GPC 시스템 검량

GPC 시스템 검량

용리된 폴리머의 각 머무름 시간 슬라이스에 분자량을 지정하려면 시스템, 더 구체적으로는 컬럼 세트를 검량해야 합니다. 이를 수행하는 방법에는 여러 가지가 있지만 가장 쉬운 방법은 가능한 한 좁은 분자량 분포를 가지고 있고 특성이 잘 알려진 폴리머 표준물질 세트를 기반으로 하는 상대적 검량을 이용하는 것입니다. 이상적으로는 중량 및 수 평균 비율(분산도)이 1(Mw/Mn = 1)인 단일 분자량을 의미하는 단분산(monodisperse) 표준물질 세트를 사용하는 것이 좋습니다.

이러한 이상적인 조건을 최대한 확보하려면 음이온 중합된 polystyrene 내로우(Narrow) 표준물질과 같이 이 목적을 위해 특별히 중합된 폴리머 표준물질을 사용하는 것이 좋습니다. 표준물질은 단량체부터 분자량이 10,000,000 이상이고 분산도가 1.10 미만인 다량체까지 매우 광범위한 분자량 범위를 포괄합니다. 검량 표준물질이 내로우(Narrow) 표준물질로 간주되고 GPC 검량에 사용하기에 적합하려면 분산도가 1.10 미만이어야 합니다. 광범위한 표준물질 검량을 수행하는 다른 방법도 있으며 Benoit의 범용 검량 절차(온라인 점도계를 사용하거나 미사용)를 이용할 수도 있습니다. 이러한 각 내용을 좀 더 자세히 논의하겠습니다.

상대적인 내로우(Narrow) 표준물질 검량

기존의 내로우(Narrow) 표준물질 검량 기술을 상대적 검량이라고 하는데, 얻어진 분자량 평균이 검량물질에 상대적이기 때문입니다. 예를 들어, polyethylene을 샘플로 사용하고 polystyrene 내로우(Narrow) 표준물질로 컬럼 세트를 검량한 경우, 적분 후에 얻은 분자량은 polystyrene에 기초하고 polyethylene에 대해서는 맞지 않습니다. 그러나 미지 물질에 대해 얻은 분자량을 "허용되는" 값 세트와 단순히 비교하는 많은 사람들에게 이것은 문제가 되지 않습니다. 얻어진 값이 허용 가능한 범위에 있기만 하다면 이러한 분자량 값이 관심 폴리머에 대해 실제로 "절대적"인지 여부는 중요하지 않습니다.

폴리(methylmethacrylates), polyisoprenes, polybutadienes, 폴리(THF)와 같은 유기 GPC에 사용할 수 있는 몇 가지 내로우(Narrow) 표준물질이 있지만 유기 GPC 분석에 사용되는 주요 내로우(Narrow) 표준물질은 단연 polystyrene입니다. 수용성 GPC의 경우 폴리(ethylene oxides)가 가장 널리 사용되며, 저분자량에 적합한 폴리(ethylene glycols), 그리고 트리오즈 구조 계열의 다당류인 pullulan도 널리 사용됩니다. 일련의 내로우(Narrow) 표준물질을 실행한 후, 다항식 적합이 수행되고(일반적으로 3차 또는 5차) log M vs. 머무름 시간(또는 부피) 검량선이 그려집니다.

브로드 표준물질 검량

미지 물질과 동일한 폴리머가 실행되는 브로드(Broad) 표준물질을 사용하여 GPC 컬럼 세트를 검량할 수도 있습니다. 브로드(Broad) 표준물질은 다양한 공급업체로부터 구입할 수 있으며 표준물질을 잘 특성화해야 합니다. 즉, 수 중량 Z, 경우에 따라 점도 평균 분자량이 대체 분석법(막삼투압 측정, 광산란, 초원심분리 등)을 통해 확인됩니다. 대체 방법은 분자량 평균이 이러한 기술로 확인된 물질의 실제 "샘플"(상당한 양으로 존재)을 사용하는 것입니다. 이 경우 장점은 일상적으로 분석하는 미지 샘플과 동일한 구조를 가진 폴리머를 사용할 수 있다는 것입니다.

알려진 분자량 평균을 소프트웨어에 입력하고 브로드 표준물질을 미지 물질의 크로마토그래피와 동일한 조건에서 일반적인 방식으로 크로마토그래피 처리합니다. 소프트웨어는 Simplex 검색 루틴을 수행하여 크로마토그래피 처리된 브로드(Broad) 표준물질 모양을 주어진 분자량 평균에 적합시킵니다. 최종 검량선은 각 평균에 대한 데이터 포인트로 구성됩니다. 수와 중량 평균만 제공되는 경우 최종 검량선은 이 두 포인트와 최대 분자량을 더한 값, 또는 3 포인트 검량선으로 구성됩니다. 이 브로드 표준물질은 1969년 Hamielec이 수행한 연구에 기초합니다. 검량선의 분자량 범위를 늘리기 위해 분자량이 서로 다른 2가지 브로드 표준물질을 사용하는 것이 좋습니다. 2가지 알려진 분자량 평균을 가진 두 개의 브로드 표준물질을 사용하더라도 6 포인트 검량선만 얻어집니다(검색 루틴 결과의 피크 분자량 값 사용). 그러나 브로드 표준물질과 동일한 분자량 범위에서 동일한 폴리머를 일상적으로 실행하는 QC 실험실의 경우, 이 검량이 매우 잘 작동하고 절대 분자량을 제공합니다.

폴리(methylmethacrylates), polyisoprenes, polybutadienes, 폴리(THF)와 같은 유기 GPC에 사용할 수 있는 몇 가지 내로우(Narrow) 표준물질이 있지만 유기 GPC 분석에 사용되는 주요 내로우(Narrow) 표준물질은 단연 polystyrene입니다. 수용성 GPC의 경우 폴리(ethylene oxides)가 가장 널리 사용되며, 저분자량에 적합한 폴리(ethylene glycols), 그리고 트리오즈 구조 계열의 다당류인 pullulan도 널리 사용됩니다. 일련의 내로우(Narrow) 표준물질을 실행한 후, 다항식 적합이 수행되고(일반적으로 3차 또는 5차) log M vs. 머무름 시간(또는 부피) 검량선이 그려집니다.

범용 검량

범용 검량의 개념은 1967년 Benoit 에 의해 도입되었습니다. 일련의 내로우(Narrow) 표준물질에 대한 로그 분자량 vs. 머무름 시간을 플롯하는 대신 고유 점도[η]와 분자량 M의 곱에 대한 로그를 머무름의 함수로 표시합니다. [η]M 곱은 유체역학적 부피와 관련이 있습니다. Benoit는 다양한 내로우(Narrow) 표준물질에 대한 유체역학적 부피 값을 플롯으로 그리면 단일 검량선이 나온다는 것을 알아냈습니다. 즉, 모든 포인트를 동일 곡선에 적합시킵니다. 이 "범용" 검량이 설정되면 임의의 코일 폴리머를 적절한 용매에서 실행할 수 있으며 분자량은 범용 곡선을 바탕으로 결정됩니다. Benoit는 유리 모세관 점도계를 사용하여 내로우(Narrow) 표준물질 및 샘플의 점도를 측정했습니다. 범용 곡선을 설정한 후에는, 내로우(Narrow) 표준물질에 대한 고유 점도의 로그 vs. 분자량의 로그를 플롯할 수도 있습니다. 이 플롯을 점도 법칙 플롯 또는 Mark-Houwink 플롯이라고 합니다. 이 플롯의 기울기는 알파(α라고도 함)이고 절편을 log K라고 합니다. Mark-Houwink 방정식으로 알려진 최종 방정식은 다음과 같습니다.

일련의 polystyrene 표준물질에 대한 일반적인 범용 검량선 및 점도 법칙 플롯.

폴리머 핸드북에는 다양한 폴리머/용매 조합에 대한 많은 K 및 알파 값이 포함되어 있습니다. 오늘날 사용 가능한 많은 상용 GPC 소프트웨어 패키지에 이러한 경험적 상수를 입력하고 많은 폴리머에 대한 "절대" 분자량 또는 정확한 분자량을 얻을 수 있습니다. 핸드북의 값이 분석할 폴리머에 대해 정확한지 확인해야 하는데, 그렇지 않으면 오류가 발생합니다. 

현재는 차등 굴절률(dRI) 검출기와 함께 온라인 점도계 검출기를 사용하여 각 슬라이스의 분자량을 직접 얻을 수 있습니다. dRI는 농도(C) 검출기이고 점도계 검출기는 고유 점도와 농도([η]C)의 곱을 제공합니다. 점도계 신호를 dRI 신호로 나누면 전체 폴리머 피크에 걸쳐 각 슬라이스의 고유 점도[ni]가 얻어집니다. 이제 고유 점도, 그리고 물론 각 슬라이스의 머무름 시간(또는 부피)을 모두 알고 있으므로 범용 검량선으로 돌아가 각 슬라이스의 분자량 Mi를 얻을 수 있습니다. 이 범용 검량의 개념은 특히 오늘날 분석되는 대부분의 폴리머를 대표하는 무작위 코일형 폴리머에 광범위하게 적용할 수 있습니다. 막대형, 구형 또는 구상(예: 단백질)과 같은 다른 폴리머 형태는 범용 개념 방식에 맞지 않을 수 있습니다. 범용 검량이 효과가 있으려면 폴리머와 용리액 또는 컬럼 충전제 사이에 상호작용이 없어야 합니다.  

범용 검량 및 온라인 점도계/dRI 검출을 사용할 때의 또 다른 이점은 알려진 선형 폴리머 표준과 비교하여 폴리머의 가지치기가 얼마나 이루어졌는지 확인할 수 있다는 것입니다. 이 기술은 긴 사슬 가지치기(짧은 사슬 가지치기의 반대 개념)에 매우 민감하며 선형 형태와 비교하여 특정 폴리머가 처리되는 방식 또는 최종 물리적 특성을 예측하는 데 중요합니다. 

예를 들어, 선형 polyethylene 브로드 폴리머(예: "NBS 1475" 또는 기타 알려진 선형 polyethylene)를 실행할 수 있으며 결과적인 Mark-Houwink 값은 실험을 통해 결정됩니다. 결과적인 Mark-Houwink 플롯(또는 점도 법칙 플롯)은 일정한 기울기로 선형이 됩니다(알파는 전체 분자량 분포에 걸쳐 일정함). 그런 다음 K 및 알파 값을 소프트웨어에 입력할 수 있으며, 미지의 후속 polyethylene을 분석하고 알려진 선형 polyethylene의 점도 법칙 플롯과 비교할 수 있습니다.

미지 물질이 긴 사슬 가지치기를 나타내면 점도/분자량 관계는 선형이 아닙니다. , 점도가 분자량에 따라 선형적으로 증가하지 않습니다. 선형에서 많이 벗어날수록 긴 사슬 가지치기 수준이 커집니다. 긴 사슬 가지치기가 없고 기울기가 일정한 저분자량에서만 가지치기된 폴리머에 대해 정확한 알파를 얻을 수 있습니다. 폴리머가 긴 사슬 가지치기가 있는 분자량에 도달하면 알파는 지속적으로 변화하고(심지어 0에 접근할 수도 있음) 의미를 상실하게 됩니다. 선형 폴리머에 대한 가지치기된 폴리머의 점도 법칙 플롯의 간단한 비율로부터 가지치기 지수(g’)가 얻어집니다(여기서 g’ = [η ]br/[η]lin). 가지치기 빈도 및 존재하는 가지치기 유형 등을 결정하기 위해 추가적인 계산을 수행할 수 있습니다. 굴절률 검출기와 함께 점도계 검출기를 온라인으로 추가하면 확실히 폴리머에 대한 훨씬 더 많은 정보, 특히 다음과 같은 값을 얻을 수 있습니다.

  • 범용 검량을 통한 폴리머의 "절대" 또는 정확한 분자량
  • 폴리머의 고유 점도 계산
  • 가지치기 결정

GPC 분석 수행

GPC 분석을 준비하는 데 있어 가장 중요한 기준은 폴리머를 용해시키기에 적합한 용매를 찾는 것입니다. 이것이 사소한 문제로 들리겠지만 GPC는 용액 내 폴리머의 크기를 기반으로 하는 분리 기술이라는 점을 상기해야 합니다. 폴리머 사슬은 용액에서 특정하게 완화된 형태로 열리며 선택한 용매에 따라 이 크기가 결정됩니다. 많은 폴리머는 상온에서 다양한 용매에 녹지만 어떤 경우에는(특히 고결정도 폴리머의 경우) 용해를 위해 고온이 필요합니다. GPC 샘플 전처리의 또 다른 중요한 측면은 선택 농도입니다. 컬럼 세트에 샘플량이 너무 많이 로드되면 농도 또는 점도 효과가 있을 수 있고, 이로 인해 잘못된 용리 부피가 얻어질 수 있습니다. 또 다른 고려 사항은 폴리머 용액을 필터링할지 여부입니다. 이러한 샘플 전처리의 일부 고려 사항에 대해 논의하겠습니다.

실온용 용매 선택 가이드 수용성 폴리머

폴리머 

등급

용리액

Polyethylene oxide

중성 분자

0.10M NaNO3

Polyethylene glycol

중성 분자

0.10M NaNO3

Polysaccharides, Pullulans

중성 분자

0.10M NaNO3

Dextrans

중성 분자

0.10M NaNO3

Celluloses(수용성)

중성 분자

0.10M NaNO3

Polyvinyl alcohol

중성 분자

0.10M NaNO3

Polyacrylamide

중성 분자

0.10M NaNO3

Polyvinyl pyrrolidone

중성 소수성

80:20 0.10M NaNO3/Acetonitrile

Polyacrylic acid 음이온

음이온

0.10M NaNO3

Polyalginic acid/alginates

음이온

0.10M NaNO3

Hyaluronic acid

음이온

0.10M NaNO3

Carrageenan

음이온

0.10M NaNO3

Polystyrene sulfonate

음이온 소수성

80:20 0.10M NaNO3/Acetonitrile

Lignin sulfonate

음이온 소수성

80:20 0.10M NaNO3/Acetonitrile

DEAE Dextran

양이온

0.80M NaNO3

Polyvinylamine

양이온

0.80M NaNO3

Polyepiamine

양이온

0.10% TEA

n-Acetylglucosamine

양이온

0.10M TEA/1%

Polyethyleneimine

양이온, 소수성

0.50M Sodium Acetate/0.50M

폴리(n-methyl-2-vinyl pyridinium) I 염

양이온, 소수성

0.50M Sodium Acetate/0.5M Acetic Acid

Lysozyme

양이온, 소수성

0.50M Acetic Acid/0.30M Sodium sulfate

Chitosan

양이온, 소수성

0.50M Acetic Acid/0.30M Sodium sulfate

Polylysine

양이온, 소수성

5% Ammonium Biphosphate/3%

Peptides

양이온, 소수성

0.10% TFA/40%

Collagen/Gelatin

양쪽성

80:20 0.10M NaNO3/Acetonitrile

sodium nitrate가 표시되는 많은 경우에 많은 작업자들은 acetate, sulfate, sodium chloride 등을 사용했습니다. 우리는 중성 및 음이온성 화합물에 대해 이온 간섭을 매우 일관되게 최소화하는 것으로 나타난 sodium nitrate를 권장합니다. 이러한 다양한 용리액을 사용하는 이유는 충전제의 전반적인 음이온 전하 때문입니다. 수용성 GPC용 methacrylate 기반 겔 충전은 전반적으로 음이온 전하를 띠므로, 물에서만 실행할 경우 음이온 샘플의 이온 배제 및 양이온 샘플의 이온 흡착을 유발할 수 있습니다. 

크로마토그래피 시스템에서 사용하기 전에 항상 진공 상태에서 용리액을 필터링해야 합니다. 유기 용매에는 일반적으로 fluorocarbon 필터가 사용됩니다. 필터 공극 멤브레인 크기는 일반적으로 0.45μm(마이크론)입니다. 수용성 GPC(물의 필터링)의 경우, acetate 유형의 멤브레인 필터가 사용됩니다. 광산란 분석을 준비하는 경우 0.20μm 필터를 통해 용리액을 필터링하는 것이 좋습니다. DMF와 같은 일부 유기 용매는 점성이 매우 높아 탄화불소 필터 표면을 잘 적시지 않습니다. 처음에 필터 표면을 메탄올로 적신 다음 빠르게 DMF 필터링을 시작하면 도움이 될 수 있습니다. 그런 다음 소량의 메탄올/DMF 혼합물을 버리고 필터가 마르기 전에 DMF 필터링을 시작합니다.

농도

분석에 적합한 용매를 선택했으면 다음 단계는 내로우(Narrow) 표준물질과 샘플 용액을 준비하는 것입니다. 허용 가능한 시그널 대 잡음비를 얻을 수 있도록 충분한 농도를 사용하는 데 유의해야 하지만 컬럼에 과부하가 걸리고 농도 효과가 발생할 위험은 없습니다. 아래 표는 어떤 농도를 준비해야 하는지에 대한 지침으로 이용되는 일반적인 "경험 법칙"입니다. 이러한 농도는 백분율로 표시되며 1.0mg/mL는 0.10%에 해당합니다. 온도에 대한 보정은 하지 않으므로 모두 실온에서 준비된 것으로 가정합니다. 점도계 또는 광산란 분석을 수행하는 경우 주입된 exact mass를 확인해야 합니다. 고온에서 분석하는 경우, 밀도 보정이 필요합니다. 표시된 이러한 농도는 컬럼당 최대 100ul 주입 부피를 가정하고 사용됩니다. 

분자량 범위

농도 범위(부피당 중량) w/v

MW>1,000,000

0.007–0.02%

500K–1,000,000

0.02-0.07%

100K–500K

0.07-0.10%

50K-100K

0.10-0.13%

10K-50K

0.13-0.16%

<10K

0.16-0.20%

샘플 전처리

표준물질과 샘플을 선택한 용매에 성공적으로 용해시키고 GPC 컬럼을 설치했으므로 이제 주입을 시작할 준비가 되었습니다. 다음으로는 샘플 용액을 필터링해야 하는지 여부를 결정합니다. 거의 모든 경우에, 주입 전에 샘플 용액을 필터링해야 합니다.  

일반적으로, 앞서 논의한 용매 필터링의 경우와 같이 0.45μm 멤브레인 탄화불소 필터를 선택합니다. 카본 블랙, 이산화티타늄, 실리카 또는 기타 필러와 같은 매우 미세한 미립자 물질이 있는 일부 경우에 0.20μm 필터를 사용할 수 있습니다.  

확실한 것은, 매우 미세한 필터 크기를 사용하기 시작하면 폴리머 전단이 문제가 될 수 있다는 것입니다. 0.20μm 필터를 통해 높은 분자량의 폴리머를 필터링하면 확실히 전단 저하가 일정 수준 발생할 수 있습니다. 샘플을 전혀 필터링하지 않는 선택을 내릴 수도 있으며, 이 경우에는 시스템 인라인 필터 또는 컬럼 프릿의 막힘으로 인한 압력 증가가 없기를 기대해야 합니다.  확실한 것은, 매우 미세한 필터 크기를 사용하기 시작하면 폴리머 전단이 문제가 될 수 있다는 것입니다.

이제 표준물질과 샘플 주입을 시작할 수 있습니다. 이전에 언급했듯이 표에 표시된 농도로 컬럼당 최대 100μL를 주입합니다. 실행 시간은 1.0mL/분의 유속으로 컬럼당 약 15분이므로 3개의 컬럼 세트에 대한 분석 시간은 약 45분이 됩니다.  확실한 것은, 매우 미세한 필터 크기를 사용하기 시작하면 폴리머 전단이 문제가 될 수 있다는 것입니다.

샘플 세트가 실행되면 데이터 처리 시스템이 우리가 지정한 Integration Method에 따라 결과를 처리하고 완성된 보고서를 제공합니다. 이는 Empower 소프트웨어의 "실행 및 보고" 모드에서 자동으로 수행되거나 각 원시 데이터 파일로 이동하여 각 샘플을 수동으로 적분하도록 선택할 수 있습니다. 

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