(57)【要約】      （修正有）【課題】陰・陽イオンを同時に簡便に分離・定量を行うためのイオンクロマトグラフィー用分離用カラムおよび陰・陽イオン同時分析方法を提供する。【解決手段】両性イオン型官能基を有する充填剤と弱酸性陽イオン交換基を充填剤の混合物を充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラムを使用し、酸性溶離液を通液することにより、測定対象イオン成分を分離し、電気伝導度検出を行う。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
両性イオン型官能基を有する充填剤及び陽イオン交換基を有する充填剤を同一カラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラム。
【請求項２】
前記両性イオン型官能基がスルホベタイン型官能基である請求項１に記載のイオンクロマトグラフィー用分離カラム。
【請求項３】
前記陽イオン交換基が弱酸性基である請求項１または請求項２に記載のイオンクロマトグラフィー用分離カラム。
【請求項４】
両性イオン型官能基を有する充填剤及び陽イオン交換基を有する充填剤をカラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラム内に、酸性溶離液を通液させることを特徴とする陰イオン及び陽イオンの同時分析方法。
【請求項５】
前記両性イオン型官能基がスルホベタイン型官能基である請求項４に記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法。
【請求項６】
前記陽イオン交換基が弱酸性基である請求項４または請求項５に記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法。
【請求項７】
前記酸性溶離液のｐＨが１．０以上４．０以下である請求項４記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオンクロマトグラフィーに基づくイオン分析用分離カラム及びこれを適用した陰イオンと陽イオンの同時分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
イオンクロマトグラフィーはイオン成分を分析する方法として各種公定法に採用されており、広く利用されている分析手法である。通常、陰イオン類と陽イオン類はそれぞれ専用の分離カラム，溶離液を使用して独立したシステムで分析が行われる。一方では、分析の簡便化のため、下記のような単一カラム、単一溶離液を用いて陰イオンと陽イオンを同時に分析する手法も検討されている。例えば、錯形成剤を使用する方法（非特許文献１）では、錯形成剤として、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）を溶離液に添加し、錯形成能のある陽イオン成分を陰イオン性錯体とし、すべて陰イオンとして分析する。しかしながら適用できる陽イオンはＥＤＴＡと錯形成可能なアルカリ土類金属イオン、重金属イオンなどに限定され、アルカリ金属イオンには適用できない。また、陰イオン性の錯体陰イオン交換体と陽イオン交換体を混合した充填剤を充填した分離カラムを使用して分析する方法（特許文献２）が報告されているが、この場合、陰イオン類とアルカリ金属イオンは分析可能であるが、アルカリ土類金属イオンや重金属イオンなどの多価陽イオンはカラムからの溶出が非常に遅れるため、同時分析方法として実用的ではない。さらに、両性イオン交換体を充填したカラムを使用して分析する方法（非特許文献２）が報告されているが、溶離液由来にシステムピークの影響や陰イオンの正ピークと陽イオンの負ピークの重なりなどにより、分析できるイオン種が限定される。その他にもイオン排除カラムを使用して分析する方法（特許文献２）が報告されている。この方法の場合、弱酸性陽イオン交換体が用いられ、陰イオンはイオン排除相互作用により、陽イオンはイオン交換相互作用により分離されるが、イオン排除相互作用では、分離可能な分離帯がイオン交換容量、細孔容積により、狭く限定されることから、分析できる陰イオン成分が限定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平８−７５７２０号公報
【特許文献２】特開平５−２２３７９８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｍ．  Ｙａｍａｍｏｔｏら、  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、  １９８４、５６、８３２−８３４
【非特許文献２】Ｗ．  Ｊｉａｎｇら、  Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、  １９９９、７１  、３３３−３４４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の技術による単一イオンクロマトグラフィー用分離カラム及び単一溶離液を用いた陰イオン及び陽イオンの同時分析方法では、陰イオンと陽イオンが混同して溶出するという課題があった。また、イオン成分の分離が不十分な場合もあり、測定可能なイオン成分が限定されるという課題があった。その他として、溶離液に由来したシステムピークにより、イオン成分の分析が妨害されるという課題があった。
【０００６】
本発明の目的は、試料中に含まれる陰イオン及び陽イオンを簡便に分析可能なイオンクロマトグラフィー用分離カラム及びそのイオンクロマトグラフィー用分離カラムを使用する陰イオン及び陽イオンの同時分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、両性イオン型官能基を有する充填剤及び弱酸性型陽イオン交換基を有する充填剤を同一カラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラムを用いると、分析対象とする陰イオン及び陽イオンを１回の試料注入で分析できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
本発明によれば、両性イオン型官能基を有する充填剤と弱酸性陽イオン交換基を有する充填剤を混合して充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラムに酸性溶離液を流し、注入された試料中の陰イオン及び陽イオンを該分離カラムで分離した後、電気伝導度検出器等にて検出することにより、分析対象とする陰イオン及び陽イオンを１回の試料注入で分析できることを見出したものである。
すなわち、本発明は
[１]
両性イオン型官能基を有する充填剤及び陽イオン交換基を有する充填剤を同一カラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラムに関する。
[２]
前記両性イオン型官能基がスルホベタイン型官能基である[１]に記載のイオンクロマトグラフィー用分離カラムに関する。
[３]
前記陽イオン交換基が弱酸性基である[１]または[２]に記載のイオンクロマトグラフィー用分離カラムに関する。
[４]
両性イオン型官能基を有する充填剤及び陽イオン交換基を有する充填剤をカラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラム内に、酸性溶離液を通液させることを特徴とする陰イオン及び陽イオンの同時分析方法に関する。
[５]
前記両性イオン型官能基がスルホベタイン型官能基である[４]に記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法に関する。
[６]
前記陽イオン交換基が弱酸性基である[４]または[５]に記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法に関する。
[７]
前記酸性溶離液のｐＨが１．０以上４．０以下である[４]記載の陰イオン及び陽イオンの同時分析方法に関する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の両性イオン型官能基を有する充填剤及び陽イオン交換基を有する充填剤を同一カラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラムを用いることによって、システムピークの影響を受けることなく、試料中の陰イオン、陽イオンを１回の注入で同時に分析可能となった。また酸性溶離液と組み合わせることにより、単一溶離液によって分析可能となり、イオン成分の分析の効率化が図られた。
【００１０】
本発明の両性イオン型官能基を有する充填剤及び弱酸性型陽イオン交換基を有する充填剤を同一カラム内に充填したイオンクロマトグラフィー用分離カラム及び陰イオン及び陽イオンの同時分析方法は、環境試料、化学品、食品、医薬品などに含まれるイオン成分の分析に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を実施する装置の模式的な流れ図である。
【図２】実施例１において測定した標準試料のクロマトグラムを示す図である。
【図３】実施例１において測定した水道水のクロマトグラムを示す図である。
【図４】比較例１において測定した標準試料のクロマトグラムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明を詳細に説明する。
基材としては、ポリマーを好適として例示でき、ポリスチレン系，ポリ（メタ）アクリレート系のものが例示として挙げられるがこの限りではない。他にもポリマー，シリカ，アルミナ，ジルコニア，チタニア等を例示することができ、基材表面に両性イオン型官能基及び/又は陽イオン交換基が導入できる基材であれば多孔質、非多孔質を問わず何でも良い。
【００１３】
充填剤の形状についても膜状、糸状、球状、板状のものを例示することができるが制限はなく、本発明の趣旨を逸脱しない限り特に制限はない。
【００１４】
基材のサイズは、粒状であれば粒子径は２〜２０マイクロメートルのものが望ましく、分離性能および充填したカラムの圧力損失を考慮すると、３〜１０マイクロメートルが特に望ましい。
【００１５】
本発明に使用する両性イオン型官能基を有する充填剤は前述のポリマー，シリカ，アルミナ，ジルコニア，チタニア等の基材にスルホベタインを官能基として化学結合したものが例示できる。
【００１６】
陽イオン交換基を有する充填剤としては前述の両性イオン型官能基を有する充填剤の例示と同様の基材にカルボキシ基，フェノール性水酸基等の弱酸性官能基として化学結合したものが例示できる。
【００１７】
各充填剤の官能基量は、両性イオン型官能基の場合、１０μｍｏｌ／ｇ以上１．０ｍｍｏｌ／ｇ以下であることが望ましく、分離性能、分析時間を考慮すると、１００μｍｏｌ／ｇ以上５００μｍｏｌ／ｇ以下であることが特に望ましい。弱酸性陽イオン交換体では、０．５ｍｅｑ／ｍＬ以上３．０ｍｅｑ／ｍＬ以下であることが望ましく、分離性能、分析時間を考慮すると、１．０ｍｅｑ／ｇ以上１．５ｍｅｑ／ｍＬ以下であることが特に望ましい。
【００１８】
これらの両性イオン型充填剤及び陽イオン交換型充てん剤は、それぞれ別々に、または混合して内径１ｍｍから６ｍｍ、長さ１ｃｍから３０ｃｍのカラムに充填される。カラムの材質はステンレス、樹脂、ガラスなどが例示できるが、溶離液に侵されない各種のものが用いれば良い。また両性イオン型充填剤、陽イオン交換型充填剤の混合比率は分析対象の陽イオン、陰イオンの分離が適切になるように任意に選択することができる。
【００１９】
イオンクロマトグラフィー用分離カラムに流す溶離液は、ｐＨが４以下の酸性溶液を使用する。使用する酸は、具体的には、塩酸、硝酸、硫酸、りん酸などの鉱酸やメタンスルホン酸、酢酸、ギ酸、プロピオン酸、酒石酸、クエン酸、安息香酸、ピロメリット酸、トリメリット酸、サリチル酸、スルホサリチル酸などの有機酸が例示できるが、この限りではない。また、溶離液に使用する酸性溶離液には、有機溶媒が含まれていてもよい。使用できる有機溶媒は、メタノール、エタノール、アセトニトリルなどの水溶性有機溶媒が挙げられ、有機溶媒の含有比率は０％から７０％が望ましく、分離特性を考慮した場合、０％から３０％が特に望ましい。
【００２０】
本発明で用いられるイオンクロマトグラフィーはサプレッサを使用することができるが、本発明の図１における装置構成ではサプレッサを使用しない方法で示す。
【００２１】
本発明で使用される試料は、イオン性物質であれば特に制限はなく陰イオン類であれば、硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオン等が例示され、陽イオン類であればナトリウムイオン、アンモニウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン等が例示されるが特に制限はない。
【００２２】
本発明では、陰イオン類及び陽イオン類を試料として使用した場合、注入された試料中の陰イオン類は、イオンクロマトグラフィー用分離カラム内の両性イオン型官能基との静電的相互作用及び陽イオン交換基によるイオン排除効果に基づき分離され、イオンクロマトグラフィー用分離カラムから陽イオン類より先に溶出する。この場合、溶離液として酸性溶離液を使用することが前述の通り好適であるが、同様の効果をもたらす溶離液であれば特に制限はない。次に、試料中の陽イオン類は、主に陽イオン交換基に保持され、イオン交換相互作用に基づき分離され、溶出する。また、陰イオン類及び陽イオン類の両方を含む試料を使用して分析する方法以外にも、陰イオンのみ又は陽イオンのみの試料を使用して分析することが可能である。
【００２３】
イオンクロマトグラフィー用分離カラムから溶出したイオン成分は、その導電率が溶離液の導電率よりも高ければ、正方向のピークとして、溶離液の導電率よりも低ければ負方向のピークとして電気伝導度検出器等のイオン成分を検出する検出器にて検出され、クロマトグラム上に記録される。
【００２４】
イオン成分を検出する検出器には、電気伝導度検出器を例示できるが、イオンクロマトグラフィー用分離カラムから溶出したイオン成分を検出することができれば何でもよい。
【実施例】
【００２５】
以下に、本願発明について代表的な例を示し、さらに具体的に説明する。なお、これらは説明のための単なる例示であって、本発明はこれらに何ら制限されるものではない。
【００２６】
実施例１
＜両性イオン型充填剤の製造＞
（シード粒子の製造）
撹拌器、コンデンサー、温度計、窒素ガス導入管を備えた反応器中に水２２０．０重量部を入れ、メタクリル酸ベンジル３０．０重量部、チオグリコール酸２−エチルヘキシル１．５０重量部を入れて混和させ、重合容器内を窒素雰囲気下へ置換した。この溶液に過硫酸カリウム１．２０重量部を水２５．０重量部に溶解させた水溶液を添加し、７０℃へ加熱して１６時間の重合反応を行った。放冷後、固形分濃度９．７重量％の球状重合体粒子（シード粒子）を得た。得られたシード粒子はその平均粒子径が０．６８μｍであり、変動係数は５．２％であった。
（シード重合）
重合性単量体として９５重量％ジビニルベンゼン１６０．１重量部を用い、これにトルエン２５２．９重量部、２，２‘−アゾビス−２，４−−ジメチルバレロニトリル１．８０重量部、ドデシル硫酸ナトリウム１．５０重量部及びイオン交換水４１６．３重量部とを混合し、超音波ホモジナイザー（ＢＲＡＮＳＯＮ社製）にて処理し、乳化液を得た。
【００２７】
次いで２重量％のポリビニルアルコール（クラレ（株）製  ポバール２２４）水溶液１２００重量部に上記で得たシード粒子の分散液３７．５重量部を加えて分散させた後、上記で調製した乳化液を加え、室温にて添加し１６時間撹拌を行い、乳化液中の油滴をシード粒子に吸収させた。
【００２８】
その後、撹拌しながら７０℃加熱して８時間重合反応を行い、樹脂粒子を得た。この樹脂粒子を単離後、１，４−ジオキサン１０００重量部中に分散し、超音波浴中で１時間撹拌し、シード粒子由来の重合物を抽出、除去して、樹脂粒子を単離した。
【００２９】
得られた樹脂粒子の粒度分布をコールターカウンター（コールター社製）で測定したところ、平均粒子径は３．３μｍであった。
（樹脂粒子への両性イオン型官能基の導入）
反応容器へ過酸化ベンゾイル１．６重量部、アセトン１０重量部を入れ、溶解させた後、スルホベタインモノマー（シグマアルドリッチ社製，商品名：２−メタクリロイルオキシエチルジメチル−３−スルホプロピルアンモニウムヒドロキシド）の５％メタノール溶液６０重量部および上記で得られた樹脂粒子５．０重量部（乾燥重量）を入れ、均一なスラリーにする。反応容器をロータリーエバポレータに取付け、アスピレータで減圧しながら溶媒を除去した。反応容器を真空乾燥器へ入れ、真空状態で７０℃にて１６時間加熱を行った。放冷後、メタノール洗浄，水洗浄を行い単離し、樹脂粒子を得た。元素分析により窒素含有量を測定した結果、両性イオン型官能基は２００μｍｏｌ／ｇであった。
＜イオンクロマトグラフィー用分離カラムの作製＞
上記で製造した両性イオン型官能基を化学結合した樹脂粒子と市販のカルボキシ基を化学結合した陽イオン交換樹脂粒子を混合した樹脂スラリーを調整した。
【００３０】
市販の陽イオン交換樹脂には、ＴＳＫｇｅｌ  ＳｕｐｅｒＩＣ−ＣＲ（東ソー（株）製）カラムに使用されている充填剤（粒子径３．０μｍ，イオン交換容量１．３ｍｅｑ／ｍＬ）を使用した。
【００３１】
樹脂の混合は乾燥ゲルの重量換算で等量の比率となるように混合し、５．０ｍｍｏｌ／Ｌのメタンスルホン酸溶液に分散して樹脂スラリーとした。
【００３２】
当該樹脂スラリーをパッカーを取り付けた内径４．６ｍｍ、長さ２５ｃｍのステンレスカラムに充填し、さらにＨＰＬＣ用送液ポンプにて５．０ｍｍｏｌ／Ｌのメタンスルホン酸溶液を２．０ｍＬ／ｍｉｎで３０分間通液後、カラム部分を取り外して、エンドフィッティングを取り付けることで混合樹脂粒子が充填されたイオンクロマトグラフィー用分離カラムを作製した。
＜分離性能評価＞
上記の作製したイオンクロマトグラフィー用分離カラムを図１のように構成されたＨＰＬＣシステム（東ソー（株）製ＣＣＰ＆８０２０シリーズ）に接続した。測定試料には、標準試料（塩化物イオン１６．８ｍｇ／Ｌ、硝酸イオン１５．８ｍｇ／Ｌ、硫酸イオン７．１ｍｇ／Ｌ、ナトリウムイオン０．３０ｍｇ／Ｌ、アンモニウムイオン０．６０ｍｇ／Ｌ、カリウムイオン０．６５ｍｇ／Ｌ、マグネシウムイオン１．０５ｍｇ／Ｌ、カルシウムイオン０．６７ｍｇ／Ｌ）を超純水に溶解したもの）および水道水を使用した。溶離液には２．０ｍｏｌ／Ｌスルホサリチル酸を使用した。カラムへの通液時の流速は０．８ｍＬ／ｍｉｎとし、カラムの温度は４０℃とした。分離された各成分は電気伝導度検出器により検出を行い、図２（標準試料）、図３（水道水）に示すクロマトグラムを得た。標準試料の測定では、陰イオンとして、硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオンの３種類が検出され、陽イオンとして、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオンの５種類が検出された。水道水では硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオンがそれぞれ検出された。システムピークは５分の位置に負ピークとして溶出し、イオン成分の分析の妨害とはならなかった。
【００３３】
比較例１
市販のカルボキシ基を化学結合した陽イオン交換樹脂粒子を使用しない以外は、実施例１と同じ方法でイオンクロマトグラフィー用分離カラムを作製し、実施例１と同一の評価条件にて実施例１と同一の標準試料を測定し、図４に示すクロマトグラムを得た。陰イオンとして、硫酸イオン、塩化物イオン、硝酸イオンの３種類が検出され、陽イオンとして、マグネシウムイオン、カルシウムイオンの２種類がそれぞれ検出されたが、ナトリウムイオン、カリウムイオン、アンモニウムイオンは分離が不十分であり、それぞれが重なった１本のピークとして検出された。
【符号の説明】
【００３４】
１  溶離液
２  送液ポンプ
３  オートサンプラ
４  カラムオーブン
５  分離カラム
６  電気伝導度検出器
７  データ解析
８  硫酸イオン
９  塩化物イオン
１０  硝酸イオン
１１  ナトリウムイオン
１２  アンモニウムイオン
１３  カリウムイオン
１４  マグネシウムイオン
１５  カルシウムイオン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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