기체 크로마토그래피(8), 담체, 고정상 액체 등

담체

GSC의 충전컬럼에 쓰이는 담체는 고정상 액체의 담지 역할을 하며 분리기능상으로는 아마 효과도 나타내지 않는다. 일반적으로 요구되는 담체의 특성은 다음과 같다.

 

(1) 균일한 세공분포를 갖는 다공질로서 표면적이 클 것

(2) 시료성분에 대하여 비활성일 것

(3) 담체입자는 일정 입도 및 규칙적인 형상을 가지고 충전시 진동 등으로 세분화되지 않는 기계적 강도를 가질 것

 

GLC에서 많이 사용되는 것으로서는, SiO2를 주성분으로 하고 약간의 Al2O3, Fe2O3를 포함한 규조토계의 담체로서 규조토 내화벽돌의 분말인 C-22와 천연 규조토로 만든 Celite-545의 두가지가 기초 재료로 되어있다. C-22계통은 표면적과 충전밀도가 크고 기계적 강도도 강하므로 일반적으로 고효율 컬럼을 만드는 데 적합하고, 표면이 비교적 활성을 가지고 있으므로 극성화합물의 분리에는 이 계통이 잘 사용된다.

 

담체의 표면처리

담체표면의 대표적인 작용기는 실란기인 Si-OH이다. 이것에 대한 각종 표면처리방법이 개발되어 있으며, 한 예로서 DMCS(Dimethylchlorosilane)와 알코올로 처리하여

로 바꾸어 표면 활성을 저하시킨 경우가 많다. 이 밖에 실란기의 활성을 감소시키기 위해 PEG(polyethylene glycol) 등 극성기를 갖고 있는 화합물을 고정상 액체에 소량 첨가하는 것도 효과적이다. 특히 고정상 액체의 함침율이 낮은 고효율의 분리컬럼을 만들어 비등점이 높은 극성화합물의 분리를 행할 때에는 표면 활성이 낮은 담체를 사용하는 것이 중요하다.

또 반응성이 매우 큰 기체 및 열적으로 불안정한 화합물을 취급할 경우에는 불소수지 등 표면이 비활성인 담체가 쓰이기도 한다.

 

고정상 액체

담체에 함침시켜 고정상으로 사용되는 액체에는 그 종류가 무수히 많다. 보통 비등점이 높은 액체가 사용되는데 고정상 액체에 대하여 요구되는 성질은 다음과 같다. 

 

(1) 열에 대한 안정성이 양호할 것.

     액상은 담지가스에 의하여 그 증기압에 해당하는 만큼 증발 손실이 있으므로 증기압이 낮고 내열성이 양호한 액체를

     사용하여야 한다. 일반적으로 비등점이 높은 물질을 비등점보다 상당히 낮은 온도에서 사용한다.

(2) 화학적으로 안정할 것.

     이것은 컬럼의 수명과 분석 결과의 재현성을 위하여 필요하다.

(3) 점도가 낮을 것.

      점성이 크면 시료성분의 확산속도가 지연되므로, 분배평형에 도달하는 시간이 걸려 컬럼의 효율을 저하시킨다.

 

<고정상 액체의 선택>

어떤 혼합계의 분리에 최적인 고정상 액체의 선택에 적합한 일반법칙이란 없다. 따라서 지금까지 제안된 몇 가지 경험과 시행착오적인 방법을 종합하여 선택하는 경우가 많다. 이 경우에 있어서도 분리하고자 하는 혼합계의 구성 성분이 동족체, 예를 들면 직쇄 탄화수소 뿐인가, 불포화 또는 방향족인 것이 함유되어 있는가, N, O, S 등의 이종(異種)원소를 포함한 화합물이 혼합되어 있는가, 전 성분의 비등점 범위는 어느 정도인가 등에 관하여 되도록 많은 정보를 사전에 얻을 수 있다면 고정상 액체의 선택에 도움이 될 것이다.

단순한 혼합계의 분리, 가령 지방족 탄화수소 혼합물의 분리에 대해서는 squalane, apiezon-L 또는 SE-30 등과 같은 극성이 낮은 고정상 액체가, 또 알코올 혼합물의 분리에 대하여는 PEG 및 polyester 등의 극성이 높은 고정상 액체가 사용된다.

이들은 "유사한 화합물은 서로 잘 녹인다(like dissolve like)"의 원칙이 잘 맞는 경우이고, 이 원칙으로부터 대략적인 예측 밖에 할 수 없지만 고정상 액체의 선택에 대한 일차 추정방법으로 유효하다. 또 혼합계 성분의 비등점이 서로 가깝고, 상이한화학종에 속하는 경우, 예를 들면 에탄올(78℃), 벤젠(80℃), 시클로헥산(81℃)의 혼합물의 분리에 있어서 극성이 낮은 apiezon-L로는 벤젠과 시클로헥산은 전혀 분리가 안 되지만, 극성이 높은 PEG-1500을 사용하면, 3성분의 완전 분리가 가능하다. 이와 같이 적합한 고정상 액체의 선택은 GLC사용상 가장 중요한 점이라 할 수 있다. 표1-4에 널리 사용되는 고정상 액체 13종에 제성질을 기록하였다.

주어진 혼합계에 대하여 고정상 액체를 선택하는 데 있어, 먼저 SE-30 또는 apiezon-L 등의 극성이 낮은 것과 PEG-20M 등 비교적 안정하고 극성이 큰 것을 사용한 두 종류의 분리컬럼에 대하여 분리정도, 피크의 형상 등을 관찰한 후, 어느 쪽도 분리가 불충분할 때는 그 외의 극성을 가진 고정상 액체를 시도해 보는 것이 바람직하다.

 

표 1-4. 대표적인 고정상 액체의 성질

<고정상 액체의 농도>

분리컬럼의 충전제 중에서 담체에 대하여 고정상 액체가 차지하는 비율은 다음과 같은 이유로 해서 일정한 상한 및 하한값이 존재한다. 농도가 너무 묽으면 고정상 액체로 덮이지 않은 활성이 있는 담체 일부가 노출되어 흡착현상에 따르는 GSC로서의 경향이 관여하므로 처음에 얻어지는 피크가 대칭성을 잃어 테일링(tailing) 현상이 나타난다. 이와 반대로 농도가 너무 진하면 여분의 고정상 액체가 담체입자간의 기체 통로를 방해하여 컬럼효율을 저하시킨다. 이들의 한계농도는 담체의 표면적 및 활성도, 사용하는 고정상 액체의 성질 및 시료성분의 휘발성, 주입량, 컬럼온도 등의 조건에 따라 다르다.

초기에는 15-30wt% 정도의 농도를 많이 사용하였으나 최근에는 2010wt%의  농도가 낮은 저액상 고효율컬럼이 점차 많이 사용되고 있다.

 

분리컬럼의 온도

일반적으로 컬럼의 온도를 낮추면 각 성분의 분배계수의 비가 커지므로 분리가 항상 된다. 그러나 실제로는 시료성분의 비등점 및 분석에 필요한 시간 등을 고려하여 항온 조작시에는 최고 비등점을 갖는 성분의 비등점 부근에서 컬럼온도를 적용하던가, 또는 비등점 범위가 넓은 혼합물에 대해서는 승온분석이 많이 응용된다.

분배계수가 온도에 따라 변화하므로 컬럼온도를 조금 변화시켜도 머무름 값은 크게 변한다. 따라서 적정 컬럼온도를 시행착오적으로 결정할 때는 Giddings이 제창한 "컬럼온도를 30℃ 상승시키면 머무름 시간은 약 1/2로 된다"라는 경험 법칙이 좋은 길잡이가 된다. 또 컬럼온도를 설정할 때 표 1-4에 표시한 바와 같이 각 고정상 액체의 최저 및 최고 사용가능온도 범위 내에서 행할 필요가 있다.

 

분리컬럼의 제조

<담체의 준비>

담체의 입도는 대체로 다음 표 1-5의 자료를 기준으로 선정하며, 산처리와 silanization과정을 거쳐 준비한다. 

 

표 1-5. 충전제의 입도 및 소요량

<함 침>

담체에 함침시키는 고정상 액체의 양은 분석조건을 고려하여 결정하게 된다. 액체의 양이 많으면 HETP가 크고 머무름 시간이 길어지며 그 양이 적으면 분리가 불충분하고 테일링 현상이 일어난다. 일반적으로 컬럼의 효율을 고려하여 액체의 양을 적게 하고 시료의 주입량도 적게 취하는 방법을 택한다. 비등점이 낮은 물질을 분석할 경우에는 고농도로 함침시키며, 비등점이 높은 물질, 열안정성이 나쁜 물질 또는 미량 성분을 분석할 경우에는 낮은 농도로 함침하여 사용한다. 보통 담체에 대해 중량비로 0.5-25% 범위 내에서 함침시킨다.

 

증발법 : 15-30%의 비교적 고농도 함침에 이용

흡인법 : 10% 이하의 비교적 저농도 함침에 이용

여과법 : 0.5-1% 정도의 낮은 농도로 액상을 함침시킬 때에 이용

 

<상태 조절 또는 숙성(aging)>

담체에 액상을 함침시켜 제조된 충전제는 다시 건조과정을 거쳐 컬럼에 충전된다. 다음에 컬럼의 입구는 기체 크로마토그래프의 시료도입부의 운반기체 출구에 연결시키고 컬럼의 출구는 검출기에 연결시키지 않은 상태에서 액사의 최고 사용온도보다 조금 낮은 온도에서 비활성 기체를 몇 시간 동안 통과시켜 용매 등의 비등점이 낮은 불순물을 제거시킨다. 이 조작을 상태 조절(conditioning)이라고 칭한다.