(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル中の成分を固相抽出する方法であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成し、ニードルをサンプルに挿入する工程と、ニードルにサンプルを通過させ、目的成分を多孔質内に保持させる工程、及び保持した目的成分を多孔質内より離脱させる工程とを含むことを特徴とする固相微量抽出方法。
【請求項２】
サンプル中の成分を固相抽出する装置であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成させてあり、該ニードルにサンプルを通過させる際に、サンプルは多孔質体に保持され、且つ離脱可能に構成することを特徴とする固相微量抽出装置。
【請求項３】
サンプル中の成分を固相抽出する方法であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成すると共に、ニードルの全体或いは少なくとも多孔質体を形成させた部分をシリンジ或いはニードルに着脱自在に設け、該ニードルよりサンプルを通過させる際に、多孔質体を通過させることにより目的成分を多孔質体に保持させたまま着脱自在とさせることを特徴とする固相微量抽出方法。
【請求項４】
サンプル中の成分を固相抽出する装置であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成させてあり、又、ニードルの全体或いは少なくとも多孔質体を形成させた部分をシリンジ或いはニードルに着脱自在に設けたことを特徴とする固相微量抽出装置。
【請求項５】
シリンジ先端もしくはシリンジに設けたニードル固定部に着脱自在に形成したニードルであって、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも内径全径に亘り適宜の長さ形成させたことを特徴とするニードル。
【請求項６】
ニードルがサンプルチップであることを特徴とする請求項５に記載のニードル。
【請求項７】
ニードルの外側に外筒を設けたことを特徴とする請求項５に記載のニードル。
【請求項８】
多孔質体がシングルポアであることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の固相微量抽出方法。
【請求項９】
多孔質体がシングルポアであることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の固相微量抽出装置。
【請求項１０】
多孔質体がダブルポアであることを特徴とする請求項１又は請求項３に記載の固相微量抽出方法。
【請求項１１】
多孔質体がダブルポアであることを特徴とする請求項２又は請求項４に記載の固相微量抽出装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、固相微量抽出方法及び装置に関するもので、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及び装置に関するものである。
背景技術
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中に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）。
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ＩｎｔｕｂｅＳＰＭＥ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、中空のニードルの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。
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。
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、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。
従って、本発明の目的は、クロマトグラフへサンプルを導入する際の前処理に、多連続孔を持ち解放構造の一体型構造（所謂モノリス構造と云う）の多孔質体を使用することにより従来のキャピラリーカラム使用時より試料負荷量が大きく、粒状物質を詰めたカラムによるなり、流通抵抗が小さく、更に従来のＳＰＭＥ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ようにするものである。本発明はガスクロマトグラフ法、高速液体クロマトグラフ法、その他の分析法の前処理として、その利用応用形態は広範である。
発明の開示
本発明においては、これまで一般的に用いられてきた粒子充填型カラムの通液（叉は通気）に高圧を要する点を改良し、圧力が少なく流量を大量に流すことができ、叉ＳＰＭＥ前処理法においてはサンプルによっては１時間以上の平衡時間を要するため、１分析に多大な時間を要する点を短時間に処理可能としたもので、第１にサンプル中の成分を固相抽出する方法であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには多連続孔を持ち解放構造の一体型構造（以下所謂モノリス構造と云う）の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成し、ニードルをサンプルに挿入する工程と、ニードルにサンプルを通過させ、目的成分を多孔質内に保持させる工程、及び保持した目的成分を多孔質内より離脱させる工程とを含むことを特徴としている。
又、第２にサンプル中の成分を固相抽出する装置であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成させてあり、該ニードルにサンプルを通過させる際に、サンプルは多孔質体に保持され、且つ離脱可能に構成することを特徴としている。
又、第３にサンプル中の成分を固相抽出する方法であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成すると共に、ニードルの全体或いは少なくとも多孔質体を形成させた部分をシリンジ或いはニードルに着脱自在に設け、該ニードルよりサンプルを通過させる際に、多孔質体を通過させることにより目的成分を多孔質体に保持させたまま着脱自在とさせることを特徴としている。
又、第４にサンプル中の成分を固相抽出する装置であって、円筒と該円筒内を摺動可能なプランジャーとを有するシリンジであり、シリンジ先端にはニードルが設けられ、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも適宜の長さ、全径に亘り形成させてあり、又、ニードルの全体或いは少なくとも多孔質体を形成させた部分をシリンジ或いはニードルに着脱自在に設けたことを特徴としている。
又、第５にシリンジ先端もしくはシリンジに設けたニードル固定部に着脱自在に形成したニードルであって、該ニードルには所謂モノリス構造の多孔質体を少なくとも内径全径に亘り適宜の長さ形成させたことを特徴としている。
又、第６に、第５のニードルにおいてニードルがサンプルチップであることを特徴としている。
又、第７に、第５のニードルにおいてニードルの外側に外筒を設けたことを特徴としている。
又、第８に第１又は第３の固相微量抽出方法において多孔質体がシングルポアであることを特徴としている。
又、第９に、第２又は第４の固相微量抽出装置において多孔質体がシングルポアであることを特徴としている。
又、第１０に第１又は第３の固相微量抽出方法において多孔質体がダブルポアであることを特徴としている。
又、第１１に、第２又は第４の固相微量抽出装置において多孔質体がダブルポアであることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明に使用するシリンジの一部縦断説明側面図であり、図２は、本発明一方法実施説明図であり、図３は、本発明他方法実施説明図であり、図４は、本発明に使用する他シリンジの実施説明図であり、図５は、本発明に使用する他シリンジの実施説明図であり、図６は、本発明他方法実施説明図であり、図７は本発明方法により実施した実験例のクロマトグラムであり、図８は、上記実験例を中空カラムで実施したクロマトグラムであり、図９は、本発明他実施例説明図であり、図１０は、本発明他実施例使用状態説明図であり、図１１は、本発明他実施例説明図であり、図１２は、同上使用状態説明図である。
発明を実施する為の最良の形態
本発明は、目的成分を含有した気体、液体、固体サンプルを全径に亘り所謂モノリス構造の多孔質体を形成させたニードルを用い、ニードル通過により多孔質体に保持濃縮させる手法である。次いで、該ニードル内にある種の溶媒を通してサンプルを離脱させるか、濃縮を終えたニードルを加熱等物理的にサンプルを離脱させた後、分析系、例えばガスクロマトグラフへ導入する。
本発明に用いられるシリンジは、円筒と該円筒内に摺動自在に設けたプランジャーとシリンジ先端に設けたニードルにより構成される。ニードルには内径全径に多孔質体が適宜長さに亘り形成されている。その長さ及び細孔径は、多孔質体の材質、形成される細孔、目的成分等により選択可能である。
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、粒子の充填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。
所謂モノリス構造の多孔質体の有用性について説明する。
ファイバーやニードルの表面に固定相を設ける固相抽出では、発明が解決しようとする課題に示したような種々の問題が生じる。その問題を解決する簡単な方法は、均一な固定相として作用する粒子をニードル内に充填する方法である。一般に粒子をカラムなどに充填する場合、個々の粒子の隙間に移動相が流れる粒子間空間が形成される。
その空間は粒子の充填状態によって決定されるため、空間は必ずしも均一にならない。更に、移動相の影響でその空間が変化することも考えられ再現性に乏しい。その空間不均一の影響をさけるため、高圧で移動相を送液する高速液体クロマトグラフィー法では、充填する粒子を小さくし、移動相の流れる空間も合わせて小さくし、均一性を上げる工夫がされている。
しかしながら、粒子径を小さくすると、ガスや液体である移動相が流れるときの抵抗が大きくなり、移動相をスムーズに流すことが出来ないと言う問題が発生する。そのため、高圧で使用できない固相抽出においては、充填する粒子はおのずと大きな粒子径にならざるをえない。しかしながら粒子が大きいと、粒子間空間が不均一となりコントロールが困難になり、再現性の良い固相抽出が達成されないという元の問題が解決されない。又大きな粒子径では粒子間のスペースが大きくなり、分子が粒子表面に分配するのに時間差が生じる。このことはサンプルバンドの広がり、すなわち分離効率の低下を生じる。
そこで着目されるのは、移動相が流れる空間を一定に出来る所謂モノリス構造の多孔質体である。この構造において移動相が流れる空間とは、多孔質体のポア（孔）を意味する。このモノリス構造の優位性については既に文献等でまとめられている（Analytical Chemistry vol.73 No.5 421A-429A(2000)）。
特に、試料容量の小さい微量固相抽出においては、移動相が流れる空間以外の小さなポアは分離に大きな影響を与えず、移動相空間だけを持つシングルポアの多孔質体で充分である。シングルポアの所謂モノリス構造においては、空間の不均一が生じなくなるため、吸着・溶出による分離がスムーズに生じるようになる。高分子の分離においては、移動相の流れる空間以外に分子が入り込める大きさの異なるポアがあると、脱着スムーズに起こり難く都合が悪い場合がある。
そのため、シングルポア構造はタンパク質を始めとする高分子の微量固相抽出には有用である。これが前記シングルポアを推奨した理由である。
一方、目的成分の存在するマトリクス量が多くなった場合には、そのマトリクスで表面が覆われ、目的成分の分離が出来なくなる場合もある。そのマトリクスの影響を少なくするためには、表面積を増やすのが有用な方法である。表面積を増やす方法としては、移動相が通るポア（スルーポア）構造の表面に別な後処理によって、粒子などを形成させる方法と、移動相が通るポア（スルーポア）と前記スルーポアよりも径が小さいポア（メソポア）を骨格構造中に同時に作成する方法がある。
後者の方法により形成される所謂モノリス構造は、上端から下端まで連通したスルーポア構造と、その連通孔の中に形成される骨格中のメソポアとのダブルポア構造と呼べる構造である。化合物を効率よく保持し、分離するためには、メソポアは不可欠であり、このポアサイズは分離対象低分子が通過できるサイズであれば良く、５ｎｍ〜１００μｍぐらいが適当である。
前者では、骨格となる所謂モノリス構造体と異なる性質の粒子を形成させることも可能で、吸着性を減らすことも容易となる。又、形成させる粒子などは自由に選ぶことができ、タンパク質に影響を与えない無孔性の粒子などを形成することもできる。固相抽出の目的に合わせた任意の多孔質体を形成できる。
一方後者の方法では、前者のように任意に内部粒子を形成することはできず、組成は一定となるが、１回の合成処理で、異なる大きさのポアを作成することによって表面積を大きくすることができる。この方法は製造上非常に有用であり、更に均一組成で作成できるため、均一に化学結合基を導入することができ、様々な性質を持つ広範囲の比較的低分子化合物が含まれる固相抽出に有効である。これが前記においてダブルポアを推奨する理由である。
サンプルや目的成分の性質及びその前処理目的によって、シングルポアが最適か、或はダブルポアが最適かが決まることになる。何れにしろ重要なのは、移動相がスムーズに流れる均一なポアを持つ、所謂モノリス構造の多孔質体が固相となることである。
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構造、所謂モノリス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―Ｂ2Ｏ3―ＳｉＯ2―ＣａＯ系のものが挙げられ、Ａｌ2Ｏ3，ＺｒＯ2，ＺｎＯ2，ＴｉＯ2，ＳｎＯ2，ＭｇＯ2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。
ホウケイ酸ガラスの熱処理による分相現象を利用して、からみ合い分相構造をとらせた後、片方の相を酸溶出させることで作製する方法が提案されている。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ＳｉＯ2相とＢ2Ｏ3―Ｎａ2Ｏ―ＣａＯ相に分相させ、酸処理によって、ＳｉＯ2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。
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。
上記の細孔は従来の充填剤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。
又、上記の多孔質体の他に、上記の多孔質体の細孔内にミクロ細孔を有する多孔質体を充填した構造の多孔質体を用いることは推奨される。これについて説明する。
マクロ細孔を持つ骨格体のマクロ細孔内にミクロ多孔質体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、マクロ細孔内で重合させることにより、マクロ細孔より小さく、解放構造を持ち、ミクロ細孔を持つ多孔質体が充填され、一体化した構造を持つ多孔質体を作成する。この場合、ミクロ多孔質体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なると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。
一方、液相反応であるゾル−ゲル法により無機質多孔質体を作成する方法も知られている。ゾル−ゲル法とは、所謂重合可能な低分子化合物を生成し、最終的には凝集体や重合体を得る方法で、以下のような方法がとられている。具体的には水溶性高分子や非イオン性界面活性剤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、次いで乾燥加熱或は溶媒置換する方法である。均一に溶解した水溶性高分子や非イオン性界面活性剤が金属アルコキシド又はそのオリゴマーの加水分解・重合の過程で相分離する現象を利用するものである。
非イオン性界面活性剤、熱分解性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、ゲル調製時に予め溶解させておいた低分子化合物を熱分解させ、次いで乾燥し加熱する。
ここで、金属アルコキシド又はそのオリゴマーとしてはメトキシ基、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。又、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種以上であってもよい。特にケイ素アルコキシドが好ましく、ケイ素アルコキシドとしては、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、メチルトリメトキシシラン、エチルトリメトキシシラン、ビニルトリメトキシシランを用いることができるが、これらに限定されない。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量体程度まで使用することができる。有機高分子は、金属アルコキシド又はそのオリゴマー１重量部に対し、０．０３〜０．４０重量部の割合で混合することが好ましい。
水溶性有機高分子は、加水分解の過程で相分離を生じ、金属アルコキシド又はそのオリゴマーの加水分解により生成するアルコキシド又はそのオリゴマーの加水分解により生成するアルコール含有液に均一に溶解するものであればよい。具体的には高分子金属塩であるポリステレンスルホン酸のナトリウム塩、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等、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及びポリエチレンイミン等或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等側鎖にν−ラクタムを有するポリビニルピロリドン等が好適である。
非イオン性界面活性剤とは、ゾル−ゲル転移と相分離過程とを同時に誘起する働きを持つ物質であり、これによって溶媒リッチ相と骨格相とに分離すると同時にゲル化する。非イオン性界面活性剤は、ポリオキシエチレン等の親水部と主にアルキル基からなる疎水部を含むもの、例えばポリオキシエチレンノニルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンオクチルフェニルエーテル、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、親水部としてはポリオキシプロピレンを含むもの、例えばポリオキシプロピレンアルキルエーテルなどが好ましいが、これらに限定されまい。添加する非イオン性界面活性剤の量は、界面活性剤の種類、金属アルコキシドの種類、量にも左右されるが、金属アルコキシド１０ｇに対し、１．０〜１０．０ｇ、好ましくは１．５〜６．０ｇである。
非イオン性界面活性剤、熱分解性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うと、溶媒リッチ相と骨格相とに分離したゲルが生成する。生成物（ゲル）が固化した後、適当な熟成時間を経た後、湿潤状態のゲルを加熱することによって、反応溶液に予め溶解させておいた熱分解性化合物が熱分解し、骨格相の内壁面に接触している溶媒のｐＨが上昇する。そして、溶媒がその内壁面を侵食し、内壁面の凸凹状態を変えることによって細孔径を徐々に拡大する。
この際、使用される酸性水溶液としては、通常塩酸、硝酸等の鉱産０．００１規定以上のものが好ましい。加水分解に当っては、かかる溶液を密閉容器に入れ、室温４０〜８０℃で０．５〜５時間保持することにより達成される。加水分解は当初透明な溶液が白濁して有機高分子との相分離を生じ、ついにゲル化する過程を経る。この加水分解過程で有機高分子又はその重合体は分散状態にあり、それらの沈殿は実質的に生じない。
かくしてゲル化したものは、４０〜８０℃に数時間〜数十時間程度放置して熟成した後、水により洗浄して有機高分子を除去し、８００〜１，０００℃程度で焼成して多孔質ガラスを得る。
この所謂モノリス構造の多孔質カラムは、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。
〔実施例１〕本発明の一実施例を図１により説明する。
シリンジ１は円筒２とその内円筒３に摺動自在に設けたプランジャー４から構成される。プランジャー４の頭頂にはハンドル５が設けられている。円筒２の先端にはニードル６が設けられている。ニードル６には多孔質ガラスで形成され、細孔８，８，…が軸方向に貫通しており、その細孔平均径１０μである柱状に形成された多孔質体７がニードル６内に長さ４ｍｍに亘って充填されている。
シリンジ１を手動にて操作する手法として図２により説明する。先ずニードル６にメタノール等を通液して多孔質体の状態調整を行う。ニードル６をサンプル瓶９に挿通し、サンプルをプランジャー４操作により吸引する図２（ａ）。この吸引によりサンプルがニードル６を通過する際に、多孔質体７の多孔質ガラスを通過する。この際この通過により対象成分が多孔質の細孔８，８，…に拡散保持される。吸引は一回に処定量を行ってもよいし、必要であればポンピングを行うことも出来る。又、吸引する毎にサンプル瓶９からニードル６を引出し、ニードル６を押出して目的成分でないサンプルを追い出した後、再度サンプル瓶９に挿通し、同様の操作を行うことを繰返してサンプリングすることも出来る。更に、洗浄ガスなどを流してサンプル溶媒をニードル６内から追い出すことも出来る。
次いで、ニードル６をサンプル瓶９から引出し、溶媒瓶１０に挿入し、溶媒の吸引を行う図２（ｂ）。この溶媒吸引により、対象成分が細孔８，８，…より脱着されシリンジ１の円筒２内又はニードル６内に収容される。対いで、シリンジ１をガスクロマトグラフ１３に持来し、注入口１１より対象成分抽出溶媒をプランジャー４を押し出すことにより注入し分析を行う図２（ｃ）。
〔実施例２〕本発明の次の実施例を図３により説明する。
この実施例では、実施例１の溶媒により対象成分を溶出させていたのに対し、溶媒を用いず熱によって試料の離脱を行わせるものである。
具体例として、実施例１と同様にサンプルをプランジャー操作により吸引する図３（ａ）。次いで、ガスクロマトグラフ注入口１１に通常設置されている加熱機構１２を利用する。該注入口１１に、前記実施例１と同様に多孔質体の細孔８，８，…に試料を拡散保持したニードル６を差し込む。シリンジ１上部或いは途中に設ける供給口からガスを供給し、加熱機構１２によりニードル６を加熱することにより、物理的に離脱させガスクロマトグラフに導入させる図３（ｂ）。
〔実施例３〕本発明の別の実施例を図４、図５により説明する。
この実施例ではニードル６がシリンジ１に着脱自在に構成してある。この構成としてはニードル６を短く構成し、その先端に、ニードル６への挿着部６１を有する細管６２を構成し、該細管６２内に前記柱状の多孔質体７を形成させて着脱自在とする構成がある（図４）。これは従来から化学反応、免疫反応などのために使用される、先端が絞られているサンプルチップを細管６２として多孔質体を形成する構成とすることも出来る。又、他の例としてシリンジ１の先端にニードル６を固定する固定部６３を形成し、ニードル６側にも対応する挿通部６４を設けた構成がある（図５）。
更に、ニードル６全体を、先端が絞られており、シリンジ円筒への挿通部を備えたサンプルチップ６５とし、固定部６３に挿入して使用することも勿論可能である。
その作動の一例について図６により説明すると、先ず２５０μｌシリンジ１を用い、ニードル６或いは細管６２を外した状態で農薬を添加した水試料を吸引する図６（ａ）。次いで該シリンジ１に内径２００μｍ、長さ５０ｎｍ、Ｃ18で化学修飾された多孔質体を形成させたニードル６或いは細管６２（以下同じ）を取付ける図６（ｂ）。プランジャー４を押し下げて、ニードル６に通液し、目的成分を細孔８，８，…に保持させる図６（ｃ）。全てのサンプルを排出後、シリンジ１の吸引操作を行い多孔質体７に残った水を除去する。次いで、ニードル６をシリンジ１から外す。次いで別の１００μｌシリンジ１でヘキサン：酢酸エチル＝３：１の溶媒を２０μｌ量り取る図６（ｄ）。該１００μｌシリンジ１の先端に先程の目的成分を保持しているニードル６を取付ける図６（ｅ）。該ニードル６をガスクロマトグラフの注入口に差し込む。プランジャー４を押し下げ、溶媒で目的成分を溶出し、農薬をガスクロマトグラフ１３に導入する図６（ｆ）。クロマトグラフ分析条件は下記に示す通りである。
注入口温度：４０℃〜２５０℃  １秒間に１℃昇温（オンカラム注入）ＧＣ温度：４０℃（１分）〜２５０℃（５分）  １分間に１５℃昇温
カラム：ジメチルポリシロキサンを化学修飾したキャピラリーカラム内径０．２５ｍｍ  長さ１５ｍ  膜厚０．２５ｍｍ
検出器：ＦＰＤ  ２００℃
抽出用固相多孔質体カラム：内径０．２ｍｍ  長さ５０ｍｍ
この試料分布のクロマトグラムを図７に示す。図中ピーク１はダイアジノン、２はイプロベンホス、３はフェニトロチオン、４はイソキサチオン、５はＥＰＮである。これに対し、５％ジフェニル９５％ジメチルポリシロキサンをキャピラリーチューブの内表面に化学修飾させたインチューブを使用し、同様の操作で水中農薬を抽出したクロマトグラムを図８に示す。分析条件は図７の場合と同様である。インチューブ法では、平衡に達するまでに時間を要するため、ピークが殆ど確認できないが、本法では短時間で抽出が完了し、分析が可能であることがわかる。
ガスクロマトグラフのサンプリングは、通常オートサンプラーを使用し、自動化が行われている。本発明のシリンジをそのオートサンプラーに適用すると、抽出・脱着時間が通常の固相抽出より非常に短縮できるため、通常の液体やガス体の直接サンプリングと同様な扱いで自動化が可能となる。又、現行の固相微量抽出自動分析装置は、抽出部位をシリンジに対して１つしか取付けることが出来ない。そのため抽出部位が劣化した場合や、抽出する化学修飾部の種類や、その厚さを変更したい場合には、手動での交換が必要となる。しかし、多孔質体を形成させたシリンジのニードルを着脱可能に為した本発明では、抽出部分のみ自動交換することが可能となり、全体的な自動化が可能となる。
前処理にシリンジ１を利用する場合の１つとして、ピペットタイプについて説明する。
シリンジ１の円筒２の先に、柱状の多孔質体７を形成したニードル６を接続する。本例のような着脱式のニードル６は通常サンプルチップ６５とも呼ばれているものである。図９に示すサンプルチップ６５について述べると、テーパー状のニードル６の開放端６６はシリンジ１に挿脱自在とし、ニードル６の先端或は一部に多孔質体７を充填形成させてある。
シリンジ１のハンドル５を操作してプランジャーを押し下げ、微量試料中にニードル６を挿入し、更に必要に応じ、プランジャーのポンピング動作により、ニードル６への注入出を繰返す。その後試料を適当な移動相でニードル６の排出口から排出させる。
この簡単な操作により、試料中から目的の成分、時には不純物が固相に吸着分離され、後は溶出移動相を適宜選択することにより、精製することが確実に行える。ニードル６が着脱式のサンプルチップ６５であるため、サンプルチップ６５のみを順次使い捨てることができ、多数のサンプルを迅速に、汚染なく前処理することが可能である。
臨床診断や遺伝子診断などの分野、又は生化学実験の場においては、大量の液体サンプルを短時間で処理する必要に迫られるため、サンプリングには複数のウエル（孔）が配置されたマルチウエルプレートを使用することが一般的になっている。又、そのウエルに格納されたサンプルを吸引・吐出するためには前述した着脱可能な使い捨てのチップが用いられる。ウエルを使うような微量サンプル、大量サンプルの場合にも使い捨てにすることによって、サンプル同士の汚染や、臨床に関する感染を防ぐことができるため、頻繁に用いられるようになってきている。
更には、手動ではなく、自動処理装置からの指示によるサンプル前処理が一般化されている。自動処理装置には、サンプリング用のノズルがピペット又はシリンジ本体に設置されている。そのノズルがサンプルチップの配置されているラック上に移動し、使用目的のサンプルチップを選んでノズル先端に配置する（第１０図）。次に、目的液体サンプルのウエル上に移動し、吸引や吐出など必要な前処理ピペット操作を自動処理装置の命令によって実行し、操作の終わったサンプルチップは廃棄される。その後は順次対応するサンプル毎に同じ操作を繰り返すことで短時間で大量のサンプルを処理することが可能となる。
又、ノズル部分があらかじめピペット又はシリンジ本体に複数配置され、サンプルチップの位置に順次移動せずに１回の操作ですべてのサンプルチップの前処理を実行することも可能である。サンプルウエルの数と同数設置しておけば、ウエル全体の前処理が１回で完了するためさらに短時間での自動サンプリングが可能となる。
図１１、図１２によりニードル６の多の実施例を説明する。ニードル６の外側にステンレススティール等の金属その他の強度を有する材質にて外筒６７を形成してニードル６を保護することが行われる。
これはニードル６を、例えばウエルプレートのウエルに挿入する際、被膜を被せてある場合にはこれを突き破ることが可能とするもので、これによりニードル６は確実に保護され破損等の事故を防ぐものである。
（合成法例）
〔実施例４〕シリンジ内に通常の方法によって、直径１ｍｍ×長さ２５ｍｍの２μｍマクロ細孔を持つＳｉＯ2の骨格の骨格体を形成した後、５％塩酸水溶液２００ｍＬに全体を浸し、１２０℃で８時間還流し活性化する。活性化後にテフロンチューブに入れ、加熱収縮させ、液体を流せる状態にしておく。テトラエトキシシラン９ｍＬ、水１１ｍＬ、メタノール４ｍＬ、ジメチルホルムアミド４ｍＬ、アンモニア水４ｍＬを０℃で１０分間減圧撹拌し活性化させる。この液を上記骨格体に０．５ｍＬ／ｍｉｎの流速で１０分間流す。空気層が入り込まないように封入する。全体を１分間に２℃の昇温スピードで、６０℃に上げ、６時間ホールドし、マクロ細孔表面に結合しながらゲル化する。室温に戻し、０．０１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液１０ｍＬを連続して０．１ｍＬ／ｍｉｎの流速で流し、未反応液を追い出す。封入し、８０℃で６時間熟成させ、ミクロ細孔を持つ多孔質体にする。窒素吸着測定法により、表面積４００ｍ2／ｇ、細孔径２０ｎｍであることを確認した。室温に戻し、水５ｍＬ、アセトン５ｍＬ、ヘキサン２０ｍＬの順に流速０．２ｍＬ／ｍｉｎで洗浄する。ここで、マクロ細孔とミクロ細孔の比が、０．１〜２００倍であること、マクロ細孔相とミクロ細孔相の容量比が、０．１〜２０００倍であることは推奨される。
〔実施例５〕本発明の別の実施例を以下に説明する。
先ず、約１００ｎｍ以上の巨大空孔となる溶媒リッチ相をもつゲルをゾルーゲル法によって作製し、そのバルク状ゲルを粉砕せずに様々な組成を持つ水溶液に浸漬することにより、巨大空孔の内壁が最大２０ｎｍ程度の狭い細孔分布を持った二重気孔の多孔質体に変化させる。この方法によれば、従来の多孔質において避け得なかった広い細孔径分布ではなく、所望する中心細孔径と狭い分布を持つ細孔構造を再現性よく与える無機系多孔質体を作ることができる。つまりは巨大空孔と細孔の二種類のポア、ダブルポア構造が実現する。
先ず、水溶性高分子であるポリエチレンオキシド０．７０ｇを０．００１規定酢酸水溶液１０ｇに溶解し、この溶液にテトラメトキシシラン５ｍｌを撹拌下で加えて加水分解反応を行った。数分撹拌した後、得られた透明溶液を密閉容器に移し、４０℃の恒温槽中に保持したところ、約４０分後に固化した。
固化した試料を更に数時間熟成させ、０．１規定アンモニア水溶液中に４０℃で１日毎に溶液を更新しながら３日間以上浸漬した。このときアンモニア水溶液のｐＨ値は約１０であった。この処理の後、ゲルを６０℃で乾燥し、１００℃／ｈの昇温速度で６００℃まで加熱した。これによって非晶質シリカよりなる多孔質体を得た。得られた多孔質体中には中心径１．６μｍ（＝１６００ｎｍ）程度の揃った貫通孔が３次元網目状に絡み合った構造で存在していることが電子顕微鏡及び水銀圧入測定によって確かめられた。そして、その貫通孔の内壁に直径１０ｎｍ程度の細孔が多数存在していることが窒素吸着測定によって確かめられた。尚、アンモニア溶液浸漬の温度を２５℃或は６０℃に変化させた以外は上記と同一条件で多孔質体を製造したところ、貫通孔の空孔分布は変らないが、窒素吸着法によって計られる中心細孔径は夫々、約６ｎｍ或は１３ｎｍに変化した。
アンモニア溶液浸漬の温度が高いほど大きい細孔径が得られることが判り、温度によってコントロールが可能であることも確認された。
〔実施例６〕水溶性有機高分子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アルコキシド又はそのオリゴマー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、ついで乾燥加熱あるいは溶媒置換を行う。それにより有機高分子相とシリカポリマー相が絡み合った状態で、解放構造を形成する。
先ず、高分子金属塩であるポリスチレンスルホン酸ナトリウムを、１規定硝酸水溶液５．５１ｇに溶解して２０重量％溶液とした。これにメタノール５ｍｌを加え、均一溶液とした後、テトラメトキシシラン５ｍｌを約１分間かけて滴下し、加水分解反応を行った。数分撹拌した後、得られた透明溶液を密閉容器に移し、４０℃の恒温槽中に保持したところ、約２０時間後に固化した。固化したサンプルを更に数日熟成させ、６０℃で乾燥した後１００℃／ｈの昇温速度で５００℃まで加熱した。蒸留水でポリスチレンスルホン酸ナトリウムの分解生成物を洗浄し、最後に８００℃で２時間熱処理を行った。５μｍ程度の揃った細孔が解放構造で存在する多孔質シリカガラスが得られた。
産業上の利用可能性
本発明の請求項１によれば、目的とする対象成分をニードルを通過させるだけで固相抽出することが出来、極めて簡単な手法にて対象成分の濃縮が出来る。更に試料がニードルを通過する際に、全径に亘り形成される多孔質体の細孔に対象成分が極めて効率的に拡散保持され、濃縮時間の短縮が図れる。又、目的とする対象成分の脱着も溶媒による脱着は溶媒が少なくて済み、加熱による脱着も極めて容易で手間も省ける。
更に、試料は一体的な所謂モノリス構造の多孔質体を通るため、キャピラリーカラム等より試料負荷量が大きく、粒状物質を詰めたカラムより流通抵抗が小さい。実際、内径０．３ｍｍ×１０ｍｍ、３μのＯＤＳシリカゲルに２００μＬ／ｍｉｎの速度で通過するのに約１０Ｍｐａ以上の圧力がかかるのに対し、同サイズの所謂モノリス構造のカラムを使用した場合、０．２Ｍｐａであった。又、ＳＰＭＥ用ファイバーと比較して目的成分が分配平衡に対する時間が短縮できる等、時間の大幅な短縮により効率的な分析が出来る。
又、本発明の請求項２によれば、上記請求項１の効果に加えてシリンジ対応のオートインジェクターの使用が容易で装置の自動化が簡単である。
又、本発明の請求項３によれば、上記請求項１の効果の他に、ニードルを着脱自在にすることにより、試料、対象成分を保持したニードル、シリンジの交換が容易となり、多種及び又は多量の試料、対象成分の処理が極めて円滑に行われ、分析の完全自動化が達成できる。
又、本発明の請求項４によれば、請求項１の効果の他に請求項３と同様の効果を得られる。更に、請求項５によれば、請求項４の効果に加えてサンプルチップとしてサンプルの簡単な濃縮や精製にも利用できる。請求項６によれば、サンプルチップは着脱式であり、それのみを順次使い捨てることができ、多数のサンプルを迅速に汚染なく前処理できる。
更に請求項７によれば、ニードルの外側が外筒により保護されているので、マルチウエルプレートのウエルに被膜がかけられている場合にも簡単にニードルをウエルに挿通でき、ニードルの保護ができ、且つニードルのウエルへの挿通が自動化されるのに有効である。又、請求項８及び請求項９によれば、分離モードが単純になり、正確な分離が行われ、分析性能の向上が図れる効果がある。又、請求項１０及び請求項１１によれば、多孔質体の表面積を増やすことができると共に、骨格体と異なる性質を持たせることが可能であり、様々な性質を持つ広範囲のサンプルに対応することができる。
【図１】
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【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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