WO2006104286A1 - 気液二相流クロマトグラフ分析装置及び該装置を用いる分析方法 - Google Patents

Description

明 細 気液二相流クロマ卜グラフ分析装置及び該装置を用いる分析方法 技術分野

本発明は気液二相流クロマトグラフ分析装置及び該装置を用いる分析方法に関 し、 より詳細には、 キャリアガスを第 1移動相媒体とし、 水等の液状溶媒を第 2 移動相媒体とし、 分離カラム内に特定状態の気液二相流を形成させ、 これにより 分析試料が難揮発性成分を含有するものであつても極めて高い分解能で試料成分 の分離展開を可能にした新規原理に基づくクロマトグラフ分析装置、 及び、 該分 析装置を用い、 易揮発性から難揮発性迄の多種成分含有試料を容易に分離展開す ることのできるクロマトグラフィ一分析方法に関する。 背景技術 ^:

通常、 ガスクロマトグラフィー （GC) 分析が困難な難揮発性乃至非揮発性成 分の分離分析には高速液体クロマトグラフィー （HPLC) が使用され、 この高 速液体クロマトグラフィーは、 各種化学分野における微量成分分析、 環境分析、 医薬開発、 品質管理などに多用されている。

従来から、 HP LCに対しては分析時間短縮化、 分析試料微量化、 高分離能化 の要求が強く、 装置の小型化、 軽量化が図られ、 これを達成するため、 装置内の 液送ポンプ、 流路部品等の小型化、軽量化や小径分離カラム使用、 カラム効率の 向上等に関する提案が多数提出されている。

例えば、 特開 2003— 1 07064号公報には、 コンパク卜でローコスト、 且つ、 省エネルギータイプの高速液体クロマトグラフ用液送システムの発明が、 特開 2005— 25701 7号公報にはマイクロノ《ルブの発明が、 特開 2 00 4-037266号公報には分離カラムの効率化の 明がそれぞれ記載されてい る。

特に、 最近では、 高速化と小径分離カラム （ミクロカラム） 適用等によるに微 '量液送液体クロマトグラフ装置の開発が盛んであリ、 L C一 M S ZM Sといった 高度で高価なシステムが利用されている例も少なくない。

微量液送液体クロマトグラフ装置において、 更なる分析の高速化、 分離性能向 上等を達成するには分離カラムの理論段数を高め、試料注入部ゃ流路内でのデッ ドポリユームを最小にして注入後から検出部到達までの試料成分の拡散を最小に することが必要である。

このため、 接続流路ゃバルブ類のデッドボリュームを最小にする努力やミクロ カラムに対しても、 更なる小径化や充填材の微粒子化等による分離効率の向上が 図られている。 発明の開示

しかしながら、 従来のこれら装置におけるバルブ式注入装置は流路自体が/ L 単位の容積を有するものが多く、 液送量が 1 O jU LZ毎分以下という微量液送液 体クロマトダラフ分析では分離能低下の大きな要因となっていた。

これを改善するために、 現状では微小流路の一部を試料液で置換した形で分離 カラムにその形状を保って搬送する方法がとられているが、必ずしも充分でなく、 またこのために微小容積流路を備えた切替バルブと微小液送シリンジポンプ等を 要し、構造と取り扱い操作において繁雑となる等の問題点も依然として存在する。 また、 分離カラムの理論段数を上げるには充填材粒子の粒径を小さくするか力 ラム長さを長くすることが必要であるが、 何れも移動相媒体 （展開液） の流速を ある程度に保っためには極めて高い圧力を必要とし、 該高圧に耐える材質を選択 し、 耐圧構造体を実質上デッドボリューム無しに形成する必要がある。

しかし、 これを完全に達成するには手数と高いコストを要する。

本発明の第 1の目的は、 従来とは全く異なるクロマトグラフィー原理、 即ち、 キャリアガスと液状溶媒とを移動相媒体とし、 分離カラム内に気液相が断続的に 交番する特定状態の気液二相流を形成させた状態で該移動相をカラム出口方向に 移動させ、 溶媒液膜とカラム固定相との分配を利用して分離展開を行う、 という 全く新規なク口マトグラフィ一原理により、 H P L Cに比べて分離分解能が格段 に高く、且つ、 一般のガスクロマトグラフ装置とあまり変わらない低圧、 高速で 難揮発性成分含有試料の完全分析が可能な気液二相流クロマトグラフ分析装置を 提供するにある。

また本発明の第 2の目的は、 上記気液二相流クロマトグラフ分析装置と、 例え ば、 本発明者が既に開発、 提案した水膜ガスクロマトグラフ装置 （特開 2 0 0 4 一 3 3 3 2 7 0号公報参照） とを組み合わせで使用し、 或いは、 両クロマトダラ フィー分析が一台で可能な装置を使用して、 易揮発性から難乃至非揮発性までの 多種成分含有試料を特段の前処理操作等を要せず直接分析することのできる複合 クロマトグラフィー分析法を提供するにある。

本発明によれば、 キャリアガスを主たる移動相媒体とし、 水と混和しない高分 子物質を固定相とするクロマトグラフィー分析に用いる装置であって、 キャリア ガス導入部と試料注入部と内周壁に前記固定相の層が形成されたキヤビラリー分 離カラムとその収容部及び検出部とを少なくとも備え、 前記試料注入部は前記キ ャリアガス導入部とキヤビラリ一分離カラム入口との間に設けられ、 且つ、 前記 キャリアガスに第 2の移動相媒体として液状溶媒を添加混合することのできる溶 媒導入手段を有すると共に前記キヤリァガス導入量、 前記移動相溶媒添加量をそ れぞれ制御する機構と両移動相媒体が接する各流路部の温度制御機構を備えたも のにおいて、 前記分析装置は、 その作動状態の分離カラム内において、 部分的に 液膜厚がキヤビラリ一内径におよび、 カラム内長さ方向に間隔を隔てて複数の閉 塞液栓が形成され、 断続的に気液相が交番する状態で移動相媒体を力ラム出口方 向に移動させ、 移動相媒体の溶媒液膜と力ラム固定相との分配を利用して分離展 開を行うクロマトグラフィー分析が可能となるように、 装置各部と制御機構が連 携作動するよう構成されていることを特徴とする気液二相流クロマトグラフ装置 が提供される。

本発明の上記クロマトグラフ装置は、 キャリアガス （気相） と水等の液状溶媒 (液相） の 2種類の移動相媒体を使用し、 その作動状態での分離カラム内におい て、 部分的に溶媒相の液膜がキヤビラリ一内径におよびカラム内で長さ方向に複 数の間欠的閉塞液栓がほぼ規則的に形成され、 断続的に気相 ·液相が交番する状 態で移動相媒体をカラム出口方向に移動させ、 溶媒液相とカラム固定相との分配 を利用して分離展開を行う点が特徴である。 本明細書内で液膜と水膜、 液塊と水 '塊など水と液を用いた表現が出てくるが、 溶媒に水を用いた場合は水膜、 水塊、 その他の有機溶媒を用いた場合は液膜、 液塊などと読み替えるものとし、 技術的 に意味する内容に違いはないものとする。

上記装置では、 前記移動相媒体の移動が高速液体クロマトグラフ装置 （H P L C) のように高圧圧縮型ポンプによるのではなく、 カラム内通過による圧損が'極 めて少なく、 装置構造に高い耐圧を要しないため、 ガスクロマトグラフ装置 （G C) と同様にキャリアガスの静圧を使用する液送方式を採るので装置構造に高い 耐圧を要しない。

また、交番する気相で隔離された溶媒液膜が極微体積のプラグ（円盤状液塊）で あり、 かつ H P L Cの場合等で高い分離能を得るための大きな妨害要因となって いた分離場での拡散混合などが実質的に回避されるため、 極めて高い理論段数を 得ることができる。

本発明の上記装置において、 好適な気液二相流クロマトグラフィー分析を達成 する、 即ち試料成分を良好に分離展開させるには、 前記装置の作動状態に於ける キヤビラリ一分離カラム内の溶媒液膜が、 下記式 （1 )

推算液膜厚さの単位時間平均値 （ m)

=カラム内径 （mm) ( 1 - ) x 1 0 ³ … ( 1 )

但し、 は大気圧におけるキヤビラリ一力ラム内流体の

(気体体積流量 Z全流体体積流量） で表される比で工学的に

はボイト率と称される、

で算出される推算液膜厚さの単位時間（1単位： 1 0秒未満）平均値として、 0. 1 j« m以上の範囲にあることが好ましい。 推算水膜厚さの上限は検出器である質 量分析装置の真空度低下に対する許容性によるので定められない。 発明者が使用 した装置の真空ポンプの能力における上限は 1 . 0〃mである。

また前記第 2移動相媒体としての液状溶媒と前記キヤビラリー分離カラム固定 相物質との濡れ接触角が 7 7 ° 以上であることが好ましい。

更に、前記液状溶媒が水であり、前記キヤビラリ一分離力ラムの固定相物質が、 溶解性パラメーター値 1 8 . 3 M P a ^{1 /2}以下の高分子樹脂又は樹脂組成物であ るか、 或いは、 溶解性パラメータ一値 1 8 . 3 M P a ^{1 /2}以下の表面物性を与え 'るように表面処理されたものであることが好ましい。 前記水以外の液状溶媒としては、 固定相物質との濡れ接触角が 7 7 ° 以上の 水■有機溶媒混合溶液、有機溶媒或いは有機溶媒混合溶液であることが好ましい。 本発明の装置において、 前記キャリアガスに第 2の移動相媒体として溶媒を添 加混合する溶媒導入手段が、 溶媒を 0. 0 1 ~ 2 / LZ分の平均液流量で加熱蒸 気化して連続導入し、 その後凝縮液化させ、 これにより前記推算液膜厚さの単位 時間平均値が 0 · 1〜 1 · 0 mの範囲であるキヤビラリー分離カラム内の状態 を気液が断続的に交番する移動相媒体二相流とするよう構成されているか、 或い は、 溶媒を 0. 0 1 ~ 2 L/分の平均液流量として液送ポンプで連続的に導入 するものであって、これにより前記推算液膜厚さの単位時間平均値が 0 · 1〜 1 . 0 μ mの範囲であるキヤビラリ一分離力ラム内の状態を気液が断続的に交番する 移動相媒体二相流とするよう構成されているものであることが好ましい。

更に、 前記キヤビラリ一分離カラム内の状態をキヤリアガスと溶媒が断続的に 気液交番する移動相 2相流状態にする手段が、 キャリアガスを一方の端から、 溶 媒又はその蒸気を含むキヤリァガスを他方端からそれぞれ導入し、 その合流路の 出口側端が分離カラムに接続されている管流路であって、 導入された液状溶媒又 は溶媒蒸気凝縮液によって閉塞するに充分小さい内径の細管部を該管流路内に備 え、 且つ、 該細管部に導入された溶媒による閉塞膜又は塊部を形成する段階と、 次いで該閉塞部をキャリアガスで搬送して閉塞を解消する段階とを交互に繰り返 すようにするための溶媒流量調節機構とキヤリァガス流量調節機構とを有し、 こ れらの協調作動によリ交番間隔を調節し、 気液が断続的に交番する移動相媒体の 2相流状態を具現させるように構成された手段であることが好ましい。

また前記装置は、 キヤビラリ一分離カラムに音波振動を与える機構を更に備え ることが好ましい。

更に、 本発明の装置は、 検出器として質量分析計が使用されること、 及び Z又 は検出器として水素炎ィォン化検知器が使用されることが好ましい。

更にまた本発明の装置においては、 分離カラムの固定相として、 スチレン樹脂 およびポリィソブチレン樹脂、 4メチルペンテン樹脂等の分岐メチル基を有する ォレフィン樹 fl旨ないしはこれらの 3次元架橋物を使用することが好ましい。 ' 本発明によればまた、 キャリアガスを主たる移動相媒体とし、 水と混和しない 高分子物質を固定相とするクロマトグラフィー分析法であって、 キャリアガス導 入部、 試料注入部、 内周壁に前記固定相の層が形成されたキヤビラリ一分離カラ ム、 その収容部、 検出部及び前記キャリアガスに水又は水蒸気又は有機溶媒を添 加できる手段を少なくとも備えたクロマトグラフ分析装置を用い、

A) キャリアガス主体のガスを前記キヤビラリ一分離カラムに導入して気 '固ガ スクロマ卜グラフィ一態様で注入された分析試料中の揮発性成分を分離展開する 工程、

B) 前記キヤビラリ一力ラムの固定相表面に、 前記推算液膜厚さの単位時間平均 値が 0 . 0 1〜0. 0 9 /i mのほぼ定常厚さの水膜を形成させるように所定量の 水又は水蒸気又はその両者をキャリアガスに添加混入させ、 主として極性成分物 質を分離展開する工程、 及び、

C ) 前記 （A)、 ( B) 工程で分離展開が困難な成分物質を、 分離カラム内に前記 推算液膜厚さの単位時間平均値が 0 . 1 m以上の溶媒膜を形成させることので きる所定量の液状溶媒を第 2移動相媒体として第 1移動相媒体であるキヤリアガ スに添加混入して供給し、 該分離カラム内において、 前記溶媒膜が部分的にキヤ ピラリーカラム内径におよび、 カラム内長さ方向に間隔を隔てて複数の閉塞液栓 が形成され、 断続的に気液相が交番する状態で移動相媒体をカラム出口方向に移 動させて分離展開を行う工程、

を組み合わせてなることを特徴とする複合ク口マトグラフィ一分析法が提供され る。

本発明の複合クロマトグラフィ一分析法は、 気固ガスクロマ卜グラフィ一分析 と水膜ガスク口マトグラフィ一分析と上記本発明の装置を用いた気液二相流ク口 マトグラフィ一分析とを組み合わせた点が特徴である。

これにより、 常温でガス状の揮発性物質、 極性物質、 溶媒と共沸系を持たない 難揮発性物質及び実質的に揮発性のないオリゴマー等の高分子物質をも含有する 多種成分混合試料を特段の複雑な前処理を施すことなく一度に分析できる。 尚、 水膜ガスクロマトグラフィー分析に関しては、 特開 2 0 0 4— 3 3 3 2 7 0号公報に詳細に説明されているが、 キヤピラリーカラムの固定相表面に、極薄 いほぼ定常厚さの水膜を形成させて分析するもので、 分離カラム内での水の凝縮 又は蒸発によって試料成分の移動展開を助長し、 極性成分物質の分離展開に特に 有効である。

この方法に用いる分析装置は気固ガスクロマトグラフィ一分析と水膜ガスク口 マ卜グラフィー分析が一度に実施可能な水膜ガスクロマトグラフ装置と気液二相 流ク口マトグラフィ一分析が可能な前記本発明の装置の 2台を使用するのが一般 的であるが、 気固、 水膜、 気液二相流の 3装置を別個に使用しても、 また上記 3 態様のク口マトグラフィ一分析が一台に組込まれたものを用いてもよい。

本発明に係る気液二相流クロマトグラフ分析装置は、 上述した通り、従来とは 全く異なる新規なクロマトグラフィー原理、 即ち、 キャリアガスと液状溶媒とを 移動相媒体とし、 分離カラム内に気液相が断続的に交番する特定状態の気液二相 流を形成させた状態で該移動相をキャリアガス静圧でカラム出口方向に移動させ、 溶媒液膜とカラム固定相との分配を利用して分離展開を行うという新規な原理に よるため、 分離カラム内の圧損はガスクロマトグラフ装置の圧損に近く、 既存の 高速液体クロマトグラフィー （H P L C) に比べて圧損を極めて低くできる。 従って、 分離カラム長を格段に長くできるのみならず、 気液相を隔離する閉塞 溶媒液膜が極微体積であることから、 H P L Cで高分離能を得るための大きな妨 害要因となっていた分離場における拡散混合が実質的に回避され、 単位カラム長 当たりの理論段数も著しく向上させることができる。

このため各試料成分に対する分離能が極めて高く、 しかも、 前記移動相媒体の 移動が H P L Cのように高圧圧縮型ポンプではなくガスクロマトグラフ装置 （G C) と同様のガス静圧によるためカラム内通過による圧損が極めて少なく、 装置 構造に高い耐圧を要せず、 一般のガスクロマ卜グラフ装置とあまり変わらない低 圧、 高速で難揮発性成分含有試料の完全分析が可能である。

また本発明に係る複合クロマトグラフィー分析法では、 気固ガスクロマトグラ フィ一分析と水膜ガスク口マトグラフィ一分析と上記本発明の装置を用いた気液 二相流クロマ卜グラフィー分析とを組み合わせたことにより、 常温でガス状の揮 発性物質、 極性物質、 溶媒と共沸系を持たない難揮発性物質及び実質的に揮発性 のないオリゴマー等の高分子物質をも含有する多種成分混合試料を特段の複雑な 前処理を施すことなく一度に分析できる。 ' 図面の簡単な説明

図 1は、 本発明の気液二相流クロマトグラフ分析装置の一例を示す略図 （a ) とその試料注入口部の部分拡大図 （b ) を示す。

図 2は、 試料のキヤビラリ一分離力ラムへのオン力ラム注入の態様を説明する ための略図であり、 （a ) はインジェクター態様、 （b ) はキヤビラリ一素管態様 をそれぞれ示す。

図 3は、 本発明の分析装置の検出部の一例としての E I— M S装置のイオン源 構造を示す図である。

図 4は、 本発明の装置で分離力ラムに形成される気液相交番二相流状態を模式 的に示した図である。

図 5は、 本発明の装置で気液相交番二相流状態を生成させるのに用いる手段を 示す図であり、 ( a ) は液直接導入態様、 （b ) は蒸気凝縮態様をそれぞれ示す。 図 6は、 機械学会で規定されている管内気液二相流の流動パターン分類図であ る。

図 7は、 管内気液二相流の流動名称、 空気分率、 ボイド率 （閉塞率） の関係を 示す図である。

図 8は、 0. 2 5 mm径分離カラム内に形成される気液相交番二相流状態の量 的関係を半定量的に示した模式図である。

図 9は、各種溶媒の溶解性パラメーターと表面張力との関係を示す線図である。 図 1 0は、 樹脂の溶解性パラメーター （表面張力） と接触角との関係を示す線 図であり、 （A) は溶解性パラメーターと表面張力との関係線図、 （B) は溶解性 パラメーター （表面張力） と接触角との関係線図をそれぞれ示す。

図 1 1は、溶解性パラメーター値の低い樹脂と水接触角の関係を示す図である。 図 1 2は、 実施例 1における分析実験の結果を示す図である。

図 1 3は、 実施例 2における分析実験の結果を示す図である。

図 1 4は、 実施例 3における分析実験の結果を示す図である。

図 1 5は、 実施例 4における分析実験の結果を示す図である。

' 図 1 6は、 実施例 5における分析実験の結果を示す図である。 図 1 7は、 実施例 6における分析実験の結果を示す図である。

図 1 8は、 実施例 7における分析実験の結果を示す図である。

図 1 9は、 実施例 8における分析実験の結果を示す図である。

図 2 0は、 実施例 9における分析実験の結果を示す図である。

図 2 1は、 実施例 1 0における分析実験の結果を示す図である。

図 2 2は、 キヤビラリ一カラム内を F T— I R顕微鏡二次元 I Rイメージング 測定した結果を示す図である。

図 2 3は、 実施例 1 2で試作した T字管を示す図である。

図 2 4は、 図 2 3の T字管による気液二相断続流の生成状態を示す図である。 図 2 5は、 実施例 1 0における M Sスぺクトルを標準スぺクトルと対比した図 である。 発明を実施するための最良の形態

先ず、 本発明に係る気液二相流クロマトグラフ装置の基本構成を説明する。 図 1 ( a ) は、本発明の気液二相流クロマトグラフ分析装置の一実施例を示す 略図であり、 1はキヤビラリ一分離カラム、 2は該カラムの温度調節機構付き収 容部 （オーブン B)、 3は試料注入口、 4は H e、 A r、窒素等のキャリアガスの 充填タンク （図示せず)、 5は調圧器、 6は温度加熱パブリング水槽、 7は水蒸気 状態を保っための温度調節器、 8はキヤビラリ一分離カラム 1の入リロ部の温度 調節機構付き収容部（オーブン A)、 9は検出器部としての質量分析計、 1 0は高 沸点ないし不揮発成分をイオン源に導入する加熱部ないしネブライザ一等の機構 である。

尚、 図 1 ( b ) は、 図 1 ( a ) の装置において試料注入口付近の構造を部分的 に拡大して示した図である。

図 1の装置では、 全てを図示していないが、 水等の溶媒導入部やキャリアガス 導入部、 試料注入口部や分離カラム部等の移動相媒体が接する流路部分にはそれ ぞれの部分の温度を調節できる温度調節手段が設けられ、 またキヤリァガスや溶 媒蒸気の供給流量を調節する流量或いは圧調節弁、 更にそれらを連携制御する制 御機構 （図示せず） を備える。 ' 尚、 図 1に示した装置では、 第 2の移動相媒体 （液状溶媒） として水が用いら れ、 該第 2移動相媒体 （水） はバブリング槽から水蒸気の状態でキャリアガスの 一部に混合されて送られ、 更に、 残部のキャリアガスと混合して試料注入口部近 傍から系内に導入される （図 1 ( b ) 参照)。

勿論、 本発明では、 上記図 1のような装置態様に限定されるものではなく、 前 記液状溶媒が液送ポンプ等によリ系内に直接導入される態様の装置であってよい。 尚、 液送ポンプとしては、 プランジャー型、 シリンジ型、 ガス圧型等の各種マ イク口フィーダ一を用いることが出来、 特に、 キヤビラリ一 H P L C用のマイク 口シリンジタイプのものを好適に用いることができる。

また本発明では、 対象とする分析試料が高沸点の難揮発性成分を含むものが多 いことから、 装置の試料注入口部は、 例えば、 図 2 ( a ) のようにマイクロシリ ンジで注入ロセプタムから系内に揷入したり、 また図 2 ( b ) に示したようにキ ャピラリー素管に試料を充填したものを用いて系内に揷入する構造のものが好ま しい。 試料注入のためのナノ流路ィンジェクタ一の類が市場で商品化されればよ リ好ましい注入部となろう。

本発明の装置で用いるキヤビラリ一分離カラムは、 固定相である水と混和しな い高分子物質をカラム内壁に均質層状に付着させたものである。

カラム径は通常 0. 1 0〜0. 6 mm程度、 特に好ましくは 0. 1〜0. 2 5 m mである。

またカラム長さは特に限定されるものではなく 1 O O m以上に及ぶものも用い ることができるが、 通常 1〜6 O m程度のものが好適に用いられる。 カラム材質 についても特に限定されず通常の G Cや H P L Cで用いる材質、例えば、ガラス、 石英、 ステンレス等のチューブを用いて良い。

尚、 固定相物質に関しては、 本発明では、 用いる第 2移動相媒体 （液状溶媒） の物性との関係からも選択され、 後に詳細に述べる。

更に、 検出部で用いる検出器としては、 主として磁場型、 四重極型等の質量分 析計 （M S ) や水素炎イオン化型 （F I D) 検知器等が用いられる。

H P L Cに用いる M S検出器はエレクトロンスプレーイオン化 （ESI )、 高速ィ 'オン衝撃イオン化 （FAB)、 大気圧イオン化 （API )、'化学イオン化 （GI ) 等が使用 される。

これらのイオン化法はソフ卜イオン化法で物質の分子量を特定し易く、 揮発性 である必要がない特徴はあるが、 反面化学構造解析の参考になるフラグメントイ オンの生成がほとんど無いため化学情報不足は否めない。

このため、 より高級な装置タンデム M S ZM S形質量分析計を使用する例も多 い。

これに対し、 G C— M Sでは E I法 M S分析装置が使用され、 E Iイオン化法 の高感度とフラグメント情報の豊かさによリスぺクトル情報が多い。

1_〇で曰 Iイオン化法が利用できない最大の理由は溶媒の存在であり、 溶媒ィ ォンが成分分子ィォン化を妨害し C Iイオン化が勝った M Sスぺクトルを与える ためである。

水膜クロマトグラフィ一や気液二相流クロマ卜グラフィ一においては水、 溶媒 の存在量が低いため、 E Iイオン化 M Sが使用できる利点がある。

図 3に通常の E Iイオン源に流出液の乾燥スペースと粒子にイオン源ブロック と同電位の電圧を与えて粒子の壁付着欠損を低減させ、 マクロなミストをイオン 源外に廃棄するように設定したものを示した。

気液二相流クロマトグラフィ一は媒体的には G C分析法に近く、 メークアップ ガスの添加で基本的に水素炎イオン化検出器 （F I D) を利用できることは明白 である。

本発明の装置では、その稼働時において、分離カラム内に特定気液二相流状態、 即ち、 図 3に模式的に示したように、 カラムの長さ方向に対してほぼ定期間隔で 水等の溶媒の隔膜が形成され、 断続的気■液相交番状態でカラム出口方向に移動 するカラム内二相流動状態を形成させる。

本発明の装置において、 分離力ラム内に上記特定気液二相流状態を安定的に具 現させるには、 キャリアガス流と溶媒流の合流位置の流路構造、 用いる溶媒の分 子凝集エネルギー（表面張力）、蒸気圧等の物性、分離カラム径、カラム内固定相 物質の溶解性パラメ一ター等の表面物性、 キャリアガスと溶媒の流量及び量比、 それらに連動する移動相のカラム内移動速度、 摩擦力等の各要因を勘案し、 互い 'に関連するそれら各要因を適度に調整して達成する。 上記の内、 キャリアガス流と溶媒流の合流位置の流路構造は装置設計、 製作時 に定められ、 キャリアガス、 溶媒の流量及び量比、 カラム内移動速度は装置稼働 時に調整され、 それ以外の要因は装置稼働前に予め選択設定される。

本発明の装置において、 上記規則的に断続する水塊列を形成するための手段、 即ち、 両移動相合流流路構造としては、 微量液送ポンプから溶媒を供給する場合 には、極細の T字流路に導入し、 極細管を流れるキャリアガス流を閉塞させる液 送量とキヤリアガス流量の比率を変えて任意の断続する規則的な水塊列を形成す る等の方法を用いる （図 5参照)。

そして、 かかる細管の出口に分析用キヤビラリ一力ラムを接続する。

特に、 気液二相流クロマトグラフィー移動相溶媒として混合溶媒を使用する場 合には、 蒸発を必要としない図 5 ( a ) の方式が好ましい。

また、例えば、図 1の装置のように、微量液送ポンプによらない溶媒導入では、 溶媒蒸気 （例えば、 図 1ではバブリング槽からの水蒸気） をキャリアガスの一部 と共に導入し、 キヤビラリ一カラム入リロ部分で凝縮させ、 凝縮水塊を効率良く カラム入口付近に集合させ閉塞状態を形成させる。

閉塞水塊はキヤリァガスによリキヤビラリーカラムに流入し規則的に断続する 水塊列となる。

水塊 （プラグ） の大きさは、 キャリアガスと溶媒双方の導入速度と閉塞させる 部分の管径によって調整できる。

このような溶媒 （水） 蒸気凝縮による方式に好適に用いることのできる断続的 水塊生成器の構造を図 5 ( b ) に例示した。

規則的に断続する水塊列の発生方法は、 閉塞状態の形成とキヤリアガスによる 閉塞水塊の移動の繰り返し動作を基本としている。

器具の内壁表面は表面張力の低いポリテトラフルォロエチレン樹脂とするか、 パ一フルォロアルキル基を有するフッ素系表面処理剤でコーティングされている ことが好ましい。

シリコン系撥水処理剤は撥水表面処理や活性基ブロック剤として使用されるが、 規則的に断続する水塊列発生方法の器具の内壁処理にも効果が得られる。

，次に、装置構造、 溶媒、 分離カラム等が適正に設定された場合のキャリアガス と溶媒の各供給流量及び量比について述べる。

即ち、 本発明の装置においては前記キャリアガスと溶媒の流量比を、 キヤビラ リー分離カラム内の溶媒相液膜の平均厚さが、 推算液膜厚さの単位時間 （単位：

1 0秒未満） 平均値 （； m) を指標値として 0 . 0 / mの範囲にあるよ うに設定する。

ここで、 推算液膜厚さの単位時間平均値 （ju m) とは、 下記式 （1 )

推算液膜厚さの単位時間平均値 （ m)

=カラム内径 （m m) X ( 1 - a ) 1 0 ³ … （1 )

(但し、 は大気圧におけるキヤビラリ一力ラム内流体の （気体体積流量 Z全 流体体積流量） で表される比) で算出される値 （ボイド率） である。

推算液膜厚さはカラム内に凝縮した状態でのカラム直径線上での水層の合計厚 み平均値であり、 カラム内径と液体気体媒体の供給量比で決まるゆえ、 該推算厚 さはカラム内の状態を表現する的確な指標値である。

工学で使用されるボイド率は空隙率とも言える数値であるが、 管内径で値が変 化するため巟体状態の認識には向かない。

そこで、相状態をよリー般的に表現する数値として推算水膜厚さの単位時間（ 1 単位： 1 0秒未満） の平均値を定義した。

カラム内に供給される液体体積流量 Z気体体積流量の比は、 水 （水蒸気） 供給 量とキャリアガス供給流量で決まり、 本発明の気液二相流クロマトグラフィ一分 離において最も重要な制御指標値である。

尚、本発明の装置において分離カラム内の上記特定流動現象の発現は、 実用的 範囲において 1 0秒以下の単位時間の行為の連続で有り、 従って、 例えば、 閉塞 率は同じでも 1個 O m長さのような異常な断続水塊は本発明の範疇からは除 外される。

このことは、 カラム出口で検知される閉塞液栓で挟まれたガス部の長さに対応 する、 質量分析計で検知される 2つの液パルスの間隔の継続時間が 1 0秒以下を 実用的範囲とすることを意味する。

固定相表面に形成される溶媒 （水） 膜の単位時間 （単位： 1 0秒以下） 平均厚 さは該液膜の流動状態を意図的に変えうるパラメ一'ターであり、 このパラメータ 一を指標として溶媒 （水） 供給量とキャリアガス流量の量関係を変更調節するこ とにより、 例えば、 図 6、 図 7に示す、 どのような流動状態の溶媒 （水） 膜も形 成することができる。

因みに、 図 6において （a)、 （b)、 （c)、 （d) で夫々示されるキヤビラリ一 内の水膜流動状態は、 日本機械学会で規定する 「気液二相流の流動現象」 におけ る環状流（a)、団塊波流（b)、フロス流（c)、スラグ流（d)に夫々相当する。 上記のように算出される推算水 （液） 膜厚さの単位時間平均値が 0. 1〜1. OjUmの範囲であると、 他の要因が特に適正範囲から外れていない限り、 分離力 ラム内の移動相流動状態は本発明のク口マトグラフィ一分析で企図するような特 定気液二相流動状態、 即ち、 カラムの長さ方向に対してほぼ定期間隔で水の隔膜 が形成され、 断続的気 ·液相交番状態でカラム出口方向に移動するカラム内二相 流動状態を常に具現させることができる。

より具体的には、 0. 25 mm径カラムでは形成水層 （推算水膜厚さ） は 25 0 nmとなるので、 1 mm長当たりに存在するカラム内壁上の全凝縮水体積は

3. 1 4 X 0. 25 1 X0. 00025 (mm)

= 1 96X 1 0—⁶ {U L) = 1 96 p L (0. 2 nU 0. 2 g) mm

0.2nLの水量を図 1の模式図のような平板的栓状凝縮水塊の個々に割り当て、 これを 1 mm間隔で並べた場合を図 8として示した。

0. 25議内径力ラムでは水塊と水塊の間隙に挟まるキヤリァガスの空隙体積 は、 大気圧において 49 n Lの気泡となる。

カラム断面積は 0. 05mm²ゆえ、 プラグ水膜 （水栓膜） の厚さは 400X 10— ⁶mm (=0. 4〃m、 4 O 0 n m) である。

本発明の装置で供給する水等の液状溶媒は、 キャリアガス供給量、 その他の要 件を勘案して決定され、 必ずしも下記範囲に限定されるものではないが、 本発明 装置のカラムサイズ、 液送ポンプの送量精度や蒸気による供給の場合のバブリン グ量精度等を考慮すると、 平均液送流量として 0. 01〜2 LZ分、 より好ま しくは、 0. 1〜1. 0 L/分程度が上記のカラム内流動状態を容易に形成で きる観点から好ましい。

' 次に、 本発明の装置に用いられる第二移動相媒体としては、 上記特定気液二相 流状態を再現性良く容易に具現できることが必要であることから、 分析試料展開 媒体としてだけでなく、 分離カラム内固定相物質の表面物性と該溶媒の分子凝集 エネルギー（表面張力）、蒸気圧、粘性等の諸物性との関連を考慮した限られた液 体物性を有するものだけが選択される。

本発明の上記特定気液二相流状態において、 閉塞液膜 （水栓塊） の生成及び安 定性に最も関係する要因は溶媒の表面張力と蒸気圧及び固定相物質表面部の溶解 性パラメ一ターである。

表面張力は溶媒膜とキヤビラリ一力ラム固定相表面との接触角を維持し、 接触 角が 9 0 ° より大きく低下すると固定相表面を濡らす方向に張力が働き膜を破 壊する。

蒸気圧に関しては図 4又は図 8の空間と膜の間で蒸発平衡となっておリ、 環境 温度に相当する溶媒蒸気圧が存在する。

図で空間を飽和蒸気圧で満たす分だけ液膜は薄くなリ破壊することもある。 図 8は、比較的液膜密度が高い気液二相流状態を意図しているが、 4 9 n L空間 には溶媒が水の場合、 3 0°Cで蒸気圧 3 0 0 0 Paの水、即ち、 1 . 1 6 p Lの水 が存在する。 3 0 °Cでのこの水量は 0. 2 n Lの水膜体積量からは無視できる。 しかし温度を上げたリ、 液膜間隔が長い場合は蒸発量が増加し無視できなくな リ、 膜が破壊する可能性があるので、 ガス媒体への液媒体蒸気混合により液膜自 体からの蒸発量を抑制することも必要になる。

本発明の気液二相流クロマトグラフィーは、 前記溶媒が、 例えば水の場合、 水 接触角が 7 7 ° 以上ある固定相樹脂を使用することが好ましい。

ここに主として係わる物理的因子として、表面張力 （？ 、溶解性パラメーター (凝集エネルギー密度平方根； 5値)、接触角 （濡れ 'はじき； などが挙げら れる。

本発明の装置でキヤビラリ一分離カラムの内周壁に形成される固定相物質とし ては、 前記第 2移動相としての液状溶媒が水である場合、 水との接触角が 7 7 ° 以上となる樹脂又は樹脂組成物であることが好ましく、 このような樹脂又は樹脂 組成物として、 その溶解度パラメーター値 （5 値又は3値） が 1 8. 3以下 M a ^{1 /2}以下のものを挙げることができる。 ' また前記固定相高分子物質は表面処理され、 該処理された表面の溶解度パラメ

—ター値が 1 8. 3以下 MP a ^1/2以下のものであっても良い。

このような樹脂として、 具体的には、例えば、 ポリスチレン、 ポリエチレン、 ポリプロピレン、 ポリイソプチレン、 フッ化ビニリデン、 ジメチルシリコン、 P 丁 FE (ポリテトラフルォロエチレン）、ペンタデカフルォロアクリレート等の樹 脂又はこれら樹脂からなる組成物を挙げることができる。

更に、 好適な樹脂又は樹脂組成物として、 固定相樹脂として最も一般的なジメ チルポリシロキサン樹脂、 パ一フルォロアルキル基、 特にポリスチレンと分岐メ チル基を高単位で含有することに由来する撥水性を持つポリィソプチレンは、 そ のラジカル架橋した樹脂塗膜を固定相とすることで広範な利用が期待される。 フ ルォ口アルキル基誘導形シ口キサンモノマー単位を含むメチルポリシ口キサン共 重合体樹脂、 フエ二ル基を含有するフ Xニル基含有メチルポリシロキサン共重合 体樹脂、 又は、 複数のフエニル'メチルポリシロキサン共重合体樹脂の混合或い は一種以上のフエニル 'メチルポリシロキサン共重合体樹脂とメチルポリシロキ サン共重合体樹脂の混合によリ前記フヱニル基モル％相当濃度とした樹脂組成物、 シァノアルキル基を含むシロキサンモノマー単位を 50モル％以下の濃度で含有 するシァノアルキル'フエ二ル'メチルポリシロキサン共重合体樹脂、 又は複数 の異種シァノアルキル■フエニル■メチルポリシロキサン共重合体樹脂の混合或 いは一種以上のシァノアルキル 'フエニル 'メチルポリシロキサン共重合体樹脂 とメチルポリシロキサン共重合体樹脂の混合によリ前記シァノアルキル基モル％ 相当濃度とした樹脂組成物等を例示できる。

δの例：ポリ [ジメチルシロキサン] : (5= 1 5. 2

アルキルベンゼン ： <5= 1 8

プロピオ二トリル ： <5 = 22

パーフルォロアルキル ： δ= 1 4. 5

2物質混合に限った 5値推測法には、 Smallの式 *による近似計算法が あるが、 それぞれの Sとモル分率 (X) の積どうしを加算した直線内揷 形の近似式である。

， 6m=X ^ δ ^ +X 2 δ 2 ■ * (P. A. Small, J. of Appl. Chem.， 3, 71 (1953) )

また前記第 2移動相としての液状溶媒が水■有機溶液混合溶液、 有機溶媒、 有 機溶媒混合物である場合、 当該それぞれの溶媒との接触角が 77° 以上となる固 定相物質 （樹脂、 又は樹脂組成物） であることが好ましく、 このような固定相物 質は、 個々の溶媒毎にその溶解性パラメーター値 （又は表面張力値 rD と固定 相物質の表面溶解性パラメーター値（又は表面張力値 r s )と力、ら、例えば、式、 γ L r S = 40² [ (c o s ²+ 1 ]

等の溶媒と固定相物質の各表面張力と接触角の関係式を用いて接触角 Θを算出し、 この数値が 77° 以上となる組み合わせから選択される。

たとえば、 ポリテトラフルォロエチレンを固定相物質とする場合には水以外の 溶媒に、 DMSO (ジメチルスルフォォキシド）、有機溶媒水溶液等を使用するこ とができる。

更に、 パーフルォロアルキル基表面修飾処理した固定相物質では DMSO、 D MF (ジメチルフオルムアミド）、ァセトニトリル及びこれらの水溶液が可能であ る。

以下に、 上記溶媒と固定相物質の組合わせを選択する場合の推算例を示す。 図 9は汎用溶媒の表面張力 （r) と溶解性パラメ一ター （S) の関係を示した 図であり、 図 10 (A)、 (B) は樹脂の表面物性と接触角との相関を記載した図 であるが、 これらグラフから水以外の有機溶媒は接触角維持に選択幅が小さいこ とを認識させる。

また汎用樹脂で最も表面張力と S値が低いポリ亍トラフルォロエチレン （PT FE) が固定相にコーティングにできれば、 極性溶媒との組み合わせで気液二相 流クロマトダラフィ一条件を形成することが可能であることが判る。

フッ素アル力ン構造はシリコン樹脂の修飾物や表面処理剤で導入したゲイ素系 物質でも形成されており、 固定相として有用と考えられる。

樹脂の表面張力 r sと溶媒の表面張力 rLは Y o u n gの式 (1805)

r s = L■ cos© + SL

Wa ;接着仕事 （変化） での AGであり

·' D u p u r e' の式； ySL= γ s + L— Wa ' など、 表面張力に関する成書に記載されている。

ここから導かれた接触角と表面張力との関係式 （5) が知られている。

s = rL[ (cos 2+1レ 4Φ²

L=40²r s/[ (cos0) ²+ 1 ] ■■■ (5)

s (PTFE) = 1 8. 5、 cos 0 = 0. OOO (90度）、

Φ ;溶媒の物質係数（0. 6〜1. 1、表 7に汎用溶媒群の Φを示した） (5) 式を r LZT s比に整理すれば定数になるので接触角は固体側の物性で 決まる。

γ L/ s = 40²/[ (cos θ ) ²+ 1 ] = 4Φ²

Φ = 1〜 1. 1の極性溶媒であれば rし > 74で水のみが接触角 90 ° を実現 Φ = 0. 9 (ほとんどの通常使用極性溶媒） では しは59. 9

Φ = 0. 8では は 47. 4 DMS0が範囲に含まれる。

Φ=0. 7では 36. 3 DMF, ANなどが 90° を達成するが Φ不一致。

Φ=0. 6なら 26. 6 DMF, ANなどが 90° を達成するが "。

P T F Eであれば有機溶媒の水溶液系が使え、 さらに r sの小さなパーフルォ 口アルキル基表面修飾処理では y s = 1 0なので r 1 =4 x 1 x 1 0/1 =40 となるので、ジメチルスルホキシド (D S0)、ジメチルフオルムアミド (DMF)、 ァセトニトリル （AN) およびこれらの水混合液体が可能となる。

気液二相流クロマトグラフのための水接触角は、 接触角推定値をキヤビラリ一 カラム固定相に対する接触角から求めて、 これを下限と考えるのが適切である。 接触角推定値の計算は以下のように行える。

ジメチルシリコン樹脂の r sは 23. 5ゆえ、 r— S関係図 10 (A)からみる と、 S= 1 6の 25%フエニル'ジメチルシリコンでは rs = 27と推定。

Ύ Iは 72であるから （5) 式における各項の値は

Ύ \ s = 2. 7、 (r L/r S) ^1/2項 1. 64 、 Φ= 1として c o s θ= (2Φ/ (r L/r S) ^1/2) 一 1 =0. 22

arc c o s (0. 22) =77°

となり、 水膜クロマトグラフィーでは濡れ接触角が 77° 付近にあったことにな この 25%フエニル■ジメチルシリコン樹脂固定相は良好な気液二相流クロマ トグラフィ一が可能な濡れ Z撥水性の上限であり、水導入量の調整は敏感である。 臨界表面張力 (丫 は複数の rの異なる溶媒で観測した接触角を外挿した 9 0° での表面張力極限推算値であり、 気液二相流での接触角が 90° 近傍を対象 に論じられることから、 c = sとしても問題はない。

気液二相流ク口マトグラフィ一で使用できる好ましい溶解性パラメ一ター（ δ ) 物性範囲において、上限に近い S= 1 5. 6の RTX— 20の場合は、図 10 (A) の樹脂 S— c相関式から、

log(5= 1. 19、

I Og c = 1. 1 9 x 2. 609— 1. 786=1. 31 9

.". c = s = 20. 8、 T l =72ゆえ

r I / s = 3. 46、 (r L/r s) ^1/2項は 1. 86 、 Φ = 1として c o s θ= (2ΦΖ (r L/r s) ^1/2) -1 =0. 0753

Arc c o s (0. 0753) =86°

と計算され、 理想的な値 90° にかなリ近い。

気液二相流クロマトグラフィーでは、 この下限接触角と r sを小さくする組み 合わせで溶媒 rLの選択範囲の広がりを期待する。

物性例： r s (P T F E) = 1 8. 5、 GOS0 = O. 22、 Φ= 1として、 r s = rL[ (c o s θ) 2+1レ 4Φ²

L=40²r s/[ (c o s Θ) ²+ 1 ]

=4 x 1²x 1 8. 5/1. 488

= 49. 7 (mN/m)

図 9の溶媒の r— S関係図に見るように単一溶媒ではグリセリンとホルムァミ ドが 50 m N 領域にあるが、 多くの極性溶媒は少し下の 35— 40mN/m 域に存在する。

この領域であれば 1 0%エタノールゃジエチレングリコール水溶液や DM F水 溶液のように、 極性溶媒の水溶液で作ることが可能な表面張力である。

水膜ク口マトグラフィ一では蒸留現象が分離に関わるので混合溶媒は不適当だ が、 気液二相流クロマトグラフィーは混合溶媒を適用でき、 キヤビラリ一カラム への溶媒導入を蒸発 Z凝縮に頼らない方法で行えば混合溶媒系の液体媒体が利用 できる。

表 1に溶媒の物性の例を示し、 表 2に水相界面での G i fa lco&Goodの Φ係数 ( Φ： 接触する 2物質の表面張力と実際の濡れの自由ェネルギー変化とのズレを 補正する係数） を示すが、 多くの化合物は 0. 6付近である。

表 1

HBP:水素結合/ ラメータ一 (水素結合エネルギー密度平方根)

表 2

物質 Φ補正係数

アルコール類 1 . 0 4 - 1 . 1 5

カルボン酸類 0. 9 2— 1 . 1 1

カルボニル類 0. 9 0— 1 . 0 8

エステル 0. 8 4一 1 . 0 8

エーテル 1 . 0 1一 1 . 1 2

ァミン 0. 9 8— 1 . 1 7

二卜リル 0. 9 7— 1 . 0 0

ニトロ化物 0. 7 9一 0. 9 7

脂肪族 HC 0. 5 3 - 0. 6 0

芳香族 HG 0. 6 1— 0. 7 3

気液二相流クロマトグラフィ一は L C同様に室温近傍で行うので、 固定相樹脂 は高温使用を前提としたシリコン樹脂系の物質に限らず溶媒との濡れ性が適当で あれば使用することができる。

図 1 1は汎用樹脂の中で溶解性パラメーター （<5 ) が小さいものを水接触角と 対比させて示したものである。

気液二相流クロマ卜グラフィ一では溶媒接触角が 9 0 ° 近傍であるのが好ま しく、 大きすぎるのも固定相との接触面積の縮小の弊害があるので好ましくはな い。

しかし大きく 1 0 0 ° を超える物質はパ一フルォロアルキル系の限られた物 質であること、プラグ水塊が形成できないわけではないので使用可能樹脂である。 図ではポリスチレンが濡れ範囲の上限になっているが、 架橋形のポリスチレン も物性は変わらないと考えられこれを含む。

他方撥水範囲に偏るのが P T F Eである。

ォレフィン樹脂である P P (ポリプロピレン）、 P E (ポリエチレン）、 P I B (ポリイソプチレン、 プチルゴ厶） 等は非結晶性タイプの樹脂であればキヤビラ リ一力ラム内に塗布し架橋剤で 3次元化して使用可能と予測できる。

次に本発明の装置では、 キヤビラリ一分離カラムに音波振動を与える機構を更 に備えることが、特に好ましい。

キャリアガス圧による下流への水塊の移動は、 カラム全長に水が満たされた通 常の管内水流動と比べれば大幅に小さいが管壁との摩擦による流動抵抗は受ける。 さらに時間が長くなれば水塊の破損も起こりうる。

摩擦抵抗の低減に超音波モータ一利用の研究例を見ることができ、 キヤビラリ 一力ラム内の水塊がキャリアガスの流動と共に移動するのに好ましい状況をもた らす。

閉塞部水塊の下流への移動を助成するには超音波振動加振が好適であると考え られる。

また超音波の効果は、 水塊中の成分物質の混合にも寄与すると考えられる。 分析成分分子の液相媒体内の拡散速度は液中ゆえ大変遅く、 水中拡散では 1 0

〜3 mmZ s e。程度 （ 1 μ mZ s e c ) と知られている。

この拡散速度は水塊の厚み方向 （カラム直径方向） への成分拡散の遅れとして クロマトグラフィーに影響を与え、 各成分は次の分離サイ卜への移動までに拡散 混合が終わっている必要という理想的分離状態を妨げ、 分離のシャープさを損な う要因となる。

媒体液中の拡散速度と媒体の流れ方向の移動速度（2 0— 3 Omm sec)がアン パランスで、 前者が遅すぎるのは分離時間と分解能に根本的な性能低下をもたら す原因となる。

1水塊内を均質濃度にする攪拌効果が超音波加振によって補われていると考え られる。

振動破壊を超音波に求めてはいないので、 周波数は一般的な範囲のものが利用 できる （2 0 K H z〜数百 k H z )。

次に上記気液二相流クロマトグラフ分析装置を用いる本発明の分析方法につい て述べる。

本発明の分析方法は、 気 ·固ガスクロマトグラフィー態様で試料中の揮発性成 '分を分離展開する工程（A)、分離カラム固定相表面に、ほぼ定常厚さの薄い水膜 を形成させる水膜ク口マトグラフィ一で極性成分物質の分離展開を行う工程（ B ) 及び前記 （A)、 ( B) 工程で分離展開が困難な成分物質を、 上記気液二相流クロ マトグラフィ一で分離展開を行う工程 （C) の組み合わせからなる。

このうち （A) 工程の気'固ガスクロマトグラフィーは従来から気体や揮発性 成分の分析に慣用されているものであるため説明は省略し、 以下に （B) 工程の 水膜ガスクロマトグラフィーと （C) 工程の気液二相流クロマトグラフィーをそ れぞれを対比しながら説明する。

( B ) 工程の水膜クロマトグラフィーは、 キャリアガスに水又は水蒸気又は両 者を添加できる手段を備えたクロマ卜グラフ分析装置を用い、 分離カラムの固定 相表面に、 推算液膜厚さの単位時間平均値が 0 . 0 1〜0. 0 9〃mのほぼ定常 厚さの水膜を形成させるように所定量の水又は水蒸気又はその両者をキャリアガ スに添加混入させ、 主として極性成分物質を分離展開するものである。

これに対し、 （C )工程で用いる気液二相流クロマトグラフィ一は、キャリアガ スに液状溶媒を添加するもので、 液状溶媒として有機溶媒水溶液や有機溶媒等も 用いることが出来、 水に限定されない。

また水膜クロマトグラフィ一は、 主として水の蒸発凝縮に基づく気液相分配で の分離展開に基づき本質的にガスクロマトグラフィーであるのに対し、 気液二相 流ク口マトグラフィ一は液固相分配に基づきどちらかと云えば H P L Cに近い。 従って、 気液二相流クロマトグラフィーが 3 0 ° 近傍の常温に近い温度で展開 することが多いのに対し、 水膜クロマトグラフィーでは 1 0 0 °C以上の高温が 屡々用いられる。

このため、 水膜クロマトグラフィ一で用いるカラム固定相はより高温でも比較 的安定な物質を用いる。

このような固定相として、 ポリメチルシロキサン、 ポリフエニルシロキサン、 ポリフエニルメチルシロキサン等のオルガノシロキサン類及びこれらにシァノ基 やアルキル基で化学修飾したポリシロキサン類、 シリコングリース、 各種ポリェ ステル系樹脂、 高分子量ポリエーテル樹脂等が挙げられる。

特に、 溶解性パラメータ一が 1 5 · 3〜1 6 · 4 M P a ^{1 /2}のポリシロキサン '重合体又はそれらの組成物が好適である。 ' 分離力ラム内流動状態も異なリ、 気液二相流ク口マトグラフィ一が前述した図

6 ( a ) のフロス流 （c ) からスラグ流 （d ) であるのに対し水膜クロマトダラ フィ一は環状流 （a ) であり、 カラム固定相内周面に形成される水膜厚さも極薄 く、 通常 0. 0 1〜0. 1 jW m程度のほぼ定厚である。

また分離カラム径もスラグ流は細いカラムで形成し易いことから気液二相流ク 口マトグラフィーでは通常 0 . 1 0〜0. 2 5 mmのカラム内径のものが好適に 用いられる。

即ち、 気液二相流クロマトグラフィーでは、 細いカラムは、 水栓状水塊 （ブラ グ)の維持安定性 (泡の壊れにくさ）、プラグ 1枚当たりの水必要量が少なくなリ、 枚数密度が増やせる、 時間当たリの水流出量減少は M Sイオン源真空度維持に好 ましい、 拡散域の縮小により分離能を高められる、 等の多くの利点がある。

尚、 水膜ク口マトグラフィ一及びそれに用いる分析装置に関しては特開 2 0 0 4 - 3 3 3 2 7 0号公報に詳細に開示されている。

( C) 工程では既に述べた装置を用いる。

上記 （A)、 （B)、 ( C ) の 3工程からなる本発明の方法では、 各工程をそれぞ れ分担する 3台の装置、 即ち気'固ガスクロマトグラフ装置、 水膜クロマトダラ フ装置、 気液二相流クロマトグラフ装置を用いて分析しても良く、 また逆に、 例 えば、 上述した気液二相流クロマトグラフ装置の機能を若干補強する等によリこ れら機能の全てを一台の装置で分析することもできる (複合ク口マトダラフ装置)。 また水膜クロマトグラフ装置と気液二相流クロマトグラフ装置の 2台を用いて 分析しても良い。

上記、 本発明に係る複合クロマトグラフィー分析法では、 常温でガス状の揮発 性物質、 極性物質、 溶媒と共沸系を持たない難揮発性物質及び実質的に揮発性の ないォリゴマ一等の高分子物質を含有する多種成分混合試料を特段の複雑な前処 理を施すことなく一度に分析できる。 実施例

(実施例 1 )

， 気体一固体間分配原理にもとづく G Cモードでの揮発性物質分離展開工程 （以 下この工程を分離展開工程 （A) と称する） と、 水蒸気を混合したキャリアガス を移動相としてキヤビラリ一カラム内固定相表面に水蒸気の凝縮による定常膜厚 の水膜を形成させ、主に気体-液体間分配原理に基づく通常水膜液体クロマトグラ フィ一モードでの極性物質分離展開工程 （以下この工程を分離展開工程 （B) と 称する） とを同一装置内で実行する複合クロマトグラフ質量分析装置の基本的動 作の確認実験として、 GCモードで展開すべき物質を試料に加えず、 極性物質と して炭素数 1一 9の有機酸混合物を分離展開工程 （B) のみで展開するクロマト グラフ測定を行った。

分離展開工程 （A) は極力水分を少なくしたアセトン濃厚溶液として 1%有機 酸混合物を 0. 1 μ L注入し 40°C定温で 22分間維持し、 水が無いと極性物質 が移動し難いことを示した。

その後、 水のみ 1 μ Lを注入口に追い打ち注入し、連続水供給 0. 4 L/分 で 120¾まで毎分5°〇、 さらに 280°Cまで毎分 15 °Cの昇温を行い、 図 12 で示したクロマトグラムチャートを得た。

キヤピラリーカラム DB1701 ((5=15. 8MP a ^1/2)

0. 25mm0— 5 OM Dp1 jUm、

キャリアガス He 330圆 秒

水供給 22分から水 0. 3j« LZ分で水を連続供給

水供給速度 0. 099画 秒

閉塞率 0. 0003

推算水膜厚さ 75

温度 注入口 240°C

カラム 40°C22分、 50°C5分、

50-120°CZ5°C毎分、 120— 280°C/15°C毎分

MS装置 JE0L-DX303HF (磁場形 2重収束）

イオン化 EI+、 70Ev、 300〃A

測定 SCANモード、 マスク口マトグラフ表示

GC装置 H P- 5890形、 キャリアガス He

? 図 12において、 上段 （a) はアセトンと少量 水のみのクロマトグラムしか 記録されず、下段（b) は 7.0分から 1 3. 5分にかけて C 1から C 9までの直 鎖脂肪酸が流出している。

C 3と C 4が幅広く成っているのは、 成分の極性が低くなると固定相樹脂と水 との 2重の分配のうち固定相内の保持時間が延びることを示している。

(実施例 2)

気一固ガスクロマトグラフィー法での分離展開工程 （A) と、 通常水膜式液体 クロマトグラフィー法での分離展開工程 （B) とを同一装置内で実行する複合ク ロマトグラフ質量分析装置の基本的動作の確認の実験として、 低沸点無極性物質 の例として鉱物油系溶剤のミネラルスピリツトを、 高沸点極性物質としてハイド ロキノン （分子量 1 1 0) のへキサン溶液を分析した。

カラム固定相の δが 1 5. 8ΜΡ a ^1/2の DB 1 701 (1 4%シァノプロピ ルフエ二ル.ジメチルシロキサン重合体) での GCマスク口マトグラム （図 1 3 上側（a)) と、揮発物の GCモード終了後 50°Cに冷却し、水 0· 4 LZ分連 続供給を開始し、 さらに水 0. 5 μしを追い打ちして 280°Cまで昇温したマス クロマトグラム （図 1 3下側 （b)) を示した。

キヤビラリ一カラム DB 1 701 ((5=1 5. 8MP a ^/2)

0. 25mm0— 5 OM Dpi m

キヤリァガス He 330画 Z秒

水供給 1 2分から水 0. 4μ LZ分で水を連続供給

水供給速度 0. 1 36國/秒

閉塞率 0. 0004

推算水膜厚さ l OOnm

温度 注入口 280°C、カラム 50°C (3分） -200°C/ 1 0°C毎分、 冷却 50— 280°CZ 1 5°C毎分

GC— MS装置 実施例 1に同じ

図 1 3上段 （a) のマスクロマ卜グラムは炭化水素指標の 57 m/z イオン、 芳 香族の 105m/z イオン主体で展開し、 図 1 3下段 （b) のマスク口マトグラム は 1 1 Om/z のハイドロキノンのみが 17分付近に対称形のピークで流出してい ，る。 ' この対称性は水膜での展開を示している。

水導入当初の低温域でミネラルスピリツト成分の一部が検出されるが、 少量含 有される極性物質に由来する。

(実施例 3)

通常水膜式液体クロマトグラフィーモードでの分離展開工程（B)を先に行い、 次いで気一固ガスクロマトグラフィーモードでの分離展開工程 （A) を行う複合 クロマトグラフィ一の動作確認の実験として、極性物質の多価アルコール混合物、 無極性から中極性高沸点物質としてパラフィン、 フタル酸ジシクロへキシルエス テル、 ペンタクロロビフエ二ル、 スクワレン等の混合物のアセトン溶液を分析し カラムに AQUATIC (25%フエニル'メチルシロキサン共重合体） を用い、 試 料注入口から一旦取リ外し、 上記混合物溶液に直接力ラム先端を挿入し注意深く 減圧吸引法で 1 0國吸引し、再度注入口に結合して 50°C3分ァセトンを蒸発後、 水 0. 5 jtzし/分をカラム先端に供給し、 80°C5分間後、 1 20°Cまで 5°C/ 分で昇温して低級グリコール類を流出させた。

水供給を停止し、 50°Cにて水が全てカラムから出きるのをモニタ一してから 毎分 1 5°Cで 280°Cまで昇温した。

結果を図 14に示す。

極性の高い、 エチレングリコール、 1 , 3プロパンジオール、 ネオペンチルグ リコール、 1 , 4ブタンジオールは図 1 4上段 （a) の極性物質分離工程として 展開された。

図 14上段 （a) のクロマトグラムは水蒸気もキャリアガスに混じるため実質 的にはガス流速が高まって測定されている。

一方、 下段の分離展開工程 （A) では C 16, 1 8， 20, 22各パラフィン 系炭化水素、 フタル酸エステル、 ペンタクロロビフエニル、 スクワレンなどの高 沸点揮発性物質が流出した。

キヤビラリ一力ラム AQUATICR

25%フエニル'メチルシロキサン系 （S=1 5. 8MP a ^1/2) ' 0. 25國 ø— 60M Dp1 m 断面積 0. 049mm² キャリアガス 330圖 Z秒

水供給 初めから水 0. 5 し 分で水を連続供給

水供給速度 0. 1 7 OmmZ秒

閉塞率 0. 0005

推算水膜厚さ 1 25nm

温度 注入口 150°C

カラム 上； 50°C3分/ 80°C5分間 Z 1 20 °Cまで 5 °Cで昇温、

50°Cに冷却、

水が出きつてから下； 50— 280°CZ1 5°C毎分

GC— MS装置 実施例 1に同じ

(実施例 4)

キヤビラリ一力ラム内壁上に最大膜厚がキヤビラリ一力ラム内径に達する不規 則な厚さ部分を有する平滑でない凝縮水薄膜を連続発生させることを特徴とする 気液二相流クロマトグラフィーモードの展開工程 （以下分離展開工程 （C) と称 する） が水供給量の増量により通常水膜クロマ卜グラフィーモードの分離展開ェ 程 （A) から転換できることの確認実験を行った。

すなわち、通常水膜クロマ卜グラフィーによるギ酸と酢酸の分離展開工程（B) に続き、 水を 10倍増量して水過剰供給としたカラム内の水膜とキャリアガス流 との接触によって生ずる抵抗と、 厚い水膜部分において間欠的に生ずる管狭窄部 分での圧力差などが媒体移動を推進させる確認実験を行った。

カラムは DB 1 701の内径 0. 1 mm0を 3 mに切断し、 カラム初頭部にガ ラス製キヤビラリ一管 2方コネクターの一方をポリイミド樹脂で接着固定し、 G C注入口内に他方ラッパ状開口部がセプタムに向くように設置した。

力ラム出口側は加熱ィンターフエースを通じて M S検出器に揷入した。

試料はマイクロシリンジでセプタムを通してラッパ状開口部に挿入するオン力 ラムに近い方法で注入する。

結果を図 1 5に示した。

まず 0. 5 Lのギ酸と酢酸水溶液を注入口温度 1 50°Cで注入した。

， 図 1 5最上段 （a) は水 0. 08jw LZ分を連続供給した状態で GC— MS— SCA 測定し 45、 46, 6 OM/Zをマスクロマトグラフとして表示している。 カラムオーブンは 50°C定温で 120分間ホールドした。

3mのカラム長、 50°Cであるにも拘わらず両酸が 2分足らずでシャープに分 離観察され、 通常水膜モードでの分離展開工程 (B) が十分に達成されている。 装置が 50°Cでホールドしている間に MSの測定条件を SIMモ一ドに変更し、 1 9, 20， 62, 229, 328 M/Zを測定チャネルに設定した。

酸注入から 2時間後に水供給量を 0. 8j« LZ分に増量し 8分間の安定化後、 先と同様のオンカラム注入方式で 2,4,6トリニトロフエノール （TNP、 w229) と 2,4,6 トリブロモフエノール（TBP、Mw330)の水溶液を 0. 5 1_注入した。 図 15中段 （b) の SIMモードのクロマトグラムは 50°C60分間に両フエノ ールのマス信号が 229, 328 /Zに観察されていないことからカラム内で未 だ展開中であることを示し、 一方ではカラム内に形成されている水膜状態が上段 に比べ平坦なものでないことをスパイクの多い水イオン応答 （19,20M/Z) が物語 つている。

その後水供給を停止し、カラム内の水分が無くなるまで GC装置を定温放置し、 次いで 250°Cまで毎分 15°Cで昇温した。

GC— MS間インターフェースは 280°Cである。

図 15最下段 （c) の SIMクロマ卜グラフは 50°C60分の気液二相流クロマ トグラフィ一モードでの極性物質分離展開工程においてカラム内で密かに進行し ていた両フエノールの分離展開が、 カラムの加熱により揮発流出してきたもので める。

この実験から迅速な移動とは言えないものの、 この条件で分離対象物が力ラ厶 内で分離度を高めながら水とともに移動していることが確認された。

もし物質がカラム内で分離展開していない場合は、 拡散によりピークの広がり が時間経過とともに大きくなるためかように鋭く流出することはなく、 また二成 分は注入時のように 1本のままである。

水供給量増大によって通常水膜クロマトグラフィ一モードでの分離展開工程 (B) から気液二相流クロマトグラフィーモードでの離展開工程 （C) への転換 'もまた連続して行えることが確認された。 ' キヤビラリ一力ラム DB 1 70 1 (δ= 1 5. 8MP a ^/2)

0. 1 Omm0— 3M Dpi fim

断面積 0. 007 9mm²

キャリアガス He 340瞧 Z秒 0. 1 6mし Z分

水供給 0— 1 20分 水； 0. 08 L/分で連続供給

1 20— 1 80分 水； 0. 80 LZ分で連続供給 水供給速度 0. 1 69tn(iiZ秒 、 後半 1. 69議 Z秒

閉塞率 0. 00050 、 後半 0. 0050

推算水膜厚さ 50nm 、 後半 500nm

注入 オンカラム注入 1 50°C

温度 カラム 50°C 1 80分

50-250°CZ 1 5°C毎分昇温

G C— MS装置 実施例 1に同じ

測定 SCANモード、 後半 S I Mモード

(実施例 5)

気液二相流クロマトグラフィーモードでの離展開工程 （C) における気液二相 流による水薄膜移動工程の促進をキヤビラリ一力ラム外部から超音波を与えるこ とで可能にする実験を行い、 この現象を確認した。

0. 25國径ー 3mの DB 1 701キヤビラリ一力ラムを準備し、カラムォー ブンから外部の超音波バスを迂回しカラムオーブンに戻るように配管設置した。 カラムオーブンは 1 50°Cに設定、 キヤビラリ一カラムの 2mは 50°Cの超音 波バスの温湯中に浸漬し、 カラム出口側はカラムオーブンに戻してから 250°C 加熱したインタ一フェースを通して MSイオン源に挿入した。

カラムに 2, 4, 6—卜リニトロフエノーソレ （TN P) をオンカラム注入し、 He ガス 0. 2 1_ 分、 水供給量0. 4 j« LZ分で媒体を流し、 出力約 30 Wの 3 9 KH z超音波振動をキヤピラリーカラムに与えた場合には、 バス温度 50°Cで も迅速に T N Pの流出が認められた。

しかし超音波無しの図 1 6上段 （a) の場合は、 展開 20分後にキヤビラリ一 'カラムをバスから出し、 カラム全部分をカラムォー'ブンに戻して 1 50°C加熱を して初めて流出が M Sで確認された。

超音波無しでは T N Pが力ラム出口まで移動できず加熱揮発で移動したことを 示す。

図中 1 9M/Zマスク口マトグラフはカラム内が水過剰供給状態であるものの、 気液二相流機械学で言うスラグ流として安定に流動しているようすを示しておリ、 超音波によって流動形態そのものが激しく変化するようすは見えず、かえって (b) の T I C信号は (a)より凸凹が少なく、超音波加振によリスラグ流が安定化してい る。

超音波加振によって、 分離対象の T N Pが 50 °Cのカラム内を移動したことは 両データ （図 1 6 (a)、 (b)) の比較で明らかである。

キヤビラリ一力ラム DB1701 1 5. 8MP a ^/2)

断面積 0. 049mm²

キヤリァガス He 68國 Z秒 0. 2m LZ分

水供給 0. 4μ LZ分で連続供給 （1 50°Cで水蒸気化）

水供給速度 0. 1 36inmZ秒

閉塞率 ) 0. 0020

推算水膜厚さ 500nm

注入 オンカラム注入 150°C

温度 カラム 1 50°C GG - OVEN— 50°C定温水槽一 1 50°C 6C-0VEN GC— MS装置 実施例 1に同じ

測定 SGANモード

超音波 100W 39 KHz 水槽つき Z 30%出力で使用

(実施例 6)

実施例 5で示したとおり、 気液二相流ク口マトグラフィ一モードによる分離展 開工程 （C) における気液二相流による水薄膜移動工程の促進をキヤビラリ一力 ラム外部から超音波を与えることで可能なことが確認できたので、 弓 |き続き 0. 25mm径一 3 mの DB 1 701キヤビラリ一力ラムをカラムオーブンから外部 め超音波バスを迂回しカラムオーブンに戻す条件で高沸点フ： Lノール混合物の分 離状態を調べた。

カラムオーブンは 1 50°Cに設定、 キヤビラリ一カラムの 2 mは 30°Cの超音 波バスの水中に浸漬し、 カラム出口側はカラムオーブンに戻してから 250°C加 熱したインターフェースを通して MSイオン源に挿入した。

カラムに 2, 4, 6—トリニトロフエノール （TNP) と 2, 4, 6—卜リブロモ フエノール （TBP) の混合液を 0. 1 μ Lオンカラム注入し、 Heガス 4m LZ 分、 水供給量 0. 4 μ LZ分の媒体流量、 出力約 3 OWの 39 ΚΗ ζ超音波振動 を水槽に挿入したキヤビラリ一力ラムの一部に与えた。

温度 30°Cで 40分間持続した後にキヤビラリ一力ラムをバスから出し、 カラ ム全部分をカラムオーブンに戻して 290°Cまで昇温し TBP、 TN Pが MSで 確認された。

図 17中 19NI/Zマスク口マトグラフはカラム内で水が過剰供給状態で、 環状 流と団塊波流からスラグ流が混在する不安定な流動を示している。

超音波加振によって両フエノールが流出した痕跡は 330, 229M/Zのマス クロマ卜グラムになく、 力ラム温度上昇にともなって初めて揮発流出したことを 示している。

しかし TBP、 TN Pのピークのシャープさは水槽に浸した実質 30°C1 M長 さのキヤビラリ一力ラム内での分離展開であることを考えると驚異的であリ、 気 液二相流クロマ卜グラフィ一による液一固薄膜間分配分離が 40分間密かに進行 していたことを推察するのに十分なものである。

T B Pに関するクロマ卜グラムでの見かけ分解能は数十万段を上回る。

キヤビラリ一力ラム DB 1 701 (ά= 15. 8ΜΡ a ^1/2)

0. 25mm0— 3M Dpi μπ\

断面積 0. 049mm

キャリアガス 1360國 秒 4mLZ分

4jU LZ分で連続供給 （1 50°Cで水蒸気化) 水供給速度 136圆/秒

閉塞率 (r) 0000

推算水膜厚 50 Onm 注入 オンカラム注入 室温

温度 1 ) 力ラムオーブン 1 50 °C— 30 °C定温水槽 40分

2 ) 力ラムオーブン R T— 290 °C急速昇温

GC— MS装置 実施例 1に同じ

測定 SGANモード

超音波 1 00W 39 KH z 水槽つき Z 30%出力で使用

(実施例 7)

水質環境分析、 特にトリハロメタン分析に適したキヤピラリーカラム用固定相 を塗布した H P 624ワイドボアキャピラリーカラムを用いて通常水膜クロマト グラフィ一モードの水供給量下限と上限の条件を切り替える実験を行った。

カラムは 7Mに切断し、カラム終端に 3方コネクターを介して 0. 1國の不活 性処理キヤビラリ一素管 40 cmを接続して M Sィォン源に挿入、コネクターのも う一つの口に 0.25画の不活性処理キヤピラリー素管 40 cmを接続して H eの 分割を 1 / 28とすることで M Sイオン源の真空度を維持できる H eキャリアガ ス流量まで減じた。

水 1 μ LZ分連続供給は水蒸気リザーバーによらず 1 50°Cにした通常のガラ スインサート形 GCインジクシヨンポートにセプタムを通して直接導入した。 試料注入は、 インジェクタ一組み込み式としてオン力ラム注入方法でセプタム を通して行った。

通常水膜クロマ卜グラフィー用試料は C 1から C 9までの直鎖飽和脂肪酸混合 物水溶液で、 0. 2〃 1_を0. 53mm0H P 624上にオンカラム注入した。

H eキャリアガス流量 23 m 分で 1 50°Cまで昇温し、 1 0分後にカラム を 50°Cまで冷却し分離展開工程を終了した。

インジクシヨンポー卜を 280°Cとして水 5 LZ分を連続導入し 19M/Zィ オンをモニターし真空度やベースラインが安定した変動状態になるまで放置した。 また通常水膜クロマトグラフィーモードでの別の試料として 2,4,6-トリプロ モフヱノール （TBP) 水溶液 0. 1 Lをオンカラム注入した。

Heキャリアガス 1 9mLZ分、 カラム温度 50°Cで 40分保持した。

' この間に 330M/Zの T BPイオン応答はなく、'その後 250°Cまで毎分 1 5 °Cの昇温を行い T B Pの流出を確認した。

水膜ク口マトグラフィ一の水供給量は図 18上段（ a )が推算水膜厚さ 5 nm( 0. 005 Urn) で、 クロマトグラムに見られるピーク幅や分離能において先の実施 例 1の図と比較して分離状態は大きく劣っている。

ピークの対称性などで多少水膜の効果も散見されるが極性物質分離展開工程に は使用できない。

図 1 8下段 （b) は推算水膜厚さが 30nm (0. 03 m) であり、 ワイドポ ァカラムではこの 5 L という大きな水供給量に関わらず過剰供給になっていな いで、環状流から団塊波流と言えるノイズ状態の 19M/Z応答曲線を現している。 これは断面積が 0. 25剛0にくらべ 4. 5倍あり、 かつキャリア流量も大き いためと考えられる。

しかし高沸点分離対象物はこのカラム条件では水蒸気蒸留移動効果も与えられ ず、 昇温揮発させて初めて流出する。

分離バターンは水膜ク口マトグラフィ一の特徴であるシャ一プなピークで得ら れている。

この実験は、 推算水膜厚さの考え方が異径カラムの水膜クロマ卜グラフィーも 律していることを裏付けたものと判断できる。

キヤビラリ一力ラム HP624 (ά= 1 5. 35ΜΡ a ^1/2)

0. 53國 ø— 7 M Dpi μιη

断面積 0. 221mm²

[第 1条件] キヤリアガス He 7820画 Z秒 23m LZ分 水供給 0— 10分 水； 1. 0 L/分で連続供給

注入口温度 150°C

水供給速度 0. 0754國 秒

閉塞率 0. 00001

推算水膜厚さ 5nm

[第 2条件] キャリアガス He 6460miib/秒 19mL/分 水供給 0分一 60分 水； 5 LZ分で連続供給

' 注入口温度 280°C * 水供給速度 0. 3 7 7國 秒

閉塞率 0. 0 0 0 0 6

推算水膜厚さ 3 0 n m

注入 オンカラム注入 1 5 0°C と 2 8 0°C

G C— M S装置 実施例 1に同じ 測定 SCANモード

(実施例 8 )

気液二相流クロマ卜グラフィーモードによる高沸点極性物質混合物のクロマト グラフィーをカートリツジ式ォンカラム注入により行った。

キヤビラリ一力ラムは 0. 2 5圆 ø— 6 O mの AQUATICRを 5 5°C定温で保ち、 高速液体クロマ卜グラフィー液送ポンプの制御下限の 1 分にて水蒸気全量 を供給した。

試料溶液は低級脂肪酸とフヱノール類混合物のァセトン溶液で、 オンカラム注 入法のカートリッジ式を使用して注入した。

具体的には 0. 2 5 mmキヤピラリーカラ厶素管 3 0 m m中に毛細管現象で 1 c m吸い上げ直ちにガラス製キヤビラリーカラムコネクタ一の開口部に揷入した。 注入量は 5. 0 Lとなる。

M S装置真空度の許容限界での水供給を 3 4分間継続しイオン源の高電圧を切 リ実験を終えた。

この時の 1 9M/Z信号は不安定ながらも同じ凸凹を繰り返す定常状態を維持し 続けたことを示している。

しかしイオン源の真空保護は間欠的に作動していた。

ァセトン流出の後、 短時間で高沸点のフヱノールまでが 5 5°C定温のカラム温 度で流出する様子が見られた。

さらにそのクロマトグラムは非常にシャープであり、 単純計算でも数十万段の 分解能が見積もられる。

これは分離に係わる水膜の薄さが 0. 1 m以下であることと、 分離対象物質 の水中拡散速度が遅いことによりもたらされた高分解能に相違ない。

4 5M/Zのマスク口マトグラフチャネルはカルボン酸類、 1 1 OM/Zの方はフエ 'ノール類の展開状態を示している。 ' この 1 1 OM/Zが如何なる修飾イオンに由来するかは不明である。

気液二相流機械学の流動パターンでは明らかにスラグ流が顕著で、 スムーズに 物質移動が行われた結果が図 19のクロマトグラムを造ったと推察できる。 ィォン源前のインターフェースは 280 °Cで、 各成分は揮発して水蒸気と共に イオン化された。

キヤビラリ一力ラム AQUAT I CR

25%フエニル■メチルシロキサン系

(δ= 15. 8ΜΡ a ^1/2)

0. 25國 ø— 60M Dpi jum

断面積 0. 049mm²

キャリアガス He 210國 秒 0. 62mLZ分

水供給 1 L/分で連続供給 （ 150°Cで水蒸気化）

水供給速度 0. 340mmZ秒

閉塞率 (丫) 0. 0016

推算水膜厚さ 400nm

温度 注入口 150°C

カラム 55°C 定温

インタ一フェース 280°C

GC— MS装置 実施例 1に同じ 測定 SGANモード

(実施例 9)

ヘリウムをキャリアガスとし、 第 2の移動相媒体として炭酸ガスを溶解させた 蒸留水を使用し、 キヤリガス流量を 2. 7mLZ分がら 0. 8mLZ分に、 蒸留水 を 0. 分から 0. 65〃L/分に段階的に変化させ、 150°C注入口で 蒸発し 40°Cのカラム内で凝縮する水の状態変化を水の E I +イオン化 MSスぺ クトルから編集した T I C ( I ^一タルイオンモニター） クロマトグラムを図に示 した。 カラムはジメチルシリコン系キヤビラリ一力ラム内径 0. 25mm— 30m 長で溶解性パラメーター （5) は 15. 2MP^1/2である。

図 20に示すように、 0. 65 LZ分の水量では気液二相流状態、その直前の Ό. 5 LZ分では水膜クロマトグラフィ一適用可能状態が観察された。炭酸ガス は水に再溶解し 0 . 3 5 ju LZ分領域では単に発泡突沸を起こしているようすが観 察されるが、 気液二相流形成領域ではその発泡性が安定した断続的水塊形成に役 立っている。

推算水膜厚さは以下のように計算される。 表 3

(実施例 1 0)

ガスクロマトグラフ用キヤビラリーカラム固定相樹脂は専らシリコン樹脂系の 力ラムが使用される。 これは樹脂本来の耐熱性と塗布物の 3次元架橋技術が高性 能なカラムを提供しているためであり、 共重合体用モノマーにフエニル基ゃシァ ノ基を含有するシロキサン化合物を使用することで極性の異なるシリコン樹脂系 カラムが得られるようになり、 他の樹脂は使用され ことが無くなった。 しかし 水膜クロマトグラフィーゃ気液二相流クロマトグラフィーでは分離媒体として水 を使用するためシリコン樹脂の加水分解性はカラム寿命を短くし好ましくなし;、性 質である。

汎用熱可塑性樹脂であるポリイソプチレン （P I B)、ポリプロピレン（PP)、ポリ スチレン （PS)、 P T F E (ポリテトラフルォロエチレン）などの接触角を測定し、 気液二相流クロマ卜グラフィ一への適用可否を推察した。 表 4に水接触角測定値 ( n = 3平均） ならびに溶解性パラメーター ； M P ^/2) を示した。 表 4

装置；協和界面科学 (株） D r o pMa s t Θ r 700

PP樹脂以外は接^ ¾角>77° であり、 溶媒可溶で架橋剤 3次元化が可能なポ リスチレンとポリイソプチレンは新規固定相として使用できる可能性が高い。 ポリスチレンは気液二相流ク口マトグラフィ一用固定相樹脂物性の数値的な上限 に当たるので、 実際にポリスチレンキヤビラリ一カラムを試作して実用性を調査 した。

ポリスチレンの 0. 1 %メチルェチルケトン溶液 ^0. 1國内径のジメチルポ リシロキサン （D f 0. 1 Um) キヤビラリ一力ラム 1 Omに減圧吸引して満た し、 徐々に通気乾燥した。 乾燥後 80 °Cで 0. 2ml Z分の H e気流で脱溶剤して GCオーブンにセッ卜した。

カラムへの塗布量 （D f ) はおよそ 0. 05 jUmと推定される。

水蒸発凝縮による気液二相流クロマトグラフィ一例を図 2 1に示す。

試料；高級脂肪酸混合物 （C14- C18飽和脂肪酸）

カラム；ポリスチレンを

0.10™ιΦ 1 OMの 0.1 jumポリジメチルシリコンカラム上に塗布 塗布量 （D f ) はおよそ 0. 05〃mと堆定

条件； 水 0. 8 i L/分、 HeO. 2(iiL/分

MS ; JEOL DX 303 El /MS 7 OeV 300 A

超音波加振；なし

3種の高級脂肪酸が分離するまでは至っていないがキャピラリーカラムから流 出しているようすは確認された。 3セットとして別個に展開しているのは水塊（プ 'ラグ） 3枚で分担保持していることで、 不均一な凝縮水塊の形成が原因している と思われ、 水蒸発凝縮法の制御が不十分なためである。

図 21 (B) の拡大図では水塊 1枚に対応した脂肪酸が若干の保持時間差をも つて観察され、 断続周期が十分に早い条件であればさらに分離できる可能性を示 している。

(実施例 1 1 )

シリコーン樹脂固定相キヤピラリーカラムで管内での水接触角を FT-IR顕微鏡 二次元〖 Rイメージング測定によって行った。 カラムは 0. 25議 Φに水を微量 注入し観察した。 水接触角は溶解性パラメ一ターと表面張力の関係をもとに試算 することができ、

L0G5=1.19 ((5=15.6)、 L06r=1-32

■'. 20%フエニル： 80%メチルシリコーン樹脂 0 = 86°

と推算される。

一方、 DEGILAB社 FTS7000形 FT- IR付属 「STINGRA丫」 装置での 3958 cm—¹ のィメ一ジングを図 22に示したが、 キヤビラリ一力ラム材質であるフューズド, シリカと水が有する水酸基の IRスぺクトル吸収は大きく、管を透過する赤外線の ほとんどが遮断され、 ピーク裾の一部波長でのみイメージ作図が可能であった。 図 22のキヤビラリ一力ラム内観察結果では管内面接触角 0 = 87° であり、 これはカラム固定相用樹脂の物性から推算した 86° と極めて一致する結果で あった。

(実施例 12)

キヤビラリ一力ラム内の移動媒体の状態を、 T字形の流路によリキヤリァガス と溶媒とで気液が断続的に交番する移動相媒体である 2相流形態にする方法を示 した。

キャリアガスを一方の端から導入し、 溶媒ないしはその蒸気を含むキャリアガ スを他方の端から導入し、 さらに他方の端は分離カラムに接続されている十分な 小さい内径の細管流路において、 導入した液体によって間欠的に閉塞する閉塞部 形成と、 閉塞した溶媒をキャリアガスで搬送して閉塞を解消することで気液が断 続的に交番する移動相媒体である 2相流形態を形成させる方法の例を示す。

T字形流路は 0.4瞧内径の 1ノ1 6インチ径 PEEK樹脂管を 2 Ommに切断し、 管中央部に 0. 3國径ミクロドリル針により貫通孔をあけ、 PEEK管の流路と直交 させる。 この管と直交する孔には 0. 3圆の SUS線を貫通させておく。 PEEK管両 端には内径 0. 1 5國 Φのジメチルシリコン樹脂コートキヤピラリーカラムを SUS線の位置まで挿入する。 カラム挿入前に外面側壁にはポリイミド樹脂溶液を シール剤として塗着しておき、挿入後 120°Cオーブンでカラムごと乾燥させる。

SUS線先端を PEEK管径中央になるように注意深く引き抜き、液体導入用の微量液 送ポンプに連結するポリィミド被覆フユ一ズドシリ力キヤビラリーカラム素管を SUS線に触れるまで挿入しエポキシ系接着剤で固着させる。 SUS線を PEEK管内径 の半分に当たる 0. 15瞧程度引き抜きエポキシ樹脂で固着する。 その後 1 2 0°Cで 2時間加熱硬化させた。

このように作成した図 23に示す T字管は、 デッドボリュウムが 20〜25n Lと推察される。

試作した図 23に示す T字管による気液二相断続流の生成状態を図 24に示し た。

キャリアガスは Heを 0. 2mLZ分、溶媒は 1 Oo/₀ジメチルホルムアミド（DMF) で 0. 5〃L/分とした。カラムは無極性ジメチルシリコン樹脂コート 1 Om長内 径 0. 15Π1ΙΤΙである。

DM F 10%水溶液の接触角はシリコンゴム （カラムと同じ素材） に対して、 先の汎用樹脂での測定法と同様に行い 0 = 90° と測定された。 シリコン樹脂の Sは 15. 2MPMP^1/2である。 10%DMFに対する接触角を表 5に示した。

DMF 10%の場合は水に比べ有機溶媒混和の影響は 5〜 8° 低下に留まって いる。

断続流の発生は MS検出器の DM F対応イオン量変化のクロマトグラムから確 認され、 徐々に状態が安定して 1 6分経過時には 3秒間隔に溶媒がプラグ状態で 存在していることを示した。

この実験で、 水と混和した有機溶媒をポンプで導入する方式でも気液二相流ク 口マトグラフィ一が可能であることが確認された。 MSのスキャン周期 （0. 5 秒） をより短くすれば断続する山と谷が明確に観察されると思われるが、 図 24 'ではデータ採取が追いかず、 山が結合した状態が臧繁に見られている。 図 24ではピーク間隔が次第に圧縮されて測定されている。 これは GC装置を 定流量制御しているため、 液相プラグ枚数が増えると抵抗が増し、 交番する気相 のみが圧縮されるためである。

気液交番周期の調整は気液二相流クロマトグラフィ一の状態制御上極めて重要 なことであり、 G C装置の流量 Z圧制御によって気液交番間隔が変更できること が確認できた。 表 5

装置；協和界面科学 (株） D r opMa s t e r 700

(実施例 13)

気液二相流クロマトグラフィ一はガスクロマトグラフ装置を基本に構成するこ とができ、検出器も GCZMs用に用意された E I一 MSイオン源が使用できる。 これはカラム内のボイド率が 99%以上と極めて高いため、 実質的に気体と同じ であるためである。

先の実施例 10のスチレンカラム実施例での高級脂肪酸分析例の MSスぺクト ルを標準スぺクトルと対比して、 図 25に示したが、 混在物のピークは除いて同 パターンであり、 N I STライブラリ一検索でピックアップされている。

Claims

言青 求 の 範 囲

1 . キャリアガスを主たる移動相媒体とし、 水と混和しない高分子物質を固定 相とするクロマトグラフィー分析に用いる装置であって、 キャリアガス導入部と 試料注入部と内周壁に前記固定相の層が形成されたキヤビラリ一分離カラムとそ の収容部及び検出部とを少なくとも備え、 前記試料注入部は前記キヤリァガス導 入部とキヤビラリ一分離カラム入口との間に設けられ、 且つ、 前記キャリアガス に第 2の移動相媒体として液状溶媒を添加混合することのできる溶媒導入手段を 有すると共に前記キヤリァガス導入量、 前記移動相溶媒添加量をそれぞれ制御す る機構と両移動相媒体力《接する各流路部の温度制御機構を備えたものにおいて、 前記分析装置は、 その作動状態の分離カラム内において、 部分的に液膜厚がキ ャビラリ一内径におよび、 カラム内長さ方向に間隔を隔てて複数の閉塞液栓が形 成され、 断続的に気液相が交番する状態で移動相媒体をカラム出口方向に移動さ せ、 移動相媒体の溶媒液膜とカラム固定相との分配を利用して分離展開を行うク ロマトグラフィー分析が可能に、 装置各部と制御機構が連携作動するよう構成さ ていることを特徴とする気液二相流クロマトグラフ装置。

2. 前記装置の作動状態におけるキヤビラリ一分離力ラム内の溶媒液膜が、 下 記式 （1 )

推算液膜厚さの単位時間 （1単位： 1 0秒以下） 平均値 （ i m)

=カラム内径 （mm) X ( 1 - a ) 1 0 ³ … ( 1 ) 但し、 は大気圧でキヤビラリ一力ラム内流体の （気体体積流量 Z全流体体積 流量） で表される比である、

で算出される推算液膜厚さの単位時間平均値として、 0. 以上であり、 且 つ、 カラム出口で検知される前記閉塞液栓間隔の長さが、 質量分析計で測定され る液パルス間隔時間として 1 0秒以下である請求項 1記載の気液二相流ク口マト グラフ装置。

3 . 前記第 2移動相媒体としての液状溶媒と前記キヤビラリ一分離カラム固 定相物質との濡れ接触角が 7 7 ° 以上である請求項 1記載の気液二相流クロマ 卜グラフ装置。 ■

4. 前記キヤビラリ一分離力ラムの液状溶媒が水であリ、 固定相物質が溶解性 パラメータ一値 （S P値或いは S値） 1 8. 3 M P a ^{1 /2}以下の高分子樹脂又は 樹脂組成物である請求項 3記載の気液二相流クロマトグラフ装置。

5. 前記キヤビラリ一分離カラムの液状溶媒が水であリ、 固定相物質表面が溶 解性パラメーター値 1 8. 3 M P a ^{1 /2}以下の表面物性を与えるように表面処理 されたものである請求項 3記載の気液二相流クロマトグラフ装置。

6. 前記液状溶媒が水■有機溶媒混合溶液である請求項 3記載の気液二相流ク 口マトグラフ装置。

7. 前記液状溶媒が有機溶媒である請求項 3記載の気液二相流クロマトグラ フ装置。

8. 前記液状溶媒が有機溶媒混合溶液である請求項 3記載の気液二相流ク口 マトグラフ装置。

9. 前記キャリアガスに第 2の移動相媒体として溶媒を添加混合する溶媒導入 手段が、溶媒を 0. 0 1〜 2 LZ分の平均液流量で加熱蒸気化して連続導入し、 その後凝縮液化させ、 これにより前記推算液膜厚さの単位時間平均値が 0. 1 m以上であるキヤビラリ一分離カラム内の状態を気液が断続的に交番する移動相 媒体二相流とするよう構成されている請求項 1記載の気液二相流クロマ!^グ'ラフ 装置。

1 0. 前記キャリアガスに第 2の移動相媒体として溶媒を添加混合する溶 導 入手段が、 溶媒を 0. 0 1〜2 LZ分の平均液流量として液送ポンプで連続的 に導入するものであって、 これにより前記推算液膜厚さの単位時間平均値が 0.

1 β m以上であるキヤビラリー分離力ラム内 φ状態をキヤリアガスと溶媒が気液 が断続的に交番する移動相媒体二相流とするよう構成されている請求項 1記載の 気液二相流クロマトグラフ装置。

1 1 . 前記キヤビラリ一分離カラム内の状態をキャリアガスと溶媒が 続的に 気液交番する移動相 2相流状態にする手段力 キャリアガスを一方の端から、 溶 媒又はその蒸気を含むキャリアガスを他方端からそれぞれ導入し、 その合流路の 出口側端が分離カラムに接続されている管流路であって、 導入された液状溶 又 は溶媒蒸気凝縮液によって閉塞するに充分小さい内径の紬管部 ^該管流路内に傭 え、 且つ、 該細管部に導入された溶媒による閉塞膜又は塊部を形成する段階と、 次いで該閉塞部をキヤリァガスで搬送して閉塞を解消する段階とを交互に繰リ返 すようにするための溶媒流量調節機構とキヤリアガス流量調節機構とを有し、 こ れらの協調作動によリ交番間隔を調節し、 気液が断続的に交番する移動相媒体の

2相流状態を具現させるように構成された手段である請求項 1 0又は 1 1記載の 気液二相流クロマトグラフ装置。

1 2 . 前記キヤビラリ一分離カラムに音波振動を与える機構を更に備えた請求 項 1に記載の気液二相流ク口マトグラフ装置。

1 3 . 前記検出器として質量分析計が使用される請求項 1記載の気液二相流ク ロマ卜グラフ装置。

1 4 . 前記検出器として水素炎イオン化検知器が使用される請求項 1記載の気 液二相流クロマ卜グラフ装置。

1 5 . 前記分離カラムの固定相として、 スチレン樹旨およびポリイソプチレン 樹脂、 4メチルペンテン樹脂等の分岐メチル基を有するォレフィン樹脂ないしは これらの 3次元架橋物を使用することを特徴とする請求項 1記載の気液二相流ク 口マトグラフ装置。

1 6 . キャリアガスを主たる移動相媒体とし、 水と混和しない高分子物質を固 定相とするクロマトグラフィー分析法であって、 キャリアガス導入部、試料注人 部、内周壁に前記固定相の層が形成されたキヤビラリ一分離カラム、その収容部、 検出部及び前記キヤリァガスに水又は水蒸気又は有機溶媒を添加できる手段を少 なくとも備えたクロマトグラフ分析装置を用い、

A ) キヤリァガス主体のガスを前記キヤビラリー分離カラムに導入して気■固 ガスクロマトグラフィー態様で注入された分析試料中の揮発性成分を分離展開す る工程、 '

B ) 前記キヤビラリ一力ラムの固定相表面に、 前記推算液 厚さの単位時間平 均値が 0. 0 1〜0. 0 9 jW mのほぼ定常厚さの水膜を形成させるように所定 の水又は水蒸気又はその両者をキャリアガスに添加混入させ、 主として極性成分 物質を分離展開する工程、 及び、

， C ) 前記 （A)、 ( B ) 工程で分離展開が困難な成分物質を、 分離カラム内に前 記推算液膜厚さの単位時間平均値が 0. 1 // m以上の溶媒膜を形成させることの できる所定量の液状溶媒を第 2移動相媒体として第 1移動相媒体であるキヤリァ ガスに添加混入して供給し、 該分離カラム内において、 前記溶媒膜が部分的にキ ャピラリーカラム内径におよび、 カラム内長さ方向に間隔を隔てて複数の閉塞液 栓が形成され、 断続的に気液相が交番する状態で移動相媒体をカラム出口方向に 移動させて分離展開を行う工程、

を組み合わせてなることを特徴とする複合クロマトグラフィ一分析法。