コアシェル型充填カラムの特性○塚本 友康，長江 徳和(クロマニックテクノロジーズ)

1コアシェル型シリカの歴史(1) J.J. Kirkland, F.A. Truszkowski, C.H. Dilks, and G.S. Engel, J. Chromatogr., A890, 3–13 (2000).
(2) J.J. Kirkland, T.J. Langlois, and J.J. DeStefano, Am. Lab. 39, 18–21(2007).

2

コアシェル充填剤とはSuperficially porous particle

コア（核）の周りに多孔質層が存在

粒子径によりカラム圧は決まり，粒子径の２乗に反比例してカラム圧は高くなる
同じ粒子径の全多孔性の粒子に比べ，コアシェル粒子は多孔質層が薄いため，溶質の拡散距離が短くなり，速く平衡化するため，段数が高くなる
つまり，コアシェルは3mm粒子の圧力と同等であるにもかかわらず，サブ2mmの性能を発揮する
3二種類のコアシェル構造のシリカ粒子

モノレイヤー（単層）多孔質構造

マルチレイヤー（多層）多孔質層構造

4

SunShellシリカのコアシェル構造の概略図
0.5 mm

0.5 mm

2.6 mm

2.6 mmコア

コア1.6 mm

多孔性シリカ部

粒子径：2.6 mm，コア径：1.6 mm，多孔質層の厚さ：0.5 mm
細孔容積：0.30 mL/g，比表面積：150 m2/g，細孔径：9 nm
多孔性シリカの体積の割合：77%5粒度分布の比較
Sunniest, 2 mm

SunShell, 2.6 mm
Company A, 2 mm

6

全多孔性とコアシェル型の理論段高さの比較
1816Fully porous 5 um

Plate Height, um

14

Fully porous 3 um

12

Fully proous 1.8 um

10Core Shell 2.6 um

8Fully porous 2.6 um

6Column: C18, 50 x 4.6 mm
Mobile phase:
Acetonitrile/water=(60/40)
Temperature: 25 oC
Sample : Naphthalene

4200510Mobile Phase Velocity, mm/sec

157

Van Deemterの式

A項：

多流路拡散、渦巻き拡散

B項：

カラム軸方向への拡散、アナライトの移動相中の拡散係数をDm

C項：

物質移動の項

：

：

粒径をdp

固定相-移動相での物質移動、粒子内での拡散による物質移動に依存
1.

F. D. Antia and C. Horvath, J. Chromatogr., 435 (1988) 1-15.

8

A項が小さくなる
粒度分布の広い充填剤（一般的な全多孔性シリカ）

粒度分布の狭充填剤（コアシェルシリカ）

多流路拡散、渦巻き拡散が小さくなる

AdpのAが小さくなる9『拡散による物質移動（の遅れ）』はC項に関係している
18

Fully porous 5 um

16

Fully porous 3 um
Fully proous 1.8 um

Plate Height, um

14Core Shell 2.6 um

12108642002468

Mobile Phase Velocity, mm/sec

10温度の影響20Column: C18, 50 x 2.1 mm
Mobile phase:
Acetonitrile/water=(60/40)
Sample : Naphthalene

Plate height (μm)

1625 ℃
40℃
40℃-プレヒート
2µm-40℃

1284000.2

0.4

Flow late mL /min

0.60.8111

単位圧力あたりの段数比較
PlatesPressure(MPa)

Plates/pressure

Sunniest C18-HT 2.0 mm

9,900

16.7593

Brand A C18 1.9 mm

7,660

16.3

470

Brand B C18 1.8 mm

10,10019.6515

Brand C C18 1.7 mm

11,14032.0348

SunShell C18 2.6 mm

9,600

9.7990Sunniest C18-HT 2.0 mm
Brand A C18 1.9 mm
Brand B C18 1.8 mm

2～3 倍

Brand C C18 1.7 mm
SunShell C18 2.6 mm
05,00010,00001020300300

600

900

Column: 50 x 2.1 mm C18, Mobile phase: Acetonitrile/water=(70/30), Temperature: 25 oC

12全多孔性シリカとコアシェル型シリカの標準試料の保持比較
全多孔性シリカ
Sunniest C18, 5 mm

コアシェル型シリカ
SunShell C18, 2.6 mmコアシェル型シリカ
P社 C18, 2.6 mm

340 m2/g

150 m2/g

Effective 200 m2/g

比表面積保持時間(tR)

保持指数(k)保持時間(tR)

保持指数(k)保持時間(tR)

保持指数(k)1) ウラシル

1.70

01.3401.3602) カフェイン

1.90

0.12

1.46

0.09

1.490.103) フェノール

2.17

0.28

1.65

0.23

1.610.184) ブチルベンゼン

13.35

6.85

10.87

7.116.193.555) o-ターフェニル

19.19

10.29

15.49

10.56

8.154.996) アミルベンゼン

19.96

10.74

16.56

11.36

8.75

5.437) トリフェニレン

24.35

13.32

21.95

15.38

9.44

5.94

1SunShell C18 2.6 mm234576

移動相: Methanol/water(75:25)
温度: 40oC
カラム: 150 x 4.6 mm
流速: 1.0 mL/min

13標準試料の保持比較
752 31462 341126

SunShell C18
43Column:
Kinetex
C18,2.6 mm
150 150x 4.6Company
P C18,2.6 mm
x mm
4.6 mmCompany P C18
Ascentis
C18,mm2.7150mm x150
4.6 mmCompanyExpress
S C18, 2.7
4.6 xmmSunShell C18, 2.6 mm 150 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3OH/H2O=75/25
Flow rate: 1.0 mL/min
Temperature: 40 ºC
57Sample: 1 = Uracil, 2 = Caffeine, 3 = Phenol, 4 = Butylbenzene
Company S C18
5 = o-Terphenyl, 6 = Amylbenzene, 7 = Triphenylene

水素結合性

疎水性(Caffeine/Phenol)(Amylbenzene/Butylbenzene)(Triphenylene/o-Terphenyl)

Company P C18

0.48

1.54

1.20

Company S C18

0.44

1.60

1.31

SunShell C18

0.39

1.60

1.46

756

立体選択性

14

ピリジンのピーク比較

オキシンのピーク比較

ギ酸のピーク比較

15

コアシェルC18の酸性条件での耐久性耐久性試験条件

相対保持(%)

100P company C18

Column size: 50 x 2.1 mm
Mobile phase: CH3CN/1.0% TFA,pH1=10/90
Flow rate: 0.4 mL/min
Temperature: 80 ºC

S company C18

保持時間測定条件

SunShell C18

Column size: 50 x 2.1 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=60/40
Flow rate: 0.4 mL/min
Temperature: 40 ºCSample: 1 = Uracil
2 = Butylbenzene

80
60
40
200020406080

通液時間 (h)10012016コアシェルC18のアルカリ性条件での耐久性

相対理論段数(%)

1008060
P company C1840

S company C18
SunShell C18

20001,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000

移動相通液量(mL)

耐久性試験条件
Column Size: 50 x 2.1 mm
Mobile phase:
CH3OH/20mM Sodium
borate/10mM NaOH=30/21/49(pH10)
Flow rate: 0.4 mL/min
Temperature: 50 ºC
理論段数測定条件
Column Size: 50 x 2.1 mm
Mobile phase:
CH3OH/H2O=70/30
Flow rate: 0.4 mL/min
Temperature: 40 ºC
Sample: 1 = Butylbenzene
17コアシェルC18のアミトリプチリンの負荷量の比較
移動相: アセトニトリル/20mMリン酸緩衝液pH7.0=(60:40)
カラムサイズ: 150 x 4.6 mm，流速: 1.0 mL/min，温度: 40℃
16000
14000

SunShell C18(core shell)

理論段数

12000

100倍

10000
8000
6000
4000

Company P C18
Company S C18
SunShell C18
Sunniest C18 3um

Sunniest
C18 3mm(fully porous)
P C18(core shell)

2000
00.0010.01

0.1110試料重量 mg

ピークの4.4％の高さの位置でのピー
ク幅で理論段数を計算 （5σ法）

S C18(core shell)
01234567Retention time/min8910

試料： 1 = ウラシル，2 = プロプラノロール，
3 = ノルトリプチリン，4 = アミトリプチリン
4.4%

18コアシェルC18の標準試料の分離例

202

1Plates(3)=38,000
346Retention time/min

HPLC使用0Column: SunShell C18, 2.6 mm 150 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=70/30
Flow rate: 1.0 mL/min
Pressure: 13.5 MPa
Temperature: 25 ºC

UHPLC使用

134Sample: 1 = Uracil
2 = Toluene
103 = Acenaphthene
4 = BUtylbenzene

8Plates(3)=31,000
422

UHPLCとHPLCの比較

46Retention time/min

81019

カラム－検出器間における配管の影響
Column: SunShell C18, 2.6 μm 50 x 2.1 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=60/40
Flow rate: 0.3 mL/min
Temperature: 25 ºC

0.25㎜

0.1㎜

0.06㎜
01

2

三番目ピークの理論段数の平均値

理論段数

(n=3)

340.06㎜

0.1㎜

0.25㎜

10704

10345

7998

520

イソクラチック溶離例

5mm,3 mmC18からの移行

Mobile phase:CH3CN/20mM Phosphoric acid = 45/55
Flow rate: 1.0 mL/min, Temperature: 25 ºC, Detection: UV230 nm
Pressure: 9.5 MPa for Brand F C18 5 mm, 13.4 MPa for SunShell C18 2.6 mm
Sample: 1 = Benzydamine, 2 = Ketoprofen, 3 = Naproxen, 4 = Indomethacin, 5 = Ibuprofen
HPLC: Hitachi LaChrom ELITE (内径0.25mmの配管仕様）

21イソクラチック溶離例

UHPLC

Column: SunShell C18, 2.6 mm 100 x 4.6 mm
Mobile phase:CH3CN/20mM Phosphoric acid = 45/55
Flow rate: 1.0 mL/min, 1.8 mL/min
Temperature: 25 ºC
Pressure 13.4 MPa Detection: UV230 nm
Sample: 1 = Benzydamine, 2 = Ketoprofen, 3 = Naproxen, 4 = Indomethacin, 5 = Ibuprofen
UHPLC: Jasco X-LC

22グラジエント溶離例

5mm C18からの移行
Column:Brand G C18, 5 mm 150 x 4.6 mm
SunShell C18, 2.6 mm 75 x 4.6 mm
Mobile phase:A) 0.1% Phosphoric acidB) CH3CN
Gradient program for Brand G C18
Time%B0 min
2%

15 min25%

20 min
25%

0 min
2%

7.5 min25%

10 min25%

for SunShell C18
Time%B

Flow rate: 1.0 mL/min,
Temperature: 25 ºC
Detection: UV@250 nm
Sample: Oolong tea
1 = Gallocatechin, 2 = Epigallocatechin,
3 = Catechin, 4 = Caffeine, 5 = Epicatechin,
6 = Epigallocatechin gallate,
7 = Gallocatechin gallate,
8 = Epicatechin gallate,
9 = Catechin gallate
HPLC: Hitachi LaChrom ELITE（内径0.25mmの配管仕様）
UHPLC: Jasco X-LC23

高速分離例
7243
100.20.48560.6

Retention time/min

0.81Column: SunShell C18 2.6 mm, 30 x 3.0 mm.
Mobile phase: A) Wtaer, B) Acetonitrile; Gradient(Acetonitorile %), 0.00 min - 35%, 0.40 min - 100%,0.80 min - 100%, 0.85 min - 35%, 1cycle; 1.8min,(High-pressure gradient).
Flow rate: 1.0 mL/min.
Temperature: 40 ºC.
Injection Volume: 1 µL.
Wavelength: 200 - 500nm, CH-9, 215 - 500nm (MaxAbs.).
Sample: Mixture of ultraviolet absorbers,
1 = 2,2’,4,4’-Tetrahydroxybenzophenone,
2 = Ethyl p-aminobenzoate,
3 = 2, 4-Dihydroxybenzophenone,
4 = 2,2’-Dihydroxy-4-methoxybenzophenone,
5 = 2,2’-Dihydroxy-4,4’-dimethoxybenzophenone,
6 = 2-Hydroxy-4-methoxybenzophenone,
7 = 2-(2’-Hydroxy-5’-metylphenyl) benzotriazole,
8 = 4-tert-Butylphenyl salicylate.
Courtesy of Jasco.

24Current Trends in HPLC Column UsageLCGC Europe Jan 1, 2012 By: Ronald E. Majors

Table 14: Types of columns that will be tried in future.
Type of Column

Will Try in Future (%)

Superficially porous particle

54

Porous, sub 2 mm

49Hybrid

34

Monolith, silica-based

31

Monolith, polymer-based

30
25市販のコアシェル型充填剤
1) Halo (AMT)2) Ascentis Express (Sigma Aldrich)3) Poroshell (Agelent Technologies)
4) Kinetex (Phenomenex)5) SunShell (ChromaNik Technologies)
6) Accucore (Thermo Scientific)
7) NucleoShell (Macherey-Nagel)
8) Brownlee SPP (Perkin Elmer)
現在数社のコアシェル型充填剤が利用可能
26

コアシェル型充填剤SunShellコアシェルシリカ
粒子径 細孔径 比表面積(nm)(m2/g)(mm)

結合相
炭素含有量(%)

結合相

SunShell
C18

2.6

9150

7C18SunShell C82.6

9150

4.5C8

SunShell
PFP
SunShell
PhE
SunShell
RP-Aqua
SunShell
C18-WP

2.6

9150

4.5

Pentafluorophenyl

2.69150

4Phenylethyl

2.6

1690

4C28

2.6

1690

5C18

使用最高圧
60 MPa or
8,570 psi
60 MPa or
8,570 psi
60 MPa or
8,570 psi
60 MPa or
8,570 psi
60 MPa or
8,570 psi
60 MPa or
8,570 psi

使用pH範囲1.5 - 10
1.5 - 92-8
2-8
2 – 8a)1.5 - 10a) SunShell RP-Aquaカラムは水移動相で使用できるため、有機溶媒を含まない緩衝液での使用pH範囲を示す。

まとめ
コアシェル型充填剤は全多孔性充填剤の1.5倍の理論段数の性能を有する。(2.6 mmのコアシェルはsub 2 mmの全多孔性と同じ理論段数になる)
2.6 mmのコアシェル型充填カラムは，sub 2 mmの全多孔性の1/2以下のカラム圧となるため同一圧力条件下ではsub 2 mmの2倍以上の理論段数を示す。
コアシェル型充填カラムは、HPLC、UHPLCどちらおいても使用可能である。
今後、コアシェル型充填剤は広い分野において使用されていくことが予想される
28