기기분석법 크로마토그래피(GC HPLC)

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- HPLC (High Performance Liquid Chromatography)
기체 크로마토그래피의 효율을 증대시키기 위해서는 정지상과 이동상 사이의 질량이동 속도를 증가시켜야 한다. 열린관 컬럼의 경우 정지상의 두께와 컬럼의 직경을 줄여서 분자들이 채널과 내벽의 정지상 사이에서 빠르게 확산하도록 함으로써 효율을 증대시킬 수 있다. 액체의 확산속도는 기체의 확산속도 보다 약 100배 느리다. 따라서 액체 크로마토그래피에서 열린관 컬럼을 사용하는 것은 적합하지 않다. 이유는 짧은 시간 안에 용질분자들이 횡단하기에는 용매채널의 직경이 너무 크기 때문이다. 따라서 액체 크로마토그래피는 충전컬럼을 사용한다. HPLC 장치는 내경이 1-5mm이며 길이가 5-30cm인 스테인레스 강철이나 플라스틱 재질로 된 컬럼을 사용한다. 크로마토그래피의 컬럼은 용매의 점도를 낮추기 위해 가열할 수 있다. 용매의 점도를 낮추면 압력은 감소시키고 유속은 원하는 속도로 높일 수 있다. 온도를 높이면 retentiontime이 감소되고 용질의 확산을 빠르게 하여 분리도를 향상시킬 수 있다. 그러나 온도의 증가는 정지상의 성능을 약화시키고 컬럼의 수명을 단축시킨다.
GC HPLC는 고분리도 모세관이고 현대 분석화학 연구에서 유용한 기기이다. 고성능 또는 고압액체 크로마토그래피는 여러 분야에서 광범위하게 이용되고 있는 분석기기가 되었다. HPLC장치가 급속하게 진보하고 그리고 그 사용이 폭발적으로 늘어난 것은 컬럼에 관한 기술 및 기기에 관한 기술이 진보한 것에 따른다. 효율이 좋고 안정성이 높은 미립자상 충진제의 개발 및 화학결합형의 충진제 도입에 따라 HPLC는 다양성을 더해왔다. 이렇게 하여 복잡한 조성의 혼합물 분석법은 큰 폭으로 개량되었다. HPLC의 역상모드란 비극성의 고정상과 극성의 이동상을 사용하는 모드의 총칭이다. 이 모드가 오늘날의 가장 빈번하게 사용되어지는 일반적인 HPLC의 기법이다. 이상적으로 역상LC는 비극성 내지는 약한 극성의 화합물 분리에 적합한 방법이다. 즉 액체-액체, 액체-고체 크로마토그래피에서는 쉽게 분리할 수 있는 방법이다. 또한, 극성 및 이온성 화합물도 이온화 억제법, 이온회합법(이온쌍법) 및 배위자 교환법이라고 하는 이차평형을 사용하여 분리할 수 있다. 역상 LC는 사용하기 쉽고, 효율이 좋으며, 컬럼의 안정성이 높은 등의 특징에 더하여 유사 화합물 및 각기 다른 화합물의 동시분석이 가능하다고 하는 장점을 가지고 있으며 이것이 역상 LC를 HPLC의 대표적 모드로 하는 요인이 되었다. HPLC는 높은 압력으로 마이크로-크기 입자로 충전된 컬럼을 통해 용리시키는 정교한 분석법이다. 물질은 크게 극성, 무극성, 이온성을 가진 물질들로 나눌 수 있는데, 이 물질들 간의 친화력을 이용하여 혼합물을 단일 성분으로 분리하여 분석하는 한다. 정상 크로마토그래피란 극성 정지상과 극성이 적은 용매를 사용함을 일컫는다. 극성 용매를 더할수록 용리액 세기는 증가한다. 역상크로마토그래피란 정지상이 비극성이거나 약한 극성이고 용매가 좀더 극성으로 가장 일반적인 방법이다. 극성이 적은 용매를 더할수록 용리액의 세기는 증가한다. 역상크로마토그래피는 뛰어난 분리를 얻을 수 있으며, 극성 물질이 극성 충전물에 흡착되어 일어나는 봉우리 꼬리끌기 현상을 제거할 수 있다. 또한 역상 크로마토그래피는 용리액에 포함되는 극성 불순물에 덜 민감하다. 만약, 이성질체의 분리가 잘 안되는 경우에는 정상 크로마토그래피법을 이용할 수 있다. 이것은 분석물질이 정지상과 좀더 강하고 선택적으로 상호작용을 할 수 있기 때문이다. 입자의 크기를 줄이면 분리도는 증가하지만 바람직한 흐름속도를 유지하기 위해서는 높은 압력(psi)이 요구된다. HPLC의 컬럼은 가격이 비싸고 시료와 용매로부터 불순물이 비가역적으로 흡착하므로 쉽게 성능이 떨어진다. 그러므로 주 컬럼에 대한 입구를 짧고 교체 가능하며 주 컬럼과 같은 정지상으로 충전된 보호컬럼(guard column)으로 보호해야 한다. 보호컬럼은 비가역적으로 흡착되는 용질을 모으며 주기적으로 교환된다. 컬럼은 고압하에서 사용되기 때문에 시료를 주입할 때 특별한 기술이 필요하다. 주입 밸브는 2~1000㎕ 범위의 고정된 부피를 가지고 있는 교환 가능한 강철 루프로 되어 있다. 로드(load) 위치에서는 세척해 주거나 대기압에서 순수한 시료로 루프를 채워주는데 주사기가 사용된다. 밸브가 시계 반대방향으로 60° 돌아가면, 시료루프 안에 있던 시료가 고압으로 컬럼에 주입된다. 입자가 컬럼을 오염시키거나 튜브를 막거나 펌프를 손상시키지 않게 하기 위해서 시료를 주입하기 전에 0.5~2μm 필터에 통과시켜야만 한다. 액체 크로마토그래피에서는 기체크로마토그래피에서 쓰는 뾰족한 바늘을 쓰지 않고 끝이 무딘 주사기를 쓴다. 검출기에는 자외선 검출기, 굴절률 검출기, 형광 검출기가 있다. 자외선 검출기를 가장 많이 사용하는 편이다.

- GC (Gas Chromatography)
기체 크로마토그래피는 기체상태의 이동상이 정지상을 입힌 길고 얇은 컬럼을 통과하도록 기체상태의 용질(혹은 휘발성액체에서 나온 증기)을 운반한다. 휘발성 액체 시료는 얇은 원판 모양의 고무막(septum)을 통해 inject되어 가열된 주입구 속으로 들어가는데, 여기서 시료가 휘발하게 된다.

참고 자료

1. 수질환경 기사 ․ 산업기사, 성안당, 이승원,문승수,윤현식 지음

2. 공정시험방법(수질오염,폐기물,토양오염), 동화기술, 동화기술편집부

3. 환경인을 위한 최신 기기분석, 동화기술, 박기학 저자

4. 기기분석, 동명사, 일본화학동인

5. 최신 분석 화학 2, 자유아카데미, 김강진 김하석 이대운 이원

6. 기기를 이용하는 화학실험법, 탐구당, Donald T. Sawyer/ William R. Heineman/ Janice M.Beebe

7. Environmental Pollutants Analtses(환경오염물질분석 강의 실험 요약본), 최성찬

8. 고성능 액체 크로마토그래피를 이용한 생지황중의 Catalpol 분석에 관한 연구, 라문진

9. (5) 분석화학, 自由 아카데미, Daniel C. Harris