Gas Chromatography Basic Theory & Maintenance 일반적인분석의흐름 시료수집 결과처리및출력 시료전처리 시료분석 시료도입 시료분리 시료검출
Chromatography GC SFC LC column column TLC GSC ( 흡착 ) GLC ( 분배 ) LSC LLC LSC ( 흡착 ) IEC ( 이온교환 ) SEC LLC ( 분배 ) BPC ( 분배 ) IC ( 이온교환 ) GPC ( 이온크기 ) GFC ( 배제 ) IPC ( 이온쌍 ) -SFC: Supercritical Fluid Chromatography -IEC: Ion Exchange Chromatography - SEC : Size Exclusion Chromatography -IPC: Ion Pair Chromatography
Chromatography Gas chromatography 이동상 : 기체 시료의휘발성 낮은분자량 열에대한안정성 분리 : 고정상과시료의화학적친화력및 B.P 차에의한분리 Liquid chromatography 이동상 : 액체 시료의용해성 분자량의상한선없음 분리 : 시료와고정상및이동상과의화학적친화력에의한분리 크로마토그래피법은이동상의종류에따라크게 GC,LC등의두가지로구분된다. - GC는이동상으로가스를사용하며시료가주입구에주입됨과동시에기화되어야하므로시료의휘발성이있어야한다. 따라서분석가능한시료의분자량이제한적이고, 열에불안정한물질은분석이어렵다. 분리는컬럼내의고정상과흡착 / 분배과정을통해일어나며이동상은분리정도에영향을미치지않는다. - LC 는이동상으로액체 ( 용매 ) 를사용하며이때시료는이동상에잘용해가되어야한다. 분석가능한시료의분자량에상한선이없어고분자분석에도사용된다. 또한상온근처에서분석되므로열에불안정한물질도분석이가능하며이온분석도가능하다. 분리는컬럼내고정상과흡착 / 분배 / 이온교환 / 분자크기배제등의과정을통해일어나며이동상도분리정도에영향을미친다.
GC 및 HPLC 응용범위 GC 및 HPLC 응용범위 - GC의경우시료의휘발성을고려해야하며, 분리용컬럼의손상을방지하기위하여 Hydrophobic( 소수성 ) 한시료분석에주로적용한다. - HPLC의경우는흡착 / 분배 / 이온교환 / 분자크기배제등의분리모드를사용하여 Nonvolatile( 비휘발성 ) 물질분석을주로하며, 이동상으로수용액을사용하기때문에 Hydrophilic( 친수성 ) 을가진시료분석에도적용가능하다.
GC 사용의이점 빠른시간내에분석이가능하다. 높은분리능으로다성분분석이가능하다. 높은감도를가진다. MSD, AED와쉽게연결이가능하다. 높은정량재현성을가진다. 시료의주입량이적다. ( 여러번주입가능 ) 값이싸다. Gas Chromatograph 의구성 Carrier Gas Injector Column Detector Data System
GC 의분석흐름 GC System의구성은크게다음과같다. - Carrier gas : 시료주입구에서기화된시료를컬럼으로이동시켜주는기체 - Injector : 분석하고자하는시료를주입하는곳이며, 주입한시료를기화시켜컬럼으로보내는역할을한다. - Column : 다양한재질의용기내에충진제가채워져있으며시료성분들을각각의단일화합물로분리시켜준다. - Detector : 컬럼에서부터분리된단일화합물을검출하여양에비례한전기적인신호로변화시켜준다. - Data System : 검출기에서나온신호값을 Y축에, 시간을 X축으로하여크로마토그램을그려낸다.
Carrier Gas
Carrier Gas 정의 : 주입구에서기화된시료를컬럼으로이동시켜주는기체 조건 : 비활성, 순수, 건조 (Purity: 99.999 이상 ) 종류 : 수소, 질소, 헬륨, 아르곤메탄등 (Detector 에따라다름 ) 기체크로마토그래프의이동상으로사용할기체는반드시다음과같은조건을만족해야한다. - 시료분자나고정상과반응하지않는비활성이면서, 순수하고건조한상태로공급되어야한다. - 컬럼내에서시료분자의확산 (Diffusion) 을최소한으로줄일수있어야한다. - 사용되는검출기에적합해야한다. Garrier gas의사용방법 - 일반적으로고압기체실린더가 Carrier gas의공급원이되며, 일정한속도를갖는 Carrier gas를얻기위해고압기체실린더에압력조절장치 (Regulator) 를부착하여사용한다.
A : Moisture trap B : Hydrocarbon trap C : Indicating Oxygen trap 이동상가스의순도는매우중요하다. 보통이동상기체의순도는 99.995% 이상이어야하며, 최종적으로공급되는이동상의순도를높이기위해서는즉, Carrier gas에포함된수분, 산소및입자와같은불순물을제거하기위해서는 Molecular Sieve나목적에맞는 Trap을연결하여사용한다. - Moisture trap : Molecular Sieve 5A, 45/60 mesh 흡착제로충진되어있으며, 수분을제거하기위한목적으로사용된다. 가장일반적으로사용하는트랩은재충진이가능한분자체인 S Trap (Agilent P/N : 5060-9084) 이며, GC 오븐에서손쉽게재활성화하여사용가능하다. - Hydrocarbon Trap : 수분이활성화된탄소가성능을저하시키는것을막기위해서 Hydrocarbon Trap은 Moisture Trap을설치한후장착한다. - Oxygen Trap : 산소제거를위한 trap이며, Glass Indication Oxygen Trap (Agilent P/N : 3150-0528) 과 High-Capacity Oxygen Trap (Agilent P/N : 5183-4772) 를일반적으로사용한다. Gas Purification Systems : Moisture Trap, Hydrocarbon Trap 및 Oxygen Trap 을하나의 Unit 으로구성 교체시기 - Signal값이갑자기증가하는경우 - Base Line이매우지저분할때 - Ghost Peak가나타나는경우 - 일반적인증상은위와같으며사용빈도에따라다르나대체로 6개월 1년에한번씩교체하도록한다.
Gas 의종류와선속도의관계 최적의 Average Linear Velocity 설정방법은위와같다. - 위의그림은수소, 헬륨, 질소등의운반가스와선속도와의관계를표기한 Van-Deemeter Profile 이다. 수소는가장빠른운반가스로서 (U opt ), 최적의선속도로 40 cm /sec를가지며가장평형에가까운 Van-Deemter Profile을보여준다. 선속도 20 cm /sec를가지는헬륨이차후선택이며, 질소의성능은이에비해조금떨어지는데이는최적의선속도가 12 cm /sec로느린선속도때문이다. 운반가스로서수소와헬륨을사용하면, 질소보다넓은범위의선속도에걸쳐최적의 H.E.T.P 값을유지할수있으며, 높은선속도에서도효율을잃지않고사용할수있다. 반면질소는좁은온도범위에서휘발성이높은성분을분석할때유용하다. 일반적으로질소를사용할경우, 넓은온도범위에서분석되는화합물의재현성이떨어질우려가있고, 긴분석시간이필요하게된다. - Resolution : H 2 > He > N 2 H.E.T.P (Height Equivalent to a Theoretical Plate) - 시료분자가이동상인기체와고정상인액체사이에서평형에도달하는데필요한컬럼의길이를말한다. 길이가 L인컬럼이총층수 N을가진다고가정하면, HETP는아래와같다. HETP = L / N 이론적총층수 N은크로마토그램에서용이하게측정할수있기때문에 N 을컬럼효율의척도로이용한다.
이동상의적정유속 Column Diameter Optimum Carrier Flow rate Optimum Carrier Linear Velocity Packed 1/4" 1/8" 50-60 ml/min 20-30 ml/min 2.6-3.2 cm/sec 4.2-6.3 cm/sec Capillary 530 μm (mega bore) 320 μm (wide bore) 200 μm (narrow bore) 100 μm (high speed) 5-10 ml/min 1-4 ml/min 0.5 1 ml/min 0.2-0.5 ml/min 22-38 cm/sec 20-62 cm/sec 26-53 cm/sec 42-106 cm/sec 검출기에적당한 Carrier Gas Detector Carrier Gas 내용 일반적인검출기 TCD He H 2 가장일반적 감도는높으나사용상주의를요함 N 2 H 2 분석시사용 FID N 2 가장일반적 H 2,He 대체로사용가능 NPD He 최적 N 2 최고감도 ECD N 2 최고감도 Ar/CH 4 최고의동적범위 FPD N 2 정성이가능한검출기 MSD He MSD Mass Range 가 2-800amu 이기때문에반드시 He 사용해야함
Inlet
주입구의역할 목적 시료를기화시킨다. GC column에시료를정확하고재현성있게전달 시료형태 : 액체또는기체 시료를기화시켜컬럼 (Column) 으로이동시키는부분으로서, 사용하고자하는컬럼의종류및시료의상태등에따라선택적으로사용할수있다. 시료주입구의온도 : 주입한시료를기체상으로변화시키되, 시료가분리관에도달하기전에운반기체에확산되는것을최소화하도록기화과정은빨리수행되어야한다. 때문에시료가주사기에의해주입구에전달된후가능한빨리기화될수있도록주입구의온도를설정한다. 주입구의온도는분석하고자하는시료의특성을고려하여야하나일반적으로 200-250 정도로설정한다. 시료주입방법 - 시료는적당량을주입구에순간적으로한꺼번에주입함으로써주입한시료증기의띠가이동상에가능한한확산되지않고농도가짙은상태에서이동해야한다. - 컬럼의효율저하를방지하기위해주입하는시료의양은컬럼의크기와액상의양에따라달라진다. - 시료의상태에따른주입방법 ** 기체인경우 : 기체가새지않는 Gas Tight Syringe나 Sampling Valve를이용해서주입한다. ** 액체인경우 : Microsyringe를사용해서 Septum을통해주입하며일반적인분석용컬럼에서는 10μl용량의주사기를사용하며 1-5μl까지의시료량을주입하는것이보통이다. ** 고체인경우 : 적당한용매와섞어일정한농도의용액으로제조한후 Microsyringe를사용해서주입한다.
주입구의종류 Packed Column Inlet Capillary Column Inlet Capillary Direct (vaporizing) Split/Splitless (vaporizing) Programmed Temperature Vaporizer (vaporizing) Cool On-Column (non-vaporizing) Volatile Interface(vaporizing) Injection Port 에따른컬럼사용 Packed Injection Port 모든 Packed column과 0.53mm 내경의 capillary column Capillary Injection Port 0.32 혹은 0.53mm를포함하는모든 capillary column
Packed-Column Inlets High efficiency separation 이필요치않거나 gas-solid chromatography 에의한가스분석시유용. 디자인이간단하며이동상가스모두가 column 으로전달됨. 시료는기화된후 column 으로전달되므로 nonvolatile 성분으로인한 column 의오염은적으나시료분해, 극성성분의흡착이일어날수있음. Packed 시료주입구 - Packed 컬럼과내경이큰 Capillary 컬럼 (0.53 mm) 사용시선택할수있으며, 주입한시료가모두컬럼으로들어가기때문에분리능이다소떨어지는편이다.
Typical Packed Column Inlet Septum: GC 내부와외부환경을차단하는실리콘고무재질의작은디스크로시료의유출을막아준다. 현재공급되고있는 septum의종류는매우다양하므로분석의특성에따라선택할수있다. - Agilent Advanced Green Septa : 5183-4759 - Agilent Long Life Septa : 5183-4761 - Low Bleed Red Septa : 5181-1263 * Septum Bleed 란 : Septum 의작은조각이떨어져시료주입구내의 Glass Liner를오염시키거나시료분석을방해하기도한다. Liner : 금속과활성인물질의반응을예방할수있는 Quartz 나유리소재의유리관이며, 기화된시료가확산되는것을막고, 기화되지않은오염물질이나 septum 가루가컬럼안으로유입되는것을차단시켜준다. 시료주입구의형태및주입방식에따라다른모양으로만들어져있다. Ferrule : 시료주입구와컬럼을연결하는마지막소모품으로유량의누출을최소화시켜주며, 유연성있는소재 (Graphite) 로만들어져있다.
Capillary Column Inlet Capillary Direct Inlet Capillary Column중 wide-bore column만사용 시료는기화된후모두 column으로전달 Packed-column inlet과동일한원리로운염됨. 시료주입속도, 시료용매, 주입구온도등을신중히선택하여야함.
Split/Splitless Capillary Inlet Split Inlet (mode) : 시료가고농도인경우, 컬럼으로들어가는시료의양을조절하여각성분의피크 (Peak) 분리도를증가시킬수있는주입방식이다. Splitless Inlet (mode) : 시료가저농도인경우, 일정시간동안시료가주입구내에서 Reconcentration 되어컬럼속으로들어가분석의감도를향상시킬수있다. Pulsed Split/Splitless Inlet (mode) : Split 또는 Splitless mode 에서일정시간동안과량의압력을가하여분해되기쉬운시료를빠르게컬럼안으로들어갈수있도록도와주고, 짧은시간내에시료가주입되어피크의모양을향상시킬수있다. 일반적으로쉽게분해되는시료의분석에유용하다.
Split Inlets Capillary GC를위해개발된주입방식 시료는고온의주입구에서기화된후일부만이 Column으로전달되고나머지는 vent됨. 거의모든시료에적용가능하며시료용매의제한이없고 peak 형태가우수함 (sharp) 시료의대부분은 vent되고일부만이 column에전달되므로감도가떨어지고정량적재현성이좋지않을수도있음. Capillary Column 을사용하는경우연결하는시료주입구로서대다수유기화합물분석에사용하며, Packed Column 과는달리주입할수있는시료의양이적기때문에 Column 에들어가는시료의양을 Carrier gas 의분할 (Split) 에의하여조절한다. Vent line에서는희석된시료가나오므로시료의독성이강한경우외부로연결해서배출되도록한다. - Split Vent Trap : Agilent P/N 5181-8802 (Replacement cartridges 5181-8803)
Split Mode Flow Diagram Flow 의종류 - Total Flow Rate : GC에주입되는운반기체의유량 - Septum Purge Flow : 시료가주입되는동안 Septum 아래로유입되어불순물을제거하게되며, 일반적으로 3-6ml /min정도로설정한다. - Split Vent : Split Ratio에의해 GC 밖으로 Vent되는 Gas의유량 - Column Flow Rate : 컬럼으로흐르는 Gas의유량 - Split Ratio : 일반적인 split ratio는 20 30 : 1로설정하며, 분석대상성분의농도수준에따라조절가능하다. ex) Split Ratio 가 100 : 1 이라면컬럼유속을 1 ml /min 로했을경우, Split Vent Flow Rate 는 100 ml /min 이된다. 즉, 시료 1 μl를주입했을경우실제컬럼으로들어가분리되는시료의양은 1/100 μl임을의미한다.
Split Injection 적합한시료 매우휘발성이강한시료 용매에의한희석이힘든시료 ( 예 : 용매자체 ) 기체와같이 focusing이힘든시료또는주입시간이긴시료 (valve injection) 용매 peak 다음에원하는 peak가바로뒤따라용출되는시료 ( 용매분석과같은경우 ) 알수없는다양한 b.p를가지는성분들이함께섞여있는경우 (Split Ratio를쉽게바꾸어분석가능 ) Splitless Inlets (I) Split injector 를 non-vent 상태로운영하는원리. 시료는고온의주입구에서기화된후용매를제외한전량이 column 으로전달되고주입구에남아있는과량의기화된용매는일정시간후 vent 를통해제거됨. (Purge On Time) 시료의대부분이 column 에전달되므로감도가우수하고정량적재현성이우수함.
Splitless Inlets (II) 장시간에걸쳐 column 에전달된시료의 band width 를줄여주기위한 oven 온도설정등 split injection 에비하여다양한조건들을최적화시켜야함 (Solvent Effect). 높은 b.p 의용매사용이가능하다. 내부용량이큰 liner 를사용하는것이좋다. 빠른컬럼유량을설정할수있다. Splitless Injection 의단점 정량결과가주입기술에좌우됨. 시료용매의선정에유의해야함. 컬럼성능이급격히저하될수있음. 용매꼬리부분에용출되는성분은용매의끓는점, 극성및주입된부피에좌우됨. 시료회수율이주입시간등에따라달라지므로조건을최적화하고자동화할필요가있음.
Purge Vent Off Purge Vent On Split yields narrow peaks from injection! Splitless has focused after ~100 C (pentane solvent, no solvent recondensation)
주입구에서자주오염이되는부분 가스가제공되는라인 Septum Injection port liner Gold seal (in case split/splitless Inlet) Split/Splitless Capillary Inlet 사용시최적의기기상태를유지하기위해서위와같은부분은사용자가주기적으로유지보수를한다. - Gas 공급라인의 Leak Check -Septum 교체 - Glass Liner 교체 - Inlet Base Seal (Gold Plate Seal) 교체
Septum 오염의예 Contaminated Septa Clean Septa
On-Column Inlet Syringe needle이 Column head까지도달하여시료주입. 시료전량이액체상태로 column에주입되며 focusing 과정을거쳐 column내부에서기화된후분리. 주입구및오븐은시료용매의끓는점과비슷한온도에서유지. 시료의전부가 column에전달되므로정량적재현성이가장우수하나주입시료의부피는제한됨. Splitless injection과같이다양한조건의최적화가필요. Capillary Column을사용할때이용되며, 컬럼을 Syringe needle 바로아래까지설치하고압력과온도를 Programming하여사용한다. 즉, 액상상태의시료가컬럼안으로직접들어감으로미량성분분석에적합하며, 분석시높은정밀도와분리도를제공한다. - Pressure Program : 압력을일정하게사용할수도있고 Program 하여사용할수도있다. - Temperature Program : 오븐온도를 Program 할수있는것과같이주입구의온도도 Program 하여사용할수있다. : 상온이하의온도가필요한경우는액체질소 (N 2 ) 또는이산화탄소 (CO 2 ) 를이용한 Cryogenic cooling option을이용하여단시간내에주입구를냉각시킬수있다. 특징 - 열에약한성분의분해및변형을최소화 - 온도와압력을동시에 Programming 해줌으로써분석시간을현저하게줄이고좋은피크모양을얻을수있다. - GC로분석이까다로웠던 Aldehyde, Phenol, Glycol, Diol, Polyethylene 및 Wax 등을분석하는데효과적이다.
Cool On-Column Injector On-Column Inlet 은컬럼과바로연결되는것으로컬럼연결에사용되는소모품 (Septum Nut, Septum, Insert, Syringe needle) 사용에특히유의하여야한다. Needle guide는 Fused Silica Needle과 Stainless Steel Needle 로두가지가있다.
On-Column Injection 주입구냉각및별도의 cooling device 필요. Retention Gap의사용이요구됨. Fast injection 필요. 적은시료량사용 (0.5-2 µ ㅣ ). 빠른컬럼유량사용 (30-50 cm/sec) 분석용컬럼에액체시료가직접주입됨에따라컬럼의오염가능성이매우높다. 따라서분석용컬럼의오염을막기위하여시료주입구와분석용컬럼사이에비활성컬럼인 Retention Gap(Guard Column) 을장착하여사용한다. 보통 1 μl시료주입시, 최소 1 m 정도가필요하다.
On-column injection 시시료는가능한빨리주입하여야 Column 내부에균일한막 (flooded zone) 을형성하며시료가 needle 에서멀어질수록 needle 외부에시료가침착하는것을막을수있다.
Retention Time Gap Intermediate-Polarity Deactivated Guard Columns & Transfer Lines - 가장범용적으로사용가능한 Fused Silica 재질의 Column - P/N (Restek) : 10044 (5 m * 0.32 mm) Polar-Deactivated Guard Column - Polyethylene glycol deactivation layer로서 Polar Compound 분석에주로사용 - P/N (Restek) : 10066 (5 m * 0.32 mm) Hydroguard Water-Resistant Guard Tubing/Transfer Lines - Water Injection에따른 column degradation 방지 - P/N (Restek) : 10080 (5 m * 0.32 mm)
Programmable Temperature Vaporization Inlet (I) 시료는 cool liner 로주입되고주입구의온도가상승하여시료를기화시킴. Vent time 과주입구의온도를 progra- mming 하여 split/splitless injection 과마찬가지로시료 vapor 를 column 으로 transfer 함. Large volume injection 이가능함. 전처리가덜된시료도분석이가능함. PTV (Programmable Temperature Vaporizer) 시료주입구 : 시료주입구내의온도프로그램과용매배출, Multiple Injection이가능한고기능 Split/Splitless 시료주입구이다. - 미량성분의분석시다량의시료를주입 (Large Volume Injection) 하여감도를향상 - 용매 Prevent 기능으로컬럼의오염을막고, 농축효과로감도향상 - 온도프로그램이가능하여열에약한물질의분해및변형가능성을줄임 (Cold Split/Splitless Mode) - Multiple Injection : Autoinjector를사용하여일정량의시료를여러번주입하는기술로농도가낮은시료분석시유용하게사용할수있다. - 다량시료주입 (Large volume Injection) : 음용수중의극미량성분분석과같은매우낮은농도의성분을분석할경우, 분석이전에농축을시키거나보통의시료주입량보다훨씬많은양의시료를주입해야만분석이가능하다.
Programmable Temperature Vaporization Inlet (II) The three most important modes Cold split injection Cold splitless injection Solvent elimination injection Cold Split/Splitless PTV Injection - 액체시료가 cold vaporizing chamber로주입 ( 이때 split vent는닫혀있음 ) - 시료주입후 PTV inlet의온도상승되어시료성분들은 boiling point에따라순차적으로기화되어 column으로도달 - 기존시스템에비해많은양의시료를 column 손상없이주입가능하며좀더정확하며재현성높은시료의 splitting이가능함 (Split PTV) Solvent Elimination S/SL Injection -용매의boiling point 정도로setting된inlet에시료주입 - High split ratio에의하여 b.p 가낮은용매는대부분 vent 되며 b.p가높은시료성분들은 inlet에서농축 - 미리지정한일정시간이지나면 split vent는닫히고 inlet 온도는상승하여시료성분들이 column으로이동하여분리가이루어짐 (Solvent elimination splitless mode) - 200 µl 정도의시료를 column손상없이주입할수있으므로감도가우수함. - 단, 용매와가까운 b.p 를갖는성분은잃어버릴위험이큼.
일반적인 Split/Splitless inlet 에비하여 PTV 는다음과같은특징을갖는다 : Lower thermal mass Rapid heating & cooling capabilities Lower internal volume Multiple timing of split-vent & heating cycles
Volatile Interface (Split mode) Volatile Interface (VI) : 액체, 기체, 고체등의시료로부터휘발성화합물을분석하기위한시료전처리장비인 Purge & Trap, Headspace 및 Aerotrap등과 GC와연결하여사용할때, 다른시료주입구보다작은내부용적과비활성의경로를제공하여분석결과의재현성과검출한계를향상시킬수있는장점이있다. 특히, 비활성소재인 Silcosteel을사용하여반응성이크고극성인물질의흡착을방지할수있다.
Volatile Interface (Splitless mode) 시료주입구 Capillary Packed Split/ Splitless COC PTV VI 시료주입구비교 컬럼 충전컬럼 1/8 & 1/4-inch 모세관컬럼 0.1 0.53 mm 모세관컬럼 0.25 0.53 mm 모세관컬럼 0.1 0.53 mm 모세관컬럼 0.25 0.53 mm 주입모드 n/a Split Pulsed split Splitless Pulsed splitless n/a Split, Pused Splitless, Pused Solvent vent Direct Split Splitless 시료상태 Any 고농도 고농도 저농도 저농도 저농도열에강한시료 고농도 저농도 저농도 저농도 고농도 저농도 컬럼주입량 전량컬럼 시료의소량만이컬럼으로이동 전량컬럼 전량컬럼으로 소량만컬럼 전량컬럼으로 전량컬럼으로 소량만컬럼 전량컬럼 비고 시료의분해, 변성이적음 다량주입 Dead volume 이가장적음 Max. total flow = 100 ml/min
Column
Column 정의 : 혼합성분이단일성분으로분리되어지는곳 종류 - 내경에따른분류 Packed column Capillary column - 고정상종류에따른분류 GSC (Gas-Solid Chromatography) GLC (Gas-Liquid Chromatography) Column 혼합성분을각각의단일성분으로분리시키는곳으로시료성분들을효과적으로분리시키기위해서는시료와컬럼내고정상의화학적친화력을고려하여컬럼을선정해야한다. 실제분석에필요한컬럼의선택은시료중분석하고자하는성분의화학적성질 (Polarity) 과관계가있다. 컬럼은일반적으로고정상이충전된관전체를말하며, GLC와같이고정상이액체인경우에는이를지지하고있는고체지지체까지를의미한다. - 컬럼의튜빙은시료분리를직접적으로일으키는재료, 즉고정상을담는용기로서그리고이동상기체의흐름을안내하는안내자로서의역할만을하는것이바람직하며, 분리그자체에는아무런영향을미치지않아야한다. 그러므로, 컬럼의튜빙재질은가능한비활성 (inert) 이어야한다. 특히, 극미량의성분을분석하려고하거나 mercaptans 과같이활성이높은물질에의해피크의꼬리끌림 (tailing) 현상이현저할경우튜빙은반드시비활성이어야한다. 모세관컬럼의경우는용융실리카 (fused silica) 가가장적합하다. - 재질 ; 금속관 - 구리, 스테인레스스틸, 알루미늄등구리관은 Amines, Terpenes 및스테로이드등과반응이나흡착을하므로이런화합물의분석에는적합하지않다. ; 유리관 : 반응성이나극성이큰화합물의분석에사용된다.
Column (Packed : Capillary) Packed Column 내경이크고길이가짧다. 시료처리용량이크다 낮은분리능 Capillary Column 내경이작고길이가길다. 시료처리용량이적다. 뛰어난분리능 Packed Column - 분석용 Packed Column의외경은 1/8 inch 또는 1/4 inch 이며, 길이는 3 10 ft 정도인것이보통이고대개 1 ft 당 300 1000의이론단수를갖는다. Capillary Column - Capillary Column의내경은보통 0.1 0.53 mm 이고, 컬럼의내벽에매우얇은막의액상이입혀져있다. - 장점 : 컬럼내에서압력강하가거의일어나지않기때문에길이를매우길게할수있으며 (10 100m), 이에따라수십만개의이론단수를갖는컬럼도있다. 단, 주입할수있는시료의양은매우적어야한다.
Capillary Column Packed Column Chromatograms of Calmus oil Capillary Column 과 Packed Column 으로 Oil 류를분석한 Chromatogram 이며 Packed Column 의경우분석대상물질의분리가거의이루어지지않는반면, Capillary Column 의경우는원하는성분간의분리가확연히진행되었다. 따라서분석하고자하는대상성분의수가많지않은경우에는 Packed Column 적용이가능하며, 분석대상물질이많은경우에는 Capillary column 을사용하여분리도를향상시키도록한다. 최적의 Column 선택시장점 - 감도의향상 - 분석의신뢰도증가
Column : Packed Column. Conventional Packed and Micro Packed Porous Layer Bead Bead Column Porous Layer Bead : 다공성담체, 구멍이여러개있는구슬 Bead Column : 구멍이없는구슬 고정상의종류 - Methyl Silicone - Molecular Sieve : Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 등 - Porous polymer : Porapak, Chromosorb, Haysep 등 - 다양한 special packing 가능
Column : Capillary Column Porous Layer Open Tube Wall Coated Open Tube 용융실리카 (Fused silica) 재질의 Capillay Column에는두가지 Type이있다. 1. Porous Layer Open Tubular(PLOT) 컬럼 : 튜빙내벽에고체상태의고정상 (Solid staionary phase) 이코팅된것이며, 기체시료분석에주로사용된다. (ex : HP-PLOT Al2O3 S, M 및 KCl, HP-PLOT Molesieve A, HP-PLOT Q) 2. Wall Coated Open Tubular(WCOT) 컬럼 : 비활성의튜빙내벽에액상의고정상 (Liquid staionary phase) 을코팅한것이며, 기체크로마토그래피분석에서가장일반적으로사용되고있다. (ex : HP-1, HP-5, HP-INNOWAX 등 ) 고정상의종류 1. Polysiloxanes : 반복적인 Siloxane backbone 구조를가진가장일반적인고정상으로매우안정하고견고하며, 용도가다양하다. Silicone atom의 2가지 Functional group에따라각고정상별특성이상이해짐 (methyl, phenyl, cyanopropyl, trifluoropropyl) 2. Polyethylene glycols - Column name : Wax, FFAP 등 - Polysiloxane 보다는구조적으로다소불안정하고견고하지못함. 상대적으로낮은한계온도를지님 3. Porous Polymer (Gas Solid) - PLOT 컬럼으로 Gas-Solid Adsorption/Desorption process에의해서분리되며, Hydrocarbon, Sulfur gases, Noble & Permanent gases와 low b.p의 solvent 분석에적합.
Capillary Column for High Resolution GC System Capillary Column 구성 : Tubing + Stationary Phase - Tubing : fused silica or stainless steel - Protective material : polyimide coating - Stationary phase : polymer or porous particles Fused Silica - High purity synthetic quartz -외부: Polyimidecoating Standard (max temp. : 360 / High temp. : 400 ) - 내부 : Silylation process Stainless steel - High temperature column
Carefully Cut the Column End!!! Improperly Cut Column Properly Cut Column
Column (GSC : GLC) 이동상 : 기체 고정상 - 다공성담체 분리 : 흡착과탈착 이동상 : 기체 고정상 : 액체 - 고체지지체 + 액상 분리 : 분배 GSC (Gas Solid Chromatography) 주로실온에서무기가스나낮은분자량의탄화수소를흡착에의해분리하는데사용된다. 고정상의다공성담체로는 Charcoal, Silica gel, Synthetic zeolite, Molecular Sieve, Porous Polymer 등이있다. GLC (Gas Liquid Chromatography) 고체지지체에액상의충진제를입혀놓은구조로고정상과분석대상물질의분배에의해분리한다. 현재사용중인대다수의컬럼상의구조이다.
Gas Solid Chromatography Packed Column Carrier Gas Capillary Column Carrier Gas Absorbent Packing(GSC) Porous Large Surface Area 고정상의종류 1. Activated Charcoal ; C 6 까지의 Hydrocarbon, Light Gas, Permanent Gas 분석시사용한다. 2. Molecular Sieves ; 입체구조와분자크기에따라물질을분리하는데극성이거나극성화할수있는분자를흡착시키며, 충전이용이하다. ; H 2, O 2, N 2, CH 4, CO, C 2 H 4 등을분리한다. ; Molecular Sieve 5A, 13X 3. Porous Polymer ; 수용성시료분석에좋으며, 분자량 20 까지도분리가가능하다. ; Porapak, Chromosorb, Hayesep 등 4. Tenax ; Amines, Alcohols, Aldehydes, Ketones, Aromatic Compounds 분리
Gas Liquid Chromatography Packed Column Carrier Gas Capillary Column Solid Support : porous with high surface area Liquid Phase Solid Support ( 고체지지체 ) 얇은막의일정한액체층을지지해주는것으로서, 표면적이넓고균일하며반응성이없는즉, 시료와의화학적작용이나흡착작용을하지않는비활성인표면을가진것을사용한다. < 고체지지체의종류 > - Chromosorb G : 극성화합물분리에이용되며, 강도가크고견고하여다루기가용이하다. 표면적이작고밀도가크므로액상을조금입힐때사용한다. - Chromosorb P (Pore Size : 2 μm ) : 분홍색으로 Chromosorb W 보다견고하고표면적이큰반면, 표면흡착력이강하여극성화합물에대해서강한흡착을나타내므로 Hydrocarbon 과비극성화합물분석에효과적이다. - Chromosorb T : 물, Hydrazine, SO 2, Halogen 과같이극성이크고반응성이강한화합물의분리에사용한다. 분리효율이좋지않으므로비활성표면이필요한경우에만사용한다. - Chromosorb W (Pore Size : 9 μm ) : 부서지기쉽고표면적이적으나표면흡착성이적어서극성화합물분리에사용한다. 희고약간알칼리성이므로산성시료에는부적합하다. - Chromosorb A : 대량분취를위한 GC에사용한다. Liquid Phase 를충분히함유할수있으며, 견고하여다루기쉬우나표면흡착력은별로크지않다. Treated Solid Support Chromosorb 형태의고체지지체는주성분이산화규소이므로표면에 Si-OH 기를갖게된다. 따라서극성시료분자와는수소결합때문에 Tailing 현상을일으키므로이를방지하기위해표면을비활성처리하여사용한다. Liquid Phase ( 액상 ) 시료성분을녹일수있는용매이어야하며, 시료성분에대해다른분배계수를가지고, 온도에대해안정성및컬럼온도에서용질과화학적반응이없어야한다. 효과적이고정상적인분리를하기위해서는액상의구조가시료성분들의화학적구조와비슷해야하며, OV-1(Polymethyl Siloxane), DC710(Polymethylphenyl Siloxane), Carbowax 20M(Polyethylene Glycol), DEG adipate(diethylene Glycol Adipate) 등이가장광범위하게사용된다.
Capillary Column 의선택 시료의종류 고정상의종류 고정상의필름두께 컬럼내경 컬럼길이 분리능을높이는일반적인방법 - 시료의종류와고정상의종류를고려한다. : 분석물질과유사한화학적성질을갖는고정상을선택 - Film 두께가두꺼운컬럼을선택한다. - 컬럼의내경이작은것을선택한다. - 컬럼의길이가긴것을선택한다.
Column Selection Guide Chromatograms of gasoline on capillary column with varying on film thickness
Resolution Example 30-meter 60-meter Longer columns provide better resolution
Column Conditioning Thermal Conditioning Column 을연결 : detector 부분은연결하지않음. 적당한 Carrier Flow 를흘려준다. 적당한온도로 conditioning (10 12 시간 ) 한계온도 -30 도 (1~2 시간 ) 50 도 (1~2 시간 ) 2-3 도 / 분 Column Conditioning Column conditioning is essential like idling for car!
Detector
Detector Detector 의종류 TCD: Thermal Conductivity Detector FID : Flame Ionization Detector ECD: Electron Capture Detector NPD: Nitrogen Phosphorous Detector FPD: Flame Photometric Detector MSD: Mass Selective Detector 검출기 (Detector) 컬럼으로부터분리된단일화합물을검출하여전기적인신호로변화시키는부분.
TCD(Thermal Thermal conductivity Detector) 운반기체 운반기체 + 시료성분 TCD (Thermal Conductivity Detector) : 열전도도검출기 - 원리 : 이동상 Gas 와시료의열전도도차이를측정한다. - 구조 : 단일필라멘트 Cell Volume : 3.5 μl -Sensitivity: 주로사용되는검출기중가장낮다. - Selectivity : 모든화합물검출이가능한일반적인 (Universal) 검출기 - 시료가파괴되지않는비파괴성검출기이다. - 운반기체 ; He : 큰열전도도와불활성을지녀가장일반적으로사용하는 gas ; H 2 : 감도는높으나사용상주의를요한다. ; N 2 : H 2 분석시사용한다. TCD 사용방법 - 검출기가켜진상태에서이동상가스의공급이중단되면필라멘트가영구히손상된다. 때문에검출기를켜기전, 항상 Ref. 및이동상가스의공급여부를확인한다. - 필라멘트가산소에노출시산화되므로주의한다. - 산이나할로겐화합물과같은활성물질도필라멘트를손상시킨다. - 온도가낮아야기되는시료의농축은검출기 Cell을오염시킨다. - 오염원들은 Thermal Conditioning으로제거한다.
TCD pneumatics (EPC) 각라인은압력센서와 restrictor 로조절되는 proportional valve 가있어전자적으로 flow 가조절된다. 유량설정방법 - Reference gas : 15 60 ml /min (20 ml /min) -Make-up: 5 15 ml /min (10 ml /min)
TCD pneumatics (Non-EPC) 응용분야 (Application) TCD Noble/Permanent Gases Ne, Ar, O 2, N 2, CO 정유및석유화학공정 천연가스분석 정제가스분석 2 3 4 5 1. He 2. H 2 3. O 2 4. N 2 5. Methane 6. CO 1 6 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Retention Time in Second
FID(Flame Ionization Detector) Air H2 FID (Flame Ionization Detector) : 불꽃이온화검출기 - 원리 : H 2 /Air에의해형성된불꽃에서시료가연소되면전하를띤이온이형성되며, 이온의농도에비례하여전류흐름이변화된다. - 구조 : Jet ( 컬럼의종류에따라사용되는 Jet의크기가구분 ), H 2 및 Air Inlet, FID Collector Assembly ; Packed Column 용 Jet : 0.018 inch I.D (Agilent P/N : 18710-20119) ; Capillary Column 용 Jet : 0.011 inch I.D (Agilent P/N : 19244-80560) -Sensitivity: 대부분의화합물에대해 TCD의약 10 3 배정도감도가높다. - Selectivity : H 2 /Air에의한불꽃에서태워져전하를띤이온을생성하는화합물만검출할수있는선택적인검출기 - FID에서검출되지않는성분들 : Rare Gas (H 2,Ar), N 2, NO 2, CO, CCl 4, CO 2, CS 2, O 2, H 2 O, NH 3
FID pneumatics (EPC) 유량설정방법수소의유량은점화및검출기의감도에영향을주는매우민감한요소이지만공기의유량은수소의유량보다민감도가덜하므로충분한양이면된다. 이동상가스의유량이많으면점화가제대로되지않는경우가있는데이때는수소의유량을조금증가시킨다. 일반적으로점화시사용할수있는수소및공기의유량은다음과같으며불꽃이계속유지되기위해서수소와공기의비율은 8 12% ( 주로 10% 정도 ) 를유지하는것이중요하다. -H 2 flow : 35-40ml/min (40 ml /min) - Air flow : 350-400 ml /min (450 ml /min) - Make-up gas : Capillary column 을통과한 flow 만으로는검출기의용적을다채울수없어서, 비어있는검출기의용적을채워주는역할을하는것으로유량은대략 15-25 ml /min으로설정한다. FID 사용방법 - 검출기온도 150 이상에서불꽃이점화됨 - FID 점화되지않을때 Check 사항 1H 2 & Air의유량과비율 2Jet의파손또는막힘 (H 2 Flow) 3 Ignitor 손상 4 Detector Contamination (Collector, Jet) - 컬럼에서유출되는실리카나유도체화시약등은검출기에적체되어감도를감소시킨다.
FID pneumatics (non-epc) Packed Column 의외경에따른운반기체의유속 - 1/8 inch Column (Stainless Steel Column) : 30 ml /min - 1/8 inch Column (Glass Column) : 50-60 ml /min Packed column 의경우는별도의 Make-up gas 를사용하지않는다.
응용분야 (Applications) - FID 정유및석유화학분석 (Hydrocarbon Process) Gasoline, Kerosene, SIMDIS Impurity in Solvents 화학 (Chemical/Industrial) Aromatics Alcohol 식품및향분석 Fatty Acid Methyl Esters (FAME) Wine, Fragrance 환경 Polyunclear Aromatic Hydrocarbons (PAH) FID 분석크로마토그램예시 : 1 2 3 Aromatic solvents 27 25 26 4 5 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 1819 20 24 6 21 22 23 5 10 15 20 1 heptane 8 ethylbenzene 15 m-ethyltoluene 22 diethylbenzene isomer 2 cyclohexane 9 p-xylene 16 t-butylbenzene* 23 diethylbenzene isomer 3 nonane 10 m-xylene 17 s-butylbenzene 24 n-butylbenzene 4 benzene 11 cumene 18 styrene 25 a-methylstyrene 5 toluene 12 o-xylene 19 tridecane 26 phenylacetylene 6 1,4-dioxane 13 propylbenzene 20 psuedocumene 27 durene 7 undecane 14 p-ethyltoluene 21 cyclohexanone
ECD(Electron Capture Detector) ECD (Electron Capture Detector) : 전자포획검출기 - 원리 - 방사선동위원소 (63 Ni) 가붕괴되어 β 입자생성 (High Energy) - β 입자 + 이동상 Gas Electron - CX + e - CX - + Energy - 전자포착화합물 ( 할로겐원소를포함한유기물 ) 에의하여감소된전자의흐름을측정 - Sensitivity : 가장민감한검출기로서 1 pg의적은양까지검출이가능하다. - Selectivity : Halogen 원소 (F, Cl, Br, I) 를가진화합물에대해선택성을가지고있기때문에유기염소계농약분석에주로이용된다. - 최적조건에서 ECD 분석을하기위해서는이동상가스및 Purge 가스는매우깨끗하고건조해야한다. ( 순도 99.9995 % 이상 )
ECD pneumatics (EPC) Anode gas purge는검출기의윗부분을씻어주므로써검출기의오염을최소화한다. ECD System이오염되는경우 (Signal Value > 100) - 원인 1 운반기체정화장치또는가스실린더의오염 2 컬럼 Conditioning이불충분한경우 3 검출기의오염 4 컬럼, 주입구부분의오염과 Septum Bleed 5Leak 6 Anode Insulation Leakage - 현상 : 검출기의 Dynamic range를잃어버리고, Output Signal에 Noise가심함 - Thermal Conditioning을여러시간동안실시한다. (Detector temp. : 300 350 ) ECD 사용시주의사항 - 고순도용운반기체를사용한다. ( 만약수분이나 O 2 등의오염물이함유되어있는경우에는감도나직선성범위를잃는경우가있다.) - 반드시분석하기전컬럼 Conditioning 을충분히하고사용한다. - 가스실린더에서 GC 본체로연결하는 Tubing 사이에반드시 Conditioning 된 Moisture Trap 과 Oxygen Trap을장착한다.
ECD pneumatics (non-epc) 마이크로전자포획검출기 (µ-ecd) 1.5 ml Anode Detection Zone Capillary Column 150 µl Anode Detection Zone Fused Silica Insert Capillary Column Micro-ECD 의특징 1/10 크기 : 캐필러리컬럼을이용한분석에보다적합하도록 cell 크기를 10 배줄였음 숨겨진 Anode : 전류를측정하는 anode가 cell 밖으로숨겨져있어시료에의한오염확률이적음 Capillary column insert : 비활성시료경로및균일한혼합으로검출효율향상 Linearity algorithm : 검출감응의직선성범위향상 < 일반 ECD> < 마이크로 ECD>
응용분야 (Application) - ECD 환경시료 유기염소계농약 PCBs Phthalates 휘발성할로겐화합물 식품및향분석 잔류용매 (Trace residual solvent) 유도체화화합물
NPD(Nitrogen Phosphorous Detector) Vent Ceramic seals Interconnect spring Air Bead Collector H 2 + Makeup Jet Sensor 5890 6890 Heater NPD (Nitrogen Phosphorous Detector) : 질소인검출기 - 원리 : Thermoionic Detector 또는 Alkali Flame Detector라고도불리우는 NPD는 Active Element (Rubidium Salt로 Coating 되어있는 Alumina Cylinder) 가전기적 (NPD Bead Power) 으로가열됨으로써 H 2 와 Air에의하여불꽃을형성한다. 불꽃은 FID 보다약하여 n-hydrocarbon 이온화를최소하였으며, 유기화합물중에서특히 N,P 를함유하고있는화합물을선택적으로이온화시켜이때변화하는전류가측정되어진다. -구조: FID와유사하게 Collector 와 Jet를가지고있다. - Sensitivity ; N을함유하고있는유기화합물 : 0.4 10 pg ; P를함유하고있는유기화합물 : 0.1 1 pg - Selectivity : 질소와인을포함한성분만선택적으로이온화하며유기인계농약류분석에많이응용한다.
NPD pneumatics (EPC) NPD 사용방법 - Detector Gas ; H2 flow : 3 ml /min (Max. flow : 5 ml /min) ; Air flow : 60 ml /min - 설정온도 : 250 이상 - Adjust offset : 30-60 pa - Alkali salt 수명연장, 감도향상, EPC Module 오염방지키위하여반드시 Gas Purification System 장착 NPD의 Active Element를전기적으로가열해주는장치 - Electrical Power (or Mechanical Counter, NPD Bead Power) NPD Bead Power - Agilent 5890 GC Operation Power Range : 400 900 - Agilent 6890 GC Operation Bead Voltage Range : 0 4.095 Alkali salt(bead) 의수명을연장하려면? - 분리가능한한도내에서, Adjust offset 낮게설정 -시료정제후사용 - 장기간사용중단시검출기의위 아래를 Capping - 검출기에수분존재시에는 Thermal Cleaning 한다.
NPD pneumatics (non-epc) New bead Installed NPD Bead Contaminated NPD
여러가지 Detector 의특징 Type 검출화합물 Sensitivity Range 직선범위 운반기체 FID S H 2 /Air 불꽃에서이온화되는유기화합물 10-100 pg 10 ppb - 99% 10(*7) He or N 2 Make up (H 2, Air) TCD U 운반기체와열전도도차이가있는유기화합물 5 100 ng 10 ppm 100% 10(*6) He (H 2 분석시 N 2 ) μ-ecd S 전자포획원자를포함한유기화합물 0.008 4000 pg 8 ppt 1% 10(*4) N 2 NPD S N, P 포함유기화합물 0.1 10 pg 10 ppb 100 ppm 10(*4) He Make up (H 2, Air) FPD (394 nm) S * S 포함유기화합물 10 100 pg 10 ppb 100 ppm 10(*3) He or N 2 Make up (H 2, Air) FPD (526 nm) S * P 포함유기화합물 1-10 pg 1 ppb 0.1% 10(*3) He or N 2 Make up (H 2, Air) AED U 거의모든유기화합물 ( 원소별검출 ) 0.1 20 pg/sec ( 검출원소별에따라 ) 10(*4) He or N 2 Reagent gases Detector의특성 - 감응 (Response) : 시료에의해생겨나는신호 - 감도 (Sensitivity) : 시료의양과감응데이터를 plot 하여나타나는직선기울기 - 선택성 (Selectivity) : 검출기가응답할수있는화합물의범주 ; Universal : 컬럼으로부터분리되어나오는거의모든화합물을검출 ; Selective : 특정원소, 화합물의구조및반응그룹등에의해검출 - 직선성범위 (Linera Range) : 시료의무게 ( 농도 ) vs 감응이직선을이루는범위 - 검출기가정량적으로반응하지않는원인 ; 검출기가작동되는물리적인원리가본래비직선성임 ; 시료의농도가너무커서검출기가포화된경우 - 감응인자 (Response Factor) ; 시료무게당피크의면적 ; 모든농도범위에서일정값이되지는않는다.
검출기별감도비교 TCD FID μ-ecd ECD NPD (N) NPD (P) FPD (S) FPD (P) AED SCD 10-15 10-12 10-9 10-6 10-3 grams fg pg ng µg mg 1 ppt 1 ppb 1 ppm 0.1% 100%