窒素エバポレーターの原理

Orange Science
9月24日
読了時間: 14分

更新日：9月30日

窒素エバポレーターの原理は、窒素ガスを試料の液面に吹き付けて蒸発を促進する「窒素ブローダウン」という技術と、加熱を組み合わせることです。この原理により、試料を効率的に濃縮したり、溶媒を除去したりできます。

仕組み

具体的な仕組みは以下の通りです。

窒素ガスの吹き付け

窒素エバポレーターは、試料が入った容器の液面に窒素ガスを安定して吹き付けます。

蒸気圧の低下

試料の液面上に溜まる蒸気飽和状態の空気は、蒸発を妨げる原因になります。窒素ガスを吹き付けることでこの空気の層を押し流し、液面上の蒸気圧を低下させます。

蒸発の促進

蒸気圧が低下すると、より多くの溶媒分子が液面から蒸発できるようになり、溶媒除去が迅速に進みます。

加熱による効率化

溶媒が蒸発する際に、気化熱によって試料の温度がわずかに低下します。このため、ウォーターバスやヒートブロックなどの熱源で試料を加熱することで、蒸発速度をさらに高めることができます。

窒素エバポレーターは、とくに揮発性の高い溶媒や、少量の試料を濃縮・乾燥させる場合に効果的で、試料を酸化させることなく処理できるという利点があります。

窒素吹付けによる溶媒除去

窒素吹付けによる溶媒除去は、窒素ガスと加温の組合せにより過剰な溶媒を除去するプロセスです。このプロセスでは、緩徐加熱により試料に熱エネルギーを与えながら、窒素気流を試料表面にあてることで、溶媒を蒸発させます。このプロセスでは、試料の蒸気圧を下げることで、過剰な溶媒をより迅速に蒸発させることを可能にしています。この濃縮方法は、揮発性または半揮発性の有機溶媒溶液の少量の試料に対して特に有効です。窒素ブローダウンの精密性により、蒸発乾固またはある特定の時点までの蒸発をお考えの方には最良の選択肢となります。

ブローダウン式蒸発は、 LC-MS や GC-MS 分析の試料調製でよく利用されています。誘導体化または溶媒抽出後、分析前に過剰な試薬や溶媒を除去するのに実施されることが多いです。試料の濃縮を要することが多い典型的な抽出技術は、SPE、ソックスレー抽出、液液抽出です。

ブローダウン式抽出は、抽出と分析の間における溶媒交換においても利用される場合が多いです。蒸発乾固後、クロマトグラフィによる分析でより相溶性の高い異なる溶媒を特定量使用して、残渣を再溶解させることができます。

この方法は、メタノール、アセトニトリル、ジクロロメタン、アセトン、およびヘキサン等の有機溶媒を使用した、通常30mL未満といった少量の溶液試料の場合に理想的な方法です。大容量または沸点が140℃を超える試料の場合、減圧も加えるロータリーエバポレーターの方が好ましいです。

窒素エバポレーターによる溶媒蒸発プロセス

試料のセット ・試料を入れたバイアル、チューブ、あるいはマイクロプレートをエバポレーターに設置します。・多検体処理用にラックやマニホールドが備えられていることが多いです。
加熱による蒸発促進 ・装置にはウォーターバスやヒートブロックがあり、温度を一定に制御して試料を加温します。・この加温により溶媒の蒸気圧が上がり、蒸発が加速されます。
窒素ガスの吹き付け ・高純度の窒素ガスを試料表面に吹き付けます。・窒素は不活性ガスなので、酸化や分解を防ぎながら安全に蒸発を進行させます。・ガスの流れが液面を撹拌する効果を生み、蒸発速度を向上させます。
溶媒蒸発の進行 ・加熱とガス吹付けの相乗効果で、試料中の溶媒が効率的に除去されます。・特に有機溶媒（水、メタノール、アセトニトリルなど）の揮発に有効です。
濃縮・乾固の完了 ・最終的に試料は濃縮され、目的成分が残ります。・条件によっては完全乾固（ドライダウン）まで行うことも可能です。

特徴とメリット

酸化防止：窒素は不活性ガスのため、試料を酸化や熱分解から保護。
スピード向上：加熱と窒素吹付けで自然蒸発よりはるかに短時間。
マルチサンプル対応：複数サンプルを同時処理でき、前処理効率が高い。
再現性：温度・ガス流量を一定に保つことで均一な蒸発が可能。

窒素ブローのプロセス

周囲条件下で、少数の溶媒分子が試料の真上の空気中に蒸発していきます。その後、これらの分子を溶液中で再濃縮させるか、周囲空気中に分散させることができます。窒素吹付けによる溶媒除去は、窒素ガスの定常気流を試料の真上にあて、緩やかに蒸気で飽和された空気を押し出して蒸気が残りの液体に戻らないようにしながら、溶媒を蒸発させます。これにより、より多くの溶媒が蒸発することになり、試料からの溶媒蒸発を迅速化します。

溶媒分子が出ていくにつれ、残りの液体は若干冷え、残っている溶媒のエネルギーは低下し、蒸発能が軽減します。溶媒分子の蒸発速度を再び上げるには、水浴またはドライブロックにより試料を加熱してエネルギーを付与することができます。窒素ブローダウンと加熱を組み合わせることで、溶媒分子は迅速に蒸発して、試料容器にはパーフェクトに蒸発された試料が残ります。試料を溶媒の沸点より数度低い温度に加熱することで、最大限の濃縮を達成します。

窒素ブローのプロセス図

平均で、窒素ブローダウンのみで2mLのメタノール試料溶液を蒸発乾燥させるのにおよそ35分要します。これに対し、窒素ブローダウンと加熱を組み合わせた場合、同量のメタノール試料溶液を安全に濃縮させるのにかかる時間は、たった8分です。

窒素吹付けによる溶媒除去を、専用の機器を使用せずに溶液の入ったバイアルを手で窒素気流にかざして行う事もできます。この手法は試料数が少ない場合に有効ですが、定期的に実施する場合、窒素吹付けによる溶媒除去を行う機器の方が、この工程の効率化を図れます。Organomationのブローダウン式エバポレーターでは、窒素ブローダウンと緩徐加熱を組み合わせることで、複数の試料の濃縮を一度に効率的に実施できます。

時間計算・溶媒除去方法判別ツール

Organomation社の日本語Webサイトでは溶媒除去に関する時間計算ツール・溶媒除去方法判別ツールを用意しています。手作業で処理していた濃縮除去の時間を濃縮器を使うことでどれだけ時間短縮できるか、ラボに必要な溶媒除去方法、濃縮器が必要か、など、いくつかの質問に答えるだけですぐに回答が得られます。ぜひご活用ください。

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Organomation - 窒素エバポレーター

オレンジサイエンスでは世界的に有名なOrganomation社の窒素エバポレーターを取り扱っています。Organomation社は、窒素ブローダウン技術を中心とした窒素エバポレーター・窒素ブローダウン蒸発装置を専門としている機器開発メーカーです。1959年に設立され、60年以上にわたり、世界中の研究・試験機関向けに窒素エバポレーター・窒素蒸発装置を提供してきました。Organomation社の高品質な窒素エバポレーター装置は、世界中で信頼性が高く、メンテナンスの手間がかからない実験装置であると高く評価されています。また、耐用年数が長いため、今日の多忙な研究室にとって、非常に費用対効果の高いソリューションとなっています。

窒素エバポレーターとは、分析用サンプルの前処理によく使用される実験装置です。環境試験、農業、食品・飲料、医薬、品質保証、科学捜査、オイル・グリースなど、様々な業界で使用されており、質量分析を行う前にサンプルを乾燥・濃縮するために使用されます。試料は窒素エバポレーターに充填され、窒素ブローダウンが、時には熱と併用されながら、試料の水分を除去するために使用されます。

Organomationの卓上型窒素エバポレーターは、窒素ガスの穏やかな流れをサンプルに直接供給します。一定のガス流は、蒸気が飽和した空気層を押し流し、蒸気が液体に戻るのを防ぎます。これにより、過剰な溶媒蒸気の量が減少し、圧力が下がり、サンプルがより速く蒸発することが可能になります。これは、少量、揮発性、半揮発性のサンプルには特に重要です。

窒素ブローダウンは消耗品を必要としない方法であり、サンプルに非常に優しく、代替オプションと比較して非常に手頃な価格です。

Organomationは、N-EVAPライン、MULTIVAPライン、MICROVAPラインの3つの主要製品ラインを通じて、少量サンプル用の窒素ブローダウン蒸発器の多くのバリエーションを提供しています。

N-EVAP

N-EVAPは調整可能な窒素ブローダウン技術を利用しており、窒素ガスを無駄にすることなく、サンプルへの窒素フローを完全にコントロールできます。柔軟性がN-EVAPの特徴です。他の少量サンプルエバポレーターと異なり、N-EVAPは、別々のヒートブロックを必要とせず、一度に数種類のバイアルやチューブを保持することができます。非加熱モデルだけでなく、ウォーターバスまたはドライビーズ付きの加熱モデルもあります。

N-EVAP

MULTIVAP

MULTIVAPは、一度に多数のサンプルのバッチ濃縮に一貫性を提供します。チューブは、加熱された特注アルミブロックまたはウォーターバスに設置されます。窒素分配マニホールドはユニットとして昇降し、1回の動作で全サンプルへの蒸発を開始または停止します。

MULTIVAP

MICROVAP

MICROVAPは、96ウェルマイクロプレートや小ロット用に設計されたコンパクトな装置で、ライフサイエンスや製薬業界のお客様によく使用されています。サンプルは、サンプルチューブに合うように特注加工された加熱アルミニウムブロックに収まります。常温での蒸発用に、加熱なしのモデルもあります。

MICROVAP

窒素ブローダウン蒸発器は、少量のサンプルや大量のサンプルの蒸発、複数のサンプル前処理方法の同時実行を可能にすることで、ラボに利益をもたらします。

動画

時間計算・溶媒除去方法判別ツール

溶媒除去に要する時間計算

どの溶媒除去方法が適切か

濃縮器導入の判断

Organomationの窒素エバポレーターの違い

Organomation社は、窒素ブローダウン技術を中心としたラボ用窒素エバポレーターのメーカーです。N-EVAP、MICROVAP、MULTIVAPの3つの主要なブローダウン製品ラインがあります。各製品ラインは、容量、制御、機能が異なるため、さまざまな用途に対応できるように設計されています。ここでは、各エバポレーターの主な違いを説明し、どのエバポレーターがお客様のラボに最適かを判断できるようにします。