サイズ排除クロマトグラフィーの入門ガイド

• GPC の重要性
• GPC の原理
• GPC システム

ゲル浸透クロマトグラフィー（GPC）は、ポリマーの性質を理解し、予測するために使用される最も強力で汎用性が高い分析技術の 1 つです。また、GPC はポリマーの分子量分布の測定における最も便利な技術です。

1963 年、ウォーターズは初めて GPC を商業的に開発しました。それ以降、ウォーターズは新しい GPC アプリケーションの開発と研究、そして GPC をより強力な技術として利用できる装置の改良に取り組み続けています。

GPC の重要性

GPC では、複数の重要なパラメーターを測定することができます。測定可能なパラメーターには、数平均分子量、重量平均分子量、Z 平均分子量、およびポリマーの最も基本的な特性である分子量分布などがあります。

これらは、ポリマーに特有の多くの物理的性質に影響するため重要な値です。これらの測定値がロット間でわずかに異なるだけでも、ポリマーの最終用途における特性に大きな違いが生じることがあります。影響を受ける可能性のある特性には、以下のようなものがあります。

材料特性評価

同じ目的で使用される樹脂の種類は多数ありますが、専用の樹脂や化合物は高価であり、製造段階でポリマーに付加価値が生まれることから、ポリマーの組成を理解することは重要です。例えば、プリント基板で使用される樹脂は非常に低価格ですが、完成した基盤は非常に高価です。低品質の樹脂を使用すると、完成した基盤の品質が不合格になる可能性があります。

ポリマーの最終用途アプリケーションで厳密な性能が必要とされる場合や、過酷な条件下での耐性が必要とされる場合には、ポリマー特性の評価が特に重要になります。GPC は、他のどの技術よりもこれらのニーズを満たすことができるため、ポリマー工業において非常に役に立つ材料の特性評価の手段となっています。

Good（規格内品）と Bad（規格外品）の判別

同じポリマー樹脂でできた 2 つのサンプルの引っ張り強度と溶融粘度が全く同じである場合でも、耐久性のある製品に加工する場合に性能が大きく異なることがあります。このような性能の違いは、これら 2 つの樹脂サンプルの分子量分布にわずかながらも有意なばらつきがあるためと考えられます。このような差を検出できない場合、製品に重大な欠陥が生じるおそれがあります。

GPC の原理

GPC は、溶液中の分子を「溶液中の有効サイズ」によって分離します。GPC 分析用にサンプルを調製する場合、樹脂をまず適切な溶媒に溶解します。

溶解した樹脂は、ゲル浸透クロマトグラフィー装置内を連続的に流れる溶媒（移動相）中に注入されます。移動相は、カラム中に密に充塡された多数の非常に多孔性の硬質粒子（固定相）の間を流れていきます。これらの粒子のポアサイズは調整されており、さまざまなポアサイズの粒子をご利用いただけます。

個々のピークの幅は、特定の樹脂およびその構成成分の分子サイズ分布を表します。この分布曲線は分子量分布（MWD）曲線と呼ばれます。まとめると、ピークはサンプルの MWD を反映しています。MWD の幅が広いほどピーク幅が広く、ピーク幅が広いほど MWD の幅が広いことになります。平均分子量が高いほど曲線は分子量軸に沿って高分子側にシフトし、曲線が高分子側にシフトしているほど平均分子量が高いことを示します。

したがって、2 つの樹脂の MWD プロファイルを簡単に比較できることがわかります。樹脂の MWD プロファイルがコントロール樹脂（加工に適していることがわかっている樹脂）の MWD プロファイルと十分一致しない場合、樹脂が適切に加工されるようにするため、納入される樹脂を修飾したり、加工条件を変更したりすることがあります。コントロール樹脂と新しい樹脂の差があまりにも大きい場合は、不合格品として新しい樹脂を供給業者に返品することもあります。

GPC システム

GPC 装置を設計する際には、さまざまな要件を満たさなければなりません。インジェクターは、ポリマー溶液を流動系に導入するのに必要です。ポンプは、サンプルと溶媒をカラムおよびシステムへと送り出します。検出器は、分離をモニターし、記録します。データ取り込みシステムは、自動的に試験を制御し、結果を記録し、平均分子量を算出します。ゲル浸透クロマトグラフィー装置には、最低限の労力で最高のシステム性能を引き出すために連携するさまざまな部品が含まれています。基本的なゲル浸透クロマトグラフィー装置の概略図。

溶液中のポリマーをシステム内に送液します。

ポリマーが異なれば溶液の粘度も異なります。分析間でデータを比較するには、ポンプは粘度の違いに左右されず同じ流速で送液を行わなければなりません。また、溶媒の流速の精度に非常に影響を受けやすい検出器もあります。このように流速を一定に保つ性能は、装置の重要な特徴であることに間違いありません。

ポリマー溶液を移動相に導入します。

インジェクターは、低容量注入（分子量決定のため）および高容量注入（フラクションの分取が望ましい場合）を行えるものでなければなりません。インジェクターで移動相の連続的な流れが妨げられてはなりません。また、サンプル容量が多い場合には自動的に複数のサンプル注入を行えるものでなければなりません。

サンプル成分を効率的に分離します。

高効率のカラムにより、最高レベルの分離能が実現し、迅速な分析を行うことができます。すべてのカラムは、分析目的でも分取目的でも長期にわたり再現性のある情報が得られるものでなければなりません。

分離をモニターし、成分がカラムから溶出すると応答します。

溶出成分をその後の分析のために回収する場合、検出器は溶出成分を破壊するものであってはなりません。

また、必要に応じて微量分析にも多量分析にも対応するためには、感度が高く、線形範囲が広いものでなければなりません。

すべての成分は光を屈折させるため、示差屈折率検出器（RI）は「ユニバーサル」検出器と呼ばれています。そのため、RI 検出器は、分子量分布の測定に最も広く使用されています。ポリマーの屈折率は、分子量が約 1,000 以上では一定です。したがって、検出器のレスポンスは濃度と正比例します。

RI 検出器で得られる平均分子量および分布に関する情報に加えて、UV 吸光度検出器を使用すると組成に関する情報を、光散乱検出器および粘度計を使用すると、ポリマーの構造に関する情報を得ることができます。

Mz、Mw、Mv、Mn、および MWD の数値を自動計算、記録し、レポートを作成します。

多数のサンプルを無人で分析し、生データを自動で解析できるように、データシステムから GPC システムを完全に制御することができます。現在の GPC ソフトウェアは、例えば多重検出処理、バンド広がりの補正、特殊なキャリブレーションルーチン、およびポリマー分岐測定などの特殊な計算の実行機能を備える必要があります。