JP4313035B2 - モノリスクロマトグラフィーカラムの製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、製造後にゲル化モールド（gelation mould）内に直接留まることができるモノリス吸着剤（monolithic sorbent）を含むクロマトグラフィーカラムまたはキャピラリーの製造方法に関する。
モノリス吸着剤は、クロマトグラフィー、特にＨＰＬＣ、マイクロＬＣまたは電気クロマトグラフィーの領域において、その重要性を継続的に増大させている。これらは、粒子吸着剤を含有するカラムまたはキャピラリーより有意に良好な物質移動特性を示す。この理由のために、モノリス吸着剤を含有するカラムは、より高い線流速において、同じ効率で動作することができる。
【０００２】
モノリス吸着剤は、有機または無機ポリマーに基づいて形成することができる。ポリマーの異なる特性により、異なる方法が、モノリス吸着剤に基づくクロマトグラフィーカラムの製造に用いられている。
低い収縮率を有するポリマー、即ち、ソフトポリマーゲルは、ゲル化モールドとしてクロマトグラフィーに用いられるチューブ内で直接製造することができる。Hjertenら(Nature, 356, pp. 810-811, 1992)は、例えば、クロマトグラフィーチューブ内で製造されたポリアクリルアミド材料を含むモノリスを記載している。Frechetら(Anal. Chem., 64, pp. 820-822, 1993)は、細孔形成剤の存在下でマクロ多孔性構造を有するモノリス材料となり、製造後に使用したモールド内に留まることができるポリアクリレート材料およびポリスチレンジビニルベンゼンコポリマーの製造を記載している。
【０００３】
しかしながら、このタイプのポリマーはクロマトグラフィーについていくつかの欠点を有している。例えば、これらはしばしば不適切な機械的安定性を有する。さらに、材料の細孔分布は、あまりに多数のミクロ細孔が発生するために、しばしば好ましくない。これは、カラムの効率と対称性に悪影響を及ぼす。加えて、該材料はしばしば好ましくない膨潤挙動を示す。
【０００４】
有意に良好な分離特性は、モノリス多孔性無機モールディング（monolithic porous inorganic mouldings）または、いくつかのケースでは、高度に架橋された、硬質有機ポリマーゲル（hard organic polymer gels）により発揮される。しかしながら、これらの材料は製造中に収縮し、このことは、それらが、クロマトグラフィーチューブ内で直接製造できないことを意味する。形成される空所（dead space）は、分離効率を過剰に低下させるだろう。ゾル−ゲル法により製造された無機モノリスの場合、エージング後の収縮率は、例えば、もとの直径の２０％までである。したがって、これらの材料は、製造後にゲル化モールドから取り出した後で、強固に密閉されたチューブ内に入れなければならない。
【０００５】
WO 99/38006およびWO 99/50654は、モノリスシリカ材料で充填されたキャピラリーの製造のための方法を開示している。この材料は、製造後に直接キャピラリー内に留まることができる。しかしながら、そこで開示されている方法は、比較的小さい直径を有するキャピラリーカラムの製造にのみ好適である。
【０００６】
本発明の目的は、したがって、モノリスクロマトグラフィーカラムの製造のための方法であって、該カラムにおいて、吸着剤が製造後にゲル化モールド、即ちカラムチューブ内に留まることができる方法を提供することにあった。この方法は、特に高度に収縮する、即ち、例えば無機材料および高度に架橋された有機ポリマーに好適であるはずであり、２０ｃｍまでの直径を有するカラムチューブの充填を可能にするはずである。
【０００７】
収縮によってゲル化モールドとモノリスとの間に生じた空所を、モノマーゾルでの多重充填（multiple filling）を行なうことで、補償できることが見出された。この方法では、モノリスは元のモールド内に留まることができ、そして、直接クロマトグラフィー分離に用いることができる。最初のエージング後、ゲルは、重合またはゲル化したばかりの材料に比べ、より強固な三次元ネットワークを有しているが、この段階では、ゲルがまだ十分に反応性であり、添加したばかりのモノマーゾルと自力でアンカリングすることが見出された。これは、エージングしたゲル上へのモノマーゾルの新たなゲル化を介して行なわれる。
【０００８】
教科書（Iler, R.K. The chemistry of silica; John Wiley & Sons, New York, 1979, page 174）での見解によれば、シリカゲルの場合、均質なネットワークはｐＨ７以下のｐＨでのみ形成される。この値を超えると、粒子形成への傾向がはるかに強くなる。したがってまた、シリカゲルからのモノリスの製造は酸性媒体中で行なわれる。しかしながら、その後のエージングは、多孔性構造を形成するために、アルカリ条件下で行なわなければならない。エージングしたゲルのｐＨは、したがって、約９である。ここで、シリカからのモノリスの製造において、多重充填がまた可能であることが見出された。塩基性媒体中でモノマーゾルが粒子を形成する傾向を抑制することができる。エージング後の最初の充填のｐＨが高いにも関わらず、外部領域の酸性化または洗浄を介して、エージングしたばかりのモノリスにｐＨグラジエントが生じれば、多重充填期間中に均質なネットワークが形成される。
【０００９】
添加したモノマーゾルは、エージングしたゲルに結合し、それとともに均質な構造を形成する。形成された材料は、良好なクロマトグラフィー分離特性を示す。
【００１０】
本発明は、したがって、ゲル化モールドを完全に充填するモノリス多孔性モールディングの製造のための方法であって、以下のプロセス工程、
ａ）ゲル化モールドを提供する工程、
ｂ）モノマーゾルでゲル化モールドを充填する工程、
ｃ）モノマー溶液を重合する工程、
ｄ）工程ｃ）で形成されたゲルをエージングし、細孔を形成する工程、
ｅ）工程ｄ）で形成された空所をさらなるモノマーゾルで充填し、工程ｃ）〜ｄ）を繰返す工程、
（それにより、工程ｅ）を１回または２回以上行うことができる）
を特徴とするものに関する。
【００１１】
好ましい態様において、モノリス多孔性モールディングは、工程ｅ）において、エージングしたゲルの表面上に最初にｐＨグラジエントを形成し、引き続き導入されるモノマーゾルが、既にエージングしたゲルに均質に結合する、ゾル−ゲル法を用いて製造される。
さらに好ましい態様において、工程ｅ）で引き続き導入されるモノマーゾルは、工程ｂ）からのモノマーゾルと組成が異なる。
好ましい態様において、工程ａ）で提供されたゲル化モールドは、１ｍｍ〜１００ｍｍの内径を有する。
【００１２】
本発明はまた、ゲル化モールド内で重合され、そして、少なくともコアにおいて、エージングで収縮する多孔性モノリス材料からなる、本発明の方法により製造することができるモノリス多孔性モールディングにも関する。
本発明は、本発明のモールディングの、少なくとも２物質のクロマトグラフィー分離のためのゲル化モールドへの使用に関する。
本発明の方法は、製造プロセス中に収縮するモノマーゾルからの多孔性モノリスモールディングの製造に好適である。
【００１３】
例えば、フリーラジカル重合のための方法、または、ゾル−ゲル法などの、当業者に知られた種々の方法を、このモールディングの製造に用いることができる。モノリスの製造のための出発物質を含む溶液は、本発明に関して、それらが重合またはゲル化される方法に関わらず、モノマーゾルと呼ぶ。
【００１４】
本発明の方法は、ゾル−ゲル法による無機多孔性モノリスモールディングの製造に特に好適である。WO 95/03256および特にWO 98/29350は、本発明に基づき好ましい、ゾル−ゲル法による無機モノリスモールディングの製造方法を開示している。これらの材料は、２〜１００ｎｍの直径を有するメソ細孔、および０．１μｍより大きい平均直径を有するマクロ細孔を含み、したがって、クロマトグラフィー用途に特に好適である。
【００１５】
これらのモールディングは、例えば、シリコンアルコキシドを、ゲル化モールド内で、酸性条件の下、例えば有機ポリマーの水溶液などの細孔形成相（pore-forming phase）の存在下で加水分解し、多孔性ゲル体を得、次に、細孔形成物質を除去し、ゲルを焼成することで製造することができる。引き続くゲルのエージングは、特に、ゲル構造の変化およびゲルの収縮をもたらす。これにより、ゲル化モールドとモールディングの間に空所が形成される。
【００１６】
本発明の方法において、ゲル化モールドとモールディングの間の空所は、モノマーゾルで充填される。モールディングおよびモノマーゾルを含むゲル化モールドを、次に、例えばWO 95/03256またはWO 98/29350に記載のような、製造過程の種々の工程に再度付する。引き続き導入されたモノマーゾルが、既に存在するモノリスに可能な限り均質に結合するために、エージングによって生じた塩基性ｐＨをｐＨグラジエントの生成により補償するのが好ましい。
【００１７】
本発明に関して、「ｐＨグラジエントの生成」の句は、エージングしたゲル体の少なくとも外側のｐＨが、ｐＨ７と同値かまたは好ましくはｐＨ７未満に復元されていることを意味するとされる。ｐＨは、好ましくは、次に使用されるモノマーゾルのｐＨに調節される。可能であれば、モールディング全体をこのｐＨに合わせるが、必ずしもその必要はない。ｐＨグラジエントは、例えば、水または対応するｐＨを有する酸または緩衝液で洗浄することにより確立することができる。
【００１８】
添加したゲルの収縮は、第２のエージング（second ageing）中にも自然に起こる。この理由により、モノマーゾルをさらに１回または２回以上添加し、これを完全にゲル化し、再度エージングを行なうことが必要であろう。
重合が行なわれたゲル化モールドが十分にモールディングで充填され、そして、収縮により形成された空所が充填された後に、クロマトグラフィー分離に好適で、直接そのゲル化モールド内に留まることができるモールディングが得られる。
【００１９】
本発明の方法について指摘すべきは、モノマーゾルがそれぞれの添加中に同じ組成を有し、そして、ゲル化およびエージングも同等の条件下で行なわれた場合にのみ、均質なモールディングが形成されるということである。空所を充填するために異なる組成を有するモノマーが選択された場合、コアが、後に導入された外側領域と（例えば細孔分布に関して）異なるモールディングが製造される。しかしながら、クロマトグラフィー分離には均質なモールディングが好ましい。
【００２０】
したがって、例えば、以下の組成物が、本発明に基づいて製造されたモールディングについて生じる：
１．多孔性モノリス（内側）と、（同タイプの）第２の多孔性層（外側）との混合物、
２．多孔性モノリス（内側）と、第２の非多孔性層（外側）との混合物、
３．多孔性無機モノリス（内側）と、第２の多孔性有機ポリマー層（外側）との混合物、
４．多孔性無機モノリスと、第２の非多孔性有機ポリマー層との混合物。
【００２１】
本発明に関して、多孔性モノリスモールディングは、したがってまた、内側部分が多孔性材料からなり、外側層が非多孔性材料からなるモールディングをも含む。
したがって、異なる製造方法を組み合わせることも可能である。例えば、第１の、内側モールディングを上記で概説したゾル−ゲル法により製造することができ、一方、引き続く導入により形成される外側層はフリーラジカル重合により製造される。
【００２２】
多孔性の内側構造と非多孔性外側層を有する無機モノリスの製造のために、内側構造は、例えば、上述のゾル−ゲル法により製造することができ、一方、外側層は、純テトラメトキシシランを含むモノマーゾルから出発して、酸または水により、あるいは、モノマーゾルから出発して、有機修飾セラミックス（ormocers）（ポリケイ酸またはポリシロキサン）により製造される。
【００２３】
本発明に関して、「ゲル化モールド」の用語は、その中でモノリスモールディングが、本発明の製造中に、完全に、即ち空所なく正確にフィットして内重合されるモールドを意味するとされる。本発明に従い、内重合された（polymerised-in）モールディングは、クロマトグラフィー用の分離カラムとして好ましく用いられるため、ゲル化モールドは、同時にクロマトグラフィーカラムの被覆材（cladding）である。本発明によると、モールディングをクロマトグラフィー用途のゲル化モールドから取り出し、それに新たな被覆材を提供する必要はもはやない。
【００２４】
したがって、ゲル化モールドは、典型的には、キャピラリー、分析または予備クロマトグラフィーカラムについて慣用されているサイズおよび形態を有する。 それは、金属または、好ましくは、プラスチック、セラミック、ガラスまたは他のシリカ材料、例えば溶融シリカなどからなることができる。当業者は、反応条件および用いる反応物に基づいて、これらの材料を選択することができる。
【００２５】
本発明に関して、「完全に、即ち空所なく正確にフィットして内重合される」の句は、収縮過程により辺縁領域に形成された空隙によって、クロマトグラフィー分離効率がもはや損なわれないように、ゲル化モールドが、モールディングによって充填されていることを意味する。本発明の方法において、ゲル化モールドの末端には、ストッパーまたは他のタイプのホルダーが提供されていることができ、それにより、モノリスは、内重合およびストッパーの除去後に、正確にゲル化モールドで終止しない。ゲル化モールドの末端の突出は、特にフィルターまたはシールの導入、または、溶離液の供給および排出ラインの接続のために有利であり得る。したがって、本発明に基づき、ゲル化モールドの断面全体がモノリス吸着材で完全に充填されたゲル化モールドは、その末端に陥凹を有することもできる。
【００２６】
本発明の方法は、２００μｍ〜２００ｍｍ、好ましくは１ｍｍ〜１００ｍｍの内径を有するクロマトグラフィーカラムの製造に用いることができる。５ｍｍまでの直径を有する細管またはキャピラリーの場合、最初のエージング後に形成された空所を新たなモノマーゾルで１回充填すれば、通常は十分である。より太いチューブの場合、引き続く３または４回の充填が必要であり得る。
クロマトグラフィー用のゲル化モールド内で重合された本発明のモールディングを用いる場合、ゲル化モールドには、通常、対応するフィルターまたはシール材、および溶離液のための接続部が提供されている。
【００２７】
本発明の方法により、ゲル化モールドを完全に充填する均質なモノリス多孔性モールディングの製造がはじめて可能になった。該モールディングは、クロマトグラフィー用のゲル化モールド内に留まることができ、そして、均一のモノマー溶液を使用した場合、多重充填をせずに製造し、後に被覆加工を施したモールディングとまさに同程度の均質な細孔構造および、まさに同程度の良好な分離効率を示す。したがって、本発明の方法は、クロマトグラフィー用のモノリスモールディングの製造を顕著に簡素化するだろう。
【００２８】
本発明の方法で製造されたキャピラリーは、概して、従来技術からのキャピラリーより有意に良好な分離効率を示す。この理由は、収縮過程によって気付かれずに生じた空所を、容易に補償することができるからである。
さらにまた、本発明の方法は、異なるモノマーゾルでの引き続く充填により複合材料を製造する可能性を提供する。これらの材料は、内側モノリスおよび外側層の性質に依存して、異なる特性を有することができる。
【００２９】
さらなる詳細がなくとも、当業者は上記の記載を最も広い範囲で用いることができるとみなされる。好ましい態様および例は、したがって、単に記述的な開示であるとみなされるべきであり、絶対にいかなる意味でも限定するものではない。
本明細書中で言及した全ての出願、特許および刊行物、特に２０００年６月１４日出願の対応出願DE 100 28 447の完全な開示内容は、本出願に参照として組み込む。
【００３０】
例
１．
５ｍｌのテトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）を、１０ｍｌの０．００１モル酢酸中の０．７ｇのポリエチレングリコール１０，０００溶液に加え、反応混合液を加水分解のために４０℃で攪拌した。数分後、透明な溶液が形成され、それを、４０℃で２０分攪拌後、５ｃｍの内径を有するスーパーフォーマンス（Superformance）（登録商標）ガラスカラム（Merck KGaA, Germany）に移した。恒温条件下（４０℃）に４０分間おいた後、反応溶液が凝固する。形成されたゲルを定温で２０時間エージングした後、１０％より大きいモノリスの収縮率を得ることができる。
モノリスとカラム壁との間に形成された空間のために、このモノリスを直接分離材料として用いることはできない。
【００３１】
これは、モノリスをガラスチューブから容易に取り出すことができるという事実からも明らかとなる。さらなるエージングのため、それをプラスチックディッシュ内で、２４時間ごとに交換される０．１モルのアンモニア溶液中に、４０℃で７２時間保管する。アンモニア溶液のｐＨは約１０である。
表面反応用に、モイストロッド（moist rod）を調製するために、モノリスの外側表面をｐＨ変更のために０．００１モルの酢酸中に１時間保管し、５ｃｍの内径を有するスーパーフォーマンス（登録商標）カラムの中心に直ちに固定した。モノリスとガラス壁との間の空間は、既に上述した通りに調製した溶液で充填し、４０℃でゲル化した。
【００３２】
第１のモノリスの外側領域における同じｐＨにより、形成されるゲルは、表面に結合し、新たな緻密なロッド（compact rod）を形成することが可能である。このモノリスは、４０℃で２０時間のさらなるエージング後には、もはやガラスチューブから取り出すことができない。エージングのために、モノリスで充填されたガラスカラムは、プラスチックディッシュ内で、２４時間ごとに交換される０．１モルのアンモニア溶液（ｐＨは約１０）中に、４０℃で７２時間保管される。この時間の後、スーパーフォーマンス（登録商標）カラムの柔軟な末端部を、ガラス体内部のモノリスの末端までねじり、多孔性モノリスを残留物がなくなるまで、水で、０．５ｍｌ／分の流速で洗浄した。
【００３３】
２．
５ｍｌのテトラメトキシシラン（ＴＭＯＳ）を、１０ｍｌの０．００１モル酢酸中の０．７ｇのポリエチレングリコール１０，０００溶液に加え、反応混合液を加水分解のために４０℃で攪拌した。数分後、透明な溶液が形成され、それを、４０℃で２０分攪拌後、５ｃｍの内径を有するスーパーフォーマンス（登録商標）ガラスカラム（Merck KGaA）に移した。恒温条件下（４０℃）に４０分間おいた後、反応溶液が凝固する。形成されたゲルを定温で２０時間エージングした後、１０％より大きいモノリスの収縮率を得ることができる。
モノリスとカラム壁との間に形成された空間のために、このモノリスを直接分離材料として用いることはできない。
【００３４】
さらなるエージングのために、スーパーフォーマンス（登録商標）カラムの柔軟な末端部をガラス体内部のモノリス末端の直前までねじり、モノリスとガラス壁との間隙を、ポンプで０．１モルのアンモニア溶液で満たし、４０℃で７２時間保管した。０．１モルのアンモニア溶液は２４時間ごとに交換した。アンモニア溶液のｐＨは約１０である。表面反応用にモイストロッドを調製するため、０．００１モルの酢酸を、ｐＨの変更のためにポンプで間隙に注入し、４０℃で１時間静置した。
【００３５】
この時間の後、既に上述された通りに調製された溶液を、モノリスとガラス壁との間の空間にポンプで注入し、４０℃でゲル化した。ここで、ポンプホース内に反応溶液が残っていないことを確認すべきである。第１のモノリスの外側領域における同じｐＨにより、形成されるゲルは、表面に結合し、新たな緻密なロッドを形成することが可能である。このロッドは、４０℃で２０時間のエージング後には、もはやガラスチューブから取り出すことができない。
【００３６】
さらなるエージングのために、スーパーフォーマンス（登録商標）カラムの調節可能な末端部を、ガラス体内部のモノリスの末端までねじり、０．１モルのアンモニア溶液（ｐＨは約１０）２０ｍｌを、さらなるエージングのために、４０℃で、多孔性モノリスにゆっくりとポンプで通した。次に、ポンプを停止し、溶液をモノリスの細孔内に放置した。この操作を２４時間ごとに繰り返した。次に、モノリスを残留物がなくなるまで、水で、０．５ｍｌ／分の流速で洗浄した。

Claims (5)

1. ゲル化モールドを完全に充填するモノリス多孔性モールディングの製造のための方法であって、以下のプロセス工程、
   ａ）ゲル化モールドを提供する工程、
   ｂ）モノマーゾルでゲル化モールドを充填する工程、
   ｃ）モノマー溶液を重合する工程、
   ｄ）工程ｃ）で形成されたゲルをエージングし、細孔を形成する工程、
   ｅ）工程ｄ）で形成された空所をさらなるモノマーゾルで充填し、工程ｃ）〜ｄ）を繰返す工程、
   を特徴とする、前記方法。
2. 工程ｅ）が、少なくとも２回行われる、請求項１に記載の方法。
3. ゾル−ゲル法による無機モノリスの製造のために、工程ｅ）において、エージングしたゲルの表面上にｐＨグラジエントをまず形成する、請求項１または２に記載の方法。
4. 工程ｅ）で引き続き導入するモノマーゾルが、工程ｂ）からのモノマーゾルと組成が異なる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 工程ａ）で提供されるゲル化モールドが、１ｍｍ〜１００ｍｍの内径を有する、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。