［話題］

作用場流動分画 法（ Field‑Flow Fractionation) の環境試料への 適用
塩谷岳樹、桑本融＊

F F F法の原理

はじめに我々を取り巻く環境 、特に 犬然水中には

1966年、 G iddings[ 4 Iは従来のクロマ トグ

種々の コロイド粒子が複合 して多 鼠 に存在しn［能であ っている。これらのコ ロイドは、水中の溶 存微た分f 量 数百万の 巨大分子やその会合体、例

醤元素 の主たる吸着担体として働くだけでなく、天然有機化合物 や人工の有害物質の 除去えば、細胞、 蛍 白質 、無機コロイドなどを分離する目的で、 F F F 法の原理を提唱し、 そのや移動に大きな影響を与えている 。 とくに金後 、実働する装 置 を開発した 。

属水酸化物や粘土に由来する コロイド に対し

F F F 法に よる分離の原理は、 分析試料とて、これまで数多くの吸着実験が精細に 実施分離場との相I‑［作川の差を利用する、1ばで、クされ、その結果、コロイドヘの各種化合物のロマトグラフィーと 同様である 。 しかし、吸着機構に関する研 究は大きく進展した 。 しF F F 法では、 クロマ トグラフィーの様に 固かし、天然水中に存 在するコロイドの分 析は定相は存在せず、移 動相中の試料の分離 にあまり行われておら ず、これまでの研究 のほは、カラム流路に対して垂直に働く各種作用とんどがフィルターの孔径の相異を 利用したコロイドの粒径分画 と分離にとどま ってい場（重力場、磁場、 電場、横断流場、熱 勾配場など）との相互作 用を利用する 。 そのたる。そのため、天然水中で 生成し て循環するめ、溶離液にはコロイドを保持している母液コロイドの 内、どの ような様態のものが実際をそのまま用いることができる 。 この原理かの吸着担体の役割り を担っているのか、 まら解かるように、 F F F法は p H に敏感な化合

た、その化学成分組 成は何か、といった 疑問物や壊れやす い物質などの分離に 有利であには未だ答えを見い だせないでいる 。

り、現在では灰化学 や生化学の分野で広く応用されている 15‑7] 。

最近 、Beckett ら[I, 2] 、Murphy ら[3] は作用場流動分画法 ( Field‑Flow Fractionation,F F F) による環境試料中の コロイド分析を

F F F 法の分離カラム （図 1‑A) は、J厚さ 70250μ m 、幅数c m の巾 空状の薄層である。

試みてい る。F F F法によると、分子量が大き通例 、こ れを C hannel と呼び、作用場はこ れいコロイドでも充分 に相互分離ができる のでに垂直な方向に働く 。サイズ分離をする目的

コロイドの粒径分布 のみならず、粒径ご とにでは、作 J
l:j 場として重）J場（遠心力）を用いその化学元素組成比が正確に求まることになることになるが、こ うした F F F 法を Sedi‑る。現在のところ、 F F F法によるこうしたmentation F F F と呼ぶ 。遠心力の作 JI
j によっ

詳しいコ ロイド分析を行な っているのは、て、試料中の 重いコ ロイドは Channel の下層

Beckett を中心とするグルー プである 。以下に移り、軽いものは、比較的中央層に 移る 。に、この方法の原理 と実際について紹介 す

一方、図 l に示すように C hannel 内には浴離る。

液が流れていて、流線が放物線状の定常的な陪流が形成されてい る 。即ち、 C hannelの中＊京都大学理学部化学教室(16)

海 洋 化 学 研 究 第 7 巻第 1号 平 成6 年4 月

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図 1 Sedimentation F F Fの原理と実際(A) F F FのChannel (B)Channelの拡大図とコロイドX,Yの分離 (C)作用場の方向(D)典型的なフラクトグラム、回転数（点線）をプログラムにより液衰させている。
央層では溶離液の流速が速く 、 コロイドの溶（
論文 6 より一部改訂）出も速いが、 C hannel の下層では、コロイド試料の謂整天然水を試科とする時には 、通例、コロイの溶出は遅くなる 。言い換えれば、軽い物質

ド粒子のみを捕集する目的と感度の増大をはは速く、 重い物質は遅く溶離され、両者の分かる 目的で、前濃縮を行なう 。Beckett は、離が達成される [6] 。

(I) on‑channe) での濃縮、 (2) 分子量分画フィ

分離は、コロ イ ド粒子の半径 (ct) と、溶ルターでの捕捉と濃縮 、 (3) 遠心分離機での離液と試料の密度差（ △ p) に依存するため、粒 子半径による分離が可能とな る 。但濃縮、 (4) 凝析による濃縮を試みている 。濃縮したコロイド試料は、少量 の溶離液に分散し、試料中に極端に密度の違う物質が存在すさせた後、 F F F 法により分離する 。上掲のると分離が不可能になる場合がある 。図 1‑Cの ように 遠心力を受けて Channel の下層に位渡縮法は、いずれを用いても 、精度 よく 再現するので、どの操作法も環境試料中のコロイ置するコロイドと、遠心力を受けないで上層ドの実際のサイズ分布を忠実に反映するものに分布する物質（例えば質罹の小さいイオンなど）は、共に同じ流速で溶離されるので、と考 えら れる ll]。但し、遠心分離法は小さい両者の分離は困難となる f6] 。 この問題を避けコロイドに適用できない欠点がある。また凝析法は、操作後、凝集してサイズが変化するるために、とくに環境試料ではコロイド粒子コロイドには適用できない 。T O C を多く 含のみを捕集する前処理が必要である 。

む試料水にこの傾向があることが分かっている。 しかし、この点を除けば、凝析法は最もTransactions of The Rese血 h Institute of
Oceanochemistry Vol. 7, N o. 1, April 1 9 9 4(17)簡便な方法である。

環境試料の分析M u r p h y らは、 F F F 法を適用して河川水中検出器のコロイド分析を行なっている (3] 。その結果検出には、 H P L C 用の示差屈折計などを用を要約すると次のようになる 。(1) 0.05 からいる。同 一粒径のコロイドについて質量濃度0 .5 μ mを求めようと思うと、 Evaporative M a s s De‑は、粒径に対して連続的に分布すること 。

までの大きさであるコロイド粒子

tee tor が必要となる 。しかし 、波長2 5 4 n m の(2) 粒子状化合物を取り除くために多用され光吸収を用いて、吸光度を溶離時間に対してるフィルターの孔径 ( 0 . 2 0 . 4 μm ) より小記録することに より描かれたフラクトグラム

さい、 0.1μ m の大きさのコロイドが多いこと（クロマトグラムに対応する）は、 Evapora‑（
図 3 b) 。（3) コロイド粒子の化学組成は、

tive M a s s Detector から得られるフラクトグラ

そのサイズによって変化する（図 4 ) 。 まムと多くの場合 一致する（図 2 ) 。 そのた

た、コロイドの Si/Al 比は粒径の増大と共にめ、相対濃度を求めるならば、 U V 2 5 4 n m 検大きくなるのに対し 、M g / A l 比は逆に小さく出法を用いるほうが簡便さにおいて有利であなる 。 これが、粘土鉱物の種類がそのサイズる[1] 。 U V 2 5 4 n m 検出法で検知する光量の増によって異なるものなのか、あるいは河川水減は、コロイドの光吸収によるものではな中で何らかの化学反応が起きたことによるもく、光散乱によるものである 。のなのかは定かではない 。

その他に、 M u r p h y らは、 ICP‑Mass に溶出液を直接導入し、コロイドの成分を求める研究を試みている [3] 。

,),1a08604200DIAMETER (μm)

1.00.040.02 / o.os 0 .060.08

A Variable wavelength detector

0.86(0spAu0n>
2;00;101iq0;o)J2゜0゜ ゜゜゜゜asuodsaJ>
n020‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑

863SNOdS
31:J
l:0JOl0'.
)31300.07u°Q゜82500.05 0.06

ーU(‑J︶1uaJ
JnuUOI,¥b ．
︑'1000.07

150
0.0 8

E vaporative mass detector

1unoEea>‑1e‑au86420．
．
訊。

206;．
＼苓冗｀・,

゜0.4゜゜ー86Elutlon time (min)42001501005000.1

0.20 .3'0.4"uu0 .5Diameter (μm)

図 3 Darling 川で採水した試料の Sedimenta‑
50100150tion F F F

TIME (min)(a) フラクトクラム（ b) 粒径分布

図 2 Evaporative m a s s detector とU V の比較

実線は U . V.2 5 4 n m の応答、

U V 2 5 4 n m は Evaporative m a s s detector と良

記号は I C P ‑ M a s s を用いたイオン電流の応答い相関を示している（論文 1 より引用） 。

ヽ(18)H , B はAl 、G はF e を表す海 洋 化 学 研 究 第 7 巻 第 1号

平 成 6 年4 月

(a)4であると 言 われているが、この粒径を基礎に．．.
．
．
.ヽ

3

すると、現在我々が扱っているフィルターや/^^・ヘ2

標準試料などに記載された 孔径や粒 度 は実際のサイズよりも大きいことが、 一般的な傾向

゜
゜

01(b)

￨01
0 05

o0.3

04

0.5‑‑‑‑0.1

゜•゜
一(c)

Elとして認められる 。
020.20.30.4

F F F 法は 、例えば、検出器として T O C 測定装置を用いる ことにより湖水中のバクテリアなどの総餓 を、サイズ別に分けることを可能 にするであろう。 また、 珪酸と アルミニウ
ムの可溶性縮合体のように、 p H に敏感でしかも分子量 が小さいものから大きなものまで0.5連続的に変化する ような複合系[ 11 Jの解析で0 0004

e o 0003

で§.一.!= 0.0002

も、 F F F は有効 な分離手段である 。

ヽジ、^ し、ゞ...

.,.,.,,.
参考文献

0.0001w

゜゜

0.1

0.2

0.3

[l] R .Beckett, G. Nicholson, B .T. Hart, M. E.

0.5

Hansen and J. C. Giddings, W a ter R es., 2 2,

(d)

0.302

ヽ

01

゜
゜

0.11533 (1988)
12 ] R . Beckett, D .M. Hotchin and B .T .Hart,

〜

し0.2

0.3

‑〜

J.Chromatogr.,5 1 7, 435 (1990)．

[J] D .M . Murphy, J. R. Garbario, H .E. Taylor,0.5

B .T.Hart and R. Beckett, J. Chromatogr.,

Diameter (μm)

642,459 (1993)[4] J.C.Giddings,Sep. Sci.,1, 123 (1966)

図 4 Darling 川で採水した試料中のコロイドの[5l 波多野膊行，化学， 3 6 , 488 (1981)

元素組成比[6] J.C.Giddings, Science ,2 6 0 , 1456 (1993)(a) Si:AI (b) Mg:AI (c) Rb:AI (d) F e :AI[7]

星野忠夫，分離科学ハンドブック（妹尾学他 編 ），共立出版 pp. 145‑147 (1993)

また Beckett らは、河川水中のコロイドに[8] E .Dalas, P . Koutsoukos and G. Karaiskakis,

燐などの栄養塩を吸着させて、その吸着機 構Colloid Polym .Sci ,. 26, 155 (1990)

を検討してい る [2] 。 い ず れも 0 .0 5

0.5μ m19] J. C . Giddings, M . A. Benicasa, M . K. Liu

とい った 、比較的大きいコロイドの分析は可and P . Li, J. Liquid Chromatogr., 15, 1729

能になったが、さ らに小さい粒径のコロイド(1992)の分析も今後、可能になるだろう 。

11 OJ J.J .K irkland and C. H . Diliks.Jr., Anal.

F F F 法は、こうした用い方以外にも様々

C h e m ., 64, 2836 (1992)に適用されている。重力場に変わる作用場とllll 塩 谷 岳 樹 ， 桑 本 融 ， 杉 山 雅 人 ， 堀 智 孝

して、電場、横断流場、熱勾配場などを用い第 4 2 ￨I1l 分 析 化 学 会 年 会 講 演 要 旨 集て、燐酸鉄などのコロイド粒径分布 (8] 、アルp.447 (1992)

プミン、グロブミンなどの生体物質の分離(9] 、有機溶媒中でのポ リマ ーの粒径分布 ll0]などに用いられている 。 F F F 法 の 理 論 から求めたコロイドの粒径は、 信頼性の高いもの

Transactions of T h e Research Institute of
Oceanochemistry Vol. 7 , No. 1, April 1 9 9 4(I9)