JP5054261B2 - 固相抽出方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固相抽出方法に関するもので、就中クロマトグラフへ導入するサンプルの前処理に有効な処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クロマトグラフィー分析では、サンプリングから目的成分の抽出、濃縮等の試料調整、所謂前処理に要する時間と手間は、分析作業の８０％を占めると言われている。１９９０年にPawliszynによって開発された固相微量抽出方法（ＳＰＭＥ＝Solid-Phase-Micro extraction）は、これらの作業及びクロマトグラフへの導入が簡便に行えるサンプル前処理法である。ＳＰＭＥ法は、表面に液相をコーティングしたファイバーをサンプルのヘッドスペース叉は溶液中に露出して抽出を行い、ファイバー液相へ抽出された目的成分をＧＣ注入口で熱脱離させてＧＣに導入する方法である（特開平５−５０６７１５）。
【０００３】
更に、最近では吸着機構にＧＣのキャピラリーカラムを使用するＩｎ−ｔｕｂｅＳＰＭＥ方法（片山洋行、成松鎮雄、Heather L Lord、J.Pawliszyn Chromatography 20(1999)237-249）が用いられている。キャピラリーカラムにサンプルを流し、カラムの液相に目的成分を保持させる。この後溶媒を流し、目的成分を溶媒離脱する手法である。又、シリンジを用い、内表面に固定相を固定した中空ニードルにより目的成分を保持させる。この後、溶媒を流したり熱をかけたりすることで、目的成分を脱離させる方法が提案されている（特開平８−９４５９７）。又、従来一般的に目的成分の濃縮に際して、ビーズ状の無機系充填剤を筒体に充填したカラムが使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の手法では試料負荷量を増やすため、ファイバー液層の膜厚を厚くしてサンプル保持能力を上げることが一般的な手法である。ところが膜厚を厚くすると目的成分が液相と平衡に達するまでに時間がかかるという問題が生じる。実際の１００μｍの液相を用いた水中の農薬抽出では、平衡に達するまでの時間が１５分〜６０分以上という結果が多く報告されている（J.Beltram,F.J.L pez.F.Hern ndez Journal of Chrmatography A.885(2000)389-404 ）。この平衡時間を短くするために、サンプルや、シリンジを撹拌したり、サンプルに熱をかけるなどして平衡時間を短縮している例があるが、大幅な時間短縮には至っていない（大川真、笠松隆志、秋葉善弥 第８階環境化学討論会、九州、１９９９）。又、本法ではサンプルを分析系に導入時に加熱離脱するため、熱分解する成分の分析には適用できない。又、ＳＰＭＥの加熱脱着を既存のガスクロマトグラフの注入口で行う場合、低沸点成分はインジェクション時における成分拡散が大きいため、結果的にピーク巾が広がってしまう。
【０００５】
又、キャピラリーカラムを用いたＩｎ―ｔｕｂｅＳＰＭＥ法もシリンジを用いたＩｎ―ｔｕｂｅＳＰＭＥ法も、中空のニードルにおいて固定相は内表面に設けられ、中央は中空であり、サンプルは中空を自由通過するため、対象成分が固定相に拡散する機会が減じられ、平衡までに時間がかかる。又、ＳＰＭＥで稀薄な成分を分析する場合、大量抽出による大量濃縮が必要となるが、ファイバー表面への液相コーティングには限界があるので、成分濃度によっては分析が困難な場合がある。又、試料負荷量を上げるためには、内径を大きくし、膜厚を厚くする必要がある。しかし、内径が大きくなると、拡散に時間がかかり接触効率が悪くなる。又、カラム内に充填剤を充填する方法は、▲１▼充填状態によって流量の変化があり、結果的に分析値がばらつく。▲２▼流体の流れに対する抵抗大で、単位時間当りの流量が少ないため、分析時間が長くかかる。等の問題がある。更に、この方法も、既存のＧＣ注入口での熱脱着を行うので、ピーク巾の広がりは避けられない。
【０００６】
一方、分析系への導入手法として、気体サンプルの濃縮法としては、捕集管として管内にＴｅｎａｘに代表される捕集剤を充填させたものを用い、サンプルを通気させて測定対象物質を濃縮させた後、これを加熱脱着させて分析系に導くサーマルディソープション法がある。低沸点化合物に適応する場合、捕集の際には捕集カラム管をクライオフォーカス装置にて冷却する必要があるため、液体窒素等の冷却媒体を必要とする。このため装置の大型化が避けられない。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明においては、粒状物質を詰めたカラムよりも流通抵抗が小さく、従来のキャピラリーカラムより試料負荷量が大きく、従来のＳＰＭＥ用ファイバーやＩｎ−ｔｕｂｅ法と比較して目的成分が分配平衡に達する時間が短縮でき、然も従来、固相抽出により分析カラムと同等のディメンジョンを保持しても既存の注入口使用により、分析カラムへの試料導入時の試料バンドが広がってしまうのを避け、試料バンドの狭い状態で試料導入できる方法及び装置を提案せんとするものである。
【０００８】
本発明は、クロマトグラフ分析の前処理に際し、マイクロトラップとして細管内に解放構造の多孔質体を細管全径に亘り適宜長に形成したカラムに測定対象物質含有試料を通過させ、該カラム内の多孔質体の細孔に測定対象物質を保持させ、濃縮させ、次いで離脱させて分析手段へ導くことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図に示す実施例により本発明を詳細に説明する。
本発明の基本的構成は、所謂マイクロトラップ１として、固相抽出部分に解放構造を有する多孔質体２を内径全径に適宜長さ形成させたカラム３を用い、注入口４より注入したサンプルを固相抽出すると共に、該カラム３の多孔質体２の細孔５，５，…に抽出成分を濃縮し、これを拡散することなくＦＩＤ等の検出手段６１を有するガスクロマトグラフ等の分析手段６の分析カラム７に導入して分析するものである。注入手段４は、各種の注入口が使用されるが、一例として六方バルブを用い、試料注入口、通孔、キャリヤー注入口、検量管等を連通、遮断する構成により、カラム３への試料注入を行う構成がある。
【００１０】
又、カラム３は分析カラム７に連通されるが、その際その連通管１８に三方ジョイント、電磁弁等を介してキャリアーガス流路、ベントを設け、試料の排出、溶媒パージ、分析対象成分の分析系への導入等を行うことは推奨される。
【００１１】
マイクロトラップ１について説明すると、金属製又はフューズドシリカ製の管１１を用い、その内側の適宜長さ、全径に亘り多孔質体を形成してある。その管１１の内径は、キャピラリーカラム等の分析カラム７と同様のものが使用され、内径０．１ｍｍ〜１．５ｍｍ、長さ１ｍｍ〜３００ｍｍである。
【００１２】
次いで、多孔質体について説明する。
本発明において用いられる多孔質体は、以下に述べる如き細孔を有し、その細孔は上端から下端まで連通した解放構造を有するものである。然も細孔は軸方向断面が円形又はそれに近いものが好ましく、多孔質体の材質は、マクロ細孔の径を下記の大きさに制御し得る材質であれば、特に制限されないが、多孔質セラミック、多孔質ガラスなどの無機質の多孔体、例えば、多孔質ガラスが望ましい。多孔質ガラスの例としては、組成がＮａＯ―Ｂ_２Ｏ_３―ＳｉＯ_２―ＣａＯ系のものが挙げられ、Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，ＺｎＯ_２，ＴｉＯ_２，ＳｎＯ_２，ＭｇＯ_２など種々の酸化物を添加したガラスを用いて製造する場合もある。（この点は特開平７−１２０３５０に記載あり。）
【００１３】
多孔質ガラスは、例えば、けい砂、硼酸、ソーダ灰及びアルミナを混合し、１２００〜１４００℃に溶融する。これを８００〜１１００℃にて成形後、未分相硼けいガラスを得、熱処理によりＳｉＯ_２相とＢ_２Ｏ_３―Ｎａ_２Ｏ―ＣａＯ相に分相させ、酸処理によって、ＳｉＯ_２骨格を残した多孔質体を製造する。細孔径は、用途によって、熱処理時の条件を変化させることにより、０．１〜１０ミクロンの細孔分布の均一なものが用途に応じて製造可能である。
【００１４】
多孔質セラミックの例としては、シリカ、アルミナシリケート質Ａ（硬磁気粒子を燒結したもの）、けい砂質、アルミナ質、アルミナシリト質Ｂ（シャモット粒子を燒結したもの）、多孔質ムライト質、けいそう土質のものなどがある。多孔質セラミックは、例えば、一定範囲の粒子径の陶磁器粒子（硬磁気粉砕物、シリカ、アルミナ、シャモットなど）と気孔形成材、例えば結晶セルロース（旭化成：アビセル）と適当な分散溶媒と混合・成形・燒結して製造する。細孔径５００μ程度から０．１μ程度又はそれを越える範囲のもので、細孔分布の均一なものが用途に応じて製作可能である。
【００１５】
上記の細孔は従来の充填材に用いられている分離試料に適したコーティング剤及び／又は化学的修飾剤を適用して細孔の表面を修飾・改質し得る。コーティング剤としては、例えばポリエチレングリコール、シリコンオイルなどが挙げられる。又、化学的修飾剤としては、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、ｒ―アミノプロピルトリエトキシシランなどアミノアルコキシシラン、その他エポキシシランなど各種シラン処理剤が挙げられる。更に、表面修飾剤の修飾基にタンパク質などの高分子化合物又は低分子化合物が結合していてもよい。
【００１６】
無孔性の充填剤をカラムにつめた場合、粒子間にのみ細孔が形成され、これをシングルポアと云う。細孔を有するシリカゲル粒子をカラムに充填した場合、粒子内の細孔と粒子間細孔の二重構造となる。これをダブルポアと云う。無孔性の充填剤をつめた場合、シングルポアであるが、粒子の状態により空間の形状が変化し、分離モードが複雑になる。又、ダブルポアによる分離は、単純な吸着分配とはならず、分離モードが単純ではない。従って、空間の形状が変化しない状態のシングルポアが推奨される。これは多孔質体についても同様である。
【００１７】
又、上記の多孔質体２の他に、上記の多孔質体２のマクロ細孔５内にミクロ細孔５１，５１，…を有するミクロ多孔質体５０を充填した構造の多孔質体２００を用いることは推奨される。これについて説明する。
マクロ細孔５を持つ骨格体のマクロ細孔５，５，…内にミクロ多孔質体５０を作成するためのモノマーを含浸させ、予め加えていた溶媒等を利用し、マクロ細孔５，５，…内で重合させることにより、マクロ細孔５より小さく、解放構造を持ち、ミクロ細孔５１，５１，…を持つミクロ多孔質体５０が充填され、一体化した構造を持つ多孔質体２００を作成する。この場合、ミクロ多孔質体５０を作成するためのモノマーとは、有機、無機のどちらの材料でもよく、無機系であればテトラエトキシランに塩酸などの触媒を加え、調整したゾルを含浸された後に、熟成させることにより、ミクロ細孔の多孔質シリカガラスを形成させることができる。又、有機系の場合、各種の樹脂が選択でき、例えばアクリルアミドモノマーを含浸させた後に、重合させることにより、ポリアクリルアミドゲル多孔質体を得ることが出来る。このミクロ細孔の範囲は、分離目的成分の液体中での分子の大きさによって決定される。化学物質は液体中に存在する蛋白質などの高次構造を持つものでも、液体親和力により最大で１０００ｎｍであれば十分細孔内部に入れる。好ましくは１００〜５００ｎｍである。
【００１８】
このモノリス型多孔質カラムは、強固な骨格体である多孔質体ガラスや多孔質セラミックのマクロ細孔中に脆いゾル・ゲル法多孔質体ガラスもしくは多孔質ポリマーを固定することにより、骨格体全体としては、大変強固な構造を持つことになった。従って、周囲のシールは従来フィルターなどで利用されるような、テフロン（商標名）もしくはポリプロピレンなどのリングに強固に嵌め込むことで容易に実施できる。
【００１９】
モノリスカラムを使用することは、シリカ骨格径とスルーポア径を独立したカラムの作成が可能であるため、その用途に最適な前処理カラムの作成が可能である。例えば▲１▼液体サンプルの場合には、スルーポアサイズを小さくすることで拡散の影響を小さくすること、又、▲２▼ガスサンプルの場合には（拡散係数が液体のおよそ１０^―４倍であるため）スルーポアサイズを大きくして流通抵抗を小さくするなど、臨機応変な対応が可能である。
【００２０】
又、マイクロトラップで捕集した対象成分を拡散することなく分析カラム７に導入するために昇温速度の高速化した加熱装置１９を使用した加熱脱着が推奨される。その一例を示す図２について説明する。
マイクロトラップ１の加熱のために管１１又は管１１を被覆する中空管１２をアルミ等のヒートブロック１３，１３に挿通乃至保持させ、ヒートブロック１３，１３には電極１４，１４を介して電源１５を接続してある。又、この管１１乃至中空管１２の温度制御には、公知の電流制御装置、温度制御装置等を設けることは所望に応じて可能である。
【００２１】
マイクロトラップについて更に詳述すると、通電発熱体からなる中空管１２で、ステンレス、その他の金属によって筒状に形成される。該中空管１２は温度に対して抵抗値の変化（温度対電気抵抗特性）のあるものを使用するのが便である。マイクロトラップの急速昇温の程度は室温からの昇温が１７℃／秒以上、２００℃／秒以下がよい。該中空管１２は、キャピラリーカラム等の管を被覆乃至収納する如く構成して使用することもあるが、中空管１２そのものに多孔質体２を設け、マイクロトラップとして使用することもできる。即ち、管１１と中空管１２は別体として構成されるが、同体として構成されることもある。
【００２２】
又、他の実施例について図６，図７により説明すると、８はインジェクションバルブでポート８１と８４間にはカラム３を設置してあり、ポート８５は注入口とし、サンプル瓶９に連通したりシリンジ等により試料注入可能としてある。ポート８６はポンプ１０に連通してある。ポート８２は二方弁２０を介してダイリュータ―２１及び溶媒２２に連通し、ポート８３はガスクロマトグラフ２３に連通してある。
【００２３】
次いで、その作動について説明すれば、ポンプ１０の作動によりポート８６，８１よりポート８１，８４間のカラム３を吸引し、ポート８４に連通したサンプル瓶９よりサンプルを吸引する。この動作により、サンプル中の分析成分は、カラム３を通過する際に、細孔５，５，…に保持される。一方ダイリュータ―２１の作動により、溶媒瓶２２より溶媒を計り取っておく。そして、インジェクションバルブ８の切換により、ポート８２と８１、ポート８４と８３の連通により、溶媒はダイリュータ―２１から二方弁２０を経てカラム３を経て細孔５，５，…中に保持されている分析対象成分を溶出し、ガスクロマトグラフ２３に送入させる。
【００２４】
【実施例】
〔実施例１〕図１，２に従い、構成した装置により実施した実施例を説明する。
装置構成
注入口―（急速加熱装置＋モノリスカラム）―ＧＣ（ＦＩＤ）
モノリスカラム；２０ｃｍ，内径０．２ｍｍ，外径０．３５ｍｍ
マクロ細孔 直径３μｍ，ミクロ細孔 直径８ｎｍ
分離カラム；ＴＣ―１，内径０．２５ｍｍ，膜圧０．１μｍ，１５ｍ
注入口温度１２０℃，カラム温度１２０℃，検出器温度１２０℃
キャリアーガス；Ｈｅ，キャリア圧３５０ｋＰａ
試料
ベンゼン５０５ｐｐｍに調整した標準ガス（窒素ベース）を用いてベンゼン１８ｎｇを注入。
トラップ部 加熱条件
２０℃（３分）―１００℃／Ｓ―１２０℃（１０分）
図８はトラップ管温度を１２０℃一定とし、試料（ベンゼン）をトラップさせない場合のクロマトグラム。
図９はトラップ管（２０℃）でベンゼンをトラップさせた後、急速過熱にて離脱状態を示すクロマトグラム。
この結果、図９に図８と同等の感度でシャープなピークが確認されることからマイクロトラップに試料バンドの狭い状態で確実にトラップされ、且つ離脱が行われたことが分かる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明の請求項１によれば、解放構造の多孔質体を用いたカラムをサンプル抽出用の前処理カラムとして用いることにより、試料負荷量が大きく粒状物質充填カラムより流通抵抗が小さく、又、ＳＰＭＥ用ファイバーやＩｎ―ｔｕｂｅ法と比較して目的成分が分配平衡に達する時間が短縮できる。更に、分析カラムへ試料バンドの狭い状態で試料導入が出来る等クロマトグラフィー分析の前処理に極めて有効な作用効果を提供できる。
【００２６】
又、本発明の請求項２によれば、上記に加えて更に流通抵抗が小さく、且つ流量の変化がなく、単位時間当りの流量大で、分析前処理時間の短縮に有効である。
【００２７】
又、本発明の請求項３によれば、上記に加えて更にスルーポア内にメソポアを形成されるものであるため、強固な構造を形成でき、極めて資料負荷量が大きく、流通抵抗の少ない前処理が行いうる効果がある。
【００２８】
又、本発明の請求項４によれば、多孔質体を有するカラムをマイクロトラップとして設け、そのマイクロトラップは、表面積が大きいと共に、流体が移動するスルーポア径が小さいため、高い吸着効率が得られ、クライオフォーカスなどの大掛かりな冷却手段を必要とすることなく、狭いバンド幅で目的成分を保持することができる。狭いバンド幅で保持できるため、急速過熱により狭いバンド幅のまま離脱し、分析カラムに導入することが可能となる。狭いバンド幅で導入された目的成分は、クロマトグラフィーで高感度高分離に分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明一実施例概略説明図
【図２】 同上要部説明図
【図３】 本発明一要部のマイクロトラップの一多孔質体説明図
【図４】 同上の他多孔質体説明図
【図５】 同上一部拡大説明図
【図６】 本発明多実施例要部の説明図
【図７】 同上作動説明図
【図８】 トラップを用いない場合のクロマトグラム
【図９】 本発明実施例のクロマトグラム
【符号の説明】
１ マイクロトラップ
２ 多孔質体
３ カラム
４ 注入手段
５ 細孔
６ 分析手段
７ 分析カラム
８ インジェクションバルブ
９ サンプル瓶
１０ ポンプ
１１ 管
１２ 中空管
１３ ヒートブロック
１４ 電極
１５ 電源

Claims (2)

1. ガスクロマトグラフ分析の前処理に際し、マイクロトラップとして中空管あるいは該中空管に収納された金属製又はフューズドシリカ製の細管に解放構造のシングルポア多孔質体を全径に亘り適宜長に形成したカラムを使用し、測定対象物質含有試料を通過させ、該カラム内の多孔質体の細孔に濃縮のために測定対象物質を保持させ、次いで当該濃縮された対象物質を離脱させて分析手段へ導くことを特徴とする固相抽出方法。
2. マイクロトラップとして中空管あるいは該中空管に収納された金属製又はフューズドシリカ製の細管に解放構造のシングルポア多孔質体を全径に亘り、適宜長に形成させ濃縮を目的としたカラムを使用し、このカラムに急速加熱装置を付設すると共に、カラムは一方に試料注入手段、他方にガスクロマトグラフ分析手段を連通したことを特徴とする固相抽出装置。

Images