JP2011013166A - 分離カラムおよび液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】分離カラムにおける、モノリスロッドへの負荷を低減する。
【解決手段】本発明の分離カラムは、多孔質体で円柱形状に成形され、官能基を化学結合したモノリスロッド１と、モノリスロッド１の外周に設けられた被覆材２と、被覆材２の外部に配置されたモノリスロッド１の支持体３と、被覆材２と支持体３との間に充填された充填材４と、試料および移動相の充填材４への流入を防止する流入防止部と、分離カラム自身の両端の接続部に設けられたフェルール６及び回転しながら外側からフェルール６を締め付けるテーパ部品７とを備え、フェルール６は、支持体３に固定されている。ここで、流入防止部は、被覆材２，フェルール６，テーパ部品７にて構成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、分離カラムおよび液体クロマトグラフに関する。例えば、高速液体クロマトグラフ等に使用される液体試料中の成分を分離する分離カラムに関し、特に高耐圧性を有するものに好適に用いることができる。

従来の高速液体クロマトグラフ等において、一般に使用されている粒子充填型カラムで分析時間を短縮するためには、単位時間当たりの送液量を増やす必要があるが、従来同様の分離性能を維持するためには、充填する粒子径を小さくし粒子表面積を増やす必要がある。すなわち、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て、粒子直径を２μｍ程度に変更することで分析時間を１０分の１に短縮できる。しかし、粒子径を小さくすることで流動抵抗が増加し、高圧での送液が必要となるため、分析装置本体の高耐圧化が課題である。

この課題を解決するため、粒子充填型カラムと異なり三次元ネットワーク状の骨格とその空隙（流路，マクロポア，スルーポア）が一体となった構造を持つモノリスカラムを使用することで、表面積は増加するが、空隙率が大きく流動抵抗が増加させないカラムが可能となり、例えば、細管内に多孔質体（モノリスロッド，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で高性能化が図られている。

また、多孔質体は、その外径の均一性，一様性を高精度に成形することが困難であるため、細管と多孔質体との間に隙間を生じやすく、カラム側面からの移動相の漏出を防止するため、多孔質体の外周面に樹脂被覆材を設けることが知られ、例えば特許文献１に記載されている。また、多孔質体の外周面に多孔質体と類似材料である溶融ガラスを被覆する方法もある。

この特許文献１は、「多孔質体の外周面に樹脂被覆材を設けた場合、材料同士の接着力で多孔質体を支持体に支持しているので、互いに接着しやすい材料を選択する制約があり、構造的に高圧力に不向きな構成になっている。また、多孔質体の外周面に溶融ガラスを設けた場合、溶融ガラス接着時に加える高温が多孔質体を修飾する官能基を破壊し、多孔質体の分離性能を劣化させる。」という問題がある。

この問題の解決手法として特許文献２が開示されている。より具体的には、特許文献２には、次のような分離カラムが開示されている。この分離カラムは、モノリスロッドの外周に被覆された被覆材と、被覆材で被覆されたモノリスロッドが挿入された支持体と、被覆材と支持体との間に装着あるいは充填されたロッド固定材とを備え、組み立てられた状態で流入側端部となるロッド固定材の上端面が封止されている。

特開平１１−６４３１４号公報 特開２００８−１０７１７６号公報

しかしながら、上記の特許文献２に記載の分離カラムは、次の点で改善の余地がある。特許文献２では、モノリスロッドの周りにロッド固定材を配置しており、このロッド固定材としては、シリコンゴム，流動性のゴムや樹脂，熱硬化性樹脂あるいはガラスや金属を用いている。そのため、モノリスロッドと熱膨張性が異なり、分離カラムの温度変化によりモノリスロッドに対して負荷がかかるという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、モノリスロッドに対する負荷を減らした分離カラムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の分離カラムは、多孔質体で円柱形状に成形され、官能基を化学結合したモノリスロッドと、
前記モノリスロッドの外周に設けられた樹脂被覆材と、
前記樹脂被覆材の外部に配置された前記モノリスロッドの支持体と、
前記樹脂被覆材と支持体との間に充填された充填材と、
試料および移動相の前記充填材への流入を防止する流入防止部と、
分離カラム自身の両端の接続部に設けられたフェルールおよび回転しながら外側から前記フェルールを締め付けるテーパ部品とを備え、
前記フェルールは、前記支持体に固定されていることを特徴としている。

上記構成によれば、モノリスロッドの周りに、充填材を配置している。そのため、モノリスロッドの材料（シリカ）と熱膨張率が近い材料を充填材として用いることができる。それゆえ、モノリスロッドと充填材との熱膨張率を、（モノリスロッドと特許文献２に記載のロッド固定材との熱膨張率よりも）近づけることができ、モノリスロッドへの負荷を低減することができる。

さらに、上記構成によれば、分離カラムは、試料および移動相の前記充填材への流入を防止する流入防止部を備えている。そのため、充填材への試料および移動相の流入を防止することができる。したがって、次の２つの効果がある。（ａ）モノリスロッドに対する充填材の体積がクロマトグラムに与える影響が無く、充填材の充填量を予め低減しておく必要が無い。それゆえ、充填材の充填量の制限が無く、充填材の充填作業が容易になる。（ｂ）試料および移動相がモノリスロッドのみに流入し、充填材へは流入しないため、充填材の再配置や流出が起きない。それゆえ、分離カラムの両端に充填材の流出を防ぐフリットが不要であり、デッドボリュームが低減でき、良好なクロマトグラムを得ることができる。

本発明によれば、モノリスロッドへの負荷を低減した分離カラムを提供することができる、という効果を奏する。

本発明の第１の実施例を示す分離カラムの構成図である。 本発明の第２の実施例を示す分離カラムの構成図である。 本発明の第３の実施例を示す分離カラムの構成図である。 本発明の第４の実施例を示す分離カラムの構成図である。

本発明の実施例について説明する。

図１に、本発明の第１の実施例である分離カラムの構造を示す。図１の分離カラムは、中央の円柱形状の分離カラム部と、分離カラム部の外側にあり、分離カラム部を保持する保持部と、分離カラム部の上流と下流にそれぞれ存在する上流側接続部および下流側接続部から構成されている。また、図１の分離カラムは、上下対称、すなわち、流入側と流出側が同じ構造をしているため、流入側のみを図示している。

分離カラム部は、中心から順に、モノリスロッド１と、モノリスロッド１の外周に被覆された被覆材２と、を備えている。

モノリスロッド１は、多孔質体で円柱形状に成形されている。また、モノリスロッド１にはオクタデシル基などの官能基が化学結合しており、液体クロマトグラフの分離カラムとして用いることができる。モノリスロッド１は、直径が１.２〜２.８mmで、長さが、３０〜２００mmであることが望ましい。

被覆材２は円筒形状であり、モノリスロッド１の外周を被覆している。被覆材２の長さはモノリスロッド１の長さよりも長い。そのため、被覆後はモノリスロッド１の両端に被覆材２が突出した状態となる。被覆材２には熱収縮性の樹脂を用い、モノリスロッド１の官能基が破壊されない程度の温度で熱収縮させることにより、モノリスロッド１への被覆を行う。

保持部は、外側から、支持体３と、充填材４と、から構成されている。

支持体３は円筒形状であり、ステンレス材によって構成されている。内径は分離カラム部の外形よりも太く、長さはモノリスロッド１と同程度であり、被覆材２よりも短い。そのため、支持体３の上下端から被覆材２のみが突出するように、分離カラム部を支持することができる。

充填材４は、支持体３の内部に被覆材２によって被覆されたモノリスロッド１が挿入された状態で、被覆材２と支持体３の隙間に充填されたものである。充填材４は、粒子径が数マイクロメートルのビーズであり、球状、もしくは破砕型のビーズを使用することができる。また、充填材として、シリカ，ガラス，石英，ステンレス，テフロン（登録商標），ダイフロン（登録商標），ジルコニア，セラミック，ＰＥＥＫ，ベスペル（登録商標），サファイア，ルビー，ダイアモンド，アルミナ，チタンおよびＵＨＭＷポリエチレンのうちいずれかまたは複数から成るものを用いることができる。

充填材４は、パッカーを用いて徐々に圧力を上げながら充填される。充填材４が被覆材２を外周全体から内側に押し付けることにより、被覆材２、および被覆材２によって被覆されたモノリスロッド１が支持体３内に保持される。

本実施例では、上記のようにモノリスロッド１の周囲に充填材４が存在する構造となっている。モノリスロッド１の材料（シリカ）の熱膨張率に近い熱膨張率を持つ材料を、充填材４の材料として使用することにより、温度変化が生じた際にモノリスロッド１に加わる負荷を低減することが可能となっている。

接続部は、上記分離カラム部と保持部の上流および下流に配置されており、上流と下流のどちらも同様の構造になっている。以下、上流側接続部に関して記す。接続部は、流路を備えた流路部品５と、流路部品５を固定するフェルール６と、フェルール６を変形させるためのテーパ部品７と、これらの部品を支持体３に対して固定するための固定部品８から構成されている。

流路部品５は、分離カラム部の、支持体３の上端から被覆材２がはみ出した部分に挿入され、流路部品５の下端と、モノリスロッド１の上端が接触するように固定されている。流路部品の外径は、モノリスロッド１の外径と同程度である。

フェルール６は、円錐形状の部品であり、その中央部に貫通孔を有している。貫通孔の径は、分離カラム部よりも大きく、支持体３の内径よりも小さい。また、フェルール６の高さは、支持体３から被覆材２がはみ出している長さよりも低い。フェルール６は、支持体３からはみ出した被覆材２と、その内部に挿入された流路部品５と、を取り巻くように配置される。このとき、フェルール６の上端から被覆材２がはみ出す。また、フェルール６の下端は支持体３に接している。なお、フェルール６の下端とは円錐の底面を指し、フェルール６の上端とは先が細くなっている部分を指す。つまり、フェルール６は、端部へいくほど細くなっている。

テーパ部品７は、円筒にテーパ状の貫通孔を有する部品である。テーパ上の貫通孔のテーパ角は、フェルール６の角度と同等、またはフェルール６の角度よりも大きくなっている。テーパ部品７は、テーパ穴の径が大きい側をフェルール６に向けて、テーパ部品７の内面がフェルール６の上端に接するように配置される。

固定部品８は、流路部品５と、フェルール６と、テーパ部品７と、を支持体３に対して固定するための部品である。固定部品８の内側と支持体３の外側にはネジ部９がある。固定部品８と支持体３を締結していくと、固定部品８と支持体３の間の距離が徐々に縮まっていく。このとき、固定部品８とテーパ部品７の摩擦により、テーパ部品７は回転しながらフェルール６を押し付けていく。フェルール６がテーパ部品７に接触し押し込まれて、フェルール６の塑性変形が発生する。このとき、フェルール６の先端が被覆材２の外周に食い込んでいく。

フェルール６と支持体３には、互いを固定するための凹凸部１０がある。フェルール６の下端に凸部を形成しておき、この凸部に対応した凹部を支持体３に形成しておく。フェルール６を配置する際に、フェルール６の凸部が支持体３の凹部にはまるように取り付け、フェルール６を支持体３に対して固定する。そうすることで、固定部品８の締結に伴ってテーパ部品７が回転しても、フェルール６が回転することなく、フェルール６の塑性変形を引き起こすことができる。

一方、分離カラム部は、充填材４により支持体３内に固定されている。フェルール６が支持体３に対して固定されているため、テーパ部品７の回転がフェルール６に伝達されないので、被覆材２がねじれることも無く、また、被覆材２のねじれによりモノリスロッド１が破壊されることも防止できる。また、フェルール６によって被覆材２内が封止されているので、被覆材２の外側に、試料および移動相が流出することはない。

本実施例において、フェルール６を均一に塑性変形させ、被覆材２と流路部品５を密着させることができるため、デッドボリュームを低減し、良好なクロマトグラフを得ることが可能である。

図２に、本発明の第２の実施例の構造について示す。

図１では、フェルール６と支持体３とを凹凸をはめ合わせることで固定していたのに対し、フェルール６と支持体３を接着材１１によって接着することによっても、実施例５とほぼ同様の効果が得られる。本発明では、被覆材２の外部への試料および移動相の流出は発生しないので、接着材１１は移動相に接液することはない。そのため、液体クロマトグラムの移動相として一般的に用いられるような溶媒によって侵食される成分を含有する接着材でも、本発明では使用可能である。

接着材１１は、充填材４の層を封止する機能も果たしている。充填材４の層に液体が存在している場合、経時的に液体が蒸発し、充填材４の層の空隙率が上昇することが考えられる。接着剤１１によって充填材４の層を封止することで、この問題を解決することができる。

図３に、本発明の第３の実施例の構造について示す。

実施例５では、固定部品８の締結力によって、テーパ部品７をフェルール６に押し付け、フェルール６の塑性変形を生じさせていたのに対し、実施例７では、イモネジ１２の締結力によってテーパ部品７をフェルール６に押し付け、フェルール６の塑性変形を生じさせるような構造となっている。

本実施例では、イモネジ１２を締結していく際に、テーパ部品７を回転させる力が発生しないので、フェルール６を支持体３に対して固定する構造が不要となる。このため、支持体３の形状を図１よりも単純にすることができ、充填材４の充填後の、分離カラム組立作業の簡便化が実現できる。

図４に、本発明の第４の実施例の構造について示す。

実施例１〜３では、支持体３に対してフェルール６が動かない構造となっていたが、本実施例では、テーパ部品７が支持体３に固定され、さらに、フェルール６がテーパ部品７に対して回転しない構造となっている。

本実施例では、フェルール６が塑性変形し被覆材２に食い込む封止位置１３が、実施例５よりもモノリスロッド１に近くなるため、デッドボリュームを低減することができ、良好なクロマトグラムを得ることができる。

本発明の分離カラムは、液体クロマトグラフに用いることができる。

１ モノリスロッド
２ 被覆材
３ 支持体
４ 充填材
５ 流路部品
６ フェルール
７ テーパ部品
８ 固定部品
９ ネジ部
１０ 凹凸部
１１ 接着材
１２ イモネジ
１３ 封止位置

Claims (11)

1. 多孔質体で円柱形状に成形され、官能基を化学結合したモノリスロッドと、
   前記モノリスロッドの外周に設けられた樹脂被覆材と、
   前記樹脂被覆材の外部に配置された前記モノリスロッドの支持体と、
   前記樹脂被覆材と支持体との間に充填された充填材と、
   試料および移動相の前記充填材への流入を防止する流入防止部と、
   分離カラム自身の両端の接続部に設けられたフェルール及び回転しながら外側から前記フェルールを締め付けるテーパ部品とを備え、
   前記フェルールは、前記支持体に固定されていることを特徴とする、分離カラム。
2. 前記フェルールと前記支持体との固定は、一方に凹部を設け他方に凸部を設け両者をかみ合わせることにより行うことを特徴とする、請求項１に記載の分離カラム。
3. 前記フェルールと前記支持体との固定は、接着剤により行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の分離カラム。
4. 多孔質体で円柱形状に成形され、官能基を化学結合したモノリスロッドと、
   前記モノリスロッドの外周に設けられた樹脂被覆材と、
   前記樹脂被覆材の外部に配置された前記モノリスロッドの支持体と、
   前記樹脂被覆材と支持体との間に充填された充填材と、
   試料および移動相の前記充填材への流入を防止する流入防止部と、
   分離カラム自身の両端の接続部に設けられた、フェルール及びテーパ部材と、
   これらフェルールとテーパ部材をイモネジにより固定されていることを特徴とする、分離カラム。
5. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
   前記モノリスロッドは、直径が１.２〜２.８mmであり、長さが３０〜２００mmであることを特徴とする、分離カラム。
6. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
   前記充填材は、シリカ，ステンレス，テフロン（登録商標），ダイフロン（登録商標），ジルコニア，セラミック，ＰＥＥＫ，べスペル（登録商標），サファイア，ルビー，ダイアモンド，アルミナ，ガラス，石英，チタン、およびＵＨＭＷポリエチレンのうちいずれか１または複数から成ることを特徴とする分離カラム。
7. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
   前記充填材の大きさは１〜５μｍであることを特徴とする分離カラム。
8. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
   前記樹脂被覆材の長さは、前記モノリスロッドの長さよりも長いことを特徴とする、分離カラム。
9. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
   前記充填材は、球状のビーズであることを特徴とする、分離カラム。
10. 請求項１に記載の分離カラムにおいて、
    前記充填材は、破砕型のビーズであることを特徴とする、分離カラム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項に記載の分離カラムを備えたことを特徴とする液体クロマトグラフ。

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