Exploring Chemical Analysis
Fourth Edition
Chapter 22:
Gas and Liquid Chromatography
Daniel C. Harris
22장 기체, 액체 크로마토그래피
질량 분석계의 입구에 대해 약 5 kV의 전위차가 적용되는 모세관으로부터 액 체의 전기분무
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22-1 기체 크로마토그래피
그림 22-1. 기체크로마토그래피의 개략도
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• 기체 (또는 휘발성 액체) 시료 → 고무마개 (septum) → 가열된 주입구 (injector port)
→ 시료의 증발 → 칼럼 → 검출기
– 오븐 (3) : 기체 상태 유지
칼럼 (column)
그림 22-2 기벽코팅, 지지체-코팅, 다공성-층 칼럼의 단면도. 현미경 사진은 용융 실리카 열린관 칼럼 내부의 다공성 탄소 정지상을 보여 준다.
• 열린관 칼럼 (open tubular column)
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• 열린관 칼럼
– 정지상 : 내벽에 코팅된 액체 또는 고체 – 용융 실리카 (SiO
2)로 제작
– 꼬리끌기 (tailing) : 정지상이 벗겨져서 실리카 표면의 Si-O-H가 노출되어 극성 화합물들을 강하게 붙드는 경우 발생
– Bleeding : 높은 온도에서 정지상이 칼럼에서
빠져 나오는 현상
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그림 22-3 70 oC에서 0.32 mm (직경) x 30 m (길이)의 열린관 칼럼에 1μm 두께로
분리에 미치는 칼럼 극성의 영향-비극성 정지상
비극성 정지상 : 끓는점이 증가하는 순서로 용출
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분리에 미치는 칼럼 극성의 영향-비극성 정지상
그림 22-3 70 oC에서 0.32 mm (직경) x 30 m (길이)의 열린관 칼럼에 1μm 두께 로 입혀진 극성이 강한 polyethylene glycol 정지상에 의한 화합물의 분리
4 alkanes 3 ketones 3 alcohols
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• 고체 정지상
– 나노 크기의 동공을 갖고 있는 다공성 탄소, 분자 체 (molecular sieve)
– H
2, O
2, N
2, CO
2, CH
4와 같은 작은 분자들의 분리
그림 22-2 용융 실리카 열린 관 칼럼 내부의 다공성 탄소 정지상을 보여 준다.
그림 22-5 5A 분자체를 정지상으로 이용한 GC. 위의 크로마토그램은 40 0C에서 3.2 mm (직경) x 4.6 m (길이)의 충전 칼럼을 이용하여 각 성분의 농도가 1 ppm인 시료 1 mL를 주입하여 얻었고, 아래의 크로마토그램은 30 oC에서 0.32 mm (직경) x 30 m (길 이)의 열린관 칼럼에 같은 농도의 시료 4 μL를 주입하여 얻었다.
분리도 vs. 시료의 양 14
• 보호 칼럼 (guard column)
– 칼럼 앞에 위치, 5~10 m 길이
– 정지상은 없고 내부 벽은 silanized : 용질의 머무름 최소화
• 실란화 : 극성 –OH → 비극성 –OSi(CH
3)
3, 꼬리끌 기 제거
– 비휘발성 화합물이 칼럼에 유입되는 것 방지
• 온도 프로그래밍 (temperature programming) – 칼럼의 온도 증가 → 용질의 증기압 증가 →
머무름 시간 감소
– 넓은 범위의 끓는점과 극성을 갖는 물질의 분 리 → 온도 프로그래밍 이용
그림 22-6 비극성 정지상인 충전 칼럼에서 선형 알케인을 포함하는 각 시료들의 (a) 등온과 (b) 온도 프로그래밍 크로마토그래피의 비교. 검출기의 감도는 (a)가 (b)보다 16배 높다.
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운반 기체
• 용질의 확산 속도 가 N 2 에서보다 He, H 2 에서 더 빠르기 때문
그림 21-9. 중간 정도의 흐름 속도에서 가능한 최적 분리도. 이동상으로
N2, He 혹은 H2를 사용하고 175 ℃에서 측정한 n-C17H36의 기체크로마토 그래피에서 얻은 단높이의 곡선.
시료 주입 (X)
그림 22-7 열린관 칼럼 안으로 주입하는 (a) 분할 주입, (b) 비분할 주입, (c) 칼럼내 주입장치.
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GC 검출기
• 불꽃 이온화 검출기 (flame ionization detector)
• 열전도도 검출기 (thermal conductivity)
• 전자 포착 검출기 (electron capture detector)
그림 22-8. 불꽃 이온화 검출기
불꽃 이온화 검출기 (flame ionization detector)
• 시료 중의 탄소 원 자 → 수소와 공기 혼합물에 의해 연소
→ CHO
+이온 생성
→ 음극으로 이동 → 전류 발생
• 전류 ∝ 농도
• O
2, CO
2, H
2O, NH
3에 대해 무감응
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그림 22-9. 열전도도 검출기
열전도도 검출기 (thermal conductivity)
• 운반기체 : H
2, He → 열전도도 우수
• 운반기체 + 시료 → 열전도도 감소 → 필 라멘트의 온도 증가
→ 저항 증가 → 전압 증가 ∝ 농도
• 운반기체를 제외한 모
든 기체에 감응
전자 포착 검출기 (electron capture detector)
• 63 Ni → β - (높은 에너지의 전자)
• β - + N 2 → N 2 + + 2e - (양극으로 이동)
• 전자 친화도가 큰 분자 (halogen containing)
+ e - → 전자의 일부를 포획 → 전류 감소
• 전류의 감소 ∝ 시료의 농도
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James Ephraim Lovelock (1919 ~ )
• Lovelock invented the electron capture detector, which ultimately assisted in discoveries about the persistence of CFCs and their role in stratospheric ozone depletion.
• Lovelock was the first to detect the widespread presence of CFCs in the atmosphere. He found a concentration of 60 parts per trillion of CFC-11 over Ireland
• He found the gas in each of the 50 air samples
that he collected but, not realising that the
breakdown of CFCs in the stratosphere would
release chlorine that posed a threat to the
ozone layer, concluded that the level of CFCs
• The damage caused to the ozone layer by the photolysis of CFCs was later discovered by Sherwood Rowland and Mario Molina. After hearing a lecture on the subject of Lovelock's results, they embarked on research that resulted in the first published paper that suggested a link between stratospheric CFCs and ozone depletion in 1974, and later shared the 1995 Nobel Prize in Chemistry (with Paul Crutzen) for their work.
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• O 3 의 분해
2 3
2 2 3
2 3
2 2
2
O 3 2O
: net
O Cl
ClO (4)O
O O
(3)O
O ClO
O (2)Cl
Cl CClF
F (1)CCl
hv
hv
1987년 분광법으로 측정한 남 극 성층권에서의 O3와 ClO의 농도. ClO가 증가하는 위도에서 O3 의 감소는 오존의 분해과정 과 잘 일치하고 있다.
The Nobel Prize in Chemistry 1995 was awarded jointly to Paul J. Crutzen, Mario J. Molina and F. Sherwood Rowland
"for their work in atmospheric chemistry, particularly concerning the formation and decomposition of ozone".
Paul J. Crutzen Mario J. Molina F. Sherwood Rowland
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22-2 고전 액체 크로마토그래피
• 고전 LC (vs. HPLC)
– 정지상이 들어있는 열린 칼럼
– 중력을 이용하여 시료와 용리액 주입
• HPLC
– 고압, 밀폐된 칼럼, 펌프 이용
그림 21-1. 크로마토그래피 분리. 용질 A는 용질 B보다 정지상에 대한 친화 력이 더 크다. 그래서 A는 B보다 칼럼에 더 오래 머문다. 크로마토그래피란 용어는 1903년에 M. Tswett의 실험으로부터 유래되었는데 그는 고체 CaCO3 (정지상)로 채워진 칼럼과 탄화수소 용매 (이동상)로 식물의 색소를 분리했다. 색깔을 띤 띠들의 분리이기 때문에 “색”이라는 뜻을 가진 그리스 어의 크로마토스 (chromatos)로 부터 크로마토그래피란 이름이 유래되었다. 28
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정지상-흡착 크로마토그래피
• 실리카 (silica, SiO 2 ∙ xH 2 O)
• 알루미나 (alumina, Al 2 O 3 ∙ xH 2 O)
• 슬러리 형태로 칼럼에 충전
용매-흡착 크로마토그래피
• 정지상의 흡착 자리에 대해 용질과 경쟁
• 용리 : 용질을 용매로 치환시키는 것
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Figure 22-12 Solvent
molecules compete with solute molecules for binding sites on the stationary phase.The
more strongly the
solvent binds to the
stationary phase, the
greater the eluent
strength of the solvent.
• 용리 서열 (eluotropic series)
– 용질을 치환시킬 수 있는 용매의 능력 – 펜테인 : 0
– 용매의 극성 증가 → 용리액 세기증가 → 용질 의 머무름 시간 감소 (더 빨리 용리)
• 기울기 용리
– 낮은 세기의 용매 (약하게 흡착한 용질 용리)
→ 용리액 세기 증가 → 강하게 흡착된 용질
용리
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22-3 고성능 액체 크로마토그래피
• High-Performance Liquid Chromatography (HPLC) – 높은 압력, 마이크로 크기 입자로 충전된 칼럼
Figure 22-13 Typical laboratory equipment for HPLC.
• 칼럼
– 직경 1~5 mm, 길이 5~30 ㎝, 5만~10만 단/m – 정지상의 입자 크기 감소 → 분리도 증가
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Figure 22-15 (a and b) Chromatograms of the same sample run at the same linear velocity on 5.0 cm-long columns packed with C18-silica of different particle size. (c) A stronger solvent
was used to elute solutes more
rapidly from the column in panel b.정지상
• 정상 (normal-phase) 크로마토그래피
– 극성 정지상 + 비극성 용매
– 극성 용매를 더할수록 용리액 세기 증가
• 역상 (reverse-phase) 크로마토그래피
– 비극성 (약한) 극성 정지상 + 극성 용매
– 비극성이 증가할수록 용리액 세기 증가
– 분리성능 증가, 꼬리끌기 제거
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?
? ?
A>B>C or C>B>A?
Low? High?
Low? High?
• 지지체 (stationary phase support)
– 1.5~10 ㎛의 미세 다공성 실리카 입자
• 흡착 크로마토그래피
– 용질은 실리카 입자 표면에 흡착
• 액체-액체 분배 크로마토그래피
– 실리카 표면의 silanol group에 공유 결합된 결합 정지상에서 분배
– 가장 일반적 칼럼 : octadecyl (C18) 칼럼
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Bonded polar phases Bonded nonpolar phases R=(CH2)3NH2 amino R=(CH2)17CH3 octadecyl R=(CH2)3C≡N cyano R=(CH2)7CH3 octyl
R=(CH2)2OCH2CH(OH)CH2OH diol R=(CH2)3C6H5 phenyl
• 광학 이성질체 (optical isomers)
– 거울상을 가지고 있는 화합물
– 광학 이성질체 정지상을 이용하여 분리
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Figure 22-17 (a) HPLC separation of the two optical isomers (mirror image isomers) of the drug Naproxen eluted with 0.05 M ammonium acetate in methanol. Naproxen is the active ingredient of the anti-inflammatory drug Aleve®. (b) Structure of the bonded stationary phase.
칼럼
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Figure 22-18 HPLC column with
replaceable guard
column to collect irreversibly
adsorbed impurities. Titanium frits distribute the liquid evenly over the diameter of the column.Figure 22-19 Injection valve for HPLC. Replaceable sample loop comes in various fixed-volume sizes
용매
• 등용매 용리 (isocratic elution)
– 한가지 용매나 균일 용매 혼합물로 용리
• 기울기 용리 (gradient elution)
– 용리액의 세기 증가
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Figure 22-20 Isocratic HPLC separation of a mixture of aromatic compounds at 1.0 mL/min on a 0.46 x 25 ㎝ Hypersil ODS column (C18 on 5-㎛ silica) at ambient temperature (~22 oC): (1) benzyl alcohol ~ (8) o-methoxybiphenyl. Eluent consisted of aqueous buffer (designated A) and acetonitrile (designated B). The notation
“90% B” in the first chromatogram means 10 vol% A and 90 vol% B. The buffer contained 25 mM KH2PO4 plus 0.1 g/L sodium azide adjusted to pH 3.5 with HCl.
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Figure 22-21
Gradient elution of the same mixture of aromatic compounds shown in Figure 22-20 with the same column, flow rate, and solvent. The upper trace is the segment gradient profile, as named because it is divided into several different segments.Figure 22-21
Gradient elution of the same mixture of aromatic compounds shown in Figure 22-20 with the same column, flow rate, and solvent.Figure 22-21
Gradient elution of the same mixture of aromatic compounds shown in Figure 22-20 with the same column, flow rate, and solvent.Figure 22-22 Light path in a micro flow cell of a spectrophotometric detector. Cells are available with a 0.5- ㎝ pathlength containing only 10 μL of liquid.
검출기
• 자외선 검출기 (UV detector)
– 수은 램프의 254 nm 이용
– 자외선을 흡수하는 물질의 분석에만 사용 가능
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• 굴절률 검출기 (refractive index detector)
– 모든 용질에 감응, UV 검출기보다 높은 검출 한계
– 용매를 바꾸면 바탕선이 변하므로 기울기 용 리에는 사용 불가
– 용질과 용매의 굴절률이 다르므로 용출액에
의한 빛의 굴절을 측정
• 기화 빛-산란 검출기 (evaporative light scattering detector)
– 용출액의 증발 → 미립자의 에어로솔 → 빛의 산란
• 전기화학 검출기 (electrochemical detector)
– 용출액이 지나가는 전극에서 산화나 환원이 될 수 있는 물질에 감응
The End
