1. 가스크로마토그래피 (Gas Chromatography) 1. 원리 및 적용범위 2. 개요 3. 장치구성소개 4. 분리관, 충전물질, 충전방법 5. 조작법 6. 분리의 평가 7. 정성분석 8. 정량분석 9. 기재요령

1. 원리 및 적용범위 기체시료 또는 기화한 액체나 고체시료를 운반가스(Carrier Gas)에 의하여 분리, 관내에 전개시켜 기체상태에서 분리되는 각 성분을 크로마토그래피 적으로 분석하는 방법 무기물 또는 유기물의 대기오염 물질에 대한 정성, 정량 분석에 이용

2. 개요 1. 충전물에 따른 분류: 흡착성 고체분말 기체-고체 크로마토그래피 흡착성 고체분말 기체-고체 크로마토그래피 적당한 담체에 고정상 액체를 함침 기체-액체 크로마토그래피 2. 기본구성: 일정유량의 Carrier gas 시료도입부 분리관 검출기 * 각 구성별로 필요한 온도 유지 3. 용어설명: 보유시간(Retention time) : 어떤 조건에서 시료를 분리관에 도입시킨 후 그 중의 어떤 성분이 검출되어 기록지상에 Peak 로 나타날 때까지의 시간 보유용량(Retention Volume) : 보유시간에 운반가스의 유량을 곱한 것

Gas Chromatography 용 도 · 유기물 정량,정성 분석 · FID(Flame Ionization Detector)장착 용 도

3. 장치 구성 소개 P 검 출 기 시 료 도 입 부 분 리 관 유 량 계 유 량 조 절 계 압 력 계 압 력 조 절 밸 브 운반가스입구 P 운반가스출구 분리관 오븐 검출기오븐

3.1 장치별 구성 소개 1. 가스유로계: 운반가스 유로는 유량조절부 (분리관 입구압력조절 분리관내를 흐르는 가스유량 조절)와 분리관 유로(시료도입부, 분리관, 검출기배관)로 구분 2. 시료도입부 내열성 탄성체격막이 있는 시료 기화실로서 분리관 온도와 동일하거나 그 이상을 온도유지 할 수 있는 가열기구로 구성 3. 가열오븐 (1) 분리관 오븐: 가열기구, 온도조절기구, 온도측정기구 등으로 구성 (2) 검출기 오븐: 검출기를 한 개 또는 여러 개 수용할 수 있고 분리관 오븐과 동일하거나 그 이상의 온도를 유지할 수 있는 기구로 구성 4. 검출기 (1) 열전도도검출기(Thermal Conductivity Detector) : 금속 필라멘트 또는 전기저항체 이용, 벤젠 등 측정 (2) 수소염이온화검출기(Flame Ionization Detector) : 수소연소노즐, 이온 수집기, 직류전압 변환회로, 감도조절부 , 신호감쇄부 등으로 구성, 벤젠, 페놀, 탄화수소 등 (3) 전자포획형 검출기(Electron Capture Detector) – 할로겐화합물, 벤조피렌 등 염광광도검출기(Flame Photometric Detector) - CS2, H2S 등 황화합물 5. 기록계 : 스크립 차트식 자동평형기록계 6. 감도조정부

4. 운반가스(carrier gas) 종류 1.운반가스는 불활성의 기체를 사용 2. TCD : 순도 99.8% 이상의 수소나 헬륨 3. FID : 순도 99.8% 이상의 질소 또는 헬륨

5. 분리관, 충전물질, 충전방법 1.분리관 충전물질을 채운 내경 2~7mm의 시료에 대하여 불활성금속, 유리 또는 합성수지관을 사용 2.충전물질 (1)흡착형 충전물질 : 기체-고체 크로마토그래프법에서는 분리관의 내경 에 따라 흡착성 고체분말을 사용(실리카겔,활성탄,알루미나, 합성제오라이트) (2)분배형 충전물질 : 기체-액체 크로마토그래프번에서는 적당한 담체(불활성 규조토, 내화벽돌, 유리, 석영 등)에 고정상 액체를 함침 시킨 것을 충전물로 사용 - 고정상 액체의 조건: 분석대상성분을 완전히 분리, 증기압이 낮고, 점성이 작은 것, 화학적으로 안정, 화학적 성분이 일정 (3)다공성 고분자형 충전물 : 디비닐 벤젠(Divinyl Benzene)을 가교제로 스티렌계 단량체를 중합시킨 것과 같이 고분자 물질을 단독 또는 고정상 액체로 표면 처리하여 사용 3.충전방법 내부를 잘 씻어 말린 분리관에 한쪽 끝은 유리솜으로 막고 진동을 주어 감압흡인하 면서 충전물을 고르고 빽빽하게 채운 다음 한쪽 끝은 유리 솜으로 막는다.충전물질 의 최고사용온도 부근에서 수시간동안 헬륨 또는 질소를 통하여 건조(감소되는 만 큼 충전하고 더 이상 감소되지 않을 때 까지 조작을 되풀이 함

6. 조작법 1.설치조건 - 설치장소는 진동이 없고 분석에 사용하는 유해물질을 안전하게 처리할 수 있으면 부식가스나 먼지가 적고 실온 5~35℃, 상대습도 85%이하로서 직사광선이 쪼이지 않는 곳 - 전원변동은 지정전압의 10%이내로 주파수의 변동은 없어야 - 접지저항 10Ω이하의 접지점이 있어야 2. 분석 전 준비 가스류 배관 후 누출이 없는가를 확인 .이때 가스통은 화기가 없는 실외의 그늘진 곳에 넘어지지 않도록 고정 후 설치 3. 조작 (1)분석조건설정: 유량,분리관 온도, 시료 기화실온도, 검출기 온도, 감도 ,기록지 이동속도 설정 (2) 바탕선의 안정도 확인: 검출기 및 기록계를 소정의 작동상태로 하여 바탕선의 안정상태 확인 (3) 시료의 도입 : 액체시료나 기체시료는 실린저를 사용하여 주입하고 고체시료는 용매에 용해시켜 주입 (4) 크로마토그램기록: 시료의 Peak 가 기록계의 기록지상에 진동이 없이 또한 가능한 한 큰 Peak 를 그리도록 성분에 따른 감도 보정 (5) 데이터정리: 날짜, 장치명, 시료명 및 시료도입량, 운반가스 종류 및 유량 , 충전물의 종류, 분리관 온도 등 기타 필요한 사항을 정리하여 기재

7. 분리의 평가 tR tR1 tR2 분리의 평가는 분리관 효율과 분리능에 의함 W W1 W2 시료도입점 1.분리 효율 보통 이론단수 또는 1 이론단에 해당하는 분리관의 길이(HETP)로 표시하며 크로마토그램상의 Peak로부터 다음식에 의해 구한다. 이론단수(n) =16*(tR/W)2 tR = 시료도입점으로부터 Peak 최고점까지의 길이(보유시간) W = 피이크의 좌우 변곡점에서 접선이 자르는 바탕선의 길이 HETP = L/n 여기서 L= 분리관의 길이 (mm) 2. 분리능 2개의 접근한 Peak 의 분리정도를 나타내기 위하여 분리계수 또는 분리도를 가지고 다음과 같이 정량적으로 정의하여 사용 분리계수(d) = tR2/tR1 분리도 ( R) = 2(tR2-tR1)/(W1+W2) tR tR1 tR2 W W1 W2 시료도입점 tR1: 시료도입지점으로부터 Peak 1의 최고점까지의 길이 tR2: 시료도입지점으로부터 Peak 2의 최고점까지의 길이 W1: Peak 1의 좌우변곡점에서의 접선이 자르는 바탕선의 길이 W2: Peak 2의 좌우변곡점에서의 접선이 자르는 바탕선의 길이

8. 정성분석 동일 조건하에서 특정한 미지성분의 머무른 값과 예측되는 물질의 Peak 의 머무름 값을 비교 1.보유치 보유치의 종류로는 보유시간(Retention Time), 보유용량(Retention Volume), 비보유용량, 보유비, 보유지표 등이 있다 보유치 측정시는 3회 실시하여 평균치를 구하며 일반적으로 5~30분 정도에 서 측정하는 Peak 의 보유시간은 반복실험을 할 때 ± 3%오차범위 내 이어야 함 2. 다른 방법을 병용한 정성 다른 방법을 병용할 때에는 반응관, 사용검출기, 분취 방법, 기타 사용방법에 대한 설명 및 의견을 덧 붙일 수 있음

9. 정량분석 1. 곡선의 면적 또는 Peak의 높이 측정 (2) 곡선의 넓이 측정 - 반 높이선 나비법(1/2*W(1/2)*2*H) - 적분기를 사용하여 곡선 넓이 측정 2. 정량법 : 측정된 넓이 또는 높이와 성분량과의 관계를 구하는 방법 (1) 절대검량선법 : 한가지 순물질의 성분량(x)에 대한 피크의 넓이 또는 높이의 관계(y) (2) 넓이백분율법 : 전 성분의 peak 면적의 합 100에 대한 각 성분의 peak 면적의 비로 계산 (3) 보정넓이 백분율법: (2)의 경우와 같으며, 단 각 성분의 상대 감도를 고려한 계산 (4) 내부표준법: (1)과 같은 방법이나, 표준물질로 희석한 시료성분량(Mx/Ms)에 대한 피크의 넓이 또는 면적의 비(Ax/As)의 관계에서 계산 (5) 피검성분추가법: (1)과 같은 계산이나 피검성분을 임의의 다른 성분으로 희석한 용액에 대한 검량선으로 정량, 머무름시간이 비슷한 두 물질에 대한 정량 3. 검출한계 : 출력신호를 기록할 때 잡음신호의 2배의 신호를 검출한계로 함 4. 정밀도의 판정 (1) 반복 정밀성 : 동일인이 동일장치로 각 분석방법에 규정하는 횟수의 측정을 반복 (2) 재현성 : 동일시료를 임의의 다른 분석실에서 각 분석방법에 규정하는 횟수의 측정

10. 기재요령 가스크로마토그램법에 의하여 정량분석을 할 때에는 다음과 같은 사항을 기재하여야 함 1.적용범위 : 대상시료 분석성분 및 그 농도 범위 2.시료 : 시료채취장치, 채취방법, 전처리 및 보존방법 3. 장치 (1)본체: 사용한 분리관의 재질, 길이, 내경, 온도범위, 유로구성 (2) 검출기 : 검출기의 종류, 소요감도 *소요감도는 특정성분의 일정량은 도입했을 때의 크로마토그램의 Peak로 규정 (3) 기록계 (4) 시료도입장치: 정량도입을 필요로 하는 정량방법 사용시에 장치와 특성 명기 (5) 분리관 충전물질: 충전물질의 종류 입도,담체의 전처리 방법, 고정상 액체의 농도, 충전일자 등 4. 분석조건 (1) 온도 : 분리관오븐, 검출기오븐, 시료도입부 (2) 운반가스 : 종류 단위시간당 유량 (3) 시료도입 : 도입량 분석 횟수 (4) 기록지 이동속도 5. 성분의 확인방법 : 대표적인 크로마토그램의 보기를 나타냄 6. 정량법 (1) Peak 의 측정방법 : 적분계를 사용하는 경우에는 그 적분계에 요구되는 정밀도 명기 (2) 정량방법의 종류 : 검량선이나 보정계수를 이용할 때 는 그 검량선이나 보정계수를 보기로 나타냄 (3) 표준물질 : 종류, 순도와 혼합물일 경우에는 농도범위 및 그 조제방법을 명기 7.분석결과의 표시 (1) 수치의 취급, 표시방법 표시단위의 마무리 방법 (2) 허용차 반복시의 정밀도 재현정도 등을 명기

기체크로마토그래피 기기

▣ GC의 기본 구성과 기능

▣ 운반기체의 종류와 선택 이상적인 운반기체의 요구조건 1. 비활성이어야 한다. 2. 안전성이 높아야 한다. 3. 사용할 검출기에 적합해야 한다. 4. 컬럼 분리 성능을 높이기 위해 점도가 낮아야 한다. 5. 순도가 높아야 한다.

▣ 이상적인 시료주입 기술의 특성 1. 좁은 플러그 형태로 주입 2. 신속하며 재현성 있는 주입 3. 최적 시료량의 주입 4. 모든 성분들에 대해 농도, 휘발성, 분자량 및 극성에 무관 하게 차별없이 주입 5. 열분해 및 흡착에 의한 손실이나 오염 없이 주입

▣ 주입방법의 종류 및 기술 1. 주사기 주입법 - 바늘 채우는 법, 냉각 바늘법, 가열 바늘법 용매 미는법, 공기 미는법 2. 밸브 주입법 3. 자동주입기

▣ 시료주입기와 주입방법 1. 섬광기화 직접법 2. 섬광기화 분할법(split) 3. 섬광기화 비분할법(splitless) 4. 섬광기화 냉각법 5. 온도프로그래밍 기화법(PTV) 6. 냉각 온-컬럼 주입법(OCI) 7. 기타

▣ 컬럼오븐 분리도와 머무름 재현성 향상을 위해서 1. 설정온도와 실제온도의 일치 2. 최저 및 최고 작동 온도의 범위의 확장 3. 오븐의 가온·냉각 속도가 정확 4. 오븐 온도의 평형 시간의 단축 5. 설정된 온도가 주기적인 변동없이 안정

▣ 컬럼의 종류 컬럼의 종류 FSOT WCOT SCOT 충전관 길이 10~100m 1~6m 내경 0.1~0.53mm   컬럼의 종류 FSOT WCOT SCOT 충전관 길이 10~100m 1~6m 내경 0.1~0.53mm 0.25~0.75mm 0.5mm 2~4mm 효율, 단수/m 2000~4000 1000~4000 6000~1200 500~1000 시료크기 10~75ng 10~1000ng 10~106ng 상대압력 낮다 높다 상대속도 빠르다 느리다 화학적 비활성 최고 中 中이하 최저 유연성 그렇다 아니다

▣ 널리 사용되는 정지상 정지상 일반상품명 최고 온도 응 용 Polydimethyl siloxane OV-1, SE-30 응 용 Polydimethyl siloxane OV-1, SE-30 350℃ 보통 비극성상, 탄화수소류, 다환방향족, 약품, 스테로이드류, PCBs Poly(phenylmethyldimethyl) Silxane(10% phenyl) OV-3, SE-52 지방산 메틸에스테르, 알칼로 이드류, 약품, 할로겐화합물 Poly(phenylmethyl) siloxane (50% phenyl) OV-17 250℃ 약품, 스테로이드류, 살충제, 글리콜류 Poly(trifluoropropyldimethyl) Siloxane OV-210 200℃ 염소화합물, 방향족류, 니트로 방향족류, 알킬화벤젠류 Polyethylene glycol Carbowax 20M 산, 알코올류, 에스테르, 기름, 글리콜류 Poly(dicyanoallyldimethyl) OV-275 240℃ 포화 지방산류, 로신산류, 산류, 알코올류

▣ 컬럼온도에 따른 분리도 30℃ 등온분석 100℃ 등온분석 30~200℃ 승온분석

▣ 검출기의 종류 1. 이온화 검출기(ionization detector) 불꽃이온화 검출기(flame ionization detector;FID) 열이온화 검출기(thermionic ionization detector;TID) 광이온화 검출기(photo ionization detector;PID) 전자포획 검출기(electron capture detector;ECD) 2. 물리적 성질 검출기(bulk physical detector) 열전도도 검출기(thermal conductivity detector;TCD) 3. 광학 검출기(optical detector) 불꽃광도 검출기(flame photometric detector;FPD) 원자방출 분광 검출기(atomic emission detector;AED)

▣ 검출기의 특성 1. 감응(response)과 감응인자(response factor;RF) 2. 잡신호(noise)와 최소 검출량(minimum detectable level;MDL) 3. 감도(sensitivity) 4. 직선성(linearity)과 직선농도범위(linear dynamic range) 5. 감응 선택성(selectivity)

▣ 열전도도 검출기(TCD) 순수한 운반기체와 시료분자가 섞인 운반기체의 열전도도 차이를 측정 ▷ 구조 및 작동원리 간단 ▷ 직선농도 범위가 넓다. ▷ 유기 및 무기화합물 모두 감응 -가스분석에 주로 이용

▣ 불꽃 이온화 검출기(FID) 유기화합물이 수소-공기 불꽃에서 연소될 때 생성되는 이온을 검출 ▷ 가장 널리 사용 ▷ 직선농도 범위가 넓다. ▷ 유기화합물에 일반적인 감응 높은 감도, 안정성 -탄화수소류 분석에 이용

▣ 전자포획 검출기(ECD) 친전자성이 큰 화합물이 에너지가 낮은 일정한 수의 전자입자 흐름 속에 노출될 때 전자를 포획한다. 이때 전자의 수가 감소되어 전류의 감소를 측정한다. ▷ 감도가 가장 큰 검출기 ▷ 직선농도범위가 비교적 낮다. ▷ 감응선택성이 크다. 할로겐 화합물에만 감응 - 농약, 잔류성분분석, 공업화학분석, 의학용 등의 미량 분석 ▷ 감응인자가 화합물별로 다르다.

▣ 불꽃 광도 검출기(FPD) 인 화합물, 황 화합물이 수소가 많은 낮은 온도의 불꽃에서 HPO와 S2로 각각 분해되어 에너지가 높은 상태로 들뜨게 되고 다시 바닥상태로 되돌아 올때 황은 392nm, 인은 526nm의 특정한 빛을 내놓는 불꽃 발광현상을 이용 ▷ 직선농도범위 인 > 104, 황 > 103 ▷ 인과 황이 함유된 화합물에만 선택적으로 감응 - 인이나 황을 포함한 농약, 향기성분 또는 공기 중 오염물질

▣ 열 이온화 검출기(FTD) 특정한 알칼리 금속 이온이 수소가 많은 불꽃에 존재할 때 질소 혹은 인 화합물의 이온화율이 다른 유기화합물보다 훨씬 증가하는 현상을 이용 ▷ FID와 유사한 구조 ▷ 직선농도범위 104 ~ 105 ▷ 질소나 인 함유된 화합물에만 선택적으로 감응 - 질소, 인화합물에 대해서 FID보다 약 50, 500배의 감응인자

▣ 원자방출 분광 검출기(AED) 성분을 구성하는 각 원자 내부 전자가 고온의 플라즈마로부터 에너지를 얻어 높은 에너지 상태로 들떴다가 되돌아 올 때 각 원자에 따라 방출되는 특정한 빛을 측정 ▷ 직선농도 범위 104 ▷ 특정원소의 스크리닝 분석 여러 원소의 동시 스크리닝 분석

정성·정량 분석기술

▣ 머무름 시간과 정성 분석 ▶ 머무름시간의 비교 해당되는 표준품과 시료를 동일한 조건에서 분석하여 머무름시간이 일치하는 지를 판단 한 종류의 정지상 컬럼에서 머무름시간이 일치한다고 해서 동일성분이라고 확정할 수는 없다. 컬럼온도 변화, 극성이 다른 컬럼으로 분석하여 머무름시간이 일치하는 지를 재확인한다. ▶ GC/MS, GC-FTIR 정성분석

▣ 봉우리 면적과 정량분석 1. 면적표준화법(area normalization) 2. 감응인자 보정 표준화법(normalization with response factors) 3. 외부 표준물질법(external standard method) 4. 내부 표준물질법(internal standard method)

▣ 면적 표준화법 Ax(i) Ax(i) % = × 100 Atotal 봉우리 번호 시료용액분석 면적 면적% 중량% Ax(i) Wx(i) % 1 2273 22.1 2 3951 38.5 3 2580 25.1 4 1467 14.3

▣ 감응인자 보정 표준화법 As(i) RFs(i) = CAx(i) = Ax(i) × RRFs(i) Cs(i) RFs(i) Wx(i) % = × 100 RF3(i) CAtotal 봉우리 번호 표준용액 시료용액 면적 농도 면적비 감응인자 보정면적 중량% Ax(i) Cs(i) RFs(i) RRFs(i) CAx(i) % Wx(i) % 1 2713 0.715 3794.4 1.028 2273 2336.6 19.9 2 3051 0.625 4881.6 1.322 3951 5223.2 44.6 3 2998 0.812 3692.1 1.000 2580 2580.0 22.0 4 2146 0.541 3966.7 1.074 1467 1575.6 13.4

▣ 외부 표준물질법 Wx(i) = 1.0 × Cs(i) As(i) Ax(i) ARFs(i) = Wx(i) = W3(i) 봉우리 번호 표준용액 시료용액 면적 농도 주입량 감응인자 중량% Ax(i) Cs(i) Ws(i) ARFs(i) Wx(i) Cx(i) 1 2713 0.715 3794.4 2273 0.599 3 2998 0.812 3692.1 2580 0.699

▣ 내부 표준물질법 내부 표준물질법에 의한 검량선 작성 표준용액 면적 분석결과 면적비 농도비 5518 0.433 5.0 7563 0.634 7.5 10350 0.857 10.0 13935 1.080 12.5 15628 1.270 15.0 면적비(AS/AIS) 농도비(CS/CIS) 봉우리 번호 시료용액의 정량분석 결과 면적 면적비 농도 1 6806 0.540 0.63 IS 12604 1.000 0.1