기체 크로마토그래피
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1. 개요
기체 크로마토그래피는 가스 상태의 시료를 컬럼을 통과시키면서 분리하는 분석 기술이다. 1903년 미하일 츠베트의 연구에서 시작되었으며, 앤서니 제임스와 아처 마틴에 의해 발전했다. 시료 주입부, 운반 기체, 컬럼, 검출기 등으로 구성되며, 컬럼 내 고정상과 시료 간의 상호 작용을 통해 성분을 분리한다. 열전도도 검출기(TCD)와 불꽃 이온화 검출기(FID)가 주로 사용되며, 질량 분석기(MS)와 결합된 GC-MS도 널리 활용된다. 다양한 분석 방법이 존재하며, 유지 시간, 상대 유지 비, 유지 지표 등을 통해 데이터를 분석한다. 화학, 환경, 식품, 제약, 법의학 등 다양한 분야에서 활용되며, 300°C 이하에서 기화하고 안정적인 물질의 정량 분석에 사용된다.
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| 기체 크로마토그래피 | |
|---|---|
| 기본 정보 | |
 | |
| 약칭 | GC |
| 분류 | 크로마토그래피 |
| 분석 대상 물질 | 유기 화합물 무기 화합물 휘발성 물질 |
| 관련 기술 | 박막 크로마토그래피 고성능 액체 크로마토그래피 |
| 응용 기술 | 기체 크로마토그래피-질량 분석법 |
| 상세 정보 | |
| 컬럼 직경 | 100-320 μm |
| 컬럼 길이 | 5-60 m |
2. 역사
크로마토그래피는 1903년 러시아 과학자 미하일 세메노비치 츠베트가 액체 컬럼 크로마토그래피를 통해 식물 색소를 분리하면서 시작되었다.[5] 앤서니 T. 제임스와 아처 J.P. 마틴이 기체 크로마토그래피를 발명했다.[6][7] 이들의 기체 크로마토그래프는 분배 크로마토그래피를 분리 원리로 사용했으며, 화염 이온화 검출기 개발 이후 빠르게 보급되었다.[8] 마틴과 리처드 싱은 이전 논문에서 크로마토그래피가 기체 분리에도 사용될 수 있음을 언급했다.[9]
1947년 독일의 에리카 크레머는 운반 기체, 실리카겔로 채워진 컬럼, 열전도도 검출기로 구성된 최초의 기체 크로마토그래프를 개발했지만, 큰 관심을 받지 못했다.[10] 버렐 코퍼레이션의 N.C. 터너는 1943년 숯 컬럼과 수은 증기를 사용한 대형 기기를 소개했고, 웁살라 대학교의 스티그 클라에손은 1946년에 수은을 사용한 숯 컬럼에 대한 연구 결과를 발표했다.[10] 마르부르크 대학교의 게르하르트 헤세는 전분으로 채워진 간단한 유리 컬럼을 설치하고 질소를 운반 기체로 사용하여 브롬과 요오드를 성공적으로 분리했다.[10] 옥스퍼드 대학교의 코트니 S.G. 필립스는 열전도도 검출기를 사용하여 숯 컬럼에서의 분리를 연구했다.[10] 초기 기체 크로마토그래피는 충전 컬럼을 사용했지만, 모세관 컬럼의 발명으로 분해능이 향상되었다.[6]
2. 1. 배경
크로마토그래피의 역사는 1903년 러시아 과학자 미하일 세메노비치 츠베트[5]가 액체 컬럼 크로마토그래피를 통해 식물 색소를 분리한 연구에서 시작되었다.2. 2. 발명
앤서니 T. 제임스와 아처 J.P. 마틴이 기체 크로마토그래피를 발명한 것으로 일반적으로 알려져 있다.[6][7] 이들의 기체 크로마토그래프는 흡착 크로마토그래피 대신 분배 크로마토그래피를 분리 원리로 사용하였다. 기체 크로마토그래피는 화염 이온화 검출기가 개발된 이후 빠르게 널리 사용되었다.[8]마틴과 그의 동료인 리처드 싱(1952년 노벨 화학상 공동 수상)은 이전 논문에서[9] 크로마토그래피가 기체 분리에도 사용될 수 있음을 언급하였다. 싱은 다른 연구를 진행하였고, 마틴은 제임스와 함께 연구를 계속하였다.
2. 3. 기체 흡착 크로마토그래피 선구자
1947년 독일의 물리학자 에리카 크레머는 오스트리아 대학원생 프리츠 프리어와 함께 운반 기체, 실리카겔로 채워진 컬럼, 열전도도 검출기로 구성된 최초의 기체 크로마토그래프를 개발했다. 그들은 프랑크푸르트의 ACHEMA에서 크로마토그래프를 전시했지만 아무도 관심을 보이지 않았다.[10]버렐 코퍼레이션의 N.C. 터너는 1943년 숯 컬럼과 수은 증기를 사용한 대형 기기를 소개했다. 웁살라 대학교의 스티그 클라에손은 1946년에 수은을 사용한 숯 컬럼에 대한 연구 결과를 발표했다.[10]
마르부르크 대학교/란의 교수였던 게르하르트 헤세는 분자가 움직이는 기체 흐름에서 분리될 수 없다는 독일 화학자들 사이의 지배적인 견해를 시험하기로 결정했다. 그는 전분으로 채워진 간단한 유리 컬럼을 설치하고 질소를 운반 기체로 사용하여 브롬과 요오드를 성공적으로 분리했다. 그 후 실리카겔로 채워진 유리 응축기를 통해 불활성 기체를 흘려보내 용출된 분획을 수집하는 시스템을 구축했다.[10]
옥스퍼드 대학교의 코트니 S.G. 필립스는 열전도도 검출기를 사용하여 숯 컬럼에서의 분리를 연구했다. 그는 클라에손과 상의하여 변위를 분리 원리로 사용하기로 결정했다. 제임스와 마틴의 결과를 알게 된 후 그는 분배 크로마토그래피로 전환했다.[10]
2. 4. 컬럼 기술
초기 기체 크로마토그래피는 1–5m 길이, 1–5mm 직경의 입자로 채워진 충전 컬럼을 사용했다. 충전 컬럼의 분해능은 고정상을 모세관의 내벽에 코팅하는 모세관 컬럼의 발명으로 향상되었다.[6]3. 작동 원리
가스 크로마토그래프는 증발된 시료가 통과하는 좁은 관인 ''컬럼''으로 구성되어 있으며, 비활성 또는 비반응성 가스의 지속적인 흐름에 의해 운반된다. 시료의 구성 성분은 화학적 및 물리적 특성과 컬럼 내벽 또는 충전재(''고정상'')와의 상호 작용에 따라 다른 속도로 컬럼을 통과한다. 컬럼은 일반적으로 온도 조절 오븐 안에 들어 있다. 화학 물질이 컬럼의 끝에서 나오면 전자적으로 감지되고 식별된다.[1]
주입구에서 주사기 등으로 주입된 시료는 먼저 고온의 기화실에서 기화된 후, 캐리어 가스에 의해 컬럼으로 이동한다. 또는 기체 상태로 주사기나 밸브로 도입된 시료는 캐리어 가스에 의해 컬럼으로 이동한다. 크로마토그래피의 원리에 따라 각 성분은 분리되며, 그 후 검출기에서 전기 신호로 변환된다.
시간을 가로축으로, 검출기에서 얻어진 신호 강도를 세로축으로 하여 크로마토그램을 얻을 수 있으며, 유지 시간으로부터 물질의 동정, 피크라고 불리는 크로마토그램의 높이 또는 면적으로부터 정량을 수행한다.
가스 크로마토그래피 분석에서는 각 성분의 피크가 충분히 분리되는 조건을 찾는 것이 중요하며, 컬럼 종류의 선택과 컬럼 온도의 제어가 중요하다. 특히, 유지 시간이 길면 피크가 넓어지므로, 컬럼 온도를 높여가면서 분석을 수행하는 경우가 많다.
4. 구조
가스 크로마토그래피는 시료 주입부, 운반 기체 주입부, 항온조, 컬럼, 검출기, 가스 배출부, 컨트롤 유닛 등으로 구성된다.[19]
- 시료 주입부: 시료를 기체 상태로 만들어 컬럼으로 도입하는 부분이다.
- 운반 기체 주입부: 운반 기체를 컬럼으로 일정하게 흘려보내는 부분이다.
- 기화실: 액체 시료를 기화시키는 곳이다.
- 항온조: 컬럼의 온도를 일정하게 유지하는 부분이다.
- 가열·냉각 장치: 컬럼의 온도를 조절하는 장치이다. (실온 이하에서의 분석이 필요한 경우 등에 사용)
- 교반 팬: 항온조 내부의 온도를 균일하게 유지하는 장치이다.
- 검출기: 컬럼을 통과한 시료 성분을 검출하는 부분이다.
- 검출 데이터 출력 장치: 검출된 신호를 기록하는 장치이다.
- 가스 배출부: 운반 기체와 시료 성분을 외부로 배출하는 부분이다.
- 가스 분취 장치: 특정 성분을 분리하여 수집하는 장치이다. (없는 경우도 있다)
- 컨트롤 유닛: 전체 시스템을 제어하는 부분이다.
분석 목적에 따라 구성이 달라질 수 있으며, 대부분 확장성을 고려하여 설계된다.
4. 1. 시료 주입부
자동 시료 주입기는 시료를 주입구에 자동으로 도입하는 장치이다. 수동 주입도 가능하지만, 자동 주입이 더 나은 재현성과 시간 최적화를 제공하여 더 널리 사용된다.[11]
일반적인 주입구 유형은 다음과 같다.
- S/SL (분할/비분할) 주입기: 시료는 격막을 통해 가열된 작은 챔버에 주사기로 주입된다. 열은 시료 및 시료 매트릭스의 휘발을 촉진한다. 운반 기체는 시료의 전부(비분할 모드) 또는 일부(분할 모드)를 컬럼으로 운반한다. 분할 모드는 분석물 농도가 높은 시료(>0.1%)에 적합하며, 비분할 모드는 분석물 양이 적은 미량 분석(<0.01%)에 적합하다. 비분할 모드에서는 미리 설정된 시간 후에 분할 밸브가 열려 시스템을 오염시킬 수 있는 무거운 성분을 제거한다.[12]
- 컬럼 내 주입구: 시료는 열 없이 또는 용매의 끓는점 이하의 온도에서 전체가 직접 컬럼에 주입된다. 낮은 온도는 시료를 좁은 영역으로 응축시킨다. 이후 컬럼과 주입구를 가열하여 시료를 기체 상태로 방출한다.
- PTV 주입기: 1979년 Vogt에 의해 처음 설명되었다. 낮은 초기 라이너 온도에서 시료를 도입함으로써 고전적인 고온 주입 기술의 단점을 피할 수 있다.
- 가스원 주입구 (가스 스위칭 밸브): 수집 병의 기체 시료는 일반적으로 6포트 스위칭 밸브에 연결된다. 시료 루프의 내용물이 운반 기체 흐름에 삽입된다.
- P/T (퍼지 및 트랩) 시스템: 불활성 가스가 수성 시료를 통과하여 기포화되어 불용성 휘발성 화학 물질이 매트릭스에서 제거된다. 휘발성 물질은 주변 온도에서 흡수 컬럼(트랩 또는 농축기)에 '트랩'된다. 이후 트랩을 가열하여 휘발성 물질을 운반 기체 흐름으로 보낸다.
다이렉트법, 스플릿리스법, 스플릿법, 프로그램 승온 기화(PTV) 법과 같은 다양한 주입 방식이 존재하며, 시료의 특성과 분석 목적에 따라 적절한 방식을 선택해야 한다.
4. 2. 이동상 (운반 기체)
운반 기체는 기체 크로마토그래피에서 이동상으로 사용되는 기체로, 시료를 컬럼으로 운반하는 역할을 한다. 일반적으로 헬륨, 질소, 아르곤, 수소와 같은 기체가 사용된다.[4][1] 어떤 기체를 사용할지는 사용되는 검출기에 따라 결정된다. 예를 들어, DID는 헬륨을 운반 기체로 사용해야 한다.[1]검출기로 열전도도 검출기(TCD)를 사용하는 경우에는 운반 기체의 열전도율이 클수록 검출 감도가 높아지므로 헬륨을 사용하는 경우가 많다. 불꽃 이온화 검출기(FID)를 사용하는 경우에는 가격이 저렴한 질소를 사용하는 경우가 많다.
안전 및 가용성 또한 운반 기체 선택에 영향을 미칠 수 있다. 수소는 효율성이 헬륨과 비슷하지만, 헬륨은 불연성이며 더 많은 검출기 및 구형 기기와 작동하기 때문에 가장 일반적으로 사용되는 운반 기체이다. 그러나 헬륨 가격이 상승하면서 수소 가스로 전환하는 경우도 있다.
운반 기체는 고순도가 요구된다. 일반적으로 99.995% 이상의 순도가 사용되며, 가장 일반적인 순도 등급은 5.0 등급(99.999% 순도)이다. 이는 운반 기체 내 불순물이 10ppm 이하임을 의미한다. 매우 낮은 수준의 검출이 필요한 경우에는 6.0 등급 또는 7.0 등급 순도의 운반 기체가 사용되기도 한다.
운반 기체의 선형 속도는 분석에 영향을 미친다. 선형 속도가 높을수록 분석 속도는 빨라지지만, 분석물 간의 분리는 낮아진다. 따라서 선형 속도와 컬럼 온도는 분리 수준과 분석 시간 사이의 균형을 맞추는 방향으로 선택해야 한다.
4. 3. 컬럼 및 고정상
'''컬럼'''은 기체 크로마토그래피(GC)에서 시료 성분을 분리하는 핵심 부품으로, 고정상을 충전하거나 코팅한 관이다. 컬럼은 크게 충전 컬럼과 모세관 컬럼 두 종류로 나뉜다.[19] 초기 기체 크로마토그래피는 충전 컬럼을 사용했지만, 모세관 컬럼의 발명으로 분해능이 향상되었다.[6]물질의 유지 시간은 주로 고정상의 극성에 따라 달라진다. 고극성 고정상은 고극성 물질과의 친화력이 높아 고극성 물질의 유지 시간을 늘린다. 따라서, 서로 다른 고정상을 가진 컬럼을 사용하면, 특정 컬럼에서는 분리할 수 없었던 물질을 분리할 수도 있다. 컬럼 선택은 시료와 측정 대상에 따라 달라지며, 혼합물의 극성과 작용기는 컬럼 선택에 중요한 고려 사항이다. 시료의 극성은 컬럼 고정상의 극성과 잘 맞아야 분해능과 분리를 높이고 실행 시간을 줄일 수 있다. 분리 및 실행 시간은 고정상 필름 두께, 컬럼 직경 및 길이에도 영향을 받는다.
4. 3. 1. 충전 컬럼
'''충전 컬럼'''은 기체 크로마토그래피에서 사용되는 컬럼의 한 종류로, 수 mm 정도의 튜브 안에 고정상을 충전한 것이다. 고정상으로는 실리카겔, 활성탄, 제올라이트와 같이 흡착력이 강한 고체나, 규조토와 같은 다공성 불활성 담체[20]에 불휘발성 액체를 흡착시킨 것을 사용한다.
충전 컬럼은 불휘발성 액체라면 어떤 것이든 고정상으로 사용할 수 있어 종류가 매우 다양하며, 사용자가 직접 고정상을 재충전할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 많은 양의 물질을 부하할 수 있어 주로 목적 화합물의 분취용으로 사용된다.
충전 컬럼의 관 재료로는 주로 유리나 스테인리스강이 사용된다[19]. 유리는 화학적으로 안정적이지만 깨지기 쉽고 온도 변화에 민감하다는 단점이 있다. 반면 스테인리스강은 유리보다 튼튼하고 온도 변화에 덜 민감하지만, 화학적 안정성은 유리에 비해 낮을 수 있다.
4. 3. 2. 모세관 컬럼
모세관 컬럼은 용융 석영 내경 1mm 이하의 관 내벽에 고정상을 도포한 것으로[19], 기체 크로마토그래피 특유의 컬럼이다. 과거에는 금속제나 유리제도 사용되었지만, 금속제는 반응성이 있고 유리제는 파손되기 쉽다는 결점이 있어 현재는 거의 모두 용융 석영제로 대체되었다. 다만, 최근에는 모세관 내면을 특수 처리하여 불활성화함으로써 스테인리스강으로 제작된 컬럼도 시판되게 되었다[21]。일반적으로 팩 컬럼에 비해 단위 길이당 이론 단수는 높지만, 내벽에 도포할 수 있는 고정상의 양이 적기 때문에 부가되는 물질량은 적다. 따라서 주로 분석용으로 사용된다[19]。또한, 용융 석영에 흡착되는 고정상은 제한되기 때문에 고정상의 종류는 적다.4. 3. 3. 고정상 종류
모세관 컬럼에서는 주로 다음과 같은 4종류의 고정상이 사용된다.[4]| 극성 | 고정상 | 화학 구조 |
|---|---|---|
| 무극성 | 폴리디메틸실록산 |  |
| 저극성 | 폴리디메틸실록산/디페닐실록산 |  |
| 중극성 | 폴리메틸시아노알킬실록산 |  |
| 고극성 | 폴리에틸렌글리콜 |  |
- 저극성인 폴리디메틸실록산/디페닐실록산 고정상은 2종의 혼합 비율에 따라 다양한 무극성~저극성 컬럼이 만들어진다.
광학 이성질체 분리용으로는 위의 무극성~중극성 고정상에 사이클로덱스트린 유도체를 혼합한 것이 사용된다.[4]
충전 컬럼에서는 실리카겔, 활성탄, 제올라이트, 활성 알루미나 등 흡착력을 가진 고체, 스쿠알렌 또는 디-2-에틸헥실프탈레이트 등을 담체에 흡착시킨 것이 고정상으로 사용된다.[4]
각각의 고정상마다 사용 상한 온도가 존재하며, 이를 초과하면 고정상의 용출이나 분해가 일어나 컬럼의 수명이 단축된다. 또한 모세관 컬럼은 보호를 위해 폴리이미드 수지로 바깥쪽이 코팅되어 있지만, 300°C 이상에서 사용하면 이것이 탄화되기 시작하여 취약해져 파손되기 쉬우므로 취급에 주의해야 한다.
4. 4. 검출기
검출기는 컬럼에서 분리된 각 성분을 검출하여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 기체 크로마토그래피(GC)에서는 일반적으로 열전도도 검출기(TCD)와 불꽃 이온화 검출기(FID)가 널리 사용된다.[19] TCD는 비파괴적이지만 대부분의 분석물에 대한 검출 한계가 낮고,[1] FID는 TCD보다 탄화수소에 더 민감하며 물이나 이산화탄소를 감지할 수 없다.[1][4]질소–인 검출기(NPD)와 유사한 알칼리 불꽃 검출기(AFD) 또는 알칼리 불꽃 이온화 검출기(AFID)는 질소와 인에 대한 높은 감도를 가진다. 알칼리 금속 이온은 불꽃 위의 비드 대신 수소 가스와 함께 공급된다. AFD는 NPD와 달리 "피로"를 겪지 않고 장기간 일정한 감도를 제공한다. 알칼리 이온이 불꽃에 추가되지 않으면 AFD는 표준 FID처럼 작동한다. 촉매 연소 검출기(CCD)는 가연성 탄화수소와 수소를 측정하며, 방전 이온화 검출기(DID)는 고전압 방전을 사용하여 이온을 생성한다.
진공 자외선(VUV) 검출기는 기체 크로마토그래피 검출기 중 가장 최근에 개발된 기술이다. 대부분의 화학 종은 약 120–240 nm VUV 파장 범위에서 고유한 기체상 흡수 단면을 흡수하며, 이를 통해 화학적 간섭 없이 분자의 수를 절대적으로 결정할 수 있다.[15]
후각 측정 검출기(GC-O)는 화합물의 냄새 활성을 분석하기 위해 인간 평가자를 사용한다. 냄새 포트 또는 스니핑 포트를 사용하면 화합물의 냄새 품질, 냄새 강도 및 냄새 활성 기간을 평가할 수 있다.
이 외에도 홀 전해 전도도 검출기(ElCD), 헬륨 이온화 검출기(HID), 적외선 검출기(IRD), 광 이온화 검출기(PID), 펄스 방전 이온화 검출기(PDD) 및 열이온화 검출기(TID) 등이 있다.[16]
4. 4. 1. 열전도도 검출기 (TCD)
열전도도 검출기(TCD)는 물질의 열전도도 차이를 이용하여 시료를 검출하는 검출기이다.[19] 캐리어 가스 이외의 거의 모든 물질을 검출할 수 있지만, 감도가 높지 않아 희석된 시료에는 적합하지 않다. TCD는 기본적으로 비파괴적인 검출 방법이므로 시료 분취가 가능하다.TCD는 전류가 통과하는 텅스텐-레늄의 얇은 와이어 주변을 통과하는 물질의 열전도도에 의존한다.[4] 헬륨 또는 질소는 비교적 높은 열전도도를 가지기 때문에 캐리어 가스로 사용되며, 필라멘트를 차갑게 유지하고 필라멘트의 균일한 저항 및 전기 효율을 유지한다.[4][13] 분석물 분자가 컬럼에서 용리되면 캐리어 가스와 혼합되어 열전도도가 감소하고, 필라멘트 온도와 저항이 증가하여 전압 변동이 발생하며, 이는 결국 검출기 응답을 유발한다.[4][13] 검출기 감도는 필라멘트 전류에 비례하며, 검출기의 즉각적인 환경 온도 및 캐리어 가스의 유량에 반비례한다.[4]
4. 4. 2. 불꽃 이온화 검출기 (FID)
불꽃 이온화 검출기(FID)는 컬럼 출구 근처에 수소/공기로 연료를 공급하는 불꽃과 그 옆에 배치된 전극을 사용한다. 탄소를 포함하는 화합물이 컬럼에서 나오면 불꽃에 의해 열분해된다.[4][13] 이 검출기는 탄소가 열분해될 때 양이온과 전자를 형성하여 전극 사이에 전류를 생성하는 원리를 이용하므로, 유기/탄화수소 함유 화합물에만 작동한다.[4][13] 발생한 전류의 증가는 변환되어 크로마토그램에서 피크로 나타난다. FID는 검출 한계가 낮지만(초당 몇 피코그램), 카르보닐 탄소에서는 이온을 생성할 수 없다.[4] FID와 호환되는 운반 기체로는 헬륨, 수소, 질소, 아르곤 등이 있다.[4][13]FID는 물질을 수소 불꽃 속에서 연소시켜 발생하는 플라즈마 전자를 검출한다.[19] C-H 결합(단, 카르보닐 탄소와 직접 결합한 수소는 제외)을 가진 화합물에 대해 감도를 가지므로, 일반 유기물에 대해서는 높은 감도를 보이지만, 물이나 이산화탄소와 같은 작은 분자 가스는 감지할 수 없다는 단점이 있다. 또한, FID는 기본적으로 시료를 파괴하는 검출 방식이므로 시료 분취가 불가능하다.
FID에서는 검출기에 들어가기 전, 스트림을 수정하는 경우도 있다. 예를 들어 메테나이저는 일산화탄소와 이산화탄소를 메탄으로 변환하여 FID에서 감지할 수 있도록 한다.
4. 4. 3. 특수 검출기
전자 포획 검출기(ECD)는 방사성 베타 입자(전자) 소스를 사용하여 전자 포획 정도를 측정한다. ECD는 할로겐 화합물, 니트로 화합물 등 전기음성/탈출 원소와 작용기를 포함하는 분자를 감지하는 데 사용된다.[4][13][19] 특히 미량의 할로겐 화합물이나 니트로 화합물의 검출에 뛰어나며, 다이옥신류나 PCB의 정성·정량 및 니트로 화합물을 함유하는 폭약 등의 감지(테러 방지 등)에 사용된다.[19]불꽃 광도 검출기(FPD)는 광전자 증배관을 사용하여 화합물이 불꽃에서 연소될 때 화합물의 스펙트럼선을 감지한다. 컬럼에서 용리되는 화합물은 수소로 연료를 공급하는 불꽃으로 운반되어 분자 내 특정 원자를 여기시키고, 여기된 원자(P, S, 할로겐, 일부 금속)는 특정 특성 파장의 빛을 방출한다.[13] 특히, 인 방출은 약 510–536 nm이고 황 방출은 394 nm이다.[4][13] FPD는 인 화합물이나 황 화합물, 주석 화합물의 분석에 사용된다.[19]
질량 분석기(MS)는 GC-MS라고도 불리며, 샘플의 소량에서도 매우 효과적이고 민감하게 분석물을 식별하는 데 사용된다.[14] 거의 모든 물질을 검출할 수 있으며, 크로마토그램과 매스 스펙트럼을 동시에 얻을 수 있기 때문에 각 피크 성분의 동정이 매우 용이하다.[22]
5. 분석 방법
분석 방법은 주어진 분석을 위해 GC(기체 크로마토그래피)가 작동하는 조건의 집합이다. 방법 개발은 필요한 분석에 적절하거나 이상적인 조건을 결정하는 과정이다.
필요한 분석을 수용하기 위해 변경할 수 있는 조건에는 주입구 온도, 검출기 온도, 컬럼 온도 및 온도 프로그램, 운반 기체 및 운반 기체 유량, 컬럼의 고정상, 직경 및 길이, 주입구 유형 및 유량, 시료 크기 및 주입 기술 등이 있다.
- 운반 기체 선택 및 유량: 운반 기체의 선택은 중요하다. 헬륨은 불연성이며 다양한 검출기와 잘 작동하여 가장 일반적으로 사용되지만, 최근 가격 상승으로 인해 수소 가스로 전환하는 경우도 있다.[4][1] 운반 기체의 순도는 일반적으로 99.995% 이상을 사용하며, 높은 감도가 필요한 경우 99.999% 이상의 순도를 사용하기도 한다. 운반 기체의 유량은 분석 속도와 분리능에 영향을 미치는데, 유량이 빠를수록 분석 시간은 단축되지만 분리능은 떨어진다.
- 컬럼 선택 및 온도: 컬럼의 선택은 시료와 측정 대상에 따라 달라진다. 시료의 극성과 작용기를 고려하여 컬럼의 고정상을 선택해야 한다. 컬럼 온도는 시료가 컬럼을 통과하는 속도에 영향을 미치므로, 분석 시간과 분리 수준을 고려하여 적절한 온도를 설정해야 한다. 대부분의 경우, 분석 중에 컬럼 온도를 점차적으로 높이는 온도 프로그램을 사용한다.
- 시료 주입: 주입구에서 주사기 등으로 주입된 시료는 먼저 고온의 기화실에서 기화된 후, 운반 기체에 의해 컬럼으로 이동한다. 기체 상태로 주사기나 밸브로 도입된 시료는 운반 기체에 의해 컬럼으로 이동한다.
크로마토그래피의 원리에 따라 각 성분은 분리되며, 그 후 검출기에서 전기 신호로 변환된다. 시간을 가로축으로, 검출기에서 얻어진 신호 강도를 세로축으로 하여 크로마토그램을 얻을 수 있으며, 유지 시간으로부터 물질을 확인하고, 피크의 높이 또는 면적으로부터 정량을 수행한다.
가스 크로마토그래피 분석에서는 각 성분의 피크가 충분히 분리되는 조건을 찾는 것이 중요하며, 컬럼 종류의 선택과 컬럼 온도의 제어가 중요하다. 특히, 유지 시간이 길면 피크가 넓어지므로, 컬럼 온도를 높여가면서 분석을 수행하는 경우가 많다.
가스 크로마토그래피는 기화되는 물질이 아니면 분석할 수 없기 때문에 범용성에서는 HPLC에 비해 떨어진다. 하지만, HPLC로는 분석이 어려운 탄화수소, 지방산, 알코올 등 끓는점에 따라 분리되는 물질의 분석에 뛰어나 양조, 향료, 유지, 석유화학 등의 분야에서 널리 사용된다.
5. 1. 주입 방법
컬럼 주입구(또는 주입기)는 운반 기체의 연속적인 흐름에 시료를 도입하는 수단을 제공한다. 주입구는 컬럼 헤드에 부착된 하드웨어의 일부이다.
일반적인 주입구 유형은 다음과 같다.
- S/SL (분할/비분할) 주입기: 시료는 격막을 통해 가열된 작은 챔버에 주사기를 통해 주입된다. 열은 시료 및 시료 매트릭스의 휘발을 촉진한다. 그런 다음 운반 기체는 시료의 전체(비분할 모드) 또는 일부(분할 모드)를 컬럼으로 쓸어 넣는다. 분할 모드에서는 주입 챔버 내 시료/운반 기체 혼합물의 일부가 분할 배출구를 통해 배출된다. 분할 주입은 분석물 농도가 높은 시료(>0.1%)에 선호되며, 비분할 주입은 분석물 양이 적은 미량 분석(<0.01%)에 가장 적합하다. 비분할 모드에서 분할 밸브는 미리 설정된 시간이 지난 후 열려 시스템을 오염시킬 수 있는 더 무거운 성분을 제거한다. 이 미리 설정된(비분할) 시간은 최적화되어야 한다. 짧은 시간(예: 0.2분)은 테일링을 줄이지만 응답이 손실되고, 긴 시간(2분)은 테일링을 증가시키지만 신호도 증가한다.[12]
- 컬럼 내 주입구: 시료는 열 없이 또는 용매의 끓는점 이하의 온도에서 전체가 직접 컬럼에 주입된다. 낮은 온도는 시료를 좁은 영역으로 응축시킨다. 그런 다음 컬럼과 주입구를 가열하여 시료를 기체 상태로 방출할 수 있다. 이것은 크로마토그래피에 가능한 최저 온도를 보장하고 시료가 끓는점 이상으로 분해되는 것을 방지한다.
- PTV 주입기: 온도 프로그래밍된 시료 도입은 1979년 Vogt에 의해 처음 설명되었다. 원래 Vogt는 모세관 GC에서 대량 시료 부피(최대 250 μL)를 도입하는 방법으로 이 기술을 개발했다. Vogt는 제어된 주입 속도로 라이너에 시료를 도입했다. 라이너의 온도는 용매의 끓는점보다 약간 낮게 선택되었다. 저비점 용매는 지속적으로 증발하여 분할 라인을 통해 배출되었다. 이 기술을 기반으로 Poy는 온도 프로그래밍 증발 주입기(PTV)를 개발했다. 낮은 초기 라이너 온도에서 시료를 도입함으로써 고전적인 고온 주입 기술의 많은 단점을 피할 수 있었다.
- 가스원 주입구 또는 가스 스위칭 밸브: 수집 병의 기체 시료는 가장 일반적으로 6포트 스위칭 밸브에 연결된다. 시료가 이전에 진공 처리된 시료 루프에 팽창될 수 있는 동안 운반 기체 흐름은 중단되지 않는다. 스위칭 시 시료 루프의 내용물이 운반 기체 흐름에 삽입된다.
- P/T (퍼지 및 트랩) 시스템: 불활성 가스가 수성 시료를 통과하여 기포화되어 불용성 휘발성 화학 물질이 매트릭스에서 제거된다. 휘발성 물질은 주변 온도에서 흡수 컬럼(트랩 또는 농축기로 알려짐)에 '트랩'된다. 그런 다음 트랩을 가열하고 휘발성 물질을 운반 기체 흐름으로 보낸다. 전처리 또는 정제가 필요한 시료는 일반적으로 S/SL 포트에 연결된 이러한 시스템을 통해 도입될 수 있다.
; 다이렉트법
: 주입구에서 가열 기화된 샘플을 모두 컬럼에 도입한다.
; 스플릿리스법
: 스플릿리스법에서는 순간적으로 가열 기화시킨 샘플의 거의 전량을 컬럼에 도입한다. 스플릿법으로는 할 수 없는 미량 분석을 할 때 사용된다. 도입 시간이 길어지기 때문에 피크가 브로드해진다. 피크를 샤프하게 하기 위해 다음과 같은 효과가 사용된다.
:* '''용매 효과''': 컬럼 온도를 용매의 끓는점 이하로 함으로써 용매를 컬럼 선단에서 응축시킨다. 응축된 용매에 샘플이 재용해된다.
:* '''리텐션 갭 효과'''
:* '''콜드 트랩 효과''': 컬럼 온도를 용질 이하로 한다.
; 스플릿법
: 주입된 샘플을 컬럼에 도입하면, 캐필러리 컬럼에서는 시료 부하량을 초과해 버리기 때문에 피크 형상이나 분해능이 나빠진다. 그래서 스플릿법에서는 순간적으로 가열 기화시킨 샘플의 일부만 컬럼에 도입하고, 나머지를 폐기한다. 스플릿비를 변경함으로써 도입량을 조절한다. 열에 불안정한 화합물이나, 끓는점 범위가 넓은 샘플에서는 주의가 필요하다.
; 프로그램 승온 기화(PTV) 법
: 주입구의 온도를 자유롭게 설정할 수 있다. 샘플은 액체 상태로 라이너에 주입하고, 그 후에 승온하여 샘플을 기화시켜 컬럼에 도입한다. 컬럼에 샘플을 도입할 때, 스플릿/스플릿리스 설정을 할 수 있다. 대용량의 샘플을 GC에 도입할 수 있다.
- '''온-컬럼법'''
6. 유지 시간, 상대 유지 비, 유지 지표
시료 주입부터 어떤 화합물이 검출기에서 검출되기까지 걸리는 시간을 그 화합물의 '''유지 시간'''(retention time, 종종 RT로 약칭)이라고 한다. 유지 시간에서 고정상에 전혀 흡착되지 않는 물질이 용출될 때까지의 시간(데드 타임, 공기의 유지 시간으로 근사)을 뺀 것은 공간 보정 유지 시간이라고 불린다.
일정 온도에서 측정한 크로마토그램에서, 2종류의 물질의 공간 보정 유지 시간의 비는 온도나 캐리어 가스의 종류나 유량에 따라 거의 변하지 않고, 고정상의 종류에 의해서만 결정되는 일정 값이 된다. 이 값을 '''상대 유지 비'''라고 한다.
직쇄의 알칸에서, 어떤 알칸을 기준으로 한 탄소수 ''n''의 알칸의 상대 유지 비 α''n''의 상용 대수는 탄소수 ''n''의 일차 함수가 된다. 즉 log α''n'' = ''an'' + ''b''. 이 식을 변형하여 ''x'' = 100(log α''n'' - ''b'')/''a'' = 100''n'', 즉 ''x''의 값이 탄소수의 100배가 되도록 상대 유지 비를 규격화할 수 있다. 이 식을 알칸 이외의 화합물에도 적용한다. 어떤 화합물의 어떤 알칸을 기준으로 한 상대 유지 비 α''n''을 측정하고, 그것을 다른 알칸의 상대 유지 비로부터 구한 ''a'', ''b''를 사용한 위의 식에 대입한다. 이때, 이 ''x''의 값을 그 화합물의 '''유지 지표''' (Retention Index, 종종 RI로 약칭), 또는 제안자의 이름을 따서 '''코바츠 지표''' (Kovats Index, 종종 KI로 약칭)라고 한다. 상대 유지 비와 마찬가지로 유지 지표도 고정상의 종류에 의해서만 결정되므로, 화합물의 동정이나 유지 시간의 추정에 사용된다.
7. 데이터 분석
크로마토그램은 검출기 응답(y축)을 유지 시간(x축)에 대한 그래프로 나타낸 것이다. 이는 컬럼에서 다른 시간에 용리되는 샘플 내에 존재하는 분석 대상 물질을 나타내는 샘플의 피크 스펙트럼을 제공한다. 유지 시간은 방법 조건이 일정하면 분석 대상 물질을 식별하는 데 사용될 수 있다.[1] 피크 패턴은 일정한 조건에서 샘플에 대해 일정하며 분석 대상 물질의 복잡한 혼합물을 식별할 수 있다. 그러나 대부분의 현대적인 응용 분야에서 GC는 피크로 표현되는 분석 대상 물질을 식별할 수 있는 질량 분석기 또는 유사한 검출기에 연결된다.[1]
피크 아래 면적은 크로마토그램에 존재하는 분석물의 양에 비례한다. 적분을 사용하여 피크의 면적을 계산함으로써, 원래 시료 내 분석물의 농도를 결정할 수 있다. 농도는 검량선을 사용하거나, 분석물의 상대 반응 인자를 결정하여 계산할 수 있다.[1] 상대 반응 인자는 분석물과 내부 표준 물질 (또는 외부 표준 물질)의 예상 비율이며, 알려진 양의 분석물과 일정한 양의 내부 표준 물질(분석물과 구별되는 유지 시간을 갖는, 일정한 농도로 시료에 첨가된 화학 물질)의 반응을 찾아서 계산한다.[1]
대부분의 현대적인 GC-MS 시스템에서는 컴퓨터 소프트웨어를 사용하여 피크를 그리고 적분하며, MS 스펙트럼을 라이브러리 스펙트럼과 일치시킨다.[1]
크로마토그램은 시간을 가로축으로, 검출기에서 얻어진 신호 강도를 세로축으로 하여 얻을 수 있으며, 유지 시간으로부터 물질을 동정하고, 피크라고 불리는 크로마토그램의 높이 또는 면적으로부터 정량을 수행한다.[2]
8. 응용 분야
기체 크로마토그래피(GC)는 화학 산업에서 제품 품질을 보장하거나, 토양 가스와 같이 토양, 공기 또는 물의 화학 물질을 측정하는 데 사용된다.[18] GC는 적절하게 사용하면 매우 정확하며, 1ml 액체 시료에서 피코몰 단위의 물질이나 기체 시료에서 10억 분율 농도를 측정할 수 있다.
대학의 실습 과정에서 학생들은 라벤더 오일의 성분을 연구하거나, 인위적으로 잎을 손상시킨 후 ''담배'' 식물이 분비하는 에틸렌을 측정하여 GC를 접하기도 한다.
법의학에서도 기체 크로마토그래피가 광범위하게 사용된다. GC는 고체 약물 용량(소비 전 형태) 식별 및 정량화, 방화 조사, 페인트 조각 분석 및 독성학 사건과 같은 다양한 분야에서 다양한 생물학적 시료 및 범죄 현장 증거를 식별하고 정량화하는 데 사용된다.
참조
[1]
서적
Modern analytical chemistry
McGraw-Hill
2000
[2]
서적
Introduction to Organic Laboratory Techniques
Thomson Brooks/Cole
[3]
웹사이트
Gas Chromatography
http://hiq.linde-gas[...]
Linde AG
2012-03-11
[4]
서적
Quantitative chemical analysis
W.H. Freeman & Company
2016
[5]
논문
Berichte der Deutschen Botanischen Gesellschaft v.24 1906.
https://babel.hathit[...]
2019-04-19
[6]
논문
History of gas chromatography
2002-09-10
[7]
논문
Gas-liquid partition chromatography: the separation and micro-estimation of volatile fatty acids from formic acid to dodecanoic acid
1952-03-01
[8]
논문
Flame Ionization Detector for Gas Chromatography
1958-03
[9]
논문
A new form of chromatogram employing two liquid phases: A theory of chromatography. 2. Application to the micro-determination of the higher monoamino-acids in proteins
1941-12-01
[10]
서적
Chapters in the evolution of chromatography
Imperial College Press
2008
[11]
논문
Osmar, the open-source microsyringe autosampler
2018
[12]
웹사이트
Split/Splitless and On-Column Gas Chromatographic Injectors
https://www.shsu.edu[...]
2019-10-06
[13]
서적
Analytical Chemistry
OXFORD University Press
[14]
서적
Fundamentals of analytical chemistry
Brooks/Cole
2013-01-01
[15]
논문
Vacuum Ultraviolet Detector for Gas Chromatography
[16]
논문
Ionization-based detectors for gas chromatography
2015-11-20
[17]
서적
Modern Practice of Gas Chromatography (4th Ed.)
John Wiley & Sons
[18]
논문
Effects of soil rewetting and thawing on soil gas fluxes: a review of current literature and suggestions for future research
2012
[19]
논문
ガスクロマトグラフィー
色材協会
2005
[20]
웹사이트
信和化工株式会社製 Shinwasorb; 多孔質シリカ担体
http://shinwa-cpc.co[...]
[21]
웹사이트
フロンティア・ラボ株式会社製 Ultra ALLOY® キャピラリーカラム
http://www.frontier-[...]
[22]
논문
ガスクロマトグラフィー/質量分析法
色材協会
2005
[23]
서적
Modern analytical chemistry
https://www.worldcat[...]
McGraw-Hill
2000
[24]
서적
Introduction to Organic Laboratory Techniques (4th Ed.)
Thomson Brooks/Cole
[25]
웹인용
Gas Chromatography
http://hiq.linde-gas[...]
Linde AG
2012-03-11
[26]
서적
Quantitative chemical analysis
https://www.worldcat[...]
2016
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