HPLCカラムの超音波粒子修飾
HPLCの課題は、様々なサンプルを高速かつ効率的に分離することです。超音波処理により、シリカやジルコニアマイクロスフェアなどのナノ粒子を修飾し、機能化することができます。超音波処理は、特にHPLCカラム用のコアシェルシリカ粒子を合成するのに非常に成功した技術です。
シリカ粒子の超音波改質
粒子構造と粒子径、細孔径とポンプ圧力は、HPLC分析に影響を与える最も重要なパラメーターである。
ほとんどのHPLCシステムは、活性固定相が小さな球状シリカ粒子の外側に付着した状態で作動する。この粒子はマイクロやナノ領域の非常に小さなビーズである。ビーズの粒子径は様々ですが、約5µmのものが一般的です。粒子が小さいほど表面積が大きくなり分離が良くなりますが、最適な線速に必要な圧力は粒子径の2乗の逆数で増加します。つまり、同じカラムサイズで半分の粒子径の粒子を使用すると、性能は2倍になりますが、同時に必要な圧力は4倍になります。
パワー超音波は、シリカのようなマイクロ・ナノ粒子の改質・機能化・分散のためのツールとしてよく知られ、実績があります。粒子加工において均一で信頼性の高い結果が得られるため、超音波処理は機能化粒子（コアシェル粒子など）を製造するのに適した方法です。パワー超音波は振動、キャビテーションを発生させ、超音波化学反応のためのエネルギーを誘導する。これにより、高出力超音波処理装置は以下のような粒子処理に使用されています。 官能基化／修飾, サイズ縮小 & 分散 ナノ粒子と同様に 合成 (例 ゾル-ゲルルート).
超音波による粒子改質／機能化の利点
- 粒子径のコントロールが容易
- プロセスパラメーターの完全制御
- 線形スケーラビリティ
- 小容量から大容量まで対応
- 安全、ユーザー & 環境にやさしい
プローブ型ソニケーター UP400St シリカナノ粒子の分散と機能化
コアシェルシリカ粒子の超音波調製
コアシェルシリカ粒子 (固体コアに多孔質シェル、または表面多孔質)は、流速が速く、背圧が比較的低い高効率分離にますます使用されるようになっている。その利点は、固体コアと多孔質シェルにある：完全なコアシェル粒子はより大きな粒子を形成し、より低い背圧でHPLCを操作することを可能にする一方、多孔質シェルと小さな固体コア自体は分離プロセスに高い表面積を提供する。HPLCカラムの充填剤としてコアシェル粒子を使用する利点は、細孔容積が小さいため、縦拡散によるブロードニングの体積が減少することです。粒子径と多孔質シェルの厚さは分離パラメータに直接影響する。(cf. Hayes et al. 2014)
充填HPLCカラムに最も頻繁に使用される充填剤は、従来のシリカマイクロスフィアである。クロマトグラフィに使用されるコアシェル粒子も通常シリカ製ですが、コアが固体でシェルが多孔質です。クロマトグラフィ用途に使用されるコアシェルシリカパーティクルは、フューズドコア、ソリッドコア、または表面多孔性パーティクルとも呼ばれます。
シリカゲル シリカゲルは、薄層クロマトグラフィー(TLC)による活性物質の分離に最も頻繁に使用される薄層である。シリカゲルは、薄層クロマトグラフィー（TLC）による活性物質の分離に最も頻繁に使用される薄層である。
ゾル-ゲルプロセスのソノケミカルルートについて詳しくはこちらをご覧ください！
The ultrasonic synthesis (sono-synthesis) can be readily applied to the synthesis of other silica-supported metals or metal oxides, such as TiO2/SiO2, CuO/SiO2, Pt/SiO2>, Au/SiO2 and many others, and is used not only for silica modification for chromatographic cartridges, but also for various industrial catalytic reactions.
HPLCカラム用ナノ粒子機能化用ソニケーターについて詳しく読む
ナノ粒子の超音波分散
粒子の微細分散と脱凝集は、材料の性能をフルに発揮させるために特に重要である。従って、高性能分離のためには、より小さな直径を持つ単分散シリカ粒子が充填粒子として使用されます。ソニケーションは、他の高剪断混合法よりもシリカの分散に効果的であることが証明されています。
下のプロットは、フュームドシリカを水に超音波分散させた結果を示している。測定にはMalvern Mastersizer 2000を使用。
超音波処理前と処理後：緑色の曲線は超音波処理前の粒子径、赤色の曲線は超音波分散シリカの粒子径分布。
超音波による粉末成形
HPLCカラムの充填密度は、高い分離効率、安定したカラム性能、安定したフロー特性、正確な保持時間、分離能の向上、カラム寿命の延長を達成するために不可欠です。適切で均一な充填密度を確保することは、HPLCシステムの信頼性の高い効果的な運用の基本です。超音波パウダーコンパクティングは、HPLCカラムやカートリッジに最適なパウダー密度で効率的に充填するのに役立ちます。
超音波粉体成形について詳しくはこちら！
ナノ粒子のハイスループット分散用工業用ソニケーター
知っておくべき事実
高速液体クロマトグラフィー（HPLC）とは？
クロマトグラフィーは、吸着を伴う物質移動プロセスである。高速液体クロマトグラフィー（以前は高圧液体クロマトグラフィーとも呼ばれた）は、混合物の各成分を分離、同定、定量することができる分析技術です。または、製造スケールの大量バッチの精製に使用される分取スケールのクロマトグラフィー。代表的な分析対象は、有機分子、生体分子、イオン、ポリマーなどである。
HPLC分離の原理は、移動相（水、有機溶媒など）がカラム内の固定相（粒子状シリカパッキング、モノリスなど）を通過することに依存する。つまり、溶解した化合物（サンプル溶液）を含む加圧された液体溶媒が、固体吸着材料（修飾シリカ粒子など）を充填したカラムに送液される。サンプル中の各成分は吸着材とわずかに異なる相互作用をするため、異なる成分の流速は変化し、それによってカラムから流出する成分の分離につながる。移動相の組成と温度は、サンプル成分と吸着剤の相互作用に影響を与える分離プロセスにとって非常に重要なパラメータである。分離は、固定相と移動相に対する化合物の分配に基づいて行われる。
HPLCの分析結果はクロマトグラムとして可視化される。クロマトグラムは2次元の図であり、縦軸（Y軸）は検出器の応答で濃度を表し、横軸（X軸）は時間を表す。
充填カートリッジ用シリカ粒子
クロマトグラフィー用途のシリカ粒子は、合成シリカポリマーをベースにしています。ほとんどの場合、テトラエトキシシランから作られ、部分的に加水分解されてポリエトキシシロキサンとなり、連続的な超音波攪拌下でエタノール水混合液中で乳化できる粘性液体を形成する。超音波攪拌により球状粒子が生成され、触媒による加水分解縮合（「Unger」法として知られる）によりシリカヒドロゲルに変化する。加水分解縮合は、表面のシラノール種を介して広範な架橋を引き起こす。その後、ヒドロゲル球を焼成してキセロゲルを生成する。高多孔質シリカキセロゲルの粒子径と細孔径(ゾル・ゲル)は、pH値、温度、使用した触媒や溶媒、シリカゾル濃度の影響を受ける。
非多孔質粒子と多孔質粒子
HPLCカラムの固定相には、非多孔質シリカ微小球と多孔質シリカ微小球の両方が使用される。小さな非多孔質粒子の場合、分離は粒子表面で起こり、拡散経路が短いためバンド幅の広がりが緩和され、物質移動が速くなります。しかし、表面積が低いため、保持、保持時間、選択性、したがって分離能が制限され、結果はより不正確になる。担持容量も重要な要素である。多孔質シリカマイクロスフェアは、粒子表面に加えて細孔表面も提供し、分析対象物との相互作用により多くの接触面積を提供する。液相分離時に十分な物質輸送を確保するためには、細孔径は7nm以上でなければならない。大きな生体分子を分離するためには、効率的な分離を達成するために最大100nmの細孔サイズが必要である。
文献／参考文献
- Czaplicki, Sylwester (2013)： 化合物の生物活性分析におけるクロマトグラフィー。 In：In: Column Chromatography, Dr. Dean Martin (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/55620.
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014)：コアシェル粒子：高速液体クロマトグラフィーにおける調製、基礎および応用。J. Chromatogr.A 1357, 2014.36-52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013)： 超音波照射による高効率ナノ硫酸化ジルコニア・オーバー・シリカ触媒の合成と特性評価：超音波照射によるコアシェル触媒の合成.アメリカン ジャーナル オブ ケミストリー 3(4), 2013.96-104