩＶＩＴＹ ＩＮ ＧＡＳ ＣＨＲＯＭＡＴＯＧＲＡＰＨＹ（ＧＣ）ＡＮＤ ＧＡＳ ＣＨＲＯＭＡＴＯＧＲＡＰＨＹ－ＭＡＳＳ ＳＰＥＣＴＲＯＭＥＴＲＹ（ＧＣＭＳ）」と題された２０１６年４月４日付で出願された米国特許公開第２０１７／０２８４９７８号において、より詳細に説明され、全ての目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。いくつかの実施形態では、多重キャピラリカラムトラップによる圧力制御分割を使用することにより、極低温集束トラップを使用して達成されるピーク幅よりも狭いピーク幅を達成し、これは次に、充填トラップを使用するシステムよりも５０％小さいピーク幅を生成することができる。したがって、圧力制御分割及び多重キャピラリカラムトラップの組み合わせは、充填トラップシステムよりも３～４倍狭いピーク幅を達成することができる。図１Ａに戻ると、注入器源１０４は、制御装置１０２及びＧＣ１１０に流体連結され、制御装置１０２が注入器源１０４及びＧＣ１１０を流れるガスの圧力を制御することを可能にする。

第１の圧縮容積１１２は、試料の注入中にキャリアガス及び試料の容積を収容する移送ラインを含むことができる。第１の圧縮容積１１２は、相又は収着剤コーティングを含まない、試料が流れることができる管のセクションであり、キャリアガス及び試料の流れが第１の圧縮容積１１２を通ってティー１１４に向かって流れることを可能にするために実質的に不活性な材料で作製されるか、又はコーティングされる。いくつかの実施形態では、第１の圧縮容積１１２は、０．４～０．６ｃｃの範囲の容積を有する。注入器源１０４とティー１１４との間の第１の圧縮容積１１２を含むことにより、試料は、注入器源１０４内の代わりに圧縮容積１１２内で圧縮することを可能にする。いくつかの状況では、試料が注入器源１０４内にある間に試料及びキャリアガスを圧縮することにより、試料を注入器源１０４の吸着剤内に更に捕捉することができ、これはピーク歪みにつながる可能性があるため、試料を注入器源１０４外で圧縮することが有利である。注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２への低流量を容易にすることにより、試料全体が第１の圧縮容積１１２内に存在した後（例えば、試料のいずれもティー１１４をまだ横断していない）にのみ圧縮の開始を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、試料が第１の圧縮容積１１２に移送されると、流れは、２～１０ｃｃ／分／分（例えば、３～５ｃｃ／分／分）の範囲の速度で増加させることができる。

第２の圧縮容積１１６は、一方の端部で第１の圧縮容積１１２に流体連結され、他方の端部でベントソレノイド弁１０６に連結され得る。第２の圧縮容積１１６は、ベントソレノイド弁１０６が閉じたままである間に、試料の一部分を収容することができる管を含むことができる。試料が注入源１０４から第１の圧縮容積１１２に移送された時点から、全ての試料が第１の圧縮容積１１２から第２の圧縮容積１１６及びＧＣカラム１１８へと移送されるまで、ベントソレノイド弁１０６を閉鎖することができる。以下により詳細に記載されるように、試料が第２の圧縮容積１１６とＧＣカラム１１８との間で分割されると、ベントソレノイド弁１０６を開放して、第２の圧縮容積１１６に入った試料の分割分画をシステムから除去することができる。いくつかの実施形態では、ベントソレノイド弁１０６は、キャリアガス及び試料がＧＣカラム１１８を通る流量よりも１～１０倍少ない流量でシステムから逃げることを可能にする、高度に制限的な出口で置き換えることができる。このようにして、出口を通過する流れの量は、カラム１１８から流出する流れに対して低くなり得、分析中に、分離部分が、稼働の終了前に排除され得、ＧＣオーブン１１０が冷却され、キャリアガス圧が再び下降するように、制限器を通過するのに十分な流れが存在し得る。ＧＣオーブン温度が増加する限り、キャリアガス圧は、一定の流れを維持するために増加し、分割弁を使用して除去するまで分割された試料がＧＣカラムに再び入ることを防ぎ得る。試料がティー１１４を横断した後、ベントソレノイド弁１０６を開放して、第２の圧縮容積１１６によって収容された試料の一部分をシステム１００から除去することができる。

ＧＣカラム１１８は、２～２００メートルの範囲の長さ及び約０。１－５．０μｍの厚さの内側コーティングを有するキャピラリカラムであり得る。ＧＣカラム１１８は、１００～５３０μｍ（例えば、１８０から３２０μｍ）の範囲内の内径を有することができる。いくつかの実施形態では、２～５メートル又は１５～６０メートルの範囲の長さを有するＧＣカラム１１８を使用することができ、いくつかの実施形態では（例えば、非常に複雑な試料を分析するとき）、２００メートルの長さ及び０．２５ｍｍの内径を有するカラムを使用することができる。以下により詳細に記載されるように、ＧＣカラム１１８の長さ、位相、及び位相厚は、検出器１０８への試料のより迅速な送達を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、検出器１０８は、質量分光測定器である。

第１の圧縮容積１１２、第２の圧縮容積１１６、及びＧＣカラム１１８は、分割ティー１１４によって連結されている。このように第１の圧縮容積１１２、第２の圧縮容積１１６、及びＧＣカラム１１８を連結することにより、以下により詳細に記載されるように、試料の一部分がＧＣカラム１１８に溶出し、試料の残りの部分が第２の圧縮容積１１６に転換されることを可能にする。

同様の分割構成を使用して、ベントソレノイド弁１０６が注入中にオンであるときに分割注入、又は注入中にベントソレノイド弁１０６がオフであるときに圧力制御分割注入のいずれかを可能にすることができる。いくつかの状況では、これらの分割又は圧力制御分割注入は、注入器源１０４と分割ティー１１４との間の第１の圧縮容積１１２などの移送ライン又は圧縮容積を含まないシステムを使用して実施される。図１Ａに示すようないくつかの実施形態では、分割ティー１１４が第１の圧縮容積１１２の下流に位置付けられるアプローチが使用される。

図１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、圧力制御分割を使用する例示的なシステム１００の別の構成を示す。図１Ｂに示すように、システム１００は、弁システム１２０及び１２２によって、ティー１１４とベントソレノイド弁１０６との間で切り替え可能に連結可能である複数の第２の圧縮容積１１６ａ～１１６ｃを含むことができる。第２の圧縮容積１１６ａ～１１６ｃの各々は、固有の容積を有することができ、システム１００のユーザーは、試料の分割比を設定するために所望の容積を選択することができる。図１Ｂは、３つの例示的な第２の圧縮容積１１６ａ～１１６ｃを示しているが、いくつかの実施形態では、異なる数の第２の圧縮容積を提供することができる。５％～９５％の範囲の分割比の選択を可能にするために、容積の範囲を提供することができる。キャリアガスの圧力上昇の開始における適切な遅延は、異なる二次圧縮容積１１６ａ～ｃの間を切り替えるとき、保持時間が一定のままであることを確実にすることができ、二次容積の増加は、ＧＣカラム１１８への第１の圧縮容積を通じた送達速度を増加させることになるため、ＧＣ分析の一貫した保持時間を維持するために、この増加した速度を考慮しなければならない。

図２は、いくつかの実施形態による、システム１００の動作に対応する例示的な圧力プロファイル２００を示す。いくつかの実施形態では、ＥＰＣ１０２は、圧力プロファイル２００に従ってシステム１００内の圧力を制御して、試料ピーク高さの損失をほとんど又は全く伴わずに試料を圧縮及び分離するプロセスにおいて、試料をＧＣカラム１１８に注入することができる。

Ｔ_０～Ｔ_１の注入は、低圧（例えば、１～５ｐｓｉｇ）及び低流量で行われ、試料全体が第１の圧縮ゾーン１１２に移送されることを可能にする。試料全体は、Ｔ_１において又はＴ_１の前に第１の圧縮ゾーン１１２を出るいかなる化合物も伴わずに、注入器源１０４から第１の圧縮ゾーン１１２へと移送される。遅い初期流量は、吸着剤の不均一な加熱、脱着中の吸着剤を通る非層流、又は様々な強度の吸着剤上に化合物が部分的に保持されたときの、複数の吸着剤システムからの一貫性のない放出速度に起因するなどして、注入器源１０４からの試料全体の放出における任意の時間遅延を可能にし得る。Ｔ_０～Ｔ_１までの時間は、試料を注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２へと完全に移送するために必要な時間及び第１の圧縮容積１１２の容積に応じて、約１２秒～２分であり得る。いくつかの実施形態では、Ｔ_０～Ｔ_１のキャリアガス及び試料の流量は、約０．３ｃｃ／分であり得、温度は３０～５０℃の範囲であり得る。

Ｔ_１～Ｔ_２の圧力は、試料を圧縮し、第２圧縮ゾーン１１６とＧＣカラム１１８との間の試料の一貫した分画を分割するために、一定速度で増加する。試料全体は、第１の圧縮ゾーン１１２から第２圧縮ゾーン１１６及びＧＣカラム１１８に、Ｔ_２において、又はＴ_２の前に移送される。いくつかの実施形態では、Ｔ_１～Ｔ_２の時間は、６～３０秒の範囲である。Ｔ_１とＴ_２との間の圧力変化速度及び第１の圧縮ゾーン１１２及び第２圧縮ゾーン１１６の容積は、対象とする全ての化合物が、Ｔ_２において、又はＴ_２の前に圧縮分割ティー１１４を通過して押し流されるように選択される。Ｔ_２により、圧力は、７～２０ｐｓｉｇの範囲であり得、圧力増加速度は、０．６ｐｓｉｇ／ｓ～９．５ｐｓｉｇ／ｓ、又は１ｃｃ／分／分～８ｃｃ／分／分の範囲であり得る。Ｔ_１～Ｔ_２のシステム内の温度は、３０～５０℃の範囲の初期ＧＣ温度に留まることができる。全ての化合物は、分割の再現性を確保するために、Ｔ_１～Ｔ_２の時間の間にティー１１４を横断することができることが重要である。例えば、光化合物は、Ｔ_１の前にティー１１４を横断し、最も重い化合物の全ては、Ｔ_２によってティー１１４を横断する。（例えば、Ｔ_２による）圧縮後、ＧＣカラム１１８を通る流量が、検出器１０８の流動制限を超えない間に良好な分離（例えば、使用されるキャピラリーＧＣカラムの最適な線速度）を提供する速度であるように、Ｔ_１での低い十分な圧力及び流量で開始することが重要である。例えば、２５０μｍの内径ＧＣカラム１１８に対する０．３～０．６ｃｃ／分の開始流量は、次いで、１～２ｃｃ／分の最終流量をもたらし得、これは依然としてそのカラム内径の使用可能な流量範囲内にある。

Ｔ_２において、試料はＧＣカラム１１８を通って移動し始める。Ｔ_２～Ｔ_３の圧力及び温度は一定である。試料の流量は、約０．８～２．０ｃｃ／分であり得る。Ｔ_２～Ｔ_３までの時間は、約１～３分であり得る。Ｔ_２～Ｔ_３の間、温度は３５～５０℃の範囲、又は１００℃の高さであり得、ＧＣカラム１１８の長さ及び内径に依存する圧力は、５～１８ｐｓｉｇの範囲であり得る。

Ｔ_３で開始すると、ＧＣカラム１１８を通る一定の所定の流量を維持するためにＧＣ１１０温度が増加するにつれて、圧力が徐々に増加する。同時に圧力及び温度を増加させると、キャリアガスの粘度が温度と共に増加するため、一定の流量が生じる。例えば、流量は、約１．２～１．３ｃｃ／分であり得る。Ｔ_３で開始すると、温度は毎分２～４０℃の速度で増加し得るため、圧力はしたがって、例えば、約１．２～１．３ｃｃ／分の流量を維持するために増加することができる。

図３は、いくつかの実施形態による、システム１００の分割ティー１１４を通過して移動するピーク３０２－３０４の図３００である。圧縮分割ティー１１４の前に試料を第１の圧縮ゾーン１１２に注入することにより、圧力を増加させる前に、ティー１１４を横断し始めることなく、試料全体が注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２に完全に移送されることを可能にすることができる。これは、注入デバイスが加熱された熱脱着管であるときなど、注入速度が最大限に速くない場合に特に有用である。いくつかの実施形態では、試料源からの放出速度は比較的遅くてもよいため、又は注入源１０４から第１の圧縮容積１１２への試料の送達が層流でなくてもよい場合、試料が注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２へと移送されて、試料が収容されるガスの総容積を低減することが有利であり得る。それ自体の容積のこの低減は、より濃縮された試料をより小さな容積で維持し、これは、最終的に、圧縮が開始されるときにカラム１１８へのより迅速な送達を可能にすることができる。また、Ｔ_２における流量は、ＧＣカラム１１８の内径に対して最適化される範囲にあることができ、それにより、注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２へと試料を移送する開始時に、最適よりもはるかに遅い流れを使用しなければならない。ピークの前方がピークの後方まで遠く離れて移動することが望ましくない場合があり、流れが増加したときに、非層流及び部分表面吸着が問題とならない場所に、試料全体が配置されることが有利であり得る。例えば、流れを０．３～１．２ｃｃまで上昇させるとき、下流容積が加圧されなければならないため、３～５ｃｃ／分の一時的流量が達成される。これは、試料が分割ティーを通過する時間を実質的に減少させることができ、これは、ＧＣカラム上への試料堆積時間を減少させることができる。

例えば、注入器源１０４の吸着性粒子から試料全体を脱着し、試料を第１の圧縮ゾーン１１２内に移送させるには、５～３０秒かかり得、これは、状況によっては、広いピーク及び低い分析器分解能をもたらし得る。しかしながら、最初の５～３０秒の注入中に低速流量が使用されて、試料が注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２に（例えば、図２に示されるように、時間Ｔ_０とＴ_１との間で）移送されることを可能にし、続いて、試料を部分的に第２の圧縮容積１１６内に圧縮するために圧力を徐々に増加させる（例えば、図２に示すように、時間Ｔ_１とＴ_２との間で）ことによって、全体的なピーク幅が大幅に低減され得る。圧縮が開始すると、圧縮及び分割が同時に行われるため、化学試料のピークは、第１の圧縮容積１１２を通って、ＣＧカラム１１８を通るよりもはるかに速く移動することができる。圧縮中、化学物質の濃度は、化学物質が内部に収容される容積に対して増加し得る。キャリアガスは、ＧＣカラムに対して親和性がなく、検出器感度に非常に影響を及ぼさないため、信号の増加を達成することができる。ＧＣカラムで生じ得る試料の典型的な拡散及び広帯化を考慮すると、圧力制御分割を使用して達成されるピーク強度は通常、標準的なスプリットレス注入に対して増加しないが、ピーク強度は、ピーク幅を２～５倍低減させながら、スプリットレス注入とほぼ同じピーク強度を維持する。

ピーク（例えば、ピーク３０２又は３０４）が圧縮ティー１１４を通過し、ＧＣカラム１１８上に流れると、試料の一部が第２の圧縮容積１１６内に流入するので、かなり減速する。流れの減少は、ピークの後方がピークの前方に追いつくことを可能にし、使用される圧縮容積及び圧力増加に応じて、幅のピークを２～５倍低減させる。例えば、ピーク３０２は、ＧＣカラム１１８上に送達されたときに分割ティー１１４を通過しているときよりも、分割ティー１１４の前にあるときに、ピーク３０４の３倍の幅である。いくつかの実施形態では、この技術は、ピークのピーク高さを低減する効果を有しない。例えば、ピーク３０２及びピーク３０４は、同じ高さを有する。ピーク高さの維持は、試料の一部が除去されている（例えば、ＧＣカラム１１８内に注入される代わりに、第２の圧縮容積１１６に移送されて、後にシステムから除去される）場合であっても、信号対雑音比を保つのに役立つ。ピーク高さの保持によるピーク幅の低減は、図４Ａ～４Ｂを参照して更に説明されるように、化学ノイズを低減することができる。圧力制御分割が生じ、対象の全ての化合物がＧＣカラム１１８上に存在した後、ベントソレノイド弁１０６を開放することができ、それにより、圧力増加及びピーク圧縮中に、第２の圧縮容積１１６内に圧縮された試料の一部を排除する。代替的に、いくつかの実施形態では、ベントソレノイド弁１０６は、上述のように、流量制限出口で置き換えることができる。

いくつかの実施形態では、第２の圧縮容積１１６の容積を増加させることは、注入速度を増加させることができるが、大きすぎる容積を有する第２の圧縮容積１１６の使用は、ピーク高さを低減することができる。例えば、１．２ｃｃ／分の６０ｍ×０．２５ｍｍカラムでは、化合物がカラム１１８上に部分的にのみ保持される温度をＧＣ１１０が達成すると、ピークはカラム上で１分当たり０．２秒だけ広がり得る。したがって、ピークが３分で溶出し、その注入時間を３秒に下げた場合、検出器において３．６秒のピーク幅を有し得る。試料の９８％が第２の圧縮容積１１６に分割される場合、注入時間は約０．１秒であり得、ピーク幅は約０．７秒であり得るが、これは、例えば、拡散に起因して、約０．６秒の広帯化を依然として有することになるからである。より厚いフィルムでは、試料がカラムを通過する際の拡散の量は、より大きい直径のカラムの場合と同様に、より大きくすることができる。試料を０．１秒で注入し、ピークを０．７秒まで広帯化する例については、ピーク幅の増加は７００％であるが、ピークを３秒から３．６秒まで広帯化する例については、２０％の増加のみである。したがって、２～４分割圧力制御分割範囲では、拡散広帯化によって引き起こされるピーク高さの減少は、試料の圧縮によるピーク高さの増加と同様であり得、結果として、非圧力制御分割ピークに対するピーク高さへの全体的な変化は全く又は実質的に生じない。

図４Ａ～４Ｂは、いくつかの実施形態による、圧力制御分割を伴う及び伴わない例示的な部分クロマトグラフ４００及び４２０を示す。図４Ａは、圧力制御分割なしのピーク４０６と、圧力制御分割を伴うピーク４０８との重ね合わせを示す。ピーク４０６及び４０８の頂点又は重心における濃度は、同時分割及び圧力誘起圧縮により、実質的に同じ大きさである。いくつかの実施形態では、結果として得られるより狭いピーク４０８上で高速ＧＣを実行することは、それが、ＧＣカラム１１８上での拡散に起因して、同程度に広帯化することを防止する。狭いピーク幅は、より短い長さ（例えば、６０ｍの代わりに３０ｍ）で、より薄いフィルム厚（例えば、１～２μｍの代わりに０．５μｍ）を有する、かつＧＣ１１０内のより速い流量及び温度増加率を有するカラムを使用することによって、維持することができる。ピーク４０８は、ピーク４０６よりも狭く、カラム１１８による分離がより少なくなるため、より短い分析時間が可能である。

図４Ｂは、圧力制御分割を伴わずに実質的に共溶出し得たであろう２つの密接に溶出する化合物に対する圧力制御分割の効果を示す。圧力制御分割を伴わずに、これらの化合物は、クロマトグラフ４２０上の単一の、ほぼ完全に分解されていないピーク４１２として現れる。圧力制御分割では、２つの別個のピーク４１４ａ及び４１４ｂが現れる。各化合物は、圧力制御分割を伴わずに他の化合物を定量化することに対して化学ノイズとして作用することができる。したがって、圧力制御分割は、ＧＣ分析時間を低減することができ、密接に溶出する化合物からの干渉によるノイズ又は不正確な定量を低減することができる。

図５は、いくつかの実施形態による、圧力制御分割を実行するための例示的なプロセス５００を示す。プロセス５００は、図１Ａ～４Ｂを参照して上述した１つ以上の実施形態に従って実行することができる。いくつかの実施形態では、非一時的コンピュータ可読記憶媒体は、１つ以上のプロセッサによって実行されると、プロセッサに、システムにプロセス５００の１つ又は動作を実行させる命令を記憶することができる。

５０２において、試料は、システム圧力が一定である間、注入器源１０４から第１の圧縮容積１１２に移送され得る。移送は、図２を参照して上述された時間Ｔ_０～Ｔ_１の間に完了することができる。

５０４において、試料は、図２を参照して上述したＴ_１～Ｔ_２などの第２の圧縮１１６容積とＧＣカラム１１８との間で分割することができる。この間、圧力は定常的に増加することができ、ティー１１４を通過して移動する際に試料を圧縮させ、第２の圧縮容積１１６とＧＣカラム１１８との間で分割させることができる。試料全体は、圧力が定常的に増加している間に、ティー１１４を通過して移動する。

５０６において、ソレノイド弁１０６を開放することができる。ベントソレノイド弁１０６を開放することにより、第２の圧縮容積１１６に分割された試料の分画をシステム１００から除去することができる。いくつかの実施形態では、ステップ５０６は実行されない。例えば、ベントソレノイド弁１０６は、試料の分割分画が比較的低い流量で第２の圧縮容積１１６から流出することを可能にする制限的な出口と置き換えることができる一方、プロセス５００の残りは進行する。

５０６の前、後、又は５０６中に、５０８で、システム１００は、ＧＣカラム１１８を通るＧＣカラム１１８に分割された試料の分画の流れを容易にする。一定圧力でＧＣカラム１１８を通る試料の流れは、図２を参照して記載されるＴ_２～Ｔ_３で生じ得る。この等温期間は、ＧＣカラム１１８と相互作用する比較的保持されていない化合物の時間を提供して、ＧＣ開始温度での化合物の分離を改善することができるが、この期間は、ピークの広帯化が明らかでないように、十分に短くあり得る（例えば、１～５分）。

５１０において、システム１００の圧力及び温度は、試料がＧＣカラムを通って移動し続けるにつれて徐々に増加する。圧力及び温度の増加は、図２を参照して以下に説明されるように、Ｔ_３から生じる。圧力の増加は、オーブン温度が増加するにつれてキャリアガス粘度の増加を考慮することができ、それにより、流量は、稼働中に一定又は実質的に一定のままであり得、ＧＣオーブン温度が増加するにつれて、一定の圧力動作に対してより短い稼働時間及びより低いピーク広帯化を可能にする。

５１２において、検出器１０８は、化合物がＧＣカラム１１８から溶出する際に試料の化学分析を実施する。図４Ａ～４Ｂを参照して上述したように、試料化合物のピークは、圧力制御分割を使用されていないものよりも狭いため、感度を減少させることなく得られるデータ中の化学ノイズを低減する。

いくつかの実施形態は、精度を改善し、ＧＣ用途の数百の分析時間を低減するために使用することができる。高度に正確な圧力制御及び圧力上昇を使用して、１．１～５倍（例えば、２～４倍）の範囲で正確な分割をもたらす能力は、分析ＧＣ化学を強力なツールに与えて、ＧＣ分解能を実質的に改善して分析速度を増加させる。圧力制御分割は、環境分析、食品及び風味分析、製品試験、芳香及び芳香分析、石油及び石油化学分析、法医学、及び臨床分析を含むＧＣ又はＧＣＭＳを使用する多くの分野で使用することができる。具体的には、カラム上又はカラムに至る移送ラインへの放出速度によって制限される試料導入速度を大幅に改善することができる。これは、試料を収容する吸着性管の熱脱着を含み、これは、通常の分割注入を使用するときに他の結果となる方法の全体的な感度を低減させることなく、注入速度を著しく増加させることができる。

したがって、上記によれば、本開示のいくつかの実施例は、システムの注入器源から第１の圧縮容積まで試料を移送することと、システムのカラムに移送される第１の部分と、システムの第２の圧縮容積に移送される第２の部分とに分割しながら、定常速度でシステム内の圧力を増加させることであって、第１の圧縮容積、第２の圧縮容積、及びカラムが、ティーによって連結されている、増加させることと、試料の第１の部分がカラムを通って移動する際に、試料の化学化合物を互いから分離することと、試料の第１の部分の化学分析を検出器で実施することと、を含む、方法に関する。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、ピークがティーを越えて移動するにつれて試料のピークの幅が減少し、ピークがティーを越えて移動するにつれてピークの高さは実質的に一定のままである。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、方法は、システムから試料の第２の部分を除去するために、第２の圧縮容積に流体連結されているベントソレノイド弁を開放することを更に含む。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、ベントソレノイド弁は、試料全体がカラムと第２の圧縮容積との間で分割された後に開放される。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、制限出口は、第２の圧縮容積に流体連結され、制限出口が、ガスがカラムを通るガスの流量よりも低い流量でシステムから出ることを可能にするように構成されている。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、試料全体は、圧力が増加している間に、第１の圧縮容積、第２の圧縮容積、及びカラムを接続するティーを横断する。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、試料の第１の部分の化学分析を実施することは、ガスクロマトグラフィ質量分光測定（ＧＣ－ＭＳ）を実行することを含む。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、方法は、複数の圧縮容積から第２の圧縮容積を選択することを更に含み、複数の圧縮容積の各々は、固有の容積を有し、第１の圧縮容積及びカラムに切り替え可能に連結可能である。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、システム内の圧力を増加させることは、検出器への試料の注入速度が増加するように行われ、検出器は、ガスクロマトグラフィ分析器及びガスクロマトグラフィ質量分光測定分析器のうちの１つを備える。

本開示のいくつかの実施例は、システムであって、第１の圧縮容積の第１の端部において注入器源に流体連結された第１の圧縮容積と、第２の圧縮容積と、カラムと、第１の圧縮容積の第２の端部、第２の圧縮容積、及びカラムを流体接続するティーと、検出器と、電子圧力装置であって、システムの注入器源から第１の圧縮容積に試料を移送することと、試料を第２の圧縮容積とカラムとの間で分割しながら、定常速度でシステム内の圧力を増加させることと、を行うように構成された電子圧力制御装置と、を備え、カラムが、試料の第１の部分がカラムを通って移動するときに、試料の化学化合物を互いから分離するように構成され、検出器が、試料の第１の部分の化学分析を実施するように構成される、システムに関する。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、ピークがティーを越えて移動するにつれて、試料のピークの幅は減少し、ピークがティーを越えて移動するにつれて、ピークの高さは実質的に一定のままである。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、システムは、第２の圧縮容積に流体連結されたベントソレノイド弁を更に含み、ベントソレノイド弁を開放することにより、試料の第２の部分がシステムから除去されることを可能にする。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、ベントソレノイド弁は、試料全体がカラムと第２の圧縮容積との間で分割された後に開放されるように構成される。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、システムは、第２の圧縮容積に流体連結された制限出口を更に含み、制限出口は、ガスが、カラムを通るガス流量よりも低い流量でシステムを出ることを可能にするように構成される。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、試料全体は、圧力が増加している間に、第１の圧縮容積、第２の圧縮容積、及びカラムを接続するティーを横断する。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、試料の第１の部分の化学分析を実施することは、ガスクロマトグラフィ質量分光測定（ＧＣ－ＭＳ）を実行することを含む。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、システムは、第２の圧縮容積を含む複数の圧縮容積を更に含み、複数の圧縮容積の各々は、固有の容積を有し、第１の圧縮容積及びカラムに切り替え可能に連結可能である。追加的に又は代替的に、いくつかの実施例では、電子圧力制御装置は、試料の検出器への注入速度が増加するようにシステム内の圧力を増加させることが実行されるように構成されており、検出器が、ガスクロマトグラフィ分析器及びガスクロマトグラフィ質量分光測定分析器のうちの１つを備える。

添付の図面を参照して実施例を完全に説明してきたが、様々な変更及び修正が当業者には明らかとなることに留意されたい。かかる変更及び修正は、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の実施例の範囲内に含まれるものとして理解されるべきである。

Claims (18)

1. 方法であって、
   システムの注入器源から第１の圧縮容積まで試料を移送することと、
   前記システムのカラムに移送される第１の部分と、前記システムの第２の圧縮容積に移送される第２の部分とに前記試料を分割しながら、定常速度で前記システム内の圧力を増加させることであって、前記第１の圧縮容積、前記第２の圧縮容積、及び前記カラムが、ティーによって連結されている、増加させることと、
   前記試料の第１の部分が前記カラムを通って移動する際に、前記試料の化学化合物を互いから分離することと、
   前記試料の前記第１の部分の化学分析を検出器で実施することと、を含む、方法。
2. ピークが前記ティーを越えて移動するにつれて、前記試料の前記ピークの幅が減少し、前記ピークが前記ティーを越えて移動するにつれて、前記ピークの高さが実質的に一定のままである、請求項１に記載の方法。
3. 前記システムから前記試料の前記第２の部分を除去するために、前記第２の圧縮容積に流体連結されているベントソレノイド弁を開放すること、を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記ベントソレノイド弁が、前記試料全体が前記カラムと前記第２の圧縮容積との間で分割された後に開放される、請求項３に記載の方法。
5. 制限出口が、前記第２の圧縮容積に流体連結されており、前記制限出口は、ガスが、前記カラムを通るガスの流量よりも低い流量で前記システムから出ることを可能にするように構成されている、請求項１に記載の方法。
6. 前記試料全体が、前記圧力が増加している間に、前記第１の圧縮容積、前記第２の圧縮容積、及び前記カラムを接続するティーを横断する、請求項１に記載の方法。
7. 前記試料の前記第１の部分の化学分析を実施することが、ガスクロマトグラフィ質量分光測定（ＧＣ－ＭＳ）を実行することを含む、請求項１に記載の方法。
8. 複数の圧縮容積から前記第２の圧縮容積を選択することを更に含み、前記複数の圧縮容積の各々が、固有の容積を有し、前記第１の圧縮容積及び前記カラムに切り替え可能に連結可能である、請求項１に記載の方法。
9. 前記システム内の前記圧力を増加させることが、前記試料の前記検出器への注入速度が増加するように実行され、前記検出器が、ガスクロマトグラフィ分析器及びガスクロマトグラフィ質量分光測定分析器のうちの１つを備える、請求項１に記載の方法。
10. システムであって、
    注入器源と、
    第１の圧縮容積であって、前記第１の圧縮容積の第１の端部において前記注入器源に流体連結された、第１の圧縮容積と、
    第２の圧縮容積と、
    カラムと、
    前記第１の圧縮容積の第２の端部、前記第２の圧縮容積、及び前記カラムを流体接続するティーと、
    検出器と、
    電子圧力制御装置であって、
    システムの注入器源から第１の圧縮容積まで試料を移送することと、
    前記試料を第２の圧縮容積とカラムとの間で分割しながら、定常速度で前記システム内の圧力を増加させることと、を行うように構成された、電子圧力制御装置と、を備え、
    前記カラムが、前記試料の第１の部分が前記カラムを通って移動する際に、前記試料の化学化合物を互いから分離するように構成されており、
    前記検出器が、前記試料の前記第１の部分の化学分析を実施するように構成されている、システム。
11. ピークが前記ティーを越えて移動するにつれて、前記試料の前記ピークの幅が減少し、前記ピークが前記ティーを越えて移動するにつれて、前記ピークの高さが実質的に一定のままである、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記第２の圧縮容積に流体連結されているベントソレノイド弁を更に備え、前記ベントソレノイド弁を開放することにより、前記試料の前記第２の部分が前記システムから除去されることを可能にする、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記ベントソレノイド弁が、前記試料全体が前記カラムと前記第２の圧縮容積との間で分割された後に開放されるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記第２の圧縮容積に流体連結されている制限出口を更に備え、前記制限出口は、ガスが、前記カラムを通るガスの流量よりも低い流量で前記システムから出ることを可能にするように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
15. 前記試料全体が、前記圧力が増加している間に、前記第１の圧縮容積、前記第２の圧縮容積、及び前記カラムを接続するティーを横断する、請求項１０に記載のシステム。
16. 前記試料の前記第１の部分の化学分析を実施することが、ガスクロマトグラフィ質量分光測定（ＧＣ－ＭＳ）を実行することを含む、請求項１０に記載のシステム。
17. 前記第２の圧縮容積を含む複数の圧縮容積を更に備え、前記複数の圧縮容積の各々が、固有の容積を有し、前記第１の圧縮容積及び前記カラムに切り替え可能に連結可能である、請求項１０に記載のシステム。
18. 前記電子圧力制御装置は、前記試料の前記検出器への注入速度が増加するように前記システム内の圧力を増加させることが実行されるように構成されており、前記検出器が、ガスクロマトグラフィ分析器及びガスクロマトグラフィ質量分光測定分析器のうちの１つを備える、請求項１０に記載のシステム。

Images