JP2015014477A

JP2015014477A - 液体クロマトグラフィ用カラム

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Publication number: JP2015014477A
Application number: JP2013140030A
Authority: JP
Inventors: 原一植松; Genichi Uematsu
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2013-07-03
Filing date: 2013-07-03
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP6221422B2

Abstract

【課題】中低圧高速液体クロマトグラフィに適し、内径を細く長さを短くでき、製造容易で着脱容易な液体クロマトグラフィ用カラムを提供する。
【解決手段】（１）充填剤充填空間２９、液体が流入する入口Ｂ２、および液体が流出する出口Ｂ１を有するカラム本体３６と、（２）カラム本体３６の入口に接続して液体流入接続具と接続するための入口側接続具３７と、（３）カラム本体３６の出口に接続して液体流出接続具と接続するための出口側接続具３５と、を備えた液体クロマトグラフィ用カラムであって、カラム本体の充填空間２９は、カラム本体内部の所定部位から出口Ｂ１まで延在し、かつカラム本体の外側は所定部位から出口Ｂ１にかけて先細る雄型ルアー形状２７をなし、出口側接続具３５の基端部Ａ２は、雄型ルアー形状２７に密着嵌合する雌型ルアー部２４を有する。
【選択図】図９

Description

本発明は液体クロマトグラフィ用カラムに関する。

液体クロマトグラフは、移動相中に試料を注入し各成分に分離して検出するための機能要素を配管で接続して構成する。図１に示すように溶離液１、ポンプ２、試料ループ４を備えた試料注入バルブ３、カラム５、検出器７等の接続箇所がある。図１中、白丸の箇所は着脱する頻度が少なく、黒丸の箇所は使用者が頻繁に着脱作業を行う箇所である。その中でもカラムの取り付け・取り外しは特に頻繁に行われる。

各部の配管接続には種々の接続方式があり、装置やカラムの供給会社によっても規格が異なる。使用圧力が０．１ＭＰａ程度の低圧接続には、樹脂配管の先端をフランジまたはフレア加工し専用のナットで接続する方法が一般的である（図２ｃ、ｄ参照）。使用圧力が数ＭＰａ以上の高圧接続には、金属配管１４を押しネジ１３、フェラル１５で接続する方法が一般的である（図２ａ参照）。

一方、フェラルの固定作業を不要とし、フェラルと押しネジを一体化した樹脂製の接続具１６が知られている（図２ｂ参照）。これを使用する場合は、接続具１６に配管を通し、カラムの端部接続具１２のねじ部に差し込み、手または工具で軽く締め付ける。この場合、配管と接続具１６は互いに取り外しが可能であり、異種のカラムを使用する場合、あるいは同じカラムを使用する場合であっても、毎回、配管の突出長さを確認しないと、配管固定位置がずれ液溜まり空間を生じるおそれがある（図３参照）。また接続具１６の材質が樹脂であることから、締めすぎによるネジ部の破断にも留意する必要がある。

カラム形状は、その目的と使用用途から様々な形状を有するものが市販されている。高圧の液体クロマトグラフィで使用されるカラムのうち最も一般的なものは、図４に示すように金属製のカラム管８の両端にフェラル１５とナット１０により、フィルタを内蔵した端部接続具１２を固定する形式である。この形式のカラムは、パイプの長さを変えることでカラム長を自由に選択できる。このほかに、カラム管６０の先端部にネジを切り、ねじ込みにより直接端部接続具６１に固定する形式のものもある（図５参照）。前者の形式は、両端のナット１０と端部接続具１２の物理的な外寸の関係上、長さの短いカラムは作製できない。一般的には５０ｍｍ以下のカラムはこの形式では作製できない。後者の形式は、前者と異なりナットを使用しないため、より短いカラムの作製が可能であるが、端部接続具６１の物理的な外寸の関係上、３５ｍｍ以下のカラムは作製できない。

さらに短いカラム用として、図６に示すようにカラム管５８を機械加工して、一端にゲルを充填する空洞を設け、ナット１０・フェラル１５と端部接続具１２で固定する一方、他端を押しネジ１３と接続するための配管接続部とした形式のものも商品化されている。この形式のカラムでは１０ｍｍ程度のカラムを作製することが可能である。この形式のカラムでは、ゲルを充填する前に下流側のフィルタ１１をカラム管の開口部から挿入し最深部で確実に固定する必要があることから、内径の太いカラムでは容易に作製可能であるものの、内径の細いカラムではフィルタの挿入／固定が困難になるという製造上の課題がある（図７参照）。

低圧の液体クロマトグラフィ用のカラムとして、先端部がルアー形状である円筒状の容器にゲルを充填したカラムが特許文献１に開示されている（図８）。先端が雄型ルアー形状である注射筒形状のカラム管８０とそれを保持する外挿管８７、入口・出口配管を接続する入口・出口側固定器具８６・８４で構成される。出口側フィルタ８１を備えた注射筒形状のカラム管８０にゲル８２を充填し、外挿管８７に挿入し、カラム管の先端部の雄型ルアー形状を固定できる出口側固定器具８４、入口側フィルタ８３を備えた入口側固定器具８６により固定し使用するものである。このような形状のカラムは外挿管に挿入したゲル部のみを容易に交換できる利点を有するが、細管カラムの製造が困難であるという難点を有する。

特開２００５−１１４４６０号公報

本発明の目的は、中低圧高速液体クロマトグラフィに適した、内径を細く長さを短くすることができる液体クロマトグラフィ用カラムを提供することである。本発明の他の目的は、製造者にとって製造しやすい上記の液体クロマトグラフィ用カラムを提供することである。本発明のさらに他の目的は、使用者にとって着脱容易な上記の液体クロマトグラフィ用カラムを提供することである。

本発明者は上記課題に関し鋭意検討した結果、本発明に到達した。即ち本発明は以下の通りである。

（１）液体クロマトグラフィ用の充填剤を収容する充填空間、液体が流入する入口、および液体が流出する出口を有するカラム本体と、
前記カラム本体の入口に接続して液体流入接続具と接続するための入口側接続具と、
前記カラム本体の出口に接続して液体流出接続具と接続するための出口側接続具と、
を備えた液体クロマトグラフィ用カラムであって、
カラム本体の前記充填空間は、前記カラム本体内部の所定部位から出口まで延在し、かつ前記カラム本体の外側は所定部位から出口にかけて先細る雄型ルアー形状をなしており、
前記出口側接続具は、その基端部が、前記カラム本体の雄型ルアー形状に密着嵌合する雌型ルアー形状部を有していることを特徴とする前記液体クロマトグラフィ用カラム。

（２）請求項１において、前記出口側接続具は、前記雌型ルアー形状部の前方にカラムフィルタを装着した、液体クロマトグラフィ用カラム。

（３）請求項１または２において、前記カラム本体と前記入口側接続具の間にカラムフィルタを介装した、液体クロマトグラフィ用カラム。

（４）請求項１から３のいずれかにおいて、前記入口側接続具は、液体流入配管を保持する部材を可逆的に押圧する手段を有する液体流入接続具に適合し液密状態を保持する接液形状および係止手段を有し、
前記出口側接続具は、液体流出接続具に適合する雄型ルアー形状部を有する、液体クロマトグラフィ用カラム。

カラム本体の充填剤充填空間はカラム本体出口まで延在し、またカラム本体の外側は出口にかけて先細る雄型ルアー形状を成しているので、充填空間の外側を出口側接続具との接続に使用することができ、カラム本体の長さを短縮することができる。

また、出口側接続具の雌型ルアー部の前方にカラムフィルタを装着する構成とすることにより、カラム本体の充填剤充填空間の内径にかかわらずカラムフィルタを容易に装着することができ好ましい。この構成は、カラム本体の充填空間の最深部にフィルタを挿入する形態（図７）と比べて製造上有利である。

さらにまた、入口側接続具として、液体流入配管を保持する部材を可逆的に押圧する手段を有する液体流入接続具に適合し液密状態を保持する接液形状および係止手段を有する構成とし、また出口側接続具として、液体流出接続具に適合する雄型ルアー形状を有する構成とすることにより、不慣れな使用者であっても簡単な操作で確実なカラム接続作業を成し遂げることができる。

一般的な液体クロマトグラフ装置の流路系を示した図である。図中の丸印は結合部を示しており、白丸は取り外し頻度の少ない部位、黒丸は取り外し頻度の高い部位を表している。一般的なカラム〜配管の接続方法を模式的に示した図である。押しネジ、フェラル一体型ナットによる配管の接続の際の障害を模式的に示した図である。一般的なカラムの形状を示した図である。一般的なねじ込み式のカラムの形状を示した図である。一般的なショートカラムの形状を示した図である。ショートカラムでのフィルタの挿入を模式的に示した図である。一般的な低圧カラムのカラムの形状を示した図である。本発明の液体クロマトグラフィ用カラムの構造の一例を示した図である。本発明のカラム入口と配管を接続する部分の構造の一例を示した図である。本発明のカラムへのゲル充填の手順を示した図である。本発明のカラムへのゲル充填方法を模式的に示した図である。本発明のカラムへのゲル充填方法を模式的に示した図である。本発明のカラムと検出器セルとの第１の接続形態を示した図である。本発明のカラムと検出器セルとの第２の接続形態を示した図である。実施例１，２で使用したカラムの構造を示した図である。実施例１で使用したシステムの流路図である。実施例１での耐圧試験の結果を示した図である。実施例１の経過時間と圧力の関係を示す図である。実施例２で使用したシステムの流路図である。実施例２での分離を示したクロマトグラムである。

本発明のカラムの構造の代表的な例を図９に示す。この形態（図９）は、出口側カラムフィルタ２５が挿入された出口側接続具３５、充填剤が充填されるカラム本体３６、入口側カラムフィルタ３０、溶離液／試料を導入するための配管接続部である入口側接続具３７で構成される。出口側接続具３５は一端（Ａ１端）が溶離液の出口であり検出器に接続され、他端（Ａ２端）はカラム本体３６と接続される。Ａ１部は医療用の器具で一般的に使用される雄型ルアー形状２６を有しており、キャップ部２６Ａによるねじ込みロック機構を設けてもよい。他端（Ａ２端）はカラム本体３６の雄型ルアー形状部２７（Ｂ１端）と密着嵌合する雌型ルアー形状部２４を有している。雌型ルアー形状部２４の前方に充填剤を堰き止めるカラムフィルタ２５が内蔵されている。カラム本体３６と出口側接続具３５とを密着嵌合させるとき、雌型ルアー形状部２４と雄型ルアー形状部２７との間に接着剤を塗布して接着してもよいし、嵌合後に熱融着して提供することもできる。

カラム本体３６は充填剤を収容する充填空間２９を有する。Ｂ１端は前述したように出口側接続具３５との接合部であり外形は雄型ルアー形状２７を有している。Ｂ２端は入口側接続具３７との接合部であり、ねじ込み式の形状を有していてもよい。充填空間はＢ１端からＢ２端に向け内径が一定な部分とテーパ状に広がった部分に分かれる。充填剤は内径一定の部分からテーパ状に広がった部分まで充填するのが好ましい。このことは、試料の流れに対向して接触する充填剤の前面部の表面積を増やすことを意味し、ミクロカラムの目詰まりを抑制しカラム寿命を延ばすために有効である。

入口側接続具３７は入口側カラムフィルタ３０を固定する役割とカラムへの配管を接続する役割を果たしている。入口側カラムフィルタ３０は、充填剤充填後にカラム本体に挿入してから入口側接続具３７によって締め付け固定してもよいし、入口側接続具３７のＣ１端に予め嵌合固着または接着しておいてもよい。カラム本体３６との接合部であるＣ１端にはＯリング３２が挿入されており、例えばねじ込みによりフィルタ３０の固定と液密性を保っている。

入口側接続具３７の液体流入接続具との接続口であるＣ２端は、液体流入配管を保持する部材を可逆的に押圧する手段を有する液体流入接続具に適合し液密状態を保持する接液形状および係止手段を有するのが好ましい。図１０に入口側接続具のＣ２端（カラム入口３３）と外部配管との接続方式の一例を示す。この接続方式は、特開２０１０−１３７１４３号公報で開示された、微細流路と送液チューブとの接続コネクタの機構を取り入れたものである。外部配管を入口側接続具のカラム入口３３に接続するための液体流入接続具７８は、液体流入配管を保持する部材であって一端が平面、他端がテーパ形状を有するフェラル６４、一端がテーパ形状を有するフェラル６５、スリーブ６６、および前記部材を可逆的に押圧する手段であるスプリング６７とそれらを収納する外挿管６８から構成される。外挿管６８の下部には固定用の突起物（ピン）７０を備えている。ピン７０をカラム入口３３に設けた切り欠き７１に合わせて嵌入し、フェラル６４を受け側のカラム入口３３の流路端部に押し当てると、内部のスプリング６７を介してフェラル６４のテーパ面とフェラル６５のテーパ面が押しつけられ、フェラル６４に内部方向の応力がかかり、中心を通る配管６９とフェラル６４の液密性、さらにフェラル６４の平面と受け側のカラム入口３３との液密性が確保される。押し込んだ状態で外挿管６８を一定角度回転させることにより外挿管のピン７０が受け側に引っかかり、スプリングが押圧状態で保持されることになり、配管、カラムとも液密性が保たれる。外挿管をさらに一定角度回転させることにより、フックが解除され外挿管を容易に取り外すことができる。

カラム出口３４（出口側接続具のＡ１端）は検出器に接続されるが、その方式には例えば２つの形式が可能である。第１の方法は、一般的に使用されるＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）等の配管４９とユニオン４３を介して接続する方法（図１４参照）、第２の方法は、配管４９を使用せず、直接検出器セルに例えば螺設したジョイント４４に接続する方法である（図１５参照）。あるいは、図示しないがセルブロック自体をジョイント４４の受け部と同じ形状に加工してもよい。第１の方法にしても第２の方法にしても、出口側接続具は、液体流出接続具に適合する雄型ルアー形状を有するのが好ましく、接続するジョイント４４はそれに適合する形状を有する。

第１の方法は検出器セルとカラムをある程度離れた場所に配置することが可能であるためカラムオーブン７２などを使用してカラムのみを温度制御することが容易な特徴がある。第２の方法は、カラムとセルの間に配管を使用しないことから、ボイド容量を削減できカラム性能を十分に発揮させることができる特徴がある。この場合、カラムの温度制御を行うには検出器７を含めた温度制御機構７３を準備する必要がある。

次に、本発明のカラムへの充填剤ゲルの充填方法に関して説明する。充填の手順を図１１に示す。まず、カラム出口側接続具３５とカラム本体３６を密着嵌合させる。次にカラム本体３６の中にゲルを一定量充填する。次に入口側カラムフィルタ３０を挿入し入口側接続具３７をねじ込みフィルタを固定する。充填剤ゲルの充填方式は、ゲルの特性に合わせて吸引充填でも加圧充填でもかまわない。容易に充填が可能なゲルの場合、出口側接続具とカラム本体を密着嵌合させた後、出口側接続具のＡ１端を、真空アダプタ３９を介して真空機器（アスピレータ等）に接続し、カラム本体３６の基端からスラリー状態のゲルを滴下して充填する（図１３参照）。充填が難しいゲルの場合、パッカーと呼ばれる加圧充填器具３８を使用することもできる。出口側接続具とカラム本体を密着嵌合させた後、パッカー３８を接続し、その一端から充填用の溶液を送液することによりゲルを充填することが可能である（図１２参照）。

［実施例１］
本発明のカラムの耐圧性能を次のように検証した。即ち、図９の構成を有する液体クロマトグラフィー用カラムを用いて実験を行った。具体的には、円筒部内径１．５ｍｍのカラムにＴＳＫｇｅｌＢＯＲＡＴＥ−５ＰＷ（東ソー（株）製）を充填部長さ１０ｍｍとなるようにアスピレータで吸引充填した（図１６ａ参照）。図１７に、検証に使用した系の流路図を示す。カラム７５の出口に開閉バルブ５５を配し、窒素ガスを圧力調整器５２によって一定圧力でカラム７５に圧送できる構成とし、漏れの度合いが目視で観測できるように、カラム７５を水槽５７に浸した。また、実際のカラム負荷圧力が監視できるように通過型の圧力計５４をカラム直前に配した。

図１８ａは、開閉バルブ５５を閉状態とし、窒素ガス圧力を変化させながら一定時間（約１００分）計測したカラム前圧力の変化（圧力計５４の信号）を示した図である。図１８ｂは、圧力調整器５２の指示圧（圧力計５３の指示値）に対するカラム前に配した圧力計５４の関係を示した図である。図１８ａより、２５ｋＰａから２２５ｋＰａまでの範囲でガス漏れに起因する圧力低下は見られず、目視によってもカラム全ての部位からのガス漏れは確認できなかった。また、圧力調整器５２の指示圧とカラム前に配した圧力計５４の値も原点を通る直線関係が成立しており、漏れが無いことを示唆している。

次に、カラム下流に配した開閉バルブ５５を開放状態とし、窒素ガス圧力を２２５ｋＰａに調整しカラムに窒素ガスをしばらく圧送した後、前記開閉バルブ５５および窒素ガス圧送を閉状態にした場合の圧力計５４の変化を記録した（図１９）。窒素ガス圧送を閉状態とした時の圧力が２１４．９６ｋＰａであるのに対して、１時間後のカラム圧力は２０２．９ｋＰａを維持できており５％の低下率に留まっている。以上のことは、本発明のカラムが２２５ｋＰａまでの範囲では十分な耐圧性を有することを示している。

［実施例２］
本発明のカラムの性能を検証するため、逆相モードによる標準試料の測定を行った例を示す。即ち、図９の構成を有する液体クロマトグラフィー用カラムを用いて実験を行った。具体的には、図１６ｂに示す内径１．０ｍｍ、長さ１５ｍｍのカラムにＴＳＫｇｅｌＯＤＳ−１２０Ａ（５μｍ）（東ソー（株）製）をアスピレータにより吸引充填して使用した。図２０に液体クロマトグラフの流路図を示す。カラム７５は、４０℃一定のカラムオーブン７２内に設置し、紫外可視検出器のセル部５０にユニオン４３を介して接続した。溶離液Ａ（６２）を送液するポンプ２の出口側に切り替えバルブ９０を配し、ループにより溶離液Ｂ６３を導入しステップグラジエントが可能な構成とした。ポンプ２はＫＮＦ社製定量ポンプＦＭＭ２０を使用し、毎分４０μＬの流速で、セル部５０、光源７６およびフォトセンサ７７を備えた検出器７は東ソー製紫外可視検出器ＵＶ−８０２０を２５４ｎｍの波長で使用した。試料注入バルブ３はＦＬＯＭ社製自動６方切り替えバルブに試料計量ループ４（２０μＬ）を接続して使用した。溶離液Ａ（６２）として、５％アセトニトリル水溶液、溶離液Ｂ（６３）として３０％アセトニトリル水溶液、試料はｐ−ヒドロキシ安息香酸エチル水溶液（０．０１％）を使用した。一定時間、溶離液Ａ（６２）で送液しカラムを初期化した後、試料を０．０５分間注入し（試料注入量は２μＬ相当）、０．０７分後に切り替えバルブ９０を動作させ溶離液Ｂ（６３）に切り替えた。この条件下で送液圧力は約１５０ｋＰａであった。

表１は再現性（ｎ＝１０）、図２１は溶離液の切り替えパターンおよびクロマトグラムを示した図である。溶出時間（保持時間）の変動係数Ｃｖで１．１２％、ピーク高さで１．３６％、ピーク面積で１．６９％と良好な再現性が得られており、本発明のカラムおよび接続方法に問題がないことを明示している。

１溶離液
２ポンプ
３試料注入バルブ
４試料ループ
５カラム
７検出器
８カラム管
９樹脂配管
１０ナット
１１フィルタ
１２端部接続具
１３押しネジ
１４金属配管
１５フェラル
１６一体型樹脂製接続具
１７フランジナット
１８フランジ
１９樹脂配管
２０フレア
２１フレアナット
２４．雌型ルアー形状部
２５．カラムフィルタ（出口側）
２６，２７雄型ルアー形状部
２６Ａキャップ部
２８．接合部（雌）
２９．充填剤充填空間
３０．カラムフィルタ（入口側）
３１．接合部（雄）
３２．Ｏリング
３３．カラム入口
３４．カラム出口
３５．出口側接続具
３６．カラム本体
３７．入口側接続具
３８．パッカー
３９．真空アダプタ
４０．セル入口
４１．検出光路
４２．レンズ
４３ユニオン
４４ジョイント
４５，４６，４７接続器具
４８セル出口
４９配管
５０セル部
５２圧力調整器
５３圧力計（圧力調整器内蔵）
５４圧力計
５５開閉バルブ
５７水槽
５８，６０カラム管
６１端部接続具
６２溶離液Ａ
６３溶離液Ｂ
６４，６５フェラル
６６スリーブ
６７スプリング
６８外挿管
６９配管
７０ピン
７１切り欠き
７２カラムオーブン
７３温度制御機構
７５カラム
７６光源
７７フォトセンサ
７８液体流入接続具（簡易接続具）
８０カラム管
８１出口側フィルタ
８２．ゲル
８３入口側フィルタ
８４出口側固定器具
８５Ｏリング
８６入口側固定器具
８７外挿管
８８入口側配管
８９出口側配管
９０切り替えバルブ
９１溶離液Ｂループ

Claims

液体クロマトグラフィ用の充填剤を収容する充填空間、液体が流入する入口、および液体が流出する出口を有するカラム本体と、
前記カラム本体の入口に接続して液体流入接続具と接続するための入口側接続具と、
前記カラム本体の出口に接続して液体流出接続具と接続するための出口側接続具と、
を備えた液体クロマトグラフィ用カラムであって、
カラム本体の前記充填空間は、前記カラム本体内部の所定部位から出口まで延在し、かつ前記カラム本体の外側は所定部位から出口にかけて先細る雄型ルアー形状をなしており、
前記出口側接続具は、その基端部が、前記カラム本体の雄型ルアー形状に密着嵌合する雌型ルアー形状部を有していることを特徴とする前記液体クロマトグラフィ用カラム。
請求項１において、前記出口側接続具は、前記雌型ルアー形状部の前方にカラムフィルタを装着した、液体クロマトグラフィ用カラム。
請求項１または２において、前記カラム本体と前記入口側接続具の間にカラムフィルタを介装した、液体クロマトグラフィ用カラム。
請求項１から３のいずれかにおいて、前記入口側接続具は、液体流入配管を保持する部材を可逆的に押圧する手段を有する液体流入接続具に適合し液密状態を保持する接液形状および係止手段を有し、
前記出口側接続具は、液体流出接続具に適合する雄型ルアー形状部を有する、液体クロマトグラフィ用カラム。