[GC] Basic Gas Chromatography 정리 #2 – GC 장비: carrier gas, inlet, column 온도

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

이번 장에서는 GC 시스템의 구성 요소를 하나씩 살펴본다.

Gas chromatograph의 기본 구성 (직접 작성)

GC 시스템은 크게 ① carrier gas, ② flow control, ③ sample inlet과 sampling device, ④ column, ⑤ oven, ⑥ detector, ⑦ data system으로 이루어진다.

1. Carrier gas

Carrier gas의 첫 번째 역할은 시료를 column을 통해 운반하는 것이다. 시료와 반응하면 안 되므로 He 같은 inert gas를 쓴다. 두 번째 역할은 detector가 시료를 측정할 수 있는 적절한 matrix를 제공하는 것이다.

Detector	Carrier gas
Thermal conductivity (TCD)	Helium
Flame ionization (FID)	Helium or nitrogen
Electron capture (ECD)	Very dry nitrogen

• 수소를 carrier gas로 쓰기도 하지만, 화재와 폭발 위험 때문에 주의가 필요하다.
• Carrier gas에 불순물이 있으면 column이 손상될 수 있으므로 고순도 기체를 쓴다.
• Carrier gas 유량을 정확히 측정하고 제어해야 column 효율과 정성 분석의 신뢰도를 확보할 수 있다. Column 효율은 기체 유속에 따라 달라지므로 실험으로 최적 유속을 찾는 것이 좋다. 또 정성 분석은 retention time으로 하므로, retention time이 재현될 만큼 유속이 일정해야 한다.

2. Sample inlet과 sampling device

시료 주입 방식은 column 종류에 따라 다르다.

Packed column	Capillary column
Flash vaporizer	Split
On-column	Splitless / on-column

시료는 아주 적은 양만 주입한다. 많이 넣으면 column에 들어가는 데 오래 걸려 peak가 넓어지기 때문이다. 액체 시료는 column에 따라 다르지만 보통 0.01~20 µL를 주입한다. 액체는 기화하면서 부피가 크게 팽창하므로 가능한 한 적게 주입하는 것이 좋다.

Syringe 사용 요령

• 액체 시료는 보통 1, 5, 10 µL syringe로 주입한다. 고체는 용매에 녹여 주입한다.
• Syringe 안의 공기를 모두 빼고, 이전 용액이나 다른 성분이 남아 있을 수 있으므로 용매로 여러 번 헹군다. 점성이 있는 시료는 천천히 다룬다.
• 시료를 빨아들인 뒤 약간의 공기를 더 빨아들인다. 이렇게 하면 시료 손실을 막고, 주입구 온도가 높을 때 바늘 속 시료가 미리 기화하는 것을 막을 수 있다.
• 시료를 빨아들인 뒤 위아래로 흔들어 기포를 제거하는 것도 좋다.

Inlet 온도는 시료를 빠르게 기화시킬 만큼 높아야 하지만, 열분해가 일어나지 않을 만큼 낮아야 한다.

3. Column temperature

Column 온도는 시료 성분이 적절한 속도로 지나갈 만큼 높게 유지해야 한다. 일반적으로 시료의 dew point보다는 높게 두되, 모든 성분의 끓는점보다 높을 필요는 없다. 시료는 이미 inlet에서 기화된 상태로 들어오기 때문이다.

Column 온도에 따른 retention time과 분리 (개념도, 직접 작성)

위 그림은 column 온도를 75 ℃, 110 ℃, 130 ℃로 바꿨을 때의 결과를 개념적으로 나타낸 것이다.

• 75 ℃: 성분의 vapor pressure가 낮아 column을 천천히 이동한다. Octane isomer까지 잘 분리되지만 분석 시간이 길다.
• 110 ℃: 분석은 빨라지지만 resolution이 떨어진다.
• 130 ℃: 분석은 가장 빠르지만 octane isomer가 분리되지 않는다.

즉 온도가 낮으면 분석 시간은 길어지지만 resolution은 좋아진다. 분석 목적에 맞는 최적 온도를 실험으로 찾아야 한다.

참고: McNair et al., Fig. 2.1, 2.5 (개념도로 재구성)

정리

• GC는 carrier gas, flow control, inlet, column, oven, detector, data system으로 이루어진다.
• Carrier gas는 시료를 운반하고 detector에 맞는 matrix를 제공하며, 고순도·일정 유량이 중요하다.
• 시료는 적게 주입하고, inlet 온도는 빠른 기화와 열분해 방지 사이에서 정한다.
• Column 온도가 낮을수록 분석 시간은 길어지지만 resolution은 좋아진다.