新技術説明会

日本発(初)！コアシェル型C18カラム：
同一圧力条件下でsub2mmの2～3倍の理論段数達成
クロマニック テクノロジーズ
長江 徳和、塚本 友康
Norikazu Nagae, Tomoyasu Tsukamoto
Email: info@chromanik.co.jp
http://chromanik.co.jp

1

発表の概要
１．コアシェル型シリカの歴史
２．コアシェル充填剤とは
３．コアシェル型カラムの性能
４．SunShell C18と他社コアシェルC18との比較
５．汎用の5mmカラムからSunShellカラムへの移行例
６．SunShell C8・PFP固定相の紹介
2

シェルコア型シリカの歴史(1) J.J. Kirkland, F.A. Truszkowski, C.H. Dilks, and G.S. Engel, J.
Chromatogr., A 890, 3–13 (2000).
(2) J.J. Kirkland, T.J. Langlois, and J.J. DeStefano, Am. Lab. 39,
18–21 (2007).

3

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関わらず，サブ2mmの性能を発揮する
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

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
1816

Fully 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

420051015Mobile Phase Velocity, mm/sec
7

Sub2mmカラムとコアシェル型カラムとの圧力比較
45
Sunniest C18-HT 2.0 um
Brand A C18 1.9 um
Brand B C18 1.8 um
Brand C C18 1.7 um
Brand D C18 2.6 um
SunShell C18 2.6 um

40Pressure, MPa

3530252015Column dimension: 50 x 2.1 mm
Mobile phase: Acetonitrile/water=(70/30)
Temperature: 25 oC

105000.5

11.5

Flow rate, mL/min
8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 ∝

N2

t0 = 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 S10 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

9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

13,162,278

t0=100 s

316,228
1,000,000

40 MPat0=10 s t =1 s0100,000

31,623

10,0003,162N
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

10Van Deemterの式

A項 ： 多流路拡散、渦巻き拡散 ： 粒径をdp
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 ： 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.

11

『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

12108642002468Mobile Phase Velocity, mm/sec

12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
13コアシェル型と全多孔性充填剤の比較
拡散幅
Ca. 2.0 mm
sampleコアシェル型

拡散幅
試料成分が充填剤内に入った後拡散して広がる

2.0 mmsample

全多孔性

2.0 mm
1.6 mm
2.6 mm理論段高さのA項は粒子径ではなく，拡散の幅に関係している？
14

コアシェルC18の標準試料の分離例
UHPLC使用
13サブ2mm（1.8mm）と同じ段数

204

2

1Column: SunShell C18, 2.6 mm 100 x 2.1 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=60/40
Flow rate: 0.3 mL/min
サブ2mm（1.8mm）のPressure: 12.5 MPa
半分以下の圧力
Temperature: 25 ºC

段数(3)=21,300

46Sample: 1 = Uracil
2 = Toluene
3 = Acenaphthene
4 = BUtylbenzene

8Retention time/min

2Plates(3)=38,000
3Retention time/min

4Column: SunShell C18, 2.6 mm 150 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=70/30
Flow rate: 1.0 mL/min
Pressure: 11.5 MPa
Temperature: 25 ºC15

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

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

16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

1.460.09

1.490.103) フェノール

2.170.28

1.65

0.23

1.610.184) ブチルベンゼン

13.35

6.85

10.87

7.11

6.193.555) 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

11.368.755.437) トリフェニレン

24.35

13.32

21.95

15.38

9.44

5.94

21SunShell C18 2.6 mm
34576

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

17標準試料の保持比較
752 31462 341SunShell
21C18
3Column:
Kinetex C18,2.6 mm
150150x 4.6Company
P C18,2.6 mm
x mm
4.6 mmCompany P C18
Ascentis ExpressC18,mm
2.7150mm x150x 4.6 mm
CompanyS C18, 2.74.6 mm
SunShell 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 S5 = o-Terphenyl, 6 = Amylbenzene, 7 = Triphenylene6C18

水素結合性

疎水性

立体選択性(Caffeine/Phenol)(Amylbenzene/Butylbenzene)(Triphenylene/oTerphenyl)

Company P
C180.48

1.54

1.20

Company SC180.44

1.60

1.31

SunShell C180.39

1.60

1.46

745618

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

19

アミトリプチリンのピーク比較Ⅰ
N(4) =11,000 4
TF(4) =1.03

A4

1N(4)=10,000
TF(4)=1.50

32Brand E C18

31B

N(4) =9,000
TF(4) =1.06

442N(4)=5,800
TF(4)=2.86

Column: Sunniest C18(HMODTS), 5 mm 150 x 4.6 mm
Re: Brand E C18, 5 mm 150 x 4.6 mm
Mobile phase:A) CH3OH/20mM Phosphate buffer pH7.5 = 80/20
B) CH3OH/20mM Phosphate buffer pH6.0 = 80/20
C) CH3CN/20mM Phosphate buffer pH7.0 = 60/40
Flow rate: 1.0 mL/min
Temperature: 40 ºC for A and C , 22 ºC for B
Sample: 1 = Uracil,CH
2 = Propranolol,
3O

NH

CH3OH

Brand E C18

3 = Nortriptyline,
1C

2

NH

3
N(4) =12,500
TF(4) =1.04
4

4

N(4)=4,300
TF(4)=5.24
Brand E C18

4 = Amitriptyline,

CH3CH3N

CH3TF: USP tailing factor

20コアシェルC18のアミトリプチロンの負荷量の比較 I
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

SunShellC18

理論段数

12000

100倍

10000
8000
6000
4000

Company P C18
Company S C18

Company
P C18

SunShell C18

2000
00.001

0.01

0.1

110

Company
S C18

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

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%

21

コアシェルC18のアミトリプチロンの負荷量の比較 II
Mobile phase: Acetonitrile/0.1% formic acid=(30:70)
Column dimension: 150 x 4.6 mm, Flow rate: 1.0 mL/min, Temp.: 40oC4USP Tailing factor

テーリングファクター

3.532.5

Company P C183.6

Company S C182.9

SunShell C18

2.47倍

1.821.3

1.5410.001

0.01

0.15 min61

試料重量 mg

アセトニトリル/0.1%ギ酸移動相を用いた場合には試料過負荷になりやすく，試料過負荷時にはピークは前にずれ，テーリングが増します。

22

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(%)

100

P 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 ºC
Sample: 1 = Uracil
2 = Butylbenzene

80
60
40
200020406080

通液時間 (h)10012023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

2000

1,000 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
24MSを用いたブリードテスト
TIC of＋Q1

Brand L
C18

SunSell
C18＋Q1: 5.997 min to 7.999
min of Sample

Column size: 50 x 2.1 mm
Mobile phase:A) 0.1% acetic acidB) CH3CN
Gradient:
Time: 0min 1min 5min 7min
%B: 5% 5% 100%100%
Flow rate: 0.4 mL/min
Temperature: 40 ºC
MS： ABI API-4000
Ionization:
Turboionspray (cation)
Measurement mode:
Q1 Scan m/z 100-1000

25コアシェルC18の標準試料の分離例

2Plates(3)=38,000
430246Retention time/min

HPLC使用3Plates(3)=31,000
422Sample: 1 = Uracil
2 = Toluene
103 = Acenaphthene
4 = BUtylbenzene

810Column: 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

1UHPLCとHPLCの比較

46Retention time/min

81026

HPLC使用時のコアシェルC18の標準試料の分離例
HPLC使用103 Plates(3)=20,000
42246Retention time/min

HPLC使用103Plates(3)=31,000
4228Column: SunShell C18, 2.6 mm 100 x 4.6 mm
150 x 4.6 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=70/30
Flow rate: 1.0 mL/min
Pressure: 9.5 MPa,13.5 MPa
Temperature: 25 ºC
Sample: 1 = Uracil
10
2 = Toluene
3 = Acenaphthene
4 = BUtylbenzene

46Retention time/min

8105mm 4.6x250mm（20,000段）と同じ段数
SunSell C18 100x4.6mm
分析時間40%
使用溶媒量40%27

イソクラチック溶離例
Brand F C18, 5 mm 250 x 4.6 mm

HPLC

N(4)=19,313

3

123

1024

N(4)=20,28754

分析時間1/368101214Retention time/min

1618

200UHPLC

2542122N(4)=20,287

3

154SunShell C18, 2.6 mm 100 x 4.6 mm

25mm C18からの移行

3Retention time/min456

3
1N(4)=24,124

1.0 mL/min

254

3

1.8 mL/min

124N(4)=22,424

24Column:
Brand F C18, 5 mm 250 x 4.6 mm
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 at the lowest chromatogram
Temperature: 25 ºC
Pressure: 9.5 MPa for Brand F C18 5 mm
13.4 MPa for SunShell C18 2.6 mm
Detection: UV@230 nm
Sample: 1 = Benzydamine
2 = Ketoprofen
3 = Naproxen
4 = Indomethacin
5 = Ibuprofen
HPLC: Hitachi LaChrom ELITE（内径0.25mmの配管仕様）
UHPLC: Jasco X-LC

55mm, 250x4.6mmカラムに比べ分析時間1/6012

3Retention time/min45628

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 min25%

7.5 min25%

10 min25%

for SunShell C18Time%B0 min
2%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 = Epicatechingallate, 9 = Catechin gallate
HPLC: Hitachi LaChrom ELITE（内径0.25mmの配管仕様）
UHPLC: Jasco X-LC
29

SunShell C18, C8, PFPSunShell の基本特性
コアシェルシリカ
粒子径 細孔径 比表面積 炭素含有量(nm)(m2/g)(%)(mm)
2.6
SunShell C1891507SunShell C8

2.691504.5SunShell PFP

2.691504.5

結合相使用最高圧

使用pH
範囲

C1860 MPa or 8,570 psi

1.5 - 10C860 MPa or 8,570 psi

1.5 - 9Penta60 MPa or 8,570 psi
fluorophenyl

2-830

SunShell C8とPFPの分離例

31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) カラム圧は充填剤の径の2乗に反比例する。 2.6 mmのコアシ
ェルは，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。
 全多孔性充填剤のインピーダンスタイムはある限界値を有しそれ以下にはならないが，コアシェルのインピーダンスタイムが全多孔性の限界値以下にできるのは，コアシェル構造の特性であり，技術的な革新であると言える。
 汎用の5mm,4.6x150mm,250mmカラムを用いる分析がSunShellでは4.6x75mm,100mmで達成され，分析時間・使用溶媒量が大幅に削減できる。
32