イオン交換クロマトグラフィー

イオン交換クロマトグラフィー(Ion Exchange Chromatography)は、カラム内の固定相に対する移動相/試料中の荷電状態(静電的相互作用)の差を利用した成分の分離法で、主にイオン性化合物の分析に用いられます。イオン交換クロマトグラフィーには陰イオン交換クロマトグラフィーと陽イオン交換クロマトグラフィーの2つのタイプがあり、またイオン交換基のイオン強度によって使用する固定相は異なります。イオン交換クロマトグラフィーの固定相に用いられる主な官能基を表1に示します。強イオン交換型の官能基は常にイオン化し、弱イオン交換型の官能基は移動相のpHによってイオンの解離状態が変化します。分析の対象成分の電荷や特性にあわせて適切な固定相のタイプを選択します。
なお、イオン交換クロマトグラフィーでは、陽イオンと陰イオンを同時に分析することはできません。


 

​表1 イオン交換クロマトグラフィーの固定相  

 
イオン強度
代表的な官能基
陽イオン交換クロマトグラフィー
強い
スルホン酸
弱い
カルボン酸
陰イオン交換クロマトグラフィー
強い
第4級アンモニウム
弱い
第3級アミン
 

図1に陰イオン交換クロマトグラフィーの保持のメカニズムを示します。

陰イオンの分析に用いる固定相にはプラスの電荷のイオン交換基が修飾された充填剤を用います。移動相(溶離液)をカラムに送液すると、静電気的な力により移動相中の陰イオンが固定相のイオン交換基に吸着します。連続的に移動相を送液することにより、移動相中の陰イオンが連続的にカラムに入ってくるため、固定相と移動相中の陰イオンは吸着と脱離を繰り返して平衡状態になります。
この状態で陰イオンが含まれる試料がカラムに導入されると、試料中の陰イオンが固定相による静電相互作用を受けて吸着します。この時、固定相と平衡状態にあった移動相中の陰イオンは固定相から脱離します。カラムには移動相の陰イオンが連続的に供給され、固定相に吸着した試料中の陰イオンは固定相から脱離し、次の交換基に吸着します。この現象を繰り返して、試料中の陰イオンはカラム内を移動し、溶出されます。
 

図1 イオン交換クロマトグラフィーの保持のメカニズム

試料中のイオンの種類によりイオン交換基と相互作用する力が異なるため、カラム内を移動する速度に差が生じます。この差を利用して試料中のイオンを分離します。一般に価数の小さいイオンはイオン交換基との相互作用が小さいため吸着が弱く、カラムから早く溶出します。また、同じ価数でも同族元素でイオン半径が小さいイオンほど吸着が弱いです。

図2 陰イオン7成分混合標準溶液のクロマトグラム

図3 オリゴヌクレオチド混合試料のクロマトグラム

 

図2に陰イオン7成分混合標準溶液のクロマトグラムを示します。この陰イオンの分析例では陰イオン交換カラム:Shim-pack IC-SA2 を用いています。陰イオン混合標準溶液に含まれるF、Cl、Brは同じハロゲン元素でイオンの価数は同じですが、イオン半径が小さい順にカラムから溶出していることがわかります。

図3に5配列のオリゴヌクレオチド混合試料のクロマトグラムを示します。このオリゴヌクレオチドの分析例では陰イオン交換カラム:Shim-pack BIO IEX Q-NPを用いています。オリゴヌクレオチドはその構造に含まれるりん酸基の数、すなわちイオンの価数の差に基づいて分離されます。そのため、一般的に鎖長の短い成分から長い成分の順に溶出します。

pHによってイオン状態が変化する化合物が試料中に含まれる場合、イオン交換クロマトグラフィーでは、移動相の塩濃度だけでなく、移動相のpHを変えることで溶出順が変化することもあります。

 

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