(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオンを選択的にクロマトグラフ分離する水素イオン分離方法であって、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ-）を官能基とする物質を固定相とし、イオン交換力が水素イオンのイオン交換力よりも大きい陽イオンを含む電解質を溶離液として用いることを特徴とする水素イオンの分離方法。
【請求項２】
固定相の官能基である共役塩基（Ａ-）の一部をあらかじめプロトン化（ＡＨ）しておくことにより試料水溶中の超微量の水素イオンの分離を可能とすることを特徴とする請求項１の水素イオンの分離方法。
【請求項３】
請求項１または２の方法により分離された水素イオンを定量分析することを特徴とする水素イオンの分析方法。
【請求項４】
電気伝導度測定法または電極検出法により定量分析する請求項３の分析方法。
【請求項５】
水素イオンを選択的にクロマトグラフ分離するイオンクロマトグラフィ−装置であって、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ- ）を官能基とする物質を分離カラム固定相とし、イオン交換力が水素イオンのイオン交換力よりも大きい陽イオンを含む電解質を溶離液として備えていることを特徴とするイオンクロマトグラフィ−装置。
【請求項６】
固定相の官能基である共役塩基（Ａ-）の一部はあらかじめプロトン化（ＡＨ）されており、試料水溶液中の超微量の水素イオンの分離が可能とされていることを特徴とする請求項５のイオンクロマトグラフィー装置。
【請求項７】
請求項５または６の装置において、分離された水素イオンの定量分析装置を備えていることを特徴とするイオンクロマトグラフィ−装置。
【請求項８】
定量分析装置が電気伝導度測定装置または電極検出法測定装置である請求項７のイオンクロマトグラフィ−装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この出願の発明は、水素イオン分離方法と水素イオン分析方法並びにイオンクロマトグラフィ−装置に関するものである。さらに詳しくは、この出願の発明は、従来、その選択的な分離と高精度での定量が困難とされてきた水素イオンについて、イオンクロマトグラフィ−により試料水溶液より水素イオンを選択的に分離し、その定量分析を行なうことのできる、新しい水素イオンの分離方法と水素イオン分析方法並びにこれらの方法を可能とするイオンクロマトグラフィ−装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術と発明の課題】
水素イオンは、生命科学をはじめとして様々な分野において最も基本的かつ重要な物質であると考えられている。すなわち、水素イオンの存在や化学的挙動を考慮することなく、生体の溶液系に関する化学反応、化学平衡、電気化学現象や生命過程について理解することは不可能である。しかしながら、水素イオンは、上記の通り、基本的かつ重要な物質であるにも関わらず、今日に至るまで水素イオンを分離することは非常に難しいと考えられている。
【０００３】
一方、水素イオンの定量測定方法としては、従来、ｐＨ滴定法やｐＨメ−タ−法が幅広く利用されてきたが、これらの方法においては高感度かつ高精度の測定が難しいとされており、水素イオンの測定を高感度かつ高精度に実施することが可能となる定量測定方法の開発が求められていた。
【０００４】
この出願の発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、水溶液試料から選択的に水素イオンを分離し、分離された水素イオンの定量分析を高感度かつ高精度に行なうことのできる、新しい水素イオンの分離方法と水素イオン分析方法、並びにこれらの方法を可能とするイオンクロマトグラフィ−装置を提供することを課題としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この出願の発明は、上記の課題を解決するものとして、第１には、水素イオンを選択的にクロマトグラフ分離する水素イオン分離方法であって、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ- ）を官能基とする物質を固定相とし、イオン交換力が水素イオンのイオン交換力よりも大きい陽イオンを含む電解質を溶離液として用いることを特徴とする水素イオンの分離方法を提供する。
【０００６】
また、この出願の発明は、第２には、前記方法において、固定相の官能基である共役塩基（Ａ-）の一部をあらかじめプロトン化（ＡＨ）しておくことにより試料水溶液中の超微量の水素イオンの分離を可能とすることを特徴とする水素イオンの分離方法を提供する。
【０００７】
第３には、この出願の発明は、前記いずれかの方法により分離された水素イオンを定量分析することを特徴とする水素イオンの分析方法を、第４には、電気伝導度測定により定量分析する分析方法を提供する。
【０００８】
そして、この出願の発明は、第５には、水素イオンを選択的にクロマトグラフ分離するイオンクロマトグラフィ−装置であって、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ-）を官能基とする物質を分離カラム固定相とし、イオン交換力が水素イオンのイオン交換力よりも大きい陽イオンを含む電解質を溶離液として備えていることを特徴とするイオンクロマトグラフィ−装置を提供し、第６には、固定相の官能基である共役塩基（Ａ-）の一部はあらかじめプロトン化（ＡＨ）されており、試料水溶液中の超微量の水素イオンの分離が可能とされていることを特徴とするイオンクロマトグラフィー装置を提供する。
【０００９】
さらにこの出願の発明は、第７には、前記装置において、
分離された水素イオンの定量分析装置を備えていることを特徴とするイオンクロマトグラフィ−装置を、第８には、定量分析装置が電気伝導度測定装置であるイオンクロマトグラフィ−装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この出願の発明は上記のとおりの特徴をもつものであるが、以下にその実施の形態について説明する。
【００１１】
この出願の発明の水素イオン分離方法においては、水素イオンを試料水溶液から選択的にクロマトグラフ分離する。
【００１２】
この際のクロマトグラフの固定相として、この発明においては、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ- ）を官能基とする物質が用いられる。この場合の共役塩基（Ａ- ）としては、水素イオン（Ｈ+）を受けとることのできる任意の共役塩基を分離カラム固定相の官能基として使用することができる。たとえば、スルホン酸基、カルボキシル基、ドデシル硫酸基、燐酸基等がこの発明において代表的なものとして例示される。また、クロマトグラフの移動相としての溶離液には、陽イオンを含む電解質水溶液を用いる。この場合の陽イオンは、水素イオンよりもイオン交換力が大きいものとされる。陽イオンとしては、例えば、カリウムイオン、アンモニアイオン、ナトリウムイオン、リチウムイオンなどが選択される。
【００１３】
図１は、この出願の発明の水素イオンの分離方法を原理的に示したものである。
【００１４】
酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ-）を官能基とする物質を固定相として用いることで、水素イオン（Ｈ+）は酸の共役塩基（Ａ-）をプロトン化し、共役酸（ＨＡ）が生成される。この性質は、水素イオンのみが備えるものであり、これにより水素イオンを他の陽イオンから選択的に分離することが可能となる。
【００１５】
そして、この出願の発明の水素イオン分離方法においては、溶離液の電解質水溶液に含まれる陽イオンのイオン交換力は、水素イオンのイオン交換力より大きい。これは、水素イオンが他の陽イオンと同様に、酸の共役塩基との間に静電的な相互作用を持つことから、水素イオンが酸の共役塩基をプロトン化する力を強調するためである。
【００１６】
なお、この出願の発明の水素イオン分離方法においては、溶離液の電解質水溶液に少量のドデシル硫酸イオンを加えることで、２価以上の陽イオンが分離カラムに保持されないようにすることができる。これは、少量のドデシル硫酸イオンを加えることにより、２価以上の陽イオンがドデシル硫酸イオンと結合し、電荷を持たない分子に変化するためである。
【００１７】
この出願の発明においては、カラム固定相に吸着分離された水素イオンは、前記の溶離液によって溶出されるが、含有される水素イオンは、次いで適宜な手段によって定量分析することができる。この定量分析については、電気伝導度法やその他の適正な検出法、たとえば電極検出法等が適宜に採用される。なかでも、電気伝導度法を用いることで、直接に検出、定量することが可能となる。
【００１８】
電気伝導度法による検出信号は、水素イオンの場合は当量イオン導電率：３４９．８であり、溶離液のイオンがカリウムイオンの場合には当量イオン導電率：７３．５、リチウムイオンの場合には当量イオン導電率：３８．７であって、それらの電気伝導度の差に比例するため、直線的な検量線を提供することができる。
【００１９】
たとえばこのように、この出願の発明の分離、分析方法によれば、従来法のｐＨ滴定法やｐＨメ−タ−法で実現できなかった水素イオンの正確且つ直接的に計測することを可能にするものであり、学術上の価値の高さのみならず、産業利用、医療、生命科学、環境など、各方面に広汎な貢献が期待できる。たとえば、化学工業用の有機酸や無機酸等の酸性溶液、あるいは生体、生命関連の胃酸、酢酸等がこの発明の分離、分析の対象となる。また、酸性雨中の水素イオンの分離、分析等も可能となる。
【００２０】
そして、この出願の発明においては、上記のとおりの特徴のある水素イオンの分離、分析を可能とするイオンクロマトグラフィ−装置が提供される。その構成の一例を示したものが図２である。
【００２１】
溶離液貯蓄タンク（１）、溶離液を分離カラムに導入する装置（２）、試料注入部（３）、水素イオン分離カラム（４）および水素イオン検出器（５）が連通配備されている。ここで、水素イオン分離カラム（４）では、前記のとおり、酸（ＨＡ）の共役塩基（Ａ-）が官能基とされた物質が固定相とされている。また、溶離液は前記のとおりの陽イオンを含有し、水素イオン検出器（５）は電気伝導度測定装置等である。
【００２２】
試料や溶離液中の陽イオンの濃度については特に制限はない。ただ、塩分濃度が極めて高い試料、たとえば海水などの場合には支障が生じる恐れがある。このような場合にはあらかじめ脱塩処理することも有効である。また溶離液の流速についても制限はないが、たとえば０．５〜２．５ｍＬ／ｍｉｎを目安とすることもできる。
【００２３】
さらにこの出願の発明の別の形態について説明すると、前記のとおりの固定相における官能基としての共役塩基（Ａ-）の一部についてこれをプロトン化（ＡＨ）しておくことにより、試料水溶液中の超微量の水素イオンの分離をも可能とする。
【００２４】
このことは、具体的には、たとえば硝酸約０．１ｍＭ等の酸を添加することによって少量の水素イオンを加えた溶離液等の移動相を固定相と接触させ、固定相の官能基としての共役塩基（Ａ-）の一部をあらかじめプロトン化（ＡＨ）しておくことにより実現される。
【００２５】
たとえば官能基がスルホン酸基（−ＳＯ3- ）で、移動相のＫＮＯ3水溶液に硝酸を添加してスルホン酸基（−ＳＯ3-）の一部をプロトン化した例によって水素イオン分離について原理的に説明すると、図３に例示したように、移動相ＫＮＯ３水溶液に予め硝酸によって少量の水素イオンを添加することで、固定相の官能基（Ｒ−ＳＯ3-）を事前にプロント化することができる。固定相をプロントした後の残った（移動相にある）水素イオンは、交換イオン（すなわち移動相イオン、たとえばＫ+； ）と比べ僅かしか存在しないため、イオン交換場、すなわち、電気二重層の構築に寄与しない。言い換えれば、この場合の電気二重層は、交換イオン、すなわち、Ｋ+のみによって構成される（Step（Ｉ））。水素イオンを含む水溶液試料をこのような一部プロント化された固定相を有する分離カラムに注入すると、水素イオン及びその他の陽イオン（Ｍ+で表示）は、電気二重層のＫ+とイオン交換を行い、電気二重層、すなわち、固定相によって保持・分離される（Step（II））。電気二重層で保持されている水素イオン（及びその他の試料陽イオンＭ）は、再び移動相イオン、Ｋ+によって置換され、移動相に戻る（Step（III)）。Ｎモルの水素イオンを置換するには、Ｎモル（等当量）の移動相イオンが必要となっている。
【００２６】
従って、このような移動相イオンと試料イオン間で起こっているイオン交換による移動相の電気伝導度の変化、すなわち、検出信号の強度変化は、以下の式で表わすことができる。
【００２７】
【数１】
0003693597.tif 000002
式中のＣiは試料中イオン種ｉのモール濃度、λiは、イオンｉの当量イオン導電率、λeは、移動相イオン種の当量イオン導電率を表わしている。水素イオンの当量イオン導電率は、３４９．８、カリウムイオンの当量イオン導電率は、７３．５（２５℃）となっているので前記の式は、次のような式となる。
【００２８】
【数２】
0003693597.tif 000003
従って、中性〜酸性の範囲内で、低い濃度の水素イオン（試料イオン）でも、プラスの電気伝導信号を、検出計に与えることとなる。
【００２９】
そこで、以下に実施例を示し、さらに詳しくこの出願の発明について説明する。
【００３０】
【実施例】
＜実施例１＞
図２の装置構成において、分離カラムとしては、市販のガ−ドル用の陽イオン交換カラムを用い、固定相官能基としての共役塩基Ａ-は−ＳＯ3- で、そのサイズは、内径４．６ｍｍ、長さ３５ｍｍとした。
【００３１】
３０ｍＭ硝酸リチウム水溶液を溶離液として用いた水素イオンの分離結果を図４に示した。図中のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄは次の試料の場合を示している。Ａ：１０．０ｍＭＨ2ＳＯ4，Ｂ：２０．０ｍＭＨＣｌＯ4，Ｃ：３０．０ｍＭＨ3ＰＯ4，Ｄ：１０．０ｍＭ（各）ＮａＣｌ，ＮＨ4Ｃｌ，ＫＣｌ，Ｈ2ＳＯ4。また、溶離液を分取し、そのｐＨを、ｐＨメ−タを用い測定した。図４の括弧内に示しているｐＨは実測値である。溶離液流速は、１．０ｍＬ／ｍｉｎとし、検出器には電気伝導度計を用いた。
【００３２】
図５は、硝酸リチウム水溶液を溶離液として用いた場合の水素イオンの溶出時間とリチウムイオンの濃度との関係を示したもので、この図５では、ｋ′はカラムの水素イオンに対する保持定数を示している。また、図６は、ドデシル硫酸リチウム水溶液を溶離液として用いた場合の水素イオンの溶出時間とリチウムイオンの濃度との関係を示したものであって、図中のｋ′はカラムの水素イオンに対する保持定数を示している。
【００３３】
＜実施例２＞
図２の装置構成において、４０．０ｍＭＫＮＯ3水溶液を溶離液として水素イオンの分離を行った。カラムには、市販のＯＤＳ−packedカラムをドデシル硫酸リチウムミセルで修飾したものを用いた。内径４．６ｍｍ、長さ１５０ｍｍ。溶離液移動相の流速は、２．０ｍＬ／ｍｉｎとし、検出器には電気伝導度計を用いた。試料中の陽イオンの濃度は、１．０，２．５，５．０，１０．０ｍＭ（各）Ｌｉ+，Ｎａ+，ＮＨ4+，Ｈ+とした。この分離結果を示したものが図７である。図中のピ−クは次のものを示している。１＝Ｈ+，２＝ＮＨ4+，３＝Ｎａ+，４＝Ｌｉ+。
【００３４】
溶出の順番は、Ｌｉ+ ＞Ｎａ＋＞ＮＨ４+＞Ｈ+となっており、水素イオン（Ｈ+）が一番強く保持されていることがわかる。このような水素イオン（Ｈ+）に対しての極めて高い選択性は、従来のイオン交換を分離の原理とするイオン交換クロマトグラフィ−ではとても実現できないことである。
【００３５】
＜実施例３＞
図８は、６０．０ｍＭＬｉＮＯ3（左），４０．０ｍＭＮａＮＯ3（真ん中），４０．０ｍＭＫＮＯ3（右）を溶離液移動相として用いて実施例２と同様の水素イオンの分離を行った結果を示したものである。試料中の陽イオンの濃度は、１０．０ｍＭ（各）Ｌｉ+，Ｎａ+，ＮＨ4+，Ｋ+，Ｈ+とした。図中のピ−クは次のものを示している。１＝Ｈ+，２＝ＮＨ4+，３＝Ｎａ+，４＝Ｌｉ+，５＝Ｋ+。
【００３６】
溶出の順番は、Ｌｉ+＞Ｎａ+ ＞ＮＨ4+Ｋ+＞Ｈ+となっており、水素イオン（Ｈ+）が一番強く保持されていることがわかる。このような水素イオン（Ｈ+）に対しての極めて高い選択性は、従来のイオン交換を分離の原理とするイオン交換クロマトグラフィ−ではとても実現できないことである。
【００３７】
＜実施例４＞
実施例２と同様にして、硝酸カリウム水溶液を溶離液移動相として用いて、分析対象イオンの溶出時間とＫＮＯ3濃度との関係を評価した。図９はその結果を示したものである。図中のｋ′はcapacity factorである。
【００３８】
図１０は、塩酸リチウム水溶液を用いた場合の結果を、図１１は、硝酸リチウム水溶液を用いた場合の結果を、図１２は、硝酸ナトリウム水溶液を用いた場合の結果を示している。
【００３９】
＜実施例５＞
図１３には、各々、硫酸（１st），過塩素（２nd），燐酸（３rd），L−ascorbic acid （４th），tartaric acid （５th），phthalic acid （６th  左から右への方向）試料中の水素イオンの分離の結果を示したものである。酸の濃度は、それぞれ、１０．０ｍＭであり、他の条件は実施例２と同じである。
【００４０】
いずれの場合にも、水素イオン（Ｈ+）が確実に分離されていることがわかる。
＜実施例６＞
図３に示した基本原理に沿って、固定相の官能基共役塩基の一部をプロトン化することで、微量の水素イオンの分離と分析を行った。
【００４１】
分離カラムには市販強酸型陽イオン交換カラム（３５×４．６ｍｍ.i.d.,）を用い、移動相には２０ｍＭＫＮＯ3＋ＨＮＯ3（ｐＨ３．８０）のあらかじめ水素イオン添加した水溶液を用い、これを溶離液ともした。移動相の流速は１．０ｍＬ／ｍｉｎとし、試料にはＮａＣｌとＨＣｌの混合水溶液を用いた。図１４は、水素イオンの分離の結果を例示したものであって、図中の右から左に、Ｎａ+とＨ+の（各）濃度がそれぞれ、０．０１ｍＭ（１st）、０．０５ｍＭ（２nd）、０．１０ｍＭ（３rd）、０．１５ｍＭ（４th）、０．２０ｍＭ（５th）の場合の結果を示している。なお、試料注入量は１００μＬ．検出器は電気伝導度によるものとした。
＜実施例７＞
実施例６と同様にして、微量の水素イオンの分離と分析を行った。
【００４２】
分離カラムにはＯＤＳ充填カラムをドデシル硫酸ミセルで修飾したものを用いた（２５０×４．６，ｍｍ.,i.d.,）。移動相には４０ｍＭＫＮＯ3＋ＨＮＯ3（ｐＨ３．８０）のあらかじめ水素イオン添加した水溶液を用い、これを溶離液ともした。流速は１．０ｍＬ／ｍｉｎとし、試料には１．０ｍＭＬｉ+，Ｎａ+，Ｈ＋の混合水溶液を用いた。試料注入量は１００μＬ．検出器は電気伝導度によるものとした。
【００４３】
図１５は、水素イオンの分離の結果を例示したものである。
【００４４】
【発明の効果】
以上詳しく説明したとおり、この出願の発明によって、従来は困難であった水素イオンの選択的分離とその高精度での定量分析が可能となる。学術上の価値だけでなく、産業利用、医療、生命科学、環境などの各方面に広汎な貢献が期待される。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の方法を原理的に示した図である。
【図２】この発明のイオンクロマトグラフィ−装置の構成例を示した図である。
【図３】固定相官能基の共役塩基の一部をあらかじめプロトン化しておく方法を原理的に示した図である。
【図４】硝酸リチウム水溶液溶離液の混合、水素イオンの分離結果を例示した図である。
【図５】図４の場合の、水素イオンの溶出時間とリチウムイオンの濃度との関係を例示した図である。
【図６】ドデシル硫酸リチウム水溶液を溶離液とした場合の水素イオンの溶出時間とリチウムイオンの濃度との関係を例示した図である。
【図７】ＫＮＯ3水溶液を溶出離液とした場合の水素イオンの分離の結果を例示した図である。
【図８】ＬｉＮＯ3，ＮａＮＯ3，ＫＮＯ3の各々を溶離液とした場合の水素イオンの分離の結果を例示した図である。
【図９】硝酸カリウム水溶液を溶離液として用いた場合の分析対象イオンの溶出時間とＫＮＯ3の濃度との関係を例示した図である。
【図１０】塩酸リチウム水溶液を溶離液として用いた場合の分析対象イオンの溶出時間とＬｉＣｌの濃度との関係を例示した図である。
【図１１】硝酸リチウム水溶液を溶離液として用いた場合の分析対象イオンの溶出時間とＬｉＮＯ4の濃度との関係を例示した図である。
【図１２】硝酸ナトリウム水溶液を溶離液として用いた場合の分析対象イオンの溶出時間とＮａＮＯ3の濃度との関係を例示した図である。
【図１３】硫酸（１st），過塩素（２nd），燐酸（３rd），L−ascorbic acid （４th），tartaric acid （５th），phthalic acid （６th  左から右への方向）試料中の水素イオンの分離の結果を例示した図である。
【図１４】固定相官能基の共役塩基の一部をあらかじめプロトン化した実施例６の結果を例示した図である。
【図１５】図１４とは異なる実施例７の結果を例示した図である。
【図１】
0003693597.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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