가스 크로마토그래피 기초
가스 크로마토그래피란?
가스 크로마토그래피 – 기초
가스 크로마토그래피(GC)는 복잡한 혼합물에서 개별 화학 성분을 분리, 식별 및 정량화하는 데 사용할 수 있는 강력한 분석 기법입니다.
GC에서 “가스”라는 단어는 이 기법이 적용되는 시료 유형을 의미하는 것이 아니라 가스가 기기를 통해 시료를 운반함을 의미합니다. 이를 운반 가스 또는 이동상이라고 하며 일반적으로 고순도 헬륨, 수소 또는 질소입니다. 실제로 대부분의 GC 분석법은 액체 시료를 대상으로 하며 고체에 사용되는 경우도 있습니다. 가스 크로마토그래피로 분석하기 위해 시료에 기본적으로 요구되는 것은 시료 내 관심 화합물이 열 분해 없이 휘발되어야 한다는 점입니다.
가스 크로마토그래프
GC 시스템 구성과 폼 팩터가 워낙 많아 위압감을 느낄 수도 있지만 모든 GC 시스템은 주입구, 컬럼 및 검출기의 세 부분으로 나눌 수 있습니다.
이들 각각은 전용 컬럼 오븐과 가열 구역을 사용하여 온도가 제어되며(샘플 분석 과정에서 일정하게 유지되거나 상승), 각각에는 특정 압력 또는 유량(또한 일정하거나 상승)으로 하나 또는 여러 개의 가스가 흐르고 있습니다. 주입구는 시료를 가스 크로마토그래피 시스템으로, 궁극적으로는 컬럼으로 쉽게 도입할 수 있도록 해줍니다. 샘플이 컬럼을 통과하면서 개별 구성 요소로 분리되고 검출기에 의해 특성이 결정됩니다. 오늘날 가장 일반적인 GC 구성은 분할/비분할(SSL) 주입구, 얇은 층의 디메틸폴리실록산 고정상을 포함하는 벽 코팅 개방형 관형(WCOT) 모세관 컬럼 및 화염 이온화 검출기(FID)입니다.
GC 주입구
주입구는 많은 가스 크로마토그래피 기기에서 가장 복잡한 부분입니다. 액체 시료를 분석할 때 시료는 일반적으로 시린지를 사용하여 셉텀을 통과해 주입구로 주입됩니다. 여기에 표시된 것처럼 SSL 주입구는 유리 라이너 내부에서 최대 350°C의 온도로 시료를 기화시킵니다. 라이너는 증발하는 동안 불활성 표면을 제공하여 뜨거운 금속 표면에 의해 촉매될 수 있는 시료 내 활성 화합물의 분해를 방지합니다. 라이너는 또한 보다 효율적인 기화를 위해 비활성화된 유리솜으로 채워질 수 있으며, 시료 증기의 보다 효과적인 혼합과 균질화를 위해 다양한 내부 형상과 배플로 설계될 수 있습니다.
기화된 시료는 운반 가스에 의해 컬럼으로 유입됩니다. 컬럼의 치수가 작고 검출기의 감도가 높기 때문에 컬럼 내로 유입되는 증발 시료량은 매우 적습니다. 분할 가스 흐름을 사용하면 대부분의 시료 증기가 흡입구 배출구에서 버려지고 컬럼 헤드에 작고 날카로운 시료 증기 플러그만 남습니다. 이 분리된 날카로운 시료 플러그는 일반적으로 좁은 피크와 고분해능의 가장 효율적인 크로마토그래피 성능을 제공하므로 분할 주입 구성이 널리 사용됩니다.
SSL 흡입구는 훨씬 더 많은 시료 증기가 컬럼으로 흐르는 비분할 모드에서도 작동할 수 있습니다. 이 모드에서는 주입구에서 시료의 머무름 시간이 길어 불안정한 분석물의 피크 확장 및 열 분해가 증가하지만, 대신 미량 분석에 대한 감도가 높습니다.
다른 일반적인 가스 크로마토그래피 흡입구는 다음과 같습니다.
- 온도 프로그래밍 기화 흡입구(PTV)는 SSL과 유사하지만 주입 중에 흡입구 온도를 빠르게 램핑할 수 있습니다.
- COC(Cool on-column)의 경우, 니들이 들어가 전체 시료를 낮은 온도에서 컬럼 헤드에 직접 주입하여 열 분해 가능성을 추가로 방지하고 미량 분석을 용이하게 합니다.
- 멀티모드 주입구(MMI)는 표준 분할/비분할 주입구의 유연성과 PTV 주입구의 기능을 결합한 형태입니다.
GC 컬럼
현재의 캐필러리 GC 컬럼은 두 가지 주요 부분으로 구성됩니다:
- 외부 폴리이미드 코팅이 있는 용융 실리카 유리관.
- 내벽에 열적으로 안정적인 고분자량 폴리머 박막을 코팅한 고정상.
용융 실리카 튜브는 일반적으로 내경이 0.1 – 0.53mm이고 길이가 10 – 150m 정도입니다. 외부 폴리이미드 코팅은 유리 컬럼의 유연성을 크게 증가시키고 온도 제어를 위해 GC 오븐에 단단하게 감겨 유지될 수 있게 합니다.
시료 플러그가 컬럼을 통해 흐를 때 시료 내 다양한 성분은 고정상과의 상호 작용 강도에 따라 서로 분리됩니다. 가스 크로마토그래피에는 다양한 유형의 고정상이 존재하며 일반적으로 극성의 정도에 따라 설명됩니다. 용해도 평형을 지배하는 분자간 힘은 복잡한 주제이지만 대략적으로 설명하자면 극성 분자는 극성 시스템에서 더 잘 용해되고 비극성 분자는 비극성 시스템에서 더 잘 용해된다는 것입니다(“같은 것들이 더 잘 용해”). GC에 극성 고정상이 사용되는 경우, 분자 극성이 큰 분자는 컬럼을 통과할 때 비극성 분자에 비해 고정상에 더 오래 머물게 되므로 컬럼을 통과하는 시간이 더 오래 걸립니다. 분할 정도는 온도에 따라서도 다르며 컬럼을 포함한 오븐의 온도를 이용해 유사한 극성을 가진 특정 화합물 간의 분리를 향상시킬 수 있습니다. 컬럼 오븐의 온도를 일정 속도로 올리고 내리는 것은 많은 GC 응용 분야에서 일반적입니다.
GC 검출기
시료 혼합물의 분리된 성분이 컬럼 끝에 도달하면 검출기가 각 성분의 양을 전기 신호로 변환합니다. FID는 수소 불꽃을 사용하여 분자가 컬럼에서 용출될 때 분자를 이온화합니다. 이러한 이온은 존재하는 분자의 수에 비례하는 전류 변화를 생성합니다. FID는 높은 감도, 큰 선형 동적 범위 및 강력한 성능으로 인해 탄화수소 GC 응용 분야에서 가장 많이 사용되는 검출기입니다.
또 다른 일반적인 가스 크로마토그래피 검출기는 FID만큼 민감하지는 않지만 운반 가스를 제외한 모든 화합물에 보편적으로 반응하는 열전도도 검출기(TCD)입니다. 다음을 포함하여 특정 유형의 유기 화합물에 매우 선택적인 다른 검출기 기술들이 있습니다.
- 전자 포획 검출기(ECD)는 할로겐화 및 방향족 화합물뿐만 아니라 전자 친화력이 높은 기타 분석물에 이용됩니다.
- 질소-인 검출기(NPD)는 질소 또는 인을 함유한 화합물에 이용됩니다.
- 불꽃 광도계 검출기(FPD)는 황 또는 인을 함유한 화합물에 이용됩니다.
- 화학발광 검출기는 황(SCD) 또는 질소(NCD)를 함유한 화합물에 이용됩니다.
질량 분석법(MS)은 GC 분리를 위한 검출기로도 사용할 수 있는 강력한 분석 기술이며 이러한 결합 기술을 GC/MS라고 합니다. FID와 마찬가지로 MS 시스템은 존재하는 각 성분의 양에 비례하는 전기 신호를 생성합니다. 그러나 MS는 검출된 분자의 질량에 대한 정보도 제공하므로 GC/MS는 시료에서 미지의 화합물을 식별하는 데 매우 효과적입니다.
크로마토그램
GC의 데이터 출력은 x축에 머무름 시간(일반적으로 분 단위)을 표시하고 y축에 검출기 반응(일반적으로 피코암페어 단위)을 나타내는 크로마토그램입니다.
머무름 시간은 각 화합물 대역이 주입에서 컬럼을 거쳐 검출기로 이동하는 데 걸리는 시간을 측정한 것입니다. 이 시간은 주어진 기기 조건(컬럼, 유량, 압력, 온도 등)에 대해 재현 가능합니다.
GC 방법론의 일반적인 전략은 알려진 관심 화합물을 포함하는 분석 표준물질을 실행하여 해당 머무름 시간을 결정하는 것입니다. 이를 시료 크로마토그램의 피크에 대한 머무름 시간과 비교하여 미지 화합물을 식별할 수 있습니다. 여러 농도 수준에서 표준 혼합물을 실행하고 검출기 반응 결과에 대해 플로팅하면 생성된 검량선으로 시료 성분의 농도를 측정할 수 있습니다. 검량선은 가스 크로마토그래피에서 정량 분석의 기초가 됩니다.
추가 정보
Agilent University에서 4부로 구성된 "GC의 기초" 동영상 시리즈를 시청하세요(등록 필요).