가스 크로마토그래피(GC) 분석 방법

가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)

가스 크로마토그래피는 GC라고 불리며 화학물질을 분석할 때 사용하는 가장 보편적인 실험 기기입니다. 가스크로마토그래피는 대부분의 실험실에서 보유하고 있으며 상(phase) 분리를 통해서 시료 내에 포함되어 있는 물질을 개별적으로 분리할 수 있는 장비입니다. 오늘은 가스크로마토그래피의 원리와 장치에 대해서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

가스크로마토그래피

 

1. 가스크로마토그래피 GC의 원리

GC는 복합 성분의 시료가 이동상에 의해 이동하면서 칼럼(column)의 고정상과의 상호 물리 및 화학적 작용에 의해서 각각의 단일 성분으로 분리되는 원리를 가진 분석 장비입니다. 쉽게 생각하면 칼럼에 들어있는 고정상에는 서로 크기가 다른 홈이 존재합니다. 시료는 이동상과 함께 칼럼을 통과하면서 입자와 화학적 흡작수준에 따라서 성분이 분리되는 것입니다. 

 

가스크로마토그래피(GC) 원리

 

GC 분석을 하기 위해서는 최소한 고정상과 이동상이 존재해야 하며 성분에 따른 칼럼과 이동상을 선택해야 합니다. 그러기 위해서는 대략적인 시료의 성분에 대해서 알아야 합니다. 정보가 없이 성분을 분석하려면 많은 실험이 필요하기 때문에 논문을 참고해서 진행하시는 것이 가장 좋은 방법입니다.

 

 

2. 시료의 분석

우선 고정상을 가득 채운 칼럼에 시료를 주입하면 운반 기체에 의해서 칼럼을 통해 운반됩니다. 이때 칼럼 내부에서는 각 성분들의 분배 계수에 의한 고정상과 유체상 태인 이동상에 의해 나누어지고 각 성분들은 칼럼을 통해서 이동하는 속도의 차이가 발생합니다. 그래서 각 성분들이 검출기에 도달하는 시간에 따라서 분리가 가능합니다.

 

칼럼의 종류

 

3. GC의 종류

GC는 대표적으로 GLC(Gas-Liquid Chromatography)와 GSC(Gas-Solid Chromatography)로 구분됩니다. GLC는 불활성인 고체 지지체에 얇은 막으로 입혀진 액체를 고정상으로 사용하고 다양한 액체상을 적용할 수 있기 때문에 GSC보다 광범위하게 사용되고 있습니다. 

 

 

GSC는 고체 상태의 다공성 물질을 고정상으로 사용합니다. 예를 들면 실리카겔이나 숯, 분자체 및 다공성 고분자가 GSC의 고정상으로 활용될 수 있습니다. 

 

가스크로마토그래피(GC) 장비

 

4. GC의 용도

GC는 매우 광범위하게 사용되는 분석기기입니다. 혼합물 및 유기화합물을 분석하거나 각종 제품의 품질관리 등이 필요한 곳에서 사용되고 혼합물 중의 성분을 분석하는 정성분석과 혼합물의 혼합 비율을 분석할 수 있는 정량분석도 가능합니다. 이러한 장점으로 많은 실험실에서는 GC를 가장 기본적인 장비로 활용하고 있습니다.

 

5. 운반 기체 (Carrier Gas)

GC에 사용되는 운반 기체는 몇 가지 조건이 필요합니다. 시료나 고정상과 화학적으로 비활성이 여야하고 칼럼 내에서 시료 분자의 확산을 최소화할 수 있어야 합니다. 또한 사용 중인 검출기의 종류에 적합하고 순수하고 건조된 기체여야 합니다. 대표적인 운반 기체는 수소와 헬륨, 질소, 아르곤 등이 있습니다.

 

 

6. 검출기의 종류

GC는 검출기의 종류가 상당히 다양합니다. 검출기는 분석하고자 하는 시료의 종류와 농도 등 특성에 따라서 사용해야 합니다. 검출기에 따라서 측정이 가능한 화학물질이 다르기 때문에 시료의 특성을 잘 고려해서 검출기를 사용해야 합니다. 대표적인 검출기는 TCD(Thermal Conductivity Detector)가 있고 운반 기체와 열전도도 차이가 있는 화합물을 분석할 때 주로 사용합니다. 검출기의 종류와 특성은 아래 내용을 참고해보시길 바랍니다.

 

• TCD(Thermal Conductivity Detector) : 운반 기체와 열전도도 차이가 있는 화합물
• FID(Flame Ionization Detector) : Air/수소 불꽃에서 이온화되는 화합물
• ECD(Electron Capture Detector) : 전자 포착 원자를 포함한 화합물
• FTD(Flame Thermoionic Detector) : 인과 질소를 포함한 화합물
• FPD(Flame Photometry Detecotor) : 황과 인을 포함한 화합물
• HID(Helium Ionization Detecotor) : 무기 기체를 포함한 화합물

 

실험실마다 보유하고 있는 검출기의 종류가 다르기 때문에 분석을 원하는 물질의 대략적인 구성요소를 알고 있는 것이 중요합니다. 분석하고자 하는 물질의 정보가 없다면 의미 없는 실험이 될 수 있고 시료에 따라서 칼럼에 강하게 흡착되어 칼럼이 고장 나는 경우도 많이 발생합니다. 이러한 문제점을 사전에 예방하기 위해서는 다른 분석을 통해서 시료의 대략적인 구성을 파악하는 것이 가장 중요합니다.

 

 

오늘은 가스크로마토그래피에 대해서 알아보았습니다. 가스크로마토그래피는 분석기기를 배울 때 가장 먼저 배우는 장비이고 가장 많이 사용합니다. 기초적인 원리와 사용방법에 대해서 습득한 후에 장비를 직접 다뤄보는 것이 중요합니다. 실제 이론을 알고 장비를 작동하는 것과 모르고 작동하는 것은 결과를 해석하는 능력에도 큰 영향을 미치기 때문입니다.