※ 이 시리즈는 H. M. McNair, J. M. Miller, N. H. Snow, 『Basic Gas Chromatography』(Wiley)를 참고해 정리했다.
GC column은 크게 packed column과 capillary column으로 나뉜다. 지금은 대부분 capillary column을 쓰지만, packed column도 여전히 쓰이므로 정리해 둔다. 함께 기체·액체 시료를 주입하는 inlet도 살펴본다.
1. Packed column
Packed column과 capillary column 단면 (직접 작성)
Packed column은 보통 stainless steel로 만들며, 외경은 1/4 inch 또는 1/8 inch다. 내부는 solid support로 채워져 있고, 이 support 표면에 액체 stationary phase가 코팅되어 있다.
Solid support는 비활성이고 표면적이 넓어야 하며, diatomaceous earth(규조토)가 대표적인 재료다. 코팅하는 액체의 양은 support에 따라 다르지만 보통 support 무게의 1~25% 정도다.
| Name | Surface area (m²/g) | Packed density (g/cc) | Pore size (µm) | Maximum % liquid phase |
|---|---|---|---|---|
| Diatomaceous earth type | ||||
| Chromosorb P | 4.0 | 0.47 | 0.4–2 | 30 |
| Chromosorb W | 1.0 | 0.24 | 8–9 | 15 |
| Chromosorb G | 0.5 | 0.58 | NA | 5 |
| Chromosorb 750 | 0.7 | 0.40 | NA | 7 |
| Fluorocarbon polymer | ||||
| Chromosorb T | 7.5 | 0.42 | NA | 10 |
참고: McNair et al., Table 5.1 (재구성) · NA: not available
표를 보면 support의 표면적에 따라 코팅할 수 있는 최대 액체 양이 정해져 있다. 최소한 support 표면을 완전히 덮을 수 있을 정도는 되어야 한다. 다만 극성 액체는 support에 균일하게 코팅하기 어렵다.
Liquid stationary phase로는 약 100가지가 쓰인다고 하는데, 일반적으로 비극성인 methyl silicone, 중간 극성 몇 가지, 극성이 높은 silicone 등을 주로 쓴다.
Packed column의 특징
- Column 내부가 충전물로 채워져 있다.
- 내경이 크고 길이가 짧다.
- 많은 양의 시료를 분석할 수 있다.
- 분리능이 낮다.
Column chromatography의 분류 (직접 작성)
Packed column은 stationary phase 상태에 따라 GSC와 GLC로 나뉜다.
2. GSC (gas–solid chromatography)
Silica gel이나 alumina 같은 다공성 고체 흡착제를 stationary phase로 쓰는 GC다. 일반적으로 peak 모양이 좋지 않고(주로 tailing) 효율도 낮다.
Molecular sieve PLOT column에서 영구 기체 분리 (개념도, 직접 작성)
그래도 GSC로 영구 기체(permanent gas)를 분석할 수 있다. 위 그림처럼 molecular sieve PLOT column으로 He, Ne, Ar, O2, N2, CH4를 분리할 수 있다. GSC에 이상적인 조건은 다음과 같다.
- 흡착제는 시료와 최대한 상호작용하도록 표면적이 커야 한다.
- 큰 시료를 사용할 수 있다.
- 일부 column은 상온보다 낮은 온도(sub-ambient)에서 쓸 수 있어, 용질의 retention을 늘릴 수 있다.
3. Gas sampling valve
Six-port gas sampling valve (직접 작성)
기체 시료는 보통 six-port sampling valve로 주입한다.
- (a) Load position: carrier gas는 바로 column으로 흐르고, 시료는 sample loop를 채운 뒤 vent로 나간다.
- (b) Inject position: valve를 돌리면 carrier gas가 sample loop를 지나며, loop 속 일정 부피의 시료를 column으로 밀어낸다.
Loop 부피가 정해져 있으므로 주입량은 loop 속 시료의 압력과 온도에 따라 달라진다. 정확한 정량을 위해서는 시료 압력과 carrier gas의 유량·압력을 일정하게 유지하는 것이 좋다.
4. Liquid sample 주입
GC는 기체뿐 아니라 액체 시료도 측정하며, 이때는 보통 microsyringe를 쓴다.
On-column injection port (개념도, 직접 작성)
On-column injection에서는 column 입구가 바늘이 닿는 위치 바로 근처에 있어, syringe를 밀어 넣으면 시료가 column packing의 첫 부분에 직접 전달된다. 분석물은 액체 상태로 머무르다가, oven 온도가 올라가면서 끓는점 순서대로 기화되어 column으로 들어간다.
참고: McNair et al., Fig. 1.9, 5.2, 5.6, 5.8 (개념도로 재구성)
정리
- Packed column은 stainless steel(외경 1/8~1/4 inch)에 diatomaceous earth support + 액체 stationary phase를 채운 것이다.
- Support 종류에 따라 코팅할 수 있는 최대 액체 양이 다르다 (Chromosorb P 30%, W 15% 등).
- GSC는 다공성 고체 흡착제를 쓰며 tailing이 생기기 쉽지만, 영구 기체 분석에 유용하다.
- 기체 시료는 six-port valve(load → inject)로, 액체 시료는 microsyringe(on-column 등)로 주입한다.