[GC] Basic Gas Chromatography 정리 #1 – Introduction: chromatography 원리와 용어

※ 이 시리즈는 H. M. McNair, J. M. Miller, N. H. Snow, 『Basic Gas Chromatography』(Wiley)를 참고해 정리했다.

실험실에서 가장 많이 쓰는 분석법 중 하나인 gas chromatography(GC)를 교재 순서대로 정리한다. 1장에서는 chromatography의 기본 개념과 용어, 그리고 GC의 장단점과 기본 구성을 다룬다.

1. Chromatography란?

Chromatography는 시료가 두 상(phase) 사이에 나뉘면서 분리되는 분리법이다. 한 상은 표면적이 넓은 고정된 stationary phase이고, 다른 한 상은 stationary phase를 지나 흐르는 mobile phase다. GC에서는 mobile phase가 기체다.

시료는 기화되어 mobile phase를 타고 column을 통과한다. Mobile phase가 column bed를 계속 지나가는 동안, 시료 성분들은 정해진 온도에서 각자의 용해도(stationary phase와의 상호작용)에 따라 분리된다. 이처럼 시료를 한 번에 주입하고 mobile phase로 밀어내며 분리하는 방식을 elution chromatography라고 한다.

• Column chromatography: 좁은 관(column)에 고정한 stationary phase에, 압력으로 흐르는 mobile phase를 접촉시켜 분리하는 방법
• Column: GC에서 시료 속 혼합물을 단일 성분으로 분리하는 관. 보통 금속이나 fused silica 튜브를 쓴다.

Column chromatography의 분류 (직접 작성)

Chromatography는 mobile phase의 상태에 따라 이름이 정해진다. Mobile phase가 기체면 gas chromatography, 액체면 liquid chromatography다. 그리고 stationary phase의 상태에 따라 다시 나뉜다. GC에서 stationary phase가 고체이면 GSC(gas–solid chromatography), 액체이면 GLC(gas–liquid chromatography)라고 한다. Open tubular column은 다시 WCOT(wall-coated), SCOT(support-coated), PLOT(porous-layer)으로 나뉜다.

2. Chromatographic process

Chromatographic process (개념도, 직접 작성)

위 그림은 chromatography가 진행되는 과정을 나타낸 것이다. 가로선은 column을, 위에서 아래로 내려가는 각 선은 시간에 따른 snapshot을 뜻한다.

1. 첫 번째 snapshot에서 A와 B로 이루어진 시료를 column 입구에 주입한다. 시료는 mobile phase를 따라 이동한다.
2. 이동하면서 A와 B는 각각 mobile phase와 stationary phase에 나뉘어 분포한다. 선 위의 peak는 mobile phase 속의 양, 선 아래의 peak는 stationary phase 속의 양을 나타낸다.
3. A는 mobile phase 쪽 비율이 크고, B는 stationary phase 쪽 비율이 크다. 즉 A는 B보다 빨리 이동하고, B는 stationary phase에서 더 오래 머문다. 그래서 column을 지나는 동안 둘이 분리된다.
4. 결국 A가 먼저, B가 나중에 detector에 도달해 chromatogram에 두 peak로 나타난다.

Distribution constant

성분이 stationary phase에 붙잡히는 정도는 distribution constant $로 나타낸다. 이 값이 클수록 stationary phase에 대한 친화력이 크다.

250K_c = \frac{[A]_S}{[A]_M}250

즉 $는 stationary phase 속 농도를 mobile phase 속 농도로 나눈 값이다. 온도에 따라 달라지는 열역학적 값이며, 두 상 사이에서 용질이 어느 쪽에 머무르려 하는지 상대적인 경향을 나타낸다. 성분마다 $가 다르기 때문에 column 속 이동 속도가 달라지고, 그래서 분리가 일어난다.

용질이 stationary phase에 붙는 현상은 sorption으로 묶어 부른다. Stationary phase 표면에 붙으면 adsorption, 액체 stationary phase 내부로 녹아 들어가면 absorption인데, GC에서는 후자를 partition이라고 부르고 모든 현상을 adsorption과 partition으로 설명한다.

3. 주요 용어와 기호

IUPAC 권장 기호와 이름	다른 기호와 이름
$ Distribution constant (GLC)	$ partition coefficient, $ distribution coefficient
$ Retention factor	'$ capacity factor, capacity ratio, partition ratio
$ Plate number	$ theoretical plate number
$ Plate height	HETP (height equivalent to one theoretical plate)
$ Retardation factor (column)	$ retention ratio
$ Peak resolution	$
$\alpha$ Separation factor	selectivity, solvent efficiency
$ Retention time
$ Retention volume
$ Hold-up volume	mobile phase 부피, $ 기체상 부피, $ void volume, dead volume

참고: McNair et al., 『Basic Gas Chromatography』, Table 1.1 (재구성)

4. Chromatogram 읽기

Typical chromatogram (개념도, 직접 작성)

단일 용질을 주입하면 위처럼 앞쪽의 작은 peak와 뒤쪽의 큰 peak가 보인다.

• Retention time $: 주입 시점부터 peak 꼭대기까지의 시간이다.
• Retention volume $: 용질이 검출기까지 이동하는 데 필요한 mobile phase의 부피다. Column flow rate $가 일정하면 다음과 같다. 그래서 둘을 같은 개념처럼 쓰기도 한다.

250V_R = t_R \times F_c250

• 앞쪽의 작은 peak는 stationary phase에 전혀 붙잡히지 않은(unretained) 성분이다. 곧바로 column을 지나 검출기에 일찍 나타난다. 이때의 부피를 hold-up volume $, 시간을 hold-up time $이라고 한다. 보통 공기나 methane을 unretained component로 쓰며, 그래서 이 peak를 air peak라고도 한다.
• $에서 $을 뺀 값을 adjusted retention time '$이라고 한다.

Chromatography의 기본식 중 하나는 다음과 같다. 여기서 $는 stationary phase의 부피다.

250V_R = V_M + K_c V_S250

이 식으로 chromatographic process를 다시 보면, 용질이 용출되는 동안 흐르는 carrier gas의 총부피는 두 부분으로 이루어진다.

• 첫째는 column 속 기체 부피, 즉 용질이 mobile phase를 타고 실제로 이동하는 데 필요한 부피 $이다.
• 둘째는 용질이 stationary phase에 붙잡혀 움직이지 않는 동안 흐르는 기체의 부피 V_S$다. 이는 distribution constant(용질의 흡착 경향)와 stationary phase의 양으로 정해진다.

결국 용질은 mobile phase를 타고 이동하거나 stationary phase에 붙잡혀 멈춰 있는 두 상태를 오가며, 이 둘을 합한 것이 total retention volume $이다.

5. GC의 장점과 한계

• 장점: 분석이 빠르고 효율이 높다. Resolution이 높고, 민감하며, 적은 시료로 정확한 정량 분석을 할 수 있다.
• 한계: GC는 휘발성 물질을 분리하는 방법이므로 끓는점이 너무 높으면 안 된다. 일반적으로 끓는점은 약 500 ℃ 이하, molecular weight는 약 1000 Da 이하여야 한다. 또 기화시켜 분석하므로 열적으로 불안정한 시료는 분석할 수 없다.

6. GC 장치 개요

Gas chromatograph의 기본 구성 (직접 작성)

GC 장치는 위와 같이 구성된다. 자세한 내용은 다음 장에서 다룬다. GC에서 가장 중요한 부분은 column으로, 크게 packed column과 capillary column이 있다.

Packed column과 capillary column 단면 (직접 작성)

정리

• Chromatography는 시료가 stationary phase와 mobile phase 사이에 나뉘며 분리되는 방법이며, GC는 mobile phase가 기체다.
• Stationary phase가 고체면 GSC, 액체면 GLC다.
• 성분마다 다른 distribution constant = [A]_S/[A]_M$ 때문에 이동 속도가 달라져 분리된다.
• = t_R F_c$, = V_M + K_c V_S$이며, unretained peak의 시간이 $이다.
• GC는 빠르고 민감하지만, 끓는점이 높거나 열적으로 불안정한 시료에는 쓸 수 없다.