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シーズン３　その貳（二）

「あっ，ご隠居さん。いらっしゃい。今日は前回の続きですね。」

「そうですよ！前回の話は分かりましたかな？精度良い測定をしたきゃ，まずは分離ですよ！どこまで分離しなければならないのかってのを，常に考えて測定をしてくれるようになって欲しいんですよ。毎日データを取っている喬さんなら十分理解しているでしょうけど？？？」

「まぁ~，充分考えてやっているつもりですけど，分離度を数値としては意識してないですね。」

「そうですかぁ～。けど，MagIC Netなら簡単に出せるんじゃないんですか？分離度だけじゃなく，理論段数やピーク対象度，検出下限だって…。常にチェックしておいたほうがいいんだけどねぇ~」

「判ってはいるんですがぁ~。つい，見た目優先になっちゃって，お客様からの要求でもなきゃ，滅多に数値を確認しませんね…」

「勿体ないねぇ~。それじゃ試行錯誤的になっちゃいますよね。何度やっても今一つなんてことが続くんじゃないですかね。と云っても，理論的な計算をしろって云っているんじゃありませんよ。標準液の分離度から，どの程度の濃度差まで精度良く定量できるかってのが，頭ン中で判ってりゃいいんですよ。まぁ，正直云ってこれが一発で判るようになるまでには，結構な時間がかかるけどね。」

「う~ん，痛いところを突いてきますね…。まだ修業が足らないってことですね。」

「いい経験，といってもうまくいったんじゃなくて，いい失敗を数多く積んだ人が，いい分離結果を直ぐに出せるんですよ。話が説教ぽくなってきちゃいましたね．さて，今回の話に入っていいですかね．．．。喬さんは，分離が不十分だった時にはどうしていますかね？」

「ふつうは，分離カラムを変えてますね。」

「う~ん，分離カラムですかぁ~。まぁ，メーカー側だからね。けど，お客さんは何種類もカラムを持っていないんですよ。A Supp 5でも，A Supp 7でも，A Supp 16でもうまくいかなかったらどうします？」

「その時は，溶離液を変えるか，性質の違う分離カラム接続するかですね。」

「そうですね。性質の違う分離カラム接続するってのは，ちょっとお金がかかるんで…。まずは溶離液の変更でしょうね。で，分離をよくするときは溶離液をどうするんですかねぇ・・・」

「まぁ，状況によって違いますけど…。目安は，標準溶離液の6掛けとか，7掛けに薄めますね。」

「ほぉ~。よく判っていらっしゃる。その通りですよ。けど，その理屈ってちゃんと判っていますかね？」

「・・・・。」

「この件は，四方山話シーズン-Iでも-IIでもちゃんと書いておきませんでしたからね。この話は結構難しいんですけど，難しい理論抜きで実践的なところを話します。一回じゃ無理なんで次回もかな？実験化学的なんで，実際にやってみると実感できますよ。この基本が判りゃ，溶離液変更後の溶出時間や分離の度合いを，実験せずに知ることができます。そんじゃ，いきますかね…」

イオンクロマトグラフィでもっとも使われている分離モードは「イオン交換モード」だってことはお判りですよね。けど，「イオン交換相互作用」ってのは若干複雑なんですなぁ~。けど，四方山話シーズン-IIIは分離の改善が眼目ですんで，「イオン交換相互作用」を避けて通れません。正直，私も未だによく判らないことばかりで…。理論的なところは非常に難しいんですけど，実験化学的に理解することは可能ですから，私の経験に基づく実験化学的な話を中心に進めることとさせてもらいます。
まず，イオン交換 [ion exchange] って定義は次の通りです。

「ある種の物質が塩類の水溶液に接触するとき，その物質中のイオンを溶液中に出し，
溶液中のイオンを中に取りこむ現象をいう．」　(岩波理化学辞典)

何となくですが判りますよね。ここで，「ある種の物質」ってのは，「イオン交換体」って呼ばれています。合成高分子でできていれば「イオン交換樹脂」です。イオン交換樹脂の作り方の概要は，「ご隠居達のIC四方山話 その伍 イオンクロマトの充填剤ってどうなってんだ！？」に書いておきましたんで見ておいてくださいね。
一価のイオンを例にとってイオン交換反応を図示すると次のようになります。

ここで，●はイオン交換体 (イオン交換樹脂)，A⁺及びB⁺はナトリウムイオン (Na⁺) やカリウムイオン(K⁺) のような一価の陽イオン，X⁻及びY⁻は塩化物イオン (Cl⁻) や硝酸イオン (NO₃⁻) のような一価の陰イオンです。左の図では，最初陽イオン交換体にはA⁺が捉まっていましたが，B⁺が接近することにより，イオン交換体にはA⁺に代わってB⁺が捉まるということを示しています。イオン交換体に捉まっているイオン (対イオン) が交換するということでイオン交換反応と呼ばれます。

ここまでは，よろしいですよね。
イオン交換体 (イオン交換樹脂) には好き嫌いがあって，どんなイオンでも捉まるってわけじゃないんです。嫌いなイオンってのは，当然のことながら，イオン交換体の持つ電荷と反対の電荷を持つイオンです。例えば，陽イオン交換体は表面に負の電荷を持っていますので，正の電荷を持つイオン (陽イオン) は捉まりますが，負の電荷を持つイオン (陰イオン) は反発して捉まることはありません。この現象は，静電反発，静電排除等と呼ばれ，イオン排除クロマトグラフィーの分離原理となっています。

一方，好きなイオンであってもランキングがあるんです。一般に，一価イオンよりも二価イオンを強く捕まえます。また，周期表の族が同一の単原子イオン (アルカリ金属イオン，アルカリ土類イオン，ハロゲンイオン) では，周期の大きいもの (原子半径が大きい ≈ イオン半径が小さい) もの程強く捉まるんです。イオンの性質により選択性 (親和性) が異なるってことです。上のイオン交換の図では，理解しやすいように完全に交換される絵を描きましたが，実際には平衡反応で，この交換反応の平衡定数を選択係数と呼びます。選択係数は，反応条件が固定されている低濃度溶液中では概ね一定の値を示し，選択係数が大きいイオンほどイオン交換体に捕捉されやすい (イオンクロマトグラフィーにおいては溶出時間が遅い) ことを示します。
下記に，一般的な分離カラムでの溶出順を示します。陽イオンの溶出順は上記の原理に概ね従っています。しかし，陰イオンのほうは何ともいえませんね…。

♦ Cation exchange resin (−COO⁻ form) :
Li⁺ < Na⁺ < NH₄⁺ < K⁺ < Mg²⁺ < Ca²⁺

♦ Anion exchange resin (−NR3+ form) :
F⁻ < CH₃COO⁻ < Cl⁻ < NO₂⁻ < Br⁻ < NO₃⁻ < HPO₄²⁻ < SO₄²⁻ < I⁻ < SCN⁻ < ClO₄⁻

イオンの選択性は，基本的にイオンの脱水和エネルギーの大きさの序列に従っているとされています。話は難しくなりますし，私もうまく説明できないところがあるんで，この序列 (Hofmeister series *) のみを下記に示します。 　　

* Hofmeister. F.: Arch. Exp. Parh. Pharmakol., 24. 247-260 (1888)

どうですかね。硫酸イオンとリン酸イオンを除く一価のイオンは実際のイオンクロマトグラフィーでの溶出順と概ね一緒ですよね。この順序は，イオン交換体の種類によらず変化しないとされていますが，実際の分離では一部のイオンの溶出順が変化することもあります。
ちなみに，図中のカオトロピック (Chaotropic) とは水の構造を破壊する能力です。一方，コスモトロピック (Kosmotropic) は水の構造を形成する能力で，アンチカオトロピックとも呼ばれます。別の見方をすれば，水和しにくいイオンがカオトロピックイオン，水和しやすいイオンがコスモトロピック (アンチカオトロピック) イオンということになります。これも覚えておくと役に立ちますよ。

イオン交換体における捕捉，選択性の理屈は判っていただけたと思いますが，次は捉まったものを出させる話です。
図2-1のイオン交換反応では，新たなイオンを捕まえると，既に捉まっていたイオン (対イオン) を離します。つまり，イオン交換体は，何かを捉まえると，必ず何かを吐き出すんです。当然，同じ電荷のイオンですけどね。これがイオン交換反応の原則の一つです。至極当たり前のことなんですが，つい忘れがちです。このシリーズのどこかで，この原則に係る話が出てきますので，頭のどこかに引っ掛けておいてくださいね。

既に捉まってしまったイオンを離させるには，より選択性 (親和性) の高いイオンを接触させればいいんです。簡単ですね。例えば，ナトリウムイオンが捉まっている陽イオン交換樹脂からナトリウムイオンを吐き出させるには，カリウムイオンを接触させればいいということですね。この時，陽イオン交換樹脂の対イオンはカリウムイオンになっているんですよ。さらにカリウムイオンを吐き出させるには，マグネシウムイオンを接触させればいいということになりますが…。こんな事じゃ，いつか行き詰ってしまい，いつまでたっても元の状態に戻せません。これじゃ，困りますよね…。

イオン交換体を元の対イオン (あるいは目的とする対イオン) に戻すには，そのイオンを高濃度で，あるいは長時間接触させれば元に戻すことができます。例えば，ナトリウムイオンを捕捉した陽イオン交換樹脂からナトリウムイオンを引き離して，対イオンを水素イオン (H⁺) に戻すには，高濃度の硝酸を接触させればいいんです。また，濃度は薄くても，硝酸を長時間 (具体的な時間は陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に依存します) 接触させるという方法でも元に戻すことができます。

これって，イオンクロマトグラフィそのものですよね？陽イオン分析の場合，薄い酸水溶液を溶離液として，連続して分離カラムに流し続けて，アルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを順次溶出させて分離をしています。この時，分離カラムの陽イオン交換樹脂のイオン交換容量を低く抑えることによって，溶離液の濃度が高くなり過ぎないように，また短時間で溶出・分離できるようにしているんです。

イオン交換体における捕捉，選択性の理屈は判っていただけたと思いますが，次は捉まったものを出させる話です。
図2-1のイオン交換反応では，新たなイオンを捕まえると，既に捉まっていたイオン (対イオン) を離します。つまり，イオン交換体は，何かを捉まえると，必ず何かを吐き出すんです。当然，同じ電荷のイオンですけどね。これがイオン交換反応の原則の一つです。至極当たり前のことなんですが，つい忘れがちです。このシリーズのどこかで，この原則に係る話が出てきますので，頭のどこかに引っ掛けておいてくださいね。

既に捉まってしまったイオンを離させるには，より選択性 (親和性) の高いイオンを接触させればいいんです。簡単ですね。例えば，ナトリウムイオンが捉まっている陽イオン交換樹脂からナトリウムイオンを吐き出させるには，カリウムイオンを接触させればいいということですね。この時，陽イオン交換樹脂の対イオンはカリウムイオンになっているんですよ。さらにカリウムイオンを吐き出させるには，マグネシウムイオンを接触させればいいということになりますが…。こんな事じゃ，いつか行き詰ってしまい，いつまでたっても元の状態に戻せません。これじゃ，困りますよね…。

イオン交換体を元の対イオン (あるいは目的とする対イオン) に戻すには，そのイオンを高濃度で，あるいは長時間接触させれば元に戻すことができます。例えば，ナトリウムイオンを捕捉した陽イオン交換樹脂からナトリウムイオンを引き離して，対イオンを水素イオン (H⁺) に戻すには，高濃度の硝酸を接触させればいいんです。また，濃度は薄くても，硝酸を長時間 (具体的な時間は陽イオン交換樹脂のイオン交換容量に依存します) 接触させるという方法でも元に戻すことができます。

これって，イオンクロマトグラフィそのものですよね？陽イオン分析の場合，薄い酸水溶液を溶離液として，連続して分離カラムに流し続けて，アルカリ金属イオンやアルカリ土類金属イオンを順次溶出させて分離をしています。この時，分離カラムの陽イオン交換樹脂のイオン交換容量を低く抑えることによって，溶離液の濃度が高くなり過ぎないように，また短時間で溶出・分離できるようにしているんです。

ここまでのことが判っていただけたら，分離の調節法の最も重要なところを身に着けていただいたことになります。「もはや教えることはない！後は実践を積むことだけだ」って状況です。
けど，「今回は，ここまでっ！」って訳にいきませんので，もう少し話をしましょう。

連続してイオン溶液を接触させていれば，対イオンを親和性の低いイオンにすることができるってことは，別の見方をすれば，親和性の低いイオンを溶離液 (溶離剤) として，より親和性の高いイオン種を連続して分離・溶出させることができるってことになりますよね。実際のイオンクロマトグラフィーによるイオンの分離を考えりゃ，容易にご理解いただけますよね。この時，溶離液中の溶離剤イオン濃度 (実際に操作するのは溶離液濃度です) を高くしたり，あるいは低くしたりするとどうなるでしょうか？イオン交換体表面でのイオンの動きや，溶離・分離されるイオンのパターンをイメージしてみてください。

イメージできましたよね。

溶離剤となるイオンの濃度 (溶離液濃度) が高くなれば，イオン交換体はより数多くの溶離剤イオンに囲まれてしまうことになります。イオン交換ですから，入れ替わろうとするイオンが大量にあれば，イオン交換体に捕捉されたイオンは速やかにイオン交換されます。その結果として，測定対象となるイオンの溶出時間は早くなります。逆に，溶離剤イオンの濃度 (溶離液濃度) が低くなれば，溶出時間は遅くなるってことです。つまり，溶離液濃度を調節することで，測定対象イオンの溶出時間を調節することができるって訳です。

この時，分離対象となるイオン間の選択性 (イオン交換の平衡定数) が一定であるとすると，溶出が早くなればピーク同士が近づいて (くっつきあって) しまうので分離が悪くなります。つまり，分離を良くするには，溶離液濃度を低くして，溶出を遅くしてしまえばいいってことになります。簡単ですね。下図に，陽イオン交換モードでの陽イオン分離の例を示します。溶離剤である酒石酸の濃度 (実際には水素イオン [H⁺] 濃度) を低くすることにより，溶出時間が増加してNa⁺−NH₄⁺，Ca²⁺−Mg²⁺の分離が改善されていくのが判ります。

どうでしたか？イオン交換クロマトグラフィにおける保持と溶出の基本原則をご理解していただけたでしょうか？これさえ判っていれば試行錯誤的にやっても分離を改善させることが可能です。しかし，試行錯誤的では効率が良くないですね。次回は，もう少し効率良く分離を改善できるように，少し論理的な話をいたしましょう。では，次回も今回の溶離液の工夫による分離の改善の話です。もう少し理論ぽくなりますが，お楽しみに…

※ 図2-3 のMetrosep C2 カラムは現在販売を終了しております。

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