(57)【要約】【課題】モノリスカラムの局所構造を秩序化する。【解決手段】骨格相１９ｃ内に多数の球状空孔１１ｂが形成され、それらの球状空孔１１ｂは規則的に配列されているとともに、隣接する球状空孔１１ｂ同士が接点で連通していることにより、上記骨格相１９ｃが３次元網目構造に形成されている。球状空孔１１ｂはポリマー粒子の鋳型によって転写されたものであるので、大きさが均一で空孔の配列も秩序化されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子による充填構造が転写された多数の球状空孔をもつ構造の骨格相を備え、隣接する球状空孔同士が接点で連通していることにより、前記骨格相が３次元網目構造に形成されていることを特徴とする多孔質連続体。
【請求項２】
前記球状空孔は最密充填構造となるように規則的に配列されている請求項１に記載の多孔質連続体。
【請求項３】
前記骨格相はシリカによって形成されている請求項１又は２に記載の多孔質連続体。
【請求項４】
前記球状空孔のサイズは直径０．１〜５μｍであり、かつ孔径ばらつきが２０％未満である請求項１から３のいずれかに記載の多孔質連続体。
【請求項５】
前記骨格相には前記空孔より孔径の小さい微細孔が形成されている請求項１から４のいずれかに記載の多孔質連続体。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の多孔質連続体を中空管内又は基板中の流路内に備えたことを特徴とするカラム。
【請求項７】
前記多孔質連続体に物理的修飾又は化学的修飾が施されている請求項６に記載のカラム
【請求項８】
ポリマー粒子を含有するコロイドを中空管又は基板中の溝に注入し、前記ポリマー粒子をそれ自身の自己集合作用によって規則的に配列した充填構造にする工程と、
前記充填構造を形成したポリマー粒子の隙間に金属アルコキシドゾルを注入する工程と、
前記金属アルコキシドゾルをゲル化して骨格相を形成する工程と、
前記ポリマー粒子を熱分解により除去することにより前記充填構造が転写された多数の球状空孔をもつ３次元網目構造を有する多孔質連続体を形成する工程と、を含んだことを特徴とする多孔質連続体の製造方法。
【請求項９】
前記多孔質連続体の形成後、骨格相をアルカリ溶液で洗浄することにより骨格相に前記球状空孔より孔径の小さい微細孔を形成する物理的修飾工程をさらに備えた請求項８に記載の多孔質連続体の製造方法。
【請求項１０】
前記金属アルコキシドゾルはシリカゾルである請求項８又は９に記載の多孔質連続体の製造方法。
【請求項１１】
前記コロイドはポリスチレン粒子が純水中に分散したものである請求項８から１０のいずれかに記載の多孔質連続体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、化学、生物学、医学、食品、製薬等で分離又は抽出を必要とする分野において、例えば、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の充填材や血液分離用多孔質媒体などに利用される多孔質連続体及びそれを用いたカラム、並びに多孔質連続体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
クロマトグラフィー用カラムの充填材に用いられる多孔質連続体（モノリス）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からなるものと、シリカゲル等の無機系のものが知られている。
有機系の充填材は、低強度のために耐圧性が低い、溶媒により膨張・収縮してしまう、加熱殺菌不可能である等の難点がある。したがって、こうした難点がない無機系のもの、特にシリカゲルが汎用されている。一般にシリカゲル等の無機質多孔体は、液相反応であるゾル−ゲル法によって作製されている。
【０００３】
多孔質材料を各種担体として利用する場合には、孔の表面に担持されて機能を発現する物質の大きさに依存した最適の細孔径と、できるだけばらつきの小さい細孔径分布とが必要である。したがって、ゾル−ゲル法によって得られる多孔体についても、ゲル合成時の反応条件を制御することによって、細孔サイズを制御する試みがなされている。
【０００４】
多孔質連続体を担体とするモノリスカラムは、金属アルコキシドゾルを中空管に導入し、スピノーダル分解を利用して作製される。この製法によれば骨格の太さと空孔の大きさ（直径）は自由に制御されるため、多孔質連続体を担体として高分離能かつ低圧力損失なモノリスカラムを実現することができる。
【０００５】
図３はその製法によって作製した多孔質連続体を有するカラムの断面概略図である。多孔質連続体２３は、スピノーダル分解を利用してシリカを主体として中空管１７内に形成されている。図中の黒い部分は孔を表わしている。
この多孔質連続体２３は、ゾル組成やゲル化条件を変えることにより、局所構造である網目状の骨格及び細孔の大きさを制御する工夫がなされている。そして多孔質連続体２３の局所構造が一様であることは水銀圧入法による細孔測定等により確認されている。しかし、この多孔質連続体を走査電子顕微鏡により観察すると、図４に示されるようにその局所構造が必ずしも幾何学的に均質ではなく周期性（充填度）も乏しいことがわかる。
【０００６】
一方、充填カラムにおいては固定相担体である充填材の微細化、球状化、孔径均一化等の工夫によって表面積の増大や分析の高速化などの高性能化が達成されている。そして、充填材の球状化と孔径均一化の工夫は局所構造の幾何学的特徴を均質にして分析物の拡散様式を一様にする工夫と換言できる。
【０００７】
例えば、表面積を増大させたカラムとしては、孔径５００ｎｍの貫通孔の内側表面に孔径５〜１００ｎｍの微細孔を内表面に有した無機系多孔質カラムが知られている（特許文献１参照。）。また、細孔構造を有効に制御する方法としては、金属アルコキシドを出発原料とし、適当な共存物質を原料に添加して、巨大空孔となる溶媒リッチ相を持つ構造を生じさせる方法が知られている（特許文献２参照。）。
【０００８】
【特許文献１】特許第３３１７７４９号
【特許文献２】特許第３３９７２５５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、従来のスピノーダル分解によるモノリスカラムの作製方法では、局所構造の秩序化を実現することは極めて難しかった。すなわち、細孔サイズとその分布を自在に制御することができなかった。これは、細孔がスピノーダル分解によりランダムに生成するのに任されているからである。
本発明は、従来方法では難しいモノリスカラムの局所構造を秩序化することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
最近のカラム理論の研究では、微細加工技術を利用してカラムを幾何学的に均質に作りあげることにより、カラムの局所構造の不均一さに由来する分析物のカラム内拡散を低減できる可能性が報告されている。したがって、従来のゾル−ゲル法によるシリカモノリスカラムにおいても局所構造を秩序化する工夫を施すことにより、さらなる高性能化を期待できる。
【００１１】
本発明の多孔質連続体は、粒子による充填構造が転写された多数の球状空孔をもつ構造の骨格相を備え、隣接する球状空孔同士が接点で連通していることにより、上記骨格相が３次元網目構造に形成されているものである。
【００１２】
骨格相の幾何学的特徴を均質にするため、上記球状空孔は最密充填構造となるように規則的に配列されていることが好ましい。
また、上記骨格相は強度が高い方がよいので、シリカを含んでいることが好ましい。
【００１３】
球状空孔のサイズは直径０．１〜５μｍが好ましい。カラム充填材などの用途を考えると、空孔サイズがこの範囲から外れたものは効果が乏しい。
空孔の孔径を均一なものにするには単分散であることが好ましい。その場合は孔径のばらつきは５〜１０％とすることができる。目的によっては２種類の孔径の集合体とすることもできる。その場合でも孔径のばらつきが２０％未満であることが好ましい。
また、充填材の表面積を増大させるために、上記骨格相には上記空孔より孔径の小さい微細孔が形成されていることが好ましい。
【００１４】
本発明のカラムは、上記の多孔質連続体を中空管内又は基板中の流路内に備えたものである。
そして、カラムの機能を高性能化するために、上記多孔質連続体に物理的修飾又は化学的修飾が施されているようにしてもよい。
【００１５】
本発明の多孔質連続体の製造方法は、ポリマー粒子を含有するコロイドを中空管又は溝に注入し、上記ポリマー粒子をそれ自身の自己集合作用によって規則的に配列した充填構造にする工程と、上記充填構造を形成したポリマー粒子の隙間に金属アルコキシドゾルを注入する工程と、上記金属アルコキシドゾルをゲル化して骨格相を形成する工程と、上記ポリマー粒子を熱分解により除去することにより上記充填構造が転写された多数の球状空孔をもつ３次元網目構造を有する多孔質連続体を形成する工程とを含んでいる。
【００１６】
また、上記多孔質連続体の形成後、骨格相をアルカリ溶液で洗浄することにより、骨格相に上記球状空孔より孔径の小さい微細孔を形成する微細加工工程をさらに備えるようにしてもよい。
【００１７】
上記金属アルコキシドゾルの好ましい一例にはシリカゾルを挙げることができる。
また、上記コロイドの好ましい一例にはポリスチレン粒子が純水中に分散したものを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の多孔質連続体は、粒子による充填構造が転写された多数の球状空孔をもつ構造の骨格相を備え、隣接する球状空孔同士が接点で連通していることにより、骨格相が３次元網目構造に形成されるので、従来方式に比べて分析物の拡散様式を均質化することができ、分析物のカラム内拡散による分離能の劣化を低減することができる。
【００１９】
球状空孔が最密充填構造となるように規則的に配列すれば、局所構造が幾何学的に均質かつ周期性を有するようになり、分離精度が一定な多孔質連続体を備えたカラムを提供することができるようになる。
骨格相にシリカからなるようにすれば、シリカの共有結合力は強いので、多孔質連続体としての耐圧性向上が期待される。
【００２０】
球状空孔のサイズを直径０．１〜５μｍ、かつ孔径ばらつきを２０％未満にすればカラム充填材として有効な多孔質連続体を提供することができる。
骨格相に空孔より孔径の小さい微細孔が形成される微細加工を施せば、充填材としての表面積が増大するので、多孔質連続体の分離能を向上させることができる。
【００２１】
本発明の多孔質連続体の製造方法によれば、従来のスピノーダル現象を利用した作製方法では困難であった幾何学的構造の均質性、周期性を有するモノリスカラムの作製が可能になり、カラムの不均一さに由来する分析物のカラム内拡散による分離能の劣化を低減できるため、モノリスカラムの高性能化が期待できる。
【００２２】
骨格相をアルカリ溶液で洗浄することで骨格相には球状空孔よりも孔径の小さい微細孔が形成され、容易に微細加工を施すことができ、表面積が増大することによってカラムの分離能が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に図面を参照して本発明の一実施例を詳細に説明する。
図２は本発明の多孔質連続体の製造方法を説明する概略工程図である。図面を参照しながら工程（Ａ）〜（Ｄ）を順に説明する。
【００２４】
（Ａ）初めに、サイズのばらつきが２０％未満である多数のポリマー粒子を含有する単分散コロイドを用意する。例えば、直径１〜３μｍのポリスチレン粒子１１ａが純水１３中に分散している１ｗｔ％ポリスチレンコロイド１５を調製する。
シリンジポンプを使ってポリスチレンコロイド１５を内径５０μｍの中空管１７に注入し、ポリスチレン粒子１１ａを内部に充填する。このとき、ポリスチレン粒子１１ａは、その自己集合作用によって規則的な充填構造、例えば六方最密構造をとる。
【００２５】
（Ｂ）次に、多孔質連続体の骨格相となる金属アルコキシドゾルを調製する。例えば、氷冷下において、２０ｍＭ酢酸１０ｍＬにポリエチレングリコール１．３ｇとテトラメトキシシラン（Ｓｉ（ＯＣＨ3）4）４ｍＬを加え、４５分間攪拌してシリカゾルを調製する。
このシリカゾルを、ポリスチレン粒子１１ａが充填されている中空管１７内にシリンジポンプを用いて注入する。注入されたシリカゾル１９ａはポリスチレン粒子１１ａの充填構造の隙間に入り込む。
【００２６】
（Ｃ）次に、注入されたシリカゾルのゲル化を行なう。例えば、中空管１７を４０℃の電気炉に２４時間保持することでシリカゾル１９ａをゲル化し、ゲル状骨格相（シリカゲル１９ｂ）とする。
その後、電気炉を１℃／分の速度で３３０℃まで昇温して、シリカゲル１９ｂの焼成を行う。これにより、中空管１７中に充填されていたポリスチレン粒子１１ａは熱分解され、水や二酸化炭素となって外部に除去され、その空間は球状空孔１１ｂとなる。
【００２７】
（Ｄ）このようにポリスチレン粒子の充填構造を転写したシリカにより、球状空孔１１ｂ同士が接点で連通し、３次元網目構造に形成されている多孔質連続体の骨格相１９ｃを得る。
図１はこの骨格相の断面図の走査電子顕微鏡像である。１９ｃは骨格相、１１ｂは球状空孔、２１は骨格相１９ｃに形成された微細孔である。各空孔はポリスチレン粒子の球形が転写された球状をしている。各空孔の底部にみえる３つの黒い部分２２は、隣接する空孔との接合における貫通孔である。図４に示す従来の多孔質連続体２３と異なり、ポリマー粒子の鋳型によって球状空孔１１ｂの大きさが制御されており、空孔の配列も秩序化されている。
【００２８】
さらに、この多孔質構造体に物理的修又は化学的修飾を施すことによって表面改善を行なうことが好ましい。
物理的修飾の一例は、例えば、アンモニアを用いて空孔表面を腐食させることで骨格相１９ｃの表面（多孔質連続体の表面）に微細孔２１を形成することである。
これにより、多孔質連続体は直径０．０１〜０．１μｍの微細孔２１が形成された骨格相１９ｃと、骨格相１９ｃによって形成される直径０．８〜２．７μｍの球状空孔１１ｂを備えるようになる。
また、化学的修飾の一例は、多孔質構造体にクロロオクタデシルシラン等のシリル化剤を利用し、多孔質構造体の表面に固定相を化学結合することである。
【００２９】
本発明の多孔質連続体はクロマトグラフィーなどに用いるカラムやキャピラリの充填材などとして利用することができる。例えば、このカラムを質量分析計などに接続し、ここで分離を行なった後に質量分析計で分析するようにすれば良い。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、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の充填材や血液分離用多孔質媒体などに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】一実施例のシリカ多孔質連続体の断面を示す走査電子顕微鏡像である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は一実施例の多孔質連続体製造方法を説明する概略工程図である。
【図３】従来の多孔質連続体の概略断面図である。
【図４】従来のシリカモノリスの断面鏡像である。
【符号の説明】
【００３２】
１１ａ      ポリスチレン粒子
１１ｂ      球状空孔
１３      純水
１５      ポリスチレンコロイド
１７      中空管
１９ａ      シリカゾル
１９ｂ      シリカゲル
１９ｃ      骨格相
２１      微細孔
２３      多孔質連続体
【図２】
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【図３】
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【図１】
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【図４】
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