JP4362752B2

JP4362752B2 - 一体型多孔質材料の製造方法

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Publication number: JP4362752B2
Application number: JP2002267666A
Authority: JP
Inventors: 直弘曽我; 和樹中西
Original assignee: 直弘曽我; 和樹中西; 株式会社京都モノテック
Priority date: 2002-09-13
Filing date: 2002-09-13
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2022-09-13
Also published as: JP2004099418A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリカあるいはアルキル修飾ポリシロキサンもしくはそれらの共重合した組成において得られる、鋭い細孔径分布を有する多孔質材料の細孔表面に、金属アルコキシドの加水分解などを利用して金属酸化物層を被覆した、一体型多孔質材料の作製方法とそれによって得られる一体型分離媒体に関する。本発明の分離媒体は、核酸、タンパク質等の細胞内の化学物質の分析に好適に利用される。
【０００２】
【従来の技術】
酸化チタン（チタニア）および酸化ジルコニウム（ジルコニア）は、リン酸基を含む化合物を強く吸着するため、これらの酸化物被覆を施した多孔質材料は、液体クロマトグラフィーなどの液相分離媒体として利用することができる。特にリン酸基を含む細胞内の化学物質（核酸あるいはタンパク質）を分析する分離媒体として好適である。
チタニアあるいはジルコニアなどからなる従来の分離媒体は粒子状材料をカラムに充填したものである。このカラムは、一般的に微粒子状の無機系充填剤を物理的な方法で毛細管中に充填し、微粒子が移動して充填状態が変わることを防ぐために、比較的気孔率の低いフリットとよばれる部品によって、毛細管の両端を封じるという方法によって作製される。
【０００３】
他方、相分離を利用したゾル−ゲル法によって、二酸化ケイ素（シリカ）あるいはゲル網目を形成する金属酸化物およびシロキサン結合と炭化水素鎖を含む有機無機ハイブリッド組成を始めとする、一体型多孔質体が再現性良く製造されることが知られている（例えば、特許文献１参照）。相分離を利用したゾル−ゲル法によって得られる適切に調製された多孔体は、送液に要する圧力（カラム圧）が極めて低く、液体クロマトグラフィーの分離媒体として極めて高い分離効率が期待できる。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−１８２２６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、粒子充填によるカラムは、充填手法が複雑で長時間を要する上、分離性能に優れた充填状態を再現することが難しい。さらにカラム長が増加するに従って、微粒子の均一な充填が飛躍的に困難になるので、カラム長を増すことによる分離性能の向上を図り難い。また粒子充填によるカラムでは、フリットと充填層の間の空間においてしばしば試料溶液中に気泡を生じ、分離性能を低下させるという問題がある。
一方、一体型多孔質体を利用したカラムは、主に担体カラム構造の制御と高性能化が困難であったために、従来十分に開拓されていない。
そこで本件発明者が研究したところ、シロキサン網目からなるゲルを、マイクロメートル領域に連続貫通孔をもつように作製し、その表面を酸化チタン（チタニア）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）のような酸化物層で被覆した材料は、充填カラムよりも低い圧力で通液することができ、しかも分離効率に大きな影響をおよぼすゲル骨格のサイズを任意に制御することが可能であることを見出した。
【０００６】
また、粒子充填によって径の小さいキャピラリー中に分離媒体を作製することは困難であるが、連続貫通孔をもつゲルの場合には反応溶液をキャピラリー内に導入して固化させるだけでよいので、例えば直径５０ミクロン以下の非常に細いキャピラリー中や基板上に形成した微細な溝（いわゆる微小空間）へも、分離媒体を作製することができる。
本発明はこの分離媒体のマクロ孔を形成するゲル骨格の上に、分離したい化合物に合致した酸化物層を被覆した材料を提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、相分離を伴うゾル−ゲル転移を起こさせることによって、連続貫通孔を有し、シロキサン網目からなる多孔質ゲルを作製し、その多孔質ゲルの細孔内に目的とする金属酸化物の前駆体となる物質を導入して細孔表面のシラノール基との間で加水分解・重縮合反応を起こして一体型多孔質材料を製造することを特徴とする一体型多孔質材料の製造方法である。
また、多孔質ゲルは、水溶性高分子を酸性水溶液に溶かし、それに加水分解性の官能基を有する金属化合物を添加して加水分解・重縮合反応を起こして製造する。この多孔質ゲルは、孔径100nm以上、好ましくは200〜10000nmで、３次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔の内壁面に形成された孔径５０nm以下の細孔とを有し、全気孔中の細孔の占める容積率は１０％以上、好ましくは、２０％好ましくは４０％以上である。
本発明による多孔体は堅固な容器壁に囲まれた制限された形状・大きさの空間に形成することが可能であり、そのような制限空間内では実質的な気孔率を１００％に極めて近く調製することも可能である。直径100ｎｍ以上のマクロ孔は、相分離の際に生じる溶媒相の占めていた領域として形成されるので、通常の乾燥操作により燃焼や熱分解を伴うことなく形成し、溶媒相とゲル相が各々絡み合って連続したいわゆる共連続構造を形成する場合には、極めて鋭いサイズ分布を得ることができる。またより高い気孔率とより大きい平均サイズに調製することにより、一体型反応性多孔質カラムの圧力損失を軽減することができ、多数のカラムの連結や分岐したカラム系を組み上げて、汎用的なポンプによる駆動で通液することを可能とする。
【０００８】
相分離は、材料の製造プロセスにおいて、沈殿や析出によって出発成分と異なる成分を持つ領域が生成する広汎な現象であり、一般にゾル−ゲル反応系においては、ゲル形成を起こす網目形成成分に富む相（ゲル相）と、ゲル形成を起こさない溶媒成分に富む相（溶媒相）とに、分離が起こる。各相領域の形成にあたっては、化学ポテンシャルの差を駆動力として濃度勾配に逆らった成分の拡散が起こり、各相領域が与えられた温度・圧力下での平衡組成に達するまで、物質移動が継続する。
【０００９】
ゾル−ゲル反応に用いられるゲル形成を起こす網目成分の前駆体としては、金属アルコキシド、錯体、金属塩、有機修飾金属アルコキシド、有機架橋金属アルコキシド、およびこれらの部分加水分解生成物、部分重合生成物である多量体を用いることができる。水ガラスほかケイ酸塩水溶液のｐＨを変化させることによるゾル−ゲル転移も、同様に利用することができる。
【００１０】
水溶性高分子は、理論的には適当な濃度の水溶液と成し得る水溶性有機高分子であって、加水分解性の官能基を有する金属化合物によって生成するアルコールを含む反応系中に均一に溶解し得るものであれば良いが、具体的には高分子金属塩であるポリスチレンスルホン酸のナトリウム塩またはカリウム塩、高分子酸であって解離してポリアニオンとなるポリアクリル酸、高分子塩基であって水溶液中でポリカチオンを生ずるポリアリルアミンおよびポリエチレンイミン、あるいは中性高分子であって主鎖にエーテル結合を持つポリエチレンオキシド、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、あるいはポリオキシエチレン−ポリオキシプロピレン−ポリオキシエチレンブロック共重合体等が好適である。また、有機高分子に代えて比較的高い極性を有する有機溶媒、具体的には多価アルコール、酸アミド類、界面活性剤を用いてもよく、その場合多価アルコールとしてはエチレングリコールおよびグリセリンが、酸アミド類としてはホルムアミドが、界面活性剤としては四級アンモニウム塩などのカチオン性界面活性剤やポリオキシエチレンアルキルエーテル類などのノニオン性界面活性剤が最適である。
【００１１】
加水分解性の官能基を有する金属化合物としては、金属アルコキシド又はそのオリゴマーを用いることができ、これらのものは例えば、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基等の炭素数の少ないものが好ましい。また、その金属としては、最終的に形成される酸化物の金属、例えばＳｉ、Ｔｉ、Ｚｒ、Ａｌが使用される。この金属としては1種又は2種以上であっても良い。一方オリゴマーとしてはアルコールに均一に溶解分散できるものであればよく、具体的には１０量体程度まで使用できる。また、これらのケイ素アルコキシドのアルコキシ基のいくつかがアルキル基に置換された、アルキルアルコキシシラン類、２つ以上の金属を炭化水素を主とする架橋構造によって結びつけた架橋アルコキシド類、およびそれらの１０量体程度までのオリゴマーが好適に用いられる。またケイ素に変えて中心金属元素を、チタン、ジルコニウム、アルミニウム等に置換したアルキル置換金属アルコキシドも同様に用いることができる。
【００１２】
また、本発明では、多孔質ゲルの製造に際し、反応溶液に熱分解性化合物をあらかじめ溶解させてもよい。反応溶液にあらかじめ熱分解性化合物を溶解させておくことにより、湿潤状態のゲルを加熱することにより、熱分解性化合物が熱分解し、骨格相の内壁面に接触している溶媒のｐＨが上昇する。そして、溶媒がその内壁面を浸食し、内壁面の凹凸状態を変えることによって細孔径を徐々に拡大する。シリカを主成分とするゲルの場合には、酸性あるいは中性領域においては変化の度合は非常に小さいが、熱分解が盛んになり水溶液の塩基性が増すにつれて、細孔を構成する部分が溶解し、より平坦な部分に再析出することによって、平均細孔径が大きくなる反応が顕著に起こるようになる。
熱分解性の化合物の具体的な例としては、尿素あるいはヘキサメチレンテトラミン、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等の有機アミド類を利用できるが、加熱後の溶媒のｐＨ値が重要な条件であるので、熱分解後に溶媒を塩基性にする化合物であれば特に制限はない。
共存させる熱分解性化合物は、化合物の種類にもよるが、例えば尿素の場合には、反応溶液１０ｇに対し、０．０５〜０．８ｇ、好ましくは０．１〜０．７ｇである。また、加熱温度は、例えば尿素の場合には４０〜２００℃で、加熱後の溶媒のｐＨ値は、６．０〜１２．０が好ましい。
また、熱分解によってフッ化水素酸のようにシリカを溶解する性質のある化合物を生じるものも、同様に利用できる。
【００１３】
また、酸性水溶液としては、通常塩酸、硝酸等の鉱酸０．００１規定以上のもの、あるいはギ酸、酢酸等の有機酸０．１規定以上のものが好ましい。
加水分解にあたっては、溶液を室温〜８０℃で０．５〜３時間保存することによって達成できる。ゲル化したものは、４０〜８０℃で数時間〜数十時間放置して乾燥した後、６００〜１０００℃程度で加熱する。
【００１４】
本発明では、作製した多孔質ゲルの細孔内に目的とする金属酸化物の前駆体となる物質を導入して細孔表面のシラノール基との間で加水分解・重縮合反応を起こさせる。
ここで、目的とする金属酸化物は、リン酸化合物に高い親和性を示す酸化チタンおよび酸化ジルコニウムのほか、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化ニッケルなど、基材であるシロキサンゲルに多く存在するシラノール基と異なる表面化学特性を示す金属酸化物であればよく、これらに限定されない。
また、上記金属酸化物の前駆体としては、対応する中心金属をもつ金属アルコキシド、竅|ジケトン錯体、およびシュウ酸塩、酢酸塩などの有機酸塩、および硝酸塩、硫酸塩、塩化物などの無機酸塩が挙げられる。
加水分解・重縮合反応は、多孔質ゲルを前記金属酸化物の溶液に浸漬することにより行うことができ、金属酸化物の溶液の濃度は、酸化物換算で２〜２０重量％が好ましい。
【００１５】
本発明の製造方法によれば、核酸、タンパク質等の細胞内の化学物質の分析に好適に利用される一体型分離媒体を製造することができる。
また、本発明の材料は、間隙１ミリメートル以下の部材のなかで製造することができる。間隙１ミリメートル以下の部材とは、例えば毛細管、２枚の平板、ハニカムなどによって構成され、毛細管の場合は、間隙は内径に相当し、２枚の平板の場合は向かい合わせた平板の間隔に相当する。これら毛細管、平板などは、例えば、シリカガラスからなり、間隙は、好ましくは３０〜２００μｍである。また、平板を用いる場合は、平板自体のサイズは、厚さ０．３〜１０ｍｍ、横３〜５００ｍｍ、縦３〜５００ｍｍが好ましい。また、平板は、２枚に限定されず、複数枚順次向かい合せ、複数の間隙を作成してもよい。さらに、ハニカムにおける間隙の数も限定されない。これら複数枚の平板、ハニカムを使用することによりマルチキャピラリーを作製できる。また、毛細管を複数本束ねてもよい。
【００１６】
【実施例】
実験手順は図１に示す通りである。
（実施例１）
まず、０．０１モル濃度酢酸水溶液１０ｍｌに、ポリエチレングリコール０．７ｇ、尿素０．５ｇを溶解し、これにテトラメトキシシラン５ｍｌを撹拌下で加えて加水分解・重縮合反応を行った。得られた均一溶液を密閉容器中40℃で静置してゲル化させた。こののち密閉状態のまま120℃で２時間熟成し、続いて60℃で乾燥、最終的に600℃で2時間熱処理することにより、マイクロメートル領域に狭い細孔径分布を示すマクロ多孔性シリカ試料を得た。
次に円柱状に加工したマクロ多孔性シリカを、金属アルコキシドであるチタンテトライソプロポキシドの2-プロパノール溶液（25体積％）に40℃で1時間浸した。この操作によってマクロ孔を形成するシリカ骨格表面に酸化チタン層が被覆される。さらに試料を500℃において３時間熱処理し、酸化チタン層をアナタース結晶層へと転化した。
このようにして得られた酸化チタン被覆マクロ多孔性シリカの円柱状試料を、側面を樹脂で覆い、両端に液体クロマトグラフィー装置への接続部品をつけることによって、液体クロマトグラフィー用分離カラムとした。このカラムによって、アデノシン、アデノシン１リン酸（AMP）、アデノシン2リン酸（ADP）、アデノシン3リン酸（ATP）の保持挙動を調べたところ、図２に示すとおりそれぞれ異なる保持時間が得られ、これらの混合物が良好に分離されることが分かった。
【００１７】
（実施例２）
実施例１と同様にしてシリカ骨格表面に酸化チタン層を被覆し、熱処理を行った後、繰り返して酸化チタン前駆体溶液を通液し、乾燥熱処理を行った。この操作によって、酸化チタン層の厚さを増すことができ、このことは図３に示す通り、電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）および重量測定（精密電子天秤による秤量）によって確認された。なお、図３（ａ）は未処理シリカ、（ｂ）は１回コーティング、（ｃ）は５回コーティングを示す。また、図３は、上から順に電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）図、Ｘ線回折測定（ＸＲＤ）図、カラム重量を示す。
１回コーティングでは重量増分は１２６％、５回コーティングでは重量増分は２４５％となった。このとき酸化チタン層の厚さは、１回コーティングでは約２２ナノメートル、５回コーティングでは約１２０ナノメートルと計算され、ほぼコーティング回数に比例して被覆層の厚さが増加した。Ｘ線回折パターンは、コーティング回数が増えるに従って明瞭なアナタース相酸化チタン（IV）に特有の回折線を与えたので、本実施例によってアナタース型酸化チタンを被覆できることが確認された。
【００１８】
（実施例３）
実施例１と同組成の反応溶液を調製し、ゲル化させる容器を内径100ミクロンの溶融シリカキャピラリーとして他の条件は同様にして、マクロ多孔性シリカキャピラリーを得た。
実施例１と同様にして、マクロ多孔性シリカ内部に酸化チタン前駆体溶液を通液し、乾燥熱処理を経て、酸化チタン被覆マクロ多孔性シリカキャピラリーを得た。
実施例１と同様にしてリン酸化合物の分離を試みたところ、良好な分離が確認された。
【００１９】
【発明の効果】
本発明により、シロキサン網目からなるゲルを、マイクロメートル領域に連続貫通孔をもつように作製し、その表面を酸化チタン（チタニア）、酸化ジルコニウム（ジルコニア）のような酸化物層で被覆した材料は、充填カラムよりも低い圧力で通液することができ、しかも分離効率に大きな影響をおよぼすゲル骨格のサイズを任意に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実験手順を示した図
【図２】本発明の分離媒体により、アデノシン、アデノシン１リン酸（AMP）、アデノシン2リン酸（ADP）、アデノシン3リン酸（ATP）の保持挙動を調べた図
【図３】チタン層の厚さを電子顕微鏡観察（ＳＥＭ）および重量測定によって測定し、アナタース結晶相であることをＸ線回折測定（ＸＲＤ）によって確認した図

Claims

相分離を伴うゾルーゲル転移を起こさせることによって、連続貫通孔を有し、シロキサン網目からなる多孔質ゲルを作製し、その多孔質ゲルの細孔内に酸化チタンまたは酸化ジルコニウムの前駆体となる物質を導入して細孔表面のシラノール基との間で加水分解・重縮合反応を起こして一体型多孔質材料を製造することを特徴とする一体型多孔質材料の製造方法。