今までのカラムと何が違う？
コアシェルカラムの基礎の基礎
クロマニックテクノロジーズ
塚本友康 長江徳和
Email: info@chromanik.co.jp
http://chromanik.co.jp

市販されているコアシェルカラム
SunShell（クロマニックテクノロジーズ） : C18, PFP, C8, RP-Aqua, C4-30, C8-30: C18, PFP, CN, PentaHILIC, BioClass
Halo（AMT）: C18, PFP, AQ, PC
Capcell Core（資生堂）: C18, PFP, C8, XB-C18, HILIC, EVOC18
Kinetex （フェノメネックス）: C18, C8, C4 (タンパクペプチド分析用)
Kinetex Aeris（フェノメネックス）
Ascentis Express（シグマアルドリッチ） : C18, F5(PFP), C8, OH5, RP-Amide: C4, C8, C18BioSehll（シグマアルドリッチ）: C18, C8, CN, SB-AQ, HPH-C18
PoroShell（アジレントテクノロジ－）: C18, PFP, Phenyl-Hexyl, aQ, RP-MS
Accucore（サーモフィッシャー）: C18, PFP, Phenyl-Hexyl, HILIC
Nuculeoshell（ナーゲル）: C18, PFP, C8, Amide, HILIC
Brownlee SPP（パーキンエルマー）: C18, PFP, Phenyl-Hexyl, C18A, HILICBlue Shell（KNAUER）: C18, C18+, HILIC
Cortecs （Waters）: Biphenyl, ARC18
Raptor （Restek）: C18, Phenyl-Hexyl
Ultracore (Ace): C18, PFP, Diphenyl, HILIC
SpeedCore (Fortis): Mixmode
Coresep (Sielc): C18, Cholester
COSMOCORE (Nacarai): C18, C8, C18Bio
Meteoric Core (YMC): C18
InertCore (GLサイエンス): C18
ReproShell (Dr.Maisch): C18, C8ClassicShell (Kromasil)(固定相は抜粋)

市販されているコアシェル粒子

コア

粒子径

1.3‐2 μm

2.4‐2.7μm

3.4 - 3.6 μm

4 - 5 μm

細孔径

9 - 10 nm

8 - 16 nm, 30 nm

20 - 40 nm

8 - 12 nm

多孔質層0.22 - 0.4 μm

0.3 - 0.5 μm

0.2 - 0.5 μm

0.?- 0.6 μm (非公開あり)

比表面積 100 – 120 m2/g

90 – 150 m2/g,40 m2/g

15 m2/g (非公開あり)

90 m2/g (非公開あり)

58 - 77％

27％

60%

多孔質％

58 – 78%粒度分布12aSunSehll C18 (2.54 μm)
aAscentic Express C18 (2.52 μm)
aAccucore C18 (2.53 μm)aKinetex C18 (2.34 μm)
a
PoroShell C18 (2.34 μm)
Cortecs C18 (2.77 μm) a

Number/%1086420124Particle diameter/μm
a. 中位径*C18充填剤を600℃で8時間焼成し，アルキル基を焼き飛ばした後のコアシェル粒子をBeckman Coulter Multisizer 3 で測定しました。この測定値はオリジナルのコアシェル粒子の値とは異なります。

8Van Deemterの式

粒子径をdp
アナライトの移動相中の拡散係数をDm

A項 ：多流路拡散、渦巻き拡散B項 ：カラム軸方向への拡散

C項 ：物質移動の項1.

：

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

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

コアシェル構造の利点
Van Deemter の式のA項，B項およびC項が小さくなる

コアシェル粒子は粒度分布が狭く，密な充填が比較的簡単にできる。
この密な充填がA項を小さくする

高い理論段数が得られる
カラムの性能が高い

コアが溶質の拡散を妨害し，溶質のカラム軸方向への拡散が抑えられるため，B項が小さくなる

流速が遅い条件でも理論段数の低下が少ない

多孔質層が薄く，多孔質内での溶質の拡散距離（移動距離）が短くなる
ため，C項が小さくなる

流速が速い条件でも理論段数の低下が少ない

カラムにしたときは・・・・

同じ表面処理をしていれば全多孔性シリカカラムと同じ選択性を示す

コアシェルカラムをUHPLCで使う
69,629

なんとほぼ70,000段

62,34969,07961,5642.6μm

Column: SunShell C18, 2.6 mm, 250 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O= 70/30
Flow rate: 1.8 mL/min,Pressure: 45 MPa for 2.6 mm
Detection: UV@250 nm
Sample: 1 = Uracil, 2 = Toluene, 3 = Acenaphthene, 4 = Butylbenzene, HPLC: Jasco X-LC

Temperature: 25 ºC

SunShell 2.6μm, 5μm
4.6x250mmカラムの性能
42,05341,043

41,61039,2555μm

Column: SunShell C18, 5 mm 250 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O= 70/30
Flow rate: 1 mL/min,
Temperature: 40 ºC
Pressure: 6.7 MPa for 5 mm
Detection: UV@250 nm
Sample: 1 = Uracil, 2 = Toluene, 3 = Acenaphthene, 4 = Butylbenzene, HPLC: Hitachi LaChrom ELITE◇ 全多孔性シリカカラムと比べるとコアシェルカラムは圧力が低い◇ 全多孔性シリカも粒度を揃えればコアシェルカラムと同じになる?
◇ 全多孔性シリカカラムと比べるとコアシェルカラムは保持が短い
コアシェルカラムは負荷量が少ないカラムの背圧カラムの背圧は粒子径の2乗に反比例
Brand F C18, 5 mm 250 x 4.6 mm

HPLC

N(4)=19,313

3

129.5 MPa02468101214Retention time/min

161820

SunShell C18, 2.6 mm 100 x 4.6 mm

0113.4 MPa

222224N(4)=20,287

3154345546Retention time/min

粒子径に準じた背圧

Mobile phase:
CH3CN/20mM Phosphoric acid = 45/55
Flow rate: 1.0 mL/min,
Temperature: 25 ºC
Detection: UV@230 nm
HPLC: Hitachi LaChrom ELITE（内径0.25mmの配管仕様）

2.6 μmでは5 μmの約3.7倍の圧になる

9.5 × 3.7 / 2.5 = 14.1

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

16.3470

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

Brand C C18 1.7 mm

2～３倍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

全多孔性シリカカラムと比べるとコアシェルカラムは圧力が低い

圧力は粒子径通りの高さだが理論段数は高い

粒度分布の比較2
全多孔性粒子コアシェル粒子

Santasania et al. Poster presentation, P-332-Mon, HPLC 2012

Van Deemter Plotの比較

H/dp（コアシェルvs全多孔性）B項は異なる

Santasania et al. Poster presentation, P-332-Mon, HPLC 2012

C項は異なるインピーダンスタイム

t0/N2

カラム圧が一定の場合のt0（保持がないときの溶出時間）はN２（理論段数の２乗）に比例する

t0 ∝N2t0 = A・N2 A = t0/N2

理論段数

カラム長さ

カラム圧

流速

t０

10,00015 cm

10 MPa1.0 mL/min

100 S

20,00030 cm

20 MPa1.0 mL/min

200 S

20,00030 cm

10 MPa0.5 mL/min

400 S

10 MPaの一定圧力条件で，理論段数(N)を2倍にするためにはカラム長さを2倍にし，流速を1/2にしなければならない。
Desmet et al. Anal. Chem. 77，4058 (2005).

t0は4倍になるコアシェル型充填剤と全多孔性充填剤のt0/N2（インピーダンスタイム）とN（理論段数）との関係
10005 mm

3 mm 2 mm

t0/N2 (nS)

1.4 mm10010Core Shell 2.6 mm

t0=10000 s
t0=1000 s

t0=100 s

1316,228
3,162,278
1,000,000

40 MPat0=10 s t =1 s0100,000

31,623

10,000

3,162

N
評価条件：圧力40 MPa，flow resistance parameter Φ=700，移動相粘度 η=0.00046 Pa s，溶質の拡散係数 Dm = 2.22×10-9 m2/s，粒子充填型カラムにおけるKnox 式 h = 0.65ν1/3 + 2/ν + 0.08 ν，粒子径 (dp) 1.4，2，3および5mm

全多孔性シリカも粒度を揃えればコアシェルカラムと同じようになるんじゃ・・・んんんんんん

コアシェルカラムとは同じになりません全多孔性粒子と何が違う？
アルカリに弱い
素材はシリカ核を有した構造

重量が重い

比表面積が小さい

全多孔性シリカカラムで注意すべきこと
コアシェルシリカカラムで注意すべきこと

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

全多孔性シリカとコアシェル型シリカ
2.6mmと5mm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
SunShell C18, 5 mm

340 m2/g

150 m2/g

90 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

1.7001.3401.3002) カフェイン

1.900.12

1.460.091.410.083) フェノール2.170.28

1.650.23

1.570.214) ブチルベンゼン

13.35

6.85

10.87

7.118.935.875) o-ターフェニル

19.19

10.29

15.4910.5612.768.826) アミルベンゼン

19.96

10.74

16.56

11.36

13.439.337) トリフェニレン

24.35

13.32

21.95

15.38

16.76

11.89

相対値アミルベンゼン

100%

100%

83%

106%

67%

87%

コアシェル型シリカ 5 mm
コア径：3.4 mm
シェル層厚：0.6 mm

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

標準試料の分離比較
Column:Company P C18, 2.6 μm 150 x 4.6 mm (26.1 Mpa, 30,800 plate )CompanyPC18264Company T C18, 2.6 μm 150 x 4.6 mm (22.7 Mpa, 31,600 plate)
26.1 MPa
113Company W C18, 2.7 μm 150 x 4.6 mm (18.5 Mpa, 23,300 plate)27
Company A C18, 2.7 μm 150 x 4.6 mm (30.6 Mpa, 30,200 plate)51
k6=7.4Company
TC18
Company S C18, 2.7 μm 150 x 4.6 mm (22.2 Mpa, 31,800 plate)
N6=31,600
6
3
422.7 MPa
SunShell C18, 2.6 μm 150 x 4.6 mm (21.8 Mpa, 31,900 plate)
Mobile phase: CH3OH/H2O=75/25
7
1 2 k6=7.7
5Company W C18 Flow rate: 1.0 mL/min
N6=23,300 46318.5 MPa
Temperature: 40 ºCSample: 1 = Uracil, 2 = Caffeine, 3 = Phenol, 4 = Butylbenzene
71 2 k6=9.0
55 = o-Terphenyl, 6 = Amylbenzene, 7 = Triphenylene
Company A C18
N6=30,200
7k6=5.4
N6=30,800

530244676SunShell C1821.8 MPa 48

水素結合性30.6 MPa

52 k6=9.7
1 3 N6=31,800
2316456718202224

疎水性

立体選択性(Amylbenzene/Butylbenzen (Triphenylene/o-Terphenyl)
e)

0.48

1.54

1.200.351.56

1.50

Company W C180.38

1.59

1.32

Company A C180.42

1.57

1.25

Company S C180.44

1.60

1.31

SunShell C180.39

1.60

1.46

Company S C18 Company P C18
22.2 MPa
Company T C18

k6=10.4
N6=31,900

101214
16
Retention time/min(Caffeine/Phenol)

物性値
炭素含有量
Carbonloading (%)

細孔容積
比表面積
Specific surface Pore volume aarea a (m2/g)
(mL)

細孔径
Pore diameter a(nm)SunShell C18

7.3

1250.261

8.34

Company S C188.0

1330.278

8.20

Company A C188.5

1350.414

12.3

Company T C188.81300.273

8.39

Company W C18

7.3

1130.264

9.32

Company P C18

4.91020.237

9.25

a. C18充填剤を600℃で8時間焼成し，アルキル基を焼き飛ばした後のコアシェル粒子を測定しました。この測定値はオリジナルのコアシェル粒子の値より小さくなります。
*全ての測定はクロマニックテクノロジーズ社内で行いました。

アミトリプチリンの負荷量比較 I
Mobile phase: Acetonitrile/20mM phosphate buffer pH7.0=(60:40)
Column dimension: 150 x 4.6 mm, Flow rate: 1.0 mL/min, Temp.: 40oC

CH3N
CH3

316000

1TF=1.18

24

SunShell C18(core shell)

14000

Theoretical plate

10000
8000
6000

100 times

SunShell C18
Company A C18
Sunniest C18 3um
Company P C18Company T C18
Compnay W C18
Company S C18

TF=2.43

TF=3.21

2000

T C18(core shell)
W C18(core shell)

TF=3.170.01

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

TF=1.25

4000

00.001A C18(core shell)

TF=1.42

12000

0.1

110

S C18(core shell)

TF=4.38

Sample weight/μg0

理論段数はピークの高さの4.4%のピーク幅を用いる5シグマ法を用いました。

4.4%

12

3

56
7
4
Retention time/min

8910

Sample: 1=Uracil, 2=Propranolol,
3= Nortriptyline, 4=Amitriptyline

全多孔性シリカカラムと比べるとコアシェルカラムは保持が短い

保持時間は短いが保持指数はほぼ同じ
負荷量は少ないがその差は20%
コアシェルカラムは保持時間・負荷量共にメーカ間の差が大きいまとめ• コアシェルカラムは、幅広く粒子、固定相の選択ができるようになってきている• コアシェルカラムは、特別圧力が低いわけではなく、近い性能を有する全多孔性シリカカラムと比較すると圧力は低い• 全多孔性シリカでは、粒度分布が狭くなったとしてもコアシェルカラムの様にはならない• コアシェルカラムの保持は、同じ化学修飾をした全多孔性シリカカラムと比較すると、保持時間は短くなるが保持指数は変わらない• コアシェルカラムのサンプル負荷量は、全多孔性カラムと比較すると20%減少する

UHPLC カラム

待望のSunShell C18 2 μm
0.4 μm
1.2 μm
2 μm

なんと！ 307,000 N/m
SunShell C18, 2 μm 2.1 x 150 mm

Pore size: 9 nm
Surface area: 120 m2/gCarbon loading: 6.5% (C18)324

N4=46,100

10123CoreMobile phase: Acetonitrile/water=70/30
Flow rate: 0.4 mL/min
Pressure: 64 MPa
Temperature: 25 oC

Sample: 1 = Uracil
2 = Ethylbenzoate
456
3 = Acenaphthene
Retention time / min
4 = Butylbenzene

クロマニックテクノロジーズ

HPLC
columnサンアーマーSunArmor C18

使用pH範囲：pH 2〜pH 12

ChromaNik Technologies Inc.