사이언스21 8월호에는 ‘가스 크로마토그래피 각론(필자: 오승호)’에 대하여 소개하고자 한다. ‘가스 크로마토그래피 각론’에 대한 주요 내용은 다음과 같은 순서로 소개된다.
Ⅱ. 가스 크로마토그래피 각론
1. 가스 크로마토그래피의 분리 메커니즘(분배, 흡착)
2. 가스 크로마토그래피의 분류
3. 가스 크로마토그래피 분석을 위한 시료 전처리 기술
1) 유도체화 기술
2) Headspace
3) Pyrolyzer
4. 가스 크로마토그래피의 기기 구성 및 역할
1) 캐리어 가스
2) 각종 트랩
3) 컬럼의 종류(Packed/Capillary)
4) 컬럼 오븐
Ⅱ. 가스 크로마토그래피 각론
가스 크로마토그래피는 분석 대상 물질이 상온에서 기체 또는 열을 가하여 기화가 가능하며 열을 가하더라도 시료의 변질이 없는 것을 분석 대상으로 한다. 실용적으로 악취 분석, 가스류 분석, 유기 용매 분석 및 최근에는 고분자까지도 열분해 장치(Pyrolyzer)를 통해 GC로 분석이 가능하다. 특히 석유화학 분야에서는 PONA 분석이라고 해서 파라핀계, 올레핀계, 나프텐계 및 방향족 탄화수소를 분석하는데 많이 이용하고 있다. 여기서 PONA는 Paraffins, Olefins, Naphthenes, Aromatics을 의미한다. 또한 휘발성이 없는 시료라 하더라고 유도체화 반응을 통해 휘발성을 가지게 만들어서 분석하는 방법도 많이 이용되고 있다. 최근에는 GC에 FTIR, MS를 연결하여 보다 많은 정보를 얻는 방법을 많이 사용하고 있다.
1. GC의 분리 원리
GC는 이동상으로 캐리어 가스라는 기체를 사용하는 것으로 분리 원리는 다음과 같다.
고정상을 채운 컬럼에 시료를 주입하면 운반기체에 의해 고정상(컬럼)을 통하여 시료가 운반된다. 이때 고정상에서는 각 성분들이 평형의 법칙 즉, 분배 계수의 차이나 흡착 정도의 차이에 따른 고정상인 액체나 고체와 이동상인 운반기체 사이에 분배나 흡착에 따라 분리가 일어난다. 가스 크로마토그래피에서 사용하는 분리 메커니즘은 크게 흡착(Adsorption)과 분배(Partition)를 이용한다.
1) 흡착(Adsorption)
고정상이 고체이면 GSC(Gas-Solid Chromatography)라 부르고, 시료가 컬럼 충전제에 흡착하는 정도에 따라 분리되는 기술로, 일반적으로 사용되는 고정상(또는 Packing)은 Silica Gel, Molecular sieve, Charcoal 등이다.
2) 분배(Partition)
만일 고정상이 액체이면 GLC(Gas-Liquid Chromatography)라 부른다. 휘발성이 낮은 액체를 고체 지지체(Solid Support)위에 얇은 막(Film)으로 입혀서 고정상으로 사용하며, 분배 원리는 이 액체의 얇은 막에 있어서 시료의 분배 정도의 차이를 이용한다. 대부분의 가스 크로마토그래피는 GLC이다. 여기서 분배계수는 통상 K로 나타낸다.
K= Cs
Cm
여기서 Cs는 고정상 중의 시료의 농도, Cm은 이동상 중의 시료의 농도를 가리킨다.
2. GC의 특징
1) HPLC에 비해 빠른 분석이 가능하다.
(통상적으로 분 단위의 시간이 소요된다.)
2) 높은 분리능을 가진다.
3) 감도가 좋아 ppm, ppb 단위의 농도를 쉽게 검출할 수 있다.
4) 기기의 가격이 저렴하다.
5) 시료의 소요량이 매우 적다(통상 μL 정도)
6) 데이터의 재현성과 정확도가 매우 높다.
3. 가스 크로마토그래피 분석을 위한 시료 전처리 기술
1) 유도체화 기술: 가스 크로마토그래피의 이용범위의 확대를 목적으로 해 분리를 위한 전처리법 혹은 검출을 위한 전처리법으로써 유도체화를 하고 있다. 유도체화의 종류는 다음과 같다.
① 에스테르화: 지방산이나 유기산은 카르복실기를 갖고 있기 때문에 극성이 높고 난휘발성의 것이 많다. 그 때문에 그대로 GC를 거치면 용출하지 않고 테일링하거나 한다. 이것들은 에스테르화 하는 것으로 현저하게 개선시킨다.
디아조메탄에 의한 메틸에스테르화가 유명하지만, 그 독성 때문에 최근에는 디아조메탄 대신에 트리메틸시릴디아조메탄이 사용된다. 그 밖에 산을 촉매로써 알코올을 반응시키는 방법이나 디메틸포름아미드디메틸아세탈(DMFDMA)을 이용하는 방법 등이 있다.
② 시릴화: 트리메틸시릴(TMS)화가 일반적이다. 활성수소를 가진 화합물, 특히 수산기, 카르복실기, 아미노기, 메르캅토기 등을 포함한 화합물의 유도체화에 잘 사용 되는 것이 TMS화이다.
최초 TMS화는 펩티드 합성에 있어서 활성기의 보호에 이용되고 있었다. 그러나 TMS화의 결과 휘발성, 열안정성이 증대해 컬럼에 흡착이 적게 되는 것을 알 수 있고 또 반응도 단시간에 정량적으로 진행하는 등의 이점도 있기 때문에 GC의 유도체화에 이용되게 되었다.
③ 아실화: 유도체화에 의해 아미노기, 수산기 등의 활성을 약하게 하고, 휘발성을 높여, 화합물의 안정성을 향상시킨다. 아실화의 1개, 트리플루오르아세틸(TFA)화는 할로겐 원자를 포함하기 때문에 전자포획 검출기(ECD)에 대해서 뛰어난 감도를 나타낸다. TFA화 시약으로써는 무수 트리플루오로 초산, 트리프루오르아세틸이미다졸, N-메틸비스(트리플루오르아세트아미드) 등이 있다.
2) Headspace법: 일반적으로 헤드스페이스(HS)법으로 불리는 정적(스태틱) 헤드스페이스법에서는 용기 중에 시료(액체나 고체)를 넣고 밀봉한다. 밀봉된 용기를 가열하면 용기 내에서는 시료부와 기상부가 존재해 시료 중의 목적 성분이 일부 기상으로 이행해 평형이 성립한다.
헤드스페이스법에서는 일정 조건 아래 기상과 시료상과의 사이에서 평형상태를 성립 시켜 기상의 일부를 GC에 도입하는 것에 의해 시료 중의 목적 성분량을 측정한다.
3) Purge & Trap법: 이 방법은 연속적으로 퍼지가스를 시료용기 내에 이끌어 넣어 목적 물질을 추출하면서 포집제로 농축해 나가는 방법으로 가스 스트립핑법 또는 다이나믹 헤드스페이스(DHS)법이라고도 일컬어지고 있다.
기타 고체시료에 불활성가스를 흘리면서 열을 가해 추출하는 열 탈착법도 DHS법의 일종이다. Purge & Trap법에서는 물시료에 불활성가스(He, N₂ 등)를 넣어 버블링(퍼지)을 실시해, 강제적으로 물시료 중에서 휘발성 성분을 내쫓아 포집제가 들어간 트랩관에 농축한다. 트랩관에 농축된 휘발성 성분은 트랩관을 가열하는 것으로 탈착되어 GC에 도입된다.
4) SPME법(Solid phase microextraction, SPME): 용매를 사용하지 않고 소량 시료의 간단한 전처리 방법으로써 개발되었다. SPME에서의 추출은 파이버상의 추출부(액상 혹은 흡착제)와 시료 사이의 분배계수에 근거해 행해진다.
그 때문에 시료에 SPME 파이버를 삽입하면 시료(액체 혹은 기체)와 SPME 파이버 표면상에 형성한 추출상(액상 혹은 흡착제)의 2개의 상 사이의 분배계수에 따라 시료성분이 시료-추출상(SPME 파이버) 사이에 분배해 평형에 이를 때까지 추출상에 이행, 포집한다. 추출상에는 몇 개의 종류가 있고 각각 특성이 있다. 시료 성질과 상태, 목적물질, 그 검출 감도에 따라 추출상을 선택해 최적화할 필요가 있다.
5) Pyrolyzer: 파이롤라이저는 열분해 장치라고 하는데 무산소 조건(헬륨 또는 질소)하에서 분석 시료를 등온 또는 승온으로 가열할 때 시료로부터 휘발 또는 분해되어 나오는 가스들의 조성을 분석하기 위해 시료 전처리를 하는 장치이다.
열 분해되어 발생된 가스들은 각 고분자 물질의 고유하고 독특한 특성을 반영하므로 각종 첨가제 및 고분자의 정성분석에 널리 사용되는 분석법이다. 고분자 물질과 같이 휘발성이 없고, 용매에 쉽게 녹일 수 없는 고체시료의 경우 열에너지를 가하여 시료를 열분해시켜 분석을 간편하고 정확하게 수행할 수 있도록 고안 제작된 열분해 시료 전처리 시스템이다.
4. 가스 크로마토그래피의 기기 구성 및 역할
가스 크로마토그래피의 기기구성은 다음 그림과 같다.
GC의 기기 구성
1) 캐리어 가스: 먼저 캐리어 가스 즉, 이동상으로 사용하는 가스봄베가 있다. 주로 많이 사용하는 가스로는 수소, 헬륨, 질소, 아르곤 등이 사용된다. 운반기체로써의 조건은 다음과 같다.
① 시료나 고정상에 대해서 화학적으로 활성이 없어야 한다.
② 컬럼 내에서 시료 분자의 확산(Diffusion)이 최소화해야 한다.
③ 사용하는 검출기의 종류에 적합해야 한다.
④ 고순도를 가져야 한다.(5N 이상)
⑤ 안전성이 높아야 한다.
일반적으로 질소는 가격은 저렴하지만, 상대적 선속도의 차이로 인한 분석시간이 길어지는 단점이 있으며, 수소는 분석시간이 짧고, 저렴하지만 폭발의 위험성이 있다. 불활성 기체인 헬륨이 최적이지만 가격이 비싼 것이 단점이다. 캐리어 가스의 유속의 설정은 GC에 있어서 분리능에 지대한 영향을 미치므로 van Demmter curve에 따라 고정상의 이론단 상당높이가 최소가 되는 유속을 선택해야 한다.
2) 각종 트랩: 캐리어 가스는 고순도가 요구되므로 가스봄베에 여러 가지 트랩을 부착한다. 이것을 Gas purifier라고 부르기도 한다. 이 트랩에는 수분을 제거하는 Moisture trap, 산소를 제거하는 Oxygen trap, 탄화수소류를 제거하는 Hydrocarbon trap 등이 있는데 요즈음에는 3가지 기능을 다 갖춘 혼합 Trap이 공급되기도 한다.
Gas Purifier의 예
3) Flow Controller: 운반기체인 이동상은 각종 Trap이라는 Gas purifier를 거쳐 고순도로 만든 후에 가스 압력 조절기(Gas regulator)를 통해 유속을 적절하게 조절한다.
4) 컬럼의 종류: GC용 컬럼은 크게 충전 컬럼(Packed column)과 캐필러리 칼럼(Capillary column)으로 나눌 수 있는데 분석시간을 짧게 하려면 충전 칼럼, 분석시간은 상대적으로 오래 걸리지만 정밀하게 분리하고자 한다면 캐필러리 컬럼을 사용한다.
① 충전 칼럼(Packed column)은 일정한 크기의 기체 크로마토그래프용 충전제를 불활성인 금속(스테인리스 강관), 유리 또는 합성수지의 관에 균일하게 충전한 것이다. 일반적으로 주문제작 형식(Custom made)으로 제조업체에 요청하면 공급해 주기도 한다.
② 캐필러리 컬럼은 불활성인 금속, 유리, 석영 또는 합성수지의 관 내면에 기체 크로마토그래프용 액상(Liquid phase)을 머무르게 한 중공 구조이다. 일반적으로 컬럼 제조업체의 브로셔에서 자신이 분석하고자 하는 물질을 찾으면 필요한 컬럼을 쉽게 확인할 수 있다. 요즈음에는 충전 컬럼보다 캐필러리 컬럼을 훨씬 더 많이 사용한다. 그 이유는 캐필러리 컬럼이 길이가 통상 수십 미터로 길어서 분리능이 훨씬 뛰어나기 때문이다.
5) 컬럼 오븐: 컬럼을 장착하는 장소로 온도를 조절할 수 있으며 컬럼 오븐에는 뒷면에 팬(Fan)이 달려있어 컬럼의 온도를 어느 부분이나 균일하게 유지하는 역할을 한다. 또한 온도의 하강을 빠르게 하기 위해, 열전달을 쉽게 하기 위해 컬러 오븐의 벽 부분에 많은 구멍이 뚫려 있어 열전달이 빠르게 일어나 컬럼의 온도를 빠르게 내리는 역할을 한다.
컬럼 오븐
Reference(참고문헌) : 1) 현장에서 도움되는 기체 크로마토그래피 분석(오승호 역) 신일서적
2) 시마즈 GC 세미나 자료
'가스 크로마토그래피 각론' 원고 자료는 오승호 박사가 제공하였다.
The Person in Charge(담당자): Oh Seungho
Mail inquiry: shoh2121@hanmail.net
Data Services(자료제공): 오승호: 기기분석 전문가 커뮤니티(https://cafe.daum.net/kcasc) 대표운영자
<이 기사는 사이언스21 매거진 2021년 8월호에 게재 되었습니다.>
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