Gas chromatography CHROMATOGRAPHY: 색층분리, 흡착제를 사용하여 화학물질을 분리 검출하는 방법

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1 Gas chromatography CHROMATOGRAPHY: 색층분리, 흡착제를 사용하여 화학물질을 분리 검출하는 방법
교과서 26-28장 관련

2 GC의 작동 원리 GC의 종류 GC의 용도 장치의 조작 방법 장치의 구성 GC의 응용 사용되는 장치의 예 수업내용
(운반기체, 시료 주입구, 분리관, 검출기, 기록부 등) GC의 응용 사용되는 장치의 예 (HP사, Shimadzu’s, TMQ-CLE사 등)

3 GC의 작동원리-1 GC의 원리 : 복합 성분의 시료가 이동상(mobile phase)에 의해 이동하면서 column의 고정상(stationary phase)과의 상호 물리 화학적인 작용에 의하여 각각의 단일 성분으로 분리되는 현상을 이용하여 분석하는 장치. 혼합물을 분리하기 위해서는 최소한 두 상 (이동상과 고정상)이 있어야 한다. 이 두 상(Phase)은 서로 섞이지 않아야 하고 각기 다른 특성을 가져야 한다 교과서 그림 27-1참고 검출기의 종류에 따라 응용에 제한 표27-1(skoog)

4 GC의 작동원리-2 시료의 분리 및 분석 고정상을 채운 분리관에 시료를 주입하면 운반기체에 의해 시료는 분리관을 통하여 운반된다. 이 때 분리관에서는 각 성분들이 평형의 법칙 즉, 분배 계수에 의해 고정상인 액체와 운반기체 사이에 분배되며, 각 성분들이 분리관을 통하여 움직이는 속도는 고정상에 용리 되는 정도에 따라 달라진다.

5  GLC (Gas - Liquid Chromatography)
GC의 종류  GLC (Gas - Liquid Chromatography) 불활성인 고체 지지체 (solid support)에 엷은 막을 액체로 입혀 액체를 정지상으로 사용  여러 가지 종류의 액체상을 쉽게 얻을 수 있다는 장점 때문에 GLC는 GSC보다 훨씬 광범위하게 이용되고 있다.  GSC (Gas - Solid Chromatography) 고체인 다공성 담체를 고정상으로 사용  silica gel, 숯(charcoal), 분자체(molecular sieve) 및 다공성 고분자(porous polymer) 등 표면적이 매우 넓은 물질을 담체로 이용

6  일반적인 응용범위 GC의 용도 유기화합물의 분석 의약품, 농약 등의 분석
각종 환경시료 및 biological fluid 중의 극미량 성분 검출 및 정량 각종 제품의 품질관리 정량분석 (혼합물 중에 섞여 있는 성분 물질의 분석) 정성분석 (분리관에 연결된 검출기에서 나온 신호를 이용하여 측정) LC에 비하여 분리에는 크게 사용되지 않는다.

7 장치의 구성도 GC의 부분 장치 구성도 교과서 27-1

8 1. detector A(FID) flow control 2. detector B(TCD) flow control
장치의 구성 예 1. detector A(FID) flow control 2. detector B(TCD) flow control 3. packed injection port flow control 4. capillary injection port flow control 5. oven 6. temperature program panel 7. integrator 샘플주입구

9  운반기체 (Carrier Gas)의 조건
시료 분자나 고정상에 대해서 화학적 비활성 분리관 내에서 시료 분자의 확산을 최소로 줄일 수 있어야 함(딤터식에서 세로확산항 관련) 사용되는 검출기의 종류에 적합 순수 기체, 건조 기체 (순도 % 이상)  운반기체 (Carrier Gas) : 수소, 헬륨, 질소, 아르곤 등

10 시료 주입부 시료주입부 분석하고자 하는 시료를 주입하여 기화 시킨 후 분리관(column)으로 보내기 위한 부분
 실험 시 주요 Point  Injection port Temperature 혼합물 중 가장 높은 비점 + 20℃ 이상 (완전히 기화시키기 위해)  Injection method 순간적으로 한꺼번에 주입.(분석 결과 구해지는 chromatogram중의 peak폭이 좁아지고, peak쪽이 좁아야만 인접 용출 물질과의 분리가 가능) 분리관 효율의 저하를 방지하기 위해 주입하는 시료 양은 분리관의 크기와 액체상의 양에 따라 조절한다. (피크의 분리가 있어 서는 안 된다).

11  injection port의 종류 시료주입부
A. Packed column inlet (충진관주입부) : Packed column(충진관) 사용시 연결되어지는 inlet 부분 (단 530m capillary column은 packed 용으로도 사용가능) B. Split/splitless capillary inlet : Capillary column(모세관)을 사용하는 경우, 연결되어지는 주입구 1. split mode(분배모드) : 화합물의 일반적 분석시 사용하며 샘플의 일부를 버림 2. splitless mode : 미량성분 및 저농도 분석시 이용 C. Programable Cool On-Column injection port : Capillary column 사용시 사용되며 column을 syringe needle 바로 아래에서 Install하여 Pressure와 Temperature를 Program하여 사용한다. 그러므로 미량성분 분석에 적합하다.

12 시료주입부-형태

13 Injection port and Detector (TCD, FID)

14 분리관 (Column)이란 ? 분리관 : 시료 혼합물이 단일 성분으로 분리되어지는 곳으로 GC의 가장 중요한 부분이다.
의 화학적 성질(polarity) 에 관계가 있음.

15 모세관 (Capillary Column) 분리관 (column) 얇은 액체상 막을 관의 내벽에 입힌 모세관
긴 분리관을 사용 가능 (모세관 현상으로 압력 강하가 작기 때문) 시료 수용능력이 적고, 분해능이 우수하다. (복잡한 혼합물 분석에 널리 사용)

16 충전관 (Packed Column) 분리관 (column) 나선형의 가는 관 속에 담체를 코팅하여 충전
분석하고자 하는 시료의 성분에 따라 충전물을 선택 내경이 크고 짧은 형태의 분리관

17  고체 지지체의 요건(GSC) 고체 지지체 1. 넓은 표면적 (1 ~ 20 m2/g)
2. 10 ㎛이하의 균일한 입자를 가지며 적당한 기공 지름을 가진 기공 구조 3. 시료와의 화학적 작용이나 흡착 작용을 하지 않는 비활성 4. 효과적으로 충진 하기 위해 모양과 크기가 균일할 것 5. 기계적 강도가 커야 할 것(Coating, Packing 과정을 견딜 수 있도록) 6. 균일한 액상의 얇은 막을 입힐 수 있는 구조 7. 열에 안정한 물질

18  상용 고체 지지체의 종류(GSC & GLC)
고체 지지체-종류  상용 고체 지지체의 종류(GSC & GLC) 1. Chromosorb G 극성 화합물 분리, 강도가 크며, 견고하여 다루기 용이함. 표면적이 작고 밀도가 크므로 액상을 조금 입힐 때 사용 2. Chromosorb P (Pore size → 2㎛) Chromosorb W보다 견고하고, 표면 흡착력이 강하여 Hydrocarbon과 비극성 화합물 분석에 효과적 3. Chromosorb T 물, Hydrazine, SO2, Hydrocarbon과 같이 극성이 크고 반응성이 강한 화합물 분리, 분리 효율이 좋지 않으므로 비활성 표면이 필요한 경우에 사용 4. Chromosorb W (Pore size → 9 ㎛) 표면 흡착성이 작고 극성 화합물 분리에 사용 희고 약간 알칼리성 → 산성시료에 부적합 5. Chromosorb A 대량 분취를 위한 GC에 사용, 액상을 충분히 함유할 수 있으며, 견고하여 다루기 쉬우나, 표면 흡착력은 별로 크지 않다.

19  액체 정지상의 조건(GLC) 액체정지상 1. 시료 성분을 녹일 수(섞일 수) 있는 용매
2. 분리하고자 하는 성분들이 액체상에서 적당한 분배 계수를 갖고, 그 분배 계수는 달라야 한다. 3. 비휘발성(사용 온도에 mmHg의 증기압) 4. 온도에 대한 안정성 (분리관 최고 작업 온도보다 적어도 100℃ 이상 끊는 점이 높아야 한다.) 5. 화학적으로 안정하고 시료 성분과 반응하지 않는 것 ( 분리관의 수명과 결과의 재현성을 위해서 필요) 6. 낮은 점도 (점도가 크면 시료 성분의 확산 속도가 지연되므로 분배 평형에 도달하는 시간이 길어져 관효율을 감소시킨다.)

20 검출기  GC검출기의 조건 적당한 감도를 가져야 한다. 안정성과 재현성이 좋아야 한다. 시료의 질량이 넓은 영역에서 데이터의 선형성이 필요. 실온부터 적어도 400 C영역에서 사용 가능하여야 한다. 흐름속도와 무관하게 빠른속도로 감응하여야 한다. 신뢰도가 높아야 하고 사용이 편리하여야 한다. 모든 용질에 대한 감응이 비슷하거나 또는 하나 혹은 그이상의 분석물 종류에 대하여 선택적 감응을 보여야 한다. 시료를 파괴해서는 안된다.

21 1. Thermal Conductivity Detector (TCD)
검출기  검출기의 종류(수십종류) 검출기의 종류는 분석하고자 하는 시료의 종류와 농도 등의 특성에 따라 여러 가지의 모델을 사용 1. Thermal Conductivity Detector (TCD) 2. Flame Ionization Detector (FID) 3. Electron Capture Detector (ECD) 4. Flame Thermoionic Detector (FTD) 5. Flame Photometry Detector (FPD) 6. Helium Ionization Detector (HID) 7. Mass Detector (MS) 보통 TCD, FID 세트로 되어 있음

22 검출기의 비교 P 719, table 27-1참고 그리고 아주 특별한 Mass가 있다.
Thermal Conductivity Detector (TCD), Flame Ionization Detector(FID) , Electron Capture Detector (ECD), Flame Thermoionic Detector (FTD) , Flame Photometry Detector (FPD), Helium Ionization Detector (HID) P 719, table 27-1참고 그리고 아주 특별한 Mass가 있다.

23  Thermal Conductivity Detector (TCD) :열전도검출기 1.구조
검출기의 종류  Thermal Conductivity Detector (TCD) :열전도검출기 1.구조 - 단일 금속 필라멘트 구조, 전기저항체 (검출소자) - Cell Volume : 3.5㎕ 2. 원리 : 운반 기체와 컬럼 용출물(운반 기체+시료 성분)과의 열전도도 차이를 측정열에 의한 전기전도도 변화 측정 3. 감도 - 주로 사용되는 검출기중 가장 낮음 4. 선택성 - 일반적, 어떤 화합물이나 검출가능 5. 특징 - 가장 널리 사용되는 검출기 6. 운반기체 - He, 수소 분석시 N2 사용 열전도계수 : 푸리에 법칙에서 나오며 물질에 따른 고유 값. 여기에서 k값이 다르기 때문에 같은 조건에서 운반기체와 샘플의 Q(전도열량)이 다름

24 열전도 계수 질소: (W/mK, at 300K) 열전도 계수가 비슷하면 TCD사용불가

25  Flame Ionization Detector (FID):불꽃 이온화 검출기
검출기의 종류  Flame Ionization Detector (FID):불꽃 이온화 검출기 1. 구조 : Column의 특성에 따라 Jet의 크기가 달라짐 - Packed Column → inch ID - Capillary Column → inch ID 2. 원리 : H2/Air에 의하여 형성되는 불꽃에서 시료가 태워지면서 전하를 띤 이온이 만들어짐(열이온화설, 산화설). → 전하를 띤 이온의 농도에 비례하여 전류의 흐름에 변화가 생김. 3. 감도 : 대부분의 화합물에 대해 TCD의 약 103배 높은 감도 나타냄 4.선택성 : H2/Air 불꽃에 타서 전하를 띤 이온을 생성하는 화합물 검출

26 검출기의 종류  Electron Capture Detector (ECD) :전자포획검출기
음이온이 되기 쉬운 분자(전자흡수를 잘하는)나 전자에 대하여 친화성이 큰 분자시료의 검출에 사용 금속foil(양이온화) 전자방출기 내부성분에 따라 음극/양극사이의 전류가 다르다 halogens , organometallic 화합물 , nitriles 또는 니트로 화합물 검출에 사용빈도 높다.

27 검출기의 종류  Flame Thermoionic Detector (FTD):불꽃 열이온 검출기
고감도의 검출기능을 가진 인, 질소의 선택성 검출기(선택성의 원인은 명확하지 않다) 온도센서 FID에 알카리, 금속염의 튜브를 부착한 것으로 금속염과 질소, 인성분이 결합하고 연소시 발생하는 열에의한 전도도 차이를 검출한다.

28 검출기의 종류 Flame Photometry Detector (FPD)
황 및 인의 불꽃방출을 분광 광도법으로 검출하는 고감도의 선택성 검출기 FID, FTD와 유사하지만 연소시 발생하는 빛의 강도를 측정한다.

29 검출기의 종류 Helium Ionization Detector (HID)
농도가 ppb 이하인 무기기체를 검출할 수 있는(네온제외) 유일한 초 고감도 검출기 방사선 헬륨이온이 분리관의 기체를 이온화 한다(비율은 낮다). 유출기체의 농도가 크면 이온화하는 분자수가 많아지고 이로 인하여 전기전도도가 달라진다.

30 검출기의 종류 GC/MS검출기: 이온화된 분자의 분자량에 따른 이동속도의 변화를 측정하는 검출기 GC/MS의 구성
전형적인 데이터는 x축이 질량/전하의 비(m/z), 혹은 시간으로 나타낸다.(교과서724p 참고) 각각의 분자에 대한 m/z는 일반적으로 라이브러리화 되어 있다. 검출기원리(가볍고 이온화 도가 큰 물질이 먼저이동)

31 GC의 응용(총론, p730) 정성분석 유기화합물의 순도를 알아내기 위해 사용 가능하다. 예를 들어 오염물질이 들어있다면 그 오염물질에 해당하는 피크가 나타내고 이 피크의 면적으로 그 농도를 알 수 있다. 이 오염물질의 정체는 GC/MS를 이용하지 않으면 확실하게 알 수 없지만, 각 물질의 표준물을 구할 수 있다면 시료 중에 의심이 가는 물질(관심의 대상물질)의 존재는 확인 가능하다. GC/MS의 경우 이러한 표준물질의 m/z값이 라이브러리화 되어 있어 정성분석에 상당히 유리하다. MS는 이 값을 TIC(total ionization chromatography)에서 찾을 수 있게 해 준다. 정량분석 정량분석은 일반적으로 칼럼과 실험조건이 동일할 때의 표준물을 이용하여 피크의 높이 및 면적으로 행해진다.(크로마토그래피 총론참고)

32  GLC의 응용 Gas-liquid chromatography 1. 분리를 수행하는 수단으로 이용
(복잡한 유기화합물, 금속유기물, 생화학 물질 분리) 2. 분석을 완결하는 수단으로 이용 1) 정성분석 : 유기 화합물의 순도 측정 (봉우리의 면적을 이용하여 불순물의 함유량 측정, 머무름 시간을 이용하여 혼합물의 성분 확인) 2) 정량분석 : 분리관에 연결한 검출기에서 얻은 신호를 이용하여 분석 (시료 각 성분의 존재량은 봉우리의 넓이로 표시)

33 Gas-liquid chromatography

34 Gas-liquid chromatography
polydimethyl siloxane(소수성) 정지상을 이용한 미지의 알코올 혼합물의 분석. 탄소수가 많아지면 비극성을 가지므로 본 정지상에서는 늦게 배출(교과서 그림 27-17과 관련) 미지의 알코올 혼합물 1-pentanol 검량데이터

35 GSC의 원리 GSC의 응용 Gas-solid chromatography
: 정지상으로 고체 흡착제를 사용하고, 시료의 기체 성분이 고체 정지상에 흡착되는 정도에 따라 물질이 분리되는 것에 근거 GSC의 응용 : 공기, 황화수소, 이황화탄소, 산화질소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 회유기체와 같은 기체들을 분리 분석 (GLC의 분리관에서는 위와 같은 기체들이 머물지 않기 때문에 분리할 수 없다.)

36 Gas-solid chromatography
GSC의 정지상: 분자체 혹은 다공성 중합체 원리 큰 분자는 기체상에서 원래 느린데다가 이동 경로도 길어지게 된다. Molecular sieve (다공성 분자체) 분자량이 작은 분자가 먼저 빠져 나오고, 분자량이 큰 분자는 나중에 빠져 나오게 되는데, 이는 크기뿐만 아니라 농도(확산속도관련)에도 관련됨을 명심. 단, 작은 분자에 대한 분자 선택성(혹은 이온선택성)을 가진 경우는 큰 분자가 먼저 나온다)

37 Gas-solid chromatography
GSC데이터분석:이들분석을 위해서는 GLC와 동일하게 표준물이 필요하다. 다공성 중합체(styrene)을 이용한 극성기체의 분리 및 분석 분자체를 이용한 혼합물의 특성화

38  GC - MS 분석법 Gas-MS chromatography
유기화학, 생화학, 의학, 약학, 환경과학 분야 등에서 아주 유용한 분리 분석법으로 최근에는 pg이하의 분석도 가능

39 Gas-MS chromatography: 추가설명
MS는 여러 가지 성분의 시료를 가열하여 기체상태로 이온화한 다음 시료분자에 전자류 등의 큰 에너지를 가해 생성된 이온들을 mass(질량)/charge(전하)(m/z)의 비를 크기 순서로 분리시키는 장치를 말한다. 분자이온의 질량수로부터 분자량을 얻을 수 있으며 fragment 이온이 생기는 형태로부터 분자구조에 관한 중요한 정보를 얻는다. MS를 통하여 얻을 수 있는 정보는? : 무기물, 유기물 정성분석 : 정확한 분자량, 원소구성(분자식 추정), 미지물질의 구조추정, 화합물의 동정 혼합물의 분석 : GC-MS, LC-MS를 이용하여 chromatography system에서 혼합물을 분리하여 각 물질의 질량을 측정한다. 정량분석 : peak의 면적은 성분물질의 농도에 비례하므로 peak의 높이에 따른 농도를 측정 무기물질에 분자 화학종의 정량분석이나 형태분석 유기 및 생화학 시료의 원소분석에 의한 조성분석

40 Gas-MS chromatography: 추가설명
TIC(total ionization chromatography) EX. Hexane (m/z = 86 for parent) has peaks at m/z = 71, 57, 43, 29

41 Gas-MS 데이터해석 교과서 27-15그림 및 animation참고

42 GC/MS 총론

43 HP 5890 GC 상업용 GC 장치 제품사양 특징 Temperature Operating Range : 400 ~ 450
Detector : TCD, FID detector Carrier gas : He 특징 : 기체, 액체, 고체 등으로 구성된 유기체와 비유기체의 넓은 범위의 분석

44 상업용 GC 장치 HP 6850 GC HP 6890 GC

45 TRACE GC 2000 (TMQ-CEI) 상업용 GC 장치 인체공학적 디자인 GC 중 가장 빠르고 안정한 온도조절기능
분석 application에 따른 다양한 injection 기술 제공 시료 처리량 증대를 위한 다양한 Auto sampler

46 Shimadzu’s GC - 14B Shimadzu’s GC - 17A

47 GC HPLC GC vs LC - 이동상 : 기체 - 시료의 휘발성 - 분자량 < 500 - 열에 대한 안정성 고려
- 고정상의 선택성 - 고감도 검출 가능 - 시료회수 거의 불가능 - 분리: 고정상과 시료의 화학적 친 화력 및 끓는점 차에 의한 분리 - 이동상 : 액체 - 시료의 용해성 - 분자량과 무관 - 열적 안정성 무관 - pH 안정성 고려하여야 함 - 고정상과 이동상의 선택성 고려 - 시료 회수 가능 - 분리: 시료와 고정상 및 이동상과의 화학적 친화력에 의해 분리

48 GC실험 Movie감상 리포트 및 결석사유 제출:시험일(19일) 오후 4시까지 p3507 기말고사 힌트(시험범위: FTIR-끝)