이온 크로마토그래피 각론'에 관한 주요 내용은 다음과 같다.
지난 사이언스21 5월호에 소개된 ‘이온 크로마토그래피 각론’ 시리즈에 대한 내용을 이어서 다음과 같이 소개하고자 한다.
4) 컬럼: IC에 사용되는 컬럼은 기본적으로 고분자근간 컬럼(Polymer-based column)이다. 그 이유는 HPLC 컬럼과 같이 실리카근간 컬럼(Silica-based column)을 사용하면 이동상의 pH가 2~7 정도로 제한된다. 그러나 IC에서는 산, 염기, 염 등을 이동상으로 사용하므로 pH 0~14 전 범위에서 안정한 고분자근간 컬럼을 사용한다.
컬럼은 크게 음이온교환 컬럼, 양이온교환 컬럼, 이온배제 컬럼, 역상 이온쌍 컬럼, 농축 컬럼, 그리고 시료전처리에 사용하는 Trap 컬럼으로 구분된다. 또한 이온교환 용량에 따라 저용량 컬럼과 고용량 컬럼 그리고 컬럼의 내경에 따라 4mm 컬럼인 Standard-bore column, 2mm인 Micro-bore column, 0.4mm인 Capillary column으로 구분되기도 한다. 컬럼 충전물은 고분자 공중합체를 사용하다 보니 현재 4㎛ 정도의 충전물 Particle size가 제공된다.
이런 의미에서 UPIC(Ultra Performance Ion Chromatograph)의 출현은 기대하기가 어려울 것으로 판단된다. 만일 실리카근간의 IC용 컬럼과 PEEK 재질이 아닌 비금속 재질의 고압펌프가 개발된다면 UPIC의 개발도 가능하리라 본다.
5) 서프레서(Suppressor): 이온 크로마토그래피는 앞에서도 설명한 바와 같이 LC의 일종이지만 일반 HPLC와는 달리 이온성이나 극성 성분을 분리해야 하므로 산이나 염기성 시약을 용리액으로 사용한다. 이때 분석하고자 하는 성분들에 대한 이온성질을 강하게 하여 분리능을 높이고, 빠른 시간 내에 관심성분을 분리해 내기 위해서는 강한 용리액을 사용하여야 하는데 서프레서가 없는 분석 과정을 수행할 경우 용리액 자체의 바탕 전도도가 높기 때문에 실제 분석하고자 하는 미량의 성분에 대한 전도도 값으로는 검출이 어렵다는 것이다.
반면에 바탕 전도도가 높은 것을 감안하여 약한 산, 염기성 시약을 용리액으로 사용하면, 상대적으로 바탕선은 낮아지지만 분석하고자 하는 관심성분의 선택성이 떨어져 분리능이 저하되고 머무름 시간이 증가하게 된다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 1975년에 세계 최초로 William Bauman 박사, Small, Steven 박사 등에 의해 화학적 서프레서가 개발됨으로써 Ion Chromatography의 새로운 기술 시장을 창출하게 되었다. 1975년 이후 다이오넥스사에서 다양한 서프레서를 개발하여 선보이고 있으며 이러한 서프레서는 현재 이온 크로마토그래피에 있어 미량 분석을 가능하게 한 획기적인 기술이다. 즉, 서프레서의 주요 역할은 용리액의 바탕 전도도는 낮추고, 시료 이온의 전도도는 높이며, 시료 중의 바탕 전도도에 영향을 주는 카운터 이온(Counter ion)을 제거하는 역할을 담당한다.
6) 서프레션 모드: 서프레션 모드에는 대표적으로 다음의 3가지 모드가 사용된다.
① Recycle Mode: 이는 가장 많이 사용되며, 가장 간단한 서프레션 모드이다. 이동상이 서프레서를 통해 검출기에 이르면 약이온 형태로 전환된다.
예를 들어, Sodium hydroxide는 물로 서프레션 된다. 물로 서프레션 된 용리액은 전기 전도도 검출기 셀을 통과한 후 세프레서의 Regenerant inlet으로 Recycle 된다. 이로써 DRS에는 물 전기분해를 위한 깨끗한 물이 공급되는 셈이며, 별도의 재생액을 흘려보내 주지 않고 자동 재생을 수행하는 모드이다. Routine한 분석에 많이 사용되는 모드이며, 어느 누구라도 쉽게 사용할 수 있는 서프레션 모드이다.
② External Water Mode: 용리액으로 유기용매를 사용할 때 이용되는 모드이다. 이 모드에서는 물의 전기분해를 위해 연속적으로 초순수를 공급해 주어야 하며 검출기 셀을 통과해 나온 것은 폐수로 버려지게 된다. 이는 가장 효율적인 Auto-Suppression 모드이며, 고농도의 이동상을 사용할 때나 혹은 극미량 분석을 위하여 S/N비를 최소화하는 경우에 적용되는 모드이다. Auto-Suppression은 용리액에 40% 이상의 유기용매를 포함해서는 안 된다. 특히 이 모드는 IC-MS에서 많이 사용한다.
③ Chemical Suppression Mode: 이 모드는 External Water Mode와 동일한 모드로써 단지 외부에서 물 대신 염기성 또는 산성의 Regenerant를 공급해 주는 모드이다. 이때 서프레서에는 전원 공급을 별도로 해주지 않는다. 이 모드는 별도의 염기성 혹은 산성의 시약을 Regenerant로 사용해야 하기 때문에 사용하기 다소 불편한 모드이긴 하나 분석하고자 하는 성분에 따라 적당한 S/N비를 얻을 수 있고 낮은 바탕선을 제공한다. 또한 이 모드는 용리액으로 고농도의 유기 용매를 사용할 때 적당한 방법이다.
이 외에도 Gas Assisted Mode나 DCR(Displacement Chemical Regeneration) Mode 등도 있다.
7) 검출기: 이온 크로마토그래피 검출기에 따른 기본 원리와 분석 성분을 나타내면 다음 표와 같다.
4. IC 최신 기술
1) RF-IC(Reagent-Free IC): 통상 IC를 운영하기 위해서는 용리액을 Manual로 만들어 탈기 후 사용해야 한다. 그런데 이 용리액을 만드는 과정에서 사람마다 습관이 달라 오차가 발생하기도 한다. 또한 매번 용리액을 만드는 번잡함을 없애기 위해 자동 용리액 제조장치(Eluent Generator)를 이용하여 탈이온수만 준비하면 실험준비가 끝나는 매우 편리한 IC가 바로 Reagent-Free IC이다.
물론 용리액 제조용 카트리지를 구비해야 하므로 운영비는 좀 더 들어가지만, 재현성있고 편리하게 IC를 사용할 수 있다는 이점과 더불어 분리능이 뛰어나고 감도가 좋아서 많이 사용하고 있다. 단지 카트리지의 수명이 1개월 정도로 짧은 것이 단점이다.
2) Capillary IC: Conventional IC의 경우 내경이 4mm인 컬럼을 주로 사용하는데 비해 Capillary IC는 내경이 0.4mm 컬럼을 주로 사용한다. 시료주입량도 0.4μL 정도로 작아도 감도가 매우 높은 특징을 가진다. 특히 RF-로 사용할 경우 Eluent Generator Cartridge의 수명이 18개월을 사용할 수 있어 매우 효율적이다하지만 국내에서는 그다지 많이 보급되지는 않았다.
3) Auto-Prep IC(극미량 분석 기술): Auto-Prep IC는 반도체 분야에서 초순수에 존재하는 각종 이온성 불순물을 극미량(PPT level)까지 분석 가능한 기술이다. 기기 구성은 다음과 같다.
우측 상단 그림에서 보듯이 일반적인 Autosampler가 아닌 Large Volume Autosampler를 사용하고 Large Volume loop와 Small Volume loop 그리고 밸브를 필요로 한다.
아래 그림은 Auto-Prep IC를 이용하여 실제 초순수(UPW) 중의 음이온을 분석한 예이다.내에서 제일 먼저 적용하는 것이 현실이다.
Ⅴ. 맺는말
크로마토그래피의 한계는 반드시 표준물질이 존재하지 않으면 안 된다는 점으로 이 단점은 필연적으로 MS의 필요성이 대두되기에 이르렀다. 요즘에는 IC에 MS를 검출기로 붙여서 많이 이용된다. 특히 반도체 분야에서 미량의 이물질이나 오염물질 등을 분석할 때 많이 이용한다. 현재는 Capillary IC까지 개발이 되었지만 향후 감도가 수 천배나 좋은 Nano-IC가 개발되지 않을까 기대해 본다.
최근에는 이온성 미지의 오염물질 등을 분석하기 위해 IC-MS의 보급이 점차 확대되고 있는 실정이다.
'이온 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):
1) 도움되는 이온 크로마토그래피 분석(오승호 역) 신일서적
2) 크로마토그래피에 의한 이온성 화학종의 분리분석
-이온 크로마토그래피의 기초 이론부터 실천까지-(오승호 역) 신일서적
3) 분석화학 실기 시리즈 기기분석편 ․ 9/ 이온 크로마토그래피(오승호 역) 신일서적
4) 이온 크로마토그래피 관련 세미나 자료
The Person in Charge(발표자): Oh Seungho
Mail inquiry: shoh2121@hanmail.net
<이 기사는 사이언스21 매거진 2022년 6월호에 게재 되었습니다.>
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