JP4715221B2 - Porous silica continuous column - Google Patents
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Description
本発明はクロマトグラフィー用カラム、特に多孔性シリカ連続体を用いたカラムに関する。 The present invention relates to a column for chromatography, particularly a column using a porous silica continuum.
高速液体クロマトグラフィー(HPLC)に代表される、カラム充填剤を用いた分離技術は、天然及び合成有機化合物、医薬品、生体成分などの精密分離定量、分取精製のための一般的な手法であり、広い分野で利用されている。HPLCの分離モードの70〜80%は逆相液体クロマトグラフィーであり、主に疎水性の固定相と親水性の移動相との間で溶質が分配され、疎水性の差によって分離が達成される。近年生体由来成分など、イオン性、水溶性の高い試料の分離分析に関する要求が高まり、イオン交換型液体クロマトグラフィー、親水性相互作用型液体クロマトグラフィーについても利用例が増えている。 Separation technology using column packing, represented by high-performance liquid chromatography (HPLC), is a general technique for precise separation and quantification and preparative purification of natural and synthetic organic compounds, pharmaceuticals, and biological components. It is used in a wide range of fields. 70-80% of HPLC separation modes are reversed phase liquid chromatography, with solute partitioning mainly between the hydrophobic stationary phase and the hydrophilic mobile phase, and separation is achieved by the difference in hydrophobicity . In recent years, there has been a growing demand for separation and analysis of highly ionic and water-soluble samples such as biologically derived components, and examples of use of ion exchange liquid chromatography and hydrophilic interaction liquid chromatography are also increasing.
この逆相液体クロマトグラフイーの利点としては、1)対象とする化合物の範囲が広い、2)水を含む2-3種類の溶媒で非常に広い範囲を取り扱うことができる、3)クロマトグラフィーの結果に再現性が得られやすい、4)サンプルを高温に曝さずに済む、等が挙げられる。そして、逆相液体クロマトグラフィー用のカラム充填剤としては、化学結合型シリカゲル充填剤と架橋有機ポリマー充填剤が汎用され、化学結合型シリカゲル充填剤はカラム効率が高いものの化学修飾法の種類が少なく、また酸、塩基条件下で不安定であるなどの特徴を有し、一方、架橋有機ポリマー充填剤はカラム効率がやや低いものの化学修飾法の種類が多く、酸、塩基に対して比較的安定であるという特徴を有する。 The advantages of this reversed-phase liquid chromatography are 1) wide range of target compounds, 2) 2 to 3 types of solvents including water, and 3) It is easy to obtain reproducibility in the results, and 4) it is not necessary to expose the sample to high temperature. As column fillers for reversed-phase liquid chromatography, chemically bonded silica gel fillers and cross-linked organic polymer fillers are widely used. Chemically bonded silica gel fillers have high column efficiency but have few types of chemical modification methods. In addition, it has characteristics such as instability under acid and base conditions. On the other hand, crosslinked organic polymer fillers have relatively low column efficiency, but have many types of chemical modification methods and are relatively stable against acids and bases. It has the characteristic of being.
すなわち、架橋有機ポリマー充填剤には多くのミクロポア(1〜2nm以下の細孔)が存在し、この部分の大きさや形と適合する溶質が入り込むため遅い拡散を生じ、カラム効率が低くなる。化学修飾については、表面の多様な化学修飾が可能であり、また化学的(酸性、塩基性条件下)にも高い安定性を示す。 That is, there are many micropores (pores of 1 to 2 nm or less) in the crosslinked organic polymer filler, and a solute that matches the size and shape of this part enters, resulting in slow diffusion and low column efficiency. Regarding chemical modification, various chemical modifications of the surface are possible, and high stability is also obtained chemically (under acidic and basic conditions).
それに対して、化学結合型シリカゲル充填剤においてはシリカゲル粒子が持つメソポア(2-50nmの細孔)内での溶質の拡散が容易であることから高いカラム性能が得られる。しかし、化学的修飾を行う場合、シラノール基と反応する官能基に制限を伴うため、化学修飾法が制限されること、残存するシラノール基や金属不純物による二次的な保持効果が起こること、高いpH(>8)でのシリカゲルの溶解、または低いpH(<2)でケイ素-酸素結合の切断が起こること等の問題が挙げられる。 On the other hand, in the chemically bonded silica gel filler, high column performance can be obtained because the solute diffusion in the mesopores (2-50 nm pores) of the silica gel particles is easy. However, when chemical modification is performed, there is a limitation on the functional group that reacts with the silanol group, so that the chemical modification method is limited, secondary retention effect due to residual silanol groups and metal impurities occurs, high Problems such as dissolution of silica gel at pH (> 8), or cleavage of silicon-oxygen bonds at low pH (<2).
一般に、逆相型シリカゲル充填剤以外の充填剤は、カラムを成形する際の充填条件を最適化するのが容易ではなく、逆相型とフッ素含有型、イオン交換型など、分離モードの異なる充填剤を段階的に、あるいは完全に混合して充填することで高性能のカラムを得ることは困難である。 In general, it is not easy to optimize packing conditions when forming a column for packing materials other than reversed-phase silica gel packing, and packing with different separation modes such as reversed-phase type, fluorine-containing type, and ion-exchange type. It is difficult to obtain a high-performance column by packing the agent stepwise or thoroughly mixed.
三次元的に網目状構造のシリカ骨格を有するシリカ連続体カラムは、粒子充填型のカラムとはカラム形成過程が根本的に異なり、充填作業を必要としない。その高い透過度のため送液圧力が低く、粒子充填型カラムを用いては運転不可能な超高速条件下での分離を可能にした。またその細いシリカ骨格に起因する分離性能の改善は著しく、総合的に粒子充填型に比べて一桁高い分離性能を提供することができる(特許文献1)。
シリカ連続体カラムはカラム体積あたりのシリカ骨格量が10〜20%程度にとどまり、必然的に識別置換基の導入量が少なくなる。逆相型カラムと比較すると、サンプルの保持係数は粒子充填型の三分の一程度しか得られないことが特徴であり、サンプルの保持量が小さいことが欠点でもあった。
さらに、相互作用が混合により打ち消し合い、望む複数の分離モードを同時に加算的に発現させることは困難である。
A silica continuous column having a three-dimensional network structure silica skeleton has a fundamentally different column forming process from a particle packed column and does not require a packing operation. Due to its high permeability, the liquid feeding pressure was low, and separation was possible under ultra-high speed conditions that could not be operated using a particle packed column. Moreover, the improvement in separation performance due to the thin silica skeleton is remarkably improved, and it is possible to provide a separation performance that is an order of magnitude higher than that of the particle-packed type (Patent Document 1).
In the silica continuous column, the amount of the silica skeleton per column volume is only about 10 to 20%, and the introduction amount of the identification substituent is inevitably reduced. Compared with a reversed-phase column, the retention coefficient of the sample can be obtained only about one third of that of the particle-packed type, and a small amount of the sample is also a drawback.
Furthermore, it is difficult for the interaction to cancel each other out by mixing, so that a desired plurality of separation modes can be added simultaneously.
ポストゲノム時代の研究ニーズの一つに、タンパク質、ペプチド、脂質、糖、代謝物など、生体由来の非常に複雑な多成分試料の網羅的分離分析の必要性が多くなっていることが挙げられる。しかしながら、イオン交換型、親水性相互作用型、サイズ排除型の分離機能を持つ粒子充填型カラムの分離性能は逆相型のそれに比べて明らかに低く、理論段数1万を達成することができないものが多いため、複雑成分の網羅的分離分析には性能が不足している。
本発明は前記従来技術の課題に鑑みなされたものであり、その目的はシリカ連続体カラム担体の高い分離性能を維持したまま、多様な分離モードを提供するカラムを作成することである。従来型のシリカ連続体カラムより大きいサンプル保持容量を達成するとともに、シリカ担体表面がサンプルと接触しないようなカラムの作成も目的とする。
One of the research needs in the post-genome era is that there is an increasing need for comprehensive separation and analysis of highly complex multi-component samples such as proteins, peptides, lipids, sugars, and metabolites. . However, the separation performance of ion-packed, hydrophilic interaction, and size-excluded particle-packed columns is clearly lower than that of reversed-phase columns and cannot achieve 10,000 theoretical plates. As a result, there is a lack of performance for exhaustive separation analysis of complex components.
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object thereof is to create a column that provides various separation modes while maintaining the high separation performance of the silica continuous column support. It is also aimed to create a column that achieves a larger sample retention capacity than conventional silica continuum columns and that the silica support surface does not contact the sample.
前記目的を達成するために本発明者らが鋭意検討を行ったところ、多孔性シリカ連続体を膜状にして、表面修飾の異なる膜を交互に積み重ねることにより、シリカ担体表面とサンプルとの接触を極力抑えること、保持容量を増大することで多種類の分離モードの提供を可能としたことにより本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、多孔性シリカ連続体に異なる表面修飾をした膜を交互に積み重ねてなる多孔性シリカ連続体カラムを提供する。なお、本発明において“膜”という用語は、ディスクもしくはプレートをも含む概念である。また、表面修飾をしない無修飾の膜を交互に積み重ねても、未修飾の膜と修飾の膜を交互に積み重ねてもよい。
多孔性シリカ連続体は、シリカを主成分とする反応溶液を相分離を伴うゾル−ゲル転移を起こさせることにより作製してなる。
また、多孔性シリカ連続体は、直径100nm〜10000nmのマクロ孔と骨格が共連続構造をした無機系多孔質連続体で、骨格には直径2nm〜50nmのメソポアが存在する。ただし、メソポアは、ゾル-ゲル転移の後焼成して減少させてもよい。
本発明の多孔性連続体シリカカラムを用いれば、例えば、グリコヘモグロビンの高速分離に最適である。この場合、メタクリル酸3‐スルホプロピルカリウム塩の修飾膜とオクタデシルジメチルクロロシランの修飾膜を交互に二層から五層、好ましくは三層重ねて用いるのが好ましい。
In order to achieve the above object, the present inventors have conducted intensive studies. As a result, the porous silica continuum is formed into a film, and the surface of the silica support and the sample are contacted by alternately stacking films having different surface modifications. As a result, the present invention has been completed by making it possible to provide a variety of separation modes by increasing the retention capacity.
That is, the present invention provides a porous silica continuum column in which membranes having different surface modifications are alternately stacked on the porous silica continuum. In the present invention, the term “film” is a concept including a disk or a plate. In addition, unmodified films without surface modification may be alternately stacked, or unmodified films and modified films may be stacked alternately.
The porous silica continuum is prepared by causing a sol-gel transition accompanied by phase separation in a reaction solution containing silica as a main component.
The porous silica continuum is an inorganic porous continuum in which macropores having a diameter of 100 nm to 10000 nm and a skeleton have a co-continuous structure, and the skeleton has a mesopore having a diameter of 2 nm to 50 nm. However, the mesopores may be reduced by baking after the sol-gel transition.
If the porous continuous silica column of the present invention is used, for example, it is optimal for high-speed separation of glycohemoglobin. In this case, it is preferable to use a modified film of 3-sulfopropyl potassium methacrylate and a modified film of octadecyldimethylchlorosilane alternately in two to five layers, preferably three layers.
本発明における多孔性シリカ連続体は、シリカを主成分とする反応溶液を相分離を伴うゾル−ゲル転移を起こさせることにより得られる。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。
さらに具体的には、上記目的達成の手段は、水溶性高分子、熱分解する化合物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反応を行い、生成物が固化した後、次いで湿潤状態のゲルを加熱することにより、ゲル調製時にあらかじめ溶解させておいた低分子化合物を熱分解させ、次いで乾燥し加熱して製造することが好ましい。
The porous silica continuous body in the present invention can be obtained by causing a reaction solution containing silica as a main component to undergo a sol-gel transition accompanied by phase separation. Examples of the precursor of the network component that causes gel formation used in the sol-gel reaction include metal alkoxides, complexes, metal salts, organically modified metal alkoxides, organic cross-linked metal alkoxides, and partial hydrolysis products and partial polymerization products thereof. Can be used. Sol-gel transition by changing the pH of water glass and other silicate aqueous solutions can be used as well.
More specifically, the means for achieving the above-mentioned object is to generate a water-soluble polymer and a compound that thermally decomposes in an acidic aqueous solution, add a metal compound having a hydrolyzable functional group, and perform a hydrolysis reaction. After the product has solidified, the wet gel is preferably heated to thermally decompose the low molecular weight compound previously dissolved at the time of gel preparation, and then dried and heated.
ここで、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、側鎖にカルボニル基を有するポリビニルピロリドン等が好適である。また、有機高分子に代えてホルムアミド、多価アルコール、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グリセリンが、界面活性剤としてはポリオキシエチレンアルキルエーテル類が最適である。 Here, the water-soluble polymer is theoretically a water-soluble organic polymer that can be formed into an aqueous solution having an appropriate concentration, and in a reaction system including an alcohol generated by a metal compound having a hydrolyzable functional group. The polymer metal salt is a sodium salt or potassium salt of polystyrene sulfonic acid, which is a polymer metal salt, polyacrylic acid which is a polymer acid and dissociates to form a polyanion, Polyallylamine and polyethyleneimine that are molecular bases that generate polycations in aqueous solution, or neutral polymers that are polyethylene oxide having an ether bond in the main chain and polyvinylpyrrolidone having a carbonyl group in the side chain are suitable. . In addition, formamide, polyhydric alcohol, or surfactant may be used in place of the organic polymer. In this case, glycerin is optimal as the polyhydric alcohol, and polyoxyethylene alkyl ethers are optimal as the surfactant.
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。 As the metal compound having a hydrolyzable functional group, a metal alkoxide or an oligomer thereof can be used, and those having a small number of carbon atoms such as a methoxy group, an ethoxy group, and a propoxy group are preferable. Further, as the metal, an oxide metal finally formed, for example, Si, Ti, Zr, or Al is used. The metal may be one type or two or more types. On the other hand, any oligomer can be used as long as it can be uniformly dissolved and dispersed in alcohol. Specifically, it can be used up to about 10-mer.
また、酸性水溶液としては、通常塩酸、硝酸等の鉱酸0.001モル濃度以上のもの、あるいは酢酸、ギ酸等の有機酸0.01モル濃度以上のものが好ましい。 Moreover, as acidic aqueous solution, the thing of 0.001 mol concentration or more of mineral acids, such as hydrochloric acid and nitric acid, or 0.01 mol concentration or more of organic acids, such as an acetic acid and a formic acid, is preferable normally.
相分離・ゲル化にあたっては、溶液を室温40〜80℃で0.5〜24時間保存することにより達成できる。相分離・ゲル化は、当初透明な溶液が白濁してシリカ相と水相との相分離を生じついにゲル化する過程を経る。この相分離・ゲル化で水溶性高分子は分散状態にありそれらの沈殿は実質的に生じない。 The phase separation and gelation can be achieved by storing the solution at room temperature of 40 to 80 ° C. for 0.5 to 24 hours. Phase separation / gelation is a process in which an initially transparent solution becomes cloudy, causing phase separation between a silica phase and an aqueous phase and finally gelling. By this phase separation / gelation, the water-soluble polymers are in a dispersed state and their precipitation does not substantially occur.
あらかじめ共存させ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。
Specific examples of the thermally decomposable compound that coexists in advance include urea or hexamethylenetetramine, formamide, N-methylformamide, N, N-dimethylformamide, acetamide, N-methylacetamide, N, N-dimethylacetamide and the like. However, since the pH value of the solvent after heating is an important condition, there is no particular limitation as long as it is a compound that makes the solvent basic after thermal decomposition.
Although the thermally decomposable compound to coexist depends on the kind of the compound, for example, in the case of urea, it is 0.05 to 0.8 g, preferably 0.1 to 0.7 g, with respect to 10 g of the reaction solution. The heating temperature is preferably 40 to 200 ° C. in the case of urea, for example, and the pH value of the solvent after heating is preferably 6.0 to 12.0.
Moreover, what produces the compound with the property to melt | dissolve a silica like hydrofluoric acid by thermal decomposition can be utilized similarly.
多孔性シリカ連続体は、メソポアを有しても焼成して消失させてもよい。焼成温度は、例えば600℃から1200℃、好ましくは、950℃から1050℃である。特に950℃焼成から1050℃焼成にかけてその比表面積,メソポア細孔径,細孔容積はそれぞれ大きく減少し,その分機械的強度が大きくなる。 The porous silica continuum may have mesopores or be burned to disappear. The firing temperature is, for example, 600 ° C to 1200 ° C, preferably 950 ° C to 1050 ° C. In particular, the specific surface area, mesopore pore diameter, and pore volume greatly decrease from 950 ° C. to 1050 ° C., and the mechanical strength increases accordingly.
表面修飾の膜は、例えば疎水性の修飾剤、スペーサーを介してイオン交換基を導入することにより作製する。疎水性の修飾剤は、例えば、オクタデシルジメチルクロロシランをはじめとするアルキルジメチルクロロシラン、アルキルメチルジクロロシラン、アルキルトリクロロシランを用いることができ、スペーサーとしては、例えば、メタクリロイルプロピルトリメトキシシラン(トリエトキシ可)などを用いることができ、イオン交換基としては、メタクリル酸3-スルホプロピルカリウム塩、3-アミノプロピルトリエトキシシラン、(メタ)アクリル酸、4-(2-)ビニルピリジン、4-ビニルフェニルスルホン酸などを用いることができる。
これらの修飾は、多孔性シリカ連続体に反応溶液をシラノールの1当量から10当量、好ましくは5当量を加え、温度50℃〜120℃、好ましくは60℃〜110℃で反応させる。例えば、ODS(オクタデシルジメチルクロロシラン)、ピリジンを多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基量の5当量分加え、24時間トルエン還流条件で反応させた。カチオン交換膜(MASK膜)の調製 では,多孔性シリカ連続体膜にトルエン溶媒中でスペーサーとなるMOP(3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン),2,6-ルチジンを多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基の5当量ずつ加え,24時間トルエン環流条件下で反応させた後,トルエン,メタノールで洗浄した。多孔性シリカ連続体膜表面にスペーサーであるMOPが修飾された後,MASK(メタクリル酸3−スルホプロピル)をシリカ膜表面に存在するシラノール基の5当量,開始剤にBPOを用いて24時間メタノール環流条件下で反応させた後,水,メタノールで洗浄した。
アニオン交換膜の調製では、多孔性シリカ連続体膜にAPS(3−アミノプロピルトリエトキシシラン),ピリジンを多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基の5当量ずつ加え,24時間トルエン環流条件下で反応させた後,トルエン,エタノールで洗浄した。
表面修飾膜は、ブロック体でも積層体でもいずれでもよい。
分離試料に応じて、修飾膜の種類を選択することができる。例えば、グリコヘモグロビンを分離するときは、イオン交換基を有する表面修飾膜と逆相系の修飾膜を交互に複数層、好ましくは3層以上積層させる。これ以外にも例えば、タンパク質、アミノ酸等を分離するときは、異なるイオン交換基修飾膜を複数枚積層させる。
The surface-modified film is produced, for example, by introducing an ion exchange group through a hydrophobic modifier or a spacer. As the hydrophobic modifier, for example, alkyldimethylchlorosilane such as octadecyldimethylchlorosilane, alkylmethyldichlorosilane, or alkyltrichlorosilane can be used, and examples of the spacer include methacryloylpropyltrimethoxysilane (triethoxy). As the ion exchange group, methacrylic acid 3-sulfopropyl potassium salt, 3-aminopropyltriethoxysilane, (meth) acrylic acid, 4- (2-) vinylpyridine, 4-vinylphenylsulfonic acid Etc. can be used.
In these modifications, 1 to 10 equivalents, preferably 5 equivalents, of silanol is added to the porous silica continuum, and the reaction is carried out at a temperature of 50 ° C to 120 ° C, preferably 60 ° C to 110 ° C. For example, ODS (octadecyldimethylchlorosilane) and pyridine were added in an amount equivalent to 5 equivalents of the amount of silanol groups present on the surface of the porous silica continuous film, and reacted for 24 hours under toluene reflux conditions. In the preparation of the cation exchange membrane (MASK membrane), the porous silica continuous membrane is coated with MOP (3-methacryloxypropyltrimethoxysilane) and 2,6-lutidine as spacers in the toluene solvent. 5 equivalents of silanol groups present in each were added, reacted for 24 hours under toluene reflux conditions, and then washed with toluene and methanol. After the MOP as a spacer is modified on the surface of the porous silica continuous membrane, MASK (3-sulfopropyl methacrylate) is equivalent to 5 equivalents of silanol groups present on the silica membrane surface and methanol is used for 24 hours using BPO as the initiator. After reacting under reflux conditions, it was washed with water and methanol.
In the preparation of the anion exchange membrane, APS (3-aminopropyltriethoxysilane) and pyridine were added to the porous silica continuous membrane at 5 equivalents each of the silanol groups present on the surface of the porous silica continuous membrane, and the toluene reflux conditions were maintained for 24 hours. The reaction was carried out below, followed by washing with toluene and ethanol.
The surface modification film may be a block body or a laminate.
The type of the modified membrane can be selected according to the separated sample. For example, when separating glycated hemoglobin, a plurality of layers, preferably three or more layers, of a surface-modified membrane having an ion exchange group and a reversed-phase modified membrane are alternately laminated. In addition to this, for example, when separating proteins, amino acids and the like, a plurality of different ion exchange group-modified membranes are laminated.
多孔性シリカモノリスの調製
分子量10,000 のポリエチレングリコール(PEG) 4.2 g に0.01 N 酢酸水溶液50 ml を加え攪拌し溶解させた。完全に溶解した後に氷冷し,テトラメトキシシラン24 ml を加え攪拌を継続した。角型容器に溶液を移しテフロンリングを入れ,密封して40℃恒温槽(水浴)に1 日間放置した。得られたシリカバルクをエタノール/水=1/1(v/v)の水溶液に浸漬し1 日放置した。このバルクを0.5 M 尿素水溶液に浸漬させ,テフロン製の分解ビンを用いて加熱処理した後,
40℃オーブンに移し2 日間放置し,続いて60℃オーブンに移し1 日間放置し,電気炉を用いて焼成して,多孔性シリカモノリスを調製した。
多孔性シリカ連続体膜の調製
多孔性シリカモノリスを直径12 mm,厚さ3.0 mm の円筒状(膜状)に加工し,これに熱収縮チューブ(PTFE)を巻き成形することにより多孔性シリカ連続体膜を調製した。
Preparation of Porous Silica Monolith 50 ml of 0.01 N acetic acid aqueous solution was added to 4.2 g of polyethylene glycol (PEG) having a molecular weight of 10,000 and dissolved by stirring. After complete dissolution, the mixture was cooled on ice, and 24 ml of tetramethoxysilane was added and stirring was continued. The solution was transferred to a square container, a Teflon ring was inserted, sealed, and left in a constant temperature bath (water bath) for 40 days. The obtained silica bulk was immersed in an aqueous solution of ethanol / water = 1/1 (v / v) and left for 1 day. After immersing this bulk in 0.5 M urea aqueous solution and heat-treating it using a Teflon decomposition bottle,
The porous silica monolith was prepared by transferring it to a 40 ° C oven and leaving it for 2 days, and then transferring it to a 60 ° C oven and leaving it for 1 day, followed by firing using an electric furnace.
Preparation of porous silica continuous membrane A porous silica monolith is processed into a cylindrical shape (membrane shape) with a diameter of 12 mm and a thickness of 3.0 mm, and a porous shrinkable tube (PTFE) is wound around this to form a continuous porous silica monolith. A body membrane was prepared.
多孔性シリカ連続体膜へのオクタデシルジメチルクロロシラン(ODS),ヘキサメチルジシラザン(HMDS)の修飾
多孔性シリカ連続体膜をエタノール,トルエンで共沸し反応系から水を排除した後,トルエン溶媒中でオクタデシルジメチルクロロシラン(ODS)を多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基の5 当量分加え,24 時間リフラックスさせた後,トルエン,テトラヒドロフラン,エタノール/水=1/1(v/v),エタノールの順で洗浄し,減圧乾燥した。ODS 化した多孔性シリカ連続体膜にヘキサメチルジシラザン(HMDS)の20%トルエン溶液を17 時間リフラックスさせ,トルエン,テトラヒドロフラン,エタノールの順で洗浄した。
Modification of octadecyldimethylchlorosilane (ODS) and hexamethyldisilazane (HMDS) on porous silica continuous membrane Azeotropically with ethanol and toluene to remove water from the reaction system, and then in toluene solvent Add octadecyldimethylchlorosilane (ODS) for 5 equivalents of silanol groups present on the surface of the porous silica continuous membrane, reflux for 24 hours, and then toluene, tetrahydrofuran, ethanol / water = 1/1 (v / v) , Washed in order of ethanol, and dried under reduced pressure. A 20% toluene solution of hexamethyldisilazane (HMDS) was refluxed for 17 hours on a porous silica continuous membrane converted to ODS, and washed with toluene, tetrahydrofuran, and ethanol in this order.
多孔性シリカ連続体膜への3‐メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MOP),メタクリル酸3‐スルホプロピルカリウム塩(MASK)の修飾
多孔性シリカ連続体膜にトルエン溶媒中でスペーサーとなる3‐メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン(MOP),2,6‐ルチジンを多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基の5 当量ずつ加え,24 時間リフラックスさせた後,メタノールで洗浄した。
多孔性シリカ連続体膜表面にスペーサーであるMOP が修飾された後,メタクリル酸3‐スルホプロピルカリウム塩をシリカ膜表面に存在するシラノール基の5 当量,開始剤に過酸化ベンゾイル(BPO)を用いてメタノール溶媒中で24時間リフラックスさせた後,水,メタノールで洗浄した。
3-methacryloxypropyltrimethoxysilane (MOP) and 3-sulfopropyl potassium methacrylate (MASK) modified porous silica continuous film on porous silica continuous film as spacer in toluene solvent Roxypropyltrimethoxysilane (MOP) and 2,6-lutidine were added in increments of 5 equivalents of silanol groups present on the surface of the porous silica continuous membrane, refluxed for 24 hours, and then washed with methanol.
After the spacer MOP is modified on the surface of the porous silica continuous membrane, 5-sulfopropyl potassium methacrylate is equivalent to 5 equivalents of silanol groups present on the silica membrane surface, and benzoyl peroxide (BPO) is used as the initiator. The mixture was refluxed in a methanol solvent for 24 hours and then washed with water and methanol.
多孔性シリカ連続体膜への3‐アミノプロピルトリエトキシシラン(APS)の修飾
多孔性シリカ連続体膜にトルエン溶媒中で3‐アミノプロピルトリエトキシシラン(APS),ピリジンを多孔性シリカ連続体膜表面に存在するシラノール基の5 当量ずつ加え,24 時間リフラックスした後,トルエン,エタノールで洗浄した。
Modification of 3-aminopropyltriethoxysilane (APS) to porous silica continuous film Porous silica continuous film with 3-aminopropyltriethoxysilane (APS) and pyridine in toluene solvent to porous silica
多孔性シリカ連続体膜の特性
1)BET法による細孔観察
表面積測定装置(ジェミニ2375 [V 5.0])を使用して,BET比表面積(m2/g),メソポア細孔径(nm),細孔容積(cm3/g)の測定を行った。
焼成温度の変化によるBET比表面積(m2/g),メソポア細孔径(nm),細孔容積(cm3/g)の測定を行った。焼成温度を600℃から1050℃に上昇させることで,その比表面積,細孔容積が減少する傾向がみられた。特に950℃焼成から1050℃焼成にかけてその比表面積,メソポア細孔径,細孔容積はそれぞれ大きく減少し,その分機械的強度が大きくなっていることが確認できた。これは,1000℃付近にシリカの溶融点が存在することにより,この温度付近での焼成はシリカモノリス骨格の極端な収縮を生じさせ,比表面積,メソポア細孔径,細孔容積の大幅な減少をもたらしたと思われる。
膜カラムが手締め式のカラムであるという性質上,ある程度分離媒体である多孔性シリカ連続体膜に機械的な負荷がかかることから,以後の実験では機械的強度の最も大きかった1050℃焼成の多孔性シリカ連続体膜を使用することにした。
Characteristics of porous silica continuous film
1) Pore observation by BET method Measurement of BET specific surface area (m2 / g), mesopore pore diameter (nm), pore volume (cm3 / g) using a surface area measuring device (Gemini 2375 [V 5.0]) Went.
The BET specific surface area (m2 / g), mesopore pore diameter (nm), and pore volume (cm3 / g) were measured by changing the firing temperature. The specific surface area and pore volume tended to decrease when the firing temperature was increased from 600 ℃ to 1050 ℃. In particular, it was confirmed that the specific surface area, mesopore pore diameter, and pore volume decreased greatly from 950 ° C to 1050 ° C, and the mechanical strength increased accordingly. This is because the melting point of silica exists near 1000 ° C, and firing near this temperature causes extreme shrinkage of the silica monolith skeleton, resulting in a significant decrease in specific surface area, mesopore pore diameter, and pore volume. Seems to have brought.
Since the membrane column is a hand-clamped column, a mechanical load is applied to the porous silica continuous membrane, which is the separation medium, to some extent. It was decided to use a porous silica continuous membrane.
HPLC測定による細孔特性の解析
気孔率の算出
カラム内に多孔性シリカ連続体膜が挿入されている時とされていない時とで,それぞれのt0(保持を持たない溶質の溶出時間)を測定し,その際の流速から多孔性シリカ連続体膜内の空隙量を算出した。この値と多孔性シリカ連続体膜の見掛け上の全体積とから,多孔性シリカ連続体膜の空隙率(気孔率)を算出した(気孔率p = 0.651)。
Analysis of pore characteristics by HPLC measurement Porosity calculation When the porous silica continuous membrane is inserted into the column and when it is not, the respective t0 (elution of solute without retention) Time) was measured, and the amount of voids in the porous silica continuous membrane was calculated from the flow rate at that time. From this value and the apparent total volume of the porous silica continuous film, the porosity (porosity) of the porous silica continuous film was calculated (porosity p = 0.651).
HbA1c分析
1)MASK膜,MASK & ODS膜によるHbA1c分析の比較
膜カラムに流れ方向の上流側から順に以下のように多孔性シリカ連続体膜を挿入する際に略称を付けた。今後必要のある場合はこの法則に従って記述するものとする。
ODS 膜単独の場合⇒“O”
MASK 膜単独の場合⇒“M”
MASK 膜→ODS 膜の順の場合⇒“MO”
MASK 膜→ODS 膜→MASK 膜→ODS 膜→MASK 膜→ODS 膜の順の場合
⇒“MOMOMO”
MASK 膜→MASK 膜→MASK 膜→ODS 膜→ODS 膜→ODS 膜の順の場合
⇒“MMMOOO”
HPLC によるHbA1c の測定では,イオン交換クロマトグラフィーの原理によってHb 成分をHbA0,HbA1a+b,HbA1c 分画に分離し,逆相分配クロマトグラフィーの原理によってHbA1c 分画中のHbF,L-HbA1c,St-HbA1c を分離するということが知られている。
HbA1c の分離に必要とされている「カチオン交換性相互作用」と「疎水性相互作用」の二つに関して,これら二つの作用がどの程度ずつ分離に寄与しているのか検討を行った。
Hb 試料の溶出に対する基準カラムとして,市販のカチオン交換カラムであるSP-NPR(TSK-gel)を用いて評価を行った(図1)。
まずカチオン交換性相互作用の寄与を確かめるべく,“M”と“MO”を使用してHPLC による分析を試みた(図2)。
HbA1c analysis
1) Comparison of HbA1c analysis by MASK membrane and MASK & ODS membrane The abbreviations were given when the porous silica continuous membrane was inserted into the membrane column in order from the upstream side in the flow direction as follows. If it is necessary in the future, it shall be described according to this law.
ODS membrane alone ⇒ “O”
MASK membrane alone ⇒ “M”
In the order of MASK film → ODS film ⇒ “MO”
In the order of MASK film → ODS film → MASK film → ODS film → MASK film → ODS film ⇒ “MOMOMO”
MASK film → MASK film → MASK film → ODS film → ODS film → ODS film in this order ⇒ “MMMOOO”
In the measurement of HbA1c by HPLC, the Hb component is separated into HbA0, HbA1a + b, and HbA1c fractions by the principle of ion exchange chromatography, and the HbF, L-HbA1c, St. It is known to isolate -HbA1c.
We investigated the extent to which these two actions contributed to the separation of the “cation exchange interaction” and “hydrophobic interaction” required for the separation of HbA1c.
Evaluation was performed using SP-NPR (TSK-gel), a commercially available cation exchange column, as a reference column for elution of Hb samples (Fig. 1).
First, in order to confirm the contribution of the cation exchange interaction, an analysis by HPLC using “M” and “MO” was attempted (FIG. 2).
HPLC 条件
Column:Membrane column(“M”or“MO”)
Flow rate:0.4 ml/min
Detection:415 nm
Temperature:25℃
Eluent:
(A);20 mM MES,20 mM HEPES,0.01% NaN3(pH5.20)
(B);20 mM MES,20 mM HEPES,400 mM NaCl,0.01% NaN3 (pH7.00)
Injection volume:3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 10 16 17 35 36 38 39 50
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
HPLC conditions
Column: Membrane column (“M” or “MO”)
Flow rate: 0.4 ml / min
Detection: 415 nm
Temperature: 25 ° C
Eluent:
(A); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 0.01% NaN3 (pH 5.20)
(B); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 400 mM NaCl, 0.01% NaN3 (pH7.00)
Injection volume: 3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 10 16 17 35 36 38 39 50
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
この結果から,“M”でもHbA1c をある程度分離できることが確認できた。
しかし図2 からもわかるように,注入回数が増すにつれてHbA1c ピークが後ろに溶出してくるHbA0 ピークに吸収されていく現象がみられた。また,HbA1c に対して,“M”の分離能よりも明らかに“MO”の分離能の方が優れており,この比較ではODS 膜の必要性が大きいことが伺えた。
エージングに関しては,“M”では1〜2 回程度で済むが,“MO”にでは10 回程度の試料注入が必要であり,HbA1c 分析の一つの問題点であるエージングに関しては“M”の方が有利であることがわかった。これより,エージングはODS膜による疎水性相互作用が関連していることが示唆された。
From this result, it was confirmed that “M” can separate HbA1c to some extent.
However, as can be seen from Fig. 2, there was a phenomenon in which the HbA1c peak was absorbed by the HbA0 peak eluting later as the number of injections increased. In addition, the “MO” resolution is clearly superior to the “M” resolution compared to HbA1c, and this comparison indicates that the need for an ODS membrane is greater.
As for aging, “M” requires only 1 to 2 times, but “MO” requires about 10 sample injections, and “M” is one of the problems of HbA1c analysis. Was found to be advantageous. This suggests that aging is associated with hydrophobic interaction by ODS membrane.
2)ODS膜,MASK & ODS膜によるHbA1c分析の比較
次に疎水性交互作用の寄与を確かめるべく,“O”と“MO”を使用してHPLCによる分析を試みた。分析条件は[0026]と同じである。
この実験の結果(図3)から,“O”ではHbA1c を全く分離できないことが確認できた。
“M”と比較した際に,明らかにその分離性能には差が有り,他分画からのHbA1c 分離にはカチオン交換性相互作用が大きく寄与していることが裏付けられた。しかし“MO”で測定しても,HbA1c ピークは一本のピークであり,L-HbA1c とSt-HbA1c の分離傾向は全く見られなかった。
エージングに関して,“O”と“MO”の比較から,エージングの回数はMASK膜を挿入することでほぼ変化しないことがわかった。しかし,この実験結果から“O”による評価を行った際に,エージング終了後,ピークが二つに分離するという現象が起こった。その原因について,エージングの段階でODS 膜に吸着した血中タンパク質がヘモグロビン試料と相互作用したことが可能性として考えられる。
また“MO”による評価でも,HbA1c のピークはエージングが終了した後に前方にシフトする傾向が見られている。これもまた,ODS 膜に吸着した血中タンパク質による相互作用を示唆している可能性がある。
今回はエージングの定義を溶出ピーク面積の変動がなくなった時点までとしたが,ピークの変動(移動)がなくなるまでをコンディショニングと考えると、コンディショニングにはエージングともう一つの作用が寄与しているように思われる。このもう一つの作用については定かではないが,今回の実験により,血中タンパク質の吸着により生じている現象ではないかと考えられた。このことに関してはさらなる検討が必要である。
他に観察された現象として,評価を一旦(数時間)中断し,送液を再開するという操作を行うことによって,中断直前と再開直後ではピーク形状に著しい変化が見られた。この変化は,再開直後の全体のピーク形状が中断直前のものから数回注入する前のピーク形状と似たものとなるという現象であった。これもまた血中タンパク質の吸着による作用であることが伺える。
これらの推察は,評価後にODS 膜のみが赤く着色しており,血中タンパク質,特にその色からHb タンパク質の吸着が予想出来ることに起因している。
これらのことから,血中タンパク質の中で少なくともHb タンパク質が疎水性部分(主にODS 膜)に吸着していることが推察でき,この吸着が生じることによってヘモグロビン試料とODS 膜が疎水性相互作用以外に弱い吸着を起こしている可能性が示唆された。
2) Comparison of HbA1c analysis with ODS and MASK & ODS membranes Next, in order to confirm the contribution of hydrophobic interaction, an analysis by HPLC using “O” and “MO” was attempted. The analysis conditions are the same as [0026].
From the results of this experiment (Fig. 3), it was confirmed that "O" cannot separate HbA1c at all.
When compared with “M”, the separation performance was clearly different, confirming that the cation exchange interaction contributed greatly to the separation of HbA1c from other fractions. However, even when measured by “MO”, the HbA1c peak was a single peak, and no separation tendency of L-HbA1c and St-HbA1c was observed.
As for aging, the comparison between “O” and “MO” showed that the number of aging hardly changed by inserting MASK film. However, when the evaluation by “O” was performed from this experimental result, the phenomenon that the peak was separated into two after the aging was completed. The possible cause is that the blood protein adsorbed on the ODS membrane at the aging stage interacted with the hemoglobin sample.
In the “MO” evaluation, the peak of HbA1c tends to shift forward after aging is completed. This may also suggest an interaction with blood proteins adsorbed on the ODS membrane.
In this time, the definition of aging was defined as the time when the fluctuation of the elution peak area ceased, but if the condition until the fluctuation (movement) of the peak ceases to be considered as conditioning, aging and another action seem to contribute to conditioning. It seems to be. Although it is not certain about this other action, it was thought by this experiment that it might be caused by the adsorption of blood proteins. Further investigation is necessary in this regard.
Another observed phenomenon was that the peak shape changed significantly immediately before and immediately after the interruption by interrupting the evaluation once (several hours) and restarting the feeding. This change was a phenomenon in which the entire peak shape immediately after resumption became similar to the peak shape before injection several times from the one immediately before interruption. This can also be attributed to the action of protein adsorption in the blood.
These inferences are due to the fact that only the ODS membrane is colored red after evaluation, and the adsorption of Hb protein can be predicted from the blood protein, especially its color.
From these facts, it can be inferred that at least Hb protein is adsorbed to the hydrophobic part (mainly ODS membrane) in the blood protein, and this adsorption causes the hydrophobic interaction between the hemoglobin sample and the ODS membrane. It was suggested that there was a possibility of weak adsorption.
3)長さの異なるODS膜(“O1”と“O2”)を使用した“MO1”と“MO2”の比較
これまでの結果からODS膜がエージングに関与していることはほぼ間違いないと思われる。そこで,ODS膜の全長(厚み)が3.5 mm(“O1”)のものと7.7mm(“O2”)のものを使用して,ODS膜による疎水性相互作用がエージングにどの程度寄与しているのかを“MO1”と“MO2”を評価することで確認した(図4)。評価に用いたHPLC条件は[0026]と同じである。
微細孔の空いていない,ノンポーラスな充填材を使用した場合にはほとんどエージング現象がみられないということが以前の研究からわかっており,ヘモグロビンは分子サイズが約6.4 x 5.5 x 5.0 nmの球状分子であることから,5.0nm付近の細孔が存在するとその細孔にHb分子がはまり込むことによって「エージング」現象が生じるという議論がなされているが,吸着現象の起こる正確な要因はまだ断定されていなかった。
今回行った実験では先に挿入したMASK膜と組み合わせるODS膜として,全長が3.5mm(“O1”)の膜と7.7mm(“O2”)の膜を使用しているが,二つの膜におけるエージング回数を比較すると,“O1”の約倍の厚さをもった“O2”を用いた“MO2”ではエージング回数も約倍になるという結果が得られた。
今回用いた多孔性シリカ連続体膜には,4.0 nm付近のメソポアと呼ばれる微細孔が微量に存在している。しかし,メソポア自体が微量であること,またその細孔径分布が4.0 nm付近に集中していることからも,細孔にHb分子全体がはまり込むことによってのみエージング現象が引き起こされるというようなことは考えにくい。このことから,Hb分子のある一部分だけが多孔性シリカ連続体膜の細孔にはまり込み,そこで疎水性相互作用を示す過程がエージングに寄与しているのではないかということが示唆された。
3) Comparison of “MO1” and “MO2” using ODS films with different lengths (“O1” and “O2”) From the results so far, it is almost certain that the ODS film is involved in aging. It is. Therefore, using ODS membranes with total length (thickness) of 3.5 mm (“O1”) and 7.7 mm (“O2”), how much hydrophobic interaction by ODS membrane contributes to aging. This was confirmed by evaluating “MO1” and “MO2” (FIG. 4). The HPLC conditions used for the evaluation are the same as [0026].
Previous studies have shown that almost no aging is observed when non-porous, nonporous fillers are used, and hemoglobin has a spherical size with a molecular size of approximately 6.4 x 5.5 x 5.0 nm. Since it is a molecule, it has been argued that the presence of pores near 5.0 nm causes the “aging” phenomenon to occur when Hb molecules are trapped in the pores, but the exact cause of the adsorption phenomenon is still determined. Was not.
In this experiment, we used a 3.5mm (“O1”) film and a 7.7mm (“O2”) film as the ODS film combined with the previously inserted MASK film. Comparing the number of times, it was found that “MO2” using “O2”, which is about twice as thick as “O1”, has about twice the aging frequency.
In the porous silica continuous membrane used this time, there are a minute amount of micropores called mesopores around 4.0 nm. However, since the mesopores themselves are very small and the pore size distribution is concentrated around 4.0 nm, the aging phenomenon is caused only by the entire Hb molecules getting stuck in the pores. Very Hard to think. This suggests that only a part of the Hb molecule fits into the pores of the porous silica continuous film, and that the process showing hydrophobic interaction may contribute to aging.
4)HbA1c分析の高速化
高流速条件によるHbA1c分析の高速化
“MO”によりある程度のHbA1c 分析が可能となったことから,最終的な目的であるHbA1c 分析の高速化を試みた。
第一のプロセスとして,前回まで使用していた分析条件と比較して,流速を9.99 ml/min(従来の25 倍),タイムプログラムをそれぞれ25 分の1 にすることで高速化をはかった。
4) Faster HbA1c analysis
Acceleration of HbA1c analysis under high flow rate conditions Because “MO” has enabled HbA1c analysis to some extent, we attempted to increase the speed of HbA1c analysis, which is the ultimate goal.
As the first process, the speed was increased by reducing the flow rate to 9.99 ml / min (25 times that of the conventional method) and the time program to 1/25 each compared to the analysis conditions used up to the previous time.
HPLC 条件
Column:Membrane column(“MO”)
Flow rate:9.99 ml/min
Detection:415 nm
Temperature:25℃
Eluent:
(A);20 mM MES,20 mM HEPES,0.01% NaN3(pH5.20)
(B);20 mM MES,20 mM HEPES,400 mM NaCl,0.01% NaN3 (pH7.00)
Injection volume:3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 0.40 0.64 0.68 1.40 1.44 1.52 1.56 2.00
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
HPLC conditions
Column: Membrane column (“MO”)
Flow rate: 9.99 ml / min
Detection: 415 nm
Temperature: 25 ° C
Eluent:
(A); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 0.01% NaN3 (pH 5.20)
(B); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 400 mM NaCl, 0.01% NaN3 (pH7.00)
Injection volume: 3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 0.40 0.64 0.68 1.40 1.44 1.52 1.56 2.00
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
この検討では,高速化を実現する為に単に高流速条件での分析を行っていた。
この方法では確かに高速分析が可能になり分析時間の短縮化が可能となるが、高流速状態で複雑なタイムプログラムのグラジエント分析を行うことにより装置に負担がかかり、得られるデータの再現性も低く,どのピークがHbA1c か同定できなかった。
In this study, the analysis was simply performed under high flow rate conditions in order to achieve high speed.
This method certainly enables high-speed analysis and shortens the analysis time, but performing a gradient analysis of a complex time program at a high flow rate places a burden on the device, and the reproducibility of the data obtained is also high. It was low and it was not possible to identify which peak was HbA1c.
HbA1c分析条件の最適化(1)
前記の測定では流速があまりに早かったために,装置系の安定性に欠け,再現性のあるデータが得られなかったことから,この状態を打開する為にグラジエント条件と移動相組成の改善を試みた。まず、装置が安定してグラジエントのミキシングが出来る範囲での流速として4.0 ml/min(従来の10 倍),タイムプログラムをそれぞれ10 分の1 にして測定を行った(図5)。
Optimization of analysis conditions for HbA1c (1)
In the above measurement, the flow velocity was so fast that the system was not stable and reproducible data could not be obtained. Therefore, in order to overcome this situation, an attempt was made to improve the gradient conditions and mobile phase composition. . First, the flow rate was 4.0 ml / min (10 times that of the conventional method) and the time program was set to 1/10 each in the range where the device could stably mix the gradient (Fig. 5).
HPLC 条件
Column:Membrane column(“MO”)
Flow rate:4.00 ml/min
Detection:415 nm
Temperature:25℃
Eluent:
(A);20 mM MES,20 mM HEPES,0.01% NaN3(pH5.20)
(B);20 mM MES,20 mM HEPES,400 mM NaCl,0.01% NaN3 (pH7.00)
Samples:Normal level sample(ノーマルサンプル),High level St-HbA1c
sample(アブノーマルサンプル)
Injection volume:3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 1.0 1.6 1.7 3.5 3.6 3.8 3.9 5.0
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
HPLC conditions
Column: Membrane column (“MO”)
Flow rate: 4.00 ml / min
Detection: 415 nm
Temperature: 25 ° C
Eluent:
(A); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 0.01% NaN3 (pH 5.20)
(B); 20 mM MES, 20 mM HEPES, 400 mM NaCl, 0.01% NaN3 (pH7.00)
Samples: Normal level sample, High level St-HbA1c
sample (abnormal sample)
Injection volume: 3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 1.0 1.6 1.7 3.5 3.6 3.8 3.9 5.0
B (%) 18 19 23 26 28 80 80 18 Stop run
この方法で測定を行うと,装置が安定してグラジエントのミキシングを行えることから再現性のあるデータが得られた。また,従来までは60 分で1 検体という,非常に長時間の分析しか行えてなかったのが,今回の試みにより5.0 分で1検体というある程度の高速化が達成できた。
今回得られたクロマトグラムから,HbA1c の割合を算出した(表1)。
この表から,ノーマルサンプルにおけるHbA1c の割合が7.5%,アブノーマルサンプルにおけるHbA1c の割合が12.2%であり,ノーマルサンプルに関しては正常成人のHbA1c 割合(表2)と比較すると“可”の範囲に分類されることとなり,少し高値を示しているようではあるが,ある程度合理性のある結果となった。
表1. HbA1c の割合
ノーマルサンプル 7.5%
アブノーマルサンプル12.2%
表2 正常成人のHbA1c 割合(文献値)
コントロールの評価 優 良 可 不可
HbA1c (%) 5.8 未満 5.8〜6.5 6.6〜7.9 8.0 以上
When measuring with this method, reproducible data was obtained because the instrument was able to mix gradients stably. In addition, it was possible to analyze only a very long time, which was one sample in 60 minutes until now, but this trial has achieved a certain speedup of one sample in 5.0 minutes.
The ratio of HbA1c was calculated from the chromatogram obtained this time (Table 1).
From this table, the percentage of HbA1c in the normal sample is 7.5%, the percentage of HbA1c in the abnormal sample is 12.2%, and the normal sample is classified as “possible” when compared with the percentage of normal adult HbA1c (Table 2). Although it seems to show a slightly high price, the result was reasonable to some extent.
Table 1. Percentage of HbA1c Normal sample 7.5%
Abnormal sample 12.2%
Table 2 Normal adult HbA1c ratio (reference values)
Evaluation of control Excellent Yes No
HbA1c (%) Less than 5.8 5.8 to 6.5 6.6 to 7.9 8.0 or more
また図5から,HbA1c ピークに分離傾向(L-HbA1c とSt-HbA1c)がみられた。60 分で1 検体を扱っている際にはこの傾向は見られなかったことから,分析時間短縮の効果が分離能の向上にも寄与している可能性がある。
しかし、HbA1c 分析の最先端では1.5 分で1 検体という高速分析が行われており,今回の結果では本当の意味での“高速化“は達成されなかったと言える。
以上のことから,ここまでに示した二つの方法では,流速の限界が分析時間短縮の限界となってしまい,仮に再現性のあるデータが得られたとしても最短で2.0 分で1 検体ということになるので,これ以上の高速化を目指すことは不可能であることから,更に分析条件を改良する必要性があった。
In addition, from Fig. 5, the separation tendency (L-HbA1c and St-HbA1c) was observed in the HbA1c peak. This tendency was not observed when one sample was handled in 60 minutes, so the effect of shortening the analysis time may contribute to the improvement of the resolution.
However, at the forefront of HbA1c analysis, high-speed analysis of one sample is performed in 1.5 minutes, and it can be said that the true result of “acceleration” has not been achieved.
Based on the above, in the two methods shown so far, the limit of flow velocity becomes the limit of shortening the analysis time, and even if reproducible data is obtained, it will be one sample in 2.0 minutes at the shortest. Therefore, since it is impossible to aim for higher speeds, it was necessary to further improve the analysis conditions.
HbA1c分析条件の最適化(2)
ここまでの測定で、流速を上昇させることである程度までの高速化は可能であるが一定以上の流速(5.0 ml/min 以上)でグラジエント分析を行うことは装置に対して負担が大きく再現性のあるデータが得られないことが確認されたことから、高流速条件下においても負担の少ないアイソクラティックモードによる測定が可能かどうか検討を行った。
これまでの条件で得られたクロマトグラムのHbA1c ピークの溶出時間とその際のグラジエント条件(移動相組成)から、溶離液A / 溶離液B = 72 / 28(v/v)となる新しい溶離液X と、溶離液A / 溶離液B = 20 / 80(v/v)となる新しい溶離液Y を調製し、この二つの溶離液を用いて分析を行った。この分析に際して,多孔性シリカ連続体膜は,内径12.0 mm,厚さ2.0 mm という通常よりも薄い膜を採用した。このサイズに加工することにより,最高で6 枚(全長12.0 mm)の多孔性シリカ連続体膜を挿入することが可能となり,重ねあわせの有用性などを示す為にも有利であると考え適用した。
まず“MMMOOO”を使用して,新しい分析条件によりHbA1c の分析を試みた(図6)。
Optimization of HbA1c analysis conditions (2)
In the measurement so far, it is possible to increase the flow rate to a certain degree by increasing the flow rate, but performing a gradient analysis at a flow rate above a certain level (5.0 ml / min or more) places a heavy burden on the device and is reproducible. Since it was confirmed that some data could not be obtained, we examined whether it is possible to measure in isocratic mode with less burden even under high flow rate conditions.
New eluent with eluent A / eluent B = 72/28 (v / v) from the elution time of the HbA1c peak in the chromatogram obtained under the previous conditions and the gradient conditions (mobile phase composition) A new eluent Y having X and eluent A / eluent B = 20/80 (v / v) was prepared and analyzed using these two eluents. In this analysis, a porous silica continuous membrane with an inner diameter of 12.0 mm and a thickness of 2.0 mm was used. By processing to this size, it was possible to insert up to 6 porous silica continuous membranes (total length: 12.0 mm), which was considered to be advantageous for showing the usefulness of overlaying. .
First, using "MMMOOO", we tried to analyze HbA1c under new analysis conditions (Fig. 6).
HPLC 条件
Column:Membrane column(“MMMOOO”)
Flow rate:2.00 ml/min
Detection:415 nm
Temperature:25℃
Mobile phase:Eluent X;溶離液A / 溶離液B = 72 / 28(v/v)
Eluent Y;溶離液A / 溶離液B = 20 / 80(v/v)
Method:TO-08
Samples:Normal level sample(ノーマルサンプル),High level St-HbA1c
sample(アブノーマルサンプル)
Injection volume:3 μl
Gradient table:
Time(min) 0 0.30 0.31 0.70 0.71 1.00
Y(%) 0 0 100 100 0 Stop run
HPLC conditions
Column: Membrane column (“MMMOOO”)
Flow rate: 2.00 ml / min
Detection: 415 nm
Temperature: 25 ° C
Mobile phase: Eluent X; Eluent A / Eluent B = 72/28 (v / v)
Eluent Y; Eluent A / Eluent B = 20/80 (v / v)
Method: TO-08
Samples: Normal level sample, High level St-HbA1c
sample (abnormal sample)
Injection volume: 3 μl
Gradient table:
Time (min) 0 0.30 0.31 0.70 0.71 1.00
Y (%) 0 0 100 100 0 Stop run
膜の重ねあわせによる分離性能の比較を行うために,“MMMOOO”を分析したものと同じ分析条件を用いて,“MOMOMO”におけるHbA1c の分析を試みた(図6)。
図6からも明らかなように,“MMMOOO”と“MOMOMO”ではその分離性能に大きさ差が見られた。挿入している分離媒体は,MASK膜が3 枚とODS膜が3 枚(全ての膜の厚みは2.0 mm)と容量としてはどちらも同じなのにも関わらず,その性能には大きな違いが認められたことから,重ねる順番が分離性能に大きく寄与していることが示唆された。
本発明では,非常に良い分離性能を示した“MOMOMO”を使用して流速およびグラジエント条件のタイムプログラムを限界まで変化させることで,現段階でのHbA1c 分析の最高速化を試みた(図7)。
HPLC conditions
Column:Membrane column(“MMMOOO”)
Flow rate:3.00 ml/min(TO-10),4.00 ml/min(TO-09)
Detection:415 nm
Temperature:25℃
Mobile phase:Eluent X;溶離液A / 溶離液B = 72 / 28(v/v)
Eluent Y;溶離液A / 溶離液B = 20 / 80(v/v)
Method:TO-09,TO-10
Samples:Normal level sample(ノーマルサンプル),High level St-HbA1c
sample(アブノーマルサンプル)
Injection volume:3 μl
Gradient table:
TO-10 Time(min) 0 0.20 0.21 0.46 0.47 0.66
Y(%) 0 0 100 100 0 Stop run
TO-09 Time(min) 0 0.15 0.16 0.35 0.36 0.50
Y(%) 0 0 100 100 0 Stop run
In order to compare the separation performance by overlapping the membranes, we tried to analyze HbA1c in “MOMOMO” using the same analysis conditions as those used in “MMMOOO” (Fig. 6).
As is clear from FIG. 6, there was a difference in separation performance between “MMMOOO” and “MOMOMO”. The inserted separation media have three MASK membranes and three ODS membranes (all membrane thicknesses are 2.0 mm) and the capacity is the same, but there is a large difference in performance. This suggests that the stacking order greatly contributes to the separation performance.
In the present invention, “MOMOMO”, which showed very good separation performance, was used to change the time program of flow velocity and gradient conditions to the limit, and tried to maximize the speed of HbA1c analysis at this stage (Fig. 7). ).
HPLC conditions
Column: Membrane column (“MMMOOO”)
Flow rate: 3.00 ml / min (TO-10), 4.00 ml / min (TO-09)
Detection: 415 nm
Temperature: 25 ° C
Mobile phase: Eluent X; Eluent A / Eluent B = 72/28 (v / v)
Eluent Y; Eluent A / Eluent B = 20/80 (v / v)
Method: TO-09, TO-10
Samples: Normal level sample, High level St-HbA1c
sample (abnormal sample)
Injection volume: 3 μl
Gradient table:
TO-10 Time (min) 0 0.20 0.21 0.46 0.47 0.66
Y (%) 0 0 100 100 0 Stop run
TO-09 Time (min) 0 0.15 0.16 0.35 0.36 0.50
Y (%) 0 0 100 100 0 Stop run
表3 高速化した際の各流速におけるHbA1c の割合
2.0 ml/min 3.0 ml/min 4.0 ml/min
ノーマルサンプル 6.3% 6.0% 4.5%
アブノーマルサンプル10.3% 10.5% 8.3%
Table 3 Ratio of HbA1c at each flow rate when speeding up
2.0 ml / min 3.0 ml / min 4.0 ml / min
Normal sample 6.3% 6.0% 4.5%
Abnormal sample 10.3% 10.5% 8.3%
図7のクロマトグラムをみると,流速が3.0 ml/min までの分析ではHbA0からHbA1c の高速分離が可能となっており,St-HbA1c とL-HbA1c の分離傾向も確認できた。さらに表3から,HbA1c の割合に関して,流速が3.0 ml/minまでの測定ではかなり近接した値が得られており、1.8 分に1 検体と非常に高速なHbA1c 分析が可能となった。
流速が4.0 ml/min における分析では,HbA1c ピークの前に大きなピークが検出されている。この部分には,吸着に関与できなかったHbA1c の一部が含まれていることが考えられ,正確なHbA1c の値を知る上で支障をきたす可能性がある。実際に表3からも,4.0 ml/min の条件で分析した際のHbA1c の値が少し少なめに算出されていることから,今回の分析では3.0 ml/min までが限界であることが示唆された。
このような条件で分析することで,従来までは60 分に1 検体しか分析できなかったHbA1cの値が最高で1.8 分に1 検体も分析できることになり,膜カラムという特殊なカラムを使用してのHbA1c 分析の高速化が達成できたと言える。
これは現在市販されている全自動グリコヘモグロビン測定装置(アークレー株式会社製)の所要分析時間(1.5 分で1 検体)に匹敵するものがあり,今後の可能性が期待できるものであった。
In the chromatogram in Fig. 7, high-speed separation from HbA0 to HbA1c was possible in the analysis up to a flow rate of 3.0 ml / min, and the separation tendency of St-HbA1c and L-HbA1c was also confirmed. In addition, Table 3 shows that the HbA1c ratio was fairly close to the measurement up to a flow rate of 3.0 ml / min, and it was possible to analyze HbA1c as fast as 1 sample per 1.8 minutes.
In the analysis at a flow rate of 4.0 ml / min, a large peak was detected before the HbA1c peak. This part may contain a part of HbA1c that could not participate in the adsorption, which may hinder the accurate value of HbA1c. Actually, Table 3 also shows that the value of HbA1c calculated under the condition of 4.0 ml / min is slightly smaller, suggesting that this analysis is limited to 3.0 ml / min. .
By analyzing under such conditions, it was possible to analyze a maximum of 1 HbA1c value, which could previously be analyzed only once every 60 minutes, and using a special column called a membrane column. It can be said that the acceleration of HbA1c analysis was achieved.
This is comparable to the required analysis time (one sample per 1.5 minutes) of a fully automated glycohemoglobin measuring device (Arkray, Inc.) that is currently on the market, and future possibilities are expected.
・多孔性シリカ連続体膜の適用が可能である膜カラムを作製しHPLC システムに導入した結果,逆相クロマトグラフィー,イオン交換クロマトグラフィー両モードにおいてその性能を発揮することが確認された。
・ある一定以上の大きさはあるが,一般的なカラムとしての加工が困難な任意のポリマー(今回はジビニルベンゼン系ポリマーモノリス)を膜状に加工することでそのHPLC 特性を迅速且つ容易に評価できたことから,「任意のポリマーをカラムに加工可能である」という膜カラムの特性を確認できた。
・性質の同じ多孔性シリカ連続体膜(ODS 膜とODS 膜),性質の異なる多孔性シリカ連続体膜(ODS 膜とMASK 膜)双方において,重ね合わせによる加法的な性能の向上が確認されたことから,「分離媒体の重ねあわせによる性能の向上」という膜カラムの特性を確認できた。
・MASK 膜とODS 膜を重ねあわせることにより,HbA1c の分離が可能であることが確認できた。さらに,厚さを2.0 mm に加工したMASK 膜とODS 膜を交互に複数枚重ねあわせ,分析条件を改良することにより,HbA1c の高速分析(約100 秒で1 検体の分析)が可能となった。これは現在市販されている全自動グリコヘモグロビン測定装置の所要分析時間と同程度のものであり,かなりの高速化が達成されたと言える。また,St-HbA1c とL-HbA1cの分離もある程度達成できた。
・ Membrane columns capable of applying a porous silica continuous membrane were fabricated and introduced into the HPLC system. As a result, it was confirmed that their performance was demonstrated in both reversed-phase chromatography and ion-exchange chromatography modes.
・ Evaluate HPLC characteristics quickly and easily by processing any polymer that is larger than a certain size but difficult to process as a general column (this time divinylbenzene polymer monolith) into a film. As a result, the characteristics of the membrane column that “any polymer can be processed into the column” were confirmed.
・ Additional improvements in additive performance were confirmed for both porous silica continuum films (ODS film and ODS film) with the same properties and porous silica continuum films (ODS film and MASK film) with different properties. This confirms the characteristics of the membrane column, which is “improvement of performance by overlapping separation media”.
• It was confirmed that HbA1c can be separated by overlaying MASK and ODS membranes. Furthermore, multiple MASK and ODS films processed to a thickness of 2.0 mm were alternately stacked, and the analysis conditions were improved, enabling high-speed analysis of HbA1c (analysis of one specimen in approximately 100 seconds). . This is almost the same as the required analysis time of a fully automated glycohemoglobin measuring device currently on the market, and it can be said that considerable speedup has been achieved. In addition, separation of St-HbA1c and L-HbA1c was achieved to some extent.
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