ゲル浸透クロマトグラフィー

ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）^[1]は、サイズ排除クロマトグラフィー（SEC）の一種であり、通常は有機溶媒中で、サイズまたは直径に基づいて高分子量またはコロイド状の分析物を分離します。この技術は、ポリマーの分析によく使用されます。技術として、SECは1955年にLatheとRuthvenによって初めて開発されました。^[2]ゲル浸透クロマトグラフィーという用語は、1964年にこの技術を調査したDow Chemical CompanyのJC Mooreにまで遡ります。^{[3]独自のカラム技術は}Waters Corporationにライセンス供与され、その後1964年にこの技術が商品化されました。 ^[4] GPCシステムと消耗品も現在では多くのメーカーから入手できます。ポリマーを分離することは、それらを分析するためだけでなく、目的の製品を精製するためでもあることがよくあります。

ポリマーの特性を評価する場合、分子量だけでなく、サイズ分布と分散度( Đ ) も考慮することが重要です。ポリマーは、数平均分子量 (M _n )、重量平均分子量 (M _{w ) (}モル質量分布を参照)、サイズ平均分子量 (M _{z )、粘度分子量 (M v} )など、さまざまな分子量の定義によって評価できます。GPC ではĐと M _vを決定でき、他のデータに基づいて M _n、M _w、および M _{z を}決定できます。

GPCはクロマトグラフィー の一種で、分析対象物をその大きさや流体力学的容積（回転半径）に基づいて分離する。これは、移動相と固定相の間の化学的または物理的相互作用によって分析対象物を分離する他のクロマトグラフィー技術とは異なる。 ^[5]分離は、カラム内に充填された多孔質ゲルビーズの使用によって行われる（固定相（化学）を参照）。分離の原理は、多孔質ゲル固定相による高分子の差別的排除または包含に依存している。大きな分子は細孔への進入が排除されて早く溶出するが、小さな分子は細孔に入ることができるため、カラム内に長く留まる。このプロセス全体は、分析対象物が固定相の表面と相互作用することなく行われる。

細孔サイズに比べて小さい分析対象物はこれらの細孔を透過し、ゲル粒子内でより長い時間滞在できるため、保持時間が長くなります。逆に、細孔サイズに比べて大きい分析対象物はカラム内でほとんど時間を過ごさないため、より早く溶出します。各タイプのカラムには、細孔サイズに応じて分離できる分子量の範囲があります。

分析対象物がカラムの細孔に比べて大きすぎる場合、全く保持されずに完全に排除されます。逆に、分析対象物が細孔のサイズに比べて小さい場合は、完全に浸透します。完全に排除された分析対象物は、粒子の外側の自由体積（V _o）で溶出され、これが全排除限界です。一方、完全に遅延された分析対象物は、溶媒で溶出され、細孔内に保持された溶媒（V _i）も含めたカラムの全浸透体積を示します。全体積は次の式で考えることができます。ここで、V _gはポリマーゲルの体積、V _{t は}全体積です。^[5] ${\displaystyle Vt=Vg+Vi+Vo}$

推測できるように、各カラムで分離できる分子量の範囲は限られているため、充填剤の細孔サイズは、分離する分析物の分子量の範囲に応じて選択する必要があります。ポリマー分離の場合、細孔サイズは分析するポリマーと同程度である必要があります。サンプルの分子量範囲が広い場合は、サンプルを完全に分離するために、細孔容積の異なる複数の GPC カラムを並行して使用する必要がある場合があります。

GPCは、ポリマーサンプルの相対分子量や分子量分布の測定によく使用されます。GPCが実際に測定するのは、固有粘度によって定義される分子の体積と形状関数です。比較可能な標準を使用する場合、この相対データを使用して、± 5%の精度で分子量を決定できます。分散度が1.2未満のポリスチレン標準は、通常、GPCの較正に使用されます。 ^[6]残念ながら、ポリスチレンは非常に直線的なポリマーである傾向があるため、標準としては、直線的で比較的同じサイズであることが知られている他のポリマーと比較する場合にのみ役立ちます。

ゲル浸透クロマトグラフィーは、ほぼ例外なくクロマトグラフィーシステムで実施されます。実験設計は、他の高性能液体クロマトグラフィー技術とあまり変わりません。サンプルは適切な溶媒に溶解されます。GPC の場合、これらは通常有機溶媒です。溶液を濾過した後、カラムに注入します。多成分混合物の分離はカラム内で行われます。カラムへの新鮮な溶出液の継続的な供給は、ポンプの使用によって行われます。ほとんどの分析対象物は肉眼では見えないため、検出器が必要です。多くの場合、ポリマー サンプルに関する追加情報を取得するために複数の検出器が使用されます。検出器を利用できることで、分画が便利かつ正確になります。

ゲルはGPCの固定相として使用されます。ゲルの細孔サイズは、ゲルを特定の分離に適用できるように注意深く制御する必要があります。ゲル形成剤のその他の望ましい特性は、イオン化基がないこと、および特定の溶媒中で分離する物質に対する親和性が低いことです。さまざまな分離要件に基づいて、PLgelおよびStyragel（架橋ポリスチレン-ジビニルベンゼン）、^{[7] [8]} LH-20（ヒドロキシプロピル化セファデックス）、^[9] Bio-Gel（架橋ポリ アクリルアミド）、HW-20およびHW-40（ヒドロキシル化メタクリルポリマー）、^[10]およびアガロースゲルなどの市販のゲルがよく使用されます。^[11]

GPC に使用されるカラムには、微細孔充填材が充填されています。カラムにはゲルが充填されています。総浸透容積は分析対象物が浸透する最大容積であり、固定相の表面には保持物がないため、通常、サンプル容積に比べて総カラム容積は大きくなります。

溶離液（移動相）はポリマーを溶解する適切な溶媒である必要があり、分析対象のポリマーの反応を妨げず、充填剤表面を濡らしてポリマーとの相互作用に対して不活性にする必要があります。室温でGPCで溶解するポリマーの最も一般的な溶離液は、結晶性ポリアルキンの場合は130～150℃でテトラヒドロフラン（THF）、o-ジクロロベンゼン、トリクロロベンゼンであり、ポリアミドやポリエステルなどの結晶性縮合ポリマーの場合はヘキサフルオロイソプロパノール（HFIP）です。^[12]

GPC用に比較的少量の液体を均一に送液するためのポンプには、ピストンポンプとペリスタルティックポンプの2種類があります。流量は分子量や直径の較正に使用されるため、変動のない一定の流量の送液はGPC分析の精度にとって特に重要です。^[13]

GPCでは、溶出溶媒中のポリマーの重量濃度を検出器で連続的に監視することができます。検出器には多くの種類があり、主に2つのカテゴリに分けることができます。1つ目は濃度感度検出器で、UV-VIS吸収、示差屈折計（DRI）または屈折率（RI）検出器、赤外線（IR）吸収および密度検出器が含まれます。2つ目は分子量感度検出器で、低角光散乱検出器（LALLS）および多角光散乱検出器（MALS）が含まれます。^[14]したがって、結果として得られるクロマトグラムは、保持容量の関数としてのポリマーの重量分布です。

最も感度の高い検出器は示差紫外線光度計であり、最も一般的な検出器は示差屈折計（DRI）である。共重合体の特性を評価する場合、2つの検出器を直列に接続する必要がある。^[6]共重合体の組成を正確に測定するには、これらの検出器のうち少なくとも2つは濃度検出器でなければならない。 ^[14]ほとんどの共重合体組成の測定はUV検出器とRI検出器を使用して行われるが、他の組み合わせを使用することもできる。^[15]

ゲル浸透クロマトグラフィー (GPC) は、ポリマーサンプルを分析して分子量と重量分布を決定するための最も広く使用されている技術となっています。ポリスチレンサンプルの GPC クロマトグラムの例とその分子量および分散度を左に示します。

Benoit ら^[16]は、SEC 溶離液中のポリマーの固有粘度 [η] と M の積に比例する流体力学的容積 V η を、普遍的な校正パラメータとして使用できると提案しました。Mark–Houwink–Sakurada 定数 K と α がわかっている場合 (Mark – _Houwinkの式を参照)、特定の溶媒、カラム、機器に対する log [η]M と溶出容積 (または溶出時間) のプロットは、その溶媒中のあらゆるポリマーに使用できる普遍的な校正曲線を提供します。単分散ポリマー標準 (例: THF 中の単分散ポリスチレン溶液) の保持容積 (または時間) を決定することにより、分子量の対数を保持時間または容積に対してプロットすることで校正曲線を取得できます。一度較正曲線が得られれば、同じ溶媒で他のポリマーのゲル浸透クロマトグラムが得られ、ポリマーの分子量（通常は M _nと M _w）と完全な分子量分布を決定できます。典型的な較正曲線が右側に示されており、較正曲線から未知のサンプルの分子量が得られます。

分離技術として、GPC には多くの利点があります。まず、保持されなかったすべての分析対象物に対して最終的な溶出量があるため、分離時間が明確に定義されています。さらに、GPC は狭いバンドを提供できますが、GPC のこの側面は、幅広い分子量範囲が存在するポリマーサンプルではより困難です。最後に、分析対象物はカラムと化学的または物理的に相互作用しないため、分析対象物が失われる可能性が低くなります。^[5]特にポリマーサンプルの特性を調査する場合、GPC は非常に有利です。GPC は、ポリマーの分子量を決定するより便利な方法を提供します。実際、ほとんどのサンプルは 1 時間以内で徹底的に分析できます。^[17]過去に使用された他の方法は、分別抽出と分別沈殿でした。これらのプロセスは非常に労働集約的であったため、分子量と質量分布は通常分析されませんでした。^[18]したがって、GPC により、ポリマーサンプルの分子量と分布を迅速かつ比較的簡単に推定できるようになりました 。

しかし、GPC には欠点もあります。まず、GPC 実行の短い時間スケールで分解できるピークの数は限られています。また、技術として、GPC では、ピークを適切に分解するために、分子量に少なくとも約 10% の差が必要です。^[5]ポリマーに関しては、ほとんどの鎖の分子量が近すぎるため、GPC 分離では広いピークしか表示されません。ポリマーに対する GPC のもう 1 つの欠点は、ほこりやその他の微粒子がカラムを損傷したり検出器に干渉したりするのを防ぐために、機器を使用する前にろ過を行う必要があることです。機器を保護するのに役立ちますが、サンプルをカラムにロードする前に、サンプルの事前ろ過によって高分子量のサンプルが除去される可能性があります。これらの問題を克服するもう 1 つの可能性は、フィールドフロー分画(FFF) による分離です。

フィールドフローフラクショネーション（FFF）は、特に粒子や高分子量ポリマーがカラムの詰まりを引き起こしたり、せん断劣化が問題になったり、凝集が起こったがそれを可視化できない場合に、GPCの代替として考えられます。FFFは、静的相を介さずにオープンフローチャネル内で分離するため、相互作用は発生しません。フィールドフローフラクショネーションの1つのバージョンである熱フィールドフローフラクショネーションでは、サイズは同じだが化学組成が異なるポリマーの分離が可能です。^[19]