JP5329119B2 - 液体クロマトグラフ装置用の分離カラム及びそれを用いた液体クロマトグラフ装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体試料中の成分を分離する分離カラム及びそれを用いた液体クロマトグラフ装置に関する。

高速液体クロマトグラフ装置では、液体試料中の成分を分離するためのカラムとして、従来、粒子充填型カラムが用いられていた。しかしながら、近年、粒子充填型カラムの代わりにモノリス型カラムが用いられる。モノリス型カラムとして、例えば、モノリス型シリカカラムが知られている。

モノリス型シリカカラムは、細管とその中に挿入された多孔質体からなる。この多孔質体は、モノリスロッド、モノリシックシリカロッド等と称される。この多孔質体は、細長い１本の棒状体である。従って、この多孔質体を、その断面の外径が、長さ方向に沿って一定となるように、高精度に成形することは極めて困難である。そのため、細管と多孔質体との間に、通常、隙間が生じる。

多孔質体内を通過した液体は、その外周面からこの隙間に漏出する。この隙間に漏出した液体は、多孔質体内に戻ることなく、この隙間内を流れる。

特許文献１には、多孔質体の外周面から周囲の隙間に液が漏出することを防止するために、多孔質体の外周面に樹脂被覆材を設ける提案がなされている。
特開平１１−６４３１４号公報

多孔質体の外周面に装着する樹脂被覆材は、多孔質体に対する接着性が高く、且つ、耐高圧性である必要がある。このような条件を満たす材料を見つけるのは困難である。

多孔質体内を通過した液体は、その外周面にて樹脂被覆材に接触する。そのため、樹脂被膜材中の揮発性溶剤が溶出し、分離性能が低下する。

本発明の目的は、耐高圧性を有し、少ない流量でも高速分離分析ができるカラム及びそれを用いた液体クロマトグラフ装置を提供することにある。

本発明の分離カラムは、中心に配置された円形断面を有する多孔質材からなるモノリスロッドと、モノリスロッドの円周面を囲むように配置された充填材層と、充填材層の外側に配置された円筒形状の支持体と、を有する。充填材層は、モノリスロッドと支持体の間の管状の隙間に粒子又はビーズを充填することにより形成される。

本発明によると、耐高圧性を有し、少ない流量でも高速分離分析ができるカラム及びそれを用いた液体クロマトグラフ装置を提供することができる。

図１を参照して、本発明による分離カラムの構成を説明する。本例の分離カラムは、中央の分離カラム部とその上流側の上流接続部と、その下流の下流接続部とを有する。分離カラム部は、中心に配置された円形断面を有するモノリスロッド１と、その外側の管状の充填材層２と、最も外側の円筒形状の支持体３とを有する。モノリスロッド１、充填材層２及び支持体３は、同心状に配置されており、同一の軸方向の長さを有する。充填材層２は、支持体３とのモノリスロッド１の間の管状の隙間に粒子又はビーズを装填することによって形成される。

上流接続部は、円形のフィルタ９、リング状のシール材８、円柱状の接続部材７及びカップ状の固定部材５を有する。フィルタ９及びシール材８は、モノリスロッド１の上に配置され、その上に、接続部材７が配置されている。固定部材５及び接続部材７は、中心軸線に沿って延びる貫通孔を有する。接続部材７の貫通孔の外面側と内面側はテーパを有する。固定部材５の孔と接続部材７の孔の外面側の部分によって接続部１１が形成される。接続部材７の孔の内面側の部分によって流入口１０が形成される。流入口１０の開口部の径は、支持体３の内径より僅かに小さい。フィルタ９の外径は、流入口１０の開口部の径に略等しい。即ち、フィルタ９の外径は、モノリスロッド１の外径より大きく、支持体３の内径より小さい。シール材８は、フィルタ９の外周より液が漏れるのを防止するものであり、フィルタ９の外周に配置されている。

固定部材５の内面に形成されたネジ６と、支持体３の外周に形成されたネジ４が係合するように構成されている。固定部材のネジ６を、支持体のネジ４に締め付けることによって、接続部材７とフィルタ９とパッキン８は、固定部材５により分離カラムの端部に密着固定される。下流接続部は、上流側接続部と同様な構成を有する。

次に、本発明による分離カラムの材料について説明する。モノリスロッド１は、シリカ、ガラス、石英、又は、これらの混合物を成形することによって形成された多孔質材からなる柱状、又は、棒状の部材である。モノリスロッド１の外周面には、数マイクロメートルから数十マイクロメートル程度の凹凸が形成される。

充填材層２は、粒子又はビーズによって形成される。粒子又はビーズは、シリカ、オクタデシル基を化学結合したシリカ、ステンレス、テフロン（登録商標）、ダイフロン（登録商標）、ジルコニア、セラミック、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、べスペル（登録商標）、サファイア、ルビー、ダイアモンド、アルミナ、ガラス、石英、チタン、ＵＨＭＷ（ウルトラハイモルキュラーウエイト）ポリエチレン等によって形成される。その粒子径は、１〜２μｍである。粒子の形状は、球状であってよいが、破砕型ビーズを用いてもよい。

充填材層２を構成する粒子又はビーズは、好ましくは、モノリスロッド１の材料と同一の材料によって形成される。モノリスロッド１は、二酸化ケイ素をベースとする、シリカ、ガラス、石英等によって形成される。従って、充填材層２も、同様に、シリカ、ガラス、石英等によって形成されることが望ましい。

支持体３、接続部材７及び固定部材５は、ステンレスによって構成されてよいが、ステンレス以外の材料によって構成してもよい。フィルタ９は、例えば、ＳＵＳの粉末を固めたものを用いる。フィルタ９の内部には、微小な隙間が存在するので、この隙間よりも大きな径の異物を除去できる。

本発明による分離カラムの組立方法を説明する。先ず、支持体３内にモノリスロッド１を挿入する。それによって、モノリスロッド１と支持体３の間に管状の隙間が形成される。次に、この隙間に、粒子又はビーズを装填する。パッカーを用いて、流量を徐々に上げながら粒子又はビーズを充填する。それによって、充填材層２が形成される。モノリスロッド１の外周面には、数マイクロメートルから数十マイクロメートル程度の凹凸が形成されている。粒子又はビーズは粒子径が１〜２μｍである。したがって、モノリスロッド１と支持体３の間の隙間に、粒子又はビーズを密に装填することができる。モノリスロッド１と充填材層２は密に接触し、両者間の摩擦力によって、モノリスロッド１が充填材層２に対して相対的に軸線方向にずれることはない。こうして分離カラム部が形成されると、それに、上流接続部と下流接続部を装着する。

本発明による分離カラムの機能を説明する。接続部材７の接続部１１に流入配管（図示せず）を接続し、分離対象となる試料を含む液体を供給する。液は、流入口１０に導入され、フィルタ９を通過し、モノリスロッド１に流入する。液は、モノリスロッド１内で、脱着を繰り返しながら流出側（図の下方向）に移動する。これにより、試料を構成する化学成分は、成分毎に分離され、分離カラムの出口に配置した検出器で検出される。

液体の圧力は、モノリスロッド１及び充填材層２内において、長さ方向に沿って、即ち、軸線方向に沿って、減少するが、半径方向に沿って一定である。液体の圧力は、モノリスロッド１ばかりでなく、充填材層によって保持される。従って、モノリスロッド１が負担する圧力は低減される。

分離カラムに高圧で液体を流動させたとき、モノリスロッド１と充填材層２の間に生じる摩擦力により、モノリスロッド１が充填材層２に対して相対的に軸線方向に沿って移動することが防止される。従って、分離カラムの耐圧性能が向上する。

以下に、本発明による分離カラムの性能を計算する。分離カラムにおける圧力降下は式１に示すKozeney−Carmanの式から算出されることが一般に知られている。
（数式１） ΔＰ＝ｕＬη／Ｋ

ΔＰは分離カラムの入口と出口の間の圧力差、ｕは線流速、ηは液体の粘度、Ｌはカラム（モノリスロッド１）の長さ、Ｋは透過率である。圧力降下ΔＰは流動抵抗を表す。従って、数式１から明らかなように、流動抵抗は、透過率Ｋに反比例する。透過率Ｋが大きいほうが流動抵抗は小さい。

透過率Ｋは、液体に接触する固体相の表面積に依存する。本願発明者らの検討ではモノリスロッド１の透過率Ｋは４×１０^−１４ｍ^２である。また、粒子径の直径が１〜２μｍのビーズからなる充填材層の透過率Ｋは１．８×１０^−１５ｍ^２〜７×１０^−１５ｍ^２である。従って、モノリスロッド１の透過率Ｋは充填材層２の透過率Ｋの約６〜２０倍である。

モノリスロッド１の直径は、次の数式２から求められる。
（数式２） ｕ＝Ｆ／［π（Ｄ／２）^２ε］

ｕは線速度、Ｆは流量、Ｄはモノリスロッド１の直径、εはモノリスロッド１の空隙率である。モノリスロッド１の空隙率は０.６から０.８程度である。線速度ｕを一定（１０mm／ｓ）とする。流量を汎用の液体クロマトグラフ装置の流量の１／２から２倍に設定する。汎用の液体クロマトグラフ装置の流量は１.０ｍＬ／ｍｉｎである。従って、本例では、流量を０.５〜２.０ｍＬ／ｍｉｎとする。これらの値を数式２に代入すると、モノリスロッド１の外径は１.２から２.８ｍｍとなる。従って、モノリスロッド１の外径は、望ましくは２ｍｍ以下となり、細くすることができる。

従来の分離カラムでは、直径４ｍｍ程度のモノリスロッドを使用したが、本発明の分離カラムでは、直径２ｍｍ以下のモノリスロッドを使用することができる。そのため、送液量を４分の１に低減することができる。

また実用上、汎用の高速液体クロマトグラフ装置で広く用いられている１.０ｍｌ／ｍｉｎ以下の流量域で使用することができる使い勝手の良いカラムを提供することができる。

分析時間を短縮化するためには、線速度を増加させればよい。即ち、高圧力を印加する。高圧液体クロマトグラフ装置では、例えば、最大圧力が５〜６０ＭＰａである。

分離カラムに液体を流動させたとき、液体は選択的にモノリスロッド１を流れることが好ましい。即ち、モノリスロッド１を流れる液体の流量が、充填材層２を流れる液体の流量より充分大きいことが望ましい。モノリスロッド１を流れる液体の流量と充填材層２を流れる液体の流量の比は、モノリスロッド１と充填材層２の断面積の比ばかりでなく、モノリスロッド１と充填材層２の透過率Ｋの比にも依存する。モノリスロッド１の外径を１．２〜２．８ｍｍ、充填材層２の半径方向の厚さを、０．０１〜０．５ｍｍとする。モノリスロッド１の透過率Ｋを４×１０^−１４ｍ^２、充填材層の透過率Ｋを１．８×１０^−１５ｍ^２〜７×１０^−１５ｍ^２とする。分離カラムに供給する液体の圧力を５〜６０ＭＰａとする。本願発明者の試算によると、モノリスロッド１を流れる液体の流量は、充填材層２を流れる液体の流量の１００〜１０００倍程度となる。従って、本例では、分離カラムに液体を流動させたとき、液体は選択的にモノリスロッド１を流れる。

また、分離カラムに液体を流動させると、物理的又は化学的要因によりモノリスロッド１に詰まりが発生することがある。この場合には、液体は、充填材層２を流れる。従って、分離カラム自体が詰まりによって閉塞することはない。充填材層２の材質を、モノリスロッド１の材質と同一にすることによって、充填材層２から夾雑物が溶出することを防止することができる。

流動方向の長さ、すなわち分離カラム部の長さは、次の数式３から算出される。
（数式３） Ｈ＝Ｌ／Ｎ

Ｈは理論段高さ、Ｌは分離カラム部の長さ、Ｎは理論段数である。一般的な分離カラムの性能として理論段高さＨを１０μｍ、理論段数Ｎを１００００とする。この場合、分離カラム部の長さＬは１００ｍｍとなる。しかしながら、分離カラム部の長さＬは分離する試料および分析時間により異なる。そこで、本発明では、分離カラム部の長さＬを３０から２００ｍｍとしておくことが望ましい。

以上説明したように、本発明によると、支持体３とモノリスロッド１の隙間に粒子又はビーズを充填して充填材層２を形成する。そのため、耐圧性能が向上し、少ない流量によって試料を高速分離分析ができる分離カラムを実現することができる。

図２を参照して本発明による液体クロマトグラフ装置の構成の例を説明する。液体クロマトグラフ装置は、溶離液容器２０１、送液ポンプ２０３、オートサンプラ２０４、カラムオーブン２０５、分離カラム２０５ａ、検出器２０６、及び、廃液用容器２０７を有する。送液ポンプ２０３によって、溶離液容器２０１に収納された溶離液が吸引され、オートサンプラ２０４に供給される。オートサンプラ２０４では、注入ポートを介して試料容器２０２からの試料が溶離液に注入される。試料と溶離液は混合され、カラムオーブン２０５の内部に配置された分離カラム２０５ａに送られる。この分離カラム２０５ａでは、試料は、成分毎に分離され、検出器２０６に送られる。

検出器２０６では、試料に含まれる成分が分析される。検出器２０６は、図示しない光源、フローセル及び光センサ等により構成されている。検出器２０６による分析が終了した試料を含む廃液は、廃液用容器２０７に回収される。

本発明の液体クロマトグラフ装置では、図１に示した分離カラムを用いる。そのため、液流速を増加させて分析時間を短縮しても溶媒消費量が増加することはない。

以上本発明の例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは当業者に容易に理解されよう。

本発明による液体クロマトグラフ装置用の分離カラムの構成例を示す面図である。 本発明の分離カラムが適用される液体クロマトグラフ装置の概略構成図の一例である。

符号の説明

１…モノリスロッド、２…充填材層、３…支持体、４…ネジ、５、５’…固定部材、６…ネジ、７、７’…接続部材、８、８’…シール材、９、９’…フィルタ、１０…流入口、１１…接続部、２０１…溶離液容器、２０３…送液ポンプ、２０４…オートサンプラ、２０２…試料容器、２０５…カラムオーブン、２０５ａ…分離カラム、２０６…検出器、２０７…廃液用容器

Claims (11)

1. 中心に配置された多孔質材からなるモノリスロッドと、前記モノリスロッドを囲むように配置された充填材層と、前記充填材層の外側に配置された円筒形状の支持体と、を有する液体クロマトグラフ装置用の分離カラムにおいて、
   前記モノリスロッドの端部に、その外径が、前記モノリスロッドの外径よりも大きく、かつ、前記支持体の内径よりも小さいフィルタを有し、
   前記充填材層は、前記モノリスロッドと前記支持体の間に形成される管状の隙間に、粒子径が、１〜２μｍである粒子又はビーズを密に充填することにより形成され、その軸線方向の全長に亘って前記モノリスロッドと密に接触し、
   前記モノリスロッドの外径は１．２〜２．８ｍｍである
   ことを特徴とする分離カラム。
2. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記モノリスロッドと前記充填材層は同一材料から形成されていることを特徴とする分離カラム。
3. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記モノリスロッドと前記充填材層は、シリカ、ガラス、及び、石英の少なくとも１つからなる材料によって形成されていることを特徴とする分離カラム。
4. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記充填材層は、シリカ、オクタデシル基を化学結合したシリカ、ステンレス、テフロン（登録商標）、ダイフロン（登録商標）、ジルコニア、セラミック、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、べスペル（登録商標）、サファイア、ルビー、ダイアモンド、アルミナ、ガラス、石英、チタン、又は、ＵＨＭＷ（ウルトラハイモルキュラーウエイト）ポリエチレンによって形成される粒子又はビーズによって形成されていることを特徴とする分離カラム。
5. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記充填材層は、球状の粒子又は破砕型ビーズによって形成されていることを特徴とする分離カラム。
6. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記モノリスロッドの長さは３０ｍｍ〜２００ｍｍであることを特徴とする分離カラム。
7. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記充填材層の半径方向の厚さは、０．０１〜０．５ｍｍであることを特徴とする分離カラム。
8. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記分離カラムに供給する液体の圧力を５〜６０ＭＰａとするとき、前記分離カラムを通過する液体の流量は０.５〜２.０ｍＬ／ｍｉｎとなることを特徴とする分離カラム。
9. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記分離カラムに供給する液体の圧力を５〜６０ＭＰａとするとき、前記モノリスロッドを通過する液体の流量は、前記充填材層を流れる液体の流量の１００〜１０００倍であることを特徴とする分離カラム。
10. 請求項１記載の分離カラムにおいて、前記モノリスロッドの透過率Ｋは４×１０^−１４ｍ^２、前記充填材層の透過率Ｋは１．８×１０^−１５ｍ^２〜７×１０^−１５ｍ^２であるこ
    とを特徴とする分離カラム。
11. 請求項１から１０のいずれか１項記載の分離カラムを備えた液体クロマトグラフ装置。

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