【技術資料】 GPC 法 (SEC 法)入門講座

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ねんたろうもてぎ
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技術資料 GPC 法 (SEC 法 ) 入門講座概要 GPC 法 (SEC 法 ) はポリマーの測定法として最も広く用いられている方法です最近では装置やカラムソフトウエアの進歩により誰でも比較的容易に再現性のあるデータが得られるようになっていますしかしその原理についてはあまり理解されていないことが多く時には誤ったデータの解釈をしてしまうことがあるかもしれませんそこで

1 技術資料 GPC 法 (SEC 法 ) 入門講座概要 GPC 法 (SEC 法 ) はポリマーの測定法として最も広く用いられている方法です最近では装置やカラムソフトウエアの進歩により誰でも比較的容易に再現性のあるデータが得られるようになっていますしかしその原理についてはあまり理解されていないことが多く時には誤ったデータの解釈をしてしまうことがあるかもしれませんそこで GPC 法の原理について解説します 1. はじめに GPC 法 (Gel Permeaton Chromatography; ゲル浸透クロマトグラフィー ) は SEC 法 (Sze Excluson Chromatography; サイズ排除クロマトグラフィー ) または GFC 法 (Gel Fltraton Chromatography; ゲルろ過クロマトグラフィー ) とも呼ばれている液体クロマトグラフィーの1つです SEC 法は多孔質充填剤を詰めたカラム中において充填剤表面の細孔とポリマーとのサイズ排除 (Sze Excluson) 機構を原理としていますこのため最近では GPC 法や GFC 法に換わり SEC 法という呼び名が一般的になりつつあります ( 特に学術論文や学会発表においては SEC 法が標準となっています ) 2. 分離の原理 GPC 法 (SEC 法 ) の原理 ( サイズ排除機構 ) は一般的に次のようなモデルで説明されます図 1 に示すように大きなサイズのポリマーは多孔質充填剤の深部へは到達できないため結果的に短い流路を通り最も早く出口に達します一方小さなポリマーほど深部へ到達できるため流路が長くなりカラム出口に到達するのが遅くなりますこの原理により分子サイズの大きな成分から順次溶出することになりますつまり GPC 法によるポリマーの分離は分子サイズの大きさ毎となります従って一般的に GPC 法 (SEC 法 ) ではの違いによって分離されると思われがちですがこれは厳密には正しくありませんそれは同一であっても分子サイズが同一ではない場合があるためですそれではどの様な場合が当てはまるでしょうかそれには次のような場合が当てはまります図 1 サイズ排除によるポリマーの分離原理モデル 1) ( 円錐モデル ) 営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

2 (1) 分子構造が異なる場合 (2) ポリマーと溶離液 ( 溶媒 ) との親和性が異なる場合 (3) 分子内に静電的な相互作用 ( 反発引き付け ) を生じる官能基がある場合 (4) 分岐を有する場合 (1) 分子構造が異なる場合分子構造が異なれば分子鎖の折れ曲がりやすさ ( 屈曲性 ) が異なるため同じでも分子サイズは異なります一例として高温 GPC を用いて標準ポリスチレン (PS) と標準ポリエチレン (PE) のを測定して得られた較正曲線 ( 検量線 ) を図 2 に示します PS と PE では同一の溶出時間ではが2 倍以上も異なることがわかります 1.E PS 1.E PE 1.E Log(M) 1.E E E E 図 2 高温 SEC による較正曲線 (2) ポリマーと溶離液 ( 溶媒 ) との親和性が異なる場合例えば溶離液 ( 溶媒 ) と親和性の高いポリマーでは分子鎖が広がり分子サイズは大きくなりますが親和性が低いと反発するため分子サイズは小さくなりますつまり同じポリマーでも用いる溶離液 ( 溶媒 ) によって分子サイズが異なる可能性があるため GPC 法で得られるが異なる場合があります ( 図 3) 親和性高親和性低図 3 ポリマーと溶媒の親和性のイメージ営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

3 (3) 分子内に静電的な相互作用 ( 反発引き付け ) を生じる官能基がある場合分子内に互いに反発する官能基を有する場合分子鎖が広がり分子サイズが大きくなります逆に引きつけ合う官能基を有する場合は分子サイズが小さくなります特にイオン性ポリマーではこのような現象が起こる可能性があり (2) と併せて使用する溶離液組成により得られるが大きく影響されます ( 図 4) 極性基を有するポリマー非極性ポリマー図 4 分子内に極性基を有する場合のイメージ (4) 分岐を有する場合図 5 に示すように同一分子サイズのポリマーを考えると分岐ポリマーの方がが大きくなることが分かります言い換えると同一の場合分岐が多いほど分子サイズは小さくなります直鎖ポリマー分岐ポリマー分岐ポリマー ( 分岐なし ) ( 分岐少ない ) ( 分岐多い ) 図 5 分子サイズが等しい直鎖ポリマーと分岐ポリマーのイメージ 3. の計算 GPC 法では質量分析装置のように直接を求めることができませんを求めるためには溶出時間ととの関係をあらかじめ求めておきこれに基づいて溶出時間をに置き換える必要がありますこの時に用いる溶出時間ととの関係を示すグラフを較正曲線 ( 又は検量線 ) といいます溶出時間ととの関係は前述の (1) のようにポリマーの種類毎に異なるため原則としては測定対象と同一構造で既知の分布の狭い標準ポリマーを用いる必要がありますしかし現実的には困難な場合がほとんどのため実際は市販の標準ポリマーを用います一例を表 1に示します GPC 法で得られるはあくまで標準ポリマーと同一構造であると仮定した場合のであり標営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

4 準ポリマー換算となります従って標準ポリマーと測定対象のポリマーの分子構造が大きく異なる場合真のとのずれは大きくなる可能性があります表 1 代表的な標準ポリマー標準ポリマー用いられる主な溶離液ポリスチレン (PS) THF, クロロホルム, トルエン, DMF, NMP ポリメタクリル酸メチル (PMMA) HFIP, TFEA ポリエチレンオキサイド (PEO) 水溶液, メタノール, プルラン水溶液, DMSO, GPC 法から得られる主な平均には以下のものがあります (1) 数平均 (M n ) (2) 重量平均 (M w ) (3)z 平均 (M z ) これらは式 (1)~(3) で定義されていますここで N はポリマー分子の数 M は C は試料濃度です試料濃度 C(wt./vol.) はモノマーの単位数に比例するため C= M N となります Mw Mz M 2 M N M N M M 2 N 3 N N C C M Mn (1) N C M C 2 C M C M ここで (1) 式から Mn は単純な算術平均であることがわかりますまた Mw はを重みとして用いた加重平均 Mz はの2 乗を重みとして用いた加重平均です各平均は以下のような特徴があります (2) (3) dw/d(log(m)) Mn Mp Mw Mz Mn: 低の存在に影響を受けやすい Mw: 高の存在に影響を受けやすい Mz:Mw よりもさらに高の存在に影響を受けやすい Mn Mw Mz ( 図 6) 1.E E E E E 図 6 分布と平均 ( 例 ) (Mp はヒークトッフを示す ) なお Mn=Mw=Mz となるのは分布がない単分散ポリマーの場合ですまたの広がり ( 分布 ) を評価する指標として Mw と Mn の比 (Mw/Mn) や Mz と Mw の比 (Mz/Mw) が用いられますこれらの比が大きいほど分布が広いと判断できるためこれら 3 つの平均からそのポ営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

5 リマーがどのようなパターンをしているかをイメージすることが可能となります GPC 法から分布曲線を求めることができます分布曲線には微分分布曲線と積分分布曲線の 2 種類があります ( 図 7) dw/d(log(m)) (%) E E E E E E E E E E+07 7 (a) 微分分布曲線 (b) 積分分布曲線図 7 分布曲線このうち微分分布曲線は最も馴染みがあるため単に分布曲線というと多くの場合はこちらを指します微分分布曲線は全体の分布のイメージを理解しやすくポリマー間のの比較もしやすい曲線ですこれに対し積分分布曲線は文字通り全体に占めるあるの割合を示したもので 1000 以下の割合は % などを求める際に有用です積分分布曲線の縦軸は全体に占める割合を示していますが微分分布曲の縦軸は単なる濃度分率ではありませんこの縦軸は濃度分率をの対数値で微分した値ですこの意味を以下で説明します GPC によって得られたクロマトグラムから微分分布曲線を求めるためにはどの様にするでしょうか (1) ベースラインを引いてピークを指定する (2) 較正曲線を用いて溶出時間をに換算する (3) ピーク面積を求めそれぞれの溶出時間の濃度分率を求める (4) 横軸に ( 対数値 ) 縦軸に濃度分率をプロットするこれでできあがりと思われがちですが実はこれは間違いですどこが違うかというと (4) が違います正しくは (4) 濃度分率を順次積算していき横軸に ( 対数値 ) 縦軸に濃度分率の積算値をプロットする ( 積分分布曲線の完成 ) (5) 各における曲線の微分値 ( 積分分布曲線の傾き ) を求める (6) 横軸に ( 対数値 ) 縦軸に微分値をプロットする ( 微分分布曲線の完成 ) となります ( 図 8) 濃度分率をの対数値で微分するから微分分布なのですこのため微営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

6 分分布曲線の縦軸は dw/dlog(m) ( 濃度分率をの対数値で微分した値 ) という値となりますなお較正曲線が1 次式で近似されている場合は結果的に濃度分率をの対数値で微分した値と濃度分率は比例するためどちらを縦軸にとっても同じ形状となります出力 (1) 出力出力 (2) 重量分率 E+07 1.E+06 1.E+05 1.E+04 1.E+03 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 (3) 100 重量分率 (%) (%) (4) (5) 微分値を求める dw/d(log(m) (6) E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 1.E+03 1.E+04 1.E+05 1.E+06 1.E+07 図 8 微分分布曲線の求め方何故このような面倒な計算をする必要があるのでしょうか? それは異なったカラムで測定する場合較正曲線も試料の溶出曲線も異なりますこのため縦軸を重量分率のままにしておくと分布曲線が違ってしまうためです 1つのポリマーの分布は1つであるため理想的にはどの様なカラムで測定しようとも 1つのポリマーの分布は同一となるはずです従ってこれを補正するために縦軸は濃度分率をの対数値で微分した値とするのです ( ただし実際には様々な要因から用いるカラムが異なると得られる分布曲線は同一にはなりませんが ) 下記に参考文献を挙げておきますのでもっと詳しく知りたい方は参照して下さい参考文献 : 1) 森定雄著, サイズ排除クロマトグラフィー, 共立出版 (1991) : 初心者から上級者まで幅広く使用できる参考書お勧め! 2)S.Mor, H.G.Barth, Sze Excluson Chromatography, Sprnger (1999) : 1) の英語版内容はほとんど同じ 3)Ch-San Wu, "Column Handbook for Sze Excluson Chromatography", Academc Press (1999) : 各種メーカーのカラム特性なども記述された応用編 4)A.M.Stregel, W.W.Yau, J.J.Krkland, D.D.By, "Modern Sze-Excluson Lqud Chromatography", Wley (2009) : 基礎から応用まで 2D-LC なども記述有り適用分野プラスチックゴム医薬品化粧品農薬営業チーム四日市事業部 TEL FAX /6

木村の理論化学小ネタ理想気体と実在気体 A. 標準状態における気体 1mol の体積標準状態における気体 1mol の体積は気体の種類に関係なく 22.4L のはずであるしかし, 実際には, その体積が 22.4L より明らかに小さい

木村の理論化学小ネタ理想気体と実在気体 A. 標準状態における気体 1mol の体積標準状態における気体 1mol の体積は気体の種類に関係なく 22.4L のはずであるしかし, 実際には, その体積が 22.4L より明らかに小さい理想気体と実在気体 A. 標準状態における気体 1mol の体積標準状態における気体 1mol の体積は気体の種類に関係なく.4L のはずであるしかし, 実際には, その体積が.4L より明らかに小さい気体も存在するこのような気体には, 気体分子に, 分子量が大きい, 極性が大きいなどの特徴があるそのため, 分子間力が大きく, 体積が.4L より小さくなる.4L とみなせる実在気体 H :.449