JP4312605B2 - 表面グラフト変性クロマトグラフィ用ポリマー支持体およびその作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般にクロマトグラフィ用の樹脂に関し、より詳細には、クロマトグラフィを適用している間中、クロマトグラフィ性能が高まるように特に適合された、改善された表面グラフト変性樹脂に関する。

（関連出願の相互参照）
本願は、２００２年１月２５日に出願された米国仮出願第６０／３５１，６９５号の利益を主張するものであり、その内容全体を参照により本願明細書中に援用する。

医薬品、バイオテクノロジー、および環境に関する研究産業でクロマトグラフィを使用することは周知である。クロマトグラフィは、これらの事業の多くの態様で利用されるので、これらの産業では重要な方法である。例えばクロマトグラフィは、薬物サンプルの調製および分析や、様々な非常に重要な化学物質の精製に使用することが可能であり、また任意の有毒物質の水溶液を清浄化するといった大規模な用途がある。

これまで最も広く利用されてきた樹脂は、シリカを主成分にしたものであった。シリカ樹脂は非常に広く用いられてきたので、その樹脂を変性させる方法および化学物質については当技術分野では十分に述べられており、市販もされている。しかし近年では、広い表面積や高いｐＨ安定性など、シリカベースの樹脂にも優る有利なクロマトグラフィ特性があるために、ポリマーを主成分とする樹脂が評判を得ている。

ほとんどのポリマーベースの樹脂は、２種以上のモノマーの共重合によって形成される。モノマーは、その分子のそれぞれが高分子構造内の１つまたは複数の構成単位をもたらし得る物質である。その意味で、共重合とは、２つ以上の異なるモノマーを一緒に結合させてコポリマーを形成する化学反応である。

これらの樹脂では、様々な所望の性質を持つモノマーが、開始剤および多孔形成溶媒の存在下で共重合して連鎖反応を開始する。いくつかの要因（例えば使用されるモノマーの割合、開始剤、多孔形成溶媒、温度など）に応じて、得られる樹脂は様々な物理的構造または形態、ならびに様々な化学的性質を持つようになる。これらの樹脂の代表的なタイプは、（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンと（ポリ）メタクリレートである。残念なことに、これら樹脂の様々な「在庫規格品」のほとんどは、その化学的性質が限られており、したがってそのような樹脂を利用することが可能なクロマトグラフィの用途は、その数に限りがある。

この欠点を多少なりとも解決する１つの手法とは、固有のクロマトグラフィ特性を備えた樹脂が生成されるように、共重合中に使用されるモノマーを変えることである。しかしそのような手法には、共重合条件（例えばモノマーや温度、開始剤など）を変化させるなどの欠点があり、得られる樹脂の物理的構造が、もはや意図するクロマトグラフィの用途としては理想的ではないような、望ましくない形に変化してしまう可能性がある。したがって、上述のように適正な物理的および化学的品質を備えた樹脂を形成するには、広範囲にわたって非常に労力を要する研究を行う必要がある。

一部の樹脂は、メリフィールド（Ｍｅｒｒｙｆｉｅｌｄ）樹脂とフリーデル・クラフツ反応によっても生成される。これらの技法は、既存の樹脂の表面を化学的に変性させる。しかしメリフィールド樹脂は、適切な誘導化表面を実現するために２段階反応を必要とし、したがって時間がかかるので、望ましくない場合が多い。さらにフリーデル・クラフツ反応は、多くのクロマトグラフィ技法で望ましくない金属キレート化合物の吸着を引き起こす可能性のある金属触媒を使用しなければならない。加えてフリーデル・クラフツ反応は、さらに反応条件を厳密に制御する必要があり、樹脂を一貫して再生産することが困難になる。

従来の樹脂の上記欠点に鑑み、当技術分野では、その理想的な物理的／化学的特性を変化させることなく１段階反応によって所望のクロマトグラフィ特性が実現される、改善された化学変性樹脂が必要とされている。さらに、時間的に効率的な手法で容易に製造することが可能であると同時に一貫して再生産することが可能な、改善された化学変性樹脂もまた必要とされている。

本発明は特に、従来技術の樹脂を使用することに伴う上述の欠陥に対処し緩和するものである。より具体的には、ポリマー粒子が所望の物理的特性を有するように選択される。所望のクロマトグラフィ特性を有するモノマーを選択し、次いでポリマーの表面を、溶液ベースの遊離基開始型表面グラフト変性によって化学的に変性させ、それによってモノマーをポリマー粒子に結合させて、所望の樹脂を得る。この特定の樹脂は、特に、クロマトグラフィによる分離の間中、クロマトグラフィ性能が高まるようになされている。樹脂は、１０％〜１００％が架橋している多孔質／非多孔質ビーズ、ペレット、膜、またはモノリシック支持体／構造の形で使用することが可能である。上記範囲は４５％〜１００％が好ましく、７０％〜１００％がより好ましい。ポリマー粒子は、使用者が望ましいと考える様々な物理的特性、すなわちポリマー材料、ポリマーの大きさ、ポリマーの形状、表面積、細孔密度、孔径、細孔形状、細孔容積、および任意のその他の物理的または材料特性であって、樹脂のクロマトグラフィ性能またはクロマトグラフィの用途で使用されている樹脂の全寿命および性能に影響を与えるとして現在知られておりまたは将来知られるようになる特性の、１つまたは複数を含めた様々な物理的特性に応じて選択される。

好ましい実施形態によれば、樹脂は、まず（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンや架橋（ポリ）メタクリレートなどのポリマー粒子を得ることによって形成することが可能である。ポリマー粒子は、時間を節約し全体的な製造工程を円滑にするために、在庫から即ちに入手可能であることが好ましい。しかし当業者なら、樹脂に使用されるポリマー粒子を一から形成することが可能であることが理解されよう。

好ましい実施形態では、得られたポリマー粒子を液体媒体中に入れる。次いでポリマー粒子の表面を、化学変性剤によって表面グラフト変性させる。化学変性剤は、Ｎ−ビニルピロリドンやアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、無水マレイン酸などの、任意のアルケン化学試薬でよい。表面グラフト変性の後、その樹脂は、所望のクロマトグラフィ性能を示すことが可能である。

表面グラフト変性の工程は、樹脂を化学的に変性させるための簡単で効果的な手段を提供するので、前述の方法（例えば共重合、フリーデル・クラフツ反応、メリフィールド樹脂）と比較して非常に有利である。表面グラフト変性は、典型的な場合、既存ポリマー粒子の特定の物理的形態および／または化学的特性に著しい影響を及ぼすことなく、そのポリマー粒子のクロマトグラフィ性能が高まるように作用する。特定の物理的特性／形態（例えば孔径、表面積、細孔容積）を備えた容易に入手可能なポリマー粒子は、その表面に所望の化学変性剤が表面グラフト変性し得るものを選択することが可能であることが、より好ましい。この方法では、上記従来技術の方法に伴う欠点を回避しながら最適なクロマトグラフィ樹脂を生成するのに要する時間および調査が、はるかに少なくて済む。

樹脂は、使用される特定の化学変性剤に応じて、多くのクロマトグラフィ技法に適用することが可能である。これらの技法には、固相抽出（ＳＰＥ）、フラッシュクロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ（ＬＣ）、また、逆相クロマトグラフィ、順相クロマトグラフィ、ゲル濾過クロマトグラフィ、イオン交換クロマトグラフィ、およびアフィニティクロマトグラフィを含めた様々な形の液体クロマトグラフィが含まれるが、これらに限定されない。

本発明のこれらならびにその他の特徴は、図面を参照することによってより明らかになるであろう。

次に、好ましい実施形態の単なる例示を目的として示し、それに限定されるものではないが、図面を参照すると、図１は、溶液中の遊離基開始型表面グラフト変性によって、表面１２が化学的に変性することが可能なポリマー粒子１０を示している。表面グラフト変性工程を経ることによって、表面１２を有するポリマー粒子１０は、使用者により選択されるような最適なクロマトグラフィ樹脂１４へと移行することが可能である（図４に概念的に示す）。

図１、２、および４をさらに詳細に参照すると、樹脂１４は、クロマトグラフィで分離している間中、高度なクロマトグラフィ性能を示すことが可能になるように、クロマトグラフィに関する機能が強化されている。本明細書で使用する、クロマトグラフィに関する機能が強化されるという文言は、当初のクロマトグラフィ性能が変化して強化されるようなポリマー粒子１０の化学的変性をいう。例えば、クロマトグラフィに関する機能を強化することにより、通常は無極性または疎水性（厭水性）の（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンポリマー粒子１０を、より高い極性または親水性（好水性）にすることが可能になる。このようにすると、クロマトグラフィ・システム内での樹脂による極性溶質のクロマトグラフィ保持が改善され、クロマトグラフィ抽出中は「湿潤状態」であり続ける樹脂の能力が改善される。クロマトグラフィに関する機能を強化すると、陰イオン交換クロマトグラフィ・システムでのクロマトグラフィ保持が改善されるように、ポリマー粒子の表面１２を中性（無電荷）状態から陽イオン（正電荷）状態に変性させることも可能になる。

粒子１０は、（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンまたは架橋（ポリ）アクリレートまたは（ポリ）メタクリレート材料を含むことが有利であるが、これは任意選択でよい。さらに、ポリマー粒子１０は、１０％〜１００％にわたり架橋している任意の多孔質／非多孔質ポリマービーズ、膜、またはモノリシック支持体／構造でよい。この範囲は４５％〜１００％が好ましく、７０％〜１００％がさらに好ましい。ポリマー粒子１０は、例えば、直径が１〜約５００μｍにわたり、好ましくは直径が１〜３００μｍにわたる多孔質または非多孔質のビーズの形でよい。ポリマー粒子１０は、例えば、多孔質または非多孔質の平坦な膜、あるいは固体の多孔質モノリシックロッドまたはシリンダ支持体の形をとることも可能である。膜ポリマーは、厚さが０．１ｍｍ〜５０ｍｍであることが有利であり、厚さが０．２５ｍｍ〜２ｍｍであることが好ましい。モノリシック粒子は、円筒状の構成を有することが有利である。多種多様な幾何形状を使用することが可能である。どのような形をとろうとも、ポリマー粒子１０は、その表面積がグラム当たり約１〜１２００平方メートルであることが好ましい。さらに、好ましいポリマー粒子１０は、非多孔質粒子から、メジアン孔径が約１０オングストローム（０．００１μｍ）から約５０００オングストローム（０．５μｍ）、好ましくは孔径が５０オングストローム（０．００５μｍ）から約４０００オングストローム（０．４μｍ）の粒子にまで及ぶ。

ポリマー粒子１０の好ましいタイプには、（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンおよび（ポリ）エチルベンゼン−ジビニルベンゼンが含まれるが、これらに限定されない。その他の使用可能なタイプには、（ポリ）スチレン−エチレングリコールジメタクリレートや（ポリ）スチレン−エチレングリコールジアクリレートなどのポリスチレンが含まれるが、これらに限定されない。あるいは、（ポリ）エチルベンゼン−エチレングリコールジメタクリレートや（ポリ）エチルベンゼン−エチレングリコールジアクリレートなどのポリエチルベンゼンを含めることが可能であるが、これらに限定されない。その他の使用可能なタイプのポリマー粒子１０には、さらに代わりになるものとして、（ポリ）メチルメタクリレート−ジビニルベンゼン、（ポリ）メチルメタクリレート−エチレングリコールジメタクリレート、（ポリ）メチルメタクリレート−エチレングリコールジアクリレート、（ポリ）ブチルメタクリレート−エチレングリコールジメタクリレート、（ポリ）ブチルメタクリレート−エチレングリコールジアクリレート、および（ポリ）ブチルメタクリレート−ジビニルベンゼンなどのポリメタクリレートを含めることが可能であるが、これらに限定されない。同様に、（ポリ）アクリロニトリル−ジビニルベンゼン、（ポリ）アクリロニトリル−エチレングリコールジメタクリレート、（ポリ）アクリロニトリル−エチレングリコールジアクリレート、（ポリ）アクリルアミド−エチレングリコールジメタクリレート、（ポリ）アクリルアミド−エチレングリコールジアクリレート、および（ポリ）アクリルアミド−ジビニルベンゼンなどのポリアクリレートを含めることが可能であるが、これらに限定されない。

これらのポリマー粒子１０は、例えば三菱化学（株）（東京、日本）など、数多くの種々の供給元から入手可能であり、したがって本明細書には詳細な説明を記載しない。特定の大きさおよび表面積を有するポリマー粒子１０を生成するのに必要な時間および費用は、孔径や表面積、細孔容積などの所望の仕様を持つ既存のポリマー粒子１０を購入することによって、抑えることが可能である。しかし別法として、当業者なら、ポリマー粒子１０を「在庫規格品」として購入するのではなくポリマー粒子１０を一から製造することが可能であることが予期されよう。

架橋ポリマー粒子１０の表面１２は、遊離状態の未反応のアルケン基１６を有する。架橋ポリマー粒子１０の形成に使用される架橋モノマーは、少なくとも２個のアルケン基１６を含有し、これらのモノマーによって２個以上の別個のポリマー鎖を共有結合する。明確にするために、架橋は、複数のポリマー鎖を一緒に永久に結合することを意味する。アルケンは、１つまたは複数の不飽和炭素−炭素二重結合を含む分子である。架橋ポリマー粒子１０の形成中、架橋モノマーの一部のアルケン基１６は、ポリマー鎖との反応を受けず、「遊離」状態のままになる。これら未反応のアルケン基１６は、ポリマー粒子１０全体にわたって最も存在し易いものであるが、特に興味深いのは、そのようなアルケン基１６がポリマー粒子１０の表面１２（適用可能な表面全体にわたって）に存在することである。

以下に述べるように、これらのアルケン基１６は、ポリマー粒子１０の表面１２で静止状態で外側へと向きが定められており、化学変性剤１８が、遊離基開始型表面グラフト変性を介して結合するのに望ましいポイントである。粒子表面には、未反応アルケン基が、平方メートル当たり約０．０１マイクロモルから平方メートル当たり約８マイクロモルあることが有利である。

表面グラフト変性を受ける前に、ポリマー粒子１０と、当初のポリマーには見られない元素を含有するモノマーまたは化学試薬とを反応させることによって、未反応アルケン基１６の存在および濃度を測定することが可能である。イオウは、１対１で反応するので有用である。イオウは、２−メルカプトエタノールなどの試薬から得ることが可能である。この試薬中のイオウは、遊離状態の表面アルケン基１６と１対１で反応することになる。反応後、反応した２−メルカプトエタノールの濃度が得られる元素分析によってイオウ分を測定することが可能である。したがって、表面のアルケン基１６の数を知ることが可能である。この段落で記載したばかりの工程は任意選択であり、省略したければ省略可能であることに留意されたい。

表面グラフト変性の後、場合によっては、グラフト化の程度を評価するために、得られた樹脂１４を分析して、樹脂上の選択された元素の量を決定することが可能である。より具体的には、上述の検出工程を繰り返して、表面グラフト変性を受けなかった遊離状態の表面アルケン基１６の数を観察することが可能である。表面グラフト変性工程の前後で、遊離アルケン基１６の数を比較することにより、グラフト化の程度を評価することが可能である。表面グラフト変性の量を評価するために、元素を添加した後にその元素を検出することは任意選択であるが、省略したければ省略可能である。

（実験例１−アルケン基の濃度）
５００ｍ²／ｇの多孔質（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼン（５０％ジビニルベンゼン）ポリマー粒子１．３ｇを、メタノール１０ｍｌ中に入れ、２−メルカプトエタノール１．５ｍｌを添加した。この溶液を２４時間室温に保ち、次いでメタノールで十分に洗浄して、未反応の２−メルカプトエタノールを全て除去した。元素分析によって、２．３％のイオウが得られたが、これは、約１．５ｕｍｏｌ／ｍ²という利用可能なアルケン基の表面濃度と相関関係があるものである。これは、有効な被覆を表面にグラフトすることが可能であることを示している。

未反応の表面アルケン基１６が存在するので、ポリマー粒子１０の表面１２は、遊離基開始型表面グラフト変性によって化学的に変性することが可能である。遊離基開始型表面グラフト変性は、それ自体が遊離アルケン基２０を含有する化学変性剤１８を、ポリマー粒子１０の表面１２にある遊離アルケン基１６に結合させる工程である。２個のそれぞれのアルケン基１６、２０の間の結合は、共有結合の生成によって行われる。簡単に述べると、表面グラフト変性は、前から存在するポリマー粒子１０を化学的に変性させるための簡単で有効な手段を提供する。本明細書で述べるように、この表面グラフト変性は、融解物中ではなく溶液中で行うことが好ましい。融解物中で行うことも可能であるが、溶液から得られる粒子１０の物理的特性は、融解物中で行った表面グラフト変性から得られた特性とは異なると考えられ、融解物中で行われたものよりも非常に望ましいと考えられる。

次に図３および４を参照すると、ポリマー粒子１０が液体媒体または溶媒（図示せず）中に置かれている。この媒体または溶媒は、粒子１０に対する反応性がないように選択され、したがってアルケン基を含有しないものである。媒体または溶媒は、クロマトグラフィ特性をもたらすモノマーまたは試薬も溶解しなければならない。本明細書で使用する可溶性という用語は、表面グラフト変性が行われる反応温度で、変性剤１８の約６０重量％以上を溶媒に溶解することが可能であり、好ましくは９５％を超えて溶解することが可能であり、理想的には変性剤１８の全てを選択した溶媒に溶解することが可能であるものとすることが有利である。

溶媒は、表面グラフト変性の反応速度を速くするのに使用可能な沸点を持つよう選択することも可能であるが、溶媒の沸点よりも低い温度で生じる反応には温度制御器を使用してもよい。反応が溶媒の沸点で生じる場合、還流反応を有利に使用して溶媒を再循環し保存することが可能である。例示的な液体溶媒または媒体には、メタノール、１，４−ジオキサン、またはテトラヒドロフランが含まれる。様々なその他の溶媒を使用してもよい。

液体媒体中にポリマー粒子１０を入れた後、そこに化学変性剤１８を添加する。化学変性剤１８は、遊離アルケン基を有するように選択される。変性剤１８は、一般に、１種類の遊離アルケン基だけを含有するモノマーである。ごくわずかな異なるアルケン基しか含有しない変性剤を使用することが可能であると考えられるが、これらの異なる基は、架橋し、所望の量を超えて表面グラフト変性を増大させ、したがって細孔を詰まらせる可能性がある。

化学変性剤１８は、粒子１０の表面で遊離アルケン基に結合するためのポイントを提供する。化学変性剤は、粒子１０にクロマトグラフィ特性を与えるよう選択される。化学変性剤は、クロマトグラフィ手段によって分析される１つまたは複数の分子を引き付けることができるかどうか、また、選択された１つまたは複数の分子を、クロマトグラフィで分離するのに十分な所望の期間中、粒子の表面に保持することができるかどうかに合わせて選択される。

化学変性剤１８は、任意のアルケン化学試薬でよい。スチレン、アクリレート、およびメタクリレートは好ましい種類の変性剤１８である。Ｎ−ビニルピロリドン（代わりの綴りはＮ−ビニルピロリジノンである）が好ましいが、その他のアルケン化学試薬を使用することが可能である。それらには、アクリルアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、無水マレイン酸、２−ヒドロキシエチルメタクリレート、エチレングリコールフェニルエーテルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、メチルメタクリレート、ブチルアクリレート、ｔｅｒｔ−ブチルアクリレート、オクチルアクリレート、フェニルメタクリレート、Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリルアミド、Ｎ−ブチルアクリルアミド、Ｎ−ビニルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ−メチルビニルアクリルアミド、アクリロニトリル、またはこれらの組合せが含まれる。

化学変性剤１８を添加すると同時に、または化学変性剤１８を添加した後すぐに、遊離基開始剤も液体媒体または溶媒に添加し、それによって遊離基反応を刺激して樹脂１６が得られるようにする。２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）は好ましい遊離基開始剤である。しかし、過酸化水素や過酸化ベンゾイル、過酸化ジ第３ブチルなど、その他のタイプも同様に使用することが可能である。上述のように、遊離基反応は、２個のアルケン基を一緒に結合させるタイプの反応であり、それらの間に得られた結合は、単一炭素−炭素共有結合になるものである。化学変性剤１８、遊離基開始剤、および粒子１０を液体媒体に導入する特定の順序に厳密に従う必要はないことに留意されたい。表面グラフト変性は、制御された強度で液体媒体が加熱されるまで開始されないので、構成成分は単に存在するだけで十分である。使用される温度は、上部に溶媒が設置される温度制御器によって設定することが可能であり、すなわち、溶媒の沸点を使用することが可能である。

第１の実施形態では、（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼン（ＰＳＤＶＢ）粒子を、Ｎ−ビニルピロリドン化学変性剤と共に、遊離基で開始される表面グラフト変性にかけた。得られた樹脂１６は、その樹脂を容易に「水にぬれ易い」状態にする化学的性質を示す。この樹脂の化学的性質により、その表面は、減圧によって明らかに完全に乾燥した後でさえ、状態が整えられた特徴を維持することが可能になる。

（実験例２− Ｎ−ビニルピロリドン表面グラフト変性）
８０％のジビニルベンゼンおよび２０％のエチルスチレンで作製された、３０ミクロンの、表面積８００ｍ²／ｇおよび細孔容積１ｍｌ／ｇのＰＳＤＶＢポリマー収着剤５０ｇを、１，４−ジオキサン３００ｍｌに添加した。この溶液に、変性アルケン試薬Ｎ−ビニルピロリドン２５ｍｌと遊離基開始剤２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）０．５ｇを添加した。この溶液を沸騰状態（約１００Ｃ）まで３時間加熱し、１，４−ジオキサンで洗浄して、溶液中に形成された未反応のモノマーまたはポリマーを全て除去した。この変性した樹脂１４の表面には窒素が含まれているが、この窒素は、表面グラフト変性ポリマー粒子の１．３重量％と測定された。これは、ポリマー粒子１４の表面でグラフト化したモノマーが、表面１平方メートル当たり、１．２マイクロモル（ｕｍｏｌ／ｍ²）であるというグラフト化レベルに相当する。

（実験例３− Ｎ−ビニルピロリドン表面グラフト変性）
８０％のジビニルベンゼンおよび２０％のエチルスチレンで作製された、３０ミクロンの、表面積８００ｍ²／ｇおよび細孔容積１ｍｌ／ｇのＰＳＤＶＢポリマー収着剤５０ｇを、１，４−ジオキサン３００ｍｌに添加した。この溶液に、変性アルケン試薬Ｎ−ビニルピロリドン８．４ｍｌと遊離基開始剤２，２’−アゾビスイソブチロニトリル０．５ｇを添加した。これを沸騰状態（約１００Ｃ）にまで３時間加熱し、１，４−ジオキサンで洗浄して、溶液中に形成された未反応のモノマーまたはポリマーを全て除去した。この変性した樹脂１４の表面には窒素が含まれているが、この窒素は、表面グラフト変性ポリマー粒子の１．１重量％と測定された。これは、ポリマー粒子の表面１平方メートル当たり、表面でグラフト化したモノマーが１．０マイクロモル（ｕｍｏｌ／ｍ²）であるというグラフト化レベルに相当する。

次いで上記実験から得られた表面グラフト変性樹脂１４のそれぞれを、標準的なカートリッジやカラム、シリンダなどの適切なハウジングに充填した。これらの樹脂１４が、事前に湿潤させ次いで乾燥させた後に極性有機溶質を保持する能力を、従来の非表面グラフト変性（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼン樹脂およびシリカベースのＣ１８樹脂の能力と比較した。完全に乾燥させたわずか数分後、非表面グラフト変性（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼン樹脂およびシリカベースのＣ１８樹脂が極性有機溶質を抽出する能力は、劇的に低下した。一方、表面グラフト変性樹脂は、上記従来技術の樹脂の抽出能力が著しく低下する条件である減圧乾燥後１０分が経過したときでさえ、その抽出能力の９０％以上を維持していた。

第２の実施形態では、オクタデシル（Ｃ１８）などのより一般的に使用されるアルキル誘導体化相に代わりのクロマトグラフィ選択性を付与するには、ニトリル変性クロマトグラフィ樹脂が有用であることに留意されたい。ニトリル変性相は、より一般的なシリカベースのものであるが、ポリマー粒子の表面グラフト変性は、容易に実現することが可能である。したがってニトリル変性樹脂１４を得ることが可能である。

（実験例４−アクリロニトリル表面グラフト変性）
５０％のジビニルベンゼンおよび５０％のスチレンで作製された、７０ミクロンの、表面積５００ｍ²／ｇおよび細孔容積１．１ｍｌ／ｇのＰＳＤＶＢポリマー収着剤５０ｇを、テトラヒドロフラン３００ｍｌに添加した。この溶液に、変性アルケン試薬であるアクリロニトリル２５ｍｌと遊離基開始剤２，２’−アゾビスイソブチロニトリル０．５ｇを添加した。これを沸騰状態（約６６Ｃ）まで１８時間加熱し、テトラヒドロフランで洗浄して、溶液中に形成された未反応のモノマーまたはポリマーを全て除去した。この変性した樹脂１４の表面には窒素が含まれているが、この窒素は、表面グラフト変性ポリマー粒子または樹脂１４の２．８重量％と測定された。これは、ポリマー粒子の表面１平方メートル当たり、表面でグラフト化したモノマーが４．１マイクロモル（ｕｍｏｌ／ｍ²）であるというグラフト化レベルに相当し、その濃度はシリカベースの変性樹脂とほぼ同様である。

第３の実施形態では、カルボン酸無水物などの代替の官能基を堆積させるために、表面グラフト変性を使用してポリマー粒子の表面を化学的に変性させてもよい。ポリマー粒子は、アミン官能基を備えた試薬とさらに反応させることが可能である。アミン基は、イオン交換クロマトグラフィを促進させるために一般的に使用される。

（実験例５−無水マレイン酸表面グラフト変性とその後の追加の誘導体化）
８０％のジビニルベンゼンおよび２０％のエチルスチレンで作製された、３０ミクロンの、表面積８００ｍ²／ｇおよび細孔容積１ｍｌ／ｇのポリマー粒子５０ｇを、１，４−ジオキサン３００ｍｌに添加した。この溶液に、変性アルケン試薬である無水マレイン酸２５ｇと遊離基開始剤２，２’−アゾビスイソブチロニトリル０．５ｇを添加した。これを沸騰状態（約１００Ｃ）まで３時間加熱し、１，４−ジオキサンで洗浄して、溶液中に形成された未反応のモノマーまたはポリマーを全て除去した。この変性した表面には、変性試薬中に見られる反応性無水カルボン酸化学基が含まれている。これらの反応性無水カルボン酸基を使用して、表面をさらに変性させた。

次いでポリマー粒子を１，４−ジオキサン３００ｍｌ中に入れ、ペンタエチレンヘキサミン１５ｍｌを添加し、これを室温で一晩反応させた。次いでポリマー粒子を１，４−ジオキサンで洗浄して、未反応のペンタエチレンヘキサミン全てを除去し、９０Ｃの炉内で乾燥させて、１，４−ジオキサンを除去した。これにより、４．７％の窒素を含む固体樹脂１４を得た。これは、アミンおよびアミド化学基の表面被覆率４．４ｕｍｏｌ／ｍ²に相当し、イオン交換クロマトグラフィに適切なものである。

例示したように、ポリマー粒子１０は、様々なクロマトグラフィに利用される樹脂１４が生成されるよう、表面グラフト変性によって変化させることが可能である。全体的に新しい樹脂を共重合によって形成するのとは対照的に、既存のポリマー粒子１０のクロマトグラフィ機能が高まるように表面グラフト変性を用いる利点とは、ポリマー粒子１０の特定の物理的構造／形態に大きな影響を与えずに、その変性を行うことが可能な点である。上述のように、容易に入手可能な所望の物理的仕様（例えば孔径、表面積、または細孔容積）を有する架橋ポリマー粒子１０は、「在庫規格品」である粒子から選択するだけでよく、または所望の特性を有するものを特に作製することが可能である。次いでこの選択されたポリマー粒子１０は、そのポリマー粒子１０の物理的構造／形態に劇的な影響を及ぼすことなく、所望の化学変性剤で表面グラフト変性することが可能である。クロマトグラフィの機能を高めた樹脂１４を実現するこの方法は、新しい樹脂を共重合によって形成するのに伴う問題に比べ、非常に効率的である。

したがって、クロマトグラフィの用途で使用される、クロマトグラフィ特性が高められた樹脂を提供することが有利である。樹脂１４は、少なくとも１つの未反応アルケン基が形成されている表面を画定するポリマー粒子１０を有する。樹脂は、モノマーを溶解するがモノマーまたは粒子とは化学的に反応しない溶液中で行われた表面グラフト変性によって、ポリマー粒子表面の少なくとも１つの未反応アルケン基に結合された、少なくとも１つの未反応アルケン基を表面に持つモノマーも有する。ポリマー粒子とモノマーの一方またはその両方は、得られる樹脂の所望のクロマトグラフィ特性が高まるように選択される。モノマー中にはアルケン基が１つだけあることが好ましいが、これは任意選択である。ポリマー粒子は（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンであり、モノマーはＮ−ビニルピロリドンであることが好ましいが、これらは任意選択である。

さらに樹脂１４は、クロマトグラフィの機能を高めたポリマー粒子を内部に含むハウジング内に置かれる。このハウジングは様々な形をとることが可能である。様々な直径および長さの円筒形チューブが一般に使用される。ハウジングは、ポリマーの使用中、所定のクロマトグラフィ装置に取着されるよう構成される。ねじ込み式の取付具が一般に使用され、この場合、樹脂１４は、チューブ、カートリッジ、ガード・カートリッジ、薄膜ハウジング、ＳＰＥハウジング、または特定のクロマトグラフィの用途に適切なその他のハウジングに含まれている。Ｑｉ Ｆｅｎｇ，Ｍａの米国特許出願第６，１６２，３６２号に見られるタイプのコネクタを備えたハウジングを含む、チューブ状ハウジングが適切と考えられ、その特許の内容全体を参照により本願明細書に援用する。

樹脂１４を使用することにより、新しくかつ予期しなかった利点が、クロマトグラフィの用途と樹脂の使用方法、特に溶液から少なくとも１つの目的とする溶質を分離する工程を含んだ方法にもたらされる。この方法は、溶液から分離すべき少なくとも１つの目的とする溶質を決定する工程を含む。次いでポリマー粒子がその表面に未反応のアルケン基を有するポリマー粒子を得るが、このポリマー粒子は、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリスチレンからなる群から選択する。次いで目的とする溶質を引き付けることが可能であり、クロマトグラフィを適用するのに十分な時間だけ一時的にその目的とする溶質をモノマー・アルケン基に結合することが可能な、モノマー・アルケン基を選択する。一時的な結合によって、化学物質を分離する保持時間が得られ、したがってその化学物質をクロマトグラフィで同定することが可能になる。最後に、溶液ベースの遊離基開始型表面グラフト変性を使用して、選択されたモノマー・アルケン基を、ポリマー粒子表面の未反応のアルケン基に結合する。次いで目的とする溶質を樹脂と接触させ、クロマトグラフィを適用している間にその目的とする溶質を吸収させる。

クロマトグラフィの用途では、直径が約１μｍ〜約５００μｍである複数のビーズからなる樹脂を使用することが可能であり、または厚さが約０．１ｍｍ〜約５０ｍｍの膜を使用することが可能であり、またはモノリス（好ましくは円筒モノリス）として使用することが可能である。ポリマー粒子は、孔径、細孔容積、表面積、粒子形状、および粒度からなる群から選択された少なくとも２つの所望の物理的特性を有するように選択することが有利であるが、これは任意選択である。粒子１０のその他の物理的性質は、樹脂１４の意図される用途および所望の特徴に合わせ、選択基準として使用することが可能である。

したがって、特定のクロマトグラフィ用途に適切なまたは利点をもたらす物理的特性を有するポリマー粒子１０を選択することが可能な方法を提供することが有利である。例えば、多孔質または非多孔質ビーズ１０、あるいは特定のサイズまたは特定の幾何形状の粒子１０を使用することである。シリカ粒子の場合に利用可能なものよりも、非常に広く様々なポリマー粒子１０が利用可能である。次いで表面グラフト変性を使用し、様々なクロマトグラフィ性能特性が得られるように、これら選択された粒子１０を変性させる。得られた樹脂１４は、このように特定の需要に合わせて作製することが可能であり、シリカベースのクロマトグラフィ媒体よりも優れているクロマトグラフィ性能特性をもたらすことが可能である。さらに、上述の樹脂１４は遊離基開始剤で作製されると述べているが、この開始剤は省略可能と考えられる。

さらに、本明細書で述べた表面グラフト変性から得られる樹脂１４は、さらに選択を行うために変性させることが可能である。例えば樹脂１４は、目的とする特定の溶質に対する保持特性をさらに変化させるため、スルホン化することが可能である。

それら以外の変更例および改善例は当業者には明かであろう。したがって、本明細書で記載し例示した部分の特定の組合せは、ある特定の好ましい実施形態のみを表すものであり、本発明の精神および範囲内の別の仕組みを限定しようとするものではない。

多孔質ビーズの形で描かれている「在庫規格品」ポリマー粒子の代表的な図。 図１に示すポリマー粒子の部分断面図であって、その表面に未反応のアルケン基が露出している状態を示す図。 表面グラフト変性を行う前、露出したアルケン基の近くに化学変性剤が置かれた状態を概念的に示す、図２に示すポリマー粒子の部分断面図。 表面グラフト変性を受けた後の、化学変性剤と露出したアルケン基との間の共有結合を概念的に示す、図３に示すポリマー粒子の部分断面図。

Claims (24)

1. ポリマー粒子の表面に０．０１μｍｏｌ／ｍ² 〜８μｍｏｌ／ｍ ² の未反応アルケン基を有し、かつ、１０％〜１００％の架橋を有し、ポリマー粒子１グラムあたり１〜１２００平方メートルの範囲に表面積を有する複数のポリマー粒子を選択する工程と、
   クロマトグラフィ性能をもたらす遊離アルケン基を有するモノマーからなる化学変性剤としてＮ−ビニルピロリドンを選択する工程と、
   該化学変性剤が可溶でありかつ選択された該ポリマー粒子とは反応性でない溶媒を選択する工程と、
   該ポリマー粒子および該化学変性剤を該溶媒中に入れる工程と、
   該溶媒中に遊離基開始剤を添加し、必要に応じて温度を上昇させて、溶液ベースの表面グラフト変性反応を引き起こすことにより該化学変性剤を該ポリマー粒子に結合して、クロマトグラフィの用途で使用するのに適切なクロマトグラフィ機能が高められた樹脂を生成する工程と
   からなる非逐次的な工程を有する、クロマトグラフィ用ポリマー支持体の作製方法。
2. ポリアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリスチレンからなる群から前記ポリマー粒子を選択する工程をさらに備える、請求項１に記載の方法。
3. 前記遊離基開始剤がＡＩＢＮである、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ポリマー粒子が、直径１〜５００μｍの複数の粒子からなる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. ポリマー膜の表面に０．０１μｍｏｌ／ｍ ² 〜８μｍｏｌ／ｍ ² の複数の未反応アルケン基を有し、かつ、１０％〜１００％の架橋を有し、ポリマー膜１グラムあたり１〜１２００平方メートルの範囲に表面積を画定するポリマー膜を形成するためのポリマー粒子を選択する工程と、
   クロマトグラフィ特性を有する遊離アルケン基を備えたモノマーからなる化学変性剤を選択する工程と、
   該化学変性剤が可溶でありかつ選択された該ポリマー膜とは反応性でない溶媒を選択する工程と、
   該ポリマー粒子および該化学変性剤を該溶媒中に入れる工程と、
   該溶媒中に遊離基開始剤を添加し、必要に応じて温度を上昇させて、溶液ベースの表面グラフト変性反応を引き起こすことにより該化学変性剤を該ポリマー膜に結合して、クロマトグラフィの用途で使用するのに適切なクロマトグラフィ機能が高められた膜を生成する工程と
   からなる非逐次的な工程を有する、クロマトグラフィ用ポリマー支持体の作製方法。
6. 前記膜は、０．２５ｍｍ〜２ｍｍの厚さを有し、さらに前記ポリマー膜が、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリスチレンからなる群から選択される請求項５に記載の方法。
7. 前記遊離基開始剤がＡＩＢＮである、請求項５に記載の方法。
8. 円筒ポリマーモノリスの表面に０．０１μｍｏｌ／ｍ ² 〜８μｍｏｌ／ｍ ² の未反応アルケン基を有し、かつ、１０％〜１００％の架橋を有し、円筒ポリマーモノリス１グラムあたり１〜１２００平方メートルの範囲に表面積を画定する円筒ポリマーモノリスを選択する工程と、
   クロマトグラフィ性能をもたらす遊離アルケン基を有するモノマーからなる化学変性剤としてＮ−ビニルピロリドンを選択する工程と、
   該化学変性剤が可溶でありかつ選択された該円筒ポリマーモノリスとは反応性でない溶媒を選択する工程と、
   該ポリマー粒子および該化学変性剤を該溶媒中に投入する工程と、
   該溶媒中に遊離基開始剤を添加し、必要に応じて温度を上昇させて、溶液ベースの表面グラフト変性反応を引き起こすことにより該化学変性剤を該円筒ポリマーモノリスに結合して、クロマトグラフィの用途で使用するのに適切なクロマトグラフィ機能が高められた円筒ポリマーモノリスを生成する工程と
   からなる非逐次的な工程を有する、クロマトグラフィ用ポリマー支持体の作製方法。
9. 前記ポリマーがポリアクリレート、ポリメタクリレート、およびポリスチレンからなる群から選択される請求項８に記載の方法。
10. 前記遊離基開始剤がＡＩＢＮである、請求項８に記載の方法。
11. １０％〜１００％の架橋を有し、０．０１μｍｏｌ／ｍ ² 〜８μｍｏｌ／ｍ ² の未反応アルケン基を備えた表面を有するポリマー粒子と、
    少なくとも１つの未反応アルケン基を表面に有するモノマーであって、クロマトグラフィ用ポリマー支持体を形成するために該モノマーを溶解するが該モノマーまたは該ポリマー粒子とは化学的に反応しない溶液中で行われる表面グラフト変性により、該ポリマー粒子の表面にある未反応アルケン基のそれぞれ一つに結合されている、少なくとも１つの未反応アルケン基を表面に有するモノマーと
    からなり、該モノマーは、該ポリマー粒子に結合して該クロマトグラフィ用ポリマー支持体を形成する際に、該ポリマー粒子のクロマトグラフィ特性を高めるように選択されたＮ−ビニルピロリドンである
    クロマトグラフィ特性が高められたクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
12. 前記ポリマー粒子が、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリエチルベンゼン、およびポリスチレンからなる群から選択される、請求項１１に記載のクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
13. 前記ポリマー粒子が（ポリ）スチレン−ジビニルベンゼンである、請求項１２に記載のクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
14. 前記ポリマーおよび前記クロマトグラフィ用ポリマー支持体は、直径１μｍ〜５００μｍの複数のビーズからなり、ビーズ１グラムあたり１〜１２００平方メートルの範囲の表面積を有する請求項１３に記載のクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
15. 前記ポリマーおよび前記クロマトグラフィ用ポリマー支持体が、厚さ０．１ｍｍ〜５０ｍｍの膜からなる、請求項１３に記載のクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
16. 前記ポリマーおよび前記クロマトグラフィ用ポリマー支持体が円筒形のモノリスからなる、請求項１３に記載のクロマトグラフィ用ポリマー支持体。
17. 前記ポリマー粒子は、４５〜１００％の架橋を有している請求項１に記載の方法。
18. 前記ポリマー粒子は、７０〜１００％の架橋を有している請求項１７に記載の方法。
19. 前記ポリマー粒子は、１〜３００μｍの直径を有している請求項１に記載の方法。
20. 前記ポリマー粒子は、多孔質であり、１０オングストローム（０．００１μｍ）〜５０００オングストローム（０．５μｍ）のメジアン孔径を有している請求項１に記載の方法。
21. 前記ポリマー粒子は、５０オングストローム（０．００５μｍ）〜４０００オングストローム（０．４μｍ）の範囲の孔径を有している請求項２０に記載の方法。
22. 前記溶媒は、メタノール、１，４−ジオキサン、テトラヒドロフランからなる群より選択される請求項１に記載の方法。
23. 前記化学変性剤が、前記ポリマー粒子には見られない元素を有するモノマーを含み、
    前記表面グラフト変性の前に、前記ポリマー粒子と前記化学変性剤とを反応させ、該ポリマー粒子中の該元素の含量に基づいて、未反応のアルケン基の濃度を決定する工程を更に含む請求項１、５、および８のいずれか１項に記載の方法。
24. 前記化学変性剤が、前記ポリマー粒子には見られない元素を有するモノマーを含み、
    前記表面グラフト変性の後に該元素の量を測定し、その元素の量を使用して、引き起こされた表面グラフト変性の程度を評価する工程を更に含む請求項１、５、および８のいずれか１項に記載の方法。

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