【コラム】イオンクロマトグラフィー(IC)における分離カラムのベストプラクティス―第1部
2021/08/23
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高性能イオンクロマトグラフィー(IC)の分離カラムは、しばしばイオンクロマトグラフの「心臓部」と呼ばれます。この呼称の理由は単純明快です:カラムは、対象分析種を互いに、また干渉性のサンプルマトリックスイオンから分離する役割を担っています。ICカラムの独自の分離能力により、1回の分析実行で複数の分析種を決定することが可能になります。本ブログシリーズでは、ICカラムの適切な運用を確保するために何が必要か、そしてカラムの寿命を最大化する方法についてご紹介します。
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標準操作条件
まず初めに、溶離液(移動相)組成、溶離液流量、カラムオーブン温度、検出方法など、標準操作条件を考慮する必要があります。これらの標準条件は、個々のカラムタイプごとに固有であり、そのカラムが意図する用途に最も適した条件に対応しています。Metrohmが販売するすべての分析カラムには、標準操作条件下で記録された分析証明書(CoA)が添付されています。
以下の表に、3種類の異なるMetrohm製ICカラムの標準操作条件を示します。
| カラム | Metrosep C 6 – 150/4.0 | Metrosep A Supp 17 – 150/4.0 | Metrosep Carb 2 – 150/4.0 |
|---|---|---|---|
| 溶離液組成 | 硝酸 1.7 mmol/L ジピコリン酸 1.7 mmol/L | 炭酸ナトリウム 5.0 mmol/L 炭酸水素ナトリウム 0.2 mmol/L | 水酸化ナトリウム 100 mmol/L 酢酸ナトリウム 10 mmol/L |
| 流量 | 0.9 mL/min | 0.6 mL/min | 0.5 mL/min |
| オーブン温度 | 30 °C | 25 °C | 30 °C |
| 検出方法 | 非サプレッション方式電気伝導度検出 | サプレッション方式電気伝導度検出 | アンペロメトリック検出 |
| 分析種 | リチウム、ナトリウム、アンモニウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム | フッ化物、塩化物、亜硝酸塩、臭化物、硝酸塩、硫酸塩、リン酸塩 | イノシトール、アラビトール、ソルビトール、グルコース、キシロース、フルクトース、ラクトース、スクロース |
平衡化
標準操作条件に加えて、起動時のパラメータも分離カラムの寿命にとって重要な役割を果たします。高い機械的・熱的ストレスは、カラムの寿命が短くなる頻繁な原因です。したがって、カラムへの溶離液流量は徐々に増加させ、熱衝撃や圧力衝撃を避けることが推奨されます。詳細については、対応するカラムリーフレットに記載された推奨平衡化条件をご参照ください。
操作限界
さまざまな選択性を実現し、幅広いICアプリケーションに対応するために必要な、異なる固定相設計に基づき、イオン交換体の化学的・物理的特性はさまざまに異なります。したがって、さまざまなカラムタイプに対して異なる操作限界が推奨されており、これは製品開発中に実施されるストレス試験に従って設定されています。アプリケーションの最適化を始める前に、最適な結果を得て長いカラム寿命を確保するため、対応する操作限界について、それぞれのカラムリーフレットをご参照ください。
イオン交換体の化学的性質は、操作温度、溶離液のpH、そして溶離液中に存在しうる有機修飾剤の限界を規定します。これらの値は、あるカラムタイプ(例:Metrosep C 6)のすべてのディメンションに対して有効です。これらの限界を超えると、カラム性能に大きな影響を与える可能性があり、最悪の場合、不可逆的な損傷につながることもあります。許容される流量および最大圧力は物理的特性、そしてもちろんカラムディメンションと相関しているため、これらの限界は各カラムディメンションごとに設定されています(例:Metrosep C 6 – 100/4.0対Metrosep C 6 – 250/2.0)。
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インフォメーションリーフレット
CoAに加え、それぞれのカラムリーフレットには、多くの必要かつ貴重な情報が記載されています。平衡化、再生、操作限界などについての説明が、メトロームが提供するすべてのICカラムタイプ向けに用意されたカラムリーフレットに記載されています。 以下より、複数の言語(独語、英語、仏語、西語)で情報が提供されているカラムリーフレットの例をダウンロードいただけます。
保管
運用条件やイオン交換体材料の特性に応じて、カラムタイプごとに異なる保管条件が推奨されます。これらの条件(保管温度および保管用溶離液)は、それぞれのカラムリーフレットに記載されており、厳密に遵守する必要があります。
新しいカラムを長期間保管することや、保管と運用を頻繁に切り替えることは、実際には24時間365日運転し続けるよりもカラムにとって大きなストレスとなりうる点にご注意ください!したがって、カラムを使用せずに長期間在庫として保管することは推奨されません。
カラムガード
分離カラムをサンプルによる汚染から保護し、その寿命を延ばすためには、ガードカラムを使用することが極めて重要です。ガードカラムは定期的に交換する必要があります―経験則としては、ICカラムの寿命中に約4本のガードカラムが使用される計算になります。
ガードカラムには2種類の設計があります:「オンカラム」型(例:Metrosep A Supp 17 Guard/4.0、左)と、キャピラリーでICカラムに接続される独立型ガード(例:Metrosep A Supp 17 S-Guard/4.0、右)です。マイクロボア分離カラムには、対応するマイクロボアカラムガードが推奨されます(例:Metrosep A Supp 10 Guard/2.0)。
デフォルトでは、カラムと同じ材質のガードカラムを使用すべきです。しかしながら、特殊な用途では、異なるガードカラムを用いて異なるイオン交換材料を組み合わせることが、分離の最適化に役立つ場合があります。その一例が、以下に示す硫酸塩と亜硫酸塩の場合です。
脈動吸収器
Eco ICプロダクトラインを除き、メトロームのすべてのイオンクロマトグラフィー装置には脈動吸収器が搭載されています。Eco ICについては、オプションとして脈動吸収器を追加することを強く推奨します。先述の通り、ICカラム、特にポリビニルアルコールまたはポリメタクリレート系固定相を基にしたものは、繰り返される機械的ストレスを嫌います。したがって、脈動吸収器は、システム内で生じうる圧力変動からカラムを保護し、カラムの寿命を高めるための有用なツールです。
メトロームのイオンクロマトグラフィー製品およびアクセサリーの全ラインアップについて、詳しくは以下をご覧ください。
化学薬品の品質
イオンクロマトグラフィーでは、カラムを通過するサンプルの体積と溶離液の体積の比は非常に小さく、通常は1:1000程度です。したがって、溶離液の調製に使用される化学試薬の品質は、カラムの寿命にとって極めて重要な役割を果たします。最適な性能を保証するため、可能な限り「IC用」と表示された薬品を使用してください。これらは、クロマトグラフィーカラムに損傷を与えうる不純物(例:金属)について特に試験されています。
溶離液成分の希釈には、イオンクロマトグラフィーでは通常、超純水が使用されます。良好なクロマトグラフィー結果を確保するには、超純水は18 MΩ・cmを超える比抵抗を持ち、粒子を含んでいない必要があります。超純水は0.45 µmのフィルターでろ過され、UV処理されます。実験室用の現代的な超純水製造装置は、このレベルの水質(タイプI)を保証します。
サンプル前処理
Metrohm Inline Sample Preparation(MISP)オプションにより、メトロームは、分離カラムだけでなく分析者にとっても有益な、数多くのサンプル前処理技術を提供しています。サンプル全体をカラムに注入する代わりに、これらの技術によりさまざまなサンプルマトリックス効果が低減され、カラムへの潜在的な損傷が回避されます。
最も代表的なMISP技術の一つがInline Ultrafiltration(ここに図示)であり、これはサンプル中の粒子がカラムに到達する前に、完全に自動化された方法で効率的に除去します。これにより、手作業を要することなく、汚れたサンプルによるカラムの目詰まりを回避することができます。
Metrohm Inline Sample Preparation(MISP)技術について詳しくは、以下をご覧ください!
iColumnの特長
メトロームが提供するすべてのMetrosepカラムには、インテリジェントチップが搭載されており、これにはさまざまなカラム操作条件(例:平衡化、標準操作条件、操作限界など)についての有用な情報が含まれているほか、カラムの寿命にわたって特定のパラメータ(例:使用開始日、注入回数、稼働時間数、圧力や流量の最大稼働値など)が記録されます。適切なモニタリングとサポートのため、ここに図示されているようにカラムチップをチップリーダーに接続することが有益です。
カラムの保存期間
特定のカラムでは何回の注入が可能でしょうか?残念ながら、この質問に正確な答えを出すことはできません。これは、カラムの寿命がサンプルマトリックスと溶出条件に大きく依存するためです。単一のICカラムでカバーできる非常に多様なアプリケーションやサンプルが存在するため、あらゆるアプリケーションやサンプルタイプについてカラムの寿命を予測することは不可能です。
カラム開発中には、適切な標準物質を用いて、ガードカラムを装着した標準条件下でいくつかの耐久試験が実施されます。この条件下で、カラムは少なくとも2000回の注入に耐えなければなりません。
