관 크로마토그래피란
관 크로마토그래피는 화학 물질의 혼합물을 구성 성분으로 분리하고 분석하는 기술이다. 이는 물질이 이동하는 물리적인 상태 변화를 이용하여 각 성분을 구분하는데, 분리된 성분들은 서로 다른 속도로 이동하게 된다.
관 크로마토그래피에서 사용되는 주요 구성 요소는 다음과 같다.
정지상(Stationary phase): 일반적으로 고체나 액체로 된 물질로, 크로마토그래피 칼럼 내에 채워져 있다. 이 정지상은 특정 물질에 대해 분리 효과를 발생시키는 역할을 한다.
이동상(Mobile phase): 기체 또는 액체로 된 용매로, 정지상을 통해 흐르면서 샘플을 운반한다. 이동상은 분리 과정에서 화학 물질을 용해하거나 이동시키는 역할을 한다.
크로마토그래피 칼럼(Column): 일반적으로 관 형태로 되어 있으며, 칼럼 내부에 정지상이 충전되어 있다. 샘플이 칼럼을 통과하면서 분리 과정이 진행된다.
관 크로마토그래피의 원리
플레이트 이론(Plate theory): 크로마토그래피 칼럼 내부에는 많은 작은 플레이트가 존재한다고 가정한다. 이 플레이트들은 정지상과 이동상의 상호작용에 의해 성분들이 분리되는 단계를 나타냅니다. 플레이트 수가 많을수록 분리 효과가 더 좋아집니다.
분배 평형(Distribution equilibrium): 샘플의 성분들은 이동상과 정지상 간의 분배 평형을 형성한다. 이러한 분배 평형은 성분들의 물리화학적 특성에 의해 결정된다. 분포 계수(Distribution coefficient)는 성분이 정지상과 이동상 간에 어느 정도 분배되는지를 나타내는 지표이다.
이동속도(Velocity): 샘플이 칼럼을 통과하는 동안 이동상과 정지상 간의 상호작용에 의해 각 성분은 서로 다른 속도로 이동하게 된다. 분리가 일어날 때, 상대적으로 덜 흡착된 성분은 이동상과 더 빠르게 이동하게 되고, 상대적으로 더 흡착된 성분은 더 느리게 이동하게 된다.
관 크로마토 그래 그래피에서 사용되는 정지상 종류
실리카 젤(Silica gel): 가장 일반적으로 사용되는 정지상 중 하나로, 주로 극성 화합물의 분석에 적합한다. 특히 극성 아미노산, 펩타이드, 단백질 등의 분석에 많이 사용된다.
실리카 젤을 정지상으로 만드는 과정
실리카 전구체 소재 준비: 실리카 젤을 만들기 위해 규산 전구체 소재를 준비한다. 일반적으로 이산화 규소(SiO2)를 사용하며, 시리코니움(시올린) 산염, 실리콘이트, 흡수규산액 등이 일반적으로 사용된다.
겔화: 규산 전구체 소재를 적절한 용매에 녹여서 혼합한다. 주로 수산화나트륨(NaOH) 또는 암모늄수화물(NH4 OH)을 첨가하여 용액을 알칼리성으로 만듭니다.
겔 형성: 용액을 천천히 혼합하면서 냉각시킵니다. 이로 인해 규산 전구체가 반응하여 3차원 네트워크 구조를 형성하고, 이것이 겔 형태로 변한다.
검지 및 세척: 형성된 실리카 젤 겔은 필터 등을 사용하여 분리한 후, 물로 세척하여 알칼리성 잔여물을 제거한다.
건조: 세척된 겔을 건조해 실리카 젤을 얻다. 일반적으로 공기 건조, 스프레이 드라이, 회전 증발, 플레임 드라이, 동결 건조 등의 방법을 사용하여 건조한다.
알루미나(Alumina): 주로 비극성 화합물의 분리에 사용되는 정지상이다. 알루미나는 폴리머, 아미노산, 카복시산 등을 분석하는 데에 효과적이다.
알루미나 정지상으로 만드는 과정
알루미나 전구체 소재 준비: 알루미나 젤을 제조하기 위해 알루미나 전구체 소재를 준비한다. 일반적으로는 알루미나 수화물인 알루미늄수화물(AIH3)이나 알루미늄 이옥사이드(Al2O3)를 사용한다.
알칼리처리: 알루미나 전구체를 알칼리 용액에 첨가하여 pH를 조절한다. 이 과정은 알루미나의 입체 구조를 형성하고, 불순물을 제거하며, 정지상의 표면 특성을 조절하는 역할을 한다.
겔 형성: 알루미나 전구체와 알칼리 용액을 혼합하고, 적절한 온도와 시간 동안 혼합한다. 이로써 알루미나 겔이 형성되며, 이 겔은 이후의 처리 단계에서 정지상으로 사용된다.
필터링 및 세척: 알루미나 겔을 필터링하여 불순물을 제거한 후, 청정한 물로 세척한다. 이 과정은 겔의 순도를 높이고 알칼리성 잔여물을 제거하여 정지상의 품질을 개선한다.
역상액체크로마토그래피(Reversed-phase liquid chromatography, RP-LC): 비극성 정지상으로서, 정지상 표면에 수용성 효성제를 코팅한 액체상을 사용한다. 이 방법은 화학물질의 극성에 따라 분리할 수 있는 널리 사용되는 기법 중 하나이다.
역상액체크로마토그래피를 정지상으로 만드는 과정
역상액체크로마토그래피(Reversed-phase liquid chromatography, RP-LC)에서 사용되는 정지상은 일반적으로 폴리머 수지로 만들어집니다. 역상 정지상을 만들기 위해 다음과 같은 절차를 따릅니다:
폴리머 선택: 역상 정지상을 제조하기 위해 적절한 폴리머를 선택한다. 일반적으로 폴리스티렌, 폴리스티렌 디벤질렌 공중합체 (PS-DVB), 폴리(메틸메타크릴레이트-다이벤질벤젠) 공중합체 (PMMA-DVB) 등의 폴리머가 사용된다. 폴리머는 적절한 입자 크기와 화학적 안정성을 가지고 있어야 한다.
폴리머 입자 크기 조절: 역상 정지상 제조를 위해 폴리머의 입자 크기를 조절한다. 일반적으로 3~10 μm 크기의 입자가 사용된다. 입자 크기는 분리 효율과 압력 손실 사이의 균형을 유지하기 위해 최적화되어야 한다.
폴리머 화학적 처리: 폴리머 수지를 화학적으로 처리하여 역상 정지상의 표면 특성을 조절한다. 이러한 처리는 폴리머 표면을 더 극성으로 만들어 대부분 비극성 화합물의 분리에 효과적으로 작용한다. 일반적으로 시안산 에스터, 메틸알코올, 다이메틸포름아마이드(DMF) 등의 화학 물질을 사용하여 폴리머 표면을 활성화한다.
코팅 또는 충전: 화학적 처리가 완료된 폴리머 수지를 크로마토그래피 칼럼에 코팅하거나 충전한다. 코팅은 폴리머 수지를 칼럼 표면에 얇은 층으로 적용하는 과정이다. 충전은 폴리머 수지로 이루어진 입자를 컬럼 내부에 충전시키는 과정이다. 코팅과 충전은 정지상의 표면적과 분리 효율을 조절하는 중요한 단계이다.
세척 및 가공: 제조된 역상 정지상은 세척 과정을 거쳐 불순물을 제거하고 정제된다. 세척에는 용매나 산/염기 처리가 사용될 수 있다. 이후에는 칼럼을 가공하여 원하는 크기와 형태로 조절할 수 있다. 가공 단계에서는 필요한 경우 칼럼을 절단하거나 연결하여 사용자의 요구에 맞게 조정한다.
화이트 칼라(White carbon): 비극성 정지상으로서, 주로 유기 화합물의 분석에 사용된다. 특히 페놀 화합물, 살충제, 의약품 등을 분리하는 데에 효과적이다.
화이트 칼라를 정지상으로 만드는 과정
화이트칼라는 일반적으로 실리카 젤을 기반으로 하는 정지상이다. 화이트칼라 정지상을 만들기 위한 일반적인 절차를 아래에 설명한다:
실리카 젤 제조: 화이트칼라 정지상의 핵심인 실리카 젤을 제조한다. 일반적으로 실리카 젤은 실리코클로로포름(SiCl4)과 수산화나트륨(NaOH)을 반응시켜서 제조된다. 이 반응으로 실리카 기반의 칼륨 소르베이트 또는 흡수제가 생성된다.
젤 형성: 제조된 실리카 소르베이트는 적절한 용매를 사용하여 젤 상태로 변환된다. 이 단계에서는 실리카 입자가 3D 구조로 결합하여 고체 매트릭스를 형성한다.
조직화: 젤 형성된 실리카는 조직화 과정을 거쳐 안정화된다. 이를 위해 온도와 pH를 조절하고 적절한 시간 동안 유지한다. 이 단계는 젤의 입자 크기와 크로마토그래피 특성을 제어하는 중요한 역할을 한다.
건조: 조직화된 실리카는 건조 과정을 거쳐 입자를 고체 상태로 변환시킵니다. 일반적으로 실리카 젤은 공기 중에서 건조되거나, 진공 건조기 또는 열 건조기를 사용하여 건조된다.
활성화: 건조된 실리카 젤은 활성화 과정을 거쳐 크로마토그래피에 적합한 표면 특성을 갖게 된다. 이를 위해 일반적으로 염산(HCl) 또는 아민화제를 사용하여 실리카 표면을 활성화시킵니다. 이 단계는 젤 표면의 극성을 조절하고 효율적인 분리를 도모한다.
입자 크기 선택 및 분산: 제조된 활성화된 실리카 젤은 입자 크기 선택 및 분산 단계를 거칩니다. 입자 크기는 분리 효율과 압력 손실 사이의 균형을 유지하기 위해 최적화되어야 한다. 분산은 젤 입자를 용매에 분산시켜 일정한 크기와 분포를 갖도록 하는 과정이다.
세척 및 건조: 제조된 화이트칼라 정지상은 세척 과정을 통해 불순물을 제거하고 정제된다. 일반적으로 적절한 용매를 사용하여 세척을 수행한다. 이후에는 젤을 다시 건조하여 고체 상태로 변환시킵니다.
크로마토그래피 필터(Filtration chromatography): 물질을 분리하기 위해 필터 형태로 사용되는 정지상이다. 이 방법은 큰 입자 크기 또는 큰 분자량의 화합물을 분리하는 데에 적합한다.
크로마토그래피 필터를 정지상으로 만드는 과정
정지상 선택: 크로마토그래피 필터를 제조하기 위해 적절한 정지상을 선택한다. 일반적으로 실리카 젤, 알루미나, 폴리머 등이 사용된다. 정지상은 필터링 프로세스에서 분리 및 여과 작업을 효과적으로 수행할 수 있어야 한다.
정지상 입자 크기 조절: 선택된 정지상의 입자 크기를 조절한다. 필터링 작업에 따라 적절한 입자 크기를 선택해야 한다. 일반적으로 큰 입자는 더 큰 입자나 규모가 큰 물질을 분리할 수 있지만, 입자 크기가 작을수록 더 미세한 물질을 분리할 수 있다.
정지상 혼합물 제조: 선택된 정지상을 적절한 용매에 혼합하여 정지상 혼합물을 제조한다. 이 단계에서 정지상이 용매에 효과적으로 분산되고 안정화될 수 있도록 혼합 과정을 제어해야 한다. 혼합물의 농도와 비율은 필터링 작업에 필요한 특성에 따라 조절된다.
필터링 매트릭스 제조: 정지상 혼합물을 필터링 매트릭스로 제조한다. 필터링 매트릭스는 일반적으로 폴리머 필름, 유리 섬유 등으로 제조된다. 정지상 혼합물을 매트릭스에 코팅하거나 충전하여 필터링 매트릭스를 형성한다. 코팅은 정지상을 매트릭스 표면에 얇은 층으로 적용하는 과정이며, 충전은 정지상 입자를 매트릭스 내에 충전시키는 과정이다.
필터링 매트릭스 가공: 제조된 필터링 매트릭스를 원하는 크기와 형태로 가공한다. 이 단계에서는 필터링 매트릭스를 절단하거나 다른 형태로 조절하여 사용자의 요구에 맞게 만듭니다. 필터링 매트릭스의 크기와 모양은 필터링 작업에 적합해야 한다.
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