(57)【要約】【課題】数ミリグラムの環境試料から調製した溶液に含まれる金属イオンの、イオン交換分離に適するイオン交換分離用カラムの形状及び寸法と材質とを提供すること。さらには、現有技術で製造されている外径約２５μｍ以下のイオン交換樹脂を利用するイオン交換分離用カラムの形状及び寸法と材質とを提供すること。【解決手段】容量１〜５ｍｌの円柱状試料溶液部と、その円柱方向下部に位置する内径１．５〜２．５ｍｍ、長さ２０〜２５ｍｍの円柱状イオン交換樹脂部と、更にその円柱方向下部に位置する内径０．２〜０．３５ｍｍ、長さ７０〜１４０ｍｍの円柱状滴下部とを一体として備えることを特徴とする、透明ガラス管製のイオン交換分離用ナノカラム。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量１〜５ｍｌの円柱状試料溶液部と、その円柱方向下部に位置する内径１．５〜２．５ｍｍ、長さ２０〜２５ｍｍの円柱状イオン交換樹脂部と、更にその円柱方向下部に位置する内径０．２〜０．３５ｍｍ、長さ７０〜１５０ｍｍの円柱状滴下部とを一体として備えることを特徴とする、透明ガラス管製のイオン交換分離用ナノカラム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ナノグラムスケールの極微量元素をイオン交換分離できるイオン交換分離用ナノカラムに関する。本発明は、更に、イオン交換分離用ナノカラムの形状及び寸法と材質とに関する。
【０００２】
【従来の技術】
極微量の金属元素が人類の健康や生態系に与える影響の検討が進むとともに、環境中に排出された金属元素を化学分析する必要性が高まっている。特に、土壌、大気中を浮遊する塵埃および飲用水に含まれる金属元素は、直接生物の体内に摂取されるため、その分析は重要な課題である。
これら生活環境から得られる試料（環境試料）の数は増大しており、それらはしばしば微量である。このため、微量の試料を用いる迅速で、精度の高い分析法及び分析器具の開発が望まれている。
【０００３】
環境中に排出された金属の分析技術は、その分離技術と定量技術に分けられる。このうち定量技術については、質量分析法、分光分析法などの微量分析法の発達により本質的な問題は当面解決されている。
分析試料の微量化と環境試料の増加に対応した分析器具の開発は、分析器具そのものと器具に内蔵して利用する分析資材の開発に分けられる。分析資材ではイオン交換樹脂の開発は目覚ましく、適切な分析器具の開発によりさらに利用が広まるであろう。
【０００４】
イオン交換樹脂は、適切な液性（酸濃度、水素イオン濃度、温度など）の下で、目的の金属イオンを吸着・離脱する働きがある。このイオン交換樹脂は、通常ガラス管、金属管などにカラム状（円柱状）に充填して利用する。これは、イオン交換カラムと称される。試料溶液が、イオン交換カラムの中を適切な液性で定常的（理想的）に流れると、殆どの金属イオンは理想的（理論的）に分離回収できる（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００５】
しかしながら、従来、イオン交換樹脂を微量分析に利用する場合には、イオン交換カラム内で試料溶液の流れ方向の乱れが生じ、また適切な試料溶液の流速の設定が困難であった。このため、極端な条件で利用するイオン交換カラムが設計され、高価な溶液速度制御装置を利用した分析機器が開発されてきたが、装置の複雑さからその利用は限られていた。
【０００６】
これらの問題を解決するため、微粒状のイオン交換樹脂の開発と、微量分析のための適切な寸法と形状を有する新しいイオン交換分離用カラムの開発が必要であった。しかし、微量分析のための適切な寸法と形状を有するイオン交換分離用カラムは、当業者の久しく期待するものでありながら未だ提供されていない。
【非特許文献１】
妹尾学、阿部光雄、鈴木喬，イオン交換　高度分離技術の基礎，講談社サイエンティフィク，１９９１年
【非特許文献２】
武藤義一、及川紀久男，イオンクロマトグラフィ，講談社サイエンティフィク，１９８９年
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、数ミリグラムの環境試料から調製した溶液に含まれる金属イオンの、イオン交換分離に適するイオン交換分離用カラムの形状及び寸法と材質とを提供することである。さらには、現有技術で製造されている外径約２５μｍ以下のイオン交換樹脂を利用するイオン交換分離用カラムの形状及び寸法と材質とを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、容量１〜５ｍｌの円柱状試料溶液部と、その円柱方向下部に位置する内径１．５〜２．５ｍｍ、長さ２０〜２５ｍｍの円柱状イオン交換樹脂部と、更にその円柱方向下部に位置する内径０．２〜０．３５ｍｍ、長さ７０〜１５０ｍｍの円柱状滴下部とを一体として備えることを特徴とする、透明ガラス管製のイオン交換分離用ナノカラムを課題解決手段とするものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、下記条件を満たすことを目的として試行錯誤法により開発されたものである。
（１）環境試料量を数ミリグラムとし、この試料を酸で溶解して得られる試料溶液量を、取り扱いの利便性から最大約２ｍｌとした。
（２）環境試料中の分析目的の金属量を原子数２×１０１２個に設定した。この量はウランでは０．８ｎｇに相当する。例えば、土壌１ｍｇには、平均１．８ｎｇのウランが含まれている。
【００１０】
（３）イオン交換樹脂量を５０μｌとした。これは、直径２ｍｍ高さ１６ｍｍのカラムに相当する。
（４）試料溶液の流出には、重力による滴下（自然流出）を利用することとした。イオン交換樹脂の金属イオンの吸着・離脱速度から、滴下速度は０．２〜０．５ｍｌ／ｈが適当である。試行錯誤法により滴下部の内径と長さとを決定した。
（５）イオン交換分離用カラムは、試料溶液の滴下（自然流出）が目視により確認でき、かつ、製作が比較的容易なガラス製とした。
【００１１】
試行錯誤法により得られた本発明のイオン交換分離用ナノカラムは、容量１〜５ｍｌの円柱状試料溶液部と、その円柱方向下部に位置する内径１．５〜２．５ｍｍ、長さ２０〜２５ｍｍの円柱状イオン交換樹脂部と、更にその円柱方向下部に位置する内径０．２〜０．３５ｍｍ、長さ７０〜１５０ｍｍの円柱状滴下部とを一体として備えることを特徴とする、透明ガラス管製のカラムである。
本発明のイオン交換分離用ナノカラムの一態様を図１に示す。本発明のイオン交換分離用ナノカラムは、３つの部位、即ち試料溶液部（１及び２）、イオン交換樹脂部（３）及び滴下部（４）からなる。これら各部の寸法を表１に示す。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
本発明のイオン交換分離用ナノカラムにおいて、試料溶液部は容量が１〜５ｍｌの円柱状であればいずれの構造も採用することができるが、試料溶液が流出した後、同じ液性溶液により洗浄する（目的元素以外の元素を洗い落とす）際、試料溶液が付着した面積が少ないほど効率的に洗浄できるので、内径は小さいことが好ましい。
図１の態様においては、試料溶液部は上部（１）と下部（２）とで内径の異なる２段構造を形成している。かかる構造は、最初にカラムへ導入する試料溶液は、多くの場合には０．３ｍｌ以下であるため、試料溶液部の下段を細くする一方、試料溶液部および樹脂が充分洗浄された後に目的元素を溶出させるには、０．３〜３ｍｌの溶離液を用いることが多いので、試料溶液部の上段を太くしたものである。従って、この態様における試料溶液部の容量は約４．６ｍｌ（上部約４ｍｌ、下部約０．６ｍｌ）である。
【００１４】
イオン交換樹脂部（３）には、環境試料中の分析元素に依存して選択されたイオン交換樹脂が充填される。充填されたイオン交換樹脂を酸溶液等を用いて常法により使用前調整を行った後、試料溶液部（１及び２）に試料溶液が導入される。試料溶液は、イオン交換樹脂部（３）及び滴下部（４）を経てカラムから自然流出し、分析元素はイオン交換樹脂に吸着される。
各部の間には、イオン交換樹脂部における試料溶液の流出線速度に急激な変化が生じないよう、径違い継ぎ手（レジューサー）を設けることが好ましい。
【００１５】
【実施例】
土壌中のウランの分析
土壌中に含まれる微量ウラン量の定量に、本発明のイオン交換分離用ナノカラム（イオン交換樹脂カラム）を利用し、その性能を室温（約２５℃）にて評価した。分析試料は、関東ローム層の代表的土壌として知られている「黒ぼく土」である。
【００１６】
樹脂の調整
図１に示すイオン交換分離用ナノカラム（イオン交換樹脂カラム）を試料面に対して垂直に固定した。このカラムのイオン交換樹脂部に、三菱化学（株）製のイオン交換樹脂ＣＡＯ８Ｙ（粒径２５μｍ）を充填した。充填されたイオン交換樹脂の容量は約５０μｌであった。充填後、硝酸及び塩酸を用いて常法によりイオン交換樹脂を使用前調整した。
【００１７】
試料の調製とウランの分離
分析試料（黒ぼく土）約１〜１０ｍｇを濃硝酸に溶解し、溶解液を蒸発乾固した。得られた乾固物を９ｍｏｌ／ｌ濃度の塩酸溶液約０．２５ｍｌに再度溶解した。溶解液を調製済みのイオン交換カラムの試料溶液部に滴下し、更に９ｍｏｌ／ｌ濃度の塩酸溶液約０．３ｍｌを追加滴下し、カラム中のイオン交換樹脂を洗浄した。ウラン以外の土壌中の元素は、洗浄によりカラムの滴下部から流出除去された。
【００１８】
塩酸溶液の流出終了後に、７ｍｏｌ／ｌ濃度の硝酸溶液約０．３５ｍｌをイオン交換カラムの試料溶液部に滴下し、イオン交換樹脂に吸着したウランを溶解分離した。かくして、滴下部から約０．３５ｍｌのウラン溶液が得られた。
ウランの回収状況の観察から、本実施例に使用した試料の液性及び分析温度においては、イオン交換カラムの滴下部の長さは１３５ｍｍが最適であった。
【００１９】
ウランの定量結果
イオン交換により得られたウラン溶液中のウランを、表面電離型質量分析計（ＴＩＭＳ）により定量した。結果を表２に示す。
【００２０】
【表２】
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【００２１】
分析値は、地表表層部のウラン存在量の値１．８ｎｇ／土壌１ｍｇ［桜井　弘，“元素１１１の新知識、ブルーバックスＢ−１１９２”，講談社，１９９８年，巻末付録２２］とほぼ一致した。
この結果から、本発明のイオン交換分離用カラムは、疑いもなく、極微量元素の分離に所期の機能を発揮することが判明した。換言すると、この結果は、指先に付着した程度の泥の汚れを試料として、諸元素を分離できるイオン交換分離用ナノカラムが、実用技術として提供できたことを示している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明のイオン交換分離用ナノカラムには、以下のような技術上の利点がある。
（１）透明ガラス製による製作の簡便性と経済性、及び試料の目視確認が可能
（２）分析試料量の低減
（３）金属の分離限界の低下
（４）イオン交換樹脂量，試薬量の低減
（５）廃棄物量とその処理量の低減
（６）分離操作に要する場所の縮小が可能
（７）微量試料の処理による分離操作時間の短縮
（８）上記（１）〜（７）による分析作業コストの低減
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明のイオン交換分離用ナノカラムの一態様である。
【符号の説明】
１　試料溶液部（上部）
２　試料溶液部（下部）
３　イオン交換分離部
４　滴下部
【図１】
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