관계 이론

가스 크로마토그래피(Gas chromatography, GC)기술은 1952년 James와 Martin이 개발한 이래 급속한 속도로 발전하여 현재는 분석화학과 생화학 연구에서 중요하게 사용되고 있다. 이러한 비약적 발전은 화학적으로 결합된 실리카 모세관 컬럼을 도입함으로써 이룰 수 있었다.

현재는 질량분석기를 검출기로 사용하는 GC-MS의 개발로 분리된 화합물을 쉽게 확인할 수 있는 단계까지 발전되었다.

가스 크로마토그래피에서는 용매에 녹아 있는 시료를 증발시켜 컬럼 내부로 주입시키고, 컬럼 내에서 많은 구성 성분들이 분리된다. 분리된 구성물질의 분리는 비활성 기체 이동상의 흐름에 의해서 일어난다.

운반 기체가 이동상으로서 컬 내에 움직이지 않는 고정상과 작용하여 혼합물 중에 있는 화합물이 분리된다. GC 분석에서는 다른 크로마토그래피와는 다르게 이동상이 시료 분자와 상호작용을 하지 않는다.

운반 기체, 즉 GC의 이동상은 헬륨, 아르곤, 질소와 같은 화학적으로 비활성 기체가 사용된다.

기체-고체 크로마토그래피의 고정상은 분석할 물질의 흡착이 잘 일어나는 표면적이 넓은 고체가 사용된다.

기체-액체 크로마토그래피에서는 고정상이 액체이며 흡착이나 화학적 결합으로 고체 표면에 고정되어 있다.

가스 크로마토그래피의 분리 작용은 시료의 기체 구성 물질과 고정상 간에 흡착의 비율 차이로 일어난다.

GC에서 분산율은 물질의 증기압과 각 성분들의 화학적 특성과 고정상에 대한 친화도에 따라 다르다. 이러한 것들은 온도의 함수이기 때문에 분리 작용을 최적화하여 좋은 결과를 얻기 위해서는 컬럼의 고정상의 선택과 컬럼의 온도 프로그램이 매우 중요하다.

사용하는 기체

기체의 선택

운반 기체(Carrier gas)

TCD를 검출기로 사용할 때 운반 기체는 헬륨을 사용하며, 수소를 분석할 경우에는 질소를 사용한다. FID를 검출기로 사용할 때에는 헬륨 또는 질소를 사용할 수 있으며, 수소도 사용할 수 있다. 그러나 수소는 폭발의 위험성이 있으므로 잘 사용하지 않는다. 따라서 TCD와 FID를 모두 사용하는 경우 헬륨과 질소 모두를 구입하여 두어야 한다.

이외에 다른 검출기들(ECD, NPD, FPD)도 주로 질소와 헬륨을 사용하며 PDD와 같은 특별한 검출기의 경우 그 검출기에 맞는 운반 기체를 사용한다.

기체의 순도

사용하는 기체는 표에서 보는 바와 같이 용도 또는 검출기에 따라 약간의 차이는 있으나 통상적으롤 9N(99.9995%) 이상의 순도를 갖는 것을 사용한다.

표  기체 선택 가이드

검출기	가스	사용 목적	순도	비고
TCD	헬륨 질소	이동상 이동상	99.995% 99.995%	구입 H2검출시
FID	질소 헬륨 수소 공기(건조)	이동상 이동상 보조가스 보조가스	99.995% 99.995% 99.995% 고순도	구입 질소와 선택구입 구입 구입
ECD	질소 아르곤/메탄	이동상 이동상	99.995% 고순도	그입 질소와 선택구입
NPD	헬륨 질소 수소 공기(건조)	이동상 이동상 보조가스 보조가스	99.9995% 99.995% 99.995% 고순도	구입 헬륨과 선택구입 구입 구입
PDD	헬륨 3% Xe/He	이동상 도펀트	99.995% 고순도	구입 구입

검출용 보조 기체

FID, NPD, FPD를 검출기로 사용할 때는 운반 기체 외에 반드시 공기와 수소를 준비해야 한다.

공기는 실린더에 들어 있는 것을 사용한다. 불가피하게 압축기를 사용할 때에는 반드시 오일 필터와 수분 제거용 필터를 설치하고, 출구 쪽의 Fitting이 1/8inch 관과 연결될 수 있게 한다.

수소 기체는 수소 발생기를 사용하면 경제성은 물론 위험성도 다소 낮출 수 있다. 이 때는 반드시 초순수를 사용하고 건조제를 주기적으로 재생시켜야 한다.

시료 주입구 및 운반 기체의 제어

시료 주입구의 역할은 분리하고자 하는 시료의 전량 또는 그 일부분을 기체 상태로 만들어 크로마토그래피 컬럼 안으로 주입하는 것이다.

시료를 크로마토그래피 컬럼 안으로 주입하는 방법에는 여러 가지가 있다. 주입구는 측정되어질 시료 성분과 용매 그리고 사용될 크로마토그래피 컬럼의 종류에 따라 결정된다.

시료 주입구는 충전 컬럼용 주입구와 모세관 컬럼용 주입구가 있으며, 사용자의 선택에 따라서는 분리관내 주입구(On-Column Inlet)를 장착할 수 있다.

일반적으로 주입구의 온도는 분석 성분 중 휘발 온다가 가장 높은 시료의 휘발 온도보다 약 20℃ 높게 설정하며, 분석 컬럼의 온도보다 20~50℃ 높게 설정하여야 한다.

일반적으로 시료를 주입하는 방법은 마이크로주사기를 사용하여 주입구 앞에 장착되어 있는 셉텁을 통하여 주입한다. 셉텁은 스스로 막히는 특성을 가지고 있어 시료의 누출을 방지하게 되어 있으나 여러 번 사용하면 누출이 발생하므로 자주 교체하여야 한다.

또한 시료의 주입은 순간적으로 이루어져야 하는 데 이는 피크 폭이 좁아야 인접 피크와의 분리가 잘 됨으로써 정량성을 높여 주기 때문이다.

표  Acme 6000 GC의 주입구 규격

항목	충전 주입구	모세관 주입구
최고온도	450℃	400℃
압력 설정 범위	0 ~ 100psi	0 ~ 100psi
총 유량 범위	100mL	0 ~ 200mL/min N2 1 ~ 1,000mL/min H2 or He
사용 액세서리	Septum, Liner, 1/4" Ferrule	Septum, Liner, O-ring, Graphite ferrule

충전 컬럼용 주입구(Packed Column Inlet)

그림  Packetd Inlet

충전 컬럼용 주입구에서는 액체 시료(전형적으로 0.1 ~ 10μL)를 마이크로주사기(micro syringe)를 사용하여 입구 앞에 장착되어 있는 실리콘 고무셉텁(silicon rubber septum)를 찔러 주입구 내의 내부 가열 영역으로 주입한다. 이 주입구에서 기화된 시료는 운반 기체에 의해 컬럼 안으로 들어간다.

주입구의 구조

충전용 주입구에는 온도를 고온으로 유지하기 위하여 Heater와 Sensor가 장착된다. 충전용 주입구에 모세관 컬럼을 사용할 수 있으며 이때는 어댑터(adapter)를 이용한다. 모세관 컬럼 중에서 내경이 큰 0.53mm, 0.75mm 컬럼들은 모세관 컬럼용 어댑터를 이용하여 충전용 주입구를 사용할 수 있다.

그림  Packed 주입용 Liner와 Insert

모세관 컬럼용 주입구

모세관 컬럼용 주입구에는 내경이 750μm 이하인 컬럼이 사용되며 주로 내경이 320μm 이하인 컬럼을 사용한다.

모세관 컬럼은 충전 컬럼에 비해 표면적이 적어 시료가 1μL 정도가 주입되어도 컬럼의 손상을 초래할 수 있다. 따라서 일반적으로 0.1μL 또는 그 이하의 양을 주입한다. 이러한 양을 주입하기 위하여 주입구 자체에서 시료 중의 일부만을 컬럼으로 보내기 위한 방법이 사용되는 데 이러한 방법을 분할 주입(Split Injection)이라고 한다.

시료 성분의 농도가 매우 낮을 경우에는 일정한 시간 동안 비분활 주입(Splitless Injection)을 하여 시료를 재농축(Reconcentration)하여 컬럼으로 보내는 방법도 이용한다.

분할 주입(Split Injection)

분할 주입은 모세관 컬럼에 적은 양의 시료를 주입하기 위한 일반적인 방법이다. 주입된 시료 분할비에 따라서 극히 적은양만이 컬럼에 도달하게 한다.

일반적으로 내경이 0.25mm WCOT(Wall Coated Open Tubular) 컬럼에 과부하가 걸리지 않는 시료의 최대 양은 성분 당 10 ~ 50ng 이다. 내경이 큰 WCOT 컬럼과 SCOT(Support Coated Open Tubular) 컬럼은 성분 당 1 ~ 10μg이다. 따라서 높은 분할비는 (50:1 ~ 500:1) 고분리능을 갖는 WCOT 컬럼에, 낮은 분할비는(10:1 ~ 50:1) 큰 Sample Capacity를 가지고 있는 내경이 큰 WCOT 컬럼과 SCOT 컬럼에 적당하다.

시료는 셉텁을 통과하여 내부 가열 영역으로 주입된다. 고온의 시료 주입구에서 운반 기체는 시료를 완전히 기화시킨 후 잘 혼합시켜 준다. 분할점에서 시료의 일부는 크로마토그래피 컬럼으로 들어가고 나머지는 Split Vent Line를 통해 배출된다.

컬럼에 흐르는 유량과 Split Vent 유량은 [INJ1] key를 사용하여 조절할 수 있으며 Purge Vent는 3mL/min으로 일정하게 유지한다. Split Ratio는 다음과 같이 정의된다.

Split Ration = (Split Flow + Column) / Column Flow

해로운 물질을 분석할 경우에는 Split Vent의 끝은 Fume Hood에 연결하거나 Trap을 장착하여 사용한다. 분할 주입 방법의 경우 시료의 분할 시, 일부 분석 성분이 완전히 기화되지 않는 경우에 정량적인 오차가 발생할 수 있으며, 주입구의 온도가 너무 높으면 화학적인 분해가 일어나서 성분의 손실이 일어날 수 있고, 원래 시료에는 없는 새로운 화학종이 생겨나도록 한다. 분할 주입에는 대부분의 시료가 버려지기 때문에 미량 성분 분석에는 적합하지 않다.

비분할 주입(Splitless Injection)

비분할 주입은 끓는점이 낮은 용매에 녹아 있는 끓는점이 높은 용질의 미량 성분 분석에 적합한 방법으로 시료의 농도가 묽은 경우에 사용하는 방법이다. 이 방법은 일정한 시간 동안은 모두 시료가 컬럼으로 들어가서 그 후에 분할 주입의 형태로 돌아가는 방법이다.

모세관 주입구의 구조

모세관 주입구는 시료를 주입할 수 있는 주입구와 주입구의 유량을 조절할 수 있는 구조로 되어 있다.

그림  캐필러리 주입구의 구조

오븐(Oven)

오븐은 분석에 사용하는 컬럼을 원하는 온도로 정확히 조정하여 분석 결과의 정확상과 신뢰도를 높이는 장치이다. 오븐의 규경은 다음과 같다.

최대 사용 온도	: 450℃

최저 사용 온도	: -80℃(Liq. N2 사용)

최대 승온율	: 100℃/min

온도 프로그래밍	: 15단계

최대 가동 시간	: 9999min

오븐의 구조

오븐은 가열기(Heater), 팬(Fan), 오븐 뒤쪽 날개형 문(Flap door)이 열리고 닫힘에 따라 온도를 조절한다. 별도의 냉각 장치 없이 상온보다 +5℃ 높은 온도까지 냉각할 수 있다.

온도는 백금 RTD(resistant temperature detector)를 이용하여 측정한다. 상온 이하의 낮은 온도에서 사용하기 위해서는 별도의 냉각 장치(액체 질소 또는 Dry ice)가 필요하다. 액체 질소 사용시는 -80℃, 이산화탄소 사용시는 -50℃까지 냉각이 가능하다. 온도는 총 15 단계로 프로그래밍이 가능하고 최대 가동 시간은 9999분이다. 오븐의 문을 열기 위해서는 오븐 오른쪽 밑에 나와 있는 돌기를 위로 누르면 된다. 오븐 작동 중에 오븐 문을 열게 되면 오븐 팬과 가열기의 작동을 멈추어 사용자와 기기를 보호하도록 설계되어 있다.

컬럼(Column)

컬럼은 시료를 포함하고 있는 성분들을 분리하는 중요한 역할을 하는 것으로 주입구와 검출기 사이에 설치된다. 컬럼을 설치하기 위해서는 Fitting과 주입구 및 검출기에 사용되는 Liner, Adapter, Insert들을 확인해야 한다.

특히 1/2 inch 유리 컬럼의 경우, 주입구와 검출기에 연결된 장착점 간의 거리에 따라서 컬럼이 선택되므로 규격에 맞는 것을 사용해야 한다.

컬럼의 선택

컬럼은 재질에 따라 여러 가지로 나뉘고, 같은 재질의 컬럼에도 사용 목적과 고정상의 종류에 따라 몇 가지로 나누어진다. 컬럼은 크게 그 크기에 따라 충전 컬럼(Packed Column)과 모세관 컬럼(Capillary Column)으로 나뉘어 지며, 충전 컬럼은 그 뜻대로 속에 무엇인가 채워져 있는 컬럼이고, 모세관 컬럼은 모세관 내부에 고정상이 코팅되어 있는 컬럼이다. 컬럼은 내부에 충전 또는 코팅되어 있는 물질의 상태에 따라 GSC, GLC로 나눌 수 있다.

충전 컬럼

재질은 Stainless Steel, 유리, 니켈 등이며 길이는 평균 6 ~ 20 feet 정도이다. 외경(O.D)은 1/8 inch, 3/16 inch, 1/4 inch 인 것을 주로 사용하며 내경의 경우에는 2 ~ 4mm를 사용한다.

(a) 유리 충진관      (b) 스테인리스 충진관  (c) 충진 컬럼 내부 구조

그림  여러 가지 충진관과 그 내부 구조

이 컬럼의 내부에 충전된 고정상은 고체를 직접 충전하거나 비휘발성 액상을 고체 위에 코팅하여 충전한 것을 사용하고 있으며, 대체로 분리능(Resolution)이 낮은 편이다.

내부에 충전하는 정지상으로는 Methyl Silicon, Molecular Sieves, Porous polymer 등을 주로 충전하며 그 외에도 여러 가지 특별한 충전물을 사용하기도 한다.

모세관 컬럼

모세관 컬럼은 내경이 보통 0.1 ~ 0.53mm이고 컬럼 내부에 매우 얇은 막이 입혀져 있다. 모세관 컬럼은 길이에 따른 기체의 압력 강하가 비교적 크니 않아 컬럼의 길이를 매우 길게 할 수 있으며(10 ~ 100m) 이에 따라 이론 분리 단수가 매우 크다. 단, 주입할 수 있는 시료의 양은 매우 작아야 한다.

(a) 모세관 컬럼      (b) 모세관 컬럼 내부 구조

그림  모세관형 컬럼과 내부 구조

주요 재질로는 Fused silica를 사용하고 드물게  Stainless steel을 사용하기도 한다.

GSC

Column을 충전하는 물질의 상이 고체인 경우를 일컫는 것으로 주로 실온에서 무기 가스나 낮은 분자량의 탄화수소를 흡착에 의해 분리하는 데 사용한다.

고정상으로 Charcoal, Silica Gel, Zeolite, Molecular Sieve, Porous Polymer 등이 있다.

GLC

정지상이 액상인 경우에는 액상을 고체 지지체에 막으로 입혀서 컬럼 내에 충정하여 사용한다. 액상의 양은 고체 지지체를 얇고 균일한 막으로 입히기에 충분하여야 하나, 너무 많은 양은 컬럼의 효율을 감소시킨다.

또한 머무름 시간은 액상의 양에 비례하므로 작은 양일수록 빠른 시간에 분석이 가능해 진다. 액상은 시료 성분을 녹일 수 있는 성분이어야 하며 시료 성분에 대하여 다른 분배 계수를 가져야 하며 비휘발성이어야 한다. 또한 온도에 대하여 안정하여야 하며 시료와 화학적 반응이 없어야 한다.

검출기

검출기는 흔히 일반적인(universe) 검출기와 선택적인(selective) 검출기로 구분하며, 일번적인 검출기는 열전도도 검출기와 같이  모든 물질을 검출할 수 있는 검출기이며, 선택적인 검출기는 사용 목적에 따라 특정한 성분만을 검출하는 것으로 열전도도 검출기를 제외한 모든 검출기에 이에 속한다.

검출기는 불꽃 이온화 검출기(Flame ionization Detector, FID)와 열전도도 검출기 (Thermal Conductivity Detector, TCD) 외에 검출 목적에 따라 질소나 인에 특별히 감도가 좋은 질소 인 검출기(Nitrogen Phosphorous Detector. NPD), 방사성 동위 원소(63Ni)를 이용하여 발생하는 높은 에너지의 전자(β선)를 포획하는 정도에  따라 검출하는 전자포획 검출기(Electron Capture Detector, ECD), 펄스 방전 검출기(Pulsed Discharge Detector, PDD), 불꽃 광도 검출기(Flame Photometric Detector, FPD) 등이 있다.

그밖에 AED(Atomic Emission Detector), FT-IRD, MS(질량 분석기)등의 종합적인 검출기가 있다.

불꽃 이온화 검출기

불꽃 이온화 검출기는 컬럼에서 나오는 시료가 수소와 공기에 의해 형성된 불꽃에 태워져 생성된 이온의 양을 측정한다.

유기 화합물의 탄소 원자(carbonyl 및 carboxyl 화합물의 탄소는 제외)는 CH 라디칼(radical)을 만들 수 있고, 수소-공기 불꽃에 의해 CHO+ 이온을 만들게 된다.

따라서 이 검출기는 탄소 원자의 수에 비례하여 검출기의 신호량이 측정된다. 불꽃에 의해 생긴 CHO+ 이온은 불꽃 위에 있는 음극 전극으로 전류를 운반한다. 따라서 불꽃 바닥에 있는 양극과 음극 사이에 흐르는 전류가 기록계에서 측정된다.

이 검출기는 모든 유기 화합물을 검출할 수 있으나 O2, CO2, H2O 및 NH3 등의 기체와 휘발성 화합물은 검출되지 않는다. 이와 같이 검출 응답이 적거나 검출할 수 없는 물질들은 다음과 같다.

표  FID에서 검출 불가 물질

종류	검출 불가 물질
Gases	Hydrogen, Nitrogen, Oxygen, Ammonia, Carbon Dioxide, H2O
휘발성 화합물	Carbonyl sulfide, Carbon disulfide
Halogen group	Silicon Halides, Cl2

감도

유기 화합물에 대한 검출기의 응답은 시료 질량에 비례하며, 감도는 열전도도 검출기의 경우보다 약 102배 정도 더 높다. 운반 기체로는 대부분 N2 를 사용하며(He을 사용할 수 있음), Capillary 컬럼을 사용할 경우에는 H2나 He를 운반 기체를 사용하고 시료가 검출기로 들어갈 때 흐름 속도를 증가시켜 주기 위해 보조 기체로 N2를 사용할 때 좋은 검출 성능을 얻을 수 있다.

그림  FID의 구조

검출기의 감도는 수소와 운반 기체(N2)의 비율에 매우 민감하게 반응하며, 그 비율은 1:7 ~ 10 내에 존재하여야 하며 조정하여서 가장 감도가 좋은 부분은 각 기기마다 다를 수 있으므로 조건을 찾아 주는 것도 좋다.

운반 기체의 유속은 컬럼에서의 유속과 모세관 컬럼 사용시에는 보조 기체의 유속을 합한 것을 의미한다.

연료 가스의 유량

FID 검출기에서 불꽃을 만드는 데는 수소와 공기를 사용한다. 일반적인 수소와 공기의 비율은 1:7내지 1:10 으로 하고, 수소의 유속은 30~40mL/min, 공기의 유속은 300~400mL/min의 범위에서 정한다. 이때 점화가 가장 잘 이루어진다. 수소의 유속은 점화 및 검출기의 감도에 매우 민감한 영향을 주는 요소이지만 공기의 유속은 수소의 유속보다 덜 민감하여 점화하기에 충분한 양이면 된다. 공기의 유속은 대략 수소 유속의 7~10배 정도면 충분하다. 예를 들어 농도가 진한 시료의 경우는 공기의 유속이 조금 많아도 무관하나 농도가 묽은 경우에는 공기의 유속이 적게 흐르도록 해야 한다. 운반 기체의 유속이 많은 경우에는 점화가 제대로 이루어지지 않는 경우가 있는데 이 때는 수소의 유속을 조금 증가시켜 주며 된다.

열전도도 검출기

열전도도 검출기는 운반 기체와 열전도도가 다른 값을 갖는 모든 물질을 검출할 수 있어서 일반적인 검출기에 속한다.

열전도도란 어느 물질이 온도차에 따라 열을 이동시킬 수 있는 정도를 말하며 열전도도가 클수록 열이 빨리 이동된다.

그림  TCD cell 구조

열전도도 검출기에는 레늄-텅스텐 필라멘트가 컬럼으로부터 들어오는 기체 쪽 방향으로 설치되어 있다.

이 필라멘트는 운반 기체가 일정한 속도로 흐르고 있을 때는 일정한 저항을 낸다.

그러나 운반기체보다 열전도도가 낮은 용질이 컬럼으로부터 나올 때 기체 흐름의 열전도도가 감소되어 필라멘트의 온도가 증가된다.

필라멘트의 온도 증가는 필라멘트의 전기 저항을 증가시키게 된다.

운반 기체만 흐르는 필라멘트의 저항을 기준으로 시료가 통과하는 쪽의 저항의 변화를 측정하여 분석하게 된다.

검출기의 응답은 기체 흐름의 열전도도의 변화에 기인되므로 시료 성분과 운반 기체의 차이가 클수록 바람직하다.

일반적으로 수소와 헬륨이 열전도도가 크기 때문에 이를 운반 기체로 사용한다. 수소는 가장 열전도도가 커서 가장 좋은 감도를 나타내나 폭발의 위험성이 있어 사용시에 매우 세심한 주의가 요구된다.

따라서 대개의 경우 헬륨을 운반 기체로 사용한다. 질소나 아르곤도 운반 기체로 사용되나 필라멘트의 손상을 피하기 위하여 낮은 감도에서 사용하고 대부분의 물질에 대해 낮은 감응도를 보이므로 특별한 분석을 위한 경우에만 사용한다. TCD의 필라멘트는 공기나 산소에 의해 손상을 받기 쉬우므로 매우 주의하여 다뤄야 한다.