(57)【要約】無機系多孔質体であって、特に４族元素化合物より成る所謂マクロ細孔とナノメートル領域の細孔、所謂メソ細孔を制御し且それらを合わせもつモノリス構造を簡単に製造することを目的とし、４族元素化合物多孔質体より成るモノリス構造体で、孔径１００ｎｍ以上で、３次元網目状に連続した所謂マクロ細孔としての貫通孔を有し、この貫通孔を形成するゲル骨格に形成された孔径２〜１００ｎｍの所謂メソ細孔としての細孔を有し、貫通孔と細孔の全気孔中の容積の和に対して、細孔の占める容積率が１０％以上であり、ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積が１０ｃｍ３／ｇ以下であり、貫通孔と細孔の容積の和に対して、貫通孔の占める容積率が２０〜９０％である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
４族元素化合物より成り、孔径１００ｎｍ以上で３次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔を形成するゲル骨格に形成された孔径２〜１００ｎｍの細孔とを有し、貫通孔と細孔の容積の和に対して、細孔の占める容積率が１０％以上であることを特徴とする無機系多孔質体。
【請求項２】
ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積が１０ｃｍ３／ｇ以下であって、貫通孔と細孔の容積の和に対して、貫通孔の占める容積率が２０〜９０％であることを特徴とする請求項１記載の無機系多孔質体。
【請求項３】
４族元素化合物が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）のいずれかを主成分とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無機系多孔質体。
【請求項４】
４族元素化合物が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）であることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の無機系多孔質体。
【請求項５】
４族元素化合物が、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）であることを特徴とする請求項１〜２の何れかに記載の無機系多孔質体。
【請求項６】
４族元素化合物は加水分解性金属化合物を原料とすることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の無機系多孔質体。
【請求項７】
加水分解性金属化合物は金属アルコキシドであることを特徴とする請求項６記載の無機系多孔質体。
【請求項８】
金属アルコキシドはチタンアルコキシドであることを特徴とする請求項７に記載の無機系多孔質体。
【請求項９】
金属アルコキシドはジルコニウムアルコキシドであることを特徴とする請求項７記載の無機系多孔質体。
【請求項１０】
チタンアルコキシドはチタニウムｎ−プロポキシドであることを特徴とする請求項８記載の無機系多孔質体。
【請求項１１】
ジルコニウムアルコキシドはジルコニウムｎ−プロポキシドであることを特徴とする請求項９記載の無機系多孔質体。
【請求項１２】
請求項１〜１１の何れかに記載の無機系多孔質体を用いることを特徴とするクロマトグラフィーカラム。
【請求項１３】
請求項１〜１１の何れかに記載の無機系多孔質体を用いることを特徴とするリン酸化合物の分離あるいは濃縮用吸着材料。
【請求項１４】
請求項１〜１１の何れかに記載の無機系多孔質体を用いることを特徴とする硫酸化合物の分離あるいは濃縮用吸着材料。
【請求項１５】
酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行なう工程、生成したゲルを焼成する工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項１６】
酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行う工程、生成したゲルを密閉加熱処理を行う工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項１７】
酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行う工程、生成したゲルを密閉加熱処理を行う工程、以上の工程により得られた多孔質ゲルを焼成する工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項１８】
生成したゲル中の有機成分を除去する工程を含むことを特徴とする請求項１５〜１７の何れかに記載の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項１９】
反応溶液中の水の濃度を変化させることにより、貫通孔径及び細孔径を制御することを特徴とする請求項１５〜１８の何れかに記載の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項２０】
反応溶液中に強酸を滴下し、ゲル化反応速度を制御することにより、貫通孔径及び細孔径を制御することを特徴とする請求項１５〜１９の何れかに記載の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項２１】
密閉加熱処理によって、細孔径を制御することを特徴とする請求項１６〜２０の何れかに記載の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【請求項２２】
密閉加熱処理によって、多孔質体の比表面積を制御することを特徴とする請求項１６〜２１の何れかに記載の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、無機系多孔質体及びその製造方法に関するものであり、特に、４族元素アルコキシドの相分離を伴うゾルゲル法を用いて作成した無機系多孔質体及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】  一般的なクロマトグラフィー用カラムあるいは吸着材としては、スチレン・ジビニルベンゼン共重合体等の有機ポリマーよりなるものと、シリカゲル等の無機系充填材を筒内に充填したもの、さらには円柱状一体型多孔質体の側面を密閉して両端から通液できるようにしたものが知られている。
有機系の材質で構成されたカラムは、低強度のために耐圧性が低い、溶媒により膨潤・収縮してしまう、加熱殺菌不可能である等の難点がある。従って、こうした難点を解消するカラムとして、無機系の材料、特にシリカゲルで構成されたカラムが汎用されている。
しかし、シリカゲルカラムのうち、充填材を筒内に充填したものはカラム内に試料を流通させるために要する圧力が高く、高速分離に適さないという難点がある。
一方、シリカ系多孔質体ではすでに細孔構造の形成と広範な構造の制御が実現され、液体クロマトグラフィー用の一体型分離媒体としての高性能が確認されている。
特に本発明の発明者、中西は、ケイ素アルコキシドの加水分解重縮合によるゾルゲル法に於いて、スピノーダル分解による相分離を誘起し、その過度的構造をゲル化により固定し、共連続構造を有するシリカマクロ多孔体の発明に至り、国際特許出願をしている。（ＷＯ２００３／００２４５８）
一体型多孔質体によるカラムは、カラム圧は低く高速分離が可能である。しかし、充填型、一体型でも基材であるシリカの化学的性質として、強塩基性条件で長時間使用すると基材が徐々に溶解して性能が損なわれるという難点が判明した。これは、従来のシリカを基材とする無機系充填剤一般についても共通の問題である。
すなわちシリカは酸性酸化物であって、水に対する溶解度も高い酸化物であるため、強塩基性の条件下で水を含む溶媒に長時間接触すると、ケイ素−酸素−ケイ素結合が切断されて表面から溶解が起こり、物質分離に必要な表面積が失われてしまう。
又、シリカチタニア多孔質体をゾルゲル法により製造する発明は、幾つか提案されている。例えば、特開平６−１０７４６１、特開２００１−１７２０８９等がある。
前者に於いては、二酸化チタンモノリスの製造であるが、その製法上高温での加熱が必須条件であるが、この様な場合、巨大空孔の所謂マクロ細孔の形成が困難となり、マクロ細孔と通常ナノメートル領域の細孔、所謂メソ細孔の両者同時制御は至難である。
また、後者は、所謂シリカ系多孔質体であり、チタニア含量１０％以下であって、上述したシリカ系の欠点は払拭し得ない。
又、タンパク質の細胞内でのリン酸化は、代謝においてあらゆる影響を与えており、その過程を調べるため、構造解析としてリン酸化ペプチドを分析することが重要である。リン酸化ペプチドは、混在する他のペプチドに比べて、微量である。質量分析計における感度も低く、微量のリン酸化ペプチドを直接ＨＰＬＣ分析することは、不可能である。そのため、固定化金属アフィニティークロマトグラフィーによりリン酸化ペプチドだけを選択的に濃縮精製する方法が用いられている。
しかし、この方法は、金属の固定化から始まり、途中の洗浄工程を経て、最終的にリン酸化ペプチドが得られるという煩雑な工程が必要で、時間も掛かってしまう。一方、チタニアゲルのリン酸化合物を選択的に保持する特性を利用して、これらのリン酸化ペプチドを分析する手法も考案されてきている。
しかし、従来の方法から得られるチタニアゲルは、粒子状であり流れる液体との接触部分は少なく、より強い選択性を持つチタニアゲルが要求されていた。
【発明の開示】
そこで、本発明者等が研究したところ、酸化チタンを始めとする４族元素化合物のみの構成による多孔質体が化学的重合反応によって形成できることが解明できた。これにより、一体型であって且つ気孔径及び気孔分布を適切に制御した非シリカ無機系多孔質体、就中４族元素化合物多孔質体の完成に至り、従来の充填型および一体型シリカカラムが有する欠点を生じないことを見いだした。
本発明は、このような知見に基づいてなされたものである。その目的は、従来のシリカ系多孔質体が有する課題を解決し、圧力損失が小さく、取扱いの容易な無機系多孔質体、就中４族元素化合物多孔質体を提供することにある。また、他の目的は、強塩基性条件下でも性能劣化することなく分離や吸着に使うことのできる、無機系多孔質体を提供することにある。
更に、上記ゾルゲル法によっては、構造制御の困難であった酸化チタンを始めとする無機系多孔質体の製造方法を提供することにある。
更に、本発明の他の目的は、４族元素多孔質体特有の性質によるエネルギー変換、センサー等機能資材の提供の他、チタニアは、紫外線によって活性酸素を発生し有機物を分解するために、消臭や減菌に利用でき、またクロマトグラフにおいては、リン酸化物の特異的な吸着性を利用し、生体内タンパク質のリン酸化代謝過程を調べるカラムとして利用され、またジルコニアは硫酸を担持させ触媒などに使われて、ハフニアはその撥水性の利用も出来る等の産業上の利用範囲拡大に資することである。
上記目的達成の手段は、一つは、４族元素化合物より成り、孔径１００ｎｍ以上で３次元網目状に連続した貫通孔と、この貫通孔を形成するゲル骨格に形成された孔径２〜１００ｎｍの細孔とを有し、貫通孔と細孔の容積の和に対して、細孔の占める容積率が１０％以上であることを特徴とする無機系多孔質体であり、
一つは、ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積が１０ｃｍ３／ｇ以下であって、貫通孔と細孔の容積の和に対して、貫通孔の占める容積率が２０〜９０％であることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、４族元素化合物が、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）のいずれかを主成分とすることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、４族元素化合物が二酸化チタン（ＴｉＯ２）であることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、４族元素化合物が二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）である事を特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、４族元素化合物は加水分解性金属化合物を原料とすることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、加水分解性金属化合物は金属アルコキシドであることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、金属アルコキシドはチタンアルコキシドであることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、金属アルコキシドはジルコニウムアルコキシドであることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、チタンアルコキシドはチタニウムｎ−プロポキシドであることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、ジルコニウムアルコキシドはジルコニウムｎ−プロポキシドであることを特徴とする前記の無機系多孔質体であり、
一つは、前記の無機系多孔質体を用いることを特徴とするクロマトグラフィーカラムであり、
一つは、前記の無機系多孔質体を用いることを特徴とするリン酸化合物の分離あるいは濃縮用吸着材料であり、
一つは、前記の無機系多孔質体を用いることを特徴とする硫酸化合物の分離あるいは濃縮用吸着材料であり、
一つは、酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行なう工程、生成したゲルを焼成する工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行う工程、生成したゲルを密閉加熱処理を行う工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、酸性水溶液中に於いて、極性溶媒の存在下で、４族元素化合物を加水分解し、重合して反応溶液のゲル化を行う工程、生成したゲルを密閉加熱処理を行う工程、以上の工程により得られた多孔質ゲルを焼成する工程を含むことを特徴とする４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、生成したゲル中の有機成分を除去する工程を含むことを特徴とする前記の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、反応溶液中の水の濃度を変化させることにより、貫通孔径及び細孔径を制御することを特徴とする前記の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、反応溶液中に強酸を滴下し、ゲル化反応速度を制御することにより、貫通孔径及び細孔径を制御することを特徴とする前記の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、密閉加熱処理によって、細孔径を制御することを特徴とする前記の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法であり、
一つは、密閉加熱処理によって、多孔質体の比表面積を制御することを特徴とする前記の４族元素化合物より成る無機系多孔質体の製造方法である。
本発明無機系多孔質体およびそれを使用したカラムは、以下のような多大の効果を有する。
無機系多孔質体を部分的に密封した一体型カラムであるため、充填状態によって流量が変化するという問題がおこらず、ロット間のばらつきが小さい。
又、孔径及び容積率が適切に制御された貫通孔を有するので、圧力損失が小さい。従って、入口圧力が同じであれば、単位時間当たりの流量が多くなり、従来よりも短時間で分析することができる。しかも細孔に固定されたすべての官能基と流体とが反応するので、官能基の消費効率が高い。従って、短いカラムで分析可能となる。
又、血液注入カテーテルや注射器に用いるときの取扱いが容易である。
又、流体の流路の形状・サイズの均一性が高いので、分析物質の溶液−カラム内部表面間の分配が場所によってばらつかない。
又、シリカを主成分とするカラムが塩基性条件での使用によって性能劣化するのに比べて、本発明無機系多孔質材料はｐＨ＝１３程度の塩基性条件においても、表面積や細孔構造などの変化がなく、分離媒体および吸着剤としての性能を損なわない。
又、本発明のチタニアゲルは、リン酸化合物に対して強い選択性を有し、且つ化学的に安定で試料精製や前処理に有効である。
又、本発明のジルコニアゲルは、硫酸化合物に対して強い選択性を有し、且つ、化学的に安定で試料精製や前処理に有効である。
又、本発明の無機系多孔質体は、トリプシン、アルカリフォスファターゼ、グルコースイソメラーゼ等の酵素や白金、パラジウム等の触媒あるいは、オクタデシル基等の官能基が担持されて、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー等のクロマトグラフィー用カラムに好適に利用され得る。また、シリンジ先端やキャピラリー内部に固定して通液することにより、特定のリン酸化合物を分離あるいは濃縮するために用いることができる。また、多数のタンパク質混合物から、特異吸着によって特定の性質をもったものだけを吸着・分離するために用いることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明により得られた多孔質二酸化チタンゲルの走査電子顕微鏡写真であり、図２は、水銀圧入測定図であり、図３は、試料の窒素吸着測定図で吸着―脱着等温線図であり、図４は、細孔径分布図であり、図５は、試料の電界放射型走査顕微鏡写真であり、図６は、蒸溜水の量の変化によるモルフォロジーの変化図であり、図７は、塩酸水溶液の変化によるモルフォロジーの変化図であり、図８は、熱処理温度依存性を示すＸ線回析パターンであり、図９は、熱処理した多孔質二酸化チタンゲルの走査電子顕微鏡写真であり、図１０は、熱処理した多孔質二酸化チタンゲルの水銀圧入測定図であり、図１１は、トリブロック重合体の変化によるモルフォロジーの変化図であり、図１２は、本発明により得られた多孔質体の水銀圧入測定図であり、図１３は、多孔質体の窒素吸着測定図で吸着一脱着等温線図であり、図１４は、細孔径分布図であり、（ａ）は累積容積図、（ｂ）は微分容積図であり、図１５は、窒素吸着の測定結果表であり、図１６は、本発明モノリスによるリン酸化合物の完全分離を示すクロマトグラムであり、図１７は、チタニア膜モノリスによる同物質の不完全分離を示すクロマトグラムであり、図１８は、チタニア膜モノリスによる同物質の不完全分離を示すクロマトグラムであり、図１９は、未精製ペプチド混合物のクロマトグラムであり、図２０は、本発明モノリスで精製したペプチド混合物のクロマトグラムであり、図２１は、未精製ペプチド消化物のクロマトグラムであり、図２２は、本発明モノリスで精製したペプチド消化物のクロマトグラムであり、図２３は、シリカゲル充填材によるフェノール／ピリジン分離分析のクロマトグラムであり、図２４は、本発明モノリスによるフェノール／ピリジン分離分析のクロマトグラムであり、図２５は、本発明により得られた多孔質体の走査電子顕微鏡写真であり、図２６は、本発明により得られた多孔質体を使用したカラムによるリン酸化試料のクロマトグラムであり、図２７は、本発明により得られたジルコニウムゲルの走査電子顕微鏡写真であり、図２８は、水銀圧入測定図であり、図２９は、焼成温度の変化による結晶構造変化図であり、図３０は、極性溶媒変化によるモルフォロジーの変化を示す走査電子顕微鏡写真図である。
【発明を実施するための最良の形態】  以下本発明について詳細に説明する。本発明は、原理的には上記中西発明の所謂ゾルゲル反応によるものである。
所謂ゾルゲル反応とは、重合可能な低分子化合物を生成し、最終的に凝集体や重合体を得る反応を云う。
一般的なケイ素アルコキシドの場合では、加水分解速度が遅く、それを促進するために酸溶液を加えることも行われるのに対し、金属アルコキシドを用いたゾルゲル法は、金属アルコキシドの加水分解が生じ、放出されるアルコールにより水の比率が減り、重縮合が同時に起こりゲル化される。元来、チタンアルコキシド等の４族元素化合物は、水だけで急速に加水分解と重縮合が生じ、急速に固化してしまう。そのため、従来ではマクロ孔を持たないコロイドゲルをさらに焼結などで縮合させゲル化させていたが、機械的強度が弱かった。
又、ジルコニウムアルコキシドでは、安定化した結晶構造を作成するには、１０００℃以上での高温焼成が行われているが、高温焼成では、収縮により製造工程で割れ目が生じるため、目的に応じた固体を作成することが難しかった。
本発明は、例えば極性溶媒を添加した酸性溶液中においてチタンアルコキシド等の４族元素化合物を加水分解・重合して、その反応溶液のゲル化を行った後、生成した多孔質ゲル中の有機成分を除去し、その後焼成することによって製造される４族元素化合物、詳しくは４族元素酸化物の無機系多孔質体及びその製造方法である。
反応溶液は４族元素化合物と水と酸性溶液を含んで、加水分解及び重合反応をさせる溶液であり、極性溶媒を添加して均一化を図ることもある。
本発明で使用される、４族元素化合物、詳しくは４族元素酸化物の無機系多孔質体の原料としての４族元素化合物としては、加水分解性金属化合物等が挙げられる。
本発明の無機系多孔質体は１種又は２種以上の４族元素化合物詳しくは４族元素酸化物から成り、その原料としての４族元素化合物として１種又は２種以上の４族元素化合物、特に加水分解性金属化合物を用いることが出来る。
加水分解性金属化合物としては、アルコールの水酸基の水素を金属原子で置換した金属アルコキシド等が挙げられる。
金属アルコキシドとしては、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、ハフニウムアルコキシド等が挙げられる。
チタンアルコキシドとしては、チタニウムｎ−プロポキシド、チタニウムイソプロポキシド、チタニウムｎ−ブトキシド、チタニウムｓ−ブトキシド、チタニウムｔ−ブトキシド等が挙げられる。
ジルコニウムアルコキシドとしては、ジルコニウムプロポキシド、ジルコニウムイソプロポキシド、ジルコニウムｎ−ブトキシド、ジルコニウムｓ−ブトキシド、ジルコニウムｔ−ブトキシド等が挙げられる。
ハフニウムアルコキシドとしては、ハフニウムプロポキシド、ハフニウムイソプロポキシド、ハフニウムｎ−ブトキシド、ハフニウムｓ−ブトキシド、ハフニウムｔ−ブトキシド等が挙げられる。
さらにこれらの混合物およびこれらを適宜重合させて酸化物含量を上げた物等を挙げることができる。またオキシ塩化ジルコニウムなどの４族元素のオキシ塩化物も同様に用いることができる。
又、テトラクロロチタンやテトラクロロジルコニア等の４族元素ハライド化合物等を用いることも出来る。但し、これらのハライド化合物では、加水分解の進行によって酸が生じてくるため、添加する酸などの細かい制御が必要となる。
これまで述べたような４族元素化合物は総て加水分解性を有しており、本発明に必須であるゾルゲル反応の原料となり、その反応を進行させ、有効に作用する。その結果として、４族元素化合物、詳しくは４族元素酸化物の多孔質体を製造することが出来る。
本発明では、上述のような急速な重縮合を抑えるために強酸条件下で加水分解・重合反応を行なう。強酸条件下では、加水分解された金属水酸化物が比較的反応性の低い多量体となるとともにイオン化し、求核攻撃が抑えられ、急速な重縮合反応を抑制することになる。
一方、加水分解も同時に生じ、アルコールが作成されるので、酸の抑制効果も溶液中では減ってしまう。そのため、常に抑制させるためにｐＨ３．５以下を維持できるように、酸性溶液を滴下添加することが望ましい。均一な溶液を得るために２分以上、−５℃以上１０℃以下の低温で撹拌しながら反応を行うことが望ましい。
酸性溶液としては、塩酸、硝酸等の鉱酸、酢酸、クエン酸等の有機酸等が使用できるが、十分な抑制効果を得るためには、１０重量％以上の濃度が望ましい。
次に、水を加えて撹拌することで、さらに加水分解を進行させる。加える水の量が多い程、加水分解の進行が早くなり、さらに酸濃度が下がるため重縮合も早くなり、最終のモノリスの貫通孔は小さくなる。この添加する水の量によって、貫通孔の孔径を制御することができる。
加える水量は、最初の酸溶液に含まれる水の容量によるが、反応溶液に含まれる水量としては、完全に加水分解を起こさせるためには、金属アルコキシドの２〜１００倍モル程度が好ましい。
水を滴下しながら、添加した方が溶液温度変化が少なくなり、アルコール分の蒸発が抑えられるので好ましい。
これに更に、反応溶液を均一化させるため、極性溶媒、例えばホルムアミドなどを添加し撹拌する。全体量によるが、均一化させるためには、滴下しながら２分以上の撹拌が望ましい。酸性条件下では、重縮合に対して逆反応の加水分解が進み易く、ゾルゲル転移による反応系の固化に長時間を要するので、極性溶媒から生じる化合物によって中和させる事が望ましい。例えば、ホルムアミドの場合では、加えた酸量の０．５ｍｏｌ以上が好ましく、加水分解により生じるアンモニアによって酸が中和されることになる。
この均一化した反応溶液を目的に応じた密閉容器に入れ、固化させることで４族元素化合物のモノリス多孔質体が得られる。尚、密閉容器の形状としては、使用用途により、種々の形状を適宜選択すれば良く、どのような形状を使用しても構わない。又、密閉容器の材質も種々の材質を適宜選択すれば良い。例えば、モノリス多孔質体として、密閉容器から取り出して使う場合では、密閉容器の内表面とモノリス多孔質体が結合しないようなポリマー材質が好ましい。
逆に、容器内部にモノリス多孔質体を作る場合には、容器内面とモノリス多孔質体が反応するガラスやフューズドシリカキャピラリーやガラス化などの反応性を付加した容器が好ましい。
得られるモノリス多孔質体の貫通孔及び細孔の孔径、形状などは、これら使用するアルコキシド、酸、水、極性溶媒の比率で制御することができるので、目的に応じたモノリス多孔質体を自由に作れることになる。
恒温水槽中に保持することにより固化するゾルゲル反応に於いて、転移と相分離が同時に起こり、溶媒リッチ相と骨格相とからなるゲルが生成する。この反応抑制剤としての酸の使用により、貫通孔とゲル骨格が互いに連続した共連続構造が得られる。得られたゲルは、ゲル骨格にポリマーなどの添加なしで細孔が生成する。この理由については判然としないが、重合過程で生成する一次粒子のサイズが大きいためかと推測される。
又、この方法において、更にポリマーを添加すると、その割合に応じて加水分解と重縮合の速度が変化するため、ポリマーの添加無しの場合から添加量に応じた細孔の孔径、形状などの態様を変化させることができ、目的に適した細孔形成を行うことができる。ポリマーの添加なしで作成する方法が基本となるが、この発明手法では、加水分解と重縮合を同時に起こすことが出来るため、ポリマー添加の緩衝効果から、骨格形成時間を予測し、孔径、形状など細孔形成を広範囲に制御することが可能になる。
ゲル形成後、約２４時間熟成させ所望温度で乾燥させ多孔質４族元素酸化物ゲルを得る。得られた多孔質４族元素酸化物ゲルには、孔径の揃った貫通孔が三次元網目状に絡み合った構造で形成される。該多孔質４族元素酸化物ゲル中の有機成分を除去し、その後焼成することによって、４族元素酸化物多孔質体が製造される。
多孔質ゲルの固化したものを塩基性水溶液などに浸漬して密閉条件下で１００℃以上に加熱する密閉加熱処理工程を、加水分解工程と焼成工程との中間に加えると、細孔径及び細孔容積率を制御し易くなる。尚、水の塩基性は必ずしも必須条件ではなく、水の特性を十分活かせる水溶液であれば、これに限定されない。
密閉加熱処理の一つである水熱処理は、シリカゲルなどの多孔質体では、侵食効果があることが知られているが、本発明の４族元素化合物では侵食され難い。本発明では、加水分解と重縮合を同時に起こす特徴があるため、焼成前では、骨格が緩い状態で結合されており、その多孔質体内の含有水分により、又は水などを添加して密閉状態で加熱処理を行う事で、貫通孔を変化させずに状態を変化させることができ、細孔径を自由に制御することが出来る。
求める細孔径の寸法を使用溶媒種、加熱温度、反応時間の選択で、自由に調整することが出来るため、結果として目的に応じた表面積を持つモノリスゲルを作成する事ができる。この調整は、加熱温度、加熱時間の選定、ゲル中の含有水だけでも行うことが出来るが、水を含む溶媒を添加することもでき、水を含む溶媒の存在下ならば、どのような温度でも密閉状態であれば良い。又、この処理によって、表面の状態を変化させることも可能になり、試料成分との相互作用も制御することが可能となる。
又、極性溶媒に代えて、水溶性有機高分子、界面活性剤、両親媒性物質を用いても良い。
更に、極性溶媒に水溶性有機高分子、界面活性剤、両親媒性物質を加えることで、ゲル化速度を、これらの添加物質の緩衝効果により制御することができ、細孔の孔径、形状などをより広範囲で自由に作成することができる。
そして、本発明の４族元素化合物による無機系多孔質体は、図１に示すように、μｍサイズの骨格（ゲル骨格）とμｍサイズの複数の貫通孔が周期的に形成され、絡み合い、又、網目構造を作るゲル骨格は細孔を有している。従って、無機系多孔質体は、流路となる貫通孔と細孔を有する二重孔構造を形成している。
本発明の貫通孔は所謂マクロ細孔を意味し、本発明の細孔は所謂メソ細孔を意味するもので、貫通孔は無機系多孔質体の一端に開口し、途中枝分れし、他の貫通孔と合流し、他端に開口している。
又、本発明の４族元素化合物、詳しくは４族元素酸化物による無機系多孔質体は、貫通孔とこの貫通孔を形成するゲル骨格に形成された細孔の孔径、細孔の全容積、カラムとして使用する場合の全容積に対する貫通孔の容積率、細孔と貫通孔との合計容積に対する細孔の容積率を重要な構成要件とする。無機系多孔質体やカラムの立体構造は、反応系の組成及び温度やｐＨ値、有機高分子の分子量、その他４族元素化合物の反応性に影響を及ぼす各種条件によって変わる。従って、立体構造の制御の方法を一律に述べることは困難であるが、前述した条件が同じであれば細孔径等がほぼ同じ目的物を再現性良く提供できる。
中間物質として生成する多孔質ゲルからの有機成分たる有機高分子の除去は、乾燥前のゲルを洗浄することによってある程度なすことができる。又、除去成分によっては、密閉加熱処理で有機成分たる有機高分子の除去を兼ねることもできる。しかし、洗浄過程の後に有機高分子が分解あるいは燃焼する温度までゲルを充分長時間加熱してこれを完全に除去する方が有効である。
本発明４族元素化合物、詳しくは４族元素酸化物による無機系多孔質体の製造に使用する有機高分子は、理論的には適当な濃度の水溶液となし得る水溶性有機高分子であって、且つ４族元素化合物の加水分解によって生成するアルコールを含む反応系中に、均一に溶解し得るものであれば良いが、具体的には高分子金属塩であるポリスチレンスルホン酸のナトリウム塩またはカリウム塩、高分子酸であって解離してポリアニオンとなるポリアクリル酸、高分子塩基であって水溶液中でポリカチオンを生ずるポリアリルアミンおよびポリエチレンイミン、あるいは中性高分子であって主鎖にエーテル結合を持つポリエチレンオキシド、側鎖にピロリドン環を有するポリビニルピロリドン等が好適である。また界面活性を有する化合物、例えばポリエーテルを含むポリエチレングリコールおよびポリプロピレングリコールそれぞれのブロック鎖から構成されるジブロックあるいはトリブロック共重合体（Ｐｌｕｒｏｎｉｃ  Ｆ１２７，Ｐ１２３，Ｆ６８，Ｌ１２２，Ｌ１２１ほか、いずれもドイツＢＡＳＦ社製品）も好適に用いられる。さらにハロゲン化アルキルアンモニウム等のカチオン性界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム等のアニオン性界面活性剤、ラウリルジメチルアミノ酢酸（ＬＤＡ）等の両イオン性界面活性剤も同様に用いることができる。
有機高分子に代えて、極性溶媒であるホルムアミド、アセトアミド、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−メチルアセトアミド等の酸アミド類、エチレングリコール、グリセリン等の多価アルコールおよび糖アルコールなども用いることができる。
尚、本発明の４族元素化合物による無機系多孔質体は、カラムとして使用する場合、その立体構造が上記の条件を充足していれば、後述の作用効果を発揮するものである。従って、その製造法は、限定されない。
本発明の方法で作られたチタニアゲルは、３次元網目構造のモノリス構造であり、リン酸化合物を選択的に保持する特性があり、その分離に寄与する接触部分が多く、クロマトグラフィー用ゲルとして従来より強い選択性を得ることができる。また、従来のシリカゲルやチタニアコーティングシリカゲルなどと比べて、本発明ゲルは、純チタニアから作られており化学的安定性が高く、固定化金属アフィニティークロマトグラフィーと異なり、バッファーだけで、濃縮、溶出ができ、得られたリン酸化ペプチドの純度を高くすることができ、溶出液には不純物が含まれず、試料精製や前処理に有効である。
本発明の４族元素化合物の無機系多孔質体の貫通孔、細孔について、該無機系多孔質体をカラムとして使用する場合の作用を中心に述べる。試料溶液等の流体は、カラムの一端から入って三次元網目状に連続した貫通孔を通過し、他端から出る。通過途中、従来の充填型カラムにおけるビーズを用いた場合のような極端に狭い流路がなく、しかも貫通孔の孔径が１００ｎｍ以上であるから、流体が受ける抵抗は小さい。従って、圧力損失も小さい。
貫通孔の孔径が同じであるなら、カラム全体に対する貫通孔の容積率が高いほど、圧力損失が小さくなるので好ましいが、容積率が９０％を超えると機械的強度が著しく損なわれてしまい、単体でクロマトグラフィー用などのカラムを構成することが困難となる。他方、容積率が２０％に満たないとかえって充填型カラムよりも圧力損失が大きくなる。クロマトグラフィー用として好適な容積率の範囲は、５０〜８０％である。
そして、貫通孔を形成するゲル骨格に細孔が形成されているので、比表面積が高い。従って、その細孔に、例えばオクタデシル基等の官能基を化学的修飾によって固定したり、グルコースイソメラーゼ、トリプシン等の酵素や白金、パラジウム等の触媒を担持させておくと、流体が通過する過程でこれらの分子と効率よく反応する。しかも官能基が細孔内に固定されているので、流体の流れが速くても官能基が流されることはない。また本発明の無機系多孔質体がアナターゼ結晶相を主成分とする二酸化チタンである場合には、溶液中のリン酸基を有する化合物を特異的に吸着することができ、液体クロマトグラフィー法の応用によって当該物質の選択的な濃縮や検出を行うことが可能である。
但し、貫通孔、細孔を合わせた全気孔中の細孔の占める容積率は１０％以上を必要とする。１０％よりも少ないと、貫通孔の前記容積率を９０％まであげたとしても、官能基をほとんど固定することができないからである。他方、ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積は１０ｃｍ３／ｇ以下であることを必要とする。ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積が１０ｃｍ３／ｇを超えると機械的強度が著しく損なわれてしまい、単体でクロマトグラフィー用などのカラムを構成することが困難となる。クロマトグラフィー用として好適な細孔容積率及び容積の範囲は、全気孔に対する容積率が５０％以上、ゲル骨格１ｇ当りの細孔の容積が２ｃｍ３／ｇ以上である。
尚、カラム全体に対する貫通孔の容積率及び細孔の全容積が、上記好適な上限値より高くても、本発明の範囲であれば、外周を筒体で覆うなどして機械的に補強することによって、クロマトグラフィーその他に適用可能である。
又、本発明の無機系多孔質材料が４族元素化合物、例えば二酸化チタンである場合には、貫通孔の大きさを概ね１０μｍ以上とし、しかもその割合を高くすることにより、体液の循環する部位に埋め込むことにより、生体に無害な薬剤徐放担体とすることができる。酸化チタンは通常の生体条件下では体液への溶出は非常に少なく、しばしば検出限界以下である。多孔質酸化チタン上には、表面の結晶相を適切に制御した場合には、生体内で骨の成分であるアパタイト層が該多孔質酸化チタン上に形成され、生体はこれを自身の骨とみなすために、何らの拒否反応を起こすことなく生体組織と親和する。したがってこの種の酸化チタン多孔質材料は、生体内への埋入によって不都合な拒絶反応を起こさない、生体組織親和基材或いは安全な薬剤徐放担体として利用することができる。
二酸化ジルコニウムの場合では、硫酸化合物の分離や選択的な捕集に有効であるが、他の金属を取り込み固化する性質があり、化学的安定性が高く、廃棄物処理として有効利用が考えられる。さらに、本発明の方法では、全体を自由な形に作る事が出来るため、用途に応じた多孔質体を得ることが出来る。
【実施例】  ＜実施例１＞
まずチタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ製）１７．４０４ｇに３５重量％塩酸水溶液２．６４５ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。これに蒸溜水２０．４０４ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。さらに、ホルムアミド１．２０３ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。得られた透明溶液を密閉容器に移し、３０℃の恒温水槽中に保持したところ約１時間後に固化した。固化した試料を２４時間熟成させ、６０℃で乾燥した。これによって、多孔質二酸化チタンゲルを得た。
得られた多孔質二酸化チタンゲルには２μｍ程度の揃った貫通孔が三次元網目状にからみあった構造で存在していることが、走査電子顕微鏡（日立，Ｓ−２６００Ｎ）図（５０００倍）（図１）及び水銀圧入装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ，ＰＯＲＥＳＩＺＥＲ９３２０）により測定した測定図（図２）によって確かめられた。６０℃で乾燥した多孔質二酸化チタンゲルを６０℃／ｈの昇温速度で３００℃まで加熱した。貫通孔の内壁に５ｎｍ程度の細孔が多数存在していることが、窒素吸着測定（３００℃で熱処理した多孔質二酸化チタンゲルの測定）によって確かめられた（図３に示す吸着一脱着等温線図、図４に示す細孔径分布図）。なお、６０℃で乾燥した多孔質二酸化チタンゲルの気孔容積および気孔径は、熱処理を終えた多孔質二酸化チタンゲルのそれにほぼ一致しており、細孔の存在は電界放射型走査電子顕微鏡（日本電子，ＪＳＭ−６７００Ｆ）によっても確認された（図５）。
６０℃で乾燥した多孔質二酸化チタンゲルには、アナターゼ相の二酸化チタンナノ結晶が形成されていることが、Ｘ線回折測定装置（Ｒｉｇａｋｕ，ＲＩＮＴ）によって確かめられた（図８）。Ｘ線回折ピークの半値幅を用いてＳｃｈｅｒｒｅｒの式を適用すると、ナノ結晶の結晶子サイズが約１０ｎｍであると評価された。６０℃／ｈの昇温速度で３００℃、５００℃、７００℃、９００℃まで加熱して、各温度で２時間保持した後、Ｘ線回折測定を行った。３００℃、５００℃で加熱した多孔質二酸化チタンゲルではアナターゼ相の二酸化チタンが形成されているが、７００℃および９００℃以上での熱処理ではルチル相へ構造転移していることが確かめられた。
９００℃での熱処理した多孔質二酸化チタンゲルにおいて、三次元網目状にからみあった貫通孔は維持されており、貫通孔径は乾燥した多孔質二酸化チタンゲルとほぼ一致していることが、走査電子顕微鏡による図（図９）及び水銀圧入測定した図（図１０）によって確かめられた。
＜実施例１−ａ＞
上記反応溶液に蒸溜水を最大２１．２１４ｍＬまで添加して固化させると、水の量が多いほど得られる多孔体の貫通孔径は小さくなり、最小０．５μｍ程度までこれを連続的に制御することができた（図６）。
図６−ａは、蒸溜水を２０．４０４ｍＬ加えたもので、２μｍ程度の揃った貫通孔が三次元網目状態で存在している。蒸溜水の量を２０．９４４ｍＬにしたものが図６−ｂ、２１．２１４ｍＬにしたものが図６−ｃである。貫通孔は順に小さく変化していることがわかる。
＜実施例１−ｂ＞
また、用いる３５重量％塩酸水溶液液量を、最小２．４３６ｍＬから最大２．８０６ｍＬまで変化させて、生成する多孔体の貫通孔径を最大５μｍから最小０．２μｍの範囲で制御することが出来た（走査電子顕微鏡による図７）。
図７−ａは、塩酸を２．７５４ｍＬ加えたもので、３μｍ程度の揃った貫通孔が三次元網目状態で存在している。塩酸の量を２．６４５ｍＬにしたものが図７−ｂ、２．４３６ｍＬにしたものが図７−ｃである。
＜実施例１−ｃ＞
さらに、反応温度を４０℃から８０℃まで変化させても同様に、蒸溜水の濃度および３５重量％塩酸水溶液の濃度を調節することにより、上記と同様の範囲内で貫通孔径を制御することができた。
＜実施例２＞
まずチタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ製）１１．６０２ｇに３５重量％塩酸水溶液１．６２４ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。これにトリブロック共重合体（Ｆ６８、ドイツＢＡＳＦ社製）０．１０ｇを加え、蒸溜水１４．０７１ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。さらに、ホルムアミド０．７３８ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。得られた透明溶液を密閉容器に移し、４０℃の恒温水槽中に保持したところ約１時間後に固化した。固化した試料を２４時間熟成させ、６０℃で乾燥した。これによって、多孔質二酸化チタンゲルを得た。
得られた多孔質二酸化チタンゲルには３μｍ程度の揃った貫通孔が三次元網目状にからみあった構造で存在していることが、電子顕微鏡及び水銀圧入測定によって確かめられた。６０℃で乾燥した試料を６０℃／ｈの昇温速度で３００℃まで加熱した。貫通孔の内壁に５ｎｍ程度の細孔が多数存在していることが、窒素吸着装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ，ＡＳＡＰ−２０１０）の測定によって確かめられた。なお、６０℃で乾燥した試料の気孔容積および気孔径は、熱処理を終えた多孔質二酸化チタンゲルのそれにほぼ一致していた。
６０℃で乾燥した多孔質二酸化チタンゲルには、アナターゼ相の二酸化チタンナノ結晶が形成されていることが、Ｘ線回折測定によって確かめられた。Ｘ線回折ピークの半値幅を用いてＳｃｈｅｒｒｅｒの式を適用すると、ナノ結晶の結晶子サイズが約１０ｎｍであると評価された。６０℃／ｈの昇温速度で３００℃、５００℃、７００℃、９００℃まで加熱して、各温度で２時間保持した後、Ｘ線回折測定を行った。３００℃と５００℃で加熱した試料ではアナターゼ相の二酸化チタンが形成されているが、７００℃と９００℃の熱処理ではルチル相へ構造転移していることが確かめられた。
９００℃での熱処理した試料において、三次元網目状にからみあった貫通孔は維持されており、貫通孔径は乾燥試料とほぼ一致していることが、電子顕微鏡及び水銀圧入測定によって確かめられた。
＜実施例２−１＞
上記反応溶液に蒸溜水を最大１４．６３０ｍＬまで添加して固化させると、得られる多孔体の貫通孔径は小さくなり、最小０．５μｍ程度までこれを連続的に制御することができた。
＜実施例２−２＞
また、用いる３５重量％塩酸水溶液の量を、最小１．４９５ｍＬから最大１．６９１ｍＬまで変化させるか、あるいは、Ｆ６８（トリブロック共重合体）の量Ｘを、最小０．０６ｇから最大０．１２ｇまで変化させて、生成するＦ６８の量の変化によるモルフォロジー変化を示す（図１１）。多孔体の貫通孔径を最大５μｍから最小０．２μｍの範囲で制御することができた。さらに、反応温度を３０℃に下げるか、あるいは、５０℃から８０℃の範囲で上昇させても同様に、蒸溜水の濃度および３５重量％塩酸水溶液の濃度を調節することにより、上記と同様の範囲内で貫通孔径を制御することができた。
＜実施例２−３＞
極性溶媒に水溶性有機高分子であるポリエチレンオキシドを共存させ、モノリスゲルを作成した。
まず、チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ社製）３４．８０７ｇに３５重量％塩酸水溶液５．８２６５ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。これにポリエチレンオキシド（アルドリッチ社製）ＭＷ：１０，０００、１．０５ｇを加え、蒸留水１．３９３５５ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。更に、Ｎ−メチルホルムアミド量を滴下し、５分間撹拌した。得られた透明溶液を密閉容器に移し、４０℃の恒温水槽中に保持したところ、約１時間後に固化した。固化した試料を２４時間熟成させ、６０℃で乾燥した。これによって、多孔質二酸化チタンゲルを得た。
Ｎ−メチルホルムアミドの添加量（Ｘ）を変化させる事で、多孔体の貫通孔径を最大５μｍから最小０．２μｍの範囲で制御することができ、水銀圧入装置（前出）測定の測定図により、確かめられた（図１２）。
図１２における１〜５が示す曲線の実験条件は、下記のとおりである。
１：Ｘ＝４．８２０６ｍＬ（０．０８１ｍｏｌ）
２：Ｘ＝４．９９９１ｍＬ（０．０８４ｍｏｌ）
３：Ｘ＝５．１７７６ｍＬ（０．０８７ｍｏｌ）
４：Ｘ＝５．３５６２ｍＬ（０．０９０ｍｏｌ）
５：Ｘ＝５．５３４７ｍＬ（０．０９３ｍｏｌ）
水溶性有機高分子の共存下でも孔径を自由に作れることが実証できた。
＜実施例２−４＞
実施例２−３と同様の方法で、孔径等を制御された貫通孔を持つチタニア多孔質体を得て、更に、焼成前に密閉容器中で、加熱処理（以下、密閉加熱処理という）を行うことで、細孔を調整した。
まず、チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ社製）１１．６０２ｇに３５重量％塩酸水溶液１．９４２ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。
これにポリエチレンオキシド（アルドリッチ社製）ＭＷ：１０，０００、０．３５ｇを加え、蒸留水１．３９３５５ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。更に、Ｎ−メチルホルムアミド１．７８５４ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。得られた透明溶液を密閉容器に移し、６０℃の恒温水槽中に保持したところ、約１時間後にゲル化した。ゲル化した試料を２４時間熟成させ、６０℃で乾燥した。
更に、この多孔質体を乾燥させずに、耐圧性のある密封できる容器に入れて、密封して加熱した。熟成後、１００℃、１５０℃、２００℃で密閉加熱処理を行い、更に、それぞれを４００Ｃで焼成した多孔質体、熟成後、密閉加熱処理を行わず６０℃で乾燥させた多孔質体、熟成後、密閉加熱処理を行わず、６０℃で乾燥させ、さらに４００℃で焼成した多孔質体、合計８種を得た。
各多孔質体を窒素吸着装置（Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ，ＡＳＡＰ−２０１０）により、表面積および細孔径を前出の窒素吸着測定装置により測定した結果、吸着一脱着等温線図（図１３）、細孔径分布図（累積容積図１４（ａ）、微分容積図１４（ｂ））を得た。
図１３に示す吸着一脱着等温線では、各多孔質体のデータにヒステリシスが観察される。これが、高圧側で観察されるほど細孔サイズは大きくなることを示し、吸着等温線（２つのうち下の曲線）の増加が急になるほど、細孔サイズが揃っていることを示している。密閉加熱処理を施すと、細孔サイズは大きくなり、サイズが比較的揃うことが分かる。尚、各データは得られた数値どおりに作製すると重なって見づらいため、▲１▼から順に１５０ｃｍ３／ｇずつ上にずらして表示している。
図１４−１に示す累積細孔容積では、曲線の立ち上がる位置や立ち上がり方で細孔のサイズや分布を評価でき、最終的な到達点で細孔がどれくらいの体積を占めているかが分かる。２００℃で密閉加熱処理後、６０℃で乾燥した多孔質体▲７▼は、曲線の立ち上がりが１０ｎｍくらいであり、比較的鋭いカーブを形成している一方、細孔サイズが小さくなってもダラダラと増加しているので、ある程度細孔サイズは揃っているものの分布があることが確認される。
加えて、この多孔質体▲７▼は８つの多孔質体の中で細孔の占める体積が最も大きいことも確認される。
又、２００℃で密閉加熱処理後、４００℃で熱処理した▲８▼のデータから、熱処理によっても細孔はほとんど消失しないことも分かる。
更に、６０℃で乾燥した多孔質体▲１▼では、ほとんど細孔が存在しないことも分かる。
図１４−２に示す微分細孔容積では、ピークの位置で細孔の平均サイズが確認される。
更に、ピーク幅が狭いほど、細孔サイズが揃い、分布が少ないことが確認される。２００℃で密閉加熱処理後、６０℃で乾燥した多孔質体▲７▼、および２００℃で密閉加熱処理後、４００℃で熱処理した多孔質体▲８▼では、細孔サイズはともに平均１０ｎｍである。
これらの図から得られた数値を表にして図１５に示す。
全体をまとめると、
６０℃の乾燥状態では、細孔径、比表面積はほとんど存在しないが、密閉加熱処理を行なうと、比表面積、細孔径が増大することが分かる。４族元素化合物特有の効果を高めるためには、様々な試料との接触機会が多くなる比表面積が大きく制御された多孔質体が適しており、この密閉加熱処理が有効である事が分かる。更に、処理温度に応じて、その細孔径を制御する事が可能となる。
更に、密閉加熱処理を行った後に焼成する事で、細孔径を大きくする事が可能となる。
焼成加熱温度を変化させると、貫通孔を大きく変化させず、細孔径を目的に応じて変化させることが出来る。密閉加熱処理は多孔質体を侵食させる効果があることは、周知の事実であるが、貫通孔はほとんど変化しないことにより、侵食作用でないことも実証された。更に、焼成工程を加えることで、細孔径を大きくすることができ、目的に応じた多孔質体を制御作成できることが実証できた。
６０℃で乾燥後、多孔質体重量に対して、２０％重量のイオン交換水を含水し、同様の処理を行ったが、同様の結果になり、イオン交換水を添加しても細孔径および比表面積が制御できることが実証された。
＜実施例３＞
まず、チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ製）１７．４０４ｇに３５重量％塩酸水溶液２．６４５ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。
これに蒸溜水２０．６７４ｍＬを滴下し、５分間攪拌した後、ホルムアミド１．２０３ｍＬを滴下し、さらに５分間攪拌して均一化し、ゾル−ゲル反応液とした。この反応液５ｍＬを長さ２００ｍｍ、内径６ｍｍの寸法の円筒形密閉容器に入れ、その容器を恒温水槽に入れてゾル−ゲル反応液の温度を３０℃に１時間保持し、加水分解・重縮合を行い、固化させ、２４時間熟成後、６０℃で乾燥して、カラム形状の試料を得た。
＜実施例４＞
実施例３で、得られた円筒状のモノリスゲルを４００℃で熱処理を行い、アナターゼ相を持つ外径２．１ｍｍの固いモノリスゲルを得た。長さ１５０ｍｍに切断し、ポリプロピレンチューブに挿入し、１５０℃で加熱し、ポリプロピレンチューブを収縮させてカラム化した。両端に接続ジョイントを取り付け、ＨＰＬＣ分析を行い、そのリン酸化合物の保持力を従来タイプのカラムと比較した。
比較例として、細孔１０ｎｍの外径２．１ｍｍ、長さ１５０ｍｍのシリカモノリスにチタニウム（ＩＶ）イソプロキシドをコーティングし、４００℃で熱処理したチタニアコーティングモノリスを作成し、実施例４と同様な方法でカラム化したカラム、及び、粒子充填タイプカラムとして、細孔１０ｎｍ、粒子径５μｍチタニアゲルを２．１ｍｍ×１５０ｍｍに充填したＨＰＬＣカラムを用意した。
３種のカラムで、リン酸基の無いアデノシン、リン酸基の一つ結合したアデノシンモノフォスフェート、リン酸基の二つ結合したアデノシンジフォスフェート、リン酸基の３つ結合したアデノシントリフォスフェードを試料（各１μｇ／ｍＬ）として分析比較した。
実験装置：
セミミクロＨＰＬＣ対応ポンプ  ＰＵ７１２、
紫外可視検出器  ＵＶ７０２（セミミクロセル）、
データステーション  ＥＺＣｈｒｏｍ  Ｅｌｉｔｅ（以上ジーエルサイエンス社製）、
低拡散ステンレスインジェクター  ＲＨＥＯＤＹＮＥ  ８１２５（レオダイン社製）
実験条件：
溶離液０．１Ｍ  リン酸緩衝液（ｐＨ．７）／アセトニトリル＝５０／５０
流速０．２ｍＬ／ｍｉｎ
検出ＵＶ２６０ｎｍ
注入量  ０．１μＬ
カラム温度  室温
本発明チタニアモノリスでの実施例４による分析結果を（図１６）に示す。図中１〜４は以下を表す。
１：アデノシン、２：アデノシンモノフォスフェート、３：アデノシンジフォスフェート、４：アデノシントリフォスフェート
４成分ともにリン酸化の程度によって完全に分離され、高い選択性を有する事が判明した。３次元網目構造をとっているため、試料との接触が大きいためと考えられる。
比較例のチタニアコーティングタイプでは、リン酸化合物を保持する特性を持つが、アデノシンとリン酸基が一つのアデノシンモノフォスフェートは分離せず１つのピークとなった（図１７）。
この事から、同様の構造であるシリカモノリス表面にチタニア膜を作成しても、細孔内部まではコーティングされず、選択性が低い事が判明した。
別の比較例のチタニア粒子タイプでは、４成分の分離は見られたものの本発明であるモノリスタイプに比べて、選択性が低い結果であった（図１８）。
本発明チタニアモノリスは、シリカコーティングタイプ、チタニア粒子タイプより選択性が優れており、リン酸化合物の選択的な保持能力が大きいことが判明した。
＜実施例５＞
チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ製）１７．４０４ｇに３５重量％塩酸水溶液２．６４５ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。これに蒸留水２０．４０４ｍＬを滴下し、５分間攪拌した後、ホルムアミド１．２０３ｍＬを滴下し、さらに５分間攪拌して均一化し、ゾル−ゲル反応液とした。この反応液５ｍＬを長さ２００ｍｍ、内径６ｍｍの寸法の円筒形密閉容器に入れ、その容器を恒温水槽に入れてゾル−ゲル反応液の温度を３０℃に１時間保持し、加水分解・縮重合を行い、固化させ、２４時間熟成後、６０℃で乾燥して、外径３．３ｍｍの貫通孔径１０μｍ棒状のチタニアモノリスを得た。
このモノリスを厚さ１．５ｍｍにダイヤモンドカッターで切断し、円盤状のモノリスとした。４５０℃で焼成し、径２．８ｍｍ厚さ１．２ｍｍのフィルター状の固いチタニアモノリスを得た。
さらに、同じ貫通孔径を持ち円盤状のシリカモノリスにチタニウム（ＩＶ）イソプロキシドをコーティングし４００℃で熱処理したチタニアコーティングモノリスを作成した。
これらのモノリスを０．１Ｍ水酸化ナトリウム水溶液中で一夜攪拌し続けたところ、チタニアコーティングタイプでは、溶解した。
本発明チタニアモノリスでは、重量変化は無くアルカリ溶液中でも安定である事が実証された。
＜実施例６＞
実施例５で、アルカリ溶液中で一夜攪拌したフィルター状モノリスを、ピペットチップに超音波融着器により融着した。
このチタニアモノリスを融着したピペットチップをピペッターに使用して、リン酸化ペプチドが選択的に濃縮精製できるかを調べた。
濃縮精製工程は次のようである。
１．ピペッターの目盛りを２００μＬにあわせる。
２．コンディショニングのため、５０％アセト二トリル水溶液（０．１〜１％ギ酸）で３回ピペッティングする。
３．吸着のため、試料を２０〜２５回ピペッティングする。
４．洗浄のため、５０％アセトニトリル＋０．５ＫＣｌ水溶液（０．１％ギ酸）でピペッティングする。
５．溶出のため、０．２Ｍリン酸バッファー（ｐＨ７．０）で１０回ピペッティングし、試料を得る。
標準のリン酸化ペプチド（ＴＲＤＩＹｐＥＴＤＹＹＲＫ）（０．０１ｍｇ／ｍＬ）と非リン酸化ペプチド（ＴＲＤＩＹＥＴＤＹＹＲＫ）（０．０５ｍｇ／ｍＬ）の混合試料１０μＬを、Ｉｎｅｒｔｓｉｌ（登録商標）ＷＰ３００  Ｃ１８５μｍ（１５０×２．１ｍｍＩ．Ｄ．）カラムを用いて、０．１％トリフルオロ酢酸添加１０％アセトニトリルから０．１％トリフルオロ酢酸添加４０％アセトニトリルへの１５分グラジェント分析を行い、ＵＶ２１０ｎｍで検出した。
実験装置：
ＨＰＬＣポンプ  ＧＬ７４１１（低圧グラジエントユニット内蔵）、
カラムオーブン  ＧＬ−７４３０、
オートサンプラー  ＧＬ−７４２０、
ＵＶ検出器  ＧＬ−７４５０
専用ソフトウエア  ＥＺＣｈｒｏｍ  Ｅｌｉｔｅ（以上ジーエルサイエンス社製）
濃縮精製を行わない未精製の混合試料の分析結果を図１９に示す。本発明チタニアモノリスゲルを用いて上記のピペッティング方法で精製した混合試料の分析結果を図２０に示す。図２０中１及び２は以下を表す。
１：リン酸化ペプチド
２：非リン酸化ペプチド
精製を行わない試料では非リン酸化ペプチドがそのまま検出されているが、図２０ではリン酸化ペプチドだけが精製濃縮されて、検出されていることがわかる。なお、その回収率は約７０％であった。
本発明チタニアモノリスは、リン酸化ペプチドを効率良く、高い回収率で精製できる事が確認された。
さらに、同じ方法で、実際のタンパク質であるβカゼイン（０．５ｍｇ／ｍＬ）溶液５０μｇをトリプシン消化したペプチドを試料として格製し、ＨＰＬＣ分析を行なった。
試料１０μＬを、Ｉｎｅｒｔｓｉｌ（登録商標）ＷＰ３００  Ｃ１８５μｍ（１５０×２．１ｍｍＩ．Ｄ．）カラムを用いて、０．１％トリフルオロ酢酸添加１０％アセトニトリルから０．１％トリフルオロ酢酸添加９０％アセトニトリルへの１５分グラジエント分析を行い、ＵＶ２１０ｎｍで検出した。実験に使用した装置は、標準品の分析で使用したものと同様である。
精製を行なっていないカゼインのペプチド消化物の分析では、他のペプチドが混在し、リン酸化ペプチドを検出する事は出来ない（図２１）。
しかし、本発明のチタニアモノリスを融着したピペットチップで前処理濃縮した結果、βカゼインの消化ペプチド中のリン酸化ペプチド２種ＦＱｐＳＥＥＱＱＱＴＥＤＥＬＱＤＫ（分子量：２０６１）、
ＲＥＬＥＥＬＮＶＰＧＥＩＶＥｐＳＬｐＳｐＳｐＳｐＳＥＥＳＬＴＲ（分子量：３１２２）を検出、同定する事が出来た（図２２）。図２２中１及び２は以下を表す。
１：ＦＱｐＳＥＥＱＱＱＴＥＤＥＬＱＤＫ（分子量：２０６１）
２：ＲＥＬＥＥＬＮＶＰＧＥＩＶＥｐＳＬｐＳｐＳｐＳｐＳＥＥＳＬＴＲ（分子量：３１２２）
実試料のタンパク消化物に含まれる微量のリン酸化ペプチドも選択的な精製回収ができ、生体内代謝研究にも十分対応できる事が実証された。
チタニアコーティングモノリスでも同様の結果は得られるが、アルカリ加水分解などを行なった生体試料などでは、モノリスが溶解してしまい、中和後の精製が必要となる。
本発明のモノリスを用いた精製では、アルカリ耐久性もあり、中和工程も必要なく、固定化金属アフィニティークロマトグラフィーのような煩雑な工程も必要なく、簡単にリン酸化ペプチドを選択的に濃縮精製できる。
前処理自動化装置であるハミルトンマイクロラボスターを使用し、その専用チップに同じように本発明チタニアモノリスを融着させ、使用する前処理チップを構成した。さらに前述の手動ピペッティングプロトコールを装置に入力し自動で精製を行なわせ、分析を行なった結果、同等のクロマトグラムを得ることができた。
このように、自動化装置に本発明チタニアモノリスを組み込む事で前処理の自動化も可能となる。
＜実施例７＞
チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ製）１．７ｋｇに３５重量％塩酸水溶液２６４ｍＬを滴下し、５分間攪拌した。これに蒸留水２Ｌを滴下し、５分間攪拌した後、ホルムアミド１５０ｍＬを滴下し、さらに５分間攪拌して均一化し、ゾル−ゲル反応液とした。この反応液５００ｍＬを長さ２００ｍｍ、内径６０ｍｍの寸法の円筒形密閉容器に入れ、その容器を恒温水槽に入れてゾル−ゲル反応液の温度を３０℃に１時間保持し、加水分解・縮重合を行い、固化させ、２４時間熟成後、６０℃で乾燥して、円筒状のモノリスゲルを得た。４００℃で熱処理を行い、アナターゼ相を持つ外径２０ｍｍの固いモノリスゲルを得た。長さ１５０ｍｍに切断し、ポリプロピレンチューブに挿入し、１５０℃で加熱し、ポリプロピレンチューブを収縮させてカラム化した。
このチタニアモノリスカラムに化学修飾を施し、従来のシリカ充填剤と比較した。
チタニアモノリス重量に対して、１ｗｔ％ブタジエンモノマーと０．０１ｗｔ％アゾビスイソブチロニトリルを１Ｌヘキサンに溶解した。この溶液中にゲルを浸漬し減圧にしながら、ヘキサン溶媒を蒸発させ、１２０℃で１２時間反応、ブタジエンポリマーを化学結合させた。
この化学修飾チタニアモノリスを実施例４と同じ方法でカラム化した。
比較例として、細孔径１０ｎｍを持つシリカ粒子に同様のコーティング処理を施し、内径２０ｍｍ長さ１５０ｍｍの分取カラムに充填した。弱酸性試料であるフェノールと塩基性試料であるピリジンの混合物１ｍｌを注入し３０％メタノール溶離液で、流速２０ｍＬ／ｍｉｎで分取分析しＵＶ３００ｎｍで検出した。
実験装置：
ＨＰＬＣ分取システム  ＰＬＣ５６１（ジーエルサイエンス社製）
図２３及び２４に示す１及び２は以下を表す。
１：フェノール
２：ピリジン
図２３は、比較例のシリカゲル充填剤による分析であるが、シラノール基の影響により塩基性化合物であるピリジンが吸着しピークがテーリングしている。本発明チタニアゲルに化学修飾したカラムでは、フェノールの逆相保持は同じように得られ、さらに、ピリジンの吸着が無く、早く溶出された（図２４）。
本発明のチタニアモノリスは、従来のゲルと同様に化学種を結合させる事により、種々の特性を付け加え得る事が可能である。シリカゲルのような吸着活性点も無く、化学的耐久性が高く、ゲルの溶解が無く精製用に使われる分取クロマトグラフィーにも適している。
＜実施例８＞
チタニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ社製）１１．６０２ｇに３５重量％塩酸水溶液１．９４２２ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。これにポリエチレンオキシド（アルドリッチ社製）ＭＷ：１０，０００、０．３５ｇを加え、蒸留水１．３９３５５ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。さらに、Ｎ−メチルホルムアミド１．７８５４ｍＬを滴下し、更に、５分間撹拌して均一化し、ゾル−ゲル反応液とした。この反応液５ｍＬを長さ１５０ｍｍ、内径６ｍｍの寸法のＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）チューブに入れて両端を密栓し、そのチューブを恒温水槽に入れてゾルゲル反応液の温度を３０℃に１時間保持し、加水分解、重縮合を行い、ゲル化させ、内径５０ｍｍ、長さ１５０ｍｍのステンレス製耐圧容器に入れ、２００℃で密閉加熱処理を行い、４００℃で焼成した。
比表面積１５３ｍ２／ｇ、平均細孔径１３ｎｍ、貫通孔径５μｍの制御された３．９ｍｍ×５０ｍｍの多孔質体が得られた。得られた試料の走査電子顕微鏡写真を図２５に示す。
得られた多孔質体をポリプロピレンチューブに挿入し、１５０℃で加熱し、ポリプロピレンチューブを収縮させてカラム化した。両端に接続ジョイントを取り付け、ＨＰＬＣ分析を行い、リン酸基の一つ結合したアデノシンモノフォスフェート、リン酸基の二つ結合したアデノシンジフォスフェート、リン酸基の三つ結合したアデノシントリフォスフェートを試料（各１μｇ／ｍＬ）として分析比較した。実験に使用した装置は、実施例４で使用したものと同様である。
実験条件：
溶離液０．１Ｍリン酸バッファー（リン酸１カリウム、リン酸２カリウムを混合）ｐＨ＝７／ＡＣＮ＝５０／５０
検出波長２８０ｎｍ
室温
流速０．５ｍＬ／ｍｉｎ
検出ＵＶ２８０ｎｍ
注入量  ５μＬ
カラム温度  室温
本発明の密閉加熱処理により、細孔径をコントロールしたチタニアモノリスでの分析結果を図２６に示す。図２６中１〜３は以下を表す。
１：アデノシンモノフォスフェート
２：アデノシンジフォスフェート
３：アデノシントリフォスフェート
細孔径が適切に制御されているため、より短い時間で、リン酸化の程度によって３成分を分離する事ができ、充填タイプ（図１８）に比べて、テーリングが無く対象性の良いクロマトグラムが得られた。密閉加熱処理により、表面活性状態を変える事ができ、かつ細孔径を制御することで、高速分析に適用できるカラムも作成できる事が実証された。
＜実施例９＞
二酸化チタンと同様に極性溶媒に水溶性有機高分子であるポリエチレンオキシドを共存させ、二酸化ジルコニウムモノリスゲルを作製した。まず、ジルコニウム（ＩＶ）ｎ−プロポキシド（アルドリッチ社製、７０ｗｔ％  ｉｎ  １−ｐｒｏｐａｎｏｌ）９．３５９４ｇに６０重量％硝酸水溶液１．６７４２ｍＬを滴下し、５分間撹拌した。これに蒸留水６．９６１２ｍＬを滴下し、ポリエチレンオキシド（Ｆｌｕｋａ社製）ＭＷ：３５，０００、０．１５ｇを加え、３０分間撹拌した。さらに、Ｎ−メチルホルムアミドを２．６７８１ｍＬ滴下し、５分間撹拌した。得られた透明溶液を密閉容器に移し、８０℃の恒温槽中に保持したところ、約１時間後に固化した。固化した試料を２４時間熟成させ、６９℃で乾燥した。これによって、多孔質体二酸化ジルコニウムゲルを得た（図２７）。Ｎ−メチルホルムアミドの添加量を変化させる事で、多孔質体の貫通孔径を最大５μｍから最小１μｍの範囲で制御することが出来た（図２８）。図２８中１、２は以下を表す。
１：Ｎ−メチルホルムアミド２．６７８１ｍＬ
２：Ｎ−メチルホルムアミド２．９１６１ｍＬ
水溶性有機高分子の共存下で孔径を自由に作れる事が実証できた。
実施例９に記載の実施例の走査電子顕微鏡写真（図２７）とＮ−メチルホルムアミドの添加量を２．９１６１ｍＬと変化させて得た走査電子顕微鏡写真（図３０）によっても貫通孔の変化が観察された。
＜実施例９−１＞
さらに、実施例９ゲルを用いて、焼成温度に於ける結晶構造変化を調べた。本発明の方法では、固化した時点ではアモルファスであるが、３００℃の低温で熱処理すると、化学的に安定である正方晶あるいは立方晶が得られており、多孔質体構造は得られている。さらに、１２００℃で焼成する事で、単斜晶単相に多孔質体構造を壊さず、結晶構造だけを変化させる事が出来る（図２９）。図２９中四角のプロットは単斜晶、丸のプロットは正方晶又は立方晶を表す。
多孔質体の構造は、ゲルの固化時点で決まる事から、密閉容器の形状によって、目的に応じて自由な形を作成することができる。その後に、焼成する事で、化学的な性質が変化する結晶構造を目的に応じて作製可能である事が実証された。
【産業上の利用可能性】  この発明は、クロマトグラフィーカラムや吸着材として利用できる無機系多孔質体に関する。この発明の無機系多孔質体は、トリプシン、アルカリフォスファターゼ、グルコースイソメラーゼ等の酵素や白金、パラジウム等の触媒あるいは、オクタデシル基等の官能基が担持されて、液体クロマトグラフィー、ガスクロマトグラフィー等のクロマトグラフィー用カラムに好適に利用され得る。また、シリンジ先端やキャピラリー内部に固定して通液することにより、特定のリン酸化合物を分離あるいは濃縮するために用いることができる。また多数のタンパク質混合物から、特異吸着によって特定の性質をもったものだけを吸着・分離するために用いることができる。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【国際調査報告】
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