(57)【要約】【課題】  内周面に均一且つ薄い膜厚の固定相を有するガスクロマトグラフィー用キャピラリーカラムを提供する。【解決手段】  キャピラリーカラムの内面に、低分子鎖からなる固定相液体を化学結合により直接結合させる。化学結合により直接カラム内面に固定相液体を結合させる場合、基本的に単層構造となり、また、低分子鎖は高分子と異なり分子鎖長が一定であるので、均一且つ薄い膜厚の固定相が得られる。従って、高分解能なカラムが得られる。従来の汎用かラム（DB-1)と理論段高HETPを比較することにより、本発明のカラムは従来のものよりも高分解能であることが示された。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空流路内面に、低分子鎖からなる固定相液体が化学結合により直接結合されていることを特徴とするガスクロマトグラフィー用分離体。
【請求項２】
前記低分子鎖の炭素数が２０以上であることを特徴とする請求項１のガスクロマトグラフィー用分離体。
【請求項３】
前記中空流路内面に前記固定相液体とは異なる不活性基が結合されていることを特徴とする請求項１または請求項２のガスクロマトグラフィー用分離体。
【請求項４】
前記分離体が、中空キャピラリーカラムであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスクロマトグラフィー用分離体。
【請求項５】
前記分離体が、前記中空流路としてマイクロチャンネルが形成されたマイクロチップであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のガスクロマトグラフィー用分離体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスクロマトグラフィーに関し、特に、中空キャピラリーカラムやマイクロチャンネルが形成されたマイクロチップなどの中空流路を有するガスクロマトグラフィー用の分離体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスクロマトグラフィー用のカラムとしては、シリカゲルを担体として、それに固定相を結合したものをカラムに充填するタイプと、中空のキャピラリーカラム自体を担体としてその内周面に固定相を固定するタイプとが知られている。
【０００３】
中空キャピラリーカラム自体を担体とするタイプは、カラム長を長くすることにより容易に高分解能が得られることから、現在は、キャピラリーカラムタイプが主流である。中空キャピラリーカラムに固定相液体を固定する方法としては、単に、内面に固定相液体を塗布する方法が広く用いられている。しかし、この方法による場合には、固定相液体のブリーディングの問題があるので、カラム内面に結合剤を化学結合させた後、架橋によりその結合剤に固定相である高分子液相をさらに結合させることも提案されている。
【０００４】
一方、シリカゲルを担体とするタイプは、極性試料に対して強い吸着を示すという欠点があり、また、シリカゲルがカラムに充填されている形状であるため、流路が曲がりくねっており、そのために拡散が大きくなることも分離性能上で不利であるため、現在、シリカゲルを担体とするタイプはあまり用いられていない。ただし、固定相としてトリアコンチル基を用いると、基材（シリカゲル）吸着の影響を受けにくくなることが報告され、注目されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】中釜，「トリアコンチル基を化学結合したシリカゲルのガスクロマトグラフ用充填剤としての保持特性」，分析化学，日本分析化学会，平成１５年７月，第５２巻，第７号，ｐ．５４５−５４７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高分解能な分離を達成するためには、固定相の膜厚が薄く、且つ、均一であることが要求される。しかし、キャピラリーカラムに固定相を固定する従来の方法では、膜厚は０．１μｍ程度まで薄くすることが限界であった。また、塗布による場合には、その方法によっては均一な膜厚とすることが困難であり、特に、内径が５０μｍ以下になると、液相（固定相）を形成する溶媒をカラムに入れた後、その溶媒を揮発させるのに多くの時間を要するとともに、均一な膜形成が困難であった。また、架橋による場合にも、膜厚を均一にすることが困難な場合があった。さらに、近年、マイクロチャンネルを有するマイクロチップがキャピラリーカラムの代用として注目されているが、マイクロチップに形成されるマイクロチャンネルは、断面矩形となることが多く、そのような断面矩形の内面に固定相を従来の方法で形成する場合には、膜厚を均一にすることが特に困難であった。
【０００６】
本発明は、以上の事情を背景として成されたものであり、その目的とするところは、中空流路内周面に均一且つ薄い膜厚の固定相を有するガスクロマトグラフィー用分離体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための第１発明は、中空流路内面に、低分子鎖からなる固定相液体が化学結合により直接結合されていることを特徴とするガスクロマトグラフィー用分離体である。
【０００８】
第２発明は、第１発明のガスクロマトグラフィー用分離体において、前記低分子鎖の炭素数が２０以上であることを特徴とする。
【０００９】
第３発明は、第１発明または第２発明のガスクロマトグラフィー用分離体において、前記中空流路内面に前記固定相液体とは異なる不活性基が結合されていることを特徴とする。
【００１０】
第４発明は、第１発明乃至第３発明のいずれかのガスクロマトグラフィー用分離体において、前記分離体が中空キャピラリーカラムであることを特徴とする。
【００１１】
第５発明は、第１発明乃至第３発明のいずれかのガスクロマトグラフィー用分離体において、前記分離体が、前記中空流路としてマイクロチャンネルが形成されたマイクロチップであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
第１発明によれば、高分子と異なり分子鎖長が一定である低分子鎖が固定相液体として用いられており、しかも、化学結合により中空流路内面に結合されていることから基本的に単層（単分子）構造となるので、均一且つ薄い膜厚の固定相が得られる。従って、高分解能な分離体が得られる。また、化学結合により固定相が中空流路内面に固定されているので、ブリーディングが生じることもない。
【００１３】
第１発明のような低分子鎖の単層構造の場合には分子鎖長によらず固定相膜厚は十分に薄いレベルである一方で、分子鎖長が短すぎると基材の影響が大きくなってくるが、第２発明のように低分子鎖の炭素数が２０以上である場合には、膜厚が基材の影響を受けにくくなる程度に厚くなるので、一層、分離性能が向上する。
【００１４】
第３発明のように、不活性基が結合されている場合には、固定相液体が基材表面に結合された後、基材表面に残存する官能基がその不活性基と結合することになる。すなわち、基材表面の残存官能基が少なくなるので、一層、分離性能が向上する。
【００１５】
第４発明のように、分離体として中空キャピラリーカラムを用いる場合には、本来、高分解能である中空キャピラリーカラムをより高分解能とすることができる。
【００１６】
化学結合により固定相を基材表面に結合させる場合には、中空流路の断面形状が円形でなくても、均一な固定相を形成することができることから、第５発明のように、分離体が、マイクロチャンネルが形成されたマイクロチップであっても、均一な固定相のものが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
固定相液体として用いる低分子鎖には、一般に高分子と呼ばれ、構造単位の繰り返し数が多少増減しても物理的性質がほとんど変化しないものは含まれないが、オリゴマー程度のものは低分子鎖に含まれる。
【００１８】
この低分子鎖の炭素数は、上記低分子鎖の概念に入る範囲であれば特に制限はなく、たとえば、オクチル基（炭素数8）、オクタデシル基（炭素数18）、トリアコンチル基（炭素数30）等を用いることができるが、第２発明のように炭素数２０以上であることが好ましく、さらに24以上であることが好ましい。なお、炭素鎖は、直鎖状であっても、分岐を有するものであってもよく、また、フェニル基のように環状であってもよい。
【００１９】
低分子鎖は、一種類であってもよいが、複数種類が同じ中空流路内面に結合されていてもよい。さらに、低分子鎖は、官能基（たとえば、水酸基、アミノ基、シアノ基、フェニル基など）を有するものであってもよく、複数種類の低分子鎖が結合されている場合には、そのうちの一部が官能基を有するものであってもよく、全部が官能基を有するものであってもよい。
【００２０】
分離体は、キャリヤーガスが流れる中空流路を有していれば、どのような形状であってもよく、たとえば、キャピラリーカラムやマイクロチップ形状とすることができる。分離体の材質は、実験温度以上の耐熱性を有し、固定相を化学結合できるものであれば特に制限はない。例えば、ガラス、石英または石英を内面にコーティングした金属や表面処理を行って化学結合を可能とした金属などを用いることができる。
【００２１】
中空流路の内径にも特に制限はないが、固定相の固定化処理時における取り扱いのし易さ、試料の分離能などの観点から、0.05〜1.2mmが好ましく、0.１〜0.53mmが特に好ましい。また、中空流路の断面形状は、円形、矩形などどのような形状であっても良い。
【００２２】
分離対象試料は、ガスクロマトグラフィーの特性上、揮発性を有するものに限定されるが、それ以外の制限は特になく、極性化合物であっても無極性化合物であってもよい。従って、たとえば、脂肪族化合物、芳香族化合物などを分離対象試料とすることができる。なお、従来の中空キャピラリーカラムと比較して固定相量が少ないため、揮発性が低い物質（高沸点の化合物）の分離に適しており、また、試料濃度が低い方が好ましい。
【００２３】
分離体の中空流路内面に固定相を化学結合するには、まず、分離体の中空流路内面に存在する官能基と化学結合が可能な官能基、および固定相となり得る低分子鎖を揺する化合物を溶媒に溶解し、その溶液を中空流路に流通または充填する。次いで、未反応の化合物を溶媒により洗浄すればよい。たとえば、分離体がガラスまたは石英であれば、中空流路内表面にはシラノール基が存在するので、そのシラノール基と反応する官能基としてクロロシリル基、アルコキシル基などを有し、且つ、低分子鎖としてトリアコンチル基、オクタデシル基、オクチル基、フェニル基などの炭化水素基を有するシリル化剤を用いて中空流路内面を処理することにより固定相を中空流路内面に化学結合させることができる。なお、上記化学結合が進行する範囲あれば、処理温度に特に制限はない。
【００２４】
さらに、このようにして固定相を化学結合した後に、必要に応じて、中空流路内面に残存する官能基を、トリメチルクロロシラン或いはジメチルクロロシランのような不活性化剤を用いて不活性化処理（エンドキャッピング）してもよい。
【実施例】
【００２５】
以下、本発明を実施例により更に詳細に説明する。
【００２６】
［カラムの作製］
トリアコンチルジメチルクロロシランをトルエンに溶解し、加熱しながら石英キャピラリー（内径0.32mm、長さ16.5m）内を流通させた。流通後、ガスクロマトグラフ装置に接続し、試料導入部温度および分離部温度をともに200℃に設定したのちにトルエン1μLを試料導入部から20回注入して未反応のシラン化剤を石英キャピラリー内から流出させ、カラム（以下、C30カラムという）とした。この後、トリメチルクロロシランで不活性化処理を行った。不活性化処理は、ガスクロマトグラフ装置を用いたオンカラムにて行った。不活性化処理条件は、以下の通りであり、以下の条件による処理を複数回繰り返した。
［不活性化処理条件］
試料注入部温度：200℃
カラム温度（反応温度）：200℃
キャリヤーガス：ヘリウム  １ml/min
反応試薬：トリメチルクロロシラン  １μＬ（全量注入）
【００２７】
［分析操作］
モデル試料としてテトラデカン（C14H30)およびヘキサデカン（C16H32)をアセトンに溶解させ、試料溶液とした。試料濃度は30ppmとした。この溶液をスプリット注入部、C30カラムおよび水素炎イオン化検出器（FID）を備えたガスクロマトグラフ装置（島津GC-2010）に設置した。キャリヤーガスにはヘリウムを使用した。試料注入部およびFIDを200℃、カラムを100℃、キャリヤーガスのカラム内における線速度を毎秒30cmとし、スプリット比1/100で試料溶液を1μＬ注入したときのクロマトグラムを図１に示す。また、比較として、この試料で汎用されているジメチルポリシロキサンを固定相としたカラム（DB-1、Ｊ＆Ｗ社製、100％ジメチルポリシロキサン、固定相膜厚0.10μm、内径0.32mm、長さ13.6m）を用いて同様の分析を行った。
【００２８】
図１に示されるように、C30カラムを用いると、ヘキサデカンの溶出時間が約1/10となり、より短時間で分析できた。また、保持容量から膜厚の推定を行ったところ、分子鎖長である6nm程度であった。この膜厚の推定は、分子力場計算（分子力学法）を用い、炭素−炭素原子間結合距離を0.153nm、炭素−炭素原子の結合角を109°とし、原子間力や電子間の相互作用などを考慮して最も安定な分子構造を求めた後、両末端の炭素原子間距離を膜厚として推定したものである。
【００２９】
次に、図１と同じC30カラムおよびDB-1カラムに対して、線速度を変えたときの理論段１段に相当するカラムの長さ（理論段高：HETP）とカラムの線速度との関係（Van Deemter プロット）を調べた。このときの実験条件は、カラム温度が80℃（C30カラム）、100℃（DB-1カラム）である以外は、図１の場合と同じである。
【００３０】
その結果を図２に示す。HETPは小さいほどピーク形状が良好であることを示すことから、C30カラムの方がより良好なピーク形状を実現できることが明らかとなった。
【００３１】
図３は、C30カラムを用い、比較的沸点の高い炭化水素であるヘキサデカン、オクタデカン（C18H38）およびイコサン（C20H42）を分離したクロマトグラムである。このときの実験条件は、カラム線速度が80cm/sec、カラム温度を60℃で  2分間保持した後、20℃/minで140℃まで昇温させたこと以外は、図１の場合と同じである。
【００３２】
図３に示されるように、6分程度で分析できている。また、各ピークの保持時間tRとピーク幅wから式1により理論段数Nを求めた。図３の括弧内の数値はその理論段数を表している。どの試料についても10万段以上という大きな路輪段数が得られている。
（式1）  N＝16(tR/w)2
【００３３】
このように比較的低温で高沸点試料を迅速に分離することができ、また、低濃度で分析できる。従って、高沸点であるにも拘わらず、熱的に不安的で且つ好感度測定が要求されるテルペン類などの定量にも有効であると考えられる。
【００３４】
また、通常のキャピラリーカラムよりも細いカラムの調製が可能であることから、調製した細いカラムを束ねることによって通常のキャピラリーカラムと同程度の試料負荷量を有し、かつさらに高い分離能を有するカラムの実現も可能となる。さらに、マイクロチップ上へのカラムの調製が可能となることから、いわゆるカートリッジタイプのカラムの開発が可能となり、ガスクロマトグラフ装置の革新的な発展に寄与できることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のカラム（C30）と汎用カラム（DB-1）との溶出時間を比較したクロマトグラムである。
【図２】本発明のカラム（C30）と汎用カラム（DB-1）のVan Deemter プロットである。
【図３】C30カラムを用い、ヘキサデカン（C16）、オクタデカン（C18）およびイコサン（C20）を分離したクロマトグラムである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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