JP2005265553A

JP2005265553A - 多孔質体

Info

Publication number: JP2005265553A
Application number: JP2004077057A
Authority: JP
Inventors: Kazuki Nakanishi; 和樹中西; Kazuyoshi Kanamori; 主祥金森; Megumi Morisato; 恵森里
Original assignee: KYOTO MONOTECH KK
Current assignee: KYOTO MONOTECH KK
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29

Abstract

【課題】本発明は、細孔と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔体の骨格表面に、細孔を有するシリカを主成分とする多孔質体を形成することを目的とする。
【解決手段】本発明は、例えばテトラメトキシシラン(TMOS)、ホルムアミド(FA)、１モル濃度硝酸水溶液を、モル比でTMOS:FA:H2O=1:2.3:1.5となるように混合し、得られた反応溶液に多孔質部材を浸してマクロ孔内部に導入し、40℃でゲル化後乾燥させて製造する。
【選択図】図１

Description

本発明は、細孔(スルーポア)と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔質体に関する。本発明の多孔質体は、クロマトグラフ用充填剤、固相抽出用充填剤、薄層クロマトグラフ用担体、あるいは酵素固定化担体用多孔質体に好適に使用される。

液体クロマトグラフでは、通常多孔質球状シリカゲルあるいはスチレン・ジビニルベンゼン共重合体等の有機ポリマーを筒内に均一に充填したカラムが知られている。これらの粒子には８〜３０nm程度の細孔が存在している。

有機系の材質で構成されたカラムは、低強度のために耐圧性が低い、溶媒により膨潤・収縮してしまう、加熱殺菌不可能である等の難点がある。従って、こうした難点がない無機系のもの、特にシリカゲルが汎用されている。

多孔質球状粒子を均一に充填したカラムにおいては、粒子径を小さくするほど分離効率は向上するが、粒子の小径化にともない、粒子間隙のサイズが小さくなり、カラムに移動相を流すために高圧が必要になるという欠点が生じる。この分離効率の上昇と負荷圧の上昇の妥協点として、現在では粒子径５μmの充填剤を用いたカラムが最も一般的である。１．５μm、２μmなどの小さな充填剤を持つ粒子充填型カラムも作製されているが、高負荷圧のため、カラム長さを短くしたり、移動相流速を遅くして用いなければならず、真の高性能化が達成されているとは言い難い。

上記のような粒子充填型カラムの限界を打ち破るものとして、互いに連続したμmサイズの細孔（スルーポア）と、nmサイズの細孔（メソポア）を有するシリカ骨格が絡み合った構造を持つ２重細孔構造のシリカゲルをロッド形状で用いる液体クロマトグラフ用カラムが提案されている（特許文献１）。この２重細孔構造のシリカゲルはスルーポア径、メソポア径およびシリカ骨格径を独立してコントロールすることが可能であり、粒子間隙の相当するスルーポア径を大きくし、粒子径に相当するシリカ骨格径を小さくすることで、負荷圧が小さく、分離効率の高いカラムの作製が可能となる。

特開平６−２６５５３４号公報

しかしながら、2重細孔構造シリカゲルにおいては、シリカ骨格にメソポアが存在するためゲル自体の強度が小さく、スルーポア径に対してシリカ骨格径を小さくするには実用上限界があり、その比は０．５以上を必要とする。液体クロマトグラフ等の分離においては、メソポアを有する骨格径は分離性能に直接影響し、大きな骨格径は分離性能を低下させる。特に、移動相流速を大きくする場合や、大きな分子量の試料を分離する場合にこの傾向は顕著に現れる。よって、2重細孔構造シリカゲルにおいては、分離性能を向上させるには限界がある。

また、2重細孔構造シリカゲルは作製の過程で収縮を伴い、液体クロマトグラフ用カラム等の分離材料に用いる場合には、ゲルの周囲をプラスチック等の材料で覆わなければならず、プラスチックの性質により、使用可能な有機溶媒に制限が生じ、また使用可能な圧力にも限界がある。たとえば、2重細孔構造シリカゲルの周囲をポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）で覆った液体クロマトグラフ用カラムが市販されているが（Chromolith）、この場合にはテトラヒドロフランのような溶媒を使用することはできず、最高使用圧力は１２０ｋｇ/ｃｍ²である。

上記の課題を解決するために、本発明は、細孔と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔体の骨格表面に、細孔を有するシリカを主成分とする多孔質層を形成するものである。

細孔と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔体は、骨格相にはメソポアが存在しないか、あるいは３ｎｍ以下のミクロポアしか存在せず、骨格自体の強度が大きい多孔質体を用いることが出来る。なお、ここでいう、メソポアとは、孔径２ｎｍ以上のものをいい、共連続構造を形成する細孔と骨格の径は、０．５〜１００μｍ、好ましくは１〜４０μｍの範囲である。
さらに、骨格相の表面にメソポアを有するシリカを主成分とする多孔質層を厚み２μｍ以下、好ましくは０．１から１μｍの範囲で形成することにより、メソポアを有する多孔質層の厚みを小さくでき、これにより移動相流速が大きくなる場合や、大きな分子量の試料を分離する場合にも高分離性能を有することが可能となる。

細孔と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔体の製造方法としては、メチルトリメトキシシランなどのアルキルアルコキシシランを、アルコールおよび酸触媒の共存下でアルキルアルコキシシラン中のケイ素に対してモル比１〜４倍の水と反応させて加水分解重縮合させる。得られた多孔質湿潤ゲルは必要に応じて溶媒を蒸発除去して乾燥ゲルとする。
このゲルの場合、骨格相にはメソポアは存在せず骨格相は2重細孔構造シリカゲルより大きな強度を有している。また、このゲルの場合には製造過程での収縮は無視できる程度のものであり、例えば内面をガラスでコートしたステンレス鋼の内部にゲルを形成することにより均質な絡み合い構造を有する多孔質ゲルを作製するとこが可能であり、使用する有機溶媒の制限は無くなり、また耐圧性も１０００ｋｇ/ｃｍ2以上とすることもできる。
多孔質体の製造方法はこれに限らず、多孔質ガラス、多孔質ポリマーも使用することができる。

シリカを主成分とする多孔質層の形成方法は、相分離に基づく界面への濡れ転移と反応液体を固化させるゾル−ゲル転移が同時に起こるようにし、相分離によって自発的に発達する多相構造界面の特性長がコーティング基材となる多孔質部材の細孔径や微細加工された溝状流路の幅よりも大きくなる条件を選ぶことによって達成される。
本発明が特に好ましく適用されるのは、多孔質体を構成する材質が、無機系および有機無機ハイブリッド系重合体が、シリカおよび／または有機官能基含有シロキサン重合体の場合である。
本発明の多孔質体を製造するには、ゾル−ゲル反応工程を少なくともその反応初期において酸性領域で行い、且つ、該ゾル−ゲル反応において触媒成分を含有する水の量が反応系中のシリカ1.0ｇ（無水シリカ換算重量として）に対して2.0〜40.0ｇの範囲にあるように反応条件を調整することが必要であり、これによって、ゾル−ゲル転移と相分離が同時に起こり、溶媒リッチ相と骨格相とから成るゲルが生成する。
かくして、この方法に従い多孔質体を製造するには、先ず、ゾル−ゲル反応触媒成分を含有する水溶液に相分離を誘起する成分を溶かして均一溶液を調製する。この均一溶液に、加水分解性の官能基を有する無機低分子化合物を添加して、ゾル−ゲル反応を行うと、上述したように、溶媒リッチ相と骨格相とに分離するゲルが生成する。

相分離を誘起する成分として用いられる物質として好ましいのは、両親媒性物質においては、四級アンモニウム塩等の親水部と主にアルキル基からなる疎水部とを含むカチオン性界面活性剤もしくは非イオン性界面活性剤から成る界面活性剤、または親水部と疎水部をもつブロック共重合体であり、具体的な例としては、ハロゲン化アルキルアンモニウム、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、エチレンオキシド−プロピレンオキシド−エチレンオキシドブロック共重合体などが挙げられるが、これらに限られるものではない。水溶性の高分子、具体的にはポリエチレンオキシド、ポリアクリル酸、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリビニルピロリドン、ポリオキサゾリン、ポリエチレンイミン、ポリアリルアミン、なども好適に用いることができる。さらに比較的極性の高い低分子化合物、具体的にはホルムアミド、N-メチルホルムアミド、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトアミド、N-メチルアセトアミド、N,N-ジメチルアセトアミド、エチレングリコール、ジエチレングリコール、トリエチレングリコールおよびさらに重合度をました多量体、グリセリン、蟻酸、酢酸などのモノカルボン酸、フタル酸、マレイン酸、シュウ酸などのジカルボン酸、クエン酸などのトリカルボン酸、炭酸エチレン、炭酸プロピレンなども、相分離誘起目的に好適に使用することができる。本発明において用いられる相分離を誘起する物質は、界面活性剤や上記のブロック共重合体、水溶性高分子のように反応溶液に均一に溶解するものが好ましい。

また、本発明において用いられる加水分解性の官能基を有する無機低分子化合物としては、既述したような金属アルコキシドをはじめとする各種の金属化合物が適用可能であるが、本発明の特に好ましい態様に従い、シリカから成る多孔質体を製造する場合においては、シリカ源としてケイ素アルコキシドの単量体および低分子重合体（オリゴマー）が好適に使用される。

また、ハイブリッドカラムは、加水分解性の官能基を有する有機金属化合物と、少なくとも１個の金属・炭素結合を介して結合した非加水分解性の有機官能基と加水分解性の官能基とを含む有機金属化合物を加水分解・重合して反応溶液系のゲル化を行った後、ゲル中の不要物質を除去し、加熱することにより作成できる。
ここで、少なくとも１個の金属・炭素結合を介して結合した非加水分解性の有機官能基と加水分解性の官能基とを含む有機金属化合物の容量が、加水分解性の官能基を有する有機金属化合物の容量の１／１０以上であることが好ましい。
また、少なくとも１個の金属・炭素結合を介して結合した非加水分解性の有機官能基と加水分解性の官能基とを含む有機金属化合物として、例えばメチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシラン、γーグリキシドキシプロピルトリメトキシシラン、γーグリキシドキシプロピルトリエトキシシラン、βー（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン、Nーβ（アミノエチル）γーアミノプロピルトリメトキシシラン、Nーβ（アミノエチル）γーアミノプロピルトリエトキシシラン、γーメタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、γーアミノプロピルトリエトキシシラン、γーアミノプロピルトリメトキシシラン、３−アクリロキシプロピルトリメトキシシランを用いることができる。
また、有機官能基含有シロキサン重合体（有機・無機ハイブリッド）から成る多孔質体を製造する場合には、そのような有機・無機ハイブリッド源として、少なくとも１つのケイ素−炭素結合を含むケイ素アルコキシドの単量体および低分子量重合体、あるいは２つ以上のケイ素原子間を１つ以上の炭素が架橋している構造の化合物（ビストリアルコキシシリルアルカン類）を用いることができる。
なお、シリカと有機官能基含有シロキサン重合体とを組み合わせて本発明の無機系多孔質体を製造することもできる。

ゾル−ゲル法により低分子化合物から無機系あるいは有機無機ハイブリッド系の重合体を生成し得るものとして知られた各種の無機系および有機無機ハイブリッド化合物に適用することができるが、本発明の方法が特に好ましく適用されるのは、多孔質体を構成する無機系および有機無機ハイブリッド系重合体が、シリカおよび／または有機官能基含有シロキサン重合体の場合である。
多孔質層の厚みは、薄いほど高速分離には適しているが、薄くすることによりメソポア容積は減少し、分離可能な試料量も小さくなってします。よって、用途に応じて細孔(スルーポア)径に対して０．４倍以下、好ましくは０．０３〜０．２倍の範囲で厚みを適宜選択する。

本発明による多孔質体は内径３００μｍ以下フューズドシリカのキャピラリー内のような微小空間にも作製可能であり、キャピラリーカラムを作製することもできる。また、板状あるいは棒状に作製し、薄層クロマトグラフに使用することもできる。

本発明によれば、分離性能が高く、使用可能な有機溶媒に制限がなく、高圧でも使用可能な多孔質体を提供することができる。

（実施例１）
（ネットワーク状に連結した連続貫通孔をもつ多孔質部材の作製）
１モル濃度硝酸水溶液3.370g、ホルムアミド（FA）6.916gを混合し、氷冷下でメチルトリメトキシシラン（MTMS） 10mLをMTMS:FA:H²O=1:2.2:2.5となるように混合して5分間攪拌し、40℃恒温槽にてゲル化させた。ゲル化後24時間以上エージングを行い、約45時間乾燥させた。その後エタノールで洗浄し、40℃で乾燥させた。
（実施例２）
（コーティングの作製）
テトラメトキシシラン(TMOS)、ホルムアミド(FA)、１モル濃度硝酸水溶液を、モル比でTMOS:FA:H2O=1:2.3:1.5となるように混合し、得られた反応溶液に実施例１の多孔質部材を浸してマクロ孔内部に導入し、40℃でゲル化後乾燥させた。
＜多孔質部材内部にコーティングしたカラムの順相での評価＞
内径200umのキャピラリー内に、実施例１に示す方法で、まず連続貫通孔を持つ多孔質部材を作製し、順相評価を行なった（図１）。次に、実施例２に示す方法でコーティングを作製し、順相評価を行なった（図２）。
評価に用いた移動相はヘキサン/2-プロパノール＝98/2(v/v)、用いたサンプルは、最初のピークからルエン、ジニトロトルエン、ジニトロベンゼンである。ジニトロトルエンの保持比は、コーティングによって0.29から0.16に減少している。これは、最初に作製したホストゲルがメチル基リッチな表面となっており、この値の減少から、コーティングによってメチル基の影響が消えたことがわかる。またジニトロベンゼンの保持比は0.81から3.29に増加している。コーティング後の保持比の値は、通常の多孔質シリカカラムを評価したときと同程度の値を示しており、この値とコーティング前後の保持比の大きな増加から、コーティングによって表面積が増加し、最初のホストゲルの上に新たな多孔質シリカ表面が形成されたことを示している。
さらに、カラム背圧が100mmあたり1.6kgfから2.2kgfに増加していることはスルーポア径が減少していることを示しており、コーティングが厚み数マイクロメータで達成されていることがわかる。
SEM観察をした結果、200umという空間内に形成された多孔質ゲルにもかかわらず、外見上ゲルの収縮は全く見られず、カラムとしても極めて良好な性能が得られた。

本発明の多孔質体は、クロマトグラフィー用充填剤、血液分離用多孔質体、吸湿剤用多孔質体、消臭等低分子吸着用多孔質体あるいは酵素担体および触媒担体用多孔質体等の製造に好適に利用される。また、本発明の製造方法によってコーティングを作製した微細加工された溝状流路は、微細空間化学反応デバイスに好適に利用される。

実施例１で得られるコーティング前の多孔質部材を用いた液体クロマトグラム実施例２で得られたコーティング後の多孔質部材を用いた液体クロマトグラム

Claims

細孔(スルーポア)と骨格相が絡み合った共連続構造を有する多孔体の骨格表面に、細孔を有するシリカを主成分とする多孔質層を形成してなる多孔質体。
共連続構造を形成する細孔(スルーポア)と骨格の径が０．５〜１００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の多孔質体。
骨格表面に形成するシリカを主成分とする多孔質層の細孔径が２〜１００ｎｍの範囲であり、厚みが細孔(スルーポア)径の０．４倍以下であることを特徴とする請求項１記載の多孔質体。
相分離に基づく界面への濡れ転移と反応液体を固化させるゾル−ゲル転移を同時に起こして製造してなる請求項１記載の多孔質体。