JP6160281B2

JP6160281B2 - カラム用充填材

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Inventors: 優渡邊; 高井　健次; 健次高井; 道男佛願; 沼尾　和幸; 和幸沼尾
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Description

本発明は、カラム用充填材に関する。

分離、分取及び分析カラム用充填剤には多孔質シリカ又は多孔質ポリマーの粒子が使用される。これらは、必要に応じて官能基を有し、特定の物質の分離、分取又は分析に用いられてきた。有機粒子を多孔質ポリマー粒子として使用する場合、合成に用いるモノマーの種類（スチレン、ジビニルベンゼン、アクリル系樹脂、アガロース等）によって多様な特性が得られる点が長所である。有機粒子及びその製造法は、例えば、特許文献１〜４等に記載されている。また、アフィニティー精製用等の充填材には、殆ど有機粒子が用いられている。

このような多孔質ポリマー粒子を合成する方法として、懸濁重合法、ＳＰＧ膜乳化法又はシード重合法が用いられている。シード重合によって多孔質ポリマー粒子を合成する場合、粒径の単分散化及び小径化により、得られた多孔質ポリマー粒子を充填材として使用した際のカラムの理論段数が向上することが知られている（例えば、非特許文献１）。一方、粒子の粒度分布が単分散である場合において、粒子充填が不十分であると、理論段数の低下、分析ピークのテーリング発生等の問題があった。粒子充填が不十分になる可能性については、論文（例えば、非特許文献２）にて議論されている。

特開平１１−１７１９４７号公報特許第４３３５１６８号公報特許第４７７９１８６号公報特表２００３−５０９５４９号公報

Chromatographia, 60,553-560,2004 Jamming in Hard Sphere and Disk Packings, Princeton University,2003

上記非特許文献２には、単分散粒子は最密充填以外にも種々の結晶構造で充填される可能性があるため、単分散粒子のみを用いて充填するよりも、粒径にばらつきがある方が密に充填されることが記載されている。また、単分散粒子を充填する際に充填欠陥が発生すると、その部分で欠陥に依存した結晶格子構造を形成するため、新規に結晶格子境界面が発生し易くなり、充填が疎になる問題が発生する。上記の観点から、理論段数の向上及び分析ピークのテーリング発生の抑制のためには、単分散粒子を使用する場合においても、その特性を損なうことなく、充填を最適化することが必要である。

本発明は、粒子充填性が改善され、高い理論段数を示し、かつ分析ピークのテーリング発生を十分に抑制することができるカラム用充填材を提供するものである。

本発明は、多孔質ポリマー粒子を含有するカラム用充填材であって、多孔質ポリマー粒子の粒度分布が多峰性であり、各峰に含まれる多孔質ポリマー粒子が、多孔質ポリマー粒子全量に対してそれぞれ１０質量％以上であり、かつ各峰における半値幅及び極大粒径が、下記式（１）で表される要件を満たすカラム用充填材を提供する。
Ａ＜０．１１７７×Ｂ …（１）
［式中、Ａは半値幅を示し、Ｂは極大粒径を示す。］

なお、本明細書では、多峰性とは、粒度分布において極大粒径が２つ以上存在することをいう。

上記各峰における極大粒径と上記各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径との差は、上記各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径の値の１／５以上であると好ましい。これにより、カラムの理論段数をより効率良く向上させることができる。
また、上記各峰における、粒子の分散性を示すＣＶ値（Coefficient of Variation）が、それぞれ５％以下であると好ましい。

また、上記多孔質ポリマー粒子が、スチレン−ジビニルベンゼンを含むと好ましい。これにより、耐酸及び耐アルカリ性を付与することができ、多孔質ポリマー粒子の表面官能基化が容易となる。
さらに、上記粒度分布が二峰性であると好ましい。二峰性とは、粒度分布において極大粒径が２つであることをいう。また、上記多孔質ポリマー粒子が、２種類のブレンドからなるカラム用充填材とすると好ましい。
また、上記多孔質ポリマー粒子が、シード重合により合成されたものであると好ましい。シード重合で粒子を合成すると、本発明の多孔質ポリマー粒子に適した単分散性の粒子が得られやすい。

本発明のカラム用充填材を用いることにより、単分散粒子の充填が改善され、単分散粒子の特性を損なわずにカラムの理論段数を向上させることが可能となり、かつ分析ピークのテーリング発生を十分に抑制することができる。

カラム用充填材に含有される多孔質ポリマー粒子の粒度分布を表す概念図である。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また本明細書において「〜」は、その前後に記載される数値をそれぞれ最小値及び最大値として含む範囲を示すものとする。また本明細書において、「（メタ）アクリレート」とは、「アクリレート」及びそれに対応する「メタクリレート」を意味する。「（メタ）アクリル酸」等の他の類似の表現においても同様である。

（多孔質ポリマー粒子）
本実施形態に係るカラム用充填材における多孔質ポリマー粒子は、例えば、シード重合法によって得ることができる。具体的には、シード粒子をモノマー、多孔化剤（多孔質剤）及び水性媒体を含む乳化液中で膨潤させた後、モノマーを重合させることにより得ることができる。

（シード粒子）
シード粒子としては、特に限定されないが、例えば、アクリル系粒子、スチレン系粒子等のビニル系樹脂粒子が挙げられる。

アクリル系粒子は、（メタ）アクリル系単量体の重合により得ることができる。（メタ）アクリル系単量体としては、アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸テトラヒドロフルフリル、ジエチルアミノエチルアクリレート、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル、メタクリル酸ｎ−オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ステアリル、ジエチルアミノエチルメタクリレート等が挙げられる。これら単量体は、単独で使用してもよく、２種以上併用してもよい。ここで、（メタ）アクリル系とは、アクリル系、メタクリル系、及びそれらの混合物を意味する。

アクリル系粒子は、（メタ）アクリル系単量体と、他の単量体との共重合により得られる粒子であってもよい。他の単量体としては、例えば、エチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸のグリコールエステル類；メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテル類；酢酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルエステル類；Ｎ−メチルアクリルアミド、Ｎ−エチルアクリルアミド、Ｎ−メチルメタクリルアミド、Ｎ−エチルメタクリルアミド等のＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミド類；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル類；ジビニルベンゼン、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等の多官能性単量体；スチレン、ｐ−メチルスチレン、ｐ−クロロスチレン、クロロメチルスチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系単量体が挙げられる。これら他の単量体は、単独で使用してもよく、２種以上併用してもよい。

スチレン系粒子は、例えば、スチレン、ｐ−メチルスチレン、ｐ−クロロスチレン、クロロメチルスチレン、α−メチルスチレン等のスチレン系単量体の重合により得られる粒子である。これらスチレン系単量体は、単独で使用してもよく、２種以上併用してもよい。

スチレン系粒子は、スチレン系単量体と、他の単量体との共重合により得られる粒子であってもよい。他の単量体としては、例えば、エチレングリコールモノ（メタ）アクリレート、ポリエチレングリコールモノ（メタ）アクリレート等の（メタ）アクリル酸のグリコールエステル類；メチルビニルエーテル、エチルビニルエーテル等のアルキルビニルエーテル類；酢酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルエステル類、Ｎ−メチルアクリルアミド、Ｎ−エチルアクリルアミド、Ｎ−メチルメタクリルアミド、Ｎ−エチルメタクリルアミド等のＮ−アルキル置換（メタ）アクリルアミド類；アクリロニトリル、メタクリロニトリル等のニトリル類；ジビニルベンゼン、エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリアクリレート等の多官能性単量体；アクリル酸、アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸テトラヒドロフルフリル、ジエチルアミノエチルアクリレート、メタクリル酸、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ｔｅｒｔ−ブチル、メタクリル酸ｎ−オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ステアリル、ジエチルアミノエチルメタクリレート等の（メタ）アクリル系単量体が挙げられる。これら他の単量体は、単独で使用してもよく、２種以上併用してもよい。

シード粒子は、上記の単量体を用いて、乳化重合法、ソープフリー乳化重合法、分散重合法等の公知の方法で合成することができる。

シード粒子の重量平均分子量（Ｍｗ）は、大きくなるとモノマーの吸収能力が低下したり、吸収させるモノマーと相分離して力学強度が低下し易くなり、小さくなると粒径が均一になり難くなる。そのため、シード粒子のＭｗは、５００００以下にすることが好ましく、３００００以下にすることがより好ましい。また、シード粒子のＭｗは、３０００以上が好ましく、５０００以上がより好ましい。なお、本明細書で規定するＭｗとは、ゲルパーミエイションクロマトグラフィー法（ＧＰＣ）により標準ポリスチレンによる検量線を用いて測定した値である。

シード粒子の平均粒径は、得られる多孔質ポリマー粒子の設計粒径に応じて調整することができる。シード粒子の平均粒径が大きくなるとモノマーの吸収に時間がかかり、平均粒径が小さくなると粒径が不均一になり真球性も低下し易くなる。シード粒子の平均粒径は多孔質ポリマー粒子の１／１０〜１とすることが好ましく、１／７〜１とすることがより好ましく、１／５〜１とすることがさらに好ましい。

シード粒子の粒径（直径）の分散性を示す変動係数であるＣＶ（Coefficient of Variation）値は、大きくなると得られる多孔質ポリマー粒子の均一性が低下し易くなることから、５％以下にすることが好ましく、４％以下にすることがより好ましく、３％以下にすることがさらに好ましい。

シード粒子の平均粒径及び粒径のＣＶ値は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で、対象となるシード粒子を１００個観察して粒径を測定することにより算出することができ、また、マイクロトラック粒度分析計（日機装株式会社製）のような粒子径・粒度分布測定装置を用いて測定される粒径から算出することも可能である。なお、ＣＶ値は、下記の式で表されるものである。
ＣＶ（％）＝（σ／Ｄ）×１００
σ：標準偏差、Ｄ：平均粒径
このＣＶ値が小さいほどより単分散であることを示す。一般的にＣＶ値が１０％以下になると単分散性が高いとされており、上記の５％以下はきわめて高い単分散性であることを示す。

（モノマー）
乳化液に用いられるモノマーとして、例えば、以下の多官能性モノマー、単官能性モノマー等が挙げられる。

多官能性モノマーとしては、例えば、ジビニルベンゼン、ジビニルビフェニル、ジビニルナフタレン等のジビニル化合物；（ポリ）エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、（ポリ）プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、（ポリ）テトラメチレングリコールジ（メタ）アクリレート等の（ポリ）アルキレングリコール系ジ（メタ）アクリレート；トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、テトラメチロールメタントリ（メタ）アクリレート、テトラメチロールプロパンテトラ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタントリ（メタ）アクリレート、１，１，１−トリスヒドロキシメチルプロパントリアクリレート等の３官能以上の（メタ）アクリレート；エトキシ化ビスフェノールＡ系ジ（メタ）アクリレート、プロポキシ化エトキシ化ビスフェノールＡ系ジ（メタ）アクリレート、トリシクロデカンジメタノールジ（メタ）アクリレート、１，１，１−トリスヒドロキシメチルエタンジ（メタ）アクリレート、エトキシ化シクロヘキサンジメタノールジ（メタ）アクリレート等のジ（メタ）アクリレート；ジアリルフタレート及びその異性体；トリアリルイソシアヌレート及びその誘導体などが挙げられる。これらモノマーの中でも、新中村化学工業株式会社製のＮＫエステル（Ａ−ＴＭＰＴ−６Ｐ０、Ａ−ＴＭＰＴ−３Ｅ０、Ａ−ＴＭＭ−３ＬＭＮ、Ａ−ＧＬＹシリーズ、Ａ−９３００、ＡＤ−ＴＭＰ、ＡＤ−ＴＭＰ−４ＣＬ、ＡＴＭ−４Ｅ、Ａ−ＤＰＨ）等が、商業的に入手可能である。これらの多官能性モノマーは、単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。上記のなかでも耐酸性及び耐アルカリ性の観点よりジビニルベンゼンを使用することが好ましい。

単官能性モノマーとしては、例えば、スチレン、ｏ−メチルスチレン、ｍ−メチルスチレン、ｐ−メチルスチレン、α−メチルスチレン、ｏ−エチルスチレン、ｍ−エチルスチレン、ｐ−エチルスチレン、２，４−ジメチルスチレン、ｐ−ｎ−ブチルスチレン、ｐ−ｔ−ブチルスチレン、ｐ−ｎ−ヘキシルスチレン、ｐ−ｎ−オクチルスチレン、ｐ−ｎ−ノニルスチレン、ｐ−ｎ−デシルスチレン、ｐ−ｎ−ドデシルスチレン、ｐ−メトキシスチレン、ｐ−フェニルスチレン、ｐ−クロロスチレン、３，４−ジクロロスチレン等のスチレン及びその誘導体；アクリル酸メチル、アクリル酸エチル、アクリル酸プロピル、アクリル酸ｎ−ブチル、アクリル酸イソブチル、アクリル酸ヘキシル、アクリル酸２−エチルヘキシル、アクリル酸ｎ−オクチル、アクリル酸ドデシル、アクリル酸ラウリル、アクリル酸ステアリル、アクリル酸２−クロロエチル、アクリル酸フェニル、α−クロロアクリル酸メチル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、メタクリル酸プロピル、メタクリル酸ｎ−ブチル、メタクリル酸イソブチル、メタクリル酸ヘキシル、メタクリル酸２−エチルヘキシル、メタクリル酸ｎ−オクチル、メタクリル酸ドデシル、メタクリル酸ラウリル、メタクリル酸ステアリル等の（メタ）アクリル酸エステル；酢酸ビニル、プロピオン酸ビニル、安息香酸ビニル、酪酸ビニル等のビニルエステル；Ｎ−ビニルピロール、Ｎ−ビニルカルバゾール、Ｎ−ビニルインドール、Ｎ−ビニルピロリドン等のＮ−ビニル化合物；フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、アクリル酸トリフルオロエチル、アクリル酸テトラフルオロプロピル等の含フッ素化モノマー；ブタジエン、イソプレン等の共役ジエンなどが挙げられる。これらは単独で使用してもよく、２種以上を併用してもよい。上記の中でも耐酸性及び耐アルカリ性を有するスチレンを使用することが好ましい。

乳化液に用いられるモノマーとしては、スチレン及びジビニルベンゼンを含むことが好ましい。

（多孔質剤）
多孔質剤（多孔化剤）としては、例えば、シード重合時に相分離剤として作用し、粒子の多孔質化を促進する有機溶媒である脂肪族又は芳香族の炭化水素類、エステル類、ケトン類、エーテル類、アルコール類が挙げられる。具体的には、トルエン、キシレン、ジエチルベンゼン、シクロヘキサン、オクタン、酢酸ブチル、フタル酸ジブチル、メチルエチルケトン、ジブチルエーテル、１−ヘキサノール、２−オクタノール、デカノール、ラウリルアルコール、シクロヘキサノール等が挙げられ、これらを単独で、又は２種以上を混合して用いることができる。

多孔質剤は、モノマー１００質量％に対して０〜２００質量％使用できる。多孔質剤の量によって、得られるポリマー粒子の空孔率をコントロールできる。さらに多孔質剤の種類によって、孔の大きさ及び形状をコントロールすることができる。

（水性媒体）
水性媒体としては、水、又は水と水溶性溶媒（例えば、低級アルコール）との混合媒体が挙げられる。水性媒体には、界面活性剤が含まれている。界面活性剤としては、アニオン系、カチオン系、ノニオン系及び両性イオン系の界面活性剤のうち、いずれも用いることができる。

アニオン系界面活性剤としては、例えば、オレイン酸ナトリウム、ヒマシ油カリ等の脂肪酸油、ラウリル硫酸ナトリウム、ラウリル硫酸アンモニウム等のアルキル硫酸エステル塩、ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム等のアルキルベンゼンスルホン酸塩、アルキルナフタレンスルホン酸塩、アルカンスルホン酸塩、ジオクチルスルホコハク酸ナトリウム等のジアルキルスルホコハク酸塩、アルケルニルコハク酸塩（ジカリウム塩）、アルキルリン酸エステル塩、ナフタレンスルホン酸ホルマリン縮合物、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル硫酸エステル塩、ポリオキシエチレンラウリルエーテル硫酸ナトリウム等のポリオキシエチレンアルキルエーテル硫酸塩、ポリオキシエチレンアルキル硫酸エステル塩などが挙げられる。

カチオン系界面活性剤としては、例えば、ラウリルアミンアセテート、ステアリルアミンアセテート等のアルキルアミン塩、ラウリルトリメチルアンモニウムクロライド等の第四級アンモニウム塩などが挙げられる。

ノニオン系界面活性剤としては、例えば、ポリエチレングリコールアルキルエーテル類、ポリエチレングリコールアルキルアリールエーテル類、ポリエチレングリコールエステル類、ポリエチレングリコールソルビタンエステル類、ポリアルキレングリコールアルキルアミン又はアミド類等の炭化水素系ノニオン界面活性剤、シリコーンのポリエチレンオキサイド付加物類、ポリプロピレンオキサイド付加物類等のポリエーテル変性シリコーン系ノニオン界面活性剤、パーフルオロアルキルグリコール類等のフッ素系ノニオン界面活性剤などが挙げられる。

両性イオン系界面活性剤としては、例えば、ラウリルジメチルアミンオキサイド等の炭化水素界面活性剤、リン酸エステル系界面活性剤及び亜リン酸エステル系界面活性剤が挙げられる。

界面活性剤は、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。上記界面活性剤の中でも、モノマーの重合時の分散安定性の観点から、アニオン系界面活性剤が好ましい。

シード重合法は、公知の方法を参考にして行うことができる。以下にシード重合法の一般的な方法を説明するが、この方法に限定されるものではない。

まず、モノマー、多孔化剤（多孔質剤）及び水性媒体を含む乳化液に、シード粒子を添加する。シード粒子は、乳化液に直接添加してもよく、シード粒子を水性分散体（水性媒体）に分散させた形態で添加してもよい。

シード重合に用いられる乳化液は、公知の方法により作製できる。例えば、モノマーを水性媒体に添加して、ホモジナイザー、超音波処理機、ナノマイザー等の微細乳化機により水性媒体に分散させることで、乳化液を得ることができる。乳化液は、必要に応じて重合開始剤を含んでいてもよい。重合開始剤は、モノマーに予め混合させた後、水性媒体中に分散させてもよいし、重合開始剤とモノマーとを別々に水性媒体に分散させたものを混合してもよい。得られた乳化液中のモノマー液滴の粒径は、シード粒子の粒径よりも小さいほうが、モノマーがシード粒子に効率よく吸収される。

必要に応じて添加される重合開始剤としては、例えば、過酸化ベンゾイル、過酸化ラウロイル、オルソクロロ過酸化ベンゾイル、オルソメトキシ過酸化ベンゾイル、３，５，５−トリメチルヘキサノイルパーオキサイド、ｔｅｒｔ−ブチルパーオキシ−２−エチルヘキサノエート、ジ−ｔｅｒｔ−ブチルパーオキサイド等の有機過酸化物；２，２’−アゾビスイソブチロニトリル、１，１’−アゾビスシクロヘキサンカルボニトリル、２，２’−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）等のアゾ系化合物が挙げられる。重合開始剤は、モノマー１００質量部に対して、０．１〜７．０質量部の範囲で使用するとよい。

シード粒子を乳化液へ添加した後、シード粒子にモノマーを吸収させて膨潤させる。この吸収は、通常、シード粒子を添加した後の乳化液を、室温（２５℃）で１〜２４時間攪拌することで行うことができる。また、乳化液を３０〜５０℃程度に加温することによりモノマーの吸収を促進することができる。

シード粒子は、モノマーを吸収することにより膨潤する。シード粒子に対するモノマーの混合比率が小さくなると、モノマーのシード重合により作製される多孔質ポリマー粒子の粒径の増加が小さくなり、多孔質ポリマー粒子の生産性が低下する傾向にある。一方、モノマーの混合比率が大きくなるとシード粒子に吸収されないで、水性媒体中でモノマーが独自に懸濁重合してしまい、目的とする粒径以外の粒子が生成することがある。なお、モノマーの吸収の終了は、光学顕微鏡を用いてシード粒子を観察して粒径の拡大を確認することにより判定できる。

次に、シード粒子に吸収させたモノマーを重合させる。重合温度は、モノマー及び重合開始剤の種類に応じて、適宜選択することができる。重合温度は、２５〜１１０℃が好ましく、５０〜１００℃がより好ましい。重合反応は、シード粒子が十分に膨潤し、モノマー及び任意に重合開始剤が完全に吸収された後に、昇温して行うのが好ましい。

上記重合工程において、シード粒子の分散安定性を向上させるために、乳化液に高分子分散安定剤を添加してもよい。高分子分散安定剤としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリカルボン酸、セルロース類（ヒドロキシエチルセルロース、カルボキシメチルセルロース等）、ポリビニルピロリドン等が挙げられ、トリポリリン酸ナトリウム等の無機系水溶性高分子化合物も併用することができる。これらのうち、ポリビニルアルコール又はポリビニルピロリドンが好ましい。高分子分散安定剤の添加量は、モノマー１００質量部に対して１〜１０質量部が好ましい。

水中でモノマーが単独に乳化重合することによって粒子が発生することを抑えるために、亜硝酸塩類、亜硫酸塩類、ハイドロキノン類、アスコルビン酸類、水溶性ビタミンＢ類、クエン酸、ポリフェノール類等の水溶性の重合禁止剤を乳化液に用いてもよい。

上述の方法により、シード粒子にモノマーを重合させることによって、多孔質ポリマー粒子を得ることができる。

多孔質ポリマー粒子の粒度分布が多峰性であるカラム用充填材の製造方法として、例えば、シード重合によって得られる多孔質ポリマー粒子を混合する方法を用いることができる。具体的には、シード重合を複数の条件で行うことで、粒径の異なる多孔質ポリマー粒子を得、得られた多孔質ポリマー粒子を混合することによって、粒度分布に２つ以上の極大粒径を有する多孔質ポリマー粒子を得ることができる。上記の方法の他に、２つ以上の異なる粒径を有するシード粒子を使用し、同時にシード重合することによって、異なる粒径を有する多孔質ポリマー粒子を予め混合された状態で得ることもできる。また、シード重合時にシード粒子を添加するタイミングを複数回に分割し、シード粒子の粒径の増加率を変えることによって、異なる粒径を有する多孔質ポリマー粒子を予め混合された状態で得ることもできる。

本実施形態における多孔質ポリマー粒子は、粒度分布において各峰に含まれる多孔質ポリマー粒子が、多孔質ポリマー粒子の全量に対してそれぞれ１０質量％以上である。シード重合を行った後で粒径の異なる多孔質ポリマー粒子を混合することにより粒度分布が多峰性である多孔質ポリマー粒子を得る場合には、混合する各粒径を有する多孔質ポリマー粒子の質量を、多孔質ポリマー粒子の全量に対してそれぞれ１０質量％以上とすることによって、このようなカラム用充填材を得ることができる。

また、本実施形態における多孔質ポリマー粒子は、上記各峰における半値幅及び極大粒径が、下記式（１）で表される要件を満たす。
Ａ＜０．１１７７×Ｂ …（１）
［式中、Ａは半値幅を示し、Ｂは極大粒径を示す。］

カラム用充填材が、粒度分布が多峰性である多孔質ポリマー粒子を含有することにより、カラム中での粒子の充填が改善され、カラムの理論段数を向上させることができる。粒度分布における粒径の極大値数、すなわち峰の数は特に制限はないが、精密に理論段数を制御する観点から、５つ以下であることが好ましく、２つであることがより好ましい。

また、効果的にカラムの理論段数を向上させる目的から、各峰における極大粒径と各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径との差は、各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径の値の１／５以上であることが望ましく、５以下であることが好ましい。

カラム用充填材に含有される多孔質ポリマー粒子全体の平均粒径は、好ましくは５０μｍ以下、より好ましくは１０μｍ以下、さらに好ましくは７．０μｍ以下、特に好ましくは５．０μｍ以下である。また、多孔質ポリマー粒子の平均粒径は、好ましくは１．０μｍ以上、より好ましくは１．７５μｍ以上であり、さらに好ましくは２．０μｍ以上、特に好ましくは２．５μｍ以上である。平均粒径が小さくなると、カラム充填後のカラム圧が増加する可能性がある。

カラム充填後のカラム圧を低減する目的で、粒度分布の各峰における粒径のＣＶ値は、それぞれ５％以下であることが好ましい。同様の観点から、各峰における粒径のＣＶ値は、より好ましくは４％以下、さらに好ましくは３％以下である。

図１は、本実施形態に係るカラム用充填材に含有される多孔質ポリマー粒子の粒度分布を示す概念図である。グラフの横軸は粒径を、縦軸は頻度（％）を示す。峰とは図１においてそれぞれＥ_ｎで示される山状の各領域を指す。峰Ｅ_ｎが粒度分布中に複数存在することを、粒度分布が多峰性であるといい、特に峰Ｅ_ｎが粒度分布中に２つ存在することを、粒度分布が二峰性であるという。各峰はそれぞれ１つの極大粒径を有する。半値幅とは、各峰において頻度が極大頻度Ｄｎの１／２であるときの峰の幅であり、図１中のＡ_ｎで表される。各峰における極大粒径とは、各峰において頻度が最大である粒径であり、図１中のＢ_ｎで表される。各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径とは、例えば、図１中、Ｅ_１が各峰のうち最も個数比の大きい峰であるとき、Ｂ_１で表される。また、このとき、各峰の極大粒径と各峰のうち個数比が最も大きい峰の極大粒径との差とは、Ｅ_１以外の各峰Ｅ_ｎの極大粒径Ｂ_ｎと、Ｂ_１との差であり、図１中、Ｃ_ｎで示される。例えばＣ_１はＢ_２とＢ_１との差である。

多孔質ポリマー粒子の粒度分布の、各峰におけるモード径（極大粒径）、半値幅、粒径のＣＶ値、各峰に含まれる粒子の個数、及び平均粒径は、以下の測定法により求めることができる。まず、粒子を超音波分散装置により水に分散させ、１質量％の粒子を含む分散液を調製する。次に、湿式フロー式粒子径・形状分析装置（マルバーン社製のＦＰＩＡ−３０００）を用いて、上記分散液中の粒子約１０万個について、ガラスセル中を流れる懸濁液中の粒子画像をＣＣＤで高速撮像し、個々の粒子画像をリアルタイムに解析する。これにより、各峰におけるモード径（極大粒径）、半値幅、粒径のＣＶ値、各峰に含まれる粒子の数、及び平均粒径を算出することができる。さらに、各峰に含まれる多孔質ポリマー粒子の体積比から各峰に含まれる多孔質ポリマー粒子の質量比を求めることができる。

本実施形態における多孔質ポリマー粒子は、表面積が約５０ｍ^２／ｇ以上の粒子であることが好ましく、実用性から約８０ｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、３００ｍ^２／ｇ以上であることがさらに好ましい。表面積が小さいと、分析及び分離に悪影響を及ぼすため、好ましくない。

多孔質ポリマー粒子の平均細孔直径に関しては、３０〜１０００Åの平均細孔直径を有することが好ましい。この範囲より小さい場合、細孔に入れない物質が増えてくるため好ましくなく、この範囲より大きい場合、表面積が小さくなる。これらは上記の多孔質剤により調整可能である。多孔質ポリマー粒子の表面積及び平均細孔直径は、例えば、自動比表面積計／細孔分布測定装置（日本ベル社製）によって測定することができる。

以上のようにして製造された多孔質ポリマー粒子は、適宜官能基を付与した後、分離、分取、分析又は精製用充填剤として使用することができる。特に液体クロマトグラフィー用充填剤に好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（シード粒子１の合成）
５００ｍＬの三口フラスコに、スチレン（ＳＴ）４０ｇ、オクタンチオール（ＯＣＴ）４ｇ、ペルオキソ二硫酸カリウム（ＫＰＳ）１．９８ｇ及び水４００ｇを一括して仕込み、７０℃のウォーターバスで加熱しながら、攪拌機を用いて約８時間攪拌をして、シード粒子１を形成させた。

（シード粒子２の合成）
５００ｍＬの三口フラスコに、スチレン（ＳＴ）４０ｇ、オクタンチオール（ＯＣＴ）４ｇ、過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）２ｇ及び水３４０ｇを一括して仕込み、超音波ホモジナイザーで乳化後、シード粒子１を固形分換算で０．４ｇ投入し、８時間攪拌し、シード粒子１を膨潤させた。続いて、８０℃に昇温し、約８時間攪拌をして、平均粒径３μｍのシード粒子を形成させた。

さらに、５００ｍＬの三口フラスコに、スチレン（ＳＴ）４０ｇ、オクタンチオール（ＯＣＴ）４ｇ、過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）２ｇ及び水３４０ｇを一括して仕込み、超音波ホモジナイザーで乳化後、上記で得られた平均粒径３μｍのシード粒子を固形分換算で０．４ｇ投入し、２０時間攪拌し、シード粒子を膨潤させた。続いて、乳化液を８０℃に昇温し、約８時間攪拌をして、シード粒子２を形成させた。

合成したシード粒子１及びシード粒子２をそれぞれＳＥＭにより観察し、粒径（平均粒径）及び粒径ＣＶ値を算出した。また、これらの粒子の重量平均分子量（Ｍｗ）を測定した。その結果を表１に示す。

（多孔質ポリマー粒子１の合成）
重合開始剤として過酸化ベンゾイル１ｇ、モノマーとしてスチレン１０ｇ及びジビニルベンゼン２．５ｇ、並びに多孔質剤としてトルエン３．７５ｇ及びジエチルベンゼン３．７５ｇを、溶媒（イオン交換水９２．２質量％、エタノール７．５質量％、及び界面活性剤としてエマールＴＤ（ラウリル硫酸トリエタノールアミン、花王株式会社製）０．３質量％を混合したもの）３４０ｇに分散し、ホモジナイザーと超音波照射で１０分間処理し、乳化を行い、乳化液を得た。得られた乳化液にシード粒子１を固形分換算で０．４７ｇ添加した後、２０時間膨潤を行った。その後、８０℃に昇温し、８時間重合を行った。重合終了後、得られた粒子を水及びメタノールで洗浄した。

最後に、得られた粒子に濃硫酸を用いてスルホン化を行った。具体的には、得られた粒子１０ｇに対し、ジクロロエタン５７ｇ及び９７質量％硫酸９２ｇを加え、１１０℃で４時間反応を行い、スルホン酸基を導入した多孔質ポリマー粒子１を合成した。

（多孔質ポリマー粒子２の合成）
シード粒子１の量を０．１０ｇに変更した以外は多孔質ポリマー粒子１の合成と同様にして多孔質ポリマー粒子２を合成した。

（多孔質ポリマー粒子３の合成）
シード粒子１の量を０．０７ｇに変更した以外は多孔質ポリマー粒子１の合成と同様にして多孔質ポリマー粒子３を合成した。

（多孔質ポリマー粒子４の合成）
シード粒子１の量を０．０５ｇに変更した以外は多孔質ポリマー粒子１の合成と同様にして多孔質ポリマー粒子４を合成した。

（多孔質ポリマー粒子５の合成）
シード粒子１の量を０．０３ｇに変更した以外は多孔質ポリマー粒子１の合成と同様にして多孔質ポリマー粒子５を合成した。

（多孔質ポリマー粒子６の合成）
重合開始剤として過酸化ベンゾイル１ｇ、モノマーとしてスチレン１０ｇ及びジビニルベンゼン２．５ｇ、並びに多孔質剤としてトルエン３．７５ｇ及びジエチルベンゼン３．７５ｇを、溶媒（イオン交換水９２．２質量％、エタノール７．５質量％、及び界面活性剤としてエマールＴＤ０．３質量％）３４０ｇに分散し、リン酸三カルシウム１０質量％水溶液１００ｇを添加し、ホモミキサーで３０分間攪拌した。その後、８０℃に昇温し、８時間懸濁重合を行った。得られた粒子を水及びメタノールで洗浄後、メッシュ分級を行い、粒子を作製した。得られた粒子に対し多孔質ポリマー粒子１と同様にスルホン化を行い、多孔質ポリマー粒子６を作製した。

上記の方法で得られた多孔質ポリマー粒子１〜６のモード粒径（極大粒径）と粒径ＣＶ値を測定した。具体的には、湿式フロー式粒子径・形状分析装置ＦＰＩＡ−３０００（マルバーン社製）を用いて、ガラスセル中を流れる懸濁液中の粒子画像をＣＣＤで高速撮像し、個々の粒子画像をリアルタイムに解析することで、１０万個の粒子の粒度分布及び粒子形状を評価し、モード粒径（極大粒径）及び粒径ＣＶ値を測定した。その結果を表２に示す。なお、粒度分布は、個数基準の頻度分布として評価した。

上記の方法で得られた多孔質ポリマー粒子１〜５を、表３及び４に示す混合量（質量％）で混合し、粒度分布において２つ以上の極大粒径を有する、すなわち多峰性である多孔質ポリマー粒子を得た（実施例１〜９）。また、上記の方法で得られた多孔質ポリマー粒子１〜６のうち、表４に示す粒子を単独で用いて、比較例１〜５の多孔質ポリマー粒子とした。実施例及び比較例の多孔質ポリマー粒子について、再度、上記同様の方法で粒径測定を行い、多孔質ポリマー粒子全量の平均粒径を測定した。また、各峰における半値幅及び粒径ＣＶ値を算出した。その結果を表３に示す。半値幅の単位はμｍである。各例において、混合した１〜６の多孔質ポリマー粒子のうち、個数の一番多い粒子を●で示した。また、各峰における半値幅及び極大粒径が下記式（１）で表される要件を満たし、かつ各峰の粒径ＣＶ値が５％以下である場合、（○）で示し、それ以外の場合、（×）で示した。
Ａ＜０．１１７７×Ｂ …（１）
［式中、Ａは半値幅を示し、Ｂは極大粒径を示す。］

（ピーク対称度、理論段数）
実施例及び比較例で得られた多孔質ポリマー粒子の混合物を、直径７．８ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレスカラムに、充填溶媒０．１質量％リン酸、スラリー濃度５０％、充填圧１５ＭＰａ、充填時間３０分の条件で充填した。充填したカラムを用い、溶離液０．１質量％リン酸水溶液、カラム温度２５℃、流速０．５ｍｌ/ｍｉｎ、サンプル３．５質量％ギ酸、サンプル量２μＬ、検出器ＵＶ２１０ｎｍの測定条件で、クロマト特性を測定した。クロマト測定により、解析ソフトを用いて理論段数を求め粒子特性の指標とした。また、ギ酸のピーク対称度を測定し、１以上１．２未満を良好、１．２以上をテーリング、１未満をリーディングと判定した。

実験結果を表３及び４に示す。２つ以上の極大粒径を有する多孔質ポリマー粒子を充填したカラムにおいて、理論段数は、用いた多孔質ポリマー粒子全体の平均粒径が小さい程向上した。また、シード重合で合成した単一粒径粒子を単独で用いる場合より、粒度分布が多峰性である多孔質ポリマー粒子を用いた場合の方が高い理論段数を示すことが分かった。また、シード重合で合成した多孔質ポリマー粒子をカラム用充填材として用いると、従来の懸濁重合にて合成した粒子を用いた場合よりも理論段数が向上することが分かった。実施例で合成した粒子は分級が不要であるため、従来の懸濁重合で合成した場合より、コストを大幅に低減できると考えられる。

以上のように、本実施形態の多孔質ポリマー粒子をカラム用充填材として使用することにより、従来品よりもカラムの理論段数をさらに向上させることができた。

Claims

多孔質ポリマー粒子を含有するカラム用充填材であって、
多孔質ポリマー粒子の粒度分布が多峰性であり、各峰に含まれる多孔質ポリマー粒子が、多孔質ポリマー粒子全量に対してそれぞれ１０質量％以上であり、かつ各峰における半値幅及び極大粒径が、式（１）で表される要件を満たし、多孔質ポリマー粒子が、シード重合により合成されたものである、カラム用充填材。
Ａ＜０．１１７７×Ｂ …（１）
［式中、Ａは半値幅を示し、Ｂは極大粒径を示す。］
前記各峰における極大粒径と前記各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径との差は、前記各峰のうち最も個数比が大きい峰の極大粒径の値の１／５以上である、請求項１に記載のカラム用充填材。
前記各峰におけるＣＶ値が、それぞれ５％以下である、請求項１又は２に記載のカラム用充填材。
多孔質ポリマー粒子が、スチレン−ジビニルベンゼンを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のカラム用充填材。
前記粒度分布が二峰性である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のカラム用充填材。