(57)【要約】【課題】筒状カラム内にイオン交換樹脂を封入してなる筒状カラム構造であって、樹脂の膨張により溶媒の流動抵抗が増大して樹脂に溶媒を通すことが困難となったり、樹脂の収縮により樹脂同士の隙間が生じてカラム効率が低下したりすることのない筒状カラム構造を提供する。【解決手段】イオン交換樹脂８を挟むように一対のフィルタ１０、１２を筒状カラム２内に配置する。また、少なくとも一方のフィルタを、筒状カラムの内周面に沿って摺動自在に設ける。これにより、イオン交換樹脂を充填した空間の容積がイオン交換樹脂の膨張に追随して増大するとともに、収縮に追随して減少する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状カラム内にイオン交換樹脂を封入してなる筒状カラム構造であって、前記イオン交換樹脂を挟むように一対のフィルタが筒状カラム内に配置されているとともに、前記一対のフィルタの内の少なくとも一方のフィルタは、筒状カラムの内周面に沿って摺動自在に設けられていることを特徴とする筒状カラム構造。
【請求項２】
前記筒状カラムの内周面に沿って摺動自在に装着されているフィルタは、イオン交換樹脂の膨張および収縮に追随して摺動することを特徴とする請求項１に記載の筒状カラム構造。
【請求項３】
イオン交換樹脂は、粒状イオン交換樹脂および／または繊維状イオン交換樹脂であることを特徴とする請求項１または２に記載の筒状カラム構造。
【請求項４】
イオン交換樹脂の収縮時において、イオン交換樹脂の収縮時の容積と同等以上の容積の空隙が筒状カラム内に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の筒状カラム構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒状カラム内にイオン交換樹脂を封入してなる筒状カラム構造に関する。本発明に係る筒状カラム構造は、例えばイオン交換カラムや有機化合物標識反応に用いるカラム等に適用することができる。
【０００２】
【従来の技術】
従来、カラム管内容量に対して１００％の容量のイオン交換樹脂を均一に充填したイオン交換カラムに、極性が同じ溶媒を注入してもその溶媒の流動抵抗は１Ｋｇｆ／ｃｍ２程度であるが、その後、極性の異なる溶媒をイオン交換カラムに注入するとイオン交換樹脂が膨張し、１５０Ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力をかけてもその溶媒が通らなくなる問題が発生していた。
【０００３】
また、イオン交換樹脂の膨張率を考慮に入れてイオン交換樹脂をカラムに充填した場合であって、極性の異なる溶媒をイオン交換カラムに注入した場合、その直後からイオン交換樹脂の膨張が始まるが、この場合はイオン交換樹脂が完全に膨張しても樹脂の密度が高くならないため溶媒の流動性は衰えない。しかしながら、極性の異なる溶媒によって膨張したイオン交換樹脂は、極性の異なる溶媒が流れ終えるとその場所で収縮するため、イオン交換樹脂同士の隙間が空くことにより、カラムでのイオン交換樹脂と溶媒との接触効率、反応効率が低下する問題が発生する。
【０００４】
ところで、フッ素放射性同位元素標識有機化合物（１８Ｆ標識有機化合物）の製造にイオン交換樹脂を使用することが行われており、このようなイオン交換樹脂として、Ｎｕｃｌ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．３、ｐｐ．２７３−２７９（１９９０）〔非特許文献１〕に記載されているメリフィールド樹脂を用いて調製された４−アミノピリジニウム樹脂がある。上記４−アミノピリジニウム樹脂のピリジニウム塩は親水基であるため、この４−アミノピリジニウム樹脂は親水性が高く、極性が高い溶媒で膨潤を起こす。一方、極性が低い溶媒を通した場合には樹脂は収縮を起こす。
【０００５】
上述のように、４−アミノピリジニウム樹脂は溶媒の極性に応じて膨潤状態が変化する。カラムに充填した樹脂が膨潤を起こすと、このカラムに溶液を通す際に背圧が高くなり、流動性が悪化する。一方、樹脂が収縮を起こすと、カラム効率の低下を引き起こす。
【０００６】
これに対し、前述の文献Ｎｕｃｌ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．３、ｐｐ．２７３−２７９（１９９０）では、４−アミノピリジニウム樹脂の流動特性を改善するために、繊維状陽イオン交換樹脂をカラムに添加している。しかし、繊維状陽イオン交換樹脂の添加により、カラムの製造コストが高くなる。また、繊維状陽イオン交換樹脂の配合割合を低く、すなわち４−アミノピリジニウム樹脂の配合割合を高くし、［１８Ｆ］フッ化物イオンの捕集率を高くすると、基質との反応に寄与しない［１８Ｆ］フッ化物イオンが結合した樹脂の比率が高くなり、反応収率が低下する欠点がある。
【０００７】
また、特開平８−３２５１６９号公報〔特許文献１〕には、１８Ｆ標識有機化合物の製造に用いるイオン交換樹脂として、ホスホニウム樹脂を使用することが記載されている。このホスホニウム樹脂は、親水性が低いため、水、アセトニトリル、ジメチルスルホキシド等の極性溶媒に対する膨潤度が低い。例えば、従来の市販のメリフィールド樹脂から合成した４−アミノピリジニウム樹脂（活性基；ピリジニウム塩含有量１．２ｍｍｏｌ／ｇ）の溶媒取込量は、アセトニトリルの場合０．６ｇ／ｇであり、水の場合１．１ｇ／ｇである。これに対して、活性基としてホスホニウム塩を０．５〜１．６ｍｍｏｌ／ｇの範囲内で含有するホスホニウム樹脂の溶媒取込量は、アセトニトリルの場合０．３ｇ／ｇ以下であり、水の場合０．５ｇ／ｇ以下である。
【０００８】
さらに、上記ホスホニウム樹脂は、樹脂上のホスホニウム塩の密度が低いので、極性溶媒の流動を妨げる立体障害が少ない。このため、カラムの背圧の上昇が防止され、極性溶媒の流動性が良好である。また、ホスホニウム樹脂は収縮も起き難いため、カラム効率の低下も起こし難い。このようにホスホニウム塩の含有量が０．５〜１．６ｍｍｏｌ／ｇの範囲内であるホスホニウム樹脂は、取り扱い易く、カラム容器に充填して使用するのに適している。さらに、繊維状陽イオン交換樹脂を使用する必要が無いので製造コストを低減できる。また、繊維状陽イオン交換樹脂の混合による収率低下のおそれもないと記されている。
【０００９】
しかしながら、本発明者が特許文献１に記載されたのと同種のホスホニウム樹脂を入手し実験を行ったところ、極性の異なる溶媒を流すと樹脂が約２倍に膨張したため、１５０ｋｇ／ｃｍ２の圧力をかけても溶媒が流れないことが確認された。
【００１０】
イオン交換樹脂封入カラムにおける、イオン交換樹脂の膨張による溶媒の流通阻害に対して、特開平８−１５５２０７号公報〔特許文献２〕では、可動栓を活用して樹脂の膨張、収縮に追随するカラムが提案されている。しかし、このカラムでは前後の栓の間にイオン交換樹脂をほぼカラム一杯に封入するものであるため、樹脂の２倍もの膨張には追随できない恐れがある。また、可動栓はスプリングの力で移動するため、移動が頻繁に発生したり、大きな移動があったりすると、故障の発生も考えられる。特に、ガスの流通もあるカラム系ではシール性が低下し、洩れが生じることもあり得る。
【００１１】
【非特許文献１】
Ｎｕｃｌ．Ｍｅｄ．Ｂｉｏｌ．Ｖｏｌ．１７、Ｎｏ．３、ｐｐ．２７３−２７９（１９９０）
【特許文献１】
特開平８−３２５１６９号公報
【特許文献２】
特開平８−１５５２０７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように、制限されたリジットな空間に押し込められたイオン交換樹脂は、極性の異なる溶媒によって膨張する。その結果、溶媒の流動抵抗が増大し、溶媒を通すことが困難となる。
【００１３】
また、イオン交換樹脂の膨張係数を考慮に入れて調製されたカラムの場合、イオン交換樹脂が膨張した後、その場所で収縮したイオン交換樹脂同士の隙間が生じることにより、カラム効率が極端に低下する問題が生じる。
【００１４】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたもので、イオン交換樹脂を充填した空間の容積がイオン交換樹脂の膨張に追随して増大するとともに、収縮に追随して減少することで、樹脂の膨張により溶媒の流動抵抗が増大して樹脂に溶媒を通すことが困難となったり、樹脂の収縮により樹脂同士の隙間が生じてカラム効率が低下したりすることを防止することが可能な筒状カラム構造を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、イオン交換樹脂を封入した筒状カラムにおいて、イオン交換樹脂を挟むように一対のフィルタが筒状カラム内に配置するとともに、上記フィルタの少なくとも一方に、イオン交換樹脂の膨張力によって移動が可能な機能と、イオン交換樹脂の収縮に合わせて溶媒やガスの力によって移動が可能な機能とを付与することにより、前記目的を達成できることを見出した。
【００１６】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、筒状カラム内にイオン交換樹脂を封入してなる筒状カラム構造であって、前記イオン交換樹脂を挟むように一対のフィルタが筒状カラム内に配置されているとともに、前記一対のフィルタの内の少なくとも一方のフィルタは、筒状カラムの内周面に沿って摺動自在に設けられていることを特徴とする筒状カラム構造を提供する。
【００１７】
本発明の筒状カラム構造は、最大に膨張してもカラム容量以上にならない量のイオン交換樹脂を筒状カラム内に充填し、イオン交換樹脂の両側に設けた摺動可能なフィルタが移動することで、イオン交換樹脂が膨張した場合でもイオン交換樹脂の密度が保たれ、溶媒の流動抵抗を低く抑えることができる。また、イオン交換樹脂が膨張した後に収縮した場合は、溶媒やガス等の力でフィルタが移動し、隙間の空いた収縮した樹脂をかき集めながら最良のカラム状態に戻る。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。図１は本発明に係る筒状カラム構造の一例を示す概略断面図である。
【００１９】
図１において、筒状カラム２の両端には、連通孔４を有する固定栓６が設けられ、筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２がカラム２内周面に接触した状態で配置されている。一方のフィルタ１０は、鏡面に仕上げられたカラム２内周面に沿って自在に摺動できるように配置されている。他方のフィルタ１２は、一方のフィルタ１０と同様に摺動自在であってもよく、カラム２内周面に実質上固定されていてもよく、ある程度摺動抵抗を有するように装着されていてもよい。
【００２０】
図１は、イオン交換樹脂８が収縮した状態であり、一方のフィルタ１０と固定栓６との間には、収縮状態のイオン交換樹脂８の容積と同等か２〜３倍容積の空隙１４が形成されている。
【００２１】
図２は、図１の樹脂カラムをラインに組み込んだ様子を部分的に示している。樹脂カラムは縦方向に組み込まれ、連結管１６、１８が固定栓６、６に接続されている。そして、例えばＡ方向から［１８Ｆ］フッ化物イオンを含む水溶液をイオン交換カラムに注入し、Ｃ方向からその溶媒を流出させる。引き続き、Ｂ方向から極性の異なる溶媒を、ここでは例としてアセトニトリルを注入し、イオン交換カラムの脱水をすることとし、同じくＣ方向からその溶媒を流出させる。
【００２２】
本発明において、イオン交換樹脂の用語は、最も広い意味で用いられる。すなわち、本発明におけるイオン交換樹脂には、陽イオン交換樹脂（ＣＥＲ）、陰イオン交換樹脂（ＡＥＲ）、イオン遅滞樹脂（ＩＲＲ）、相間移動触媒樹脂（ＰＴＣ）等が包含される。
【００２３】
ＰＴＣの具体例としては、活性基をトリブチルホスホニウムとするホスホニウム樹脂（担体は架橋クロロメチルスチレン−スチレン共重合体；特開平８−３２５１６９）、活性基をトリブチルメチルアンモニウムとするアンモニウム樹脂（担体は架橋クロロメチルスチレン−スチレン共重合体）、活性基を４−ジメチルアミノピリジニウムとするピリジニウム樹脂（担体は架橋クロロメチルスチレン−スチレン共重合体、メリフィールド樹脂（非特許文献１）などが挙げられる。イオン交換樹脂の形態は、５０〜４００メッシュの粒径の粒状体が好適に使用されるが、それ以外の粒径、繊維状のものでも使用可能である。
【００２４】
本発明におけるフィルタについては、例えばポリテトラフルオロエチレン製フィルタ、ポリエチレン製フィルタ、ポリプロピレン製フィルタ、焼結フィルタ、ガラスフィルタなどを用いることができるが、その孔径は使用する樹脂のメッシュサイズによって変える必要がある。例えば、４００メッシュの樹脂の直径は６３．５μｍであるため、５０μｍ以下の孔径のフィルタを選定する。また、５０メッシュの樹脂の直径は５０８μｍであるため、５００μｍ以下の孔径のフィルタを選定する。したがって、適用できるフィルタの孔径は樹脂のサイズによって異なるが、通常は１０〜５００μｍ程度の孔径のフィルタとする。
【００２５】
また、フィルタの厚みは、カラムの直径の１／１５〜１／１の範囲とするか、１．５ｍｍ以上とすることが適当である。さらに、フィルタの直径は２ｍｍ以上とすることが適当である。フィルタの最も好ましい例としては、直径６ｍｍ、厚み２ｍｍ、孔径１０μｍのポリテトラフルオロエチレン製フィルタが挙げられる。フィルタは製作が可能であれば、三角形、四角形、多角形、円形等の任意の形状とすることができる。
【００２６】
筒状カラムの材料については、１００℃付近でも形状が著しく変化せず、熱を伝える性質を持ち合わせる金属、プラスチック、ガラスなどで、例えば鉄、銅、ステンレス鋼、グラッシーカーボン、炭素、珪素、チタン、銀、ポリエチレン、ポロプロピレン、ポリエーテルエーテルケトンなどが挙げられる。また、これ以外の材料であっても、溶媒の浸襲等を考慮に入れて選定された材料を用いることができる。筒状カラムの内面は、フィルタの摺動抵抗を低くするために鏡面仕上げを施すことが望ましい。筒状カラムの製作方法としては、旋盤等の機械を用いて穴を開けたり、削ったり、ねじ山を加工したりする方法を採ることができる。また、筒状カラム管は製作が可能であれば、三角形、四角形、多角形、円形等の任意の形状とすることができる。
【００２７】
図３は、図１の筒状カラムを１８Ｆ標識有機化合物の製造ラインに組み込んだ例である。図３において、５１はターゲットボックス、５２はターゲット水容器、５３はシリンジポンプ、５４は３方バルブ、５５は標識反応用樹脂カラム、５６は回収容器、５７はシリンジポンプ、５８はアセトニトリル容器、５９は３方バルブ、６０は３方バルブ、６１は廃液容器、６２はトリフレート容器、６３は３方バルブ、６４は３方バルブ、６５は陽イオン交換樹脂カラム、６６は無菌水容器、１７はシリンジポンプ、６８は３方バルブ、６９は３方バルブ、２０は精製カラムを示す。
【００２８】
詳述は避けるが、標識反応用樹脂カラム５５が本発明筒状カラム構造になされ、原料の［１８Ｆ］水を含む１８Ｏ−水はターゲットボックス５１に仕込まれ、陽イオン交換樹脂カラム６５で加水分解が行われて、目的の［１８Ｆ］−２−デオキシ−β−Ｄ−グルコース（１８Ｆ−ＦＤＧ）が精製される。
【００２９】
図１〜３の筒状カラムの使用状況について、［１８Ｆ］イオンの捕集、グルコースの１８Ｆ標識（［１８Ｆ］−２−デオキシ−β−Ｄ−グルコース）の例によって説明する。
１．カラム５５の中には、前記のホスホニウム樹脂０．２ｍＬが封入されている。
２．１８Ｏ−水にプロトン照射されて製造された１０ｍＬの［１８Ｆ］Ｈ２Ｏがカラム５５に通され、１８Ｆイオンが樹脂に捕集される。
３．樹脂へのフッ素の捕集が完了した状態では、樹脂は充填したときと同じ状態で、樹脂の容積は変化しない。
４．ヘリウムガス、窒素ガス等をカラムに導入し、樹脂から１８Ｏ−水を排出させる。この水は、次なる再使用のために回収される。
５．次に、脱水されたアセトニトリルをカラム５５に注入する。
６．すると、アセトニトリルと接触した樹脂には、水では入り込めない樹脂の隙間にアセトニトリルが浸透し、樹脂が膨張を始める。
７．さらに、アセトニトリルがカラム内を下流に進むに連れ、アセトニトリルと樹脂が次々と接触膨張し、樹脂が２倍程度膨張し、カラム一杯まで樹脂が広がる。フィルタは樹脂の膨張に押され、カラム内を摺動し、固定栓に近づく。これにより、樹脂層の圧密化は避けられ、アセトニトリルの流動抵抗は殆ど上昇することなく、反応が継続される。
８．水はアセトニトリルに無限に溶解するため、無水アセトニトリルの適量を樹脂に接触させることで、樹脂の持つ水分が脱水される。
９．０．２ｃｃのイオン交換樹脂に対して約５倍量のアセトニトリルを接触させると、樹脂中の水分が減少し樹脂の収縮が始まり、さらに、約５倍量のアセトニトリルを樹脂に接触させると樹脂の収縮が終了する。この際、樹脂層に隙間が生じるように働くが、アセトニトリルに押されて、フィルタはカラム内を摺動し、元の位置に戻ろうとする。したがって、樹脂層に隙間が生じてイオン交換の反応効率が落ちることはない。
１０．最後に、アセトニトリルと共にＴＡＴＭ（１，３，４，６−テトラ−Ｏ−アセチル−２−Ｏ−トリフルオロメタンスルホニル−β−Ｄ−マンノピラノース）を通過させることにより、求核置換反応でＴＡＴＭが１８Ｆ標識され、最終的に加水分解されて１８Ｆ−ＦＤＧ（［１８Ｆ］−２−デオキシ−β−Ｄ−グルコース）が精製される。
【００３０】
ここで、本発明に係る筒状カラム構造の可動式フィルタが有効に作用し、イオン交換樹脂の膨張に合わせて筒状カラムの空間内で上方向に移動するが、樹脂の密度は保たれたままであるため、溶媒の流動抵抗は高くはならない。すなわち、詰まりが生じない。
【００３１】
溶媒をある程度注入し、イオン交換樹脂の膨張が限界まで達した以降は、イオン交換樹脂の収縮が始まる。これは、イオン交換樹脂中の水分が脱水されることによるものであるが、さらに注入されるアセトニトリルによって引き起こされる樹脂の収縮と、アセトニトリルの圧力によって可動式フィルタが下方へ押し戻されるタイミングとが同じとなる。その結果、一旦膨張し体積が増えた後に、脱水に伴い収縮するイオン交換樹脂にもフィルタは柔軟に対応し、均一に充填された元の状態にまで戻されることとなり、きちんとしたカラム効率を確保することができる。
【００３２】
図４は、本発明筒状カラム構造の別の例を示す。筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２が図１の例と同様の状態で配置されている。筒状カラム２の外周面には雄ネジ２０が付され、ラインとつなぐコネクト管２２は端部に雌ネジ２４が施されている。固定栓６は筒状カラム２とコネクト管２２との間に挟持され、直接筒状カラム２に固着されてはいない。
【００３３】
図５（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明筒状カラム構造のさらに別の例を示す。筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２が図１の例と同様の状態で配置されている。これらの筒状カラム構造は、樹脂、フィルタの安定保持と、ラインへの接続、反応効率を考慮して作製される。
【００３４】
図６は、本発明筒状カラム構造のさらに別の例を示す。筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２が図１の例と同様の状態で配置されている。本例は、固定栓を持たない構造となされている。図中２６はコネクト管２８と筒状カラム２との間のパッキングである。
【００３５】
図７は、本発明筒状カラム構造のさらに別の例を示す。筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２が図１の例と同様の状態で配置されている。本例では、一方のフィルタ１２は外縁に鍔部１３が形成され、筒状カラム２とコネクト管３０との間に挟持され、摺動はすることなく、固定栓の機能を兼ね備えている。
【００３６】
図８は、本発明筒状カラム構造のさらに別の例を示す。筒状カラム２の内部には粒状のイオン交換樹脂８が封入されている。該イオン交換樹脂８の前後にはフィルタ１０および１２が図１の例と同様の状態で配置されている。本例では、筒状カラム２はパッキング機能を合わせ持っている。また、図中３２は固定栓を兼ね、筒状カラム２を収容して他方のコネクト管３４とねじ込み連結されるコネクト管である。この例の筒状カラム２は、コネクト管３２の中に包持されるものとなされているので、ポリエーテルエーテルケトン樹脂のようなプラスチックで製しても強度上不利になることはない。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明の筒状カラム構造は、フィルタの摺動によって、イオン交換樹脂を充填した空間の容積がイオン交換樹脂の膨張に追随して増大するとともに、収縮に追随して減少することで、樹脂の膨張により溶媒の流動抵抗が増大して樹脂に溶媒を通すことが困難となったり、樹脂の収縮により樹脂同士の隙間が生じてカラム効率が低下したりすることを防止することができる。本発明の筒状カラム構造は、イオン交換樹脂の膨張や収縮に柔軟に対応することができ、しかもフィルタの移動に特殊な機械機能を必要とすることなく、詰まりが発生しない上にカラム効率を損なわないカラムを得ることができる極めてシンプルで高度な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る筒状カラム構造の一例を概略的に示す縦断面図である。
【図２】本発明に係る筒状カラム構造の使用例を示す縦断面図である。
【図３】図１の構造のカラムをラインに組み込んだ状態を示す説明図である。
【図４】本発明に係る筒状カラム構造の別の例を概略的に示す縦断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｅ）は、それぞれ本発明に係る筒状カラム構造のさらに別の例を概略的に示す縦断面図である。
【図６】本発明に係る筒状カラム構造のさらに別の例を概略的に示す縦断面図である。
【図７】本発明に係る筒状カラム構造のさらに別の例を概略的に示す縦断面図である。
【図８】本発明に係る筒状カラム構造のさらに別の例を概略的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
２  筒状カラム
８  イオン交換樹脂
１０  フィルタ
１２  フィルタ
【図１】
2004283647.tif 000003
【図２】
2004283647.tif 000004
【図３】
2004283647.tif 000005
【図４】
2004283647.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004283647.tif 000008
【図７】
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【図８】
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