HPLCカラム用粒子の超音波改質
HPLCにおける課題は、幅広いサンプルを迅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のマイクロスフェアなどのナノ粒子を改質し、機能化できます。超音波処理は、特にHPLCカラム用のコア–シェル型シリカ粒子の合成に非常に有効な技術です。
シリカ粒子の超音波改質
粒子構造と粒子径に加え、細孔径とポンプ圧力は、HPLC分析に影響を及ぼす最も重要なパラメーターです。
ほとんどのHPLCシステムでは、小さな球状シリカ粒子の外側に活性固定相を付着させて使用します。これらの粒子は、マイクロおよびナノ領域の非常に小さなビーズです。ビーズの粒子径はさまざまですが、約5µmの粒子径が最も一般的です。より小さな粒子は、より大きな表面積とより良好な分離をもたらしますが、最適な線速度に必要な圧力は、粒子径の二乗に反比例して増加します。つまり、同じカラムサイズで半分の大きさの粒子を使用すると、性能は二倍になりますが、同時に必要な圧力は四倍になります。
高出力超音波は、シリカなどのマイクロ粒子およびナノ粒子の改質／機能化と分散に用いられる、よく知られた実績のある手段です。粒子処理で均一かつ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）を製造するための好ましい方法です。高出力超音波は振動とキャビテーションを発生させ、ソノケミカル反応にエネルギーを与えます。このため、高出力超音波装置は、次のような粒子処理に有効に利用されています： 機能化／改質, 微細化と分散 ならびにナノ粒子の 合成 （例えば、 ゾル–ゲル法).
超音波による粒子の改質／機能化の利点
- 粒子径と改質を容易に制御
- プロセスパラメーターを完全に制御
- 線形のスケールアップが可能
- 極めて少量から極めて大量まで適用可能
- 安全で、使用者と環境に優しい
プローブ型超音波装置UP400St によるシリカナノ粒子の分散と機能化
コア–シェル型シリカ粒子の超音波調製
コア–シェル型シリカ粒子 （多孔質シェルを持つ固体コア、または表面多孔質の粒子）は、高い流量と比較的低い背圧で高効率の分離を行うために、ますます広く使用されています。その利点は固体コアと多孔質シェルにあります。コア–シェル粒子全体としてはより大きな粒子となり、より低い背圧でHPLCを運転できる一方、多孔質シェルと小さな固体コア自体が分離プロセスに利用できるより大きな表面積をもたらします。HPLCカラムの充填材としてコア–シェル粒子を使用する利点は、細孔容積が小さいため、縦方向の拡散によるバンドの広がりに寄与する容積が減少することです。粒子径と多孔質シェルの厚さは、分離パラメーターに直接影響します。（Hayes et al. 2014参照）
充填型HPLCカラムで最も頻繁に使用される充填材は、従来のシリカマイクロスフェアです。クロマトグラフィーに使用されるコア–シェル粒子も通常はシリカ製ですが、固体コアと多孔質シェルを備えています。クロマトグラフィー用途に使用されるコア–シェル型シリカ粒子は、フューズドコア粒子、ソリッドコア粒子、または表面多孔質粒子とも呼ばれます。
シリカゲル は、ソノケミカルなゾル–ゲル法で合成できます。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す。
ゾル–ゲルプロセスのソノケミカルな手法について詳しくは、こちらをクリックしてください！
超音波合成（ソノ合成）は、TiO2/SiO2、CuO/SiO2、Pt/SiO2>、Au/SiO2など、その他多数のシリカ担持金属や金属酸化物の合成にも容易に適用でき、クロマトグラフィー用カートリッジのシリカ改質だけでなく、さまざまな工業的触媒反応にも使用されています。
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ナノ粒子の超音波分散
材料の性能を十分に引き出すには、粒子を微細に分散させ、解凝集することが特に重要です。このため、高性能な分離には、粒子径の小さい単分散シリカ粒子が充填粒子として使用されます。超音波処理は、シリカの分散において、他の高せん断混合法よりも効果的であることが実証されています。
下のグラフは、水中でのヒュームドシリカの超音波分散の結果を示しています。測定にはMalvern Mastersizer 2000を使用しました。
超音波処理の前後：緑の曲線は超音波処理前の粒子径を示し、赤の曲線は超音波分散したシリカの粒度分布を示しています。
超音波処理による粉末圧密
HPLCカラム内の粉末密度は、高い分離効率、安定したカラム性能、一貫した流動特性、正確な保持時間、分離度の向上、カラム寿命の延長を実現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システムを信頼性高く効果的に運転するための基本です。超音波による粉末圧密は、最適な粉末密度でHPLCカラムやカートリッジを効率的に充填するのに役立ちます。
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ナノ粒子を高い処理能力で分散させる工業用超音波装置
知っておきたい基礎知識
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として説明できます。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ていました）は、混合物の各成分を分離、同定、定量できる分析技術です。また、分取クロマトグラフィーは、生産規模で大量の材料を精製するために使用されます。典型的な分析対象物は、有機分子、生体分子、イオン、ポリマーです。
HPLC分離の原理は、カラム内の固定相（粒子状シリカ充填材、モノリスなど）に移動相（水、有機溶媒など）を通過させることに基づいています。つまり、溶解した化合物を含む加圧された液体溶媒（サンプル溶液）を、固体吸着材（改質シリカ粒子など）が充填されたカラムにポンプで送り込みます。サンプル中の各成分は吸着材との相互作用がわずかに異なるため、成分ごとの流量が異なり、その結果、カラムから流出する際に成分が分離されます。移動相の組成と温度は、サンプル成分と吸着材の間に生じる相互作用に影響を及ぼす、分離プロセスの非常に重要なパラメーターです。分離は、固定相と移動相への化合物の分配に基づいています。
HPLCの分析結果は、クロマトグラムとして可視化されます。クロマトグラムは、縦軸（y軸）が検出器応答によって濃度を示し、横軸（x軸）が時間を表す二次元の図です。
充填型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としています。主にテトラエトキシシランから作られ、これを部分的に加水分解してポリエトキシシロキサンにすることで粘性のある液体を形成します。この液体は、連続的な超音波処理の下でエタノールと水の混合液中に乳化できます。超音波による撹拌は球状粒子を生成し、これらは触媒によって誘起される加水分解縮合（「Unger」法として知られています）を通じてシリカヒドロゲルに変換されます。加水分解縮合により、表面のシラノール種を介して広範な架橋が生じます。その後、ヒドロゲル球を焼成してキセロゲルを生成します。高多孔質シリカキセロゲル（ゾル–ゲル）の粒子径と細孔径は、pH値、温度、使用する触媒と溶媒、およびシリカゾル濃度の影響を受けます。
非多孔質粒子と多孔質粒子の比較
非多孔質と多孔質のシリカマイクロスフェアは、いずれもHPLCカラムの固定相として使用されます。小さな非多孔質粒子では、分離は粒子表面で起こり、拡散経路が短いためバンドの広がりが抑えられ、その結果、物質移動が速くなります。しかし、表面積が小さいと、保持、保持時間、選択性、そしてそれに伴う分離度が制限されるため、結果の精度が低下します。試料負荷容量も重要な要因です。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備えているため、分析対象物と相互作用する接触面積がより大きくなります。液相分離中に十分な物質移動を確保するには、細孔径が約7nmを超えている必要があります。大きな生体分子を効率的に分離するには、最大100nmの細孔径が必要です。
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。 収録：カラムクロマトグラフィー、Dr. Dean Martin（編）、InTech、DOI: 10.5772/55620。
- Hayes, Richard; Ahmeda, Adham; Edge, Tony; Zhang, Haifei (2014): コア–シェル粒子：調製、基礎、および高速液体クロマトグラフィーへの応用。J. Chromatogr. A 1357, 2014. 36–52.
- Sharma, S.D.; Singh, Shailandra (2013): シリカ上の高効率ナノ硫酸化ジルコニアの合成と特性評価：超音波照射によるコア–シェル触媒。American Journal of Chemistry 3(4), 2013. 96–104