JP2012008061A - 液体クロマトグラフ用分離カラム、及び液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】線速度を上げてもカラム性能が低下することなく高速分離分析が可能な液体クロマトグラフ用分離カラム、及び液体クロマトグラフを提供する。
【解決手段】分離カラムに円柱形状に成形されたモノリスロッドが組み込まれ、試料及び移動相がモノリスロッドに流入するモノリス型の分離カラムであって、モノリスロッドは細孔を有する部位と細孔を有さない部位とを交互に有することを特徴とする。また、モノリスロッドは、細孔を有する多孔質体と細孔を有さない部位とが、試料の流れ方向に交互に配置される構成であることを特徴とする。あるいは、細孔を有する部位は多孔質体であり、細孔を有さない部位はノンポーラスのビーズであることを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体クロマトグラフ用分離カラム、及び液体クロマトグラフに関する。

液体クロマトグラフは、溶離液中の試料の成分を分離カラムで分離し、分離された順番で流れてくる成分を分光光度計等の検出器で検出して、試料の成分を分析する装置である。液体クロマトグラフで一般的に使用されている粒子充填型カラムを用いて、分離性能を維持しつつ高速な分析を行うためには、カラムに充填する粒子径を小さくして粒子表面積を増やし、単位時間当たりの送液量を増やす必要がある。例えば、内径４mm程度の円筒容器に直径５μｍ程度の粒子を充填した従来のカラムに対し、粒子の直径を２μｍ程度に変更することにより、分析時間を１０分の１程度に短縮することができる。しかし、粒子径を小さくすると流動抵抗が増加し、高圧で送液しなければ必要な流量が得られないため、カラムを含む分析装置全体の高耐圧化が必要になる。

この高耐圧化を避けるためのカラム構造として、従来の粒子充填型カラムではなく、三次元ネットワーク状の骨格とその空隙が一体となった構造を持つモノリスカラムが提案されている。モノリスカラムは、空隙率が大きく流動抵抗が増加しない。骨格には、ｎｍオーダーのメゾポアと呼ばれる細孔が存在し、このメゾポアは、試料が脱着する表面積が大きくなることから分離性能向上に寄与している。例えば、細管内に多孔質体としてモノリスロッドやモノリシックシリカロッドを組み込んだモノリス型シリカカラムが提案され、高性能化が図られている。

シリカ型多孔質体は、骨格がスピノーダル分解に基づくゾル−ゲル転移により形成され、その後、細孔がアンモニア処理により作製されるが、その均一性，一様性を高精度に成形することが困難であるという課題を有している。これに対して、多孔質体の細孔分布を制御して作製する方法として、金属アルコキシドを出発原料とし、適度な共存物質を原料に添加し、巨大空孔となる溶媒リッチ相を持つ構造を生じさせる作製方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図５は、モノリスカラム内の試料の流れ方の概念を示す断面図である。円筒形状のモノリスカラム１の内部には、移動相２、三次元ネットワーク状の骨格とその空隙が一体となった構造である固定相３があり、試料４は図示の矢印のように移動相２と固定相３の間を行き来する。試料４は、固定相３への分配および吸着力により、捕集と脱離を繰り返しながら分離される。固定相３の空隙は、径や深さが異なり貫通している様々な形態の細孔である。このような細孔により、試料と接触する表面積が大きく、分離に寄与する場が大きくなり、高い分離能が得られる。

しかしながら、骨格の細孔が不規則に存在しているため、一部の試料は骨格の表面に移動し、一部の試料は軸方向に移動して細孔の内部に深く浸透し拡散する。移動相の流量をカラム断面積で割った線速度を上げると、個々の試料が移動相まで溶出する時間に差異が生じる。特に高流量の領域において、理論段高さ（Ｈ）が大きくなっていると考えられる。したがって、線速度を上げてもカラム性能が低下しないモノリスカラムが望まれる。

特開平７−４１３７４号公報

本発明は、線速度を上げてもカラム性能が低下することなく高速分離分析が可能な液体クロマトグラフ用分離カラム、及び液体クロマトグラフを提供することを目的とする。

上記目的を解決するために、本発明の実施例は、分離カラムに円柱形状に成形されたモノリスロッドが組み込まれ、試料及び移動相がモノリスロッドに流入するモノリス型の分離カラムであって、モノリスロッドは細孔を有する部位と細孔を有さない部位とを交互に有することを特徴とする。

また、モノリスロッドは、細孔を有する多孔質体と細孔を有さない部位とが、試料の流れ方向に交互に配置される構成であることを特徴とする。

あるいは、細孔を有する部位は多孔質体であり、細孔を有さない部位はノンポーラスのビーズであることを特徴とする。

本発明によれば、線速度を上げてもカラム性能が低下することなく高速分離分析が可能な液体クロマトグラフ用分離カラム、及び液体クロマトグラフを得ることができる。

液体クロマトグラフの概略構成を示す構成図である。 粒子径を変えたときの、線速度ｕと理論段高さＨの関係を示すグラフである。 分離カラムの構造の一例を示す断面図である。 分離カラムの構造の一例を示す断面図である。 モノリスカラム内の試料の流れ方の概念を示す断面図である。

以下、図面を適宜用いて、本発明の実施例を説明する。

〔実施例〕
図１は、液体クロマトグラフの概略構成を示す構成図である。溶離液容器１１に保存された溶離液を送液ポンプ１３で送液し、試料容器１２に保存された試料をオートサンプラ１４で注入し、恒温装置であるカラムオーブン１６の中の分離カラム１５で試料が成分分離され、検出器１７で検出される。検出が終わった溶離液は、廃液用容器１８に排出される。

次に、分離カラムの構造について検討する。充填剤として粒子を用いた粒子充填型カラムにおいて、移動相の線速度をｕ、理論段高さをＨ、粒子の直径をｄｐとすると、Van Deemterの式より、下記の関係がある。

Ｈ＝Ａｄｐ＋Ｂ／ｕ＋Ｃｕ ・・・・・ 数１
ここで、Ａは径方向への拡散を表す係数、Ｂは軸方向への拡散を表す係数、Ｃは移動相と固定相との間の試料の移動に関する係数である。理論段高さＨは、小さい方がカラム性能は良好である。線速度が上がると、理論段高さＨは大きくなり、カラム性能が低下する。

図２は、粒子径を変えたときの、線速度ｕと理論段高さＨの関係を示すグラフである。分離カラムの充填剤として、粒子径が２μｍ，３μｍ，５μｍの３種類の粒子を用い、線速度ｕと理論段高さＨの関係を計算で求めてグラフ化した。粒子径３μｍ、および５μｍのでは、線速度ｕが大きくなると、理論段高さＨが大きくなる。したがって、カラム性能が低下する傾向がある。粒子径２μｍでは、線速度ｕが大きくなっても理論段高さＨは大きくならない。これは、粒子径３μｍや５μｍの分離カラムと比較して、粒子径２μｍの分離カラムでは、試料が速やかに移動相と固定相の間を移動するためであり、線速度ｕが上がっても理論段高さＨが維持される。

文献「モノリス型シリカカラムによるＨＰＬＣの高性能化、木村ほか、ぶんせき200410、５７６頁−５８４頁」によれば、カラム圧力と溶離液粘度の積の逆数で定義されるセパレーションインピーダンスでカラム性能を比較すると、粒子充填型カラムよりもモノリスカラムの方が、一桁以上の高い性能を有しているが、線速度ｕが５mm毎秒あたりから、セパレーションインピーダンスが劣ってくる傾向がある。これは、文献「G.Desmet et al., Anal. Chem., 77, 4058-4070(2005)」によれば、粒子径１.７μｍなどのサブ２μｍ粒子や、米国特許出願公開ＵＳ２００７／０１８９９４４号，特開２００８−１４５１９０号公報などに開示されたメソ細孔とマクロ細孔を有する樹枝状構造の多孔体からなる直径３μｍ以上の外殻を有するマイクロカプセルであるコアシェル型粒子と比較して、理論段数がおおよそ１万段以下で、モノリスカラムの分析時間が比較的大きくなっており、上記数１のＣ項が大きいことに起因している。すなわち、モノリスカラムでは、試料が移動相と固定相との間を行き来する割合が大きく、線速度を大きくすると、理論段高さが大きくなってしまう。ここで、粒子充填型カラムとモノリスカラムを再度比較する。上記数１のＣ項は、物質移動に関連する項である。例えば、サンプル溶質が移動相から固定相に、あるいは逆に固定相から移動相に移動する時間に関連している。サンプル溶質の移動時間が短いほど、Ｃ項が小さくなり、理論段高さを小さく維持できる。

コアシェル型粒子を用い、固定相の厚みを１μｍ程度にしたカラムや、サブ２μｍ粒子を用いたカラムでは、サンプル溶質の移動時間を小さくできる。サンプル溶質は、固定相のどこにいても、細孔の領域を１μｍから２μｍの距離を移動すれば、移動相に脱出できるわけである。これに対して、モノリスカラムの場合、サンプル溶質は、軸方向には１０μｍ移動しても移動相に脱出できない場合がある。モノリスカラムの固定相のスケルトンの細孔領域が軸方向に長いと、サンプル溶質が移動相側に出てくるのに時間を要し、モノリスカラムの場合の上記数１のＣ項を大きくしている要因であると推定される。

次に、移動相について検討する。固定相の細孔領域は、理想的には、全方向に１μｍ程度であるが、移動相の体積スケールにも理想状態がある。つまりモノリスカラムのマクロポアは、圧力損失が過剰にかからないために、マクロポア比率がスケルトン領域の１μｍから２μｍの１.５倍から２倍の２μｍから３μｍ程度が理想的である。

これに対して、コアシェル型粒子は、粒子径が２.７μｍ程度で、マクロポア相当の隙間の長さスケールが１.５μｍ程度である。サブ２μｍ粒子は隙間が狭く、マクロポア相当の長さスケールが１μｍ以下である。これらマクロポアの代表的スケールによって、カラム浸透性（Column Permeability）が決まる。したがって、モノリスカラムが最良である。なお、カラム容器の内壁に沿って充填剤がなく、移動相が障害物なしに流れるとすると、サンプル溶質が固定相に全くトラップされないので、このような構造は避けなければならない。

以上から、液体クロマトグラフ用カラムの理想的な固定相と移動相が導かれる。細孔領域としての固定相は、全方向に１μｍ程度の微小体積空間であること、移動相の占める体積空間は２μｍから３μｍのマクロポアのような空洞空間であって障害物を配すること、このような条件を満たす液体クロマトグラフ用カラムを本発明は提供するものである。

サブ２μｍ粒子は、ほぼ理想的な１μｍ程度の微小体積空間を実現しているが、そのまま空のカラムに充填すると、移動相の占める体積空間ではマクロポア相当スケールが１μｍ程度となって、移動速度を大きくできない。コアシェル型粒子は、１.５μｍ程度で少しだけ大きい。

固定相のスケルトンの細孔領域が１μｍから２μｍであるモノリスカラムでは、サンプル溶質は、軸方向には１０μｍ移動できても移動相には脱出できず、移動速度の増加を妨げている。これは、スケルトン骨格の軸方向に細孔領域が連続していることが原因である。したがって、軸方向に部分的に隔壁膜を配すれば、サンプル溶質は軸方向に移動できず、一旦、移動相に脱出してから、又再び隣接するスケルトンの細孔領域に移動する。

図３は、分離カラムの構造の一例を示す断面図である。分離カラムの容器に挿入されるモノリスロッドの縦方向の断面を示し、多孔質体は、細孔を有する第一部材５と細孔を有しない第二部材を、流れの方向に交互に並べた構成である。第一部材５は、１０ｎｍから１００ｎｍ程度の細孔を有している。試料は第一部材５の細孔に入り込むが、第二部材６には細孔がないので、試料は軸方向に深く移動できず、移動相に試料が移動する時間が長くなるのを防ぐことができる。そして、線速度が上がっても、カラム性能の低下がなく、高速分離分析ができる液体クロマトグラフの分離カラム及び液体クロマトグラフを実現することができる。

図３に示した分離カラムを構成する多孔質体の作製方法について説明する。はじめに、酢酸水溶液にアルコキシシランとポリエチレングルコールを加えて攪拌した溶液を、内径２０mmから６０mmの中空管に注入する。次に、上記の攪拌した溶液を満たした中空管を、一定温度で一定時間保持すると、中空管内部でシリカゲルが形成される。さらに、上記シリカゲルをアンモニア処理することにより、骨格表面に１０ｎｍから１００ｎｍ程度の細孔が作製される。その後、焼成により強度を持たせた多孔質体の第一部材５が形成される。この第一部材５は、上記細孔に加え、空隙が１０μｍ程度の３次元ネットワーク状のスケルトン状の骨格を持つ。

一方、上記容器にシリカゲルを形成し、アンモニア処理せずに焼成を行い、細孔のない第二部材６を形成させる。第二部材６は、細孔がないが、空隙が１０μｍ程度の３次元ネットワーク状のスケルトン状の骨格を持つ。

第一部材５と第二部材６を容器から取り出し、それぞれ厚さ１μｍから２μｍに切り出す。第一部材５と第二部材６とを交互に重ね合わせ、分離カラム用のモノリスロッドが形成される。モノリスロッドをＰＥＥＫ樹脂にて被覆し、オクタデシル基などの官能基を化学結合させることによって、液体クロマトグラフ用分離カラムとして用いることができる。

第一部材５と第二部材６とを重ね合わせたときにできる空隙が大きく、分離カラムとしての性能が低下する場合は、ＰＥＥＫ樹脂で被覆した後、再度、モノリスロッドを作製する。すなわち、酢酸水溶液にアルコキシシランとポリエチレングルコールを加え、攪拌した溶液を注入し、一定温度で一定時間保持し、その後、焼成を行うと、第一部材５と第二部材６とがそれらの間で結合して、強度を持った一体のモノリスロッドが形成される。このモノリスロッドは、細孔を有する部位と細孔を有しない部位とが交互に配置された構造となり、全体が１０μｍ程度の空隙の３次元ネットワーク状のスケルトン状の骨格を持つ。

図４は、分離カラムの構造の一例を示す断面図である。分離カラムの容器に挿入されるモノリスロッドの縦方向の断面を示し、多孔質体７とビーズ８とから構成される。多孔質体７は、三次元ネットワーク状の骨格の空隙が１０μｍ程度であり、さらに、骨格表面に１０ｎｍから１００ｎｍ程度の細孔を有している。ビーズ８は、材質が例えばポリスチレン−シビニルベンゼンからなるポリマーで、細孔の無いノンポーラスタイプであり、その粒子径は１０μｍ程度が望ましい。

ビーズ８は分離カラム内に細密構造で充填され、その隙間に多孔質体７が形成される構造であり、その結果、分離カラムは、細孔を有する多孔質体７が交互に配置される構造となっている。したがって、細孔の内部に試料が深く移動することが無いため、移動相までに溶出する時間が長くなることがなく、試料の拡散を防止できるので、線速度が上がっても、カラム性能が低下することなく、高速分離分析ができる液体クロマトグラフ用分離カラムを実現することができる。

図４に示した分離カラムの作製方法について説明する。はじめに、内径２０mmから６０mmの中空管にビーズ８を注入して充填する。このとき、ビーズ８は、中空管内で最密構造となるように充填される。次に、ビーズ８が充填された中空管に、酢酸水溶液にアルコキシシランとポリエチレングルコールを加え、攪拌した溶液を注入する。中空管を一定温度で一定時間保持すると、上記攪拌した溶液は、ビーズが充填されてできた空隙でシリカゲルの骨格を形成する。さらに上記シリカゲルをアンモニア処理することにより、骨格表面に１０ｎｍから１００ｎｍ程度の細孔が作製される。さらに、上記中空管に焼成により強度を持たせると、多孔質体７が形成される。多孔質体７は、ビーズ８が充填されてできた空隙を埋めた一体構造であり、三次元ネットワーク状の骨格と１０μｍ程度の空隙とを有し、骨格表面に１０ｎｍから１００ｎｍ程度の細孔を有している。多孔質体７とビーズ８からなるモノリスロッドを中空管から取り出し、このモノリスロッドをＰＥＥＫ樹脂にて被覆し、オクタデシル基などの官能基を化学結合させることにより、液体クロマトグラフ用分離カラムとして用いることができる。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、多孔質体の軸方向に存在する細孔のない部分を形成したことにより、細孔内部に試料が深く移動することが無くなり、移動相に溶出する時間が長くなるのを防止でき、多孔質体の軸方向への試料の拡散が防止できる。したがって、線速度が上がっても、カラム性能が低下することなく、高速分離分析が可能な液体クロマトグラフ用分離カラムを実現することができる。

１ モノリスカラム
２ 移動相
３ 固定相
４ 試料
５ 第一部材
６ 第二部材
７ 多孔質体
８ ビーズ

Claims (14)

1. 円柱形状に成形されたモノリスロッドが組み込まれ、試料及び移動相が前記モノリスロッドに流入するモノリス型の分離カラムであって、前記モノリスロッドは細孔を有する部位と細孔を有さない部位とを交互に有することを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
2. 請求項１において、前記モノリスロッドは、細孔を有する多孔質体と細孔を有さない部位とが、前記試料の流れ方向に交互に配置される構成であることを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
3. 請求項２において、前記多孔質体の細孔の径は１０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
4. 請求項２において、前記モノリスロッドは三次元ネットワーク状の骨格を持ち、１μｍ以上の空隙を有することを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
5. 請求項１において、前記モノリスロッドはシリカによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
6. 請求項１において、前記多孔質体は細孔を有する第一部材と、細孔を有しない第二部材とを交互に重ね合わせて構成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
7. 請求項１において、前記細孔を有する部位は多孔質体であり、前記細孔を有さない部位はノンポーラスのビーズであることを特徴とする液体クロマトグラフ用分離カラム。
8. 溶離液を送液するポンプ、
   前記溶離液に試料を注入するサンプラー、
   前記試料が注入された溶離液が流れることで前記試料を成分分離する分離カラム、
   前記分離カラムで分離された成分を検出する検出器
   を備え、前記試料の成分を分析する液体クロマトグラフにおいて、
   前記分離カラムは、円柱形状に成形されたモノリスロッドが組み込まれ、前記試料及び移動相が前記モノリスロッドに流入するモノリス型の分離カラムであって、前記モノリスロッドは細孔を有する部位と細孔を有さない部位とを交互に有することを特徴とする液体クロマトグラフ。
9. 請求項８において、前記モノリスロッドは、細孔を有する多孔質体と細孔を有さない部位とが、前記試料の流れ方向に交互に配置される構成であることを特徴とする液体クロマトグラフ。
10. 請求項９において、前記多孔質体の細孔の径は１０ｎｍから１００ｎｍであることを特徴とする液体クロマトグラフ。
11. 請求項９において、前記モノリスロッドは三次元ネットワーク状の骨格を持ち、１μｍ以上の空隙を有することを特徴とする液体クロマトグラフ。
12. 請求項８において、前記モノリスロッドはシリカによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ。
13. 請求項８において、前記多孔質体は細孔を有する第一部材と、細孔を有しない第二部材とを交互に重ね合わせて構成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ。
14. 請求項８において、前記細孔を有する部位は多孔質体であり、前記細孔を有さない部位はノンポーラスのビーズであることを特徴とする液体クロマトグラフ。

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