(57)【要約】【課題】幾何学的な均一性の高い骨格構造を有する多孔質一体型カラム、及びその均一性を定量的に評価する方法を提供することにある。【解決手段】金属酸化物ガラス又は金属酸化物ガラスセラミックスよりなり、平均孔径１００ｎｍ以上で三次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔の内壁面に形成された平均孔径５０ｎｍ以下の細孔とを有し、レーザー共焦点顕微鏡によって観察された三次元画像における界面積平均あたりの平均曲率をＨ、ガウス曲率をＫとするとき、Ｈ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｋ）の最高値が１．５以下、Ｋ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｈ）の最高値が０．９以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属酸化物ガラス又は金属酸化物ガラスセラミックスよりなり、平均孔径１００ｎｍ以上で三次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔の内壁面に形成された平均孔径５０ｎｍ以下の細孔とを有し、レーザー共焦点顕微鏡によって観察された三次元画像における界面積平均あたりの平均曲率をＨ、ガウス曲率をＫとするとき、Ｈ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｋ）の最高値が１．５以下、Ｋ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｈ）の最高値が０．９以下であることを特徴とする多孔質一体型カラム。
【請求項２】
水溶性高分子カルボン酸及び酸アミドを含む溶液中で、少なくとも１個の金属・炭素結合を介して結合した非加水分解性の有機官能基と加水分解性の官能基とを含む有機金属化合物を、加水分解した後、型内でゲル化させることを特徴とする多孔質一体型カラムの製造方法。
【請求項３】
前記水溶性高分子カルボン酸が、ポリアクリル酸、及びポリメタクリル酸のうちから選ばれる一種以上である請求項２に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、骨格および空孔の共連続構造が形成された多孔質一体型カラムとその製造方法に関する。このカラムは、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）用の分離媒体、分子吸着、触媒担持などに好適に利用されうる。
【背景技術】
【０００２】
多孔質一体型カラムは、粒子充填型カラムと異なり、骨格と孔径及び気孔率とをある程度独立して制御することができるため、液体クロマトグラフィー（ＬＣ）用の分離媒体として、圧力損失を増大させることなく分離能を向上させることができる点で優れている。従来、多孔質一体型カラムを製造する典型的な方法として、ポリエチレンオキシドなどの相分離誘起成分の存在下で金属アルコキシドを加水分解させることによりゲルを生成する、いわゆる相分離を伴うゾル−ゲル転移が知られている（特許文献１及び２）。
【特許文献１】特許第３３１７７４９号明細書
【特許文献２】特許第２８９３１０４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、従来の孔評価の方法を最大限に駆使して、骨格が極めて似通っていると評価される多孔質体を用いても、それぞれの多孔質体から作られた一体型カラムとしての分離性能が大きく異なる場合があった。特に、円柱状多孔質体の半径方向の僅かな構造の不均一性は、破断面の電子顕微鏡観察や液体圧入挙動から定量的に評価することが困難である一方、液体クロマトグラフィー分離の性能には多大な影響を及ぼす因子である。
それ故、この発明の課題は、幾何学的な均一性の高い骨格構造を形成することのできる反応系を特定すると共に、その均一性を定量的に評価する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
その課題を解決するために、この発明の多孔質一体型カラムは。
金属酸化物ガラス又は金属酸化物ガラスセラミックスよりなり、平均孔径１００ｎｍ以上で三次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔の内壁面に形成された平均孔径５０ｎｍ以下の細孔とを有し、レーザー共焦点顕微鏡によって観察された三次元画像における界面積平均あたりの平均曲率をＨ、ガウス曲率をＫとするとき、Ｈ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｋ）のＫ＝０近傍における最高値が１．５、Ｋ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｈ）のＨ＝０近傍における最高値が０．９であることを特徴とする。
【０００５】
また、この発明の多孔質一体型カラムを製造する適切な方法は、
水溶性高分子カルボン酸及び酸アミドを含む溶液中で、少なくとも１個の金属・炭素結合を介して結合した非加水分解性の有機官能基と加水分解性の官能基とを含む有機金属化合物を、加水分解した後、型内でゲル化させることを特徴とする。
この製造方法によれば、比較的機械強度の低い状態でマイクロメートル領域の多孔構造が、加水分解後の相分離を伴う重合反応により形成される。水溶性高分子カルボン酸は相分離を誘起し、酸アミドは約４０℃以上において反応溶液中で加水分解してアンモニアを発生し、反応溶液のｐＨを上昇させることにより、ゲル化を促進する。こうして無機成分を含む重合体の濃度が相対的に高く当該重合体に富む相に由来する骨格相、および上記濃度が相対的に低く溶媒に富む相の共連続構造を有するゲルが、形成される。骨格相および溶媒相は、それぞれ、連続した３次元の網目構造を有しており、互いに絡み合っている。
【０００６】
重合反応は、通常、カラムの輪郭を提供する壁に囲まれた型内で行われる。一般的に、重合体に富む相が反応容器壁に強く吸着すると、壁に結合した当該相がゲル化の進行に伴って張力を受けて延伸し、壁付近の孔径が壁から遠い中心部の孔径よりも大きくなろうとする。この製造方法においては、水溶性高分子カルボン酸が酸アミドと共存しているので、カルボキシル基が一部反応してエステル化およびアミド化が起こり、ポリアクリル酸のカルボキシル基が、シリカゲル表面にあるシラノール基に対して、元来比較的弱くしか水素結合しないこともあいまって、重合体に富む相よりもむしろ溶媒に富む相に優先的に水溶性高分子カルボン酸が分配される。従って、溶媒に富む相の粘性が高くなり、重合体に富む相の前記延伸が抑制され、幾何学的に均質性の高いゲル骨格が実現される。溶媒相は、ゲル化後の溶媒置換により水溶性高分子カルボン酸が除去されて貫通孔となる。あるいは骨格を形成する物質の耐熱温度以下の適当な温度で熱処理を行い、水溶性高分子カルボン酸、溶媒などの有機成分を分解除去してもよい。
【０００７】
溶媒を除去していない湿潤ゲルを密閉条件下で加熱することにより、骨格の表面及び内部に貫通孔より孔径が小さい細孔が形成される。例えば、シリカ、チタニア、ジルコニア、アルミナあるいは有機架橋されたシロキサン、チタノキサン、ジルコノキサン、アルミノキサン結合を含むゲルの場合、湿潤ゲルを密閉容器中で加熱することにより、細孔径とその量の制御が可能である。通常、密閉容器中の溶媒のｐＨの上昇に伴い、細孔の径と量が増加し、ｐＨの低下に伴い、細孔の量が減少する。
貫通孔及び細孔の孔径分布は、水銀圧入法あるいは窒素吸着法により測定できる。
本発明のカラムは、相分離の過程で形成した双曲面をもつ骨格構造が溶媒相とほぼ等しい体積分率を有し、相分離の初期に形成される形態からの変形が少ないゲル骨格を有するため、圧縮・引張等の強度が従来の多孔質一体型カラムよりも高い。
【０００８】
骨格の幾何学的な均一性は、レーザー共焦点顕微鏡によって観察された３次元画像から曲率分布を解析することにより評価される。その際好ましい手法は骨格の表面および内部に蛍光色素を導入し、レーザー顕微鏡の励起光（488nm）によって色素を励起し蛍光を検出する方法である。骨格の表面（骨格と貫通孔との界面）は複雑な凹凸をもつ形状からなるが、界面上の任意の点における曲率は２つの主曲率の値によって表される。
【０００９】
これらの曲率の値をそれぞれκ1, κ2としたとき、κ1, κ2の算術平均として定義される平均曲率Ｈと、それらの積で定義されるガウス曲率Ｋを、骨格表面上の多数の点について測定し、任意の曲率（Ｈ，Ｋ）についてＨ−Ｋ平面状における頻度分布（ヒストグラム）として表す。このとき頻度の値を全Ｈ−Ｋ空間における積分値を１として規格化すると、頻度を確率密度Ｐ(Ｈ，Ｋ)に換算することができ、Ｈ−Ｋ平面にＰ(Ｈ，Ｋ)値をプロットしたものを曲率分布と呼ぶ。
【００１０】
ＨおよびＫの値は界面積によって規格化されており、曲率分布は物質の界面形状のみの情報を提供し、物質のもつ界面の空間サイズには依存しない。実在物質の曲率分布を、理想的な界面構造について計算・測定されたものと比較することによって、３次元的にどのような特徴をもつかを比較検討することが可能となる。実在するすべての界面構造は、Ｋ＝Ｈ2によって表される境界線よりも小さいＫの値をもち、特にＨ＝０(Ｋ軸上)およびＫ＝０(Ｈ軸上)における確率密度Ｐ(Ｋ)あるいはＰ(Ｈ)の分布が、物質界面の形態の特徴をよく反映する。したがって界面の構造や均一性は、Ｈ−Ｋ平面内の確率密度分布、とりわけＨ＝０およびＫ＝０の軸上における確率密度Ｐ(Ｈ,Ｋ)の最大値を求めることによって、的確に評価される。
【００１１】
前記製造方法によれば、界面積平均あたりの平均曲率Ｈとガウス曲率Ｋを用いた曲率分布において、Ｈ＝０における曲率の確率密度Ｐ(Ｋ）のＫ＝０近傍における最高値が１．５以下、Ｋ＝０における曲率の確率密度Ｐ(Ｈ)のＨ＝０近傍における最高値が０．９以下という骨格構造の多孔体が得られる。このような多孔体は極めて骨格形状の均一性が高く、その結果骨格の間隙に相当する連続貫通孔の形状の均一性も高いので、連続貫通孔内における流体の流動も均一に起こる。より好ましい範囲は、Ｐ(Ｋ）の最高値が１．４以下、Ｐ(Ｈ）の最高値が０．８５以下である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のカラムは、幾何学的な均一性に優れた骨格構造を有するので、貫通孔内の液体の流動特性および、骨格内での被分離物質の動的な分配挙動にばらつきが少なく、その結果液体クロマトグラフィー法による分離性能に優れる。特に、従来の製造方法で製造され、均一性が評価されたカラムでは、カラム径を細くする（例えばφ2.4mm）と著しく分離性能及び非対称性が低下していたのに対して、本発明の製造方法で製造され、均一性が評価されたカラムは、細くしてもほとんど分離性能及び非対称性が低下しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
非加水分解性の有機官能基としては、例えば炭化水素鎖、またはそれに酸素、窒素もしくはハロゲンを含むものが挙げられる。加水分解性の官能基としては、例えば、クロル基、メトキシ基、エトキシ基、プロポキシ基、ブトキシ基が挙げられる。
本発明のカラムにおける貫通孔のサイズは、通常、その平均孔径にして、１００ｎｍ以上１００μｍ以下の範囲である。ＬＣ用カラムの分離媒体として用いる場合、貫通孔の平均孔径は、分離媒体としての分離能と圧力損失との両立を図る観点から、３００ｎｍ以上５μｍ以下の範囲が好ましく、５００ｎｍ以上３μｍ以下の範囲がより好ましい。
【００１４】
細孔のサイズは、通常、その平均孔径にして、２ｎｍ以上５０ｎｍ以下の範囲である。ＬＣ用カラムの分離媒体として用いる場合、１０ｎｍ程度（対象物質が低分子物質）、または２０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の範囲（対象物が高分子物質）が好ましい。
骨格のサイズは、通常、その平均骨格径にして、１００ｎｍ以上５０μｍ以下の範囲である。
【００１５】
相分離誘起成分として添加する水溶性高分子カルボン酸としては、ポリアクリル酸、ポリメタクリル酸が挙げられる。
重合系に加える水溶性高分子カルボン酸の量は、無機成分を含む低分子化合物の種類など、重合系により異なるが、例えば、有機金属化合物１００重量部に対して、１重量部〜１００重量部の範囲であり、５重量部〜２０重量部の範囲が好ましい。
重合系に加える水溶性高分子カルボン酸の重合度は、反応系の溶媒相の粘度を高める効果があればよく、高分子カルボン酸の単量体構造によっても異なるが、例えば５００〜７０００の範囲であり、７００〜４０００の範囲が好ましい。
本発明の製造方法では、有機金属化合物、添加物質、重合溶媒および／または加水分解・重縮合触媒の量を相対的に増減させることにより、得られる多孔質体の骨格径、貫通孔径、および細孔径を制御できる。
【実施例】
【００１６】
―実施例１―
ポリアクリル酸（ＨＰＡＡ：シグマ・アルドリッチ製  平均分子量１０万ダルトン、平均重合度１３９０）２．４ｇを、１Ｍ硝酸４．０ｇおよびホルムアミド１．０ｇに溶解させ、その溶液にテトラエトキシシラン６．５１ｇを加え、１０分間混合し加水分解させた。この溶液を内径６ｍｍφの円筒状の容器に注入したあと、容器全体を４０℃で２日間密閉保持し、分相・ゲル化させた。得られたゲルを１．５Ｍアンモニア溶液に溶媒置換し、１１０℃で４時間保持した。その後、ゲルを大気中４０℃で２日間乾燥させ、６００℃５時間熱処理した。熱処理過程でゲルが収縮したため、容器内径よりも小さい４．６ｍｍφの外径のカラム１が得られた。
【００１７】
カラム１の断面ＳＥＭ写真を図１に示す。
カラム１に対して、水銀圧入法および窒素吸着法による孔分布測定を行った結果を図２にグラフで示す。グラフは、水銀圧入法で測定した大きい方の孔（概ね50nm以上）と、窒素吸着法で測定した小さい方の孔（概ね50nm以下）のデータを、つなぎ併せて表示したものである。孔径に対する孔容積の微分のピークが、孔径にして1μｍ近傍（第１のピーク）と、孔径にして約１０ｎｍ近傍（第２のピーク）とに確認された。第１のピークは貫通孔に、第２のピークは細孔に対応している。水銀の圧入量と窒素の吸着量から、単位重量あたりの気孔の体積を測定し、非晶質シリカの密度を用いて計算したところ、全体の気孔率は、５６．３％であった。
【００１８】
−実施例２−
実施例１における内径６ｍｍφの容器に代えて内径３ｍｍφの容器を用いたこと以外は、実施例１と同一条件で製造することにより、２．４ｍｍφの外径のカラム２を得た。
【００１９】
−比較例１−
ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ：シグマ・アルドリッチ製  平均分子量１万、平均重合度２２７）０．７０ｇを０．０１Ｍ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５．１５ｇを加え、１０分間混合し加水分解させた。この溶液を内径６ｍｍφの円筒状の容器に注入したあと、容器全体を３０℃で１日間密閉保持し、分相・ゲル化させた。得られたゲルを１．５Ｍアンモニア溶液に溶媒置換し、密閉容器中１１０℃で４時間保持した。その後、ゲルを大気中４０℃で２日間乾燥させ、６００℃５時間熱処理した。熱処理過程でゲルが収縮したため、容器の内径よりも小さい４．６ｍｍφの外径の対照用のカラム３が得られた。
カラム３の断面ＳＥＭ写真を図３に示す。また、水銀圧入法および窒素吸着法による孔分布測定を行った結果を図４にグラフで示す。カラム１と同様、1μｍ近傍のピークは貫通孔に、約１０ｎｍ近傍のピークは細孔に対応している。実施例１と同様に全体の気孔率を求めたところ、５４．９％であった。
【００２０】
―比較例２―
比較例１における内径６ｍｍφの容器に代えて内径３ｍｍφの容器を用いたこと以外は、比較例１と同一条件で製造することにより、２．４ｍｍφの外径の対照用のカラム４を得た。
【００２１】
―構造の評価―
レーザー共焦点顕微鏡を用いてカラム１及び３を観察し、その三次元画像から解析した曲率分布（平均曲率Ｈとガウス曲率Ｋのプロット）を図５にグラフで示す。Ｈ−Ｋ平面内での広がりを比べると、カラム１の方が、カラム３に比べて広い範囲にＰ値が分布しており、ほぼ左右対称の形状である。これは、カラム１の方が、カラム３に比べて、骨格と貫通孔が三次元的な界面構造において対称性が高く、相分離によって形成された均一性の高い構造からの変形が少ないことを示している。
【００２２】
次に、カラム１及びカラム３の、Ｈ＝０における確率密度Ｐ（Ｋ）のＫに対する変化と、Ｋ＝０における確率密度Ｐ（Ｈ）のＨに対する変化を、図５から抽出して図６にグラフで示す。界面積によって規格化したガウス曲率Ｋの値が０近傍において、ポリエチレンオキシドを用いて作製したカラム３は、Ｈ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｋ）が１．７にも達しているのに対して、本発明の製造方法により作製したカラム１については、確率密度Ｐ（Ｋ）は１．３程度にとどまる。
また、界面積によって規格化した平均曲率Ｈの値が０近傍において、カラム３は、Ｋ＝０における曲率の確率密度Ｐ（Ｈ）はほぼ１．０にまで達しているのに対し、カラム１については、０．９に満たない。
【００２３】
−液体クロマトグラフィーへの適用−
実施例１、２及び比較例１、２に従って作製したカラム１〜４の外周部分に、移動相の圧力に対する耐圧力性を確保するために、それぞれ次のように被覆をした。カラム１には耐圧力性のある熱収縮チューブを被せ、長さ６４ｍｍのＬＣ用カラムとした。カラム２に対しては、耐圧力性のある熱収縮チューブを被せ、長さ５０ｍｍのＬＣ用カラムとした。カラム３に対しては、エポキシ樹脂で被覆し、長さ８３ｍｍのＬＣ用カラムとした。カラム４に対しては、カラム２と同様に耐圧力性のある熱収縮チューブを被せ、長さ５０ｍｍのＬＣ用カラムとした。
【００２４】
カラムの分離性能は、順相クロマトグラフィーにて評価した。測定に用いたHPLC装置は、ポンプ（ＰＵ７１２、ジーエルサイエンス株式会社製）、ＵＶ検出器（ＭＵ７０１、ジーエルサイエンス株式会社製）、データプロセッサー（ＥＺＣｈｒｏｍ  Ｅｌｉｔｅ、ジーエルサイエンス株式会社製）、及びインジェクションパルブ（ｍｏｄｅｌ８１２５、Ｒｈｅｏｄｙｎｅ社製）で構成されたものである。
順相クロマトグラフィーの移動相としては、ｈｅｘａｎｅ/ｅｔｈａｎｏｌ (９８/２, ｖ/v)を用い、溶出成分としてｂｅｎｚｅｎｅ、ｎｉｔｒｏｂｅｎｚｅｎｅ、ｏ−ｎｉｔｒｏａｎｉｓｏｌｅを用いた。ここで、ｂｅｎｚｅｎｅは固定相に保持されない成分であり、toを与える。
【００２５】
クロマトグラム中の各ピークの理論段数（N）は
Ｎ＝5.54×（ｔR/W0.5）2  ｔR：保持時間    W0.5：半値幅
によって計算し、
非対称係数（α）は
α＝ｂ0.1/ａ0.1    ａ0.1：ピーク前半の１０％高さ幅  ｂ0.1：ピーク後半の１０％高さ幅
によって計算した。
【００２６】
カラム１の測定により得られたクロマトグラムを図７（ａ）に、カラム３の測定により得られたクロマトグラムを図７（ｂ）に示した。また、カラム２の測定により得られたクロマトグラムを図８（ａ）に、対照カラム４の測定により得られたクロマトグラムを図８（ｂ）に示した。各クロマトグラムから算出した理論段数及び非対称係数を表１に示す。
【００２７】
【表１】
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【００２８】
カラム１とカラム３は同等な良い性能（理論段数）で、カラム２はカラム４に比べて性能に優れ、非対称係数も１に近いことが判る。
また本発明の製造方法により作製されたゲルによるクロマトグラムである図７（ａ）と図８（ａ）を比較すると、カラム径が細くなってもその性能と非対称性は維持されているが、ポリエチレンオキシドを用いて作製されたゲルによるクロマトグラムである図７（ｂ）と図８（ｂ）を比較すると、カラム径が細くなることにより、その性能が劣る傾向にあることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
ＬＣ用分離媒体（特に、逆相液体クロマトグラフィー用分離媒体）の他、血液分離用媒体、環境分析に用いる試料濃縮媒体、消臭に用いる低分子吸着用媒体、酵素担体、触媒担体などの幅広い用途への応用が可能である。ＬＣ用分離媒体として用いる場合、例えば、本発明のカラムを耐圧力性熱収縮チューブなどのハウジングに収容すればよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１により得られたカラム１のＳＥＭ写真である。
【図２】カラム１の孔径分布のグラフである。
【図３】比較例１により得られた対照用カラム３のＳＥＭ写真である。
【図４】カラム３の孔径分布のグラフである。
【図５】カラム１及びカラム３の平均曲率Ｈおよびガウス曲率Ｋの確率密度分布（曲率分布）の図である。
【図６】カラム１（HPAA）及びカラム３(PEO)の、Ｈ＝０における確率密度Ｐ（Ｋ）のＫに対する変化と、Ｋ＝０における確率密度Ｐ（Ｈ）のＨに対する変化を、図５から抽出して示したものである。
【図７】（ａ）がカラム１の、（ｂ）がカラム３のクロマトグラムである。
【図８】（ａ）がカラム２の、（ｂ）がカラム４の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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【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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