학교 분석센터에서 여러 장비 교육을 열어서 HPLC/GC 교육을 신청해 들었다. GC는 대부분 아는 내용이었지만, 쉽게 정리된 내용을 다시 보고 싶어 정리해 둔다.
1. Chromatography
- 혼합물을 단일 물질로 분리하는 기술이다.
- 혼합된 시료가 column의 mobile phase와 stationary phase 사이를 흐르면서 물리·화학적 상호작용을 거쳐 단일 성분으로 분리된다.
2. Gas chromatography
GC는 기체 mobile phase를 쓰며, 다음 조건을 갖춘 시료를 분리한다.
- 휘발성: 기체로 만들 수 있어야 한다.
- 낮은 molecular weight: 대략 500 이하
- 열 안정성: 시료를 기화하려면 높은 온도가 필요하므로 열에 안정해야 한다.
- Stationary phase와 시료의 화학적 친화력(극성)과 끓는점 차이로 분리한다.
LC와 달리 GC는 고분자를 분리하지 못하므로, 응용 범위는 LC가 훨씬 넓다.
정성 분석과 정량 분석
GC로 정성 분석과 정량 분석을 모두 할 수 있다. 정성 분석은 retention time으로, 정량 분석은 peak 면적으로 한다.
정량 분석 전에는 calibration을 해야 하며, 보통 5 point를 측정한다. 예를 들어 표준물질을 1, 4, 7, 10, 12 ppm으로 주입하고 peak 면적과 농도의 관계를 그리면, 이상적으로는 $y = ax + b$ 형태의 직선이 나온다.
표준물질 chromatogram과 calibration curve (개념도, 직접 작성)
- Calibration이 직선이 아니라 곡선으로 나오면 정확한 값을 얻기 어렵다. 이때는 농도 구간을 나눠 각각 직선으로 계산한다.
- 시료를 부피 기준으로 만들면 오차가 생길 수 있다. 분석센터에서는 autosampler를 쓰지만, 그렇지 않다면 질량 기준으로 시료를 만들어 계산하는 것이 정확하다.
3. Theoretical plate
깔끔한 peak를 얻으려면 theoretical plate(이론단) 개념을 잘 알아야 한다. Theoretical plate는 column을 같은 크기로 나눈 가상의 구간으로, 각 구간에서 한 번씩 평형이 이루어진다고 생각하면 된다. 분석이 잘 되었다는 것은 서로 다른 성분의 peak가 잘 분리되어 보인다는 뜻이다.
- Column이 길면 plate 수가 늘어나 peak가 겹칠 가능성이 줄어든다.
- 같은 길이라도 plate가 많을수록, 즉 plate 하나의 높이가 작을수록 더 잘게 나눠 분리하므로 효율이 좋다.
이를 나타내는 것이 HETP(height equivalent to a theoretical plate)다.
$$\mathrm{HETP} = \frac{L}{N}$$
여기서 $L$은 column 길이, $N$은 theoretical plate 수다. HETP가 작을수록 column 효율이 높다.
4. Carrier gas
Carrier gas는 inlet에서 기화된 시료를 column으로 이동시키는 기체다. 시료와 반응하지 않는 inert gas여야 하고, 건조하고 순도가 높아야 한다(five nine, 99.999%). 보통 수소, 질소, 헬륨, 아르곤을 쓰며 detector에 따라 달라진다.
기체 속도가 흔들리면 압력과 흐름이 달라져 시료가 나오는 시간이 일정하지 않게 된다. 이를 보정하는 장치가 electronic pneumatic control (EPC)로, 가장 비싼 부품 중 하나다.
| Detector | Carrier gas | 특징 |
|---|---|---|
| TCD | He | 가장 일반적 |
| H2 | 감도는 높으나 사용상 주의 필요 | |
| N2 | H2 분석 시 사용 | |
| FID | N2 | 가장 일반적 |
| H2, He | 대체로 사용 가능 | |
| NPD | He | 최적 |
| N2 | 최고 감도 | |
| ECD | N2 | 최고 감도 |
| Ar/CH4 | 가장 넓은 dynamic range |
5. Inlet
Inlet에서는 시료를 기화시켜 column에 정확하고 재현성 있게 전달한다. 시료가 고체, 액체, 기체로 다양하므로 주입 방법도 다양하다.
| Autosampler | Headspace | Purge & trap | Thermal desorption | Valve | |
|---|---|---|---|---|---|
| 시료 상태 | 액상 시료 | 다양한 matrix의 휘발성 물질 | 수질·토양의 휘발성 물질 | 거의 모든 matrix의 휘발성 물질 | 기체 시료의 휘발성 물질 |
| 적합한 시료 | 용매와 분리되는 반휘발성 물질 | headspace로 분석할 물질, 휘발을 위해 가열이 필요한 물질 | 대부분의 석유화학 응용 | ||
| 적합하지 않은 시료 | 용매와 분리되지 않는 휘발성 화합물 | 분석 농도까지 headspace로 휘발되지 않는 화합물 | purge gas로 충분히 퍼지되지 않는 화합물 | 흡착제에 머무르지 않는 화합물 | 용매에 녹아 있는 화합물 |
6. Column
Column은 혼합 성분이 단일 성분으로 분리되는 곳이며, packed column과 capillary column으로 나뉜다.
| Packed column | Capillary column |
|---|---|
| 내경이 크고 길이가 짧다 (보통 1~3 m) | 내경이 작고 길이가 길다 (보통 15~60 m) |
| 시료 처리 용량이 크다 | 시료 처리 용량이 작다 |
| 분리능이 낮다 | 분리능이 뛰어나다 |
보통 capillary column을 쓰지만, 영구 기체를 TCD로 분석할 때처럼 packed column을 쓰는 경우도 많다. Capillary column은 stationary phase의 극성에 따라 나뉜다. 어느 column으로도 분석은 가능하지만, 용도에 맞는 column을 고르는 것이 좋다.
① Polymethylsiloxanes
- 가장 일반적인 stationary phase다.
- –Si–O–가 반복되는 siloxane backbone 구조를 가진다.
- 안정하고 용도가 다양하다.
- 곁사슬 작용기에 따라 극성이 달라진다: methyl(–CH3), phenyl(–C6H5), cyanopropyl(–CH2CH2CH2CN), trifluoropropyl(–CH2CH2CF3)
② Polyethylene glycols
- Polymethylsiloxane보다 구조적으로 덜 안정하고 견고하지 못하다.
- 최고 사용 온도가 상대적으로 낮다.
- 수명이 짧고, 과열이나 산소 노출 시 손상된다.
| 극성 | Stationary phase (대표 column) |
|---|---|
| Nonpolar | 100% methyl (DB-1), 5% phenyl (DB-5) |
| Intermediate | 35% phenyl (DB-35), 50% phenyl (DB-17), 6% cyanopropylphenyl (DB-1301), 14% cyanopropylphenyl (DB-1701) |
| Polar | 50% cyanopropylphenyl (DB-225), 50% cyanopropyl (DB-23), 50% trifluoropropyl (DB-210), poly(ethylene glycol) (DB-WAX) |
7. Oven
Column 종류, inlet·detector 온도, mobile phase 유량을 정한 뒤, 물질을 분리하고 retention time을 조절하는 역할을 한다. GC peak가 겹치거나 분리가 잘 안 되면 oven 온도(temperature program)를 조절해 많은 부분을 개선할 수 있다.
8. Detector
Column에서 분리된 시료의 양에 비례하는 전기 신호를 만드는 곳이다. 이상적인 detector의 공통 조건은 다음과 같다.
- Signal-to-noise ratio(S/N)가 높을 것
- Noise와 drift가 작을 것
- Detection limit이 낮을 것
- 신뢰도가 높고 사용이 쉬울 것
여러 종류가 있지만 내가 주로 쓰는 TCD와 FID만 정리한다.
TCD (thermal conductivity detector)
물질 고유의 열전도도를 이용한다. Carrier gas(He)와 시료 분자의 열전도도 차이를 측정하며, 기체 조성 변화 → 기체 열전도도 변화 → 필라멘트 온도 변화 → 저항 변화의 순서로 신호가 만들어진다. 수소와 헬륨은 열전도도가 대부분의 유기 화합물보다 6~10배 정도 커서 carrier gas로 쓰인다.
| 화합물 | 상대 열전도도 |
|---|---|
| CCl4 | 0.44 |
| Benzene | 0.88 |
| Hexane | 1.00 |
| Argon | 1.04 |
| N2 | 1.10 |
| He | 8.32 |
| H2 | 10.68 |
TCD는 유기·무기 화합물 모두에 감응해 기체 분석에 주로 쓰이지만, 감도가 낮다.
FID (flame ionization detector)
H2/air(약 1:10) 불꽃에 시료를 태우면서, 유기 화합물이 연소할 때 생기는 이온에 의한 전류를 측정한다. H2O, CO2, SO2처럼 연소하지 않는 기체에는 감응하지 않는다.
FID 불꽃이 붙지 않을 때 확인할 것은 다음과 같다.
- H2/air 비율
- Jet 파손이나 막힘 (찌꺼기가 쌓여 막힘)
- Ignitor 손상
- 오염 여부
- Detector 내부의 수분 (detector 온도를 충분히 낮추지 않고 끄면 수분이 생길 수 있음)
정리
- GC 시료는 휘발성, 낮은 molecular weight, 열 안정성을 갖춰야 한다.
- 정성 분석은 retention time, 정량 분석은 peak 면적과 5 point calibration으로 한다.
- Column 효율은 HETP = L/N으로 나타내며, 작을수록 좋다.
- Capillary column은 길고 가늘어 분리능이 뛰어나며, stationary phase 극성(DB-1 ~ DB-WAX)으로 고른다.
- TCD는 열전도도 차이(범용·낮은 감도), FID는 연소 이온 전류(유기물·높은 감도)를 측정한다.