JP2005257459A - イオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用濃縮装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 吸引装置を用いて吸引し、又は不活性ガスを用いて加圧し、濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液できるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用装置を提供することにある。
【解決手段】 イオンクロマトグラフィー試料を、吸引装置を用いて吸引し、濃縮カラムに通液するイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法であって、該濃縮カラムの充填剤が、メソポア半径が０．１〜１００μｍ、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上の有機多孔質イオン交換体であることを特徴とするイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電所用水、半導体製造などの精密加工洗浄用水、食品加工用水、環境水質分析などの分野において、液中のイオン性物質の定量分析に使用されるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用濃縮装置であって、濃縮カラムへの通液に、送液ポンプを用いないイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用濃縮装置に関する。

リン酸イオン、フッ化物イオン、塩化物イオン、亜硝酸イオン、臭化物イオン、硝酸イオン、硫酸イオン等の無機陰イオン及び酢酸、蟻酸等の有機酸などのイオン成分の分析には、近年イオンクロマトグラフィーが効率的かつ高精度・高感度な手段として利用されている。特に、半導体業界などで用いる純水の分析には欠くべからざるものとなっており、昨今の半導体の高密度化に伴い、用いる純水に要望される純度はますます厳しくなり、該イオン成分の含有量は、ｎｇ／ｌレベルとなってきている。

これらの純水のイオン成分の含有量は極めて少ないので、該純水等の試料を直接分離カラムに通液し、イオン成分を分離しても、該イオン成分を良好に検出することはできない。そこで、従来より、該純水の分析には、試料を、分離カラムに通液する前に濃縮カラムに通液し、イオン成分を濃縮カラムに吸着させて濃縮した後、切り替えバルブ等を用いて溶離液を濃縮カラムの逆方向から通液し、濃縮されたイオン成分を、濃縮カラムから溶出させ分離カラムに送り、分離カラムにてイオン成分を分離、及び電気伝導度検出器にて各イオンの検出を行う方法が行われてきた。

従来より行われてきたイオンクロマトグラフィー試料（以下、単に「試料」とも記載する。）の濃縮方法では、濃縮カラムへの試料の送液に、通常の液体クロマトグラフ用の送液ポンプが用いられていた。しかし、該送液ポンプは、プランジャーが、プラスチック製プランジャーシールを介して往復運動するため、該プランジャーシールが摩擦し、シールからの不純物の流出が避けられず、濃縮による試料の汚染が問題となっていた。そのため、例えば、同じ純水試料を分析しても、使用する送液ポンプの種類により、得られる分析結果に大きな差がでることがあり、また同一ポンプを用いてもなお、再現性に問題が出ることが多かった。また、試料は必ず送液ポンプを通過するため、試料中のイオン成分が該送液ポンプのピストン等に付着し、次に分析する試料を汚染するという問題もあった。

これらの試料の汚染を防ぐために、使用前に装置の接液部を洗浄する方法もあるが、μｇ／ｌを下回る低濃度域の試料が分析の対象であるため、送液ポンプを洗浄用純水で繰り返しパージする等の一般的な洗浄方法では不十分である。そのため、例えば、送液ポンプのピストンシールの裏側等は、ポンプヘッドを一旦分解して、各部品を純水で洗浄する必要があり、手間がかかる。

そこで、該送液ポンプを用いないイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法が必要となる。特許文献１の特開２００１−４６１０号公報には、吸引装置を用いて、粒子状のイオン交換体が充填されている濃縮カラムに、イオンクロマトグラフィー試料を通液する方法が開示されている。

イオンクロマトグラフィー試料を濃縮する場合、分解能を高めるためには、できる限り狭いバンド幅でイオン成分等を分離カラムに通液しなければならない。そのためには、イオン成分等を狭いバンド幅で吸着させることができる高性能な濃縮カラムが必要となる。

そして、粒子状のイオン交換体が充填されている従来の濃縮カラムの性能は、該イオン交換体の粒子径に反比例するため、高性能な濃縮カラムほど粒子径の小さいイオン交換体を用いる必要がある。そのため、高性能な濃縮カラムほど、差圧が高くなり、高圧で試料を通液しなればならない。

ところが、吸引装置を用いて、濃縮カラムに試料を通液する場合、通液時の吸引圧力を０．１ＭＰａ（大気圧）より高くすることができないため、濃縮カラムの差圧が、０．１ＭＰａより大きくなる場合は、通液できないという問題があった。あるいは、通液できたとしても、通液速度を下げなければならず、分析に長時間を要するという問題点があった。また、通液時の吸引圧力に制限があるため、高速通液ができないという問題もあった。

また、送液ポンプを用いない他の濃縮方法として、不活性ガスを用いて加圧し、イオンクロマトグラフィー試料を、濃縮カラムに通液する方法が考えられる。しかし、該濃縮方法の場合、試料の通液時の圧力が高くなると、通液量のコントロールが困難になるという問題があった。

カラムへの通液時の圧力の上昇についての問題点を解決するものとして、多孔質体を充填材として使用することが試みられている。特許文献２の特開２００２−９８６７７号公報には、液体クロマトグラフィーの分離カラムに試料を導入する前に、試料導入バルブに連通した多連続孔を持つ、または多孔質である一体型の固相抽出カラムに試料を保持し、濃縮した後、分離カラムに導入する方法が開示されている。該方法は、液体クロマトグラフィー試料を、有機多孔質体により濃縮するものである。

また、特許文献３の特開２００２−３０６９７６号公報には、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が１〜１０００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ／ｇであり、イオン交換基が均一に分布され、イオン交換容量が０．５ｍｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上である３次元網目構造を有する多孔質イオン交換体及びこれを用いた電気式脱イオン水製造装置が開示されている。

また、特許文献４の特開２００３−２４６８０９号公報には、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．０１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、全細孔容積が１〜５０ｍｌ／ｇであり、更に細孔分布曲線の主ピークにおける半値幅を該ピークの半径で除した値が０．５以下であり、イオン交換容量が０．１μｇ当量／ｇ乾燥多孔質イオン交換体以上である有機多孔質体をクロマトグラフィー用充填剤として使用することが開示されている。
特開２００１−４６１０号公報 特開２００２−９８６７７号公報 特開２００２−３０６９７６号公報 特開２００３−２４６８０９号公報

濃縮カラムには、試料中のイオン成分を確実に且つ狭いバンド幅で吸着できること等、その目的に応じた性能が要求されるため、単純に有機多孔質体にイオン交換基を導入したのみでは、濃縮カラムに用いる充填剤として必要な性能を満たすことはできない。更に、従来の送液ポンプを用いる試料の濃縮方法とは異なり、吸引装置を用いて吸引し試料を濃縮する方法や、不活性ガスを用いて加圧し試料を濃縮する方法の場合、上記の如く、通液圧力に制限があるため、それらの濃縮方法に用いる濃縮カラムに要求される性能は、一層特殊なものとなる。

しかし、特許文献２には、測定対象がイオン成分であること、及び充填剤にイオン交換基が導入されている有機多孔質イオン交換体を用いることについては開示がなく、特許文献３には、有機多孔質イオン交換体がイオンクロマトグラフィー試料の濃縮カラムの充填剤に適する旨の開示はなく、また、特許文献４には、有機多孔質体をクロマトグラフィー用充填剤として使用すると、分離能の高い分離を行うことができる旨、すなわち、有機多孔質体が、分離カラムの充填剤に適する旨は開示されているものの、濃縮カラムの充填剤に適する旨の開示はない。ましてや、吸引装置を用いて吸引する濃縮方法や、不活性ガスを用いて加圧する濃縮方法については、一切開示されていない。

従って、本発明の課題は、吸引装置を用いて吸引し、又は不活性ガスを用いて加圧し、濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液でき、且つイオン成分を狭いバンド幅で吸着させることができるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用装置を提供することにある。また、高速通液ができるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用濃縮装置を提供することにある。

本発明者らは、上記従来技術における課題を解決すべく、鋭意研究を重ねた結果、（１）メソポアの半径及びイオン交換容量の各物性を特定の範囲とすることにより、イオンクロマトグラフィー試料の濃縮性能が高く且つ通液時の差圧が低いという相反する性能を、有機多孔質イオン交換体に付与することができること、（２）そのため、該有機多孔質体を濃縮カラムに充填することにより、通液時の差圧が飛躍的に低くなり、吸引装置を用いて吸引し、又は不活性ガスを用いて加圧しても、該濃縮カラムに試料を通液することができること等を見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明（１）は、イオンクロマトグラフィー試料を、吸引装置を用いて吸引し、濃縮カラムに通液するイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法であって、該濃縮カラムの充填剤が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体であるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法を提供するものである。

また、本発明（２）は、イオンクロマトグラフィー試料を、不活性ガスを用いて加圧し、濃縮カラムに通液するイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法であって、該濃縮カラムの充填剤が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体であるイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法を提供するものである。

また、本発明（３）は、少なくとも、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム、及び該濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液するための吸引装置を有するイオンクロマトグラフィー用濃縮装置を提供するものである。

また、本発明（４）は、少なくとも、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム、及び不活性ガスを用いて該濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液するための試料圧送装置を有するイオンクロマトグラフィー用濃縮装置を提供するものである。

本発明のイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法及びイオンクロマトグラフィー用濃縮装置によれば、吸引装置を用いて吸引し、又は不活性ガスを用いて加圧し、濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液でき、且つイオン成分等を狭いバンド幅で吸着させることができる。更には、該濃縮方法及び濃縮装置によれば、高速通液ができる。

本発明の第１の実施の形態におけるイオンクロマトグラフィー用濃縮装置を、図１を参照して説明する。図１は、第１の実施の形態の濃縮装置を組み込んだイオンクロマトグラフィー装置のフロー図である。図１中、破線で囲んだ部分が、濃縮装置１４であり、イオンクロマトグラフィー装置２０は、試料タンク１、溶離液タンク２、溶離液ポンプ３、濃縮装置１４、分離カラム６、サプレッサー７、検出器８、バルブａ〜ｅ及びこれら各構成要素を繋ぐ配管、その他図示されていないガードカラム、バルブ、脱気器、恒温槽、データ処理装置等により構成される。そして、該濃縮装置１４は、有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム５、及び濃縮カラム５にイオンクロマトグラフィー試料を通液するための吸引装置４を有している。また、濃縮カラム５と分離カラム６を繋ぐ分離カラム導入管９、該分離カラム導入管９から分岐する試料導入管１１、吸引装置４と濃縮カラム５を繋ぐ吸引装置導入管１０、該吸引装置導入管１０から分岐する溶離液導入管１２、吸引装置４から吸着後の試料を排出する試料排出管１３を有し、該吸引装置４と該溶離液導入管１２の分岐点の間の該吸引装置導入管１０にはバルブｄが備えられている。そして、濃縮装置１４は、接合点１５で試料タンク１に備えられた配管と接合し、接合点１６で溶離液タンクに備えられた配管と接合し、接合点１７で分離カラムに備えられた配管と接合する。また、該試料導入管１１にはバルブｂを、該溶離液導入管１２にはバルブｃを、該分離カラム導入管９にはバルブｅを備える。

濃縮装置１４の濃縮カラムには、有機多孔質イオン交換体が充填されている。該有機多孔質イオン交換体の基本構造は、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内にメソポアを有する連続気泡構造である。即ち、連続気泡は、マクロポアとマクロポアが重なり合い、この重なる部分が共通の開口となるメソポアを有するもので、その部分がオープンポア構造のものである。オープンポア構造は、液体を流せば該マクロポアと該メソポアで形成される気泡構造内が流路となる。マクロポアとマクロポアの重なりは、１個のマクロポアで１〜１２個、多くのものは３〜１０個であるので、３次元網目構造を有し、該連続気泡構造内に、イオン交換基が導入されている。連続気泡構造を形成する骨格部分の材料は、架橋構造を有する有機ポリマー材料である。該ポリマー材料はポリマー材料を構成する全構成単位に対して、５モル％以上の架橋構造単位を含むことが好ましい。架橋構造単位が５モル％未満であると、機械的強度が不足してしまう。

該有機多孔質イオン交換体の前記連続気泡構造におけるメソポア半径は、０．１〜１００μｍ、好ましくは０．５〜５０μｍ、更に好ましくは１〜２０である。該メソポア半径を大きくすることにより、濃縮カラムの差圧を低くすることができる。ただし、該メソポア半径が１００μｍより大きいと、該有機多孔質イオン交換体と試料の接触効率が低くなり、イオン成分を狭いバンド幅で吸着させることが困難となる。一方、該メソポア半径が０．１μｍ未満だと、接触効率は高くなるものの、差圧が高くなり通液が困難となる。

該有機多孔質イオン交換体のイオン交換容量は、１．０〜８０００μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体、好ましくは５０〜５０００μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体である。該イオン交換容量を大きくすることにより、有機多孔質イオン交換体の吸着効率が高くなるので、濃縮カラムの長さを短くすることができる。そのため、濃縮カラムの差圧を低くすることができる。また、イオン成分を狭いバンド幅で吸着させることができる。また、イオン成分の保持効率が高くなるので、高速通液が可能となる。ただし、該イオン交換容量が８０００μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体を超えると、吸着したイオンの溶離が不完全となるため好ましくない。一方、該イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体未満であると、濃縮カラムが長くなり、差圧が高くなるため、通液が困難となり、また、イオン成分を狭いバンド幅で吸着させることが困難となる。

このように、該メソポア半径を、上記の如く特定の範囲に調整し、試料との接触効率を下げ過ぎず、濃縮カラムの差圧を低くすることに加えて、該イオン交換容量を特定の範囲とし、濃縮カラムの長さを短くすることによっても、差圧を低くできるので、濃縮カラムの差圧を飛躍的に低くすることができる。該有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラムは、同様の吸着性能を有する粒状のイオン交換体が充填されている濃縮カラムに比べ、同じ通液速度で通液する時の差圧が概ね１０分の１程度と極めて低い。従って、該濃縮方法によれば、試料を吸引により濃縮カラムに通液することができ、また、高速通液ができる。

また、該有機多孔質イオン交換体の全細孔容積は、特に制限されないが、１〜５０ｍｌ／ｇ、好ましくは３〜２０ｍｌ／ｇである。該全細孔容積を大きくすることにより、通液方向に直交する断面中の開孔面積が大きくなり、濃縮カラムの差圧を低くすることができる。また、該有機多孔質イオン交換体と試料の接触面積が大きくなり、接触効率が高くなるので、イオン成分を狭いバンド幅で吸着させることでき、あるいは、高速通液が可能となる。１〜５０ｍｌ／ｇの全細孔容積を有する有機多孔質イオン交換体の該開孔面積は、該断面中概ね７５〜９０％であるのに対し、粒状のイオン交換体を用いた濃縮カラムの該開孔面積は、該断面中概ね２５％となる。ただし、全細孔容積が５０ｍｌ／ｇを超えると、該有機多孔質イオン交換体の強度が低くなる。一方、該全細孔容積が１ｍｌ／ｇ未満だと、濃縮カラムの差圧が高くなり、通液が困難となる。また、該接触効率が低くなる。

従って、全細孔容積を１〜５０ｍｌ／ｇ、更に好ましくは３〜２０ｍｌ／ｇとすることにより、濃縮カラムの差圧を低くし、且つイオン成分を狭いバンド幅で吸着させるという本発明の効果が更に高まる。

該有機多孔質イオン交換体は、有機多孔質体に、イオン交換基を導入することにより製造される。該有機多孔質体の材料の種類は、特に制限させず、例えば、スチレン系ポリマー、ポリオレフィン、ポリ（ハロゲン化オレフィン）、ニトリル系ポリマー、（メタ）アクリル系ポリマー、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体及びビニルベンジルクロライド−ジビニルベンゼン共重合体等が挙げられる。当該ポリマーは、ホモポリマー、コポリマー又はポリマーブレンドのいずれであってもよい。これら有機ポリマー材料の中で、イオン交換基導入の容易性と機械的強度の高さから、スチレン−ジビニルベンゼン共重合体やビニルベンジルクロライド−ジビニルベンゼン共重合体が好ましい材料として挙げられる。

該濃縮装置１４の吸引装置としては、特に制限されず、一般に減圧操作に用いられている装置を用いることができ、例えば、ペリスタルティックポンプ等のチューブポンプ、オイルポンプ、シリンジポンプ、水流式のアスピレーター等が挙げられ、これらのうち、チューブポンプ及びシリンジポンプが、広範囲の圧力を任意に且つ簡便に設定でき、流量の変動が少なく定量性に優れる点で好ましい。

なお、第１の実施の形態例の濃縮装置１４は、図１のものに限定されず、少なくとも、前記有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム及び該濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液するための吸引装置を有しているものであればよく、例えば、配管、バルブ及びその他の付属物の設置並びにそれらの設置位置等は、任意に行うことができる。

次に、図１のイオンクロマトグラフィー装置２０を用いたイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法を、図１を参照して説明する。該濃縮方法は、バルブｂ、ｄを開とし、バルブｃ、ｅを閉として、試料タンク１のイオンクロマトグラフィー試料を、吸引装置４により吸引して、濃縮カラム５の分離カラム６側から通液し、該濃縮カラム５に充填された前記有機多孔質イオン交換体にイオン成分を吸着させ、吸着後の試料を、濃縮カラム５の吸引装置４側から排出させることにより行う。該濃縮方法による濃縮は、濃縮カラム５に吸着されたイオン成分の濃度が、所定の濃度倍率とするのに必要な量の試料の通液が完了するまで継続する。該濃縮方法において、吸引装置４は、濃縮カラム５の下流にあるため、吸引装置４中の不純物が、濃縮カラム５に通液される前の試料を汚染することはない。

また、該濃縮と同時に並行して、バルブａを開とし、溶離液タンク２より溶離液ポンプ３にて溶離液を送液し、分離カラム６、サプレッサー７、検出器８の順で通液し、測定準備として溶離液による安定化を行う。試料液の濃縮カラム５への通液が完了すると、試料ポンプ４を停止し、バルブａ、ｂ、ｄを閉とし、バルブｃ、ｅを開とし、溶離液を濃縮カラム５の吸引装置４側から通液することにより、濃縮カラム５に吸着されたイオン成分を溶離液により溶離させる。そして、イオン成分を含む溶離液を分離カラム６に導入することにより、分離カラム中で該イオン成分が展開され、各種イオン成分に分離される。当該イオン成分を含んだ溶離液を、さらにサプレッサー７に通液することにより、Ｓ／Ｎ比を向上させた後、検出器８に導入し、各種イオン成分を定量的に検出する。

該濃縮方法において、該吸引装置を用いて吸引する際の減圧度は、大気圧（約０．１ＭＰａ）以下であれば特に制限されないが、好ましくは０．０１〜０．１ＭＰａ、更に好ましくは０．０５〜０．１ＭＰａである。なお、該吸引装置を用いて吸引する際の減圧度とは、該濃縮カラムの入口側の圧力、通常大気圧（約０．１ＭＰａ）から、該濃縮カラムの出口側の圧力を減じた値である。

該濃縮方法では、該濃縮カラムに通液する際の通液速度は、前記有機多孔質イオン交換体の物性及び吸引圧力により定まり、分析目的により異なるが、一般に、０．５〜５ｍｌ／分である。また、５ｍｌ／分以上の高速で通液を行うこともできる。

該濃縮方法のイオンクロマトグラフィー試料としては、濃縮対象となるイオン成分が含まれている溶液であれば特に制限されず、例えば、発電所用水、半導体製造などの精密加工洗浄用水、食品加工用水、環境水質分析の被分析水等が挙げられる。該濃縮対象となるイオン成分としては、特に制限されず、例えば、ナトリウムイオンや塩化物イオン等のような無機イオンのみならず、テトラメチルアンモニウムイオンやベンゼンスルホン酸イオン等のような有機化合物イオンも挙げられる。該イオンクロマトグラフィー試料に含まれるイオン成分の若干の例としては、リチウムイオン、ナトリウムイオン、アンモニウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオン、銀イオン、マグネシウムイオン、亜鉛イオン、コバルトイオン、銅イオン、カドミウムイオン、ニッケルイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、鉛イオン、バリウムイオン、アルミニウムイオン、クロムイオン、すずイオン、水銀イオン、鉄イオン、ヒドラジニウムイオン、テトラアンミン銅イオン等の無機陽イオン；フッ化物イオン、塩化物イオン、次亜塩素酸イオン、亜塩素酸イオン、塩素酸イオン、過塩素酸イオン、臭化物イオン、臭素酸イオン、ヨウ化物イオン、ヨウ素酸イオン、硝酸イオン、亜硝酸イオン、硫酸イオン、亜硫酸イオン、チオ硫酸イオン、硫化物イオン、燐酸イオン、亜燐酸イオン、次亜燐酸イオン、メタ燐酸イオン、アルミン酸イオン、過マンガン酸イオン、クロム酸イオン、シアン化物イオン、チオシアン酸イオン、炭酸イオン、炭酸水素イオン、ひ酸イオン、ケイ酸イオン、ヘキサフルオロケイ酸イオン、ホウ酸イオン、四ホウ酸イオン等の無機陰イオン；テトラメチルアンモニウムイオン、トリメチルエタノールアンモニウムイオン、トリメチルベンジルアンモニウムイオン、ピリジニウムイオン、ビピリジニウムイオン、トリメチルアニリニウムイオン、チアゾリウムイオン、アデニンイオン、グアニンイオン、キサンチンイオン、ウラシルイオン、チミンイオン、シトシンイオン、コリン等の有機陽イオン；酢酸イオン、ジクロロ酢酸イオン、ヒドロキシ酢酸イオン、シュウ酸イオン、クエン酸イオン、酒石酸イオン、乳酸イオン、アジピン酸イオン、マレイン酸イオン、アスコルビン酸イオン、安息香酸イオン、ナフトエ酸イオン、テレフタル酸イオン、ニコチン酸イオン、サリチル酸イオン、（メタ）アクリル酸イオン、ポリ（メタ）アクリル酸イオン、フミン酸イオン、ベンゼンスルホン酸イオン、トルエンスルホン酸イオン、メタンスルホン酸イオン、トリフルオロメタンスルホン酸イオン、ドデシルベンゼンスルホン酸イオン、フェノラートイオン、クレゾールイオン、カテコラートイオン、ナフトラートイオン、スチレンスルホン酸イオン、ポリスチレンスルホン酸イオン等の有機陰イオン；アスパラギン酸、アラニン、フェニルアラニン、グリシン、トリメチルグリシン、グルタミン酸、シスチン、システイン、セリン、トリプトファン、バリン、ヒスチジン、プロリン、リジン、ロイシン、たんぱく質、アミノ安息香酸、アニリンスルホン酸等の両性イオン等が挙げらる。

また、分離カラム等の安定化及び濃縮カラムからのイオン成分の溶離に用いる溶離液としては、酸又はアルカリの使用が可能であり、例えば、該濃縮カラムの充填剤が有機多孔質陰イオン交換体の場合は、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム及び四ほう酸ナトリウムなどのアルカリを単独または混合して用いることができ、また、該濃縮カラムの充填剤が有機多孔質陽イオン交換体の場合には、硝酸、硫酸、塩酸及び酒石酸などの酸を単独または混合して用いることができる。

前記有機多孔質イオン交換体の製造方法としては、特に制限されず、特開２００２−３０６９７６号公報に記載の方法が適用できる。すなわち、例えばイオン交換基を含まない油溶性モノマー、界面活性剤、水および必要に応じて重合開始剤とを混合し、油中水滴型エマルジョンを調製し、これを重合させて有機多孔質体を得、これにイオン交換基を導入して製造する。この際、油溶性モノマー、界面活性剤、重合開始剤の種類や添加量、水の添加量、油中水滴型エマルジョン調製における攪拌温度や攪拌速度等の攪拌条件、重合温度や重合時間等の重合条件、導入するイオン交換基の種類や導入量等の製造条件を種々選択することにより、本発明に係る濃縮カラムに適した有機多孔質イオン交換体とすることができる。

また、上記有機多孔質イオン交換体の製造方法において、所望する油中水滴型エマルジョンを形成させるための混合装置としては、被処理物を混合容器に入れ、該混合容器を傾斜させた状態で公転軸の周りに公転させながら自転させることで、被処理物を攪拌混合する、所謂遊星式攪拌装置と称されるものが使用できる。この遊星式攪拌装置は、例えば、特開平６-７１１１０号公報や特開平１１-１０４４０４号公報等に開示されているような装置である。本装置の原理は、混合容器を公転させながら自転させることにより、その遠心力作用を利用して該被処理物中の比重の重い成分を外側に移動させ攪拌すると共に、混入する気体をその反対方向に押し出して脱泡するものである。更に、該容器は公転しながら自転しているため、該容器内の該被処理物にらせん状に流れ（渦流）が発生し、攪拌作用を高める。該装置は大気圧下で運転しても良いが、脱泡を短時間で完全に行うためには、減圧下で運転することが好ましい。

また、混合条件は、目的のエマルジョン粒径や分布を得ることができる公転及び自転回転数や攪拌時間を、任意に設定することができる。好ましい公転回転数は、回転させる容器の大きさや形状にもよるが、約５００〜２０００回転/分である。また、好ましい自転回転数は、公転回転数の１／３前後の回転数である。攪拌時間も内容物の性状や容器の形状、大きさによって大きく変動するが、一般に０．５〜３０分、好ましくは１〜２０分の間で設定する。更に、用いられる容器の形状は、底面直径に対し充填物の高さが０．５〜５となるよう、充填物を収容可能な形状が好ましい。なお、上記油溶性成分と水溶性成分の混合比は、重量比で（油溶性成分）／（水溶性成分）＝２／９８〜５０／５０、好ましくは５／９５〜３０／７０の範囲で任意に設定することができる。

次に、本発明に係る第２の実施の形態におけるイオンクロマトグラフィー用濃縮装置を、図２を参照して説明する。図２は、第２の実施の形態の濃縮装置を組み込んだイオンクロマトグラフィー装置のフロー図である。図２において、図１と同一の構成要素には同一符号を付して、その説明を省略し、異なる点について主に説明する。第２の実施の形態例において、第１の実施の形態例と主に異なる点は、イオンクロマトグラフィー試料を濃縮カラムに通液する吸引装置４に代えて、試料圧送装置２１を設置した点にある。すなわち、図２中、破線で囲んだ部分が、濃縮装置２９であり、イオンクロマトグラフィー装置３０は、溶離液タンク２、溶離液ポンプ３、濃縮装置２９、分離カラム６、サプレッサー７、検出器８、バルブｆ〜ｊ及びこれら各構成要素を繋ぐ配管、その他図示されていないガードカラム、バルブ、脱気器、恒温槽、データ処理装置等により構成される。そして、該濃縮装置２９は、前記有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム２２、及び不活性ガスを用いて該濃縮カラム２２にイオンクロマトグラフィー試料を通液するための試料圧送装置２１を有している。また、濃縮カラム２２と分離カラム６を繋ぐ分離カラム導入管２５、該分離カラム導入管２５から分岐する試料導入管２３、濃縮カラム２２から吸着後の試料を排出する試料排出管２４、該試料排出管２４から分岐する溶離液導入管２６を有し、該試料導入管２３にはバルブｆが、該試料排出管２４にはバルブｉが備えられている。そして、濃縮装置２９は、接合点２７で溶離液タンク２に備えられた配管と接合し、接合点２８で分離カラムに備えられた配管と接合する。また、該溶離液導入管２６にはバルブｈを、該分離カラム導入管２５にはバルブｊを備えることができる。

また、試料圧送装置２１について、図３を参照して説明する。図３は、該濃縮装置の試料圧送装置の一例を示す図である。図３中、試料圧送装置２１は、圧力容器４１並びに試料圧送管４５が内部を貫通している試料圧送管固定栓４３及び不活性ガス導入管４６が内部を貫通している不活性ガス導入管固定栓４４が固定されている蓋４２により構成される。該試料圧送装置２１の内部には、イオンクロマトグラフィー試料４８を入れた試料容器４７が設置される。そして、該試料圧送管４５の一端は、試料容器４７の内部のイオンクロマトグラフィー試料４８中に挿入され、他端は、図２中の試料導入管２３に接続される。また、該不活性ガス導入管４６の一端は、圧力容器４１の内部で、イオンクロマトグラフィー試料４８に接触しない位置に設置され、他端は不活性ガス４９を供給するガスボンベ等に接続される。そして、該不活性ガス４９により、該試料圧送装置２１内部が加圧されると、イオンクロマトグラフィー試料４８は、濃縮カラムへ圧送される。

次に、図２のイオンクロマトグラフィー装置３０を用いた濃縮方法を図２及び図３を参照して説明する。該濃縮方法は、バルブｆ、ｉを開とし、バルブｊ、ｈを閉として、不活性ガスにより試料圧送装置２１内を加圧し、試料容器４７内のイオンクロマトグラフィー試料４８を、濃縮カラム２２の分離カラム６側から通液し、該濃縮カラム２２に充填された有機多孔質イオン交換体にイオン成分を吸着させ、吸着後の試料を、該濃縮カラム２２の反対側から排出させることにより行う。該濃縮方法による濃縮は、該濃縮カラム２２に吸着されたイオン成分の濃度が、所定の濃度倍率とするのに必要な量の試料の通液が完了するまで継続する。該濃縮方法は、試料の通液を、不活性ガスを用いて加圧して行うので、試料の汚染の原因となる送液ポンプを用いる必要がない。

該濃縮方法に係る濃縮カラムには、前記有機多孔質イオン交換体が充填されているので、該濃縮カラムの差圧は極めて低い。従って、該濃縮方法によれば、試料を該濃縮カラムに通液するのに、不活性ガスを高圧にする必要がないので、不活性ガスを用いて加圧して、イオンクロマトグラフィー試料を濃縮カラムに通液しても、通液量のコントロールを容易に行うことができる。また、高速通液ができる。

該濃縮方法に係る不活性ガスとしては、イオンクロマトグラフィー試料と反応しないものであれば特に制限されず、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、アルゴンガス、及びそれらの混合ガス等が挙げられ、そのうち、窒素ガスが、安価であり且つ取り扱いが容易である点で好ましい。また、該不活性ガスを用いて加圧する際の該不活性ガスの加圧度は、０．０１〜１ＭＰａが好ましく、０．０５〜０．５ＭＰａが更に好ましい。なお、該不活性ガスを用いて加圧する際の該不活性ガスの加圧度とは、該試料圧送装置の内部の圧力から、該試料圧送装置の外の圧力、通常大気圧（約０．１ＭＰａ）を減じた値である。

次に、実施例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。

（有機多孔質体の製造）
ｐ−クロロメチルスチレン１９．２４ｇ、ジビニルベンゼン１．０１ｇ、ソルビタンモノオレート２．２５ｇ及びアゾビスイソブチロニトリル０．２６ｇを混合し、均一に溶解させ、当該混合物を、１８０ｇの純水に添加し、遊星式攪拌装置である真空攪拌脱泡ミキサー（イーエムイー社製）を用いて１３．３ｋＰａの減圧下、底面直径と充填物の高さの比が１：１、公転回転数１８００回転／分、自転回転数６００回転／分で５分間攪拌し、油中水滴型エマルジョンを得た。乳化終了後、装置内を窒素で十分置換した後密封し、静置下６０℃で２４時間重合させた。重合終了後、内容物を取り出し、イソプロパノールで１８時間ソックスレー抽出し、未反応モノマー、水およびソルビタンモノオレートを除去した後、８５℃で一昼夜減圧乾燥し、有機多孔質体Ａを得た。

有機多孔質体Ａの内部構造を、ＳＥＭにより観察したところ、有機多孔質体Ａは連続気泡構造を有していた。また、有機多孔質体Ａのメソポア半径は４．５μｍ、全細孔容積は７．０ｍｌ／ｇであった。

（有機多孔質陰イオン交換体の製造）
得た有機多孔質体Ａを切断して、６．０ｇを分取し、ジオキサン８００ｍｌを加え６０℃で３０分加熱した後、室温まで冷却し、ジメチルアミノエタノール５０ｇを添加した後再び昇温し、４０℃で２４時間反応させた。反応終了後、多量の水中に反応物を投入し、水洗して有機多孔質陰イオン交換体Ｂを得た。

有機多孔質陰イオン交換体Ｂのイオン交換容量は、２．９ｍｇ当量/ｇ乾燥有機多孔質陰イオン交換体であった。また、有機多孔質陰イオン交換体Ｂは、連続気泡構造を有しており、そのメソポア半径は４．６μｍ、全細孔容積は７．０ｍｌ／ｇであった。

（濃縮カラムの作製）
有機多孔質陰イオン交換体Ｂを切り出し、内径４．６ｍｍ、長さ１０ｍｍのカラムに充填し、４５μ当量のイオン交換容量を有するカラムを得た。０.５Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を通液速度１ｍｌ／分で１０分間通液し、続いて純水を１ｍｌ／分で２０分間通水して、有機多孔質陰イオン交換体をＯＨ形とした後、２.７ｍＭ炭酸ナトリウムと０.３ｍＭ炭酸水素ナトリウムの１：１混合水溶液を２ｍｌ／分で２０分間通液し、平衡化して濃縮カラムＡを得た。平衡化は３５℃の恒温槽内で行った。平衡化の終点における通液圧力は、０.０６ＭＰａであった。

（イオンクロマトグラフィー装置の作製）
濃縮カラムとして、上記により得られた濃縮カラムＡを、吸引装置として、ペリスタルティックポンプ「ＰＳＴ−１００Ｎ」（旭テクノグラス社製）を、分離カラムとして、内径４.０ｍｍ、長さ３００ｍｍのカラムに、表面が粒径０.１４μｍの第４級アンモニウム基を有する微粒子により被覆された、粒径が９μｍのスチレン樹脂を母体とするペリキュラー型陰イオン交換体が充填された、６２μ当量のイオン交換容量を有するカラムを、サプレッサーには、「ＡＳＲＳ−ＵＬＴＲＡ４−ｍｍ」（ＤＩＯＮＥＸ社製）を、検出器には、「ポンプ検出器モジュールＩＣ−２０」（ＤＩＯＮＥＸ社製）を用い、図１に示したように接続した。濃縮カラムＡ、分離カラム、サプレッサー及び検出器は、恒温槽内に設置し３５℃に保持した。

＜イオンクロマトグラフィー装置を用いたイオン定量分析＞
（イオンクロマトグラフィー試料の調製）
試料は、市販のイオンクロマトグラフィー用標準液を混合し、純水で希釈して所定濃度とした。試料中の各イオン成分の濃度は、フッ化物イオン２．０μｇ／ｌ、塩化物イオン４．０μｇ／ｌ、亜硝酸イオン５．０μｇ／ｌ、硝酸イオン５．０μｇ／ｌ、リン酸イオン１０．０μｇ／ｌ、硫酸イオン１０．０μｇ／ｌであった。

（イオンクロマトグラフィー試料の濃縮）
ペリスタルティックポンプを作動させ、試料タンクより試料溶液を、分離カラム側から濃縮カラムＡに、通液速度３ｍｌ／分で５分間通液し、濃縮カラムＡに充填された有機多孔質陰イオン交換体に、試料中に含有されるイオン成分を吸着させて濃縮した。通液時の減圧度は０．０９ＭＰａであった。

（分離カラム、サプレッサー及び検出器の安定化）
上記イオンクロマトグラフィー試料の濃縮と同時に、溶離液タンクより溶離液ポンプにて、溶離液を通液速度１.５ｍｌ／分で送液して、分離カラム、サプレッサー、検出器を通液させ、溶離液による当該部分の安定化を行った。また溶離液としては、２.７ｍＭ炭酸ナトリウムと０.３ｍＭ炭酸水素ナトリウム１：１混合水溶液を用いた。

（イオン成分の分離及び検出）
試料の濃縮を完了した後、ペリスタルティックポンプを停止し、かつバルブを切り替えて、溶離液を、濃縮時とは反対側から濃縮カラムＡに、通液速度１.５ｍｌ／分で供給し、濃縮カラムＡ、分離カラム、サプレッサー、検出器に通液した。濃縮カラムＡに吸着濃縮されたイオン成分を溶離液によって溶離させ、分離カラムで展開して各イオン成分を分離し、サプレッサーで溶離液を低伝導度化した後、伝導度検出器で定量的に検出した。また、再現性の確認のため、同様のイオン定量分析を４回行った。

その結果、ピーク面積から、試料の回収率を求めたところ、フッ化物イオン９５％、塩化物イオン１００％、亜硝酸イオン１００％、硝酸イオン９６％、リン酸イオン９４％、硫酸イオン１００％であった。また、各イオン成分について、４回の定量分析を繰り返した時の変動係数(ＲＳＤ)は、いずれも１．０％以下であり、４回の定量分析のいずれも、濃縮の際の汚染によるピークも認められなかった。

（比較例１）
（濃縮カラムの作製）
有機多孔質陰イオン交換体Ｂに代えて、表面が粒径０.０８５μｍの第４級アルカノールアミノ基を有する微粒子により被覆された、粒径が１８μｍのスチレン樹脂を母体とするペリキュラー型陰イオン交換体とし、内径４．６ｍｍ、長さ１０ｍｍのカラムに代えて、内径４．６ｍｍ、長さ５０ｍｍのカラムとすること以外は、実施例１と同様の方法で濃縮カラムＢを作製した。濃縮カラムＢのイオン交換容量は、４５μ当量であり、平衡化の終点における通液圧力は、３．６ＭＰａであった。

（イオンクロマトグラフィー装置の作製）
濃縮カラムＡに代えて、濃縮カラムＢを用いる以外は、実施例１と同様の方法でイオンクロマトグラフィー装置を作製した。

＜イオンクロマトグラフィー装置を用いたイオン定量分析＞
（イオンクロマトグラフィー試料の濃縮）
ペリスタルティックポンプを作動させ、試料液タンクより実施例１と同様の試料溶液を、分離カラム側から濃縮カラムＢに、通液速度３ｍｌ／分での通液を試みたが、通液することができなかった。そのため、ペリスタルティックポンプを取り外し、試料タンクと濃縮カラムの間に、高圧送液ポンプ「ＤＸＰ ＰＵＭＰ」（ＤＩＯＮＥＸ社製）を設置し、該高圧送液ポンプを用いて試料タンクより試料溶液を、分離カラム側から濃縮カラムＢに、通液速度３ｍｌ／分で５分間通液し、濃縮カラムＢに充填されたイオン交換体に、試料中に含有されるイオン成分を吸着させて濃縮した。通液圧力は５．４ＭＰａであった。

（分離カラム、サプレッサー及び検出器の安定化）
上記イオンクロマトグラフィー試料の濃縮と同時に、溶離液タンクより溶離液ポンプにて溶離液を通液速度１．５ｍｌ／分にて送液して、分離カラム、サプレッサー、検出器を通液させ、溶離液による当該部分の安定化を行った。また溶離液としては、２.７ｍＭ炭酸ナトリウムと０.３ｍＭ炭酸水素ナトリウム１：１混合水溶液を用いた。

（イオン成分の分離及び検出）
実施例１と同様の方法で、イオン成分の分離及び検出を行ったところ、試料の回収率は、フッ化物イオン２７％、塩化物イオン４２％、亜硝酸イオン５６％、硝酸イオン８７％、リン酸イオン７３％、硫酸イオン１００％であった。また、各イオン成分について、４回の定量分析を繰り返した時の変動係数(ＲＳＤ)はいずれも１．０％以下であった。

粒状のイオン交換体が充填された濃縮カラムＢの差圧は、有機多孔質イオン交換体が充填された濃縮カラムＡの差圧と比較して、５０倍以上であるため、吸引により濃縮カラムへ通液することはできず、また、濃縮カラムＢは、イオンの保持効率が悪かった。

（イオンクロマトグラフィー装置の作製）
濃縮カラムとして、実施例１で得た濃縮カラムＡを、試料圧送装置として、図３に示したものを、分離カラム、サプレッサー及び検出器として、実施例１で使用したものと同じものを用い、図２に示したように接続した。濃縮カラムＡ、分離カラム、サプレッサー及び検出器は、恒温槽内に設置し３５℃に保持した。

＜イオンクロマトグラフィー装置を用いたイオン定量分析＞
（イオンクロマトグラフィー試料の濃縮）
実施例１と同様の試料を試料容器に入れ、試料圧送装置内に設置した。該試料圧送装置内を窒素ガスで、０．８ＭＰａに加圧し、試料溶液を、分離カラム側から濃縮カラムＡに、通液速度３ｍｌ／分で５分間通液し、濃縮カラムＡに充填された有機多孔質陰イオン交換体に、試料中に含有されるイオン成分を吸着させて濃縮した。

（分離カラム、サプレッサー及び検出器の安定化）
上記イオンクロマトグラフィー試料の濃縮と同時に、溶離液タンクより溶離液ポンプにて溶離液を通液速度１.５ｍｌ／分にて送液して、分離カラム、サプレッサー、検出器を通液させ、溶離液による当該部分の安定化を行った。また溶離液としては、２.７ｍＭ炭酸ナトリウムと０.３ｍＭ炭酸水素ナトリウム１：１混合水溶液を用いた。

（イオン成分の分離及び検出）
その結果、ピーク面積から、試料の回収率を求めたところ、フッ化物イオン９５％、塩化物イオン１００％、亜硝酸イオン１００％、硝酸イオン９６％、リン酸イオン９４％、硫酸イオン１００％であった。また、各イオン成分について、４回の定量分析を繰り返した時の変動係数(ＲＳＤ)は、いずれも１．０％以下であり、４回の定量分析のいずれも、濃縮の際の汚染によるピークも認められなかった。

（比較例２）
（イオンクロマトグラフィー装置の作製）
濃縮カラムとして、比較例１で用いた濃縮カラムを用いる他は、実施例２と同様の方法でイオンクロマトグラフィー装置を作製した。

（イオンクロマトグラフィー試料の濃縮）
実施例２と同様の方法でイオンクロマトグラフィー試料の濃縮を試みたが、濃縮カラムの差圧が大きいため、通液できなかった。

本発明の第１の実施の形態の濃縮装置を組み込んだイオンクロマトグラフィー装置のフロー図である。 本発明の第２の実施の形態の濃縮装置を組み込んだイオンクロマトグラフィー装置のフロー図である。 試料圧送装置の構造を示す図である。

符号の説明

１ 試料タンク
２ 溶離液タンク
３ 溶離液ポンプ
４ 吸引装置
５、２２ 濃縮カラム
６ 分離カラム
７ サプレッサー
８ 検出器
９、２５ 分離カラム導入管
１０ 吸引装置導入管
１１、２３ 試料導入管
１２、２６ 溶離液導入管
１３、２４ 試料排出管
１４、２９ 濃縮装置
１５、１６、１７、２７、２８ 接合点
２０、３０ イオンクロマトグラフィー装置
２１ 試料圧送装置
ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈ、ｉ、ｊ バルブ

Claims (4)

1. イオンクロマトグラフィー試料を、吸引装置を用いて吸引し、濃縮カラムに通液するイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法であって、該濃縮カラムの充填剤が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体であることを特徴とするイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法。
2. イオンクロマトグラフィー試料を、不活性ガスを用いて加圧し、濃縮カラムに通液するイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法であって、該濃縮カラムの充填剤が、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体であることを特徴とするイオンクロマトグラフィー試料の濃縮方法。
3. 少なくとも、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム、及び該濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液するための吸引装置を有することを特徴とするイオンクロマトグラフィー用濃縮装置。
4. 少なくとも、互いにつながっているマクロポアとマクロポアの壁内に半径が０．１〜１００μｍのメソポアを有する連続気泡構造を有し、イオン交換容量が１．０μｇ当量／ｇ乾燥有機多孔質イオン交換体以上となるようにイオン交換基が導入された３次元網目構造を有する有機多孔質イオン交換体が充填されている濃縮カラム、及び不活性ガスを用いて該濃縮カラムにイオンクロマトグラフィー試料を通液するための試料圧送装置を有することを特徴とするイオンクロマトグラフィー用濃縮装置。

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