(57)【要約】【課題】１価及び２価の陽イオンを同時分析することができ、かつ、陽イオンの保持能力を長期間維持することができる弱酸性陽イオン交換体を提供する。【解決手段】担体（Ａ）と、分子内に二重結合を有するアルコキシシラン（Ｂ）と、カルボキシル基又は酸無水物基、及びエチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物（Ｃ）と、ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させた反応生成物からなり、かつ、該反応生成物が、該担体（Ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、該化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）とを有する、弱酸性陽イオン交換体。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）担体と、
（Ｂ）分子内にエチレン性二重結合を有するアルコキシシランと、
（Ｃ）カルボキシル基又は酸無水物基、及びエチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物と、
（Ｄ）ラジカル開始剤と
を含む原料を反応させた反応生成物からなり、かつ、該反応生成物が、
該担体（Ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、
該アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、該化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）と
を有する、弱酸性陽イオン交換体。
【請求項２】
前記担体（Ａ）と、
前記アルコキシシラン（Ｂ）と、
前記化合物（Ｃ）と、
前記ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させるに際して、
担体（Ａ）と、アルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と、化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させる、請求項１に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項３】
前記担体（Ａ）が、体積平均粒径１〜３０μｍの粒子である、請求項１又は２に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項４】
前記担体（Ａ）が、シリカ、アルミナ、チタニア及びガラスビーズから選ばれる少なくとも一種である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項５】
前記アルコキシシラン（Ｂ）中に存在する二重結合が、ビニル基又はアリル基である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項６】
前記アルコキシシラン（Ｂ）が、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン及びアリルトリエトキシシランから選ばれる少なくとも一種である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項７】
前記化合物（Ｃ）が、無水マレイン酸である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【請求項８】
（Ａ）担体と、
（Ｂ）分子内にエチレン性二重結合を有するアルコキシシランと、
（Ｃ）カルボキシル基又は酸無水物基、及びエチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物と、
（Ｄ）ラジカル開始剤と
を含む原料を反応させる工程と、該工程における反応生成物から弱酸性陽イオン交換体を得る工程とからなり、該反応生成物が、
該担体（Ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、
該アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、該化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）と
を有する、弱酸性陽イオン交換体の製造方法。
【請求項９】
前記担体（Ａ）と、
前記アルコキシシラン（Ｂ）と、
前記化合物（Ｃ）と、
前記ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させるに際して、
担体（Ａ）と、アルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と、化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させる、請求項８に記載の弱酸性陽イオン交換体の製造方法。
【請求項１０】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体をクロマトグラフィー用カラムに充填して得られる、１価及び２価の陽イオンを同時分析できる陽イオン交換クロマトグラフィー用カラム。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれか一項に記載の弱酸性陽イオン交換体を充填したクロマトグラフィー用カラム内に、１価及び２価の陽イオンを含む試料を注入し、次いで溶離液を通液させて、該１価及び２価の陽イオンを分離する工程を含む、陽イオンの分析方法。
【請求項１２】
前記溶離液が、ｐＨ１以上７未満の酸性溶液である、請求項１１に記載の陽イオンの分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１価及び２価の陽イオンを同時分析することが可能な弱酸性陽イオン交換体、該弱酸性陽イオン交換体を充填した分離カラム及び陽イオンの分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
１価及び２価の陽イオンを同時分析することができる陽イオン交換クロマトグラフィー用充填剤には、多孔質シリカゲルにポリ（ブタジエン−マレイン酸）（以下「ＰＢＤＭＡ」ともいう。）の被膜を形成した後、１８０℃で４時間加熱して製造した弱酸性陽イオン交換体がある（非特許文献１）。しかし、この方法で作られた弱酸性陽イオン交換体は、担体である多孔質シリカゲルとＰＢＤＭＡ被膜との密着性が十分ではなく、安定したイオン交換容量を有する弱酸性陽イオン交換体を用いて充填カラムを製造することが困難であり、分析の再現性に乏しいという問題を有している。さらに、イオン交換クロマトグラフィーを行うときに、溶離液中に錯形成剤を添加することによって、１価及び２価の陽イオンの選択性を調節するという煩わしさがある。
【０００３】
上記の問題を解決する充填剤として、例えば、エチレングリコールジメタクリレートとグリシジルメタクリレートとを重合させて得られる水酸基を有する担体に、四塩基酸二無水物を反応させて酸無水物基を導入し、該酸無水物を加水分解して得られる弱酸性陽イオン交換体（特許文献１）や多孔性担体の表面に多官能カルボン酸化合物と多官能エポキシ化合物との硬化物を被覆してなる弱酸性陽イオン交換体が提案されている（特許文献２）。しかしながら、これらの弱酸性陽イオン交換体は、その構造中にエステル結合が含まれることから、一般的な陽イオンの分析で用いられる酸性溶離液により引き起こされる加水分解によって劣化しやすいという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−８１５１１号公報
【特許文献２】特開平８−２５７４１９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「クロマトグラフィア（Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｉａ）」、１９８７年、第２３巻、第７号、ｐ．４６５−４７２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、１価及び２価の陽イオンを同時分析することができ、陽イオンの保持能力を長期間維持することができ、耐久性に優れる弱酸性陽イオン交換体、該弱酸性陽イオン交換体を充填した陽イオン交換クロマトグラフィー用カラム、及び該カラムを用いた陽イオンの分析方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の従来技術における問題を解決するものであり、以下の事項からなる。
［１］（Ａ）担体と、（Ｂ）分子内にエチレン性二重結合を有するアルコキシシランと、（Ｃ）カルボキシル基又は酸無水物基、及びエチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物と、（Ｄ）ラジカル開始剤とを含む原料を反応させた反応生成物からなり、かつ、該反応生成物が、該担体（Ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、
該アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、該化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）とを有する、弱酸性陽イオン交換体。
【０００８】
［２］前記担体（Ａ）と、前記アルコキシシラン（Ｂ）と、前記化合物（Ｃ）と、前記ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させるに際して、担体（Ａ）と、アルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と、化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させる、［１］に記載の弱酸性陽イオン交換体。
【０００９】
［３］前記担体（Ａ）が、体積平均粒径１〜３０μｍの粒子である、［１］又は［２］に記載の弱酸性陽イオン交換体。
［４］前記担体（Ａ）が、シリカ、アルミナ、チタニア及びガラスビーズから選ばれる少なくとも一種である、［１］〜［３］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体。
【００１０】
［５］前記アルコキシシラン（Ｂ）中に存在する二重結合が、ビニル基又はアリル基である、［１］〜［４］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体。
［６］前記アルコキシシラン（Ｂ）が、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン及びアリルトリエトキシシランから選ばれる少なくとも一種である、［１］〜［５］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体。
【００１１】
［７］前記化合物（Ｃ）が、無水マレイン酸である、［１］〜［６］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体。
［８］（Ａ）担体と、（Ｂ）分子内にエチレン性二重結合を有するアルコキシシランと、（Ｃ）カルボキシル基又は酸無水物基、及びエチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物と、（Ｄ）ラジカル開始剤とを含む原料を反応させる工程と、該工程における反応生成物から弱酸性陽イオン交換体を得る工程とからなり、該反応生成物が、該担体（Ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、該アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、該化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）とを有する、弱酸性陽イオン交換体の製造方法。
【００１２】
［９］前記担体（Ａ）と、前記アルコキシシラン（Ｂ）と、前記化合物（Ｃ）と、前記ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させるに際して、担体（Ａ）と、アルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と、化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させる、［８］に記載の弱酸性陽イオン交換体の製造方法。
【００１３】
［１０］［１］〜［７］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体をクロマトグラフィー用カラムに充填して得られる、１価及び２価の陽イオンを同時分析できる陽イオン交換クロマトグラフィー用カラム。
【００１４】
［１１］［１］〜［７］のいずれかに記載の弱酸性陽イオン交換体を充填したクロマトグラフィー用カラム内に、１価及び２価の陽イオンを含む試料を注入し、次いで溶離液を通液させて、該１価及び２価の陽イオンを分離する工程を含む、陽イオンの分析方法。
［１２］前記溶離液が、ｐＨ１以上７未満の酸性溶液である、［１１］に記載の陽イオンの分析方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の弱酸性陽イオン交換体は、１価及び２価の陽イオンを同時分析することができ、かつ、該弱酸性陽イオン交換体の交換能力を長期間安定的に保持することができ、耐久性にも優れる。よって、１価及び２価の陽イオンの同時分析に用いる陽イオン交換クロマトグラフィー用カラムの充填剤として好適である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
［弱酸性陽イオン交換体］
本発明の弱酸性陽イオン交換体は、担体（Ａ）と、分子内に二重結合を有するアルコキシシラン（Ｂ）（以下単に「アルコキシシラン（Ｂ）」ともいう。）と、カルボキシル基又は酸無水物基を有し、エチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物（Ｃ）（以下単に「化合物（Ｃ）」ともいう。）と、ラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させた反応生成物からなるものである。
【００１７】
ここで、陽イオン交換体とは、陽イオン交換クロマトグラフィーに用いる充填剤のことであり、粒状又は球状のイオン交換樹脂に、種々の酸解離定数を有するイオン交換基が結合したものである。陽イオン交換体は、酸解離定数の大小によって強酸性陽イオン交換体と弱酸性陽イオン交換体とに分類される。弱酸性陽イオン交換体は酸解離定数ｐＫａが２５℃で１以上の酸強度を示すものを指し、イオン交換基として、弱酸性の有機酸であるカルボキシル基が結合したものは、弱酸性陽イオン交換体に分類できる。
以下、上記弱酸性陽イオン交換体を構成する各要素について説明し、本願発明を詳細に説明する。
【００１８】
担体（Ａ）
上記担体（Ａ）には、イオン交換クロマトグラフィー用の担体として、シラン化合物と反応性のある官能基、例えば水酸基を有するものを用いることができる。上記担体（Ａ）には、例えば、無機多孔質担体等がある。これらのうち、シリカ、アルミナ、チタニア及びガラスビーズから選ばれる少なくとも一種が好ましく、シリカがより好ましい。
【００１９】
上記担体（Ａ）は、通常、粒状又は球状の粒子であり、好ましくは体積平均粒径が１〜３０μｍの粒子であり、より好ましくは体積平均粒径が１〜３０μｍでかつ平均細孔径が３〜５０ｎｍである球状粒子である。上記の体積平均粒径は、コールターカウンター法にて測定される。
【００２０】
分子内に二重結合を有するアルコキシシラン（Ｂ）
上記アルコキシシラン（Ｂ）には、例えば、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、ビニルトリプロポキシシラン及びエテニルジエトキシモノメトキシシラン等のトリアルコキシ基を有するビニルシラン；１−エテニル−１，１−ジエトキシシラノール及び１−エテニル−１−エトキシジシラノール等のアルコキシ基を１個又は２個有し、それ以外の置換基として水酸基を有するビニルシラン；１−エテニル−１，１−ジエトキシ−１−メチルシラン（ＣＨ2＝ＣＨ−Ｓｉ（ＣＨ3）（ＯＣ2Ｈ5）2）等のアルコキシ基を１個又は２個有し、それ以外の置換基としてアルキル基を有するビニルシラン；トリエトキシ（１−メチルエテニル）シラン及びトリエトキシ（１−エチルエテニル）シラン等の二重結合に分岐構造を含むトリアルコキシシラン；アリルトリエトキシシラン及び１−ブテニルトリエトキシラン等の置換基中の二重結合の位置が異なるトリアルコキシシラン；並びにジビニルジエトキシシラン及びトリビニルエトキシシラン等の２個以上の二重結合を有するアルコキシシラン等がある。これらのうち、工業的入手が容易である点から、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン及びアリルトリエトキシシランが好ましい。これらは一種単独で用いてもよいし、二種以上組み合わせて用いてもよい。
【００２１】
カルボキシル基又は酸無水物基を有し、エチレン性二重結合を有し、エステル結合を有しない化合物（Ｃ）
上記化合物（Ｃ）とは、カルボキシル基又は酸無水物基と、重合可能なエチレン性の二重結合とを有し、エステル結合を有しない化合物をいう。上記化合物（Ｃ）には、例えば、アクリル酸、３−ブテン酸及び４−ペンテン酸等のＣＨ2＝ＣＨ−（ＣＨ2）n−ＣＯＯＨ（ｎは０〜２の整数）で表されるカルボン酸；メタクリル酸、３−メチル−３−ブテン酸及び４−メチル−４−ペンテン酸等のＣＨ2＝Ｃ（ＣＨ3）−（ＣＨ2）n−ＣＯＯＨ（ｎは０〜２の整数）で表されるカルボン酸；クロトン酸、オレイン酸及びリノール酸等の内部オレフィンを有するカルボン酸；ビニル安息香酸等の芳香族基含有不飽和カルボン酸；マレイン酸及びフマル酸のようなジカルボン酸；無水マレイン酸、グルタコン酸無水物及びイタコン酸無水物等のジカルボン酸無水物；クロロマレイン酸無水物、シトラコン酸無水物及び無水２,３-ジメチルマレイン酸等の無水マレイン酸誘導体等がある。これらのうち、反応性の点及び工業的入手が容易である点から、無水マレイン酸が好ましい。これらは一種単独で用いてもよいし、二種以上組み合わせて用いてもよい。
【００２２】
ラジカル開始剤（Ｄ）
ラジカル開始剤（Ｄ）は、該ラジカル開始剤（Ｄ）から発生するフリーラジカルが、アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合や、化合物（Ｃ）に基づく二重結合を形成するπ電子を奪って該二重結合中の一の炭素原子と安定な結合を形成し、残ったπ電子が該二重結合中の他の炭素原子上で新たなラジカル部位となって、別の二重結合を形成するπ電子を奪って該二重結合中の炭素原子と新たな結合を形成することにより、炭素鎖を伸長させる。その結果、エチレン性二重結合を有する化合物の単独重合や共重合が起こる。
【００２３】
本発明では、ラジカル開始剤（Ｄ）として、従来公知の熱重合開始剤及び光重合開始剤を特に制限なく用いることができる。具体的には、アゾビス系化合物及び過酸化物等が好ましく、２，２’−アゾビスイソブチロニトリル（以下「ＡＩＢＮ」ともいう。）、２，２−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）、ベンゾイルパーオキサイド、ラウロイルパーオキサイド、及びジクミルパーオキサイド等がより好ましい。これらは一種単独で用いてもよいし、二種以上組み合わせて用いてもよい。
【００２４】
上記ラジカル開始剤の使用量は、アルコキシシラン（Ｂ）及び化合物（Ｃ）の総量に対して、通常０．０１〜２０質量％、好ましくは１〜１０質量％である。ラジカル開始剤の使用量が０．０１質量％よりも少ない場合、上記反応が十分に進行しないことがある。
【００２５】
［弱酸性陽イオン交換体の製造方法］
本発明の弱酸性陽イオン交換体は、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）と化合物（Ｃ）とラジカル開始剤（Ｄ）とを含む原料を反応させた反応生成物から製造される。具体的には、上記弱酸性陽イオン交換体は、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させた反応生成物から製造されるか、又は、アルコキシシラン（Ｂ）と化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させた後、得られた生成物と、担体（Ａ）とを反応させた反応生成物から製造される。これらのうち、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）との反応が効率的に進行するとの観点から、通常、上記弱酸性陽イオン交換体は、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）とを反応させて変性担体（Ａ’）を得た後、該変性担体（Ａ’）と化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させた反応生成物から製造される。以下、後者の製造方法の態様を例に挙げて説明する。
【００２６】
変性担体（Ａ’）
担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）とを反応させる場合、まず、アルコキシシラン（Ｂ）が水により加水分解されてシラノール（Ｓｉ−ＯＨ）となり、これが部分的に縮合してオリゴマー化した後、該オリゴマーが担体（Ａ）の表面に水素結合の形成を伴って吸着し、加熱により脱水縮合して、強固な化学結合が形成される。このため、担体（Ａ）は、アルコキシシラン（Ｂ）に基づくシラノール結合と水素結合を形成できるように、その表面を予め官能化して、水酸基等を生成させておくことが好ましい。この官能化によって生成した水酸基とアルコキシシランのシラノールとが反応して結合することができる。
【００２７】
例えば、担体（Ａ）がシリカの場合、シリカ表面の官能化と金属不純物の除去のため、塩酸、硝酸又は硫酸等の鉱酸水溶液で加熱撹拌しながら洗浄する。鉱酸は一種単独で用いてもよいし、二種以上を混合して用いてもよい。なお、酸化チタン、アルミナ、ガラスビーズの場合も、シリカの場合と同様の官能化処理によって、水酸基のような官能基を生成させることができる。
【００２８】
鉱酸水溶液の濃度及び量に特に制限はない。鉱酸水溶液の濃度は通常１〜１２Ｎ（規定）であることが好ましい。１Ｎ未満だと、十分な洗浄効果が得られないことがある。鉱酸水溶液の量は、撹拌しながら洗浄する場合、シリカに対して通常５倍重量以上であることが好ましい。
【００２９】
洗浄時間に特に制限はないが、十分な洗浄効果を得るためには、２時間以上は撹拌することが好ましい。洗浄温度は３０〜１００℃であることが好ましい。３０℃未満だと、十分な洗浄効果が得られないことがある。
【００３０】
洗浄後、鉱酸を除去する。除去する方法には、ろ過及び遠心分離等の固体と液体とを分離するための通常の方法がある。或いは、ろ過又は遠心分離の操作中に水で置換することにより鉱酸を除去することもできる。アルコキシシラン（Ｂ）との反応に備えて、鉱酸は完全に除去しておく必要がある。
【００３１】
一方、アルコキシシラン（Ｂ）と水との反応による加水分解は、一般的に、嵩高いアルコキシ基による立体障害、ケイ素に結合している置換基の電子供与性、又はｐＨの影響を受けるといわれる。例えば、アルコキシ基又はアルキル基のような、立体障害が大きく、ケイ素の電荷を上げる置換基を有するアルコキシシラン（Ｂ）は安定である。アルコキシシラン（Ｂ）はｐＨ３．５〜４程度であるときが安定である。したがって、反応を加速するには、反応系をこのｐＨ領域ではないｐＨに調整して行うことが好ましい。ただし、担体（Ａ）がシリカの場合、アルカリ性の条件下ではシリカ自体が溶解するため、シリカとアルコキシシラン（Ｂ）とを反応させる場合、ｐＨは酸性から中性領域、具体的にはｐＨ０〜３．５又は４〜７の範囲で行うことが好ましい。
【００３２】
アルコキシシラン（Ｂ）が加水分解してシラノールを形成し、シラノールがシリカ表面のシラノール基と縮合反応を起こすことから、シリカとアルコキシシラン（Ｂ）との反応は、水が存在する系で行う必要がある。このとき、アルコキシシラン（Ｂ）の安定性がｐＨによって異なることから、緩衝能を有する水系溶媒を用いるのが好ましい。例えば、ｐＨが４〜７の場合、そのｐＨ領域において緩衝能が最大となるような緩衝液を選択するとよい。このような水系溶媒には、例えば、ギ酸ナトリウム緩衝液、酢酸ナトリウム緩衝液、安息香酸ナトリウム緩溶液、ドデシルスルホン酸ナトリウム／ギ酸緩衝液等が挙げられる。
【００３３】
担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）との反応は、常法に従い行うことができる。例えば、担体（Ａ）がシリカである場合、シリカをトルエン又はキシレン等の芳香族炭化水素溶媒に分散させて、アルコキシシラン（Ｂ）を加える。反応温度は通常、溶媒の沸点付近まで上げる。溶媒の量は、十分に撹拌ができる量であれば、特に制限はない。
【００３４】
シリカに対するアルコキシシラン（Ｂ）の量は下記式で表される。
アルコキシシラン（Ｂ）の量（ｇ）＝
シリカの量（ｇ）×比表面積（ｍ2／ｇ）／アルコキシシラン（Ｂ）の最小被覆面積（ｍ2／ｇ）
ここで、比表面積は、ＢＥＴ法により求められ、具体的にはシリカ表面の窒素ガスを物理吸着させ、その量から求められる。
アルコキシシラン（Ｂ）の最小被覆面積は、特開２００２−１４６２３３号公報に記載の下記式で表されるものと仮定している。
アルコキシシラン（Ｂ）の最小被覆面積（ｍ2／ｇ）＝
６．０２×１０23／ｍｏｌ×１．３３×１０-19ｍ2／アルコキシシラン（Ｂ）のモル質量（ｇ／ｍｏｌ）
【００３５】
例えば、アルコキシシラン（Ｂ）がトリアルコキシシランである場合、加水分解して得られるＳｉ（Ｏ）3を半径２．１０Åの球形からなるＳｉ原子１個と半径１．５２Åの球形からなるＯ原子３個とからなるとし、Ｓｉ−Ｏの結合距離１．５１Å、四面体角１０９．５°と仮定し、さらにシリカ表面のシラノール基と上記の３個のＯ原子がすべて反応するとして、３個のＯ原子が被覆することができる最小の円形面積を計算する。その結果、１分子当たりの被覆面積は１．３３×１０-19ｍ2／分子、１モル当たりに換算すると８．０１×１０4ｍ2／モルとなる。アルコキシシラン（Ｂ）の最小被覆面積は、１モル当たりの最小被覆面積値に各シランカップリング剤の分子量を掛け合わせることで求めることができる。
【００３６】
ただし、アルコキシシラン（Ｂ）は、上記式により計算される量よりも多く用いてもよく、シリカに対してアルコキシシラン（Ｂ）を数倍〜数十倍多く加えてもよい。過剰量のアルコキシシラン（Ｂ）は、反応後、洗浄して除去してもよい。アルコキシシラン（Ｂ）の量が少なすぎる場合、シリカにアルコキシシラン（Ｂ）が十分に導入できないことがある。
【００３７】
担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）との脱水縮合は、一般に加熱下に行う。反応終了後、過剰量のアルコキシシラン（Ｂ）は除去することが好ましい。除去する方法には、ろ過及び遠心分離等の固体及び液体を分離する手法等がある。或いは、反応溶媒を使用してスプレードライ法により除去してもよいし、リンスによりアルコキシシラン（Ｂ）を除去してもよい。なお、前記反応溶媒は、アルコキシシラン（Ｂ）や反応生成物が反応しないものであれば、特に制限はない。
【００３８】
変性担体（Ａ’）と化合物（Ｃ）との反応
上記弱酸性陽イオン体は、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）との反応により得られた変性担体（Ａ’）と、化合物（Ｃ）とをラジカル開始剤（Ｄ）を用いて反応させることにより、変性担体（Ａ’）を構成するアルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と、化合物（Ｃ）中の二重結合とがラジカル重合して得られる反応生成物からなる。
【００３９】
このとき使用される溶媒には、アルコキシシラン（Ｂ）に基づく官能基や化合物（Ｃ）が加水分解を起こすような溶媒（水、アルコール等）は除けば、化合物（Ｃ）を溶媒できるものを特に制限なく用いることができる。前記溶媒１００ｇに溶解する溶質の限界量は０．０１ｇ以上、すなわち、溶解度が０．０１ｇ／１００ｇ以上であることが好ましく、溶解度が１ｇ／１００ｇ以上であることがより好ましい。例えば、化合物（Ｃ）が無水マレイン酸である場合、トルエン及びキシレン等の芳香族炭化水素；ヘプタン及びオクタン等の脂肪族炭化水素；ジオキサン及びテトラヒドロフラン等の脂環式エーテル等が用いられる。化合物（Ｃ）が液体の場合も上記と同様の溶媒が用いられるが、混ざらない場合は、攪拌によって懸濁させた状態で使用してもよい。
【００４０】
化合物（Ｃ）は、変性担体（Ａ’）中の二重結合のモル数（物質量）に対して、例えば、２〜１００倍の量で加える。反応終了後、過剰量の化合物（Ｃ）は洗浄により除去することが好ましい。
【００４１】
上記のようにして得られた反応生成物は、担体（Ａ）とアルコキシシラン（Ｂ）とが化学結合した部位（ａ）と、アルコキシシラン（Ｂ）に基づく二重結合と化合物（Ｃ）に基づく二重結合とが共重合した部位（ｂ）とを有する。
【００４２】
反応生成物は、化合物（Ｃ）に基づくカルボキシル基又は酸無水物基を有しており、該カルボキシル基又は酸無水物基をイオン交換基として、弱酸性陽イオン交換体として作用することができる。
【００４３】
反応生成物中のカルボキシル基の量は、陽イオン交換容量として、電位差自動滴定装置を用いた滴定により求めることができる。カルボキシル基量は分離カラムの長さや分析条件に依存するが、１価及び２価の陽イオンを同時分析するためには、カルボキシル基又は酸無水物基の量は０．５〜３．５ｍｅｑ／ｇが好ましく、１．０〜３．０ｍｅｑ／ｇがより好ましい。カルボキシル基量が０．５ｍｅｑ／ｇ未満だと、保持能力が小さく、陽イオンを分離する能力が小さすぎることがある。一方、カルボキシル基量が３．５ｍｅｑ／ｇを超えると、保持が大きくなり過ぎ、分析時間が長くなり過ぎることがある。このカルボキシル基の量は、担体（Ａ）と反応させるアルコキシシラン（Ｂ）の量でもコントロールできるが、重合させる化合物（Ｃ）の量や反応条件でコントロールすることもできる。
【００４４】
なお、アルコキシシラン（Ｂ）と化合物（Ｃ）を反応させた後に、得られた反応物と担体（Ａ）の官能基、例えば水酸基とを反応させる場合の反応条件は上記に記載されたとおりである。すなわち、（Ｂ）と（Ｃ）を重合反応により反応させて、カルボキシル基を含有するアルコキシシランを調製する。このとき（Ｃ）を過剰にしておく。具体的には化合物（Ｃ）を、アルコキシシラン（Ｂ）のモル数（物質量）に対して、数倍〜数十倍の量で加える。そうすることで、（Ｂ）だけが単独で重合することのないようにする。（Ｃ）の単独重合物は、担体（Ａ）と反応させても、その後の洗浄により除去できる。
【００４５】
［陽イオン交換クロマトグラフィー用カラム及び陽イオンの分析方法］
本発明の陽イオン交換クロマトグラフィー用カラムは、上記弱酸性陽イオン交換体をクロマトグラフィー用カラムに充填したものであり、１価及び２価の陽イオンを同時分析することができる。
【００４６】
上記クロマトグラフィー用カラムには、一般に市販されている樹脂製又はステンレス鋼製のカラムが、特に制限なく用いられる。具体的には、ＰＥＥＫ樹脂等が挙げられる。
本発明の陽イオンの分析方法は、上記弱酸性陽イオン交換体を充填した陽イオン交換クロマトグラフィー用カラム内に、１価及び２価の陽イオンを含む試料を注入し、次いで溶離液を展開させて該１価及び２価の陽イオンを分離する工程を含むものである。
【００４７】
分析は酸性条件下に行われるため、上記溶離液には通常ｐＨ１以上の酸性水溶液が用いられる。酸性水溶液には一般に、不揮発性の酸を水に溶解させた水溶液が用いられ、ｐＨ１以上７未満の酸性水溶液を用いることが好ましい。なお、酸の濃度は担体（Ａ）の性質に依存しており、例えば、担体（Ａ）がシリカの場合、シリカはアルカリ条件下で溶解するため、ｐＨ８以上に設定することはできない。
【実施例】
【００４８】
以下、実施例を挙げて本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明はこれにより何らの限定を受けるものではない。
使用した分析機器及び分析条件は以下の通りである。
【００４９】
〔陽イオン交換容量（カルボキシル基量）の測定〕
（１）電位差自動滴定装置：ＡＴ−４００（京都電子工業（株）製）
秤量した試料０．５ｇを０．１ｍｍｏｌ塩化カリウム水溶液に分散させ、電位差自動滴定装置によりｐＨ８を終点として、０．０１Ｎ水酸化ナトリウム水溶液を用いて滴定した。
（２）高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）
電気伝導率検出器（ＣＤ）：ＩＣＡ−５２２０（東亜ディーケーケー（株）製）
送液ポンプ：ＬＣ−２０ＡＤ（（株）島津製作所製）
カラムオーブン：ＣＴＯ−２０Ａ（（株）島津製作所製）
データ処理：４８０ＩＩＸＰ（システム・インスツルメンツ（株）製）
溶離液：５ｍＭ硝酸水溶液
カラム温度：４０℃
流速：１．０ｍＬ／分
注入量：２０μＬ
標準測定試料：Ｌｉ+：０．２ｍｇ／Ｌ、 Ｎａ+：１ｍｇ／Ｌ、 ＮＨ4+：１ｍｇ／Ｌ、 Ｋ+：２ｍｇ／Ｌ、 Ｍｇ2+：１ｍｇ／Ｌ、 Ｃａ2+：２ｍｇ／Ｌ
【００５０】
〔重量平均粒径〕
粒度分布測定装置：マルチサイザー・スリー（Ｍｕｌｔｉｓｉｚｅｒ  ３）（ベックマン・コールター（株）製）
分散媒：水
【００５１】
［調製例１］担体（Ａ）の前処理（官能化）
撹拌翼を備えた３０００ｍＬのセパラブルフラスコにシリカ３００ｇ（ＳＰ型シリカゲルＳＰ−１２０−３Ｐ（ダイソー（株）製）、体積平均粒径２．８μｍ、平均細孔径１３．２ｎｍ、比表面積３２４ｍ2／ｇ）を入れ、１８００ｍＬの６Ｎ（規定）塩酸を加えた。超音波で分散させた後、６０℃で１５時間撹拌した。室温まで冷却した後、グラスフィルターでろ過した。次いで、ろ液のｐＨが中性になるまで水で洗浄した。その後、メタノールでさらに洗浄し、得られたシリカを風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて４９．２ｇの前処理シリカを得た。
【００５２】
［実施例１］弱酸性陽イオン交換体の調製
撹拌翼を備えた５００ｍＬのセパラブルフラスコに、調製例１で得られた前処理シリカ２０ｇとトルエン３００ｍＬとを加え、１１０℃で２時間撹拌して、約３０ｍＬのトルエンを留出させるとともに、系中の水を除去した。室温まで冷却した後、１８．２ｇ（８９ｍｍｏｌ）のアリルトリエトキシシラン（東京化成工業（株）製）と水０．１ｇとを加えて、９０℃で１５時間撹拌した。室温まで冷却した後、グラスフィルターでろ過した。得られた生成物をトルエン、アセトン、水及びアセトンの順に洗浄し、風乾し、８０℃で６時間真空乾燥させて、２１．８ｇの二重結合導入シリカ（変性シリカ）を得た。
【００５３】
撹拌翼を備えた１００ｍＬのセパラブルフラスコに、得られた二重結合導入シリカ５．３ｇ、トルエン４２．４ｇ、無水マレイン酸９．５２ｇ（関東化学（株）製）及びアゾビスイソブチロニトリル（ＡＩＢＮ）０．６６ｇ（和光純薬工業（株）製）を入れて混合した。混合後、窒素置換し、窒素雰囲気下で８０℃で８時間撹拌した。反応生成物をろ過した後、トルエン、アセトン及び水の順に洗浄した。さらに水を混合して、６０℃で３時間撹拌して酸無水物を開環させた後、水及びアセトンの順に洗浄した。風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて、５．８９ｇのカルボキシル基導入シリカ（弱酸性陽イオン交換体）を得た。陽イオン交換容量（カルボキシル基量）は１．５ｍｅｑ／ｇであった。
【００５４】
［実施例２］弱酸性陽イオン交換体の調製
撹拌翼を備えた５００ｍＬのセパラブルフラスコに、調製例１で得られた前処理シリカ２０ｇとトルエン３００ｍＬとを加え、１１０℃で２時間撹拌して、約３０ｍＬのトルエンを留出させるとともに、系中の水を除去した。室温まで冷却した後、１６．９ｇ（８９ｍｍｏｌ）のビニルトリエトキシシラン（東京化成工業（株）製）と水０．１ｇとを加えて、９０℃で１５時間撹拌した。室温まで冷却した後、グラスフィルターでろ過した。得られた生成物をトルエン、アセトン、水及びアセトンの順に洗浄し、風乾し、８０℃で６時間真空乾燥させて、２１．５ｇの二重結合導入シリカ（変性シリカ）を得た。
【００５５】
撹拌翼を備えた１００ｍＬのセパラブルフラスコに、得られた二重結合導入シリカ５．３ｇ、トルエン４２．４ｇ、無水マレイン酸９．５２ｇ（関東化学（株）製）、ＡＩＢＮ ０．６６ｇ（和光純薬工業（株）製）を入れて混合した。混合後、窒素置換し、窒素雰囲気下で８０℃で８時間撹拌した。得られた生成物をろ過した後、トルエン、アセトン及び水の順に洗浄した。さらに水を混合して、６０℃で３時間撹拌して酸無水物を開環させた後、水及びアセトンの順に洗浄した。風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて、５．８９ｇのカルボキシル基導入シリカ（弱酸性陽イオン交換体）を得た。陽イオン交換容量は１．６ｍｅｑ／ｇであった。
【００５６】
［実施例３］弱酸性陽イオン交換体の調製
実施例２において、１６．９ｇ（８９ｍｍｏｌ）のビニルトリエトキシシラン（東京化成工業（株）製）の代わりに、１３．２ｇ（８９ｍｍｏｌ）のビニルトリメトキシシラン（東京化成工業（株）製）を使用したこと以外は、実施例２と同様にして、５．８５ｇのカルボキシル基導入シリカ（弱酸性陽イオン交換体）を得た。陽イオン交換容量は１．５ｍｅｑ／ｇであった。
【００５７】
［実施例４］弱酸性陽イオン交換体の調製
撹拌翼を備えた５００ｍＬのセパラブルフラスコに、調製例１で得られた前処理シリカ２０ｇと、ｐＨ５．５のドデシルスルホン酸ナトリウム／ギ酸緩衝液（ドデシルスルホン酸ナトリウム１０ｇ及びギ酸ナトリウム２．０４ｇを純水１Ｌに溶解させた水溶液を、０．０３Ｍギ酸水溶液を用いてｐＨ５．５に調整したもの）１２０ｇとを混合した。混合後、ビニルトリエトキシシラン（東京化成工業（株）製）１０ｇ（５２．５ｍｍｏｌ）を加えて、９０℃で２．５時間撹拌して反応させた。室温まで冷却後、ろ過し、水、ｐＨ５．５のドデシルスルホン酸ナトリウム／ギ酸緩衝液、水及びアセトンの順に洗浄した。反応生成物を風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて、２３．２ｇの二重結合導入シリカ（変性シリカ）を得た。
【００５８】
撹拌翼を備えた１００ｍＬのセパラブルフラスコに、得られた二重結合導入シリカ５ｇと、トルエン４０ｇ、無水マレイン酸９ｇ（関東化学（株）製）、及びＡＩＢＮ ０．６３ｇ（和光純薬工業（株）製）を混合した。混合後、窒素置換し、窒素雰囲気下で８０℃で８時間撹拌した。反応生成物をろ過した後、トルエン、アセトン、水及びアセトンの順に洗浄した。さらに水を添加して、６０℃で３時間撹拌し、酸無水物を開環させた。その後、水及びアセトンの順に洗浄した。風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて、５．５５ｇのカルボキシル基導入シリカ（弱酸性陽イオン交換体）を得た。陽イオン交換容量は１．８ｍｅｑ／ｇであった。
【００５９】
［実施例５］弱酸性陽イオン交換体の調製
実施例４において、無水マレイン酸の使用量を９ｇから４．５ｇに変更したこと以外は、実施例４と同様にして、５．４７ｇのカルボキシル基導入シリカを得た。陽イオン交換容量は１．６ｍｅｑ／ｇであった。
【００６０】
［比較例１］
実施例４において、ＡＩＢＮを使用しなかったこと以外は、実施例４と同様にして、５．０４ｇのカルボキシル基導入シリカを得た。陽イオン交換容量は０．３ｍｅｑ／ｇであった。
【００６１】
［比較例２］
実施例４において、無水マレイン酸の代わりに、アクリル酸２−カルボキシエチル（ＣＨ2＝ＣＨＣＯＯＣＨ2ＣＨ2ＣＯＯＨ）を使用したこと以外は、実施例４と同様にして、５．８５ｇのカルボキシル基導入シリカを得た。陽イオン交換容量は１．３ｍｅｑ／ｇであった。
【００６２】
［比較例３］
調製例１で得られたシリカ５ｇと、トルエン４０ｇ、無水マレイン酸９ｇ（関東化学（株）製）、及びＡＩＢＮ ０．６３ｇ（和光純薬工業（株）製）を混合した。混合後、窒素置換し、窒素雰囲気下で８０℃で８時間撹拌した。反応生成物をろ過した後、トルエン、アセトン、水及びアセトンの順に洗浄した。さらに水を添加して、６０℃で３時間撹拌し、酸無水物を開環させた。その後、水及びアセトンの順に洗浄した。風乾後、８０℃で６時間真空乾燥させて、５．０３ｇのカルボキシル基導入シリカ（弱酸性陽イオン交換体）を得た。陽イオン交換容量は０．１ｍｅｑ／ｇであった。
【００６３】
〔陽イオンの分離分析〕
実施例１〜５及び比較例１〜３で得られた弱酸性陽イオン交換体を５ｍＭ硝酸水溶液に分散させ、内径４ｍｍ、長さ１５０ｍｍの円筒に充填して陽イオン交換クロマトグラフィー用カラムを作製した。この分離カラムを使用し、５ｍＭ硝酸水溶液を溶離液として、６種類の陽イオン（Ｌｉ+、Ｎａ+、ＮＨ4+、Ｋ+、Ｍｇ2+、Ｃａ2+）の分離を行った。
結果を表１に示す。
【００６４】
【表１】
2015229155.tif 000002
【００６５】
実施例１〜５及び比較例２の弱酸性陽イオン交換体を用いた場合、６種類の陽イオンがそれぞれ分離して溶出することがわかる。しかし、比較例１と３の弱酸性陽イオン交換体は、陽イオンは分離せず、１つのピークとして観測された。
【００６６】
〔弱酸性陽イオン交換体の耐久性評価（１）〕
実施例４の弱酸性陽イオン交換体を充填した陽イオン交換クロマトグラフィー用カラムを使用して、陽イオンの分離分析を行った後、溶離液を含んだまま、カラムの両端に栓をして、６０℃の恒温槽に静置した。３８０時間、５５５時間、及び１０７０時間が経過した時点で、分離カラムを恒温槽から取り出し、再び陽イオンの分離分析を行った。
結果を表２に示す。表２の結果から、実施例４の弱酸性陽イオン交換体は１ヶ月以上保持能力を維持し、６種類の陽イオンを分離することが可能であることがわかる。
【００６７】
【表２】
2015229155.tif 000003
【００６８】
〔弱酸性陽イオン交換体の耐久性評価（２）〕
前記耐久性評価（１）において、実施例４の弱酸性陽イオン交換体の代わりに、比較例２のカルボキシル基導入シリカを使用したこと以外は、耐久性評価（１）と同様にして、６種類の陽イオン分析を行った。
結果を表３に示す。表３の結果から、比較例２の分離カラムは保持能力が経時的に低下することがわかる。
【００６９】
【表３】
2015229155.tif 000004
【００７０】
表２及び３の結果から、実施例４の分離カラムのほうが比較例２の分離カラムに比べて、耐久性に優れることがわかる。