JP4714789B2 - シリカモノリス体クラッド方法及び分離媒体 - Google Patents

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Description

本発明は、シリカモノリス体をそのまま各種カラムとして使用出来るシリカモノリス体のクラッド方法及び分離媒体に関するものである。
分離媒体としては、ＨＰＬＣカラム、ＧＣカラム、カラムクロマト用カラム、前処理用カラム、ガードカラム、固相用カートリッジ、パッシブサンプラー等に使用され、モノリシック吸着剤・分離剤を主体として、ガラスをクラッドとして使用する方法及び器具を提案する。
粒子を筒状のパイプなどに充填した分離媒体は、古くからＨＰＬＣカラム、固相用カートリッジ、カラムクロマト用カラム、前処理用カラム、ＧＣカラムなどとしてクロマトグラフィーに広く使われてきた。その粒子に代わるモノリス体が発明され、注目を集めている。モノリス体は、移動相が三次元構造の網目状の骨格を持っており、粒子に比べて、気孔率が高く、低圧力で高分離が得られるなどの利点がある。
しかし、このモノリス体だけでは、損傷し易く、分離媒体としてはそのまま使えないので、筒状の樹脂製パイプを被せることで、ＨＰＬＣカラムにしたり、樹脂製のチップやカートリッジにモノリス体を固定化することで、固相用カートリッジにしたりして製品化されている。
又、内径１ｍｍ以下の溶融石英チューブ内部でモノリス体を形成させたキャピラリーモノリスＨＰＬＣカラムも市販されている。
これらの方法では、モノリス体の有効性を完全には発揮出来ていないのが現状である。市販されているクロモリス（登録商標）では、円柱状のモノリス体を作製し、表面を機械研磨し、それに化学処理を行い、ピーク（ＰＥＥＫ）製パイプでクラッド化し、ＨＰＬＣカラムとしている。
この方法は、特開２００７‐２９２７５１号公報に開示され、小さい直径のシリカモノリスの分離効率が悪い点に着目し、その理由追及の結果、シリカモノリスの外周部にシリカゲル層の不均一構造を見出し、その改善策として、円筒状のモノリス体の形成に際し、外周層を研削して直径を縮小することを提案したものである。
この方法は、得られる円柱状のモノリス体を被覆する所謂クラッド、―この語は円筒の側面からの液体流出なしに液体が一方の端面からのみ流れうるように多孔質モノリス成型物の密封型を意味する―を用いて、モノリス型カラムを形成するのに用いられるが、分離性能の高い円柱状モノリス体を得るために、最も安定した骨格構造を形成する必要があるにも関わらず、円筒側面を完全な曲面に形成することは困難であり、且つ側面の機械加工により理想的な骨格の一部が壊されてしまい、この方法によりモノリス体の性能を最大発揮することは出来ない。
機械加工無しで、樹脂を被せることが出来たとしても、樹脂は所詮有機ポリマーが主体であり、無機シリカゲル主体であるモノリス体とは性質が異なり、例えば、ピーク樹脂の場合では疎水吸着が生じてしまう。
又、耐圧性を上げるために無機バインダーを含ませることもしているが、樹脂と無機バインダーにより、モノリス以外の特異的な分離挙動が生じてしまう。
又、樹脂で覆うためには樹脂軟化点以上に温度を上げる必要があり、クラッド化により化学処理部分が劣化してしまい、高性能を発揮することが出来ない。
又、国際特許公開９９／３８００６号公報及び国際特許公開９９／５０６５４号公報に開示されているように、石英溶融キャピラリー内でモノリスを作製する手法もある。この方法では、主組成は同じであり、樹脂クラッドのような特異的な分離挙動は出ない。しかし、溶融石英内でモノリスを形成させる場合には、大きくしても内径１ｍｍ程度が限界で、高性能を得るためには、内径０．２ｍｍ程度までとされている。
この方法では、溶融シリカ内面とゾル液が結合しながら、ゲル化してモノリス体が形成されるのであるが、ゲル化時には体積が減っていく、内面との結合力によりキャピラリー内面に近い部分は引っ張られ、均一な骨格に成り難い。ひどい場合は、内面とモノリス体が離れてしまう。内面との結合影響を受け、本来の安定したモノリス骨格にはならないので、モノリス体だけで合成した場合に比べて性能が劣ってしまう。
特表２００７‐５１６８２１号公報には、より大きな内径を作るために、ガラス、ガラス被覆ステンレルスティール、溶融石英製等のゲル化型の表面をエッチングさせて、表面積、化学的改変を増大させ、該ゲル化型にモノマー原料を充填させ、重合、エージングにより孔を形成するクロマトグラフィーカラム、毛細管が提案されている。
しかし、この方法は、ゲル化型の内表面をエッチングして、或いは又溶液、又はスラリーで前処理し、被膜を形成させて、内側表面を増大させ、充填されるモノマーとの接触を増強させるものであって、密着させることは出来ない。
この方法は、ゲル化型とモノリシック成型品との間に形成されるモノリシック成型品の収縮プロセスによる空洞を、クロマトグラフィー分離効率を損なわないように出来る限り小さくすることを目的とする。
更に、この目的を達成するために、モノリシック成型品の収縮を少なくするように、モノマーに粒子、例えばプラスチック、セラミックス、ガラス、Ｔｉ、Ａｌ、Ｚｒ等の無機酸化物を添加使用することが推奨されている。
更に、このゲル化型としてガラス等を使用する方法が記載されている。しかし、この場合においてもガラス型の内面をエッチングするという工程を必要とするため、前述のモノマーと型との接触を増大させるということにあって、両者の密着、或いは一体化は不可能であり、この間に形成される間隙の分離性能に対する影響力は、依然として残存することになる。
特開２００７‐２９２７５１号公報 国際特許公開９９／３８００６号公報 国際特許公開９９／５０６５４号公報 特表２００７‐５１６８２１号公報
それらの問題を解決するため、まずモノリス体を作製し、モノリス体と同様の組成であるガラスで覆うことにより、ＳｉＯ２以外に対する特異的分離挙動を無くし、モノリス体とガラス体の一体化を構成させ、強固な骨格を形成させる。更にガラスで覆った後に、化学処理を行うことで、モノリス体とガラス内面が均一化され、極めて高性能な分析成果が得られる分離媒体とする。
尚、モノリス体は大きな表面積を有し、メソ孔およびスルー孔から成る多孔体であるため、化学成分の保持が強い。それに対し、ガラスクラッドは、表面積が小さな無孔体とすることにより、保持しないことが望ましく、これにより高性能分析が保証される。
本発明は、上記課題を解決し目的を達成するため、第一に、棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面をシリカモノリス体と主成分ＳｉＯ ２ を共通する硬質あるいは軟質のガラス体で被覆し、軟質ガラス体においては４００乃至５３０℃、硬質ガラス体においては、７００乃至８００℃の溶融温度で０．１乃至１０気圧の圧力により該シリカモノリス体と該ガラス体を融着一体化させたことを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法を提案する。
又、第ニに、上記シリカモノリス体クラッド方法において、棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面と前記ガラス体とが全面又は一部分で融着させたことを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法を提案する。
又、第三に、上記シリカモノリス体クラッド方法において、棒状に成型したシリカモノリス体と該モノリス体の側面表面に被覆させた前記ガラス体とを、該ガラス体の前記溶融温度によって融着制御自在とすることを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法を提案する。
又、第四に、上記シリカモノリス体クラッド方法において、シリカモノリス体と前記ガラス体とを融着一体化した後、該シリカモノリス体に化学修飾を施すことを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法を提案する。
又、第五に、棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面をシリカモノリス体と主成分ＳｉＯ ２ を共通する硬質あるいは軟質のガラス体で被覆し、融着一体化させたことを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法を提案する。
又、第六に、棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面全体又は一部が、前記ガラス体と融着一体化したことを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第七に、上記分離媒体において、前記シリカモノリス体は、化学修飾官能基を有することを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第八に、前記シリカモノリス体の少なくとも一方に開放部を設けたことを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第九に、上記分離媒体において、前記ガラス体の外側に保護層を施したことを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第十に、上記分離媒体において、前記ガラス体の外側と前記保護層との間にコート層を施したことを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第十一に、上記第十の分離媒体において、前記保護層が金属、合成高分子から選択される１つ或いはその混合物から成ることを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第十二に、上記分離媒体において、前記コート層が合成高分子を含んで形成されていることを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第十三に、上記分離媒体において、ＨＰＬＣカラム、ＧＣカラム、カラムクロマト用カラム、前処理用カラム、ガードカラム、固相用カートリッジ、パッシブサンプラーの何れかであることを特徴とする分離媒体を提案する。
又、第十四に、上記何れかの分離媒体を用いた分析方法を提案する。
本願発明によれば、シリカモノリス体にガラス体を被覆し、適宜温度と圧力を用いるだけで、他の物理的、化学的の被覆方法を用いることなく、極めて容易にシリカモノリス体とガラス体が一体化され、クラッド化を達成できる。
従って、シリカモノリス体のクラッド化としては最も容易な制作方法であり、しかも得られるクラッドモノリス体外側は強固に保護され、且つその形成された内側と外側均一性は確実に保持される。
このため、分離媒体としては外側は強固に保護され、製造工程における化学処理も容易であり、内外の均一性を保たれる構成にて形成される。
更に、本願発明においてはクラッド工程の後に表面修飾、化学修飾が行われるため、大量のシリカモノリス体の化学処理が可能になり、製造上極めて便利である。
本発明の方法第一工程説明図 本発明の方法第二工程説明図 本発明一実施例縦断説明図 本発明一実施例縦断断面顕微鏡写真 従来例一例縦断断面顕微鏡写真 本発明一実施例一部拡大顕微鏡写真 本発明一実施例一部Ｘ線分析スペクトル図 本発明一実施例一部拡大顕微鏡写真 本発明一実施例一部Ｘ線分析スペクトル図 本発明一実施例一部拡大顕微鏡写真 本発明一実施例一部Ｘ線分析スペクトル図 本発明一実施例溶出挙動クロマトグラム 従来カラム一実施例溶出挙動クロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明実施例各温度差試験により得られたクロマトグラム 本発明使用例により得られたクロマトグラム 本発明対応従来例により得られたクロマトグラム 本発明使用例により得られたクロマトグラム 本発明対応従来例により得られたクロマトグラム 本発明使用例により得られたクロマトグラム 本発明対応従来例により得られたクロマトグラム
以下本発明について詳細に説明する。本発明は、シリカモノリス体を棒状に成型した後、このシリカモノリス体をガラス体で被覆し、両者を密着、同化してシリカモノリス体をクラッドする方法及びそれにより得られる分離媒体に関する。
モノリス体の製造については、従来公知のゾル―ゲル法を用いる。即ち、シリカモノリス体は、界面活性剤を入れて、テトラエトキシシランの加水分解などの、ゾル―ゲル方法で作製される。４０℃前後でテトラエトキシシランと反応しないポリカーボネートパイプなどの中で、ゾル化することで、まだ柔らかいモノリスゾル体ができ、この時点で骨格が形成される。
即ち、均一な骨格形成には、このゾル化工程が最も重要となる。溶融シリカキャピラリー内で作る場合では、このゾル化工程で内面のシラノールとの化学結合が同時に生じ、均一骨格には成り難い。そのため、高性能を得ようとするなら、モノリス体単独で作る必要がある。
ゾル化で、移動相の流れるスルポアー骨格が決定され、次に骨格表面に表面積に影響するメソ孔を形成する。アルカリ溶液などで骨格の一部を溶かすことで形成される。クロマト用分離媒体としては、６０〜６００Ａのメソ孔を持ち、表面積１００〜８００ｍ２／ｇが好ましいが、特に限定されない。
次に、これらの形成した骨格を安定させるために、焼成を行う。３００〜１２５０℃の範囲で行われるが、構造変化の少ない４００〜９００℃が好ましい。本発明では、４００℃以上に焼成したモノリス体ならば、全てに適用でき、合成方法や試薬などを限定するものではない。
このゾルゲル法の技法について、例えば特開２００２−３６２９１８、Anal,
chem,420 A（2001）、N.Tanaka etal.モノリシックカラム等に詳しく説明されている技術による。
モノリスカラムの構造の均一性は、カラムとしての性能を維持するために極めて大切である。構造を代表するものは、骨格径、スルー孔、メソ孔、またゲルの密度などである。
特に、カラムの内側と外側の均一性は大切であり、ガラスでクラッドする時にモノリス構造の均一性が崩れない条件であること。金属酸化物の架橋（重合度）が進む温度よりもガラスクラッド時の密着、ガラスの均一化時の温度が充分に低い等で、モノリス構造の均一性に影響を与えないこと等が要請される。
従来では、このモノリス体の化学処理を行い、次に樹脂で覆い、カラム化している。本発明では、このモノリス体をガラスで覆って一体化してから、所謂表面修飾、化学修飾、化学処理を行う。
例えば、円柱状のモノリス体をガラス管に入れて、ガラス管の溶融温度近辺で加圧、減圧などの状態で、モノリス体側面が密着する形で処理することで、側面ガラスで覆われた円筒状のガラス被覆モノリス分離媒体が得られる。
ガラスの種類として、硬質ガラス、軟質ガラス、低融点ガラス、パイレックス、セラミクスなどがあり、ＳｉＯ２が主成分ならば、軟化温度を変更すればどれでも使用できる。
一般的には、組成金属量によって、軟化温度が変化するので、材質に応じた温度設定が必要である。例えば、低融点ガラスでは４００〜５００℃、パイレックスガラスでは７００〜８００℃程度で行うのが良い。
温度及び圧力を０．１〜１０気圧程度で調整する。方法は限定されるものではなく、モノリス体側面がガラスに均一に密着されていれば良い。
ガラスをクラッドとするガラスコート方法について図１に一例を示すと、片端を閉じたガラス管（２．４ｍｍｉ．ｄ．×４ｍｍｏ．ｄ．）１を準備する。
前記説明により得られたモノリスゲル２（ガラス管１の内径２．４ｍｍｉ．ｄ．より若干小さい（２．２０〜２．３９ｍｍｉ．ｄ．程度））をガラス管１に入れる。次に、眞空ポンプを使用し、１００〜３８０Ｔｏｒｒの引圧にし、温度をかける。硬質ガラスの場合は、７３０℃、軟質ガラスの場合は、５３０℃程度が良い。
壁材（ガラスクラッド）は硬質であり、且つ分離媒体であるモノリス骨格に比べて平滑度は充分に高く、また表面積はモノリスのそれに比べて充分に小さく、分析種の保持能を有さないこと。又、高圧下での使用時に、硬質であるが故に、膨張することなく密着性を維持できることが要求される。ＰＥＥＫ（疎水性がある）などの高分子ポリマー材では、高圧時に膨らみ、モノリスカラムと壁材の間に出来たチャンネルを、移動相が流れてしまうことがある。
ガラスとシリカモノリス体の馴染み（濡れ性：表面張力が小さい）が良く、ガラスの溶融時にスルー孔にガラスが入り込むことが無く、適度な圧力によりガラスとモノリス骨格のシリカが密着することが必要である。
又、モノリスカラムの表面は、必ずしも平滑な円筒面ではない。勿論、多孔体で、ミクロン単位のスルポアーが空いているわけであるが、それよりも大きなオーダーの凹凸の存在が認められる。この凹凸を埋めるべく密着されることが大切である。
ガラスクラッドは、カラムの径にはこだわらないが、特に、内径３ｍｍ未満のセミミクロカラム（流す移動相の量が数百μｌ／分になる）に有効な技術である。カラム径が細くなればなるほど、カラム壁面の影響を受けやすくなり、その効果は絶大である。
ガラス組成としては、含有金属量がより少ないパイレックスなどの硬質ガラスが適している。特に、ＨＰＬＣカラムとして利用した場合では、金属量の多い軟質ガラスでは、その影響により塩基性化合物が吸着することもある。
好ましくは、ガラス内面とモノリス体側面が同化することで、より高い性能が発揮できる。モノリス体側面には凹凸が生じ、従来のように研磨すると、その部分の骨格が崩れてしまい性能が落ちる。
本発明のように、同一組成のガラスを物理的に密着させるだけでも、従来よりも耐圧性等の物理的強度が高まる。更に、温度の状態をコントロールすることでモノリス側面とガラス内面が同化し、全くその影響のない分離媒体となる。
これは、ガラスとモノリスの主成分であるＳｉＯ２が互いに結合し、同化することで、初めて達成出来ることになる。このように、同化した分離媒体は、モノリス担体だけよりも側面にガラス相が出来ることになり、物理的強度は格段に上がる。衝撃に強くなり、モノリス単独で用いるより取扱いは、極めて容易となる。
そのままの状態で、過酷な化学処理も可能となる、例えば、溶液中で多数のモノリス体を同時に化学処理を行う場合、従来の剥き出しモノリスでは、お互い同士が触れると一部が壊れることもあり、攪拌などは行うことが出来ない。
本発明のガラス結合モノリス体では、十分な強度があり、攪拌なども可能となり、より均一で過酷な化学処理も簡単に行えることになる。
又、ガラス体として取り扱うことが出来るため、より過酷な２００℃以上での化学処理も可能となる。本発明では、従来のように樹脂部分が無く、ガラス体自身もモノリス体と同様に化学処理を行えるので、均一な処理になり、安定したデータが得られる。
本発明は又、ガラスクラッドした後に、化学修飾することを特徴とする。化学処理は、一般的なＨＰＬＣで用いられる逆相分配用のオクタデシル基であり、またイオン交換用の官能基であり、その種類はこだわらない。
モノリスカラムは、白墨のように柔らかく、大量の化学処理の際には、カラム同士が衝突して破損する。ガラスで予めクラッドしておけば、このようなことは起きない。
又、ガラス自身も同様の構造であり（シラノール基‐Ｓｉ‐ＯＨを有している。）、化学反応後の性質は、壁面材料とモノリス型カラムと近いものになり、分析にとって都合が良い（ＰＥＥＫクラッドでは、疎水性があり、カラムがイオン交換などでは疎水性の物質を吸着する可能性がある。）。
化学処理としては、オクタデシルトリクロロシラン、オクタデシルメチルジクロロシラン、オクタデシルジメチルクロロシラン、オクタデシルシラザン、オクタデシルトリメトキシシラン、オクタデシルメチルジメトキシシラン、オクチル、トリメチルクロロシラン（ＴＭＳ）、ジメチル―ｎ―オクチルクロロシラン、ジメチル―ｎ―オクタデシルクロロシラン（ＯＤＳ）などのアルキルクロロシラン、又はトリメチルメトキシシラン、ジメチル―ｎ―オクチルメトキシシラン、ジメチル―ｎ―オクタデシルメトキシシラン（ＯＤＳ）などのアルキルアルコキシシラン、アミノプロピルトリエトキシシランなどのアミノアルコキシシラン、フェニルトリメトキシシランなどのフェニルアルコキシシラン、エポキシ含有シラン（グリシドオキシプロピルトリメトキシシラン）などのシラン剤を用いて、トルエン、ドデカンなどの有機溶剤中で加熱還流する方法や高温反応（特許第２６１１５４５号）が適用できる。
ガラス化したモノリス体だけでも分離媒体として充分に使用できる。耐圧としては、ガラスの耐圧である数ＭＰａ程度は得られるので、中圧クロマト用カラムやガスクロマト用カラム、固相カラムやＨＰＬＣガードカラムなどに使用できる。
更に、高圧が必要となるＨＰＬＣ用に対応させるために、保護管を取り付ければ使える。
モノリス表面にガラスが密着されているので、ＨＰＬＣに用いる高圧下でも移動相は、壁面の影響が無く、隙間なく均一にモノリス内を流れる。ガラスの肉厚を厚くしたり、ガラス組成を変化させることで、ガラス自身の耐圧を高めることは出来る。
しかし、厚くすると、カラム外形が太くなり、化学処理等の取扱いが難しい。又、組成としては、モノリスに近いＳｉＯ２が主成分であるガラスが望まれる。
１２ＭＰａ以上の耐圧性を持たせるためには、保護層を設けることが良い。ガラスクラッド化したモノリス体は、均一になっているが、一部だけに高圧がかかると破損が生じる。その側面を均一に保護層で覆うだけで、圧力は分散され、耐圧性が得られる。
上記保護層として、金属或いは樹脂が用いられる。金属としてステンレス、チタンや鉄などが使用され、樹脂としてＰＥＥＫ、ポリプロピレン、ポリエチレン、テフロンやポリカーボネートなどが使われる。上記のほかに、金属と合成樹脂の混合物（例えば、銅や亜鉛等を含めたアクリル樹脂たアイオノマー樹脂）も保護層として有用である。
例えば、樹脂性のＰＥＥＫチューブにガラスクラッド化したモノリス体を挿入、或いは加熱して、樹脂層を側面に形成させたりすることが出来る。これらの保護層で、２８ＭＰａ程度の耐圧は持たせることは出来る。
更に、ステンレスパイプ、チタンパイプ、鉄パイプなどの金属製パイプは、３０ＭＰａ以上の高耐圧を持つので、クラッド化後、ガラス側面を機械研磨して平滑性を高めて、弾力性のない金属製パイプに加熱押し込みし、急冷する方法で高耐圧カラムを達成できる。
ガラスクラッド化後は、ガラスと同様に扱え、種々の方法もとれるが、機械研磨は高価であり、過熱急冷によるガラスモノリス体の性能劣化の心配がある。そのため、ガラスモノリス体と金属パイプの間に、コート層を組み入れることで、更に安価で高性能な高耐圧カラムを提供できる。
コート層自身に耐圧性は必要がなく、モノリス体と金属製パイプの間に施されていれば良い。そのため、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂など、あらゆる合成樹脂が使え、特に合成高分子が好ましい。
更に、ガラスモノリス体に金属繊維などを巻き付けたり、各種樹脂にガラス粒子やシリカゲルや金属粒子などを添加することで、耐圧を上げることも出来る。
有機溶媒を用いるＨＰＬＣカラムにおいては、出入り口においては、このコート層に移動相の接触が無いように工夫することが推奨される。
例えば、ステンレス管にガラスコートしたモノリス体を入れ、ステンレス管とモノリス体との間をシリカゲル粒子を含んだエポキシ樹脂などの熱可塑性ポリマーで固める。
次に、両端を切断し、便宜長さにし、樹脂層に接触しないようにフィルター及び接続ジョイントを取り付けることで、２８ＭＰａ以上の高耐圧ＨＰＬＣカラムに対応できる。
例えば、ステンレス管にガラスコートしたモノリス体を入れ、その周りをエポキシ樹脂など熱可塑性ポリマーで固める。
次に、両端を切断し、便宜長さにし、フィルター及び接続ジョイントを取り付ける。このように保護を行うと、６０ＭＰｑ以上の耐圧が得られ、高圧ＨＰＬＣにも対応できる。
ガラスクラッド化したシリカモノリス体をステンレス保護管にて保護した高耐圧カラムの一例を図３に示す。シリカモノリス４（例えば、径２．４ｍｍ）にガラスコート５を施したシリカモノリス体をエポキシ樹脂、ＰＥＥＫ樹脂、水ガラス、シリカ（ガラス）粒子等６をステンレスジャケット６１（例えば、４ｍｍｉ．ｄ．或いは４．６ｍｍｉ．ｄ．）に挿入して、加熱、硬化させた後、一端面を切断し５１、他端に、ジョイント７を取り付ける。
ジョイント７には、必要なフィルター８、テフロン（登録商標）等のパッキン９を設けるのが良い。
本発明の手法と溶融シリカキャピラリー内でモノリスを作製した場合の比較である。
本発明は、ポリアクリル酸（ＨＰＡＡ：シグマ・アルドリッチ製 平均分子量１０万ダルトン、平均重合度１３９０）２．４ｇを、１Ｍ硝酸４．０ｇ及びホルムアミド１．０ｇに溶解させ、その溶液にテトラエトキシシラン６．５１ｇを加え、１０分間混合し、加水分解させた。
この溶液を内径３ｍｍφの円筒状の容器に注入した後、容器全体を４０℃で２日間密閉保持し、分相・ゲル化させた。得られたゲルを１．５Ｍアンモニア溶液に溶媒置換し、１１０℃で４時間保持した。その後、ゲルを大気中４０℃で２日間乾燥させ、６００℃で５時間熱処理をした。
内径３ｍｍの低融点ガラスパイプに、この得られたシリカモノリス体を入れ、眞空ポンプ（株式会社イワキ製）により１８０Ｔｏｒｒに減圧にして、４３０℃でガラスコートを行い、ガラスコートモノリス分離媒体を得た。この分離媒体を１０％オクタデシルトリメトキシシラン／ドデカン溶液中で、加熱還流攪拌を行い、オクタデシル化ガラスコートモノリス分離媒体とした。
ガラスコートを行っていないシリカモノリス体を、同様の処理を行った場合には、攪拌によってモノリス体が破損してしまい、分離媒体として使用出来なかった。ガラスコートによって、初めて化学処理が出来ることが実証できた。そのオクタデシル化ガラスコートモノリス分離媒体の電顕写真を図４に示す。
本発明において、シリカモノリス体とガラスコートとは夫々の均一性を保った上で、両者間の密着度は完全であることが解かる。
更に、これを裏付けるものとして、両者の境界近辺の電子顕微鏡写真６及びそのガラスコート側の視点ＡにおけるＺＡＦ法簡易分析によるＸ線分析のスペクトル図７を示す。電子顕微鏡写真６と同様の写真８におけるガラスコートとシリカモノリス体境界上の視点Ｂにおける簡易分析によるＸ線分析のスペクトル図９を示す。
電子顕微鏡写真６，８，１０の条件
装置：６３８０（ＬＡ）
加速電圧：１５．００ｋＶ
倍率：５，０００倍
測定日時：２００８年１月９日
画素数：５１２×３８４
Ｘ線分析の測定条件
装置：６３８０（ＬＡ）
加速電圧：１５．００ｋＶ
照射電流：１．０００００ｎＡ
ＰＨＡモード：Ｔ２
経過時間：３６４．４６ｓｅｃ
有効時間：３００．００ｓｅｃ
デッドタイム：１７％
計数率：１２８８８ｃｐｓ
エネルギー範囲：０―２０ｋｅＶ
又、電子顕微鏡写真１０も写真６と同様の写真であり、そのシリカモノリス体の視点Ｃにける上記同様分析におけるＸ線分析のスペクトル図１１を図示する。
これにより、視点Ａ、Ｂ、ＣにおけるＸ線分析のスペクトル図から接合部のモノリス体側に軟質ガラス由来の金属（Ｎａ、Ａｌ等）が移動し、図６における＋００６の点、図８における＋００５の点、図１０における＋００７の点における測定の結果、ガラス体とシリカモノリス体の成分の移動が判然とし、両者間の一体化が判然としている。
次に、上記オクタデシルガラスコートモノリスを、内径４ｍｍ、長さ１０ｍｍのステンレス製ＨＰＬＣ空カラムに入れ、モノリス体とステンレスとの隙間にエポキシ接着剤（クリヤーエポキシ）を注入し、室温で１２時間放置することによりコート層を硬化する。その後両端を切断し、コート層に移動相が接触しないように、パッキン、フィルター及びジョイントを取り付け、高耐圧ＨＰＬＣカラムとした。
これに対し、従来方法として、テトラメトキシシラン６．７５ｇとメチルトリメトキシシラン２．２５ｇ、ＰＥＧ１．０ｇと尿素２．０ｇ、０．０１Ｎ酢酸２０ｍＬのゾル液を、内径０．２ｍｍの溶融キャピラリー内に入れて、４０℃でゾル化した。メチルトリメトキシシランは、ゲル収縮を減らすために必需であり、従来のように内部で作るためには、使用するモノマーも制限を受けてしまう。
その後、洗浄し、３００℃で焼成し、モノリスキャピラリーカラムを得た。図５に電子
顕微鏡写真を示す。
これによれば、シリカモノリス体と溶媒シリカキャピラリーとの接する両者の間には、シリカモノリス体の端面部が伸長して溶融シリカキャピラリーに溶着して、シリカモノリス体の組織の均一性が崩れ、両者間にシリカモノリス体の組織とは異なる大きな空孔が形成されているのが理解できよう。このような組織では、試料溶液の均等な流れは期待出来ない。溶融石英カラムの耐熱は３００℃であり、これ以上は上げることは出来ず、そのため本発明のように、４００℃以上で焼成したモノリス体に比べて物理的に弱くなる。ＨＰＬＣ用カラムとしての耐圧が低い。
オクタデシルシラザンを流してオクタデシル化を行い、更にＨＭＤＳでエンドキャッピングして、ＨＰＬＣ用ＯＤＳ化モノリスキャピラリーカラムを得た。
従来法により作製された従来タイプでは、電子顕微鏡写真図５のように、管壁近くは構造が歪になっているのに対して、本願発明モノリス体では、電子顕微鏡写真図４に示す如く、端まで均一な構造になっている。
又、本願発明と従来例の２種類のカラムの耐圧を調べた。５０％メタノール水溶液を定圧モードで、２５ＭＰａで流したところ、従来カラムと本願発明カラムとも問題はなかった。３０ＭＰａにしたところ、６時間後に従来カラムでは、内部モノリス体の一部が抜け出てきた。本願発明カラムでは、６０ＭＰａでも問題はなかった。
実施例１の本願発明カラムと、市販のピーク（ＰＥＥＫ）樹脂でクラッド化したＨＰＬＣモノリスカラムとで塩基性化合物であるピリジンの溶出挙動を調べた。
本願発明カラムでは、ピリジンはフェノールの前にシャープに溶出するが、従来カラムではピリジン、フェノールピークのテーリングが見られる。従来カラムでは、化学処理を行ったモノリス体を、樹脂でクラッド化しているため、樹脂部分は処理されておらず、高い疎水性を示すため内部と管壁近くでは、ピリジンやフェノールのような水溶性化合物ではピーク形状が悪くなったと思われる。
又、樹脂クラッド化時に化学処理が劣化して、シラノール面が出てしまい、ピーク形状に影響していると考えられる。
本願発明では、モノリス体と同じ主成分であるガラスコートされているため、疎水性効果が出ず、又、コート後に化学処理を施しているため、シラノール吸着の影響も表れずにシャープに溶出する。
本願発明と従来例カラムのピリジン溶出挙動を示すクロマトグラムを図１２及び図１３に示す。図１２のクロマトグラムに示す本願発明品（２．３ｍｍｉ．ｄ．×７６ｍｍ）ＦｌｏｗＲａｔｅ ０．２ｍＬ／ｍｉｎのでは、ピリジンのピーク１及びフェノールのピーク２は若干テーリングしているが、ピークはシャープである。
図１３のクロマトグラムに示す従来品クロモリス（登録商標）（３ｍｍｉ．ｄ．×１００ｍｍ）ＦｌｏｗＲａｔｅ ０．５ｍＬ／ｍｉｎでは、ピリジンのピーク１が大きくテーリングし、ピーク高さも得られない。又、フェノールのピーク２もテーリングしている。
パイレックスガラスを用いた場合のクラッドガラスの溶解温度の違いによる性能の確認試験（順相）を以下に行った。６５０℃での融着は、ピークが得られていないことから、確実に融着が行われていないことが分かる。それ以上の温度では、サンプルピークが得られ、確実な融着が出来ていることが分かる。７２５度で、最も高い段数が得られた。７６０℃以上になると、シリカモノリス骨格が高温により、収縮などの影響を受け、段数が低下すると考えられる。
これにより、７００〜８００℃にてのパイレックスガラス体とシリカモノリス体との融着が確実に行われ、実用可能であることが分かる。
このように、本実施例では、７２５℃において最も良い結果が得られ、理想とされるガラス内面とモノリス体側面との全面同化に近い状態となっていると考えられる。
しかし、ガラス内面とモノリス体側面とが一部でも同化していれば、実用的に使用可能といえ、上記のような温度範囲（７００〜８００℃）で同化が生じると考えられる。因みに、実施例１にあるように、ガラス由来のＮａ、Ａｌイオンの移動によっても、ガラス内面とモノリス体側面の同化の有無を知ることが可能である。
又、本実施例は、パイレックスガラスであったが、ガラス組成によって同化が生じ始める温度は異なるため、上記温度範囲に限定されるものではないが、同じ組成のガラスならば一定の温度範囲になり、目的に応じて同化の状態をコントロールでき、理想的なガラスクラッドカラムを得ることが出来る。
図１４は、６５０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
図１５は、７２５℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：２８ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：６２５２．１２
対称性：１．０８
図１６は、７１０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：１０ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：５５９７．６３
対称性：０．９１
図１７は、７６０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：１１ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：４３７９．６７
対称性：１．１２
図１８は、７７０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：１１ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：４０６８．２８
対称性：１．０７
図１９は、７８０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：１１ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：３８７８．５７
対称性：１．０７
図２０は、７９０℃で試験を行った結果のクロマトグラムである。
流量：０．４ｍＬ／ｍｉｎ
圧力：１１ｋｇｆ
長さ：５０ｍｍ
段数：３７２５．７２
対称性：１．０８
同じゲル組成のモノリスゲル（Ｋ‐１８‐１）（実施例１による製造）を用いて、同様な化学処理を行ったゲルに関してのガラス及びＰＥＥＫコートしたカラムの逆相試験による比較を行った。
下記条件にて、ガラスコートでのクロマトグラム図２２を得た。どのピークもシャープに出ている。
カラム：Ｋ‐１８‐１（Ｄ組成；４５℃ゲル化）
Ｇｌａｓｓコート
２．４ｍｍｌ．ｄ．×１００ｍｍ
溶媒：６５％ＡＣＮ
流量：０．３ｍＬ／ｍｉｎ
カラム温度：４０℃
試料：１；Ａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎ
２；Ｂｅｎｚｅｎｅ
３；Ｔｏｌｕｅｎｅ
４；Ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ
一方、ＰＥＥＫコートしたカラムでは、得られたクロマトグラム図２１において、全てのピークでテーリングが見られ、段数も低い。又、ベースラインの安定に非常に時間がかかることが判明した。クラッド材料である樹脂の疎水性の影響、クラッド時による化学処理の劣化による影響が考えられる。
カラム：Ｋ‐１８‐１（Ｄ組成；４５℃ゲル化）
ＰＥＥＫコート
２．４ｍｍｌ．ｄ．×８２ｍｍ
溶媒：６５％ＡＣＮ
流量：０．３ｍＬ／ｍｉｎ
カラム温度：４０℃
試料：１；Ａｃｅｔｏｐｈｅｎｏｎ
２；Ｂｅｎｚｅｎｅ
３；Ｔｏｌｕｅｎｅ
４；Ｎａｐｈｔｈａｌｅｎｅ
同じゲル組成のモノリスゲルを用いて、ガラス及びＰＥＥＫコートしたカラムの性能比較を順相試験にて行った。
ガラス及びＰＥＥＫコートしたカラムの比較（順相試験）
下記条件にてＰＥＥＫコートの試験を行った結果、図２３に示すクロマトグラムを得た。
カラム：Ｋ‐１８‐１（Ｄ組成；４５℃ゲル化）
ＰＥＥＫコート
２．４ｍｍｌ．ｄ．×８２ｍｍ
溶媒：Ｈｅｘａｎｅ／Ｅｔｈａｎｏｌ＝９５／５
流量：０．５ｍＬ／ｍｉｎ
カラム温度：４０℃
試料：１；Ｂｅｎｚｅｎｅ
２；Ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ
３；ｏ‐Ｎｉｔｒｏａｎｉｓｏｌｅ
０．５ｍＬ／ｍｉｎ
Ｎ３＝５３４９
Ｎ／ｍ＝６５２３２
この結果、Ｂｅｎｚｅｎｅのピークは、リーディングが見られる。対象性は、０．９５であった。ベースラインの安定が非常に遅い。約６０分かかる。
これに対し、ガラスコートの試験条件及び下記であり、図２４に示すクロマトグラムが得られた。図示の通り、ピークの対象性が良い。又、約５分でベースラインが安定する等、その差は判然としている。
カラム：Ｋ‐１８‐１（Ｄ組成；４５℃ゲル化）
Ｇｌａｓｓコート
２．４ｍｍｌ．ｄ．×１００ｍｍ
溶媒：Ｈｅｘａｎｅ／Ｅｔｈａｎｏｌ＝９５／５
流量：０．５ｍＬ／ｍｉｎ
カラム温度：４０℃
試料：１；Ｂｅｎｚｅｎｅ
２；Ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ
３；ｏ‐Ｎｉｔｒｏａｎｉｓｏｌｅ
０．５ｍＬ／ｍｉｎ
Ｎ３＝１４１５４
Ｎ／ｍ＝１４１５４０
本願発明のガラスクラッド化後の化学処理と従来のモノリス体を化学処理後にクラッドした場合の比較検討を行った。ポリエチレングリコール（平均分子量：１万）４ｇを、０．０１Ｍ酢酸水溶液４０ｍＬに溶解させ、その溶液にテトラメトキシシラン１２ｇを加え、１０分間混合し、加水分解させた。
この溶液を内径１０ｍｍφの円筒状の容器に注入した後、容器全体を４０℃で２日間密閉保持し、分相、ゲル化させた。得られたゲルを１．５Ｍアンモニア溶液に溶媒置換し、１１０℃で４時間保持した。
その後、ゲルを大気中４０℃で２日間乾燥させ、６００℃で５時間熱処理し、表面積１９０ｍ２／ｇ、細孔径１０ｎｍのモノリス体を得た。
実施例１と同様の方法で、７２５℃でガラスクラッドを行った。
このガラスクラッド化体とガラスクラッドを行っていないモノリス体上記２種を、１０％アミノプロピルトリエトキシシラントルエン溶液中で、６０℃で緩やかに２４時間加熱し、アミノプロピル化ガラスクラッド体とアミノプロピル化モノリス体を得た。
アミノ化プロピルモノリス体を、ピークチューブに入れて３６０℃で減圧しながらクラッド化を行った。２種のクラッド体を、両端を揃えて切断し、拡散板及びテフロン製接続ジョイントを取り付け、カラムクロマト用カラムを得た。
下記条件にて、本願発明カラムと従来カラムの試験を行った結果、下図に示すクロマトグラムを得た。本願発明方法であるガラスクラッド化後に、化学処理を施したアミノプロピル化ガラスクラッドカラムクロマト用カラムは、糖が図２５のように分離される。従来方法であるモノリスを化学処理後に、２３０℃でクラッド化したカラムでは、クラッド時の化学処理の熱変性により、糖が図２６のように分離されていない。
本願発明でのガラスクラッド後の化学処理を行い、カラム化することは、高性能を維持するのに有効であることが実証された。
カラムサイズ：６．４ｍｍｌ．ｄ．×１００ｍｍ
溶媒：８０％ＡＣＮ
流量：２ｍＬ／ｍｉｎ
示差屈折率検出器
カラム温度：室温
試料：１；溶媒
２；フルクトース
３；シュークロース
４；グルコース
５；マルトース
この発明によれば、シリカモノリス体にガラス体を被覆し、適宜温度と圧力を用いるだけで、他の物理的、化学的の被覆方法を用いることなく、極めて容易にシリカモノリス体とガラス体が一体化され、クラッド化を達成できる。
従って、シリカモノリス体のクラッド化としては最も容易な制作方法であり、しかも得られるクラッドモノリス体外側は強固に保護され、且つその形成された内側と外側均一性は確実に保持される。
このため、分離媒体としては外側は強固に保護され、製造工程における化学処理も容易であり、内外の均一性を保たれる構成にて形成される。
更に、本願発明においてはクラッド工程の後に表面修飾、化学修飾が行われるため、大量のシリカモノリス体の化学処理が可能になり、製造上極めて便利である。

Claims (14)

  1. 棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面をシリカモノリス体と主成分ＳｉＯ ２ を共通する硬質あるいは軟質のガラス体で被覆し、軟質ガラス体においては４００乃至５３０℃、硬質ガラス体においては、７００乃至８００℃の溶融温度で０．１乃至１０気圧の圧力により該シリカモノリス体と該ガラス体を融着一体化させたことを特徴とするシリカモノリス体クラッド方法。
  2. 棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面と前記ガラス体とが全面又は一部分で融着させたことを特徴とする請求項１に記載のシリカモノリス体クラッド方法。
  3. 棒状に成型したシリカモノリス体と該モノリス体の側面表面に被覆させた前記ガラス体とを、該ガラス体の前記溶融温度によって融着制御自在とすることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリカモノリス体クラッド方法。
  4. シリカモノリス体と前記ガラス体とを融着一体化した後、該シリカモノリス体に化学修飾を施すことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のシリカモノリス体クラッド方法。
  5. 請求項１に記載のシリカモノリス体クラッド方法により得られた分離媒体であって、棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面をシリカモノリス体と主成分ＳｉＯ ２ を共通する硬質あるいは軟質のガラス体で被覆し、融着一体化させたことを特徴とする分離媒体。
  6. 棒状に成型したシリカモノリス体の側面表面全体又は一部が、前記ガラス体と融着一体化したことを特徴とする請求項５に記載の分離媒体。
  7. 前記シリカモノリス体は、化学修飾官能基を有することを特徴とする請求項５又は６に記載の分離媒体。
  8. 前記シリカモノリス体の少なくとも一方に開放部を設けたことを特徴とする請求項５から７のうちいずれか１項に記載の分離媒体。
  9. 前記ガラス体の外側に保護層を施したことを特徴とする請求項５から８のうちいずれか１項に記載の分離媒体。
  10. 前記ガラス体の外側と前記保護層との間にコート層を施したことを特徴とする請求項９に記載の分離媒体。
  11. 前記保護層が金属、合成高分子から選択される１つ或いはその混合物から成ることを特徴とする請求項９又は１０に記載の分離媒体。
  12. 前記コート層が合成高分子を含んで形成されていることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の分離媒体。
  13. ＨＰＬＣカラム、ＧＣカラム、カラムクロマト用カラム、前処理用カラム、ガードカラム、固相用カートリッジ、パッシブサンプラーの何れかである請求項５から１２のうちいずれか１項に記載の分離媒体。
  14. 請求項５から１３のうちいずれか１項に記載の分離媒体を用いた分析方法。
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