イオン交換法

静電保持を起こすには、分析対象と吸着剤の官能基の両方ともイオン化されたイオン交換形態でなければなりません。これは試料マトリックスのpHを厳密に制御することで行います。分析対象物質が塩基性である場合は、pHを分子のpKaより少なくとも2低く調整しなければなりません。分析対象が酸性である場合は、pHを分子のpKaより少なくとも2高く調整しなければなりません。

溶出ではその反対に調整します。溶出液のpHを被分析物質および／または吸着剤のpKaの少なくともpHを2高く、または低く調整すれば、静電相互作用を妨害する一方、両方の官能基を効果的にニュートラル（解離を止める）にできるため、溶出が可能になります。

注記：試料と吸着剤の官能基の間の速度論的交換過程は、イオン交換の場合のほうが順相および逆相の場合よりもかなり遅いため、流量は1滴ごと（約1滴／秒）でなければなりません。また、移動相と固定相との相互作用に十分な滞留時間を確保するために溶出および洗浄の液量を増やす必要もあるかもしれません。

図1. イオン交換法

表1. イオン交換・混合モードSPE

保持メカニズム：	帯電した分析対象物の官能基と、反対に帯電した吸着剤の官能基への静電引力。混合モードに対する逆相とイオン交換の組み合わせ
サンプルマトリックス：	塩分濃度の低い（0.1 M未満）水系／有機系サンプル 生体試料 液相合成反応
分析対象物質の特性：	非極性機能を示す分析対象物質 酸性化合物（カルボン酸、スルホン酸、リン酸塩）の分離には陰イオン交換を使用します 塩基性化合物（1級、2級、3級、および4級アミン）の分離には陽イオン交換を使用します
溶出スキーム：	以下を介して破壊された静電相互作用： 化合物や吸着剤の官能基をニュートラル（解離を止める）にするためのpH調整 塩濃度を上げる（>1 M）か、またはイオン交換結合サイトを交換するために、より高選択性の対イオンを使用します
共通アプリケーション：	体液中の乱用薬物・医薬品化合物 食品／農産物試料中の脂肪酸除去 合成反応のクリーンアップ 尿中の有機酸 土壌中の除草剤

対イオンの選択性・イオン交換：

対イオンの選択性は、イオン交換器吸着剤の官能基について、ある対イオンが他の対イオンと競合する能力の程度として定義されます。吸着剤および／または試料マトリックスを分析対象物質の官能基よりも選択性が低い対イオンであらかじめ平衡にしておけば（最低限の競合）、保持が容易になります。分析対象物質の官能基よりも選択性が高い対イオンを含む緩衝液を用いれば、分析対象物質の溶出が容易になります。

カチオン交換基について：

• Ca²⁺> Mg²⁺> K⁺> Mn²⁺> RNH₃²⁺> NH₄⁺> Na⁺> H⁺> Li⁺

アニオン交換基について：

• ベンゼンスルホン酸基 > クエン酸基 > HSO₄^-> NO₃^-> HSO₃^-> NO₂^-> Cl^-> HCO₃^-> HPO₄^-> ホルメート > アセテート > プロピオネート > F^->OH^-

より高い選択性のイオンに交換するには、新しい対イオンの1 N溶液をベッド体積の2～5倍用意して吸着剤に通します。より低い選択性のイオンに交換するには、新しい対イオンの1 N溶液をベッド体積の5～65倍用意して吸着剤に通します。

注記：ベッド体積の何倍の液量が必要かは、新しい対イオンが吸着剤に着いている現在の対イオンよりどの程度に選択性が低いかによります。

基本ステップ

1. 試料の前処理塩の濃度は0.1 M未満でなければなりません。分析対象物質の官能基が確実に解離するように、適切なpHの緩衝液により1：1の割合でサンプルを希釈します。
   例：
   • 塩基性化合物：10～25 mMの緩衝液（例えばリン酸カリウム、酢酸アンモニウム）で希釈、pH 3～6
   • 酸性化合物：10～50 mMの緩衝液（例えば酢酸緩衝液）で希釈、pH 7～9
   
   さまざまな濃度の塩を含む妨害されやすい試料（例えば生体液）の場合、混合モードSPE技術を使用します。
   
   
2. コンディショニング／平衡化試料が非極性溶媒中にある場合、同じ溶媒を用いてSPE装置をコンディショニングしなければなりません。水性試料の場合、チューブ体積の1～2倍のメタノールまたはアセトニトリルでコンディショニングします。試料前処理に用いた緩衝液と同等／同一のpHおよび塩濃度の緩衝液で平衡化します。
   
   
3. 試料充填最適な保持を実現するため、減らした一定の流量（約1～2滴／秒）でステップ1からの試料を注入します。イオン交換SPEの物質移動速度は逆相および順相より遅いため、流速を減らすことが一定の回収率を得るのに極めて重要です。
   
   
4. 洗浄目的の被分析物質が早期に溶出するのを防ぐために、pHとイオン強度を適切に制御しなければなりません。極性による妨害を除去するために、適切なpHの緩衝液（例えば、試料前処理に用いた緩衝液）を使います。より疎水性が高い妨害は、試料前処理に用いた緩衝液で希釈した100%までのメタノールで除去できます。
   
   
5. 溶出最適な化合物の脱着を実現するため、減らした一定の流速（約1～2滴／秒）で溶出を行います。最も一般的な溶出方法はpHを操作するものです。また、ほとんどのイオン交換基は、若干混合モードの挙動を示します。二次的な逆相相互作用を止めるには、有機溶媒を添加する必要があります。
   例：
   
   • 塩基性化合物：50～100%メタノールの2～5%水酸化アンモニウム溶液で溶出
   • 酸性化合物：50～100%メタノールの2～5%酢酸溶液で溶出
   
   その他の溶出方法：
   • 塩濃度がさらに高い（> 1 M）SPE溶出液を使用
   • イオン交換結合サイトを交換するために、より高選択性の対イオンを使用
   
   
6. 溶出液の後処理  多くの溶出方法がありますが、溶出液の後処理を最小限で済ませるためにさまざまな溶出方法を試験して最適化する必要があります。