'가스 크로마토그래피 각론'에 관한 주요 내용은 다음과 같다.
지난 사이언스21 8월호에 소개된 ‘가스 크로마토그래피 각론’ 시리즈에 대한 내용을 이어서 다음과 같이 소개하고자 한다.
5) Injection 기술 소개: GC에서 중요한 것 3가지를 뽑으라면 시료 주입방식인 Injection 기술의 선택과 분석 대상물질에 따른 적절한 컬럼 선택 그리고 검출기의 선택이라고 할 수 있다. 여기서는 시료 주입기술인 Injection 기술을 살펴본다.
GC에서 사용하는 시료 주입기(Injector)는 아래의 그림과 같이 크게 4가지로 구분된다.
① Split법(분할법): 방법은 시료도입부 내에 분기를 마련해 주입 기화한 시료를 분할(스플리트)하여 시료의 일부를 컬럼에 도입하고 나머지를 계외에 방출하는 방법으로 현재 캐필러리 컬럼용 시료 도입법으로서 가장 널리 사용하고 있는 방법이다.
이 방법은 시료가 농축된 경우에 사용하는 방법으로 컬럼의 과부하와 시료기화실에서의 피크의 확대라는 2개의 문제점을 해결한 방법이라고 할 수 있다. 캐필러리 컬럼은 충전컬럼과 비교해 시료 부하용량이 작기 때문에 충전컬럼과 동일한 정도의 시료량(μg 오더)을 컬럼에 도입했을 경우, 컬럼의 과부하가 생기고 정상적인 피크를 얻을 수 없다. 이 때문에 주입한 시료를 스플리트해(통상, 스플리트비는 1:20~1:200의 범위), 시료의 일부를 컬럼에 도입해 컬럼의 과부하를 막고 있다.
② Splitless법(비분할법): 스플리트 주입법은 주입한 시료의 일부 밖에 검출기에 도달하지 않기 때문에 목적 성분이 수 ppm 정도의 저농도 시료의 경우에는 감도적으로 검출이 어렵게 된다. 스플리트리스 주입법은 상기의 문제를 해결한 방법이다.
즉, 이 방법은 시료가 매우 희석되어 있는 경우 시료 전량을 주입하는 방법이다. 스플리트 출구를 닫아 시료를 주입해 기화한 시료의 거의 전량이 기화실로부터 컬럼으로 이행한 후 스플리트 출구를 열어 기화실에 일부 잔존하는 용매 등을 계외에 배출해 분석상 문제가 되는 큰 용매의 테일링을 없애는 주입 방법이다. 이 주입법은 스플리트리스로 불리고 있지만 엄밀하게 말하면 시료의 전량 주입은 곤란하므로 일부 손실이 있게 된다.
③ PTV법(Programmed Temperature Vaporization): 온도 프로그램 기화법이라고도 부른다. 이 방법은 콜드 온 컬럼 주입법과 같이 시료 기화실을 시료 용매의 비점 이하로 유지해 시료를 액체 상태로 주입한 후 기화실 전체를 급속 가열해 시료를 컬럼에 도입하는 방법으로 스플리트 주입법, 스플리트리스 주입법 및 콜드 주입법의 어느 주입법에도 적용할 수 있다고 하는 특징을 가진다.
PTV법이라는 것은 통상 스플리트 주입법, 스플리트리스 주입법과 같이 기화실내에는 인서트가 사용되기 때문에 난휘발 성분에 의한 기화실의 오염은 인서트의 교환으로 해결된다고 하는 이점도 있다.
또, 기화실의 온도 프로그램이 가능하기 때문에 온도차를 이용해 용매만을 스플리트 유로로부터 배출해 목적 성분을 기화실 내에 농축할 수가 있다. 거기서 시료에 따라서는 대량 주입에 의한 고감도 분석이 가능하다고 하는 특징을 가진다.
④ Cold on-column 주입법: 스플리트 주입법, 스플리트리스 주입법 및 직접 주입법은 모두 가열한 기화실에 시료를 주입해 순간 기화하는 방법이다.
이 때문에 이러한 주입법은 열에 대해서 불안정한 시료 및 마이크로시린지의 니늘 내에서 생기는 분별 증류 현상을 일으키는 시료 디스크리미네이션에 의한 정량성 등의 문제가 있다. 콜드 온 컬럼 주입법은 이러한 문제를 해결한 주입법이라고 할 수 있다. 이것은 시료 용매의 비점 이하로 유지한 캐필러리 컬럼에 직접, 시료를 액체 상태로 주입한 후 컬럼을 온도 상승시켜 분석하는 방법이다.
⑤ 충전 컬럼용 시료 주입기: 충전 컬럼용 시료 주입구는 가열된 금속블록 내에 실리콘 고무로 마개를 한 주입구를 가진 금속성의 시료기화실로 구성되어 있고, 캐리어가스가 주입구, 시료기화실을 지나 컬럼으로 흐르게 되어 있다. 시료기화실 부분에 컬럼이 직접 삽입되는 온 컬럼 방식과 기화실 부분에 교환 가능한 유리인서트를 장착한 인서트 방식이 있다.
액체 시료의 경우는 5~10μL 정도의 마이크로시린지가 이용되며 1~3μL의 시료를 가열시킨 시료 기화실에 주입구 고무마개(셉텀)를 관통해 도입한다. 기체의 경우는 기체 전용의 시린지(가스타이트 시린지)도 사용되지만, 주입 시에 압력이 가해지므로 1mL 정도 이하의 주입량이 된다. 기체의 경우는 샘플링 정밀도의 점으로부터 시료 계량관을 접속한 6방 밸브를 이용한 기체용 샘플러(가스 샘플러)가 일반적으로 이용된다. 덧붙여 최근에는 부속장치로서 마이크로시린지에 의한 샘플링 조작을 자동화한 자동 액체 시료 도입장치(오토 샘플러)가 널리 보급되어 있다.
6) 검출기의 종류와 원리, 용도 소개
여기서는 대표적인 GC의 검출기를 소개하고자 한다.
① 불꽃 이온화 검출기(Flame Ionization Detector): 수소불꽃 중에서 화합물이 연소할 때에 생기는 이온을 검출한다. FID는 가장 널리 사용되고 있는 GC 검출기로 대부분의 유기화합물에 응답한다.
석유화학에 있어서의 탄화수소류의 분석이나 식품에 있어서의 향료의 분석을 시작으로 여러 가지 분야에서 이용되고 있다. 이 검출기는 수소 불꽃을 일으키기 위해서 연료 가스로써 공기와 수소를 10:1 비율로 혼합하여 공급한다.
② 열전도도 검출기(TCD: Thermal Conductivity Detector): 화합물과 캐리어 가스의 열전도도의 차이를 검출하는 비파괴형 검출기이다. 비파괴형이기 때문에 다른 검출기와 직렬로 접속해 사용하거나 출구에 콜드트랩을 접속해 분취에 이용되는 일도 있다. 캐리어 가스 이외의 거의 모든 화합물을 검출할 수 있지만, 감도가 그다지 높지 않다. TCD의 감도는 필라멘트와 셀 내벽 내 온도차, 캐리어 가스와 시료성분의 열전도도의 차이, 셀의 구조로 정해진다.
캐리어 가스는 열전도도가 크고 화학적으로 불활성인 헬륨이 가장 자주 사용된다. 다만 수소의 검출에는 질소 혹은 아르곤이 이용되는데, 수소와 헬륨은 열전도도의 차이가 작기 때문이다.
검출기 온도는 감도, 필라멘트의 수명, 대상 성분의 비점의 밸런스에 의해 결정한다. 낮은 온도는 감도, 필라멘트의 수명에 유리하지만, 검출기가 오염되기 쉬워지므로 주의가 필요하다.
③ 전자포획 검출기(ECD: Electron Capture Detector): ECD는 할로겐 화합물, 방향족 니트로 화합물 등의 전자 친화성이 높은 화합물에 의한 전자 포획반응을 이용하는 검출기로 환경분석 등을 중심으로 이용되고 있는 고선택적이고 고감도인 검출기이다. 전자를 발생시키는 방식에 의해 방사선식과 비방사선식으로 대별되지만, 전자가 일반적이어서 여기에서는 방사선식에 대해 언급한다. 실제의 검출 메커니즘은 다음과 같다.
우선 63Ni 방사선원으로부터의 발생하는 β선에 의해 캐리어가스(검출기 가스)가 이온화되고 그때 방출된 전자에 의해 중심부의 어노드(양극)에 일정한 이온전류(레퍼런스 전류)가 흘러 크로마토그램의 바탕선이 된다. 거기에 컬럼으로부터 전자 친화성 화합물이 용출하면 열전자를 포획해 부이온을 생성하지만, 그 부이온은 캐리어가스(검출기 가스) 유래의 이온과 재결합 반응을 일으킬 확률도 높고 또 이온 그 자체가 전자와 비교가 되지 않을 정도로 크게 어노드에 도달하는 시간이 늦어 버리기 때문에 어노드에 도달하는 전자나 부이온의 양이 줄어들어 버린다. 그 결과, 검출되는 이온전류도 줄어들어 ECD에서는 그 전류의 감소를 피크로서 검출한다.
④ 열 이온화 검출기(TID: Thermoionic Ionization Detector): 수소불꽃 중의 알칼리금속 이온에 의해 질소나 인을 포함한 화합물을 이온화하고 그것을 검출한다. 이 검출기는 질소인 검출기(NPD: Nitrogen Phosphorous Detector) 또는 불꽃 열이온화 검출기(FTD: Flame thermionic detector) 라고도 불린다. 질소나 인 화합물에 선택성이 있기 때문에 임상이나 농약의 분석에 주로 이용된다. 그 검출기의 구조는 FID와 매우 비슷하지만 제트의 상부에 알칼리 금속염(루비듐염)을 부착 백금코일(비드)을 설치하고 있다. 검출기 내에 공기와 소량의 수소를 공급해 루비듐염을 가열한다. 그 주위에 플라즈마상의 분위기가 가능하다. 이 중에 유기질소 화합물(하나의 분자 내에 C와 N이 있는 화합물)이나 인 화합물이 들어오면 분해해 여기된 루비듐 원자에 의해 이온화되어 그 이온을 컬렉터로 포집해 검출한다.
⑤ 염광 광도 검출기(FPD: Flame Photometric Detector): 환원성의 불꽃 중에서 화합물이 연소할 때에 여기시킨 화학종이 내는 특이적인 파장의 빛을 검출한다. 대표적인 선택형 검출기의 하나이며 현시점에서는 황, 인 또는 주석을 함유하는 화합물을 대상으로 한다. 주로 향기 성분, 식품 혹은 환경시료 중의 농약, 석유·원유 중의 황 화합물의 측정 등에 사용되고 있다.
⑥ 광이온화 검출기(PID: Photoionization Detector): 검출기는 자외선(UV) 램프와 이온화실로부터 구성되어있다. UV 램프 내는 진공으로 되어 있어 아르곤 등의 미량의 불활성가스가 봉입되고 있다.
내부에 설치된 방전전극에 의해 봉입된 불활성가스는 그 종류에 특유인 파장(에너지)의 자외선을 발한다. 이불화칼슘(CaF2)과 같은 자외선 투과성이 높은 재질로 되어 있는 「창」을 통해서 이온화실에서 꺼내 컬럼으로부터 용출한 화합물의 이온화를 실시한다. 생성한 이온은 이온화실 내에 설치되고 있는 전극 사이를 이동해 그 이온량에 대응한 전류로써 검출한다.
5. Hypernated techniques
크로마토그래피의 일종인 가스 크로마토그래피만으로 휘발성 물질을 완전하게 분석하는 것은 불가능하다. 따라서 요즘은 GC와 다른 분석기기를 결합한 Hypernated technique이 많이 이용된다.
그중에서도 질량분석기와 결합한 GC/MS는 가장 많이 사용되는 기술이다.
1) GC/MS에서 이용하는 이온화 방법: GC/MS에서는 전자 이온화(EI: Electron Impact Ionization)나 화학이온화(CI: Chemical Ionization)방법을 주로 사용한다. 고분자 같은 분자량이 큰 시료도 순간적으로 열분해기(Pyrolyzer)를 통해 기화시켜 GC/MS로 분석을 하는 경우가 많다.
2) GC/MS에서 이용하는 Mass Analyzer(Mass Filter)로서는 사중극자형, 자장형, 이온트랩형, 비행시간형, 이온 사이클로트론형 등이 있다.
'가스 크로마토그래피 각론'에 관한 궁금한 내용은 본 원고자료를 제공한 오승호 기술사를 통하여 확인할 수 있다.
오승호: 기기분석 전문가 커뮤니티(https://cafe.daum.net/kcasc) 대표운영자
Reference(참고문헌/자료출처): 1) 현장에서 도움 되는 기체 크로마토그래피 분석(오승호 역) 신일서적
2) 가스 크로마토그래피 자유자재 Q&A(분리․검출편)(오승호 역) 신일서적
The Person in Charge(담당자): Oh Seungho
Mail inquiry: shoh2121@hanmail.net
<이 기사는 사이언스21 매거진 2022년 2월호에 게재 되었습니다.>
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