UPLC テクノロジーによる生産性の向上

総合的に設計されたシステム

このプライマーで概略を説明したクロマトグラフィーの原理とその適用方法を理解すれば、分離性能を最大限に向上させるには、粒子径や耐圧以外にも考慮しなければならない要素があることは明らかです。粒子径2μm以下の粒子を用いたカラムの性能を最大限に発揮するためには、発生する圧力に対応するとともに、バンド拡散を最小限に抑えられるよう特別に設計された装置で分析を行う必要があります。これは、一般的なHPLCシステムでは実現できません。

ACQUITY UltraPerformance LC^®システムは、装置とカラムのシステム全体を考慮することによって、クロマトグラフィー分離の性能とデータの質の向上を実現できるよう総合的に設計されています。

図50：総合的に設計されたUPLC テクノロジー

UPLCの性能を引き出すポイントは、粒子径2μm以下のカラムが持つ能力を最大限に引き出すことにあることから、これらを導き出せる装置と組み合わせて使用する必要があります。これにより、カラム内外でのバンド拡散を抑制し、使用する粒子径2μm以下のカラムを最適線速度で使用可能となり最高の性能を発揮します（図51）。

図51：UPLCの性能
最適化された分析条件で使用した場合、粒子径2μm以下のカラムでの分析結果は劇的に向上します。一般的なHPLCシステムとACQUITY UPLCを用いて4種のカフェイン代謝物を同条件（流速は除く）で分析した結果

分離効率の最大化

最高の分離を実現するにはここまで述べたとおり、UPLC テクノロジーを使用し、粒子径2μm以下のカラムを高温／高圧で使用する必要があります。

図52Aは、カラム長150mmの1.7μm UPLCカラムを90℃のカラム温度で使用した場合の結果です。約40,000の理論段数となっています。これにもう1本同じカラムを直列に接続することにより、カラム長が300mmになり理論段数が約83,000に増加しました（図52B）。ACQUITY UPLCシステムの持つ耐圧性を最大限引き出すため、さらに同カラム1本を直列に接続してカラム長を450mmにしました。図52Cでご覧頂ける通り、わずか8分あまりで約121,000の段数となっています。

図52：UPLCの高温条件下における理論段数の最大化

同論理を用いることにより、グラジエントでの分離効率を向上させることも可能です。この例では、カラム長150mmの1.7μm UPLCカラム2本を直列に連結（全長300mm）することにより、代謝物同定において得られる情報量を劇的に改善しました（図53）。1時間の分析で1,000を超えるピークキャパシティが実現しています。この分析結果は尿サンプル等の生体サンプルには非常に重要であり、候補化合物に関連する代謝物の同定や毒性マーカーの検出と同定、治療薬モニタリングにおける毒性物質の検出が可能になります。このケースでは、分解能、すなわちマススペクトルの質が劇的に向上しており、結果的にデータ解析が容易となり、検出限界が向上するとともに結果の信頼性を高めることが出来ています。

図53：UPLCの高温条件下におけるピークキャパシティの最大化
糖尿病患者尿サンプルで究極のピークキャパシティを実現。

HPLC分析への対応

ACQUITY UPLCシステムは、情報の質を維持、向上しながら市場に対し新しい製品を供給するという、企業が持つ問題点や課題に対応できるように設計されています。2004年の発売以降、多くの企業が従来のHPLCの代わりに、日常的な分析プラットホームとしてUPLCを採用しています。

新たな技術を導入する時には、その技術が既存の需要や将来のニーズにマッチしているかどうかを考慮することが重要です。UPLCは、粒子径2μm以下のカラムを最適条件で使用可能にすること加え、従来のHPLCの分析法にも堅牢かつ頑健に対応できるシステムです。つまり、UPLCの絶対的な分離を求めるニーズの有無に関係なく、１つのプラットホームを活用することで各部門間の分析法の移行を簡易化でき、会社全体の生産性の向上を実現できることを意味しています。

図54に、ACQUITY UPLCシステムをHPLC分析に適用した例を示しました。これは、汎用のHPLCシステム（図54A）とACQUITY UPLCシステム（図54B）を用いて、USPによるエキセドリン（一般に市販されている鎮痛剤）分析を実行したものです。この実験では、分析条件と移動相、サンプル、カラムは全く同じものを使用しました。UPLCシステムでは選択性や相対的な保持を変化させることなく、ピーク幅が小さくなり感度が向上しています。

図54：HPLC分析にACQUITY UPLCシステムを使用した例
低いシステム容量によりバンド拡散を低減し、汎用HPLC用カラムで好感度分析を実現。移動相：水/メタノール/酢酸 73：23：3、カラム温度：45 ℃、流速：0.2mL/分、カラム：XBridge C₁₈ 4.6×100mm、5μm、検出：UV 275nm、データ取り込み速度：5Hz、時定数：0.1

結論

このテクノロジープライマーは、読者がUPLCの基礎となるクロマトグラフィー原理の基本を理解できるよう作成されています。装置とカラムの両方が起因するバンド拡散を最小限に抑制することで、クロマトグラフィーにおける分離、感度、スピードを著しく改善できることを理解していただけたと思います。バンド拡散の抑制以外にも、分離を改善するには粒子径2μm以下の粒子を用いたカラムを最適線速度及び最適圧力条件下で使用する必要があります。ACQUITY UPLCシステムは、現在および将来の分離に携わる分析者・科学者のニーズに対応するために設計されています。

このプライマーに詳述した理論上の効率や分離度の向上は、何十年も前から予測されていました。2004年にACQUITY UPLCシステムが発売されたことによって、初めてこの理論が市販製品によって実現されています。これ以降、UPLCやその基本技術は世界中の何千という分離に携わる研究者、およびそれぞれの企業に実用的なメリットを享受してきました。ACQUITY UPLC システムはクロマトグラフィーによる情報の質を改善し、その情報取得に必要な時間を大幅短縮することで企業による効率的な資産管理を実現させています。また、分離・分析に携わる研究機関が抱える課題の多くが克服され、組織規模での生産性の向上が促進されています。装置を動かす際に発生するランニングコストが顕著に節減できるだけでなく、より短時間で信頼性の高い結果をもたらすことで再分析の必要性も減り、有機溶媒使用量を大幅に削減することによって環境対策にも大きく貢献できます。 

興味深いことに、当初（安全性や頑健性、サンプルの親和性などの懸念を引き合いに出すことによって）高耐圧対応のLCシステムの重要性を軽視していた大部分の計測機器メーカーが、現在では様々な高耐圧対応システムを開発し提供を検討しています。これらのシステムは依然として多少の妥協点（圧力限界の低さ、システム容量の大きさ、検出器の種類など）もありますが、この各社の動きは明確に分離科学が現在も進化していることを示しています。

参考文献

1. U.D. Neue, “HPLC Columns: Theory, Technology, and Practice,” Wiley-VCH (1997)
2. J.C. Aresenault and P.D. McDonald, “Beginners Guide to Liquid Chromatography,” Waters (2009)
3. P.D. McDonald, “The Quest for Ultra Performance in Liquid Chromatography: Origins of UPLC Technology,” Waters (2009)
4. Mass Spectrometry 概論、日本ウォーターズ株式会社　（2010）