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IC分離カラムのベストプラクティスに関するこのブログシリーズの第２回目では、カラムの適合性と安定性に影響を与えるアプリケーション関連のトピックに焦点を当てています。まず、目的のアプリケーションに最適なカラムの適切な選び方。次に、分析物間の分離を最適化するために変更できる操作パラメータと、それぞれの効果と可能性について説明します。
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カラムの長さと直径の選択
メトロームは多くのICカラムを取り揃えており、それぞれ固定相や、長さ、または内径が異なっています。固定相の選択は、個々の分析対象物間の選択性に大きな影響を与えるだけでなく、異なるサンプルマトリックスに対する安定性にも大きな影響を与えます。カラムの長さは選択性に影響を与えませんが、代わりに分離効率 や個々のピークの間隔が変わります。
イオンクロマトグラフィ用のMetrohmの幅広いセレクションカラムの詳細については、 カラムカタログを参照ください。
カラムの長さが分析に与える影響
次のクロマトグラムでは（図1）、 Metrosep ASupp17カラムシリーズ を参考に、カラム長が分離効率に及ぼす影響 が示されています。カラムの長さを選択するときは常に、目的の分離の複雑さと、対象のイオンを乱す可能性のあるマトリックス成分の存在を考慮に入れる必要があります。
カラム径の影響
さまざまな長さのIC分離カラムを提供することに加えて、Metrohmはほとんどのカラムで、4mm 内径と 2mm 内径（«マイクロボア»として知られている）バージョンを提供しています。これに関して、区別するためのいくつかの基準があります。
- オンラインシステムで連続モード （つまり、Metrohm Process Analyticsのように、数日間連続して無人で実行されるシステム MARGAシステム
オンラインシステムで連続モード （つまり、Metrohm Process Analyticsのように、数日間連続して無人で実行されるシステム MARGAシステム – Monitor for AeRosols and Gases in ambient Air ）を使用する場合、2mm ICカラムの使用をお勧めします。マイクロボアカラムの流量が減少するため（4 mmカラムの流量の25％のみ）、溶離液と再生液の持続時間が大幅に長くなり、機器を放置できる時間が長くなります。 - 分析対象物の選択性と感度を高めるために、IC-MSなどの複合的な技術を必要とするアプリケーションがあります。この場合、2mmカラムの使用が理想的です。低流量はエレクトロスプレープロセスに最適であるため、質量分析計に入る前にフロースプリッターは必要ありません。
- 限られた量のサンプルしか注入できない場合は2mmカラムが推奨されます。これは、分離プロセス中に発生する希釈/拡散が少なく、より高い信号が得られるためです。一方、サンプルに高負荷のマトリックス成分が含まれている場合は、マトリックスから目的の分析物を分離するために利用できる容量が大きいため、4mm ICカラムを選択することをお勧めします。
MARGAとその継続的な大気質モニタリング機能の詳細については、ブログ投稿をご覧ください。
カラム温度変更の影響
ICの分離選択性を微調整する最も簡単な方法の1つは、分析のカラム温度を変更することです。これは、機器に統合されたカラムオーブンを使用することで調整ができます（機器に付属の場合）。たとえば陰イオン分析では、複数の効果が観察されます。例として Metrosep ASupp17 を使用した選択性に対する温度の影響をクロマトグラムで示します（図2）。
- 塩化物、亜硝酸塩、臭化物、硝酸塩などの一価イオンはすべて温度の上昇とともに保持時間が短くなっており、固定相との相互作用が少ないことを示しています。
- リン酸塩や硫酸塩などの多価イオンの挙動は、説明がより複雑で、固定相ごとに異なります。一般に、硫酸塩で見られるように、多価イオンは高温でより遅延し、保持時間が長くなります。一方、リン酸塩は、pKaの値が溶離液pHに近く、温度が高くなるにつれて解離反応も激しくなるため、動作が異なります。このpHの変化により、リン酸イオンの有効電荷も変化します（この例では、有効電荷は温度の上昇とともに減少します）。
- 亜硝酸塩、臭化物、特に硝酸塩などの分極性イオンのピーク形状は高温条件下で大幅に改善 しています。この変化の理由は、固定相との二次相互作用の減少が起きているからです。
溶離液の組成と濃度を変更した場合の影響
溶離液の組成と濃度を変更することで、同じ分離カラムを使用しながら複数の分析対象物の溶出順序を変更できます。陽イオンクロマトグラフィーでは、保持モデルが Paul HaddadとPeter E. Jacksonによって開発されました。これを用いれば、溶離液の組成を変更するときに保持時間の変化を予測できます[1]。
カラムが各測定で同一のままであることを考慮すると、イオン交換平衡とカラム容量は変化しないため、溶離液濃度のみを変更する場合、次の相関関係を使用できます。
略語：
- k ' ：対象化合物の保持係数
- c ：定数
- X：分析物の電荷
- y ：溶離液の電荷
- Ey +M ：移動相中の溶離液の濃度
硝酸を溶離液として使用する場合、y = 1であり、モデルは次のように簡略化できます。
この式を実際の実験状況に当てはめて考えると、次のようになります。溶離液の強度を上げると、アルカリ金属（X = 1）と比べて、アルカリ土類金属（X = 2）は遥かに速く溶出されます、したがって、カリウムの前にマグネシウムを溶出することが可能です。このような効果は電気選択性と呼ばれます。
多価金属イオンは、専用の錯化剤と錯体を形成することができます。したがって、溶離液に錯化剤を加えることにより選択性を変化させることができます。一例として、ジピコリン酸（DPA）はカルシウムを錯化するためによく使用され、カルシウムの有効電荷の減少につながります。結果として、カルシウムの保持時間が短縮され、クロマトグラムでカルシウムがマグネシウムの前に溶出します（図3）。
一価カチオンの保持は、移動相へのクラウンエーテルの添加によって影響を受ける可能性があります。
陰イオンシステムは、保持時間モデルに関してより複雑ですが、同じ電気選択性効果が陰イオンに対してある程度観察できます。ただし、溶離液の強度を変更すると、溶離液のpHも頻繁に変化し、多価陰イオン（リン酸塩など）の解離反応が異なります。これは、分析物の有効電荷に影響を与えるため、温度変化の影響について前述したのと同様に分析物の保持にも影響を与えます。
場合によっては、溶離液にメタノール、アセトニトリル、アセトンなどの少量の有機溶媒を使用することが理にかなっています。
- 細菌汚染が問題になっている場合は、溶離液に5％メタノールを追加すると、将来の細菌の増殖を防ぐことができます。
- 大量の有機溶媒を含むサンプルを注入する必要があり、抽出やマトリックス除去などのサンプル前処理（MiPCT-ME）を行わない場合は、可能であれば、適切な有機溶媒を溶離液に添加して、サンプル中の有機溶媒をクロマトグラフィーカラムから洗い流すことができるようにすることをお勧めします。
- IC-MSを使用する場合は、エレクトロスプレープロセスを改善するために溶離液に有機溶媒を添加することもお勧めします。
有機溶媒の添加も分離選択性に影響を与えることに注意してください。標準的な陰イオンの場合、その効果は温度の上昇で観察される効果と同様で、亜硝酸塩、臭化物、硝酸塩などの分極性イオンのピーク形状が改善されます。
一方、有機酸は標準的な陰イオンとは非常に異なる反応を示す可能性があり、それらの反応は使用する有機溶媒の種類にも大きく依存します。特に Metrosep A Supp 10 シリーズは分析対象物の保持に対する有機溶媒の影響を示します。
以下のMetrosep A Supp10カラムマニュアルで、分析対象物の保持時間に対する有機溶媒の影響を示すクロマトグラムの例を確認できます。
参照文献
[1]
Haddad, P. R.; Jackson, P. E. Ion Chromatography: Principles and Applications; Journal of chromatography library; Elsevier; Distributors for the U.S. and Canada, Elsevier Science Pub. Co: Amsterdam, Netherlands; New York: New York, NY, USA, 1990.
