新技術説明会

C18カラムの基礎講座
コアシェル・全多孔性の違いを知って使いこなす！
クロマニックテクノロジーズ
塚本友康 佐藤誠 長江徳和
Email: info@chromanik.co.jp
http://chromanik.co.jp

全多孔性？コアシェル？

官能基は・・・

予算は・・・

粒子径は・・・

高速化するには分取も・・・カラムの性能を決める要因

基材の選択
素材の選択
微粒子化
基材の形状

→ 耐久性・選択性→ 高理論段数化→ 高速化・高理論段数化

基材の選択 → 理論段数に大きく影響

カラムの性能を決める要因２

化学修飾
コーティング→ 耐久性
官能基の結合→ 選択性
エンドキャッピング→ 不活性化
化学修飾 → 分離に大きく影響

分離を変えるには・・
疎水性相互作用

相互作用の異なるカラムに交換する

アルキル基
親水性相互作用
イオン交換相互作用
陰イオン
交換基
π-π相互作用
フェニル基

N+陽イオン
交換基
OO-水素結合
ジオール基
OHSO

アミド基
OH

CH3

カラム充填剤基材

CH3NO

分離を変化させる
移動相を交換カラムを交換相互作用の強さ
働き方

メーカーやロットの違いで・・・
同じC18カラムなのに分離が変わることがある

二次的な相互作用が変わるから相互作用

全多孔性粒子と何が違う？
コアシェル

全多孔性素材シリカ

特徴

アルカリ条件に弱い

粒度分布

狭い

広い

比表面積

狭い(150㎡/gほど)

広い(340㎡/gほど)

構造

ノンポーラスの核と多孔質層

多孔質

重量

重い

軽い

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

全多孔性シリカとコアシェル型シリカ
2.6µmと5µmの標準試料の保持比較
全多孔性シリカ
Sunniest C18, 5 µm

コアシェル型シリカ
SunShell C18, 2.6 µm

コアシェル型シリカ
SunShell C18, 5 µm

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

1.70

01.3401.3002) カフェイン

1.90

0.12

1.46

0.09

1.410.083) フェノール

2.17

0.28

1.65

0.23

1.57

0.214) 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

15.49

10.56

12.76

8.826) アミルベンゼン

19.96

10.74

16.56

11.36

13.43

9.337) 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 µm
コア径：3.4 µm
シェル層厚：0.6 µm

移動相: Methanol/water(75:25)
温度: 40oC
カラム: 150 x 4.6 mm
流速: 1.0 mL/min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, 100 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

比表面積 100 – 120 m2/g

90 – 150 m2/g,
25 – 40 m2/g

15 m2/g

90 m2/g

多孔質％58 - 77％27％

60%

58 – 78%コアシェルカラム
Manufacturer

Brand

Porous layer
Particle size
Pore diameter Surface area
thickness(μm)(nm)(m2/g)(µm)

Bonded phase

1Advanced
Chromatography
Technologies

UltraCore

2.5, 5

C18, Phenyl-hexyl

2

Advanced Mterials
Technologies

HALO

2.0, 2.7,3.4,4.6

120, 135, 15,0.2, 0.4, 0.5,9, 16, 40, 100
90
0.6

C18, C8, Phenyl-Hexyl, PFP, Cyano, RP-Amide, HILIC,
Pentahydroxy-HILIC, C4, Glycan

3

AkzuNobel

Kromasil ClassicShell/
EternityShell

2.5

0.5

110

C18, C84

Agilent Technologies

PoroShell

1.9, 2.7, 4, 5 0.25, 0.5

12, 30130

C18, C8, Phenyl-Hexyl, PFP, SB-Aq, Cysno, HILIC

5

Chrom4Isosceles

2.6, 4.6

9.5, 16

140, 90

C18, AQ, C8，C3, Phenyl-hexyl, PFP, Amide(HILIC)

6

ChromaNik
Technologies

SunShell

2.0, 2.6, 3.4, 0.2, 0.4, 0.5, 9, 12, 16, 30,
4.6
0.6
100

7

Dr Maisch

PeproShell

2.6

8

Fortis Technologies

SpeedCore

2.6, 3.5, 50.4

8, 16, 30

140

C18, C18-Amide, C18-PFP, Diphenyl, PFP, HILIC C8, C49GL Sciences

InertCore

2.40.3

9100

C1810

Knauer

BlueShell

2.6, 4.5

0.58130C18, C811

Merck (supelco)

Ascentis Express/BioShell

2.0, 2.7, 3.4, 0.2, 0.4, 0.5,
9, 16, 40,
50.6120, 135, 80,15, 90

C18, C8, C4, RP-Amide Phenyl-Hexyl, Biphenyl, Cyano, PFP,
Pentahydroxy-HILIC

12

Macherey-Nagel

NucleoShell

2.7

0.5

9130

C18,Phenyl-Hexyl, PFP, HILIC

13Nacalai Tesque

CosmoCore

2.60.59150

C18, Cholestrol, Pentabromobenzyl

14

Perkin Elmer

Brownlee SPP

2.7

0.5

9, 16

15

Phenomenex

Kinetex/ Aeris

1.3, 1.7, 2.6, 0.2, 0.23,3.6, 50.35, 0.67

16RestekRaptor

2.7

9150

C18, Biphenyl, PFP, HILIC

17Sepax Technologies

Opalshell

2.60.59150

C1818

Osaka Soda

2.70.59, 16, 30

150

C18, AQ, Adamantyl , Phosphocholine, PFP

19SCAS

Capcell Core
Sumipax ODS Z-Shel
Sumichiral OA-Shell P1

2.6

0.5

9, 30

150, 40

C18, Poly(diphenylacetylene) derivative

20

SIELC Technologies

21

Thermo ScientificAccucore

2.6, 4130

Mixed mode: RP + cation exchange, aRP + anion exchnge, HILIC+ ion exchange
C18, C8, AQ, henyl-Hexyl, Phenyl, C30, PFP

22Waters

Cortecs

1.6, 2.7

0.26

9100

C18, C8, Phenyl-Hexyl, HILIC

23WelchBoltimate

2.70.59120

C18, Phenyl-Hexyl, PFP, HILIC

24YMC

Meteoric Core

2.7

0.58, 16150, 90

C18, C8

Coresep

9.5

0.5, 0.6130150, 90, 40,15, C18, RP-AQUA, C8, PFP, Pnenyl-Hexyl, 2-Etheylpyridine, HILIC22Amide, C30, Hexafunctional C18, C4C182.710, 20

C18, C8, Phnyl-Hexyl, PFP, RP-Amide, HILIC
200

98, 15C18, C8, Phenyl-hexyl, PFP, Biphenyl, HILIC, C4全多孔性とコアシェル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

4200510Mobile Phase Velocity, mm/sec

15低流速時の理論段高さ
Column: SunShell C18 2.6 µm, 50 x 2.1 mm
totally porous 2 µm 50 x 2.1 mm
Mobile phase: Acetonitrile/water=(60/40)
Sample : Naphthalene

Plate height (μm)

201625℃ core shell 2.6 um

2倍以上の差1240℃ core shell 2.6 um
40℃ totally porous 2um

84

ほぼ同じ理論段高さ（段数）000.2

0.40.6

Flow rate (mL/min)0.81

カラム長さと理論段数
理論段数が約20,000段になるカラム長さと粒子径
全多孔性カラム

コアシェルカラム

粒子径

長さ

圧力5 µm

250 mm

低3 µm

150 mm中Sub 2 µm

100 mm

高2.6 µm

100 mm

中5 µm

150 mm低同じ理論段数でも、長さが短いカラムは分析時間が短縮可能

イソクラティック溶離例
Brand F C18, 5 μm 250 x 4.6 mm

HPLCN(4)=19,313

31231054SunShell C18, 2.6 μm 100 x 4.6 mm
4 5224N(4)=20,287

分析時間1/368101214Retention time/min1618

201542122N(4)=20,287

305µm C18からの移行

2345Sample: 1 = Benzydamine
2 = Ketoprofen
3 = Naproxen
4 = Indomethacin
5 = Ibuprofen

6

Retention time/min

3UHPLC 1N(4)=24,124

1.0 mL/min

254

3

1.8 mL/min

120

142N(4)=22,424

53

Retention time/min

5 µm, 250x4.6mmカラムに比べ分析時間1/64524Column:
Brand F C18, 5 μm 250 x 4.6 mm
SunShell C18, 2.6 μm 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 µm
13.4 MPa for SunShell C18 2.6 µm
Detection: UV@230 nm

6HPLC: Hitachi LaChrom ELITE（内径0.25mmの配管仕様）
UHPLC: Jasco X-LC

コアシェル粒子の多様性
コアシェル

全多孔性

素材

シリカ

ポリマー、シリカ

粒子径1.3 ～ 5 µm

1.5 ～ 10 µm

細孔径

8 ～ 100 nm

0 ～ 100 nm

比表面積15 ～ 150 ㎡/g～ 400 ㎡/g

多孔質層

0.2 ～ 0.6 µm-重量重い軽い

多孔質層の厚さを変えることでより適した粒子を選択可能に多孔質相の厚さが異なるコアシェルカラムの比較
Column: SunShell C8-30, 2.6 µm (30 nm, 0.5 µm layer) 100 x 2.1 mm, Sunshell C8-30HT, 3.4 µm (30 nm, 0.2 µm layer) 100 x 2.1 mm
Mobile phase: A) 0.1% TFA in water B) 0.08 % TFA in Acetonitrile
Gradient program: Time 0 min 5 or 35 min%B
20%65%
高速分離においては多孔質相が薄いほう
Flow rate: 0.5 mL/min , Temperature: 60 or 80 oC, Detection: UV@215 nm,が分離が良好
Sample:1 = Cytochrome C, 2 = Lysozyme, 3 = BSA, 4 = Myoglobin, 5 = Ovalbumin
W0.5=0.87 sec

2W0.5=0.93 sec
135480 oC and 5 min gradient
SunShell C8-30HT 3.4 µm (0.2 µm)
SunShell C8-30 2.6 µm (0.5 µm)

W0.5=4.8 sec

80 oC and 35 min gradient
W0.5=4.2 sec
SunShell C8-30HT 3.4 µm (0.2 µm)
SunShell C8-30 2.6 µm (0.5 µm)
051015Retention time/min

Surface area works well for separation.

2025

高分子用カラム
Column: SunShell C4-100, 2.6 µm (100 nm, 0.5 µm layer) 100 x 2.1 mm,Mobile phase: A) 0.1% TFA in water B) 0.085 % TFA in Acetonitrile
Gradient program: Time 0 min
30 min%B 30%45%
Flow rate: 0.4 mL/min , Temperature: 80 C
Detection: UV@215 nm,Sample: IgG purified by Protein G column○024681012Retention time/min

14161820

◇ 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◇ 全多孔性シリカカラムと比べるとコアシェルカラムは保持が小さい
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
HPLC

Brand F C18, 5 μm 250 x 4.6 mm

N(4)=19,313

3129.5 MPa
02468101214Retention time/min

161820SunShell C18, 2.6 μm 100 x 4.6 mm0113.4 MPa

222224N(4)=20,287

315434554Mobile 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
9.5MPa × 3.7 ×100/250 = 14.1MPa

6Retention time/min

粒子径に準じた背圧

単位圧力あたりの段数比較
PlatesPressure(MPa)

Plates/pressure

Sunniest C18-HT 2.0 μm

9,90016.7593

Brand A C18 1.9 μm

7,660

16.3470

Brand B C18 1.8 μm

10,10019.6515

Brand C C18 1.7 μm

11,14032.0348

SunShell C18 2.6 μm

9,600

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

2～３倍Brand C C18 1.7 μm
SunShell C18 2.6 μm
05,00010,0000102030

0300

600900Column: 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
Sub2 µmでは使用できない長さのカラムを使用可能

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 )Company P C18264
Company T C18, 2.6 μm 150 x 4.6 mm (22.7 Mpa, 31,600 plate)
26.1 MPa
113
Company 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)51k6=7.4Company T C18
Company S C18, 2.7 μm 150 x 4.6 mm (22.2 Mpa, 31,800 plate)
N6=31,60063422.7 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=7.75
Company 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
7
1 2 k6=9.0
5
5 = o-Terphenyl, 6 = Amylbenzene, 7 = Triphenylene
Company A C18
N6=30,200
7

k6=5.45
N6=30,800

30244676

SunShell 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

1.20

0.35

1.56

1.50

Company W C18

0.38

1.59

1.32

Company A C18

0.42

1.57

1.25

Company S C18

0.44

1.60

1.31

SunShell C18

0.39

1.60

1.46

Company S C18 Company P C18
22.2 MPa
Company T C18

k6=10.4
N6=31,900

10121416Retention time/min(Caffeine/Phenol)アミトリプチリンの負荷量比較
Mobile phase: Acetonitrile/20mM phosphate buffer pH7.0=(60:40)
Column dimension: 150 x 4.6 mm, Flow rate: 1.0 mL/min, Temp.: 40oCCH3NCH3316000

1

TF=1.18

24

SunShell C18(core shell)

14000
TF=1.42

Theoretical plate

12000
10000
8000
6000

100 times

SunShell C18
Company A C18
Sunniest C18 3um
Company P C18
Company 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)

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%1235674Retention time/min

8910Sample: 1=Uracil, 2=Propranolol,
3= Nortriptyline, 4=Amitriptyline

コアシェルシリカの電子顕微鏡写真
CP-SEM

粒子径: 2.6 µm
細孔径: 16 nm

粒子径: 2.6 µm
細孔径: 100 nm

粒子径: 3.4 µm
細孔径: 30 nm

コアシェルシリカ粒子を樹脂包埋し、Arイオンミリングにより断面加工し、導通処理のためOs(オスミウム)蒸着して観察しました。コア（フューズドシリカ）とその周りの多孔質層が確認できます。

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 C187.31250.2618.34

Company S C188.01330.278

8.20

Company A C18

8.5

1350.414

12.3

Company T C18

8.8

1300.273

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。

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

負荷量が小さくなるということは・・
分取する場合・・・

コアシェルカラムの分取は・・・• できるだけ負荷量を取る• ピーク幅が広いことが多い• ピーク形状が悪い時もある• コストがかかる• 回収効率が20%程度さがる• コアシェルを使うメリットが少ない

分取においては全多孔性カラムのほうが向いている微粒子化のメリット，デメリット• HPLC，UHPLC両方で使用可能• 時短，理論段数の両立が難しい場合がある• UHPLCでのみ使用可能• 圧力が高圧に• 高速化，高理論段数化が可能• 短いカラムで分離可能に流速による理論段数変化
35000

30000

理論段数

25000

流速が上がるにしたがって理論段数も上がるはず…

20000

15000

10000
Totally porous hybrid C18
Totally porous monodisperse C18

5000

SunShell C18
00.1

0.2

0.3

0.4

流速 mL/min
Column: 100 x 2.1 mm
Mobile phase: CH3CN/H2O=60/40
Temperature: 40 ºC
Sample: Acenaphthene,

0.5

0.60.7摩擦熱の発生

カラム末端の表面温度/℃

通液開始

9分後40カラム：コアシェル, 2.6 μm 150 x 4.6mm
移動相：メタノール
流速：5 mL/min
カラム圧：70 MPa
室温：23℃

35302520151005
通液時間/分1015

粒子の熱伝導性O
H2 O
O H2SiSiCOCOCSiSiCO
H2H2O H2O H2 O
SiCCSiOCSiSi
C
H2 O
H2OO

コアシェルシリカはコアが存在し，全多孔性シリカより熱伝導性が良
く，摩擦熱の影響を受けにくいため， より高い流速領域まで段数は上昇 すると推測される。

全多孔性ハイブリッドシリカは，シリカ骨格に炭素鎖が入っているため，熱伝導性が悪く，カラム内の温度分布が均一でないため，通常の全多孔性シリカより，低流速で摩擦熱が原因となる段数低下が起こったと推測される。

*Fabrice Gritti, Georges Guiochon, J. Chromatogr. A 1217 (2010) 5069.
A part of abstract
This unexpected result is accounted for by the three times
smaller heat conductivity of the BEH bed (BEH 0.25W/m/K) than that of the Kinetex bed (Kinetex 0.75W/m/K).

コアシェルシリカの熱伝導性はハイブッリドシリカの3倍

まとめ
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
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
コアシェルC18カラムも従来の全多孔性C18カラムと同様にメーカー間，ブランド間に保持や負荷量に差があり、その差は大きい。
2µm以下の粒子において、摩擦熱によると考えられる段数低下はハイブリッドシリカが顕著であった。