가스크로마토그래피법( Gas Chromatography ) 원리 및 적용범위

가스크로마토그래피법( Gas Chromatography ) 원리 및 적용범위

이 법은 적당한 방법으로 전처리한 시료를 운반가스( Carrier Gas )에 의하여 크로마토 관내에 전개시켜 분리되는 각 성분의 크로마토그램을 이용하여 목적성분을 분석하는 방법으로 일반적으로 유기화합물에 대한 정성( 定性 ) 및 정량( 定量 )분석에 이용한다.

 

2. 일반사항 

이 시험조작에 있어 화학분석에 공통적인 일반사항은 제 1항 총칙에 따른다. 

 

3. 개 요

 

3.1 이 법에서 충전물( 充塡物 )로서 흡착성 고체분말을 사용할 경우에는 기체- 고체크로마토그래프, 적당한 담체( Solid Support )에 정지상(stationary phase) 액체를 함침( 含侵 )시킨 것을 사용할 경우에는 기체-액체 크로마토그래피법이라 한다. 

 

3.2 일정유량으로 유지되는 운반가스( Carrier Gas )는 시료주입부로부터 분리관내를 흘러서 검출기를 통하여 외부로 방출된다.

이때, 시료주입부, 분리관, 검출기 등은 필요한 온도를 유지해 주어야 한다.

 

3.3 시료주입부로부터 기체, 액체 또는 고체시료를 도입하면 기체는 그대로, 액체나 고체는 가열기화( 加熱氣化 )되어 운반가스에 의하여 분리관내로 송입되고 시료중의 각 성분은 충전물에 대한 각각의 흡착성 또는 용해성의 차이에 따라 분리관내에서의 이동속도가 달라지기 때문에 각각 분리되어 분리관 출구에 접속된 검출기를 차례로 통과하게 된다.

 

3.4 검출기에는 원리에 따라 여러가지가 있으며 성분의 양과 일정한 관계가 있는 전기신호( 電氣信號 )로 변환시켜 기록계( 또는 다른 데이터 처리장치 )에 보내져서 분리된 각 성분에 대응하는 일련의 곡선 봉우리가 되는 크로마토그램( Chromatogram )을 얻게 된다.

3.5 실제로 어떤 조건에서 시료를 분리관에 도입시킨 후 그 중의 어떤 성분이 검출되어 기록지 상에 봉우리로 나타날 때까지의 시간을 머무름시간( Retention Time )이라 하며 이 머무름시간에 운반가스의 유량을 곱한 것을 머무름용량( Retention Volume )이라 한다.

이 값은 어떤 특정한 실험조건 하에서는 그 성분물질마다 고유한 값을 나타내기 때문에 정성분석( 定性分析 )을 할 수 있으며 또 기록지에 그려진 곡선의 넓이 또는 봉우리의 높이는 시료성분량과 일정한 관계가 있기 때문에 이것에 의하여 정량분석( 定量分析 )을 할 수가 있다.

 

 

4. 장 치

 

이 장치의 기본구성은 그림 1과 같으며 이 기본구성을 복수열( 復數列 )로 조합시킨 형식이나 복수열유로( 複數列流路 )로 검출기의 신호를 서로 보상( 補償 )하는 형식도 있다.  

4.1 가스유로계

 

 

4.1.1 운반가스유로 : 운반가스유로는 유량조절부와 분리관유로로 구성된다.

⑴ 유량조절부는 분리관입구의 압력을 일정하게 유지하여 주는 압력조절밸브, 분리관내를 흐르는 가스의 유량을 일정하게 유지하여 주는 유량조절기등으로 구성되며 필요에 따라 유량계가 첨부되어야 한다.

유량조절기를 갖는 장치는 유량조절기의 일차측 압력을 일정하게 유지해 주어야하며 배관의 재료는 내면이 깨끗한 금속이어야 한다.

⑵ 분리관유로는 시료주입부, 분리관, 검출기기배관으로 구성된다.

배관의 재료는 스테인레스강( Stainless Steel )이나 유리 등 부식에 대한 저항이 큰 것이어야 한다.

 

 

4.1.2 연소용 가스, 기타 필요한 가스의 유로

이온화검출기가 다른 검출기를 사용할 때 필요한 연소용가스, 청소가스( Scavenge Gas ) 기타 필요한 가스의 유로는 각각 전용조절기구가 갖추어져야 하고 필요에 따라 압력계 또는 유량계가 첨부되어야 한다. 배관의 재료는 4.1.1⑴ 과 같다.

 

 

4.2 시료주입부

 

 

4.2.1 주사기를 사용하는 시료주입부는 실리콘고무와 같은 내열성 탄성체격막이 있는 시료 기화실로서 분리관온도와 동일하거나 또는 그 이상의 온도를 유지할 수 있는 가열기구가 갖추어져야 하고, 필요하면 온도조절기구, 온도측정기구 등이 있어야 한다.

4.2.2 가스시료 주입부는 가스계량관( 통상 0.5～5 ㎖ )과 유로변환기구로 구성된다.

4.3 가열오븐( Heating Oven )

4.3.1 분리관오븐( Column Oven ) : 분리관오븐은 내부용적이 분석에 필요한 길이의 분리관을 수용할 수 있는 크기이어야 하며 임의의 일정온도를 유지할 수 있는 가열기구, 온도조절기구, 온도측정기구 등으로 구성된다.

온도조절 정밀도는 ±0.5 ℃의 범위이내 전원 전압변동 10 ％에 대하여 온도변화 ±0.5 ℃범위이내( 오븐의 온도가 150 ℃ 부근일 때 )이어야 한다.

또 승온( 昇溫 ) 가스크로마토그래프에서는 승온기구 및 냉각기구를 부가한다. 단, 정온( 定溫 ) 가스크로마토그래프에서는 분리관오븐에 검출기를 장치한 것도 무방하지만 이때에는 다음 4.3.2 의 조건에 만족해야 한다.

4.3.2 검출기오븐( Detector Oven )

검출기오븐은 검출기를 한개 또는 여러개 수용( 收容 )할 수 있고 분리관 오븐과 동일하거나 그 이상의 온도를 유지할 수 있는 가열기구, 온도조절기구 및 온도측정기구를 갖추어야 한다.

방사성 동위원소를 사용하는 검출기를 수용하는 검출기 오븐에 대하여는 온도조절기구와는 별도로 독립작동할 수 있는 과열방지기구를 설치해야 한다. 가스를 연소시키는 검출기를 수용하는 검출기 오븐은 그 가스가 오븐내에 오래 체류하지 않도록 된 구조이어야 한다.

 

4.4 검출기( Detector )

가스크로마토 그래프 분석에 사용하는 검출기는 각각 그 목적에 따라 다음과 같은 것을 사용한다.

 

4.4.1 열전도도 검출기( Thermal Conductivity Detector, TCD ) : 열전도도 검출기는 금속 필라멘트( Filament ) 또는 전기저항체( Thermister )를 검출소자( 檢出素子 )로 하여 금속판( Block )안에 들어 있는 본체와 여기에 안정된 직류전기를 공급하는 전원회로, 저류조절부, 신호검출 전기회로, 신호 감쇄부 등으로 구성한다.

 

4.4.2 불꽃이온화 검출기( Flame Ionization Detector, FID ) : 불꽃이온화 검출기는 수소연소노즐( Nozzle ), 이온수집기( Ion Collector )와 함께 대극( 對極 ) 및 배기구( 排氣口 )로 구성되는 본체와 이 전극 사이에 직류전압을 주어 흐르는 이온전류를 측정하기 위한 전류전압 변환회로, 감도조절부, 신호감쇄부 등으로 구성한다.

 

4.4.3 전자포획형 검출기( Electron Capture Detector, ECD ) : 전자포획형 검출기는 방사선 동위원소( 63Ni, 3H 등 )로 부터 방출되는 β선이 운반가스를 전리하여 미소전류를 흘려보낼 때 시료중의 할로겐이나 산소와 같이 전자포획력이 강한 화합물에 의하여 전자가 포획되어 전류가 감소하는 것을 이용하는 방법으로 유기할로겐화합물, 니트로화합물 및 유기금속화합물을 선택적으로 검출할 수 있다.

 

4.4.4. 불꽃광도형 검출기( Flame Photometric Detector, FPD ) : 불꽃광도형 검출기는 수소염에 의하여 시료성분을 연소시키고 이때 발생하는 불꽃의 광도를 분광학적으로 측정하는 방법으로서 인 또는 황화합물을 선택적으로 검출할 수 있다.

 

4.4.5 불꽃열이온화 검출기( Flame Thermionic Detector, FTD ) : 불꽃열이온화 검출기는 불꽃이온화검출기( FID )에 알칼리 또는 알칼리토류 금속염의 튜브를 부착한 것으로 유기질소 화합물 및 유기염소 화합물을 선택적으로 검출할 수 있다. 운반가스와 수소가스의 혼합부, 조연가스 공급구, 연소노즐, 알칼리원 가열기구, 전극 등으로 구성한다.

 

4.5 기록계( Recorder )

기록계는 스트립 차아트( Strip Chart )식 자동평형 기록계로 스팬( Span ) 전압 1 ㎷, 팬응답시간( Pen Response Time ) 2 초 이내, 기록지 이동속도( Chart Speed )는 10 ㎜/분을 포함한 다단변속( 多段變速 )이 가능한 것이어야 한다.

 

4.6 감도조정부( 感度調整部 )

이 장치는 크로마토그램의 감도보정이 가능하고 아래의 요소들을 쉽게 설정, 판독 또는 측정할 수 있는 것이어야 한다. 

4.6.1 열전도도 검출기( TCD )에서는 필라멘트 전류, 기록계, 스팬전압, 운반 기체유량, 기록지 이동속도 

4.6.2 불꽃이온화 검출기( FID )에서는 직렬고저항치( 直列高抵抗値 ), 기록계 스팬전압 또는 기록계 전체눈금에 대한 이온전류치, 기록지 이동속도 

4.6.3 기타 검출기에서는 기록계 스팬전압, 기록지 이동속도 및 검출기원리에 따른 특정의 값 

 

 

 

5. 운반가스( Carrier Gas ) 종류

 

5.1 운반가스

운반가스는 충전물이나 시료에 대하여 불활성( 不活性 )이고 사용하는 검출기의 작동에 적합한 것을 사용한다. 일반적으로 열전도도형 검출기( TCD )에서는 순도 99.9 ％이상의 수소나 헬륨을, 불꽃이온화 검출기( FID )에서는 순도 99.9 ％이상의 질소 또는 헬륨을 사용하며 기타 검출기에서는 각각 규정하는 가스를 사용한다. 단, 전자포획형 검출기( ECD )의 경우에는 순도 99.99 ％이상의 질소 또는 헬륨을 사용하여야 한다.

 

5.2 연소가스 공기 및 청소가스

공기, 수소 기타 사용가스는 각 분석방법에서 규정하는 종류의 순도 가스를 사용한다. 

 

 

6. 분리관( Column ), 충전물질( Packing Meterial ) 및 충전방법( Packing Method ) 

 

 

6.1 분리관( Column )

분리관은 충전물질을 채운 안지름 2～7 ㎜( 모세관식 분리관을 사용할 수도 있다 )의 시료에 대하여 불활성금속, 유리 또는 합성수지판으로 각 분석방법에서 규정하는 것을 사용한다. 

 

6.2 충전물질( Packing Meterial ) 

 

6.2.1 흡착형충전물

기체-고체크로마토그래피법에서는 분리관의 안지름에 따라 다음과 같이 입도( 粒度 )가 고른 흡착성고체분말( 吸着性固體粉末 )을 사용한다.

분리관안지름( ㎜ )	흡착제 및 담체의 입경 범위( ㎛ )
3 4 5～6	149～177 ( 100～80 mesh ) 177～250 ( 80～60 ″ ) 250～590 ( 60～28 ″ )

 

여기서 사용하는 흡착성 고체분말은 실리카겔, 활성탄, 알루미나, 합성 제올라이트( Zeolite )등이며, 또한 이러한 분말에 표면처리 한 것을 각 분석방법에 규정하는 방법대로 처리하여 활성화한 것을 사용한다.

 

 

6.2.2 분배형 충전물질

기체-액체크로마토그래피법에서는 위에 표시한 입경범위에서의 적당한 담체( 擔體 )에 정지상(stationary phase) 액체( 固定狀 液體 )를 함침( 含侵 )시킨 것을 충전물로 사용한다.

⑴ 담체( Support ) : 담체는 시료 및 정지상(stationary phase)액체에 대하여 불활성인 것으로 규조토, 내화벽돌⑴, 유리, 석영, 합성수지 등을 사용하며 각 분석방법에서 전처리를 규정한 경우에는 그 방법에 따라 산처리( 酸處理 ), 알칼리처리, 실란처리( Silane Finishing )등을 한 것을 사용한다.

주 ⑴ 여기서 내화벽돌이라 함은 일반적인 내화점토( 耐火粘土 )를 사용한 것이 아니고 규조토를 주성분으로 한 내화온도 1,100 ℃정도의 단열( 斷熱 ) 벽돌을 뜻한다. 

 

⑵ 정지상(stationary phase)액체

정지상(stationary phase)액체는 가능한 한 다음의 조건을 만족시키는 것을 선택한다.

① 분석대상 성분을 완전히 분리할 수 있는 것이어야 한다.

② 사용온도에서 증기압이 낮고, 점성이 작은 것이어야 한다.

③ 화학적으로 안정된 것이어야 한다.

④ 화학성분이 일정한 것이어야 한다.

또한 이들 조건을 만족시키는 것으로서 표 1에 나타난 모양의 것이 일반적으로 널리 사용되고 있다. 이들 이외의 것으로서도 분석목적을 만족시키는 것이 있다면 사용하여도 상관없다.( 표 1참조 ) 

 

⑶ 조제방법

각 분석방법에서 규정한 담체에 지정된 농도( 무게 ％ )의 정지상(stationary phase)액체를 다음의 방법에 의하여 되도록 균일하게 함침시킨다.2)

※ 100 ㎖의 충전물을 조제하는 경우

① 약 100 ㎖의 담체를 용량 300～500 ㎖의 비커 또는 플라스크에 취하여, 담체의 무게를 1 g까지 구해 둔다. 

 

 

표 1. 일반적으로 사용하는 정지상(stationary phase)액체의 종류

종 류	물 질 명
탄 화 수 소 계	헥사데칸 스쿠아란(Squalane) 진공용 그리스
실 리 콘 계	메틸실리콘 페닐실리콘 시아노실리콘 불화규소
폴 리 글 리 콜 계	폴리에틸렌글리콜 메톡시폴리에틸렌글리콜
에 스 테 르 계	이염기산디에스테르
폴 리 에 스 테 르 계	이염기산폴리글리콜디에스테르
폴 리 아 미 드 계	폴리아미드수지
에 테 르 계	폴리페닐에테르
기 타	인산트리크레실 디에틸포름아미드 디메틸슬포란

 

 

② 따로 지정된 무게 ％가 되도록 정지상(stationary phase) 액체를 비커에 0.1 g까지 달아 넣고 담체와 거의 같은 부피의 지정된 유기용매를 가하여 용해시킨다.

③ ①에서 취한 담체에 ②에서 조제한 정지상(stationary phase) 액체용액을 한꺼번에 가하여 함침시켜, 용매의 냄새가 나지 않을 때까지 저어가며 공기를 통하여 건조시킨다. 필요한 경우에는 체로 쳐서 지정입도로 맞춘다.

주⑵ 저농도 정지상(stationary phase) 액체 충전물의 조제는 여과법을 사용하여도 좋다. 

 

6.2.3 다공성 고분자형 충전물

 

이 물질은 디비닐 벤젠( Divinyl Benzene )을 가교제( Bridge Intermediate )로 스티렌계 단량체( Styrene系 單量體 )를 중합시킨 것과 같이 고분자물질을 단독 또는 정지상(stationary phase) 액체로 표면처리하여 사용한다.

 

 

6.3 충전방법

내부를 잘 씻어 말린 분리관에 미리 한쪽 끝을 유리솜( Glass Wool )으로 막고 진동을 주어 감압흡인( 減壓吸引 )하면서 충전물을 고르고 빽빽하게 채운 다음 남은 한쪽 끝을 유리솜으로 가볍게 막는다.

이 분리관은 그 충전물질의 최고 사용온도 부근에서 적어도 수시간 동안 헬륨 또는 질소를 통하여 건조한다. 이때 건조에 의하여 감소되는 만큼의 충전물을 보충하여 채우고 더 이상 감소하지 않을 때까지 이 조작을 되풀이 한다.