GPC/SEC 를위한단계적분석방법개발 기술개요 저자 Adam Bivens Agilent Technologies, Inc. 개요 애질런트는 GPC/SEC 기술을사용하여시료를측정하는다양한응용분야를위해총체적인솔루션을제공합니다. 유연한분석법및올바른제품은처리량을최대화하고데이터오류를줄임으로써실험실예산에직접적인영향을미칩니다. 이기술개요는초기단계의화합물의식별부터컬럼의수명마지막단계까지분석방법의각단계를검토합니다. 서론 크기배제크로마토그래피 (SEC) 또는겔여과크로마토그래피 (GFC) 로도불리는겔침투크로마토그래피 (GPC) 는시료분자량분포를측정하는핵심적인방법입니다. GPC 컬럼은정확한직경의 pore 및큰 pore volume 을가지는다공성비드로채워져있습니다. 주입후작은분자들이 pore 로흘러들어가고큰분자들은배제되어용매에의해쓸려나갑니다. 이러한분리메커니즘은분석물질이가장큰분자부터작은분자까지의분자순에따라용리되도록합니다. 정확한분석법개발은데이터가일관적이고오류가없도록보장하고각분석법개발에소요되는시간도최소화할수있습니다.
시작하기 화합물식별화학물식별결과는보통제품서류또는안전데이터시트에기재되어있습니다. 대상시료에대해아는것이없다면, 분광학적방법을사용하여화학물을식별할수있습니다. 그림 1 에는 Agilent 4300 portable FTIR 을이용해중합체를쉽게식별하는과정을보여줍니다. 그림 1. Agilent 4300 Portable FTIR 을이용하여중합체를쉽게식별할수있습니다 잠재적인용매 - 온도 - 고정상화학조합확인 컬럼구매전, Polymer-To-Solvent Reference Table for GPC/SEC(5991-6802EN)[1] 를참조해응용분야에적합한적절한고정상과용매를확인합니다. 분자량 (MW) 범위확인시료의분자량범위는컬럼선택에매우중요합니다. 중합체 분자량범위는제조서류에기재되어있는경우가많습니다. 광산란, 유변학, 적정등의오프라인기술을사용해분자량을측정할수도있습니다. 만약단일한평균분자량만이주어져있다면, 이평균분자량의 10 배값을상한선으로, 1/100 값을하한선으로해범위를설정할수있습니다. 첨가물, 예비중합체, 가소제 대부분의비중합체첨가물은 1,500Da 이하의분자량을가지고있습니다. 예비중합체와큰분자량의첨가물은보통 10KDa 이하의분자량을나타냅니다. 시료 cleanup 질량분석기에서큰분자는이온화과정에서조각화되고분석을방해합니다. 정확한분자량한계는이온화기법에따라달라집니다. 농약성분테스트도중지방, 왁스를비롯한큰분자들에의한방해를막기위해 EPA method 3640A 에서는 390Da 의분자량상한선을사용합니다. 더자세한정보는 5991-5321EN[2] 을참조하세요. 기기검토온도 시료가시스템을거치며노출되는모든온도에서용해될수있음을확인합니다 ( 노출된캐필러리는실온과같다고가정 ). 높은온도에서만용해된상태를유지할수있는시료의경우, Agilent PL-220 High Temperature GPC/SEC 시스템 (G7820A) 이용해부터검출까지온도조절기능을제공할수있습니다. 압력 시스텝압력이설명서에기재된펌프또는컬럼의한계를초과하지않도록확인합니다. 2
검출기굴절률 (RI) 검출기 GPC에서가장일반적 광범위한물질검출기능을제공하나 UV-Vis에비해서는떨어지는감도 시료와용매사이굴절률차이에따라비율적으로나타나는반응 자외선-가시광선 (UV-Vis) 검출기 일반적이면서도감도가높은검출기 시료내크로모포어가있어야하며방해없는용매필요증기화광산란검출기 (ELSD) RI 검출기보다높은감도 광범위한성분검출가능 휘발성시료의경우감도와반응이급감함 3중검출 ( 굴절률, 광산란, 점도측정결합 ) 복잡한시료, 비선형적 / 가지형중합체, 그라프트중합체, 공중합체등의특성규명에필요 굴절률, 점도측정, 브랜칭정도에대한인라인측정 더자세한정보는다음을참고하십시오. A Guide to Multidetector Gel Permeation Chromatography(5990-7196EN)[3] 확산 확산은시스템의효율성및속도극대화를방해합니다. 확산이높은시스템은더긴분석시간, 낮은분리능을나타내며이는단순히고효율컬럼으로교체하는것만으로는개선될수없습니다. 확산의흔한원인은캐필러리, 컬럼, 피팅, 흐름셀, 주입루프, 시스템 dead volume 등에있습니다. 고확산및저확산시스템모두의성능을개선할수있는단계를밟을수있습니다. Instrument Setup for Fast GPC(5991-7191EN)[4] 를참조하십시오. 분석법개발 컬럼선택 Polymer-To-Solvent Reference Table for GPC/SEC(5991-6802EN)[1] 에서귀하의목적에적합한컬럼고정상과용매를선택하십시오. 브로셔에서분자량에근거해화합물을분리할수있는모든컬럼을확인합니다. 최고성능의컬럼을선택하기위해효율성및검량곡선을비교합니다. 컬럼은가장큰화합물을최대한빠르게분리해내고가장작은화합물을최대한느리게분리해분리능을높일수있어야합니다. 분자량범위는대상물질의분자량범위와가장일치하며차이가적을수록좋습니다. 중요하지않은부분은분자량범위를벗어날수있으나, 이경우피크가심하게왜곡될것입니다. Polystyrene molecular weight Polystyrene molecular weight 10 M 1 K 10 M A 4 10 Elution volume (ml) B 10 3 Å 500 Å 100 Å 50 Å 10 4 Å 10 5 Å 10 6 Å 20 µm MIXED-A 10 µm MIXED-B 5 µm MIXED-C 5 µm MIXED-D 3 µm MIXED-E 1 K 4 10 Elution volume (ml) 그림 2. PLgel MIXED 및개별 pore 크기의컬럼에대한검량곡선 3
컬럼선택시분리능력과높은효율성중하나를골라야한다면, 더우수한분리능력을선택하는것이좋습니다. 효율성은시스템확산또는컬럼성능떨어짐등에의해쉽게나빠질수있으나, 우수한분리능력은시스템의컬럼총길이에만영향을받기때문입니다. 분석조건용매가장일반적인용매시스템에대한가이드는 Polymer-To- Solvent Reference Table for GPC/SEC(5991-6802EN)[1] 를참조하십시오. 특성이규명되지않은화합물을분석할때에는물질이매개체와반응하지않도록하는것이중요합니다. 계산된분자량을광산란, 적정또는점도측정과같은분리방법에의해알아낸값과비교해야합니다. 매개체와반응여부를알수있는또다른방법은분자량과직접연관되지않은피크순서로, 이를테면피크가컬럼의낮은분자량한계이하에서용리되거나 ( 그림 3) 알려진낮은분자량의화합물이알려진높은분자량의화합물다음으로용리되는경우입니다. 온도컬럼온도를 5~10 C 가량높이는것은 GPC에서시료점도를낮추고높은효율성, 낮은압력, 빠른유속을달성하는데큰도움이됩니다. 유속 GPC에서유속은시료에따라최적화되어야합니다. 용매속도와효율성간의관계 (van Deemter 곡선 ) 는입자크기및시료분자량에따라달라집니다. 큰분자의경우큰입자가요구되며, 느린유속에서더잘분리됩니다 (SI-01745)[5]. 작은분자는작은입자의컬럼에서더효율적으로분리되며, 빠른유속일수록더유리합니다 (5990-8332EN)[6]. 서로다른유속으로분자량표준물질을반복적으로주입하여분석함으로써유속을최적화할수있습니다. 최적의유속은표준물질피크가분석대상물질의분자량과가장가깝게나타나고분리가잘되는경우입니다. (SI-01745)[5]. 마지막으로, 넓은직경의컬럼과높은총유속은고확산시스템의효율과분리능을높일수있습니다. 이전략은고확산시스템성능을최대화하는 Agilent PL Rapide 컬럼에사용됩니다. 주입부피긴중합체사슬은농도가낮은경우에도용매의점도를크게높일수있습니다. 시료농도는최대한낮게유지하는것이좋습니다. 시그널을최대화하는동시에측정결과에영향을주지않는분석조건을얻기위해여러주입부피와농도를테스트해야합니다. 보다자세한사항은 GPC/SEC Column User Guide(5991-3792EN)[7] 를참조하십시오. 소프트웨어파라미터피크의시작부분과꼬리부분을피크적분에서제외하는것은총피크모양의통계적분석을기초하여계산되는 Mn, Mz 및 MW의수치에심각한영향을초래할수있습니다. 비일관적인수치는중합체의물리적, 화학적특성을밝혀내는데도움이되지않습니다. 피크의시작부분과꼬리부분이누락된상황또는피크의모양이비정상적인경우 ( 예 : Bimodal peak) 에는계산된분자량분포를직접합치는것이시료간차이를식별하는데가장좋은방법입니다. 그림 3. 5% 메탄올첨가로아래크로마토그램에서보이는극성화합물상호반응이없어집니다 4
필요한유지보수 컬럼상태모니터링검량 : 정확한분자량값을얻기위해컬럼을정기적으로검량해야합니다. GPC/SEC에서오류는기하급수적으로증가하므로, 머무름시간에대한 1% 의부정확함은측정된분자량의 10% 오류로이어질가능성이높습니다. 펌프드리프트, 컬럼노후화, 새로운캐필러리, 재스웨지된피팅, 새로연결된컬럼등모두머무름시간을변화시킬수있습니다. 이러한오류발생을방지하려면데이터수집전후에시스템을검량하십시오. 더자세한정보는다음을참고하십시오. Calibrating GPC Columns, A Guide to Best Practice(5991-2720EN)[8] Agilent Standards Brochure (5990-7996EN)[9] 유속마커 : 분석의끝을표시하기위해톨루엔, BHT, 아세톤, 에틸렌글라이콜등의작은분자를유속마커로모든시료에첨가합니다. 마커의좁은피크 ( 그림 4, 피크 6) 는넓은시료피크에분명히나타나지않는컬럼효율성을측정하고열화, 테일링, 머무름시간변화를확인하기위해사용될수있습니다. 4.5 4.0 8 A B 1 2 3 4 Time (min) 5 6 Peak ID 1. 30,000 2. 5,000 3. 2,450 4. 1,270 5. 580 6. 162 18 문제해결 Agilent GPC/SEC 컬럼은견고성과사용기간면에서탁월함을보이나, 시간이지날수록또한소모됩니다. GPC/SEC 에만나타나는몇가지실패사례가있으며, 이에대해잘숙지하면연구자가부정확한데이터를생성하는것을피할수있습니다. 큰 pore 손실 흐르는용매가천천히가장큰 pore 들을손상시켜더이상큰분자들이분리되지못하게됨. 증상 : 높은분자량표준물질들이더이상분리되지않습니다가장큰분자들이크로마토그램의초반에모두용리해피크또는숄더 (shoulder) 형태로나타납니다 해결책 : 정기적인검량을통해 pore 손상을확인하고, 필요한경우컬럼을교체해데이터품질을향상시킵니다 베드열화 입자가지속적사용으로인해서서히상실되어 pore 크기분포가변화하고전체적인분리능과효율성이떨어짐. 증상 : 효율성이저하되고, 가장높은분자량과낮은분자량검량표준물질간분리효과가저하됩니다 해결책 : 정기적인검량과유속마커의사용으로분리성능과효율성저하를확인합니다. 효율성이수용가능한수준 ( 원래효율성의 80%) 이하로떨어지면컬럼을교체하십시오 화학적부식 활성화합물이입자표면을변화시키고분석대상물질의접착을유도할수있습니다. 문제를일으키는흔한물질로는잔류산화제, 라디칼개시체, 활성예비중합체 ( 예 : 아크릴클로라이드 ), 용매열화제품등이있습니다. 증상 : 시간이지날수록동일한시료가더잔류하게되어피크가쪼개지거나테일링현상이일어나게됩니다 해결책 : 주입전에모든종류의강산또는강염기를중화하고, BHT를이용해잔류산화제및라디칼개시제를비활성화하며, 알코올로친핵체및친전자체를없앱니다 3.5 3.0 2.5 2.0 10.0 16.5 Time (min) 그림 4. 작은 pore 크기의컬럼검량 5
결론 잘개발된 GPC/SEC 분석법은분석가들이실험실의시료처리량및효율성을극대화하고작업지연및오류를피할수있게해줍니다. 애질런트는 GPC/SEC 를이용하는분석의총체적이며업계선도적인솔루션, 모든분석에최적화된분석법을개발하는데필요한전문지식을제공하는것에대해매우자랑스럽게생각합니다. 참고문헌 1. Adam Bivens. Polymer-to-Solvent Reference Table for GPC/SEC; 기술개요, Agilent Technologies, Inc. 발행물번호 5991-6802EN, 2016. 2. Catherine Jones, Praveen Kutty, Alan Brookes. An Automated System for the Routine Clean-up of Environmental Samples Prior to Instrument Analysis; 응용자료, Agilent Technologies, Inc. 발행물번호 5991-5321EN, 2014. 3. A guide to multi-detector gel permeation chromatography; Agilent Technologies, Inc. 발행물번호 5990-7196EN, 2012. 4. Adam Bivens. Instrument Setup for Fast GPC; Technical overview, Agilent Technologies, Inc. 발행물번호 5991-7191EN, 2016. 5. Plate Height vs Flow Rate - Effect of Molecular Weight; 기술개요, Agilent Technologies, Inc. 발행물번호 SI-01745, 2010. 자세한정보 이러한데이터는일반적인결과를나타냅니다. 애질런트의제품및서비스에대한자세한정보는애질런트웹사이트 (www.agilent.com/chem) 를방문하십시오. www.agilent.com/chem 애질런트는이문서에포함된오류나이문서의제공, 이행또는사용과관련하여발생한부수적인또는결과적인손해에대해책임을지지않습니다. 이발행물의정보, 설명및사양은사전공지없이변경될수있습니다. Agilent Technologies, Inc., 2016 2016년 8월 25일한국에서인쇄 5991-7272KO 서울시용산구한남대로 98, 일신빌딩 4층우 )04418 한국애질런트테크놀로지스 ( 주 ) 생명과학 / 화학분석사업부고객지원센터 080-004-5090 www.agilent.co.kr