GC 컬럼 선택 가이드

크로마토그래피(GC, LC, CE) 분석의 기본은 컬럼을 이용하여 혼합 상태의 시료를 각각의 단일 화합물로 분리(separation)하는 것으로서 시료(sample)의 상태, 분석물질의 화학적 특성에 따라 가장 적합한 컬럼을 선택하는 것이 가장 중요하다. 따라서, 본 가이드에서는 기체 크로마토그래피(GC) 분석에 사용되는 컬럼의 종류와 컬럼 선택에 있어 기본이 되는 사양의 선택 방법에 대하여 설명하고자 한다.

컬럼은 온도 제어 및 프로그램이 가능한 오븐(Oven) 안에 설치되며, 시료 및 이동상 기체가 공급되는 주입구(Injection Port)와 컬럼에 의해 분리된 단일 화합물을 검출하는 검출기(Detector) 사이에 연결된다.

컬럼의 종류

컬럼의 튜빙 재질(Tubing Material)

컬럼의 고정상(Stationary Phase)

컬럼의 필름두께(Film Thickness)

컬럼의 길이(Length)

컬럼의 내경(Diameter)

GC 분석에 사용되는 컬럼의 종류는 어떻게 분류되는가 ?

컬럼은 고정상의 종류에 따라, 내경의 크기에 따라 다음과 같이 분류된다.

고정상의 종류	명명
다공성 담체(Porous Solid Phase)	Gas Solid Chromatography (GSC)
액상(Liquid Phase)	Gas Liquid Chromatography (GLC)

컬럼의 내경	명명
1/8-inch, 1/4-inch	충전 컬럼(Packed Column)
0.1, 0.2, 0.25, 0.32, 0.53 mm	모세관 컬럼(Capillary Column)

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GSC 충전 컬럼의 측면 단층

충전 컬럼의 단면  GLC 충전 컬럼의 측면 단층

 충전 컬럼을 사용할 것인가? 모세관 컬럼을 사용할 것인가?

내경이 1/4-inch 또는 1/8-inch인 충전 컬럼은 내경이 0.1 - 0.53 mm인 모세관 컬럼 비하여 단위 길이당 고정상의 부피가 훨씬 커 시료 처리 능력도 크다. 그러나, 0.53 mm 내경의 모세관 컬럼을 사용함으로써 이러한 차이는 어느 정도 극복할 수 있으며, 시료의 주입량을 줄임으로서 검출기의 감도를 향상시킬 수 있음으로 충전 컬럼이 반드시 필요한 분석(기체 상태의 시료)이 아니라면 모세관 컬럼을 사용하는 것이 효과적이다. 기체 시료를 제외한 모든 시료의 분석에서 모세관 컬럼을 사용하게 되면 보다 좁은 폭의 피크를 얻을 수가 있으며, 이는 컬럼의 분리능(Resolution)를 더욱 향상시킬 수 있다.

컬럼의 분리능이란 ?

여러 개의 피크와 피크 사이를 분리, 식별하는 컬럼의 능력을 의미한다. 분리능(R)은 아래와 같은 공식에 의하여 간단히 구해지며, 일반적으로 분리능 R=1이면 인접한 두 개의 피크가 거의 완전하게 분리됨을 의미한다. 정확한 피크의 정량을 위해서는 인접한 피크와의 완전한 분리가 필요하다.

새로운 분석법을 개발하거나 기존의 분석법을 업그레이드하려고 한다면, 우선적으로 모세관 컬럼을 사용하도록 권하고 싶다(반드시, 충전 컬럼이 필요한 분석을 제외하고).

컬럼의 튜빙 재질 선택

컬럼의 튜빙은 시료 분리를 직접적으로 일으키는 재료, 즉 고정상을 담는 용기로서 그리고 이동상 기체의 흐름을 안내하는 안내자로서의 역할만을 하는 것이 바람직하며, 분리 그 자체에는 아무런 영향을 미치지 않아야 한다. 그러므로, 컬럼의 튜빙 재질은 가능한 비활성(inert)이어야 한다. 특히, 극미량의 성분을 분석하려고 하거나 mercaptans과 같이 활성이 높은 물질에 의해 피크의 꼬리끌림(tailing) 현상이 현저할 경우 튜빙은 반드시 비활성이어야 한다. 모세관 컬럼의 경우는 용융 실리카가 가장 적합하다.

고정상(Stationary Phase)? 이동상 기체(Mobile Gas Phase 또는 Carrier Gas) ?

실제 컬럼 내에서 분리가 이루어지는 곳으로 각각의 화합물은 고유의 화학적 특성 차이로 고정상과 각기 다른 화학적 평형, 흡착, 분배가 일어나 화합물마다 컬럼을 통과하는 시간이 달라지는 것이다. 이때, 시료를 이동시키는 역할을 하는 것이 이동상 기체이다.

 용융 실리카 재질의 모세관 컬럼에는 두 가지 타입이 있다:

<그림 4> WCOT 컬럼 및 PLOT 컬럼의 단면

● Wall Coated Open Tubular(WCOT) 컬럼 - 비활성의 튜빙 내벽에 액상의 고정상을 코팅한 것이며, 기체 크로마토그래피 분석에서 가장 일반적으로 사용되고 있다.

● Porous Layer Open Tubular(PLOT) 컬럼 - 튜빙 내벽에 고체상태의 고정상이 코팅된 것이며, 기체 시료 분석에 주로 사용된다.

충전 컬럼은 유리 또는 금속(보통 스텐레스 스틸) 재질을 사용한다. 금속은 고유의 활성을 가지고 있기는 하지만, 영구적이고 비극성 물질을 분석하는데 적합하다. 그러나, 만일 극성 물질을 함유한 시료를 분석하고자 한다면 유리 재질의 컬럼을 사용하는 것이 좋다.

유리 재질의 컬럼은 매우 활성이 커서 꼬리끌림, 시료 분해 등의 방해작용이 일어날 가능성이 높다. 따라서, 유리 재질의 컬럼을 사용할 때에는 반드시 비활성화 처리(deactivation)를 한 후 사용하거나 제조 공정단계에서 비활성화 처리된 것을 사용하도록 한다.

고정상은 어떻게 선택할 것인가?

모세관 컬럼을 선택할 때에 가장 먼저 고려해야 할 것은 PLOT 컬럼을 사용할 것인가 아닌가를 결정하는 것이다. 다음은 일반적인 PLOT 컬럼의 응용 분석 3가지이다:

Molecular Sieve	비활성 기체(H2, N, Ar, O2, He 등) 분리, 물에 대하여 민감함.
Divinylbenzene(DVB) HP-PLOT Q	C1-C3 탄화수소의 이성질체 완전 분리. C4-C14 탄화수소의 이성질체 일부분 분리, 극성 물질 분리, 휘발성 용매 분리, 물에 대하여 내구성이 있음.
Alumina Al2O3	C1-C10 탄화수소의 이성질체 분리, 물에 대하여 민감함.

만일 분석하고자 하는 응용이 위와 같지 않다면, WCOT 컬럼을 사용할 수 있다.

분석하고자 하는 시료에 대하여 아무런 정보가 없다면, 우선적으로 가지고 있는 컬럼을 사용하여 본다. 만일 가지고 있는 컬럼을 사용하여 만족스러운 결과를 얻지 못했다면, 시료에 대하여 알고 있는 모든 정보를 생각해 본다. 기본 원칙은 분석물질과 유사한 화학적 성질을 갖는 고정상을 선택하는 것이다.

가장 중요한 것은 분석하고자 하는 물질의 극성을 고려하는 것이다:

< 비극성 물질: 일반적으로 탄소와 수소 만으로 이루어져 있으며, 쌍극자 모멘트(dipole moment)가 일어나지 않는다. 곧은 사슬 형태의 탄화수소(n-alkane)가 가장 대표적인 비극성 물질이다.

< 극성 물질: 기본적으로 탄소와 수소로 이루어져 있으며 질소, 산소, 인, 황, 또는 할로겐 원소 등을 포함하고 있다. 알코올, 아민, 치올(thiols), 케톤, 나이트릴, 유기 할로겐 화합물들이 이에 속한다.

< 분극성 물질: 기본적으로 탄소와 수소로 이루어져 있으며 불포화 결합을 가지고 있다. 알켄, 알킬, 방향족 화합물들이 이에 속한다.

Agilent社에서는 특정 분리에 필요한 올바른 고정상을 제공한다: 분석하고자 하는 시료가 대부분의 석유 제품인 탄화수소와 같은 화학 형태의 혼합물이라면 Agilent-1 컬럼과 같은 비극성 컬럼(분석물질의 끊는점 차이에 따라 분리됨)을 사용한다. 만일 방향족 화합물이 섞여 있다면, 페닐 그룹이 있는 Agilent-5 또는 HP-35 컬럼을 사용할 수 있다.

극성 또는 극성에 가까운 물질은 보다 극성이 큰 고정상(페닐 및 이와 비슷한 극성 그룹을 포함)을 사용하여 분리한다. Agilent-210, Agilent-225 등이 이에 속한다. 만일 이보다 더 큰 극성이 필요하다면 폴리에틸렌 글라이콜(PEG) 컬럼(왁스 컬럼이라고도 일컬음)을 사용하여야 한다.

아래 표는 분석물질의 극성과 응용 분야를 기초로 제시된 고정상에 대한 정보이다.

분석 물질				고정상 물질	컬럼 극성도
결합 고정상(bonded phase)
아민, 탄화수소, 농약 PCBs, 페놀, 황화합물				Polydimethylsiloxane	비극성
알칼로이드, 약물, FAME, 할로겐 화합물				(5%)-Diphenyl-(95%)-dimethylpolysiloxane (5%)-Diphenyl-(95%)-dimethyl arylene siloxane copolymer	비극성
Aroclors, 알코올, 농약, VOAs				(6%)-Cyanopropylphenyl-(94%)-dimethylsiloxane copolymer	비극성 중간극성
Aroclors, 아민, 농약, Pharmaceuticals				(35%)-Diphenyl-(65%)-dimethylsiloxane copolymer (35%)-Diphenyl-(65%)-dimethyl arylene siloxane copolymer	중간극성
Aroclors, 살충제, 농약, TMS sugars				(14%)-Cyanopropylphenyl-(86%)-dimethylsiloxane copolymer	중간극성
약물, 글라이콜, 농약, 스테로이드				(50%)-Diphenyl-(50%)-dimethylsiloxane copolymer	중간극성
극성물질, Electron rich compounds(aldehydes, organochlorine, organophosphorus herbicides/pesticides)				(50%)-Trifluoropropyl-(50%)-Methylsiloxane copolymer	극성
FAMEs, Alditol acetates, Neutral sterols				(50%)-Cyanopropylphenyl-(50%)-dimethylsiloxane copolymer	중간극성 극성
알코올, Free acids, Aromatics, Essential oils				INNOphaseÔ bondable polyethylene glycol	극성
용매, 글라이콜, 알코올				Bonded/crossrinked polyethylene glycol	극성
아민, 염기성 물질				Bonded/crossrinked polyethylene glycol (modified for basic compound)	극성
유기산, 알코올, 알데하이드, 나이트릴, Acrylates				Polyethylene glycol-TPA modified	극성
Cis/trans isomers of FAMEs, 다이옥신				Cyanopropyl-methylpolysiloxane	극성
Chiral compounds in essential oil, fragrances, volatile optical isomers				Permthylated beta-cyclodextrin (dispersed in a phenyl based polymer)	Chiral
PLOT 컬럼
C1-C6 hydrocarbons in natural gas, refinery gas, fuel gas, synthetic gas, dienes				Aluminum Oxide
Permanent, noble gases				Molecular Sieve 5A zeolite
Hydrocarbons(including all C1-C3 isomers), CO2, Methane, Air/CO, Water, Polar Solvents, 황 화합물				Polystyrene-divinylbenzene(DVB)
환경 시료 분석을 위한 특별 컬럼
Volatile Organics					중간극성
Volatile Organics				(6%)-Cyanopropylphenyl-(94%)-dimethylsiloxane copolymer-analyte tested	중간극성
PCBs, 염소계 농약, 살충제					중간극성
농약, PCBs, 살충제				(14%)-Cyanopropylphenyl-(86%)-dimethylsiloxane copolymer-analyte tested	중간극성
농약, PCBs, 살충제				(5%)-Diphenyl-(95%)-dimethylsiloxane-analyte tested	중간극성
중간 휘발성 유기화합물				(5%)-Diphenyl-(95%)-dimethylpolysiloxane	비극성
Classical(non-bonded) Phase
Amino acid derivatives, essential oils				Polydimethylsiloxane	비극성
Drugs, Glycols, Pesticides, Steroids				(50%)-phenyl and (50%)-methylsiloxane	중간극성
Alcohols, Free acids, Essential oils, Ethers, Glycols, Solvents				Plyethylene glycol	극성

컬럼에서 결합(bonding)은 컬럼의 튜빙과 고정상 사이의 화학적 결합을 의미한다. 교차결합(crosslinking)은 고정상의 분자량을 늘리기 위하여 중합한 것이다. 결합과 교차결합 공정은 bonded/crosslinked 컬럼을 제작하는 과정에서 동시에 일어나며, 온도 증가에 따른 안정성 및 컬럼 녹아내림(bleeding) 현상을 줄이기 위한 방법이다. Bonded/crosslinked 컬럼은 다량의 시료 주입, 오랜 기간 사용 등으로 발생하는 컬럼 내의 오염물질을 제거하기 위한 세척이 가능하다. 따라서, 일반 코팅 컬럼 보다는 bonded/ crosslinked 컬럼을 사용하는 것이 효과적이다.

컬럼의 필름두께는 어떻게 결정할 것인가?

일반적으로 필름두께가 얇은 컬럼은 낮은 온도에서 피크의 분리능이 좋고 분석물질을 빨리 분리시킨다. 따라서, 필름두께가 얇은 컬럼은 끊는점이 높은 물질, 온도에 민감한 물질을 분석하는데 적합하다.

표준 필름두께는 0.25 ? 0.5 m m이다. 이 범위의 컬럼은 끊는점이 300° C에 이르는 대부분의 시료(왁스, 트리글리세라이드, 스테로이드 포함) 분석에 사용되고 있다. 300° C 보다 높은 온도에서 분리되는 물질은 얇은 필름 두께(0.1 m m )의 컬럼을 사용할 수 있다.

끊는점이 높은 물질을 분석하는데 표준 또는 얇은 필름두께의 컬럼을 사용한다면, 두꺼운 필름두께(1 - 1.5 m m)의 컬럼은 100 ? 200° C 사이에서 분리되는 끊는점이 낮은 물질을 분석하는데 적합하다. 이 보다 더 두꺼운 필름두께(3 - 5 m m)의 컬럼은 가스, 용매, 중간 휘발성 물질 등을 분석하는데 필요하다.

표준 필름두께 보다 두꺼운 필름을 사용하는 이유 중 하나는 내경이 큰 컬럼으로 교체하여 분석하고자 할 때 분리능과 피크의 머무름시간을 일정하게 유지하기 위한 것이다. 따라서, 내경이 큰 컬럼을 사용할 때에는 필름두께가 두꺼운 것을 사용하는 것이 바람직하다.

두꺼운 필름은 컬럼 내에 보다 많은 양의 고정상 물질이 채워져 있음을 의미하며, 따라서 고정상의 녹아내림 현상이 일어나기 쉽다. 그러므로, 필름두께가 두꺼워질수록 사용 한계 온도는 낮아진다는 사실을 명심해야 한다.

아래 표는 필름두께에 따른 분석 응용에 대하여 정리한 것이다.

필름두께	분석 응용
얇은 두께 (1.0 m m ~ 0.2 m m)	최대 오븐 온도에서 녹아내림이 가장 적다. 시료 처리량이 적다. 끊는점이 높은 물질, 열에 약한 물질, 고감도 검출기 사용이 이용한다.
표준 두께 (0.25 m m ~ 0.5 m m)	가장 일반적으로 사용된다.
두꺼운 두께 (3 m m ~ 5 m m)	시료 처리량이 크다. 높은 오븐 온도에서 녹아내림이 크다. 휘발성이 높은 물질 분석에 적합하다.

컬럼의 길이는 어떻게 결정하는가?

일반적으로 15 m 컬럼은 빠른 스크린닝, 단순한 혼합물 또는 매우 큰 분자량의 물질을 분석하는데 사용한다. 30 m 컬럼은 대부분의 분석에 사용되고 있는 가장 일반적인 것이다. 길이가 긴 컬럼(50, 60, 105 m)은 매우 복잡한 혼합물을 분석하는데 사용된다.

아래 표는 컬럼의 길이에 따른 분석 응용을 정리한 것이다.

컬럼 길이	분석 응용
5 ~ 12 m	시료 내에 화합물이 15개 이하로 혼합되어 있을 경우 사용한다.
25 ~ 30 m	시료 내에 화합물이 15개에서 50개 정도가 혼합되어 있을 경우 사용한다.
50 m	시료 내에 화합물이 50개 이상 혼합되어 있을 경우 사용한다. 특히, 이성질체(isomer)가 포함된 시료 분석에 적합하다.

컬럼의 길이가 분리능에는 그리 큰 영향을 미치지는 않는다. 예를 들어, 컬럼의 길이가 2배로 길어지면 등온 조건에서 분석시간도 2배가 된다. 그러나, 피크의 분리능은 약 40% 정도 밖에는 향상되지 않는다. 만일 분석은 거의 되지만 분리능이 충분하지 않다면 컬럼의 길이를 바꾸는 것 외에 더 좋은 방법들이 있다. 필름두께를 고려하고, 이동상 기체의 유속을 최적화하며, 온도 프로그램을 이용하는 것이다.

활성이 매우 큰 물질을 포함하는 시료의 경우, 특별히 고려해야 할 사항이 있다. 활성이 큰 물질이 컬럼 고정상과 접촉하게 되면 극심한 꼬리끌림 현상이 발생하기 때문이다. 따라서, 컬럼의 길이가 짧고 필름두께가 얇은 컬럼을 사용하게 되면 활성 물질이 컬럼의 고정상과 접촉할 기회가 줄어 이러한 문제점을 해결할 수 있을 것이다.

컬럼의 내경 선택 방법은?

컬럼의 내경이 커질수록 고정상의 부피가 늘어남(필름두께가 동일하여도)을 의미하며, 동시에 시료 처리량이 증가한다. 이는 또한 분리능이 떨어지고 녹아내림 현상이 증가함을 의미한다.

내경이 작은 컬럼은 복잡한 혼합 시료를 분석하는데 적합한 분리능을 제공한다. 그러나, 내경이 작은 컬럼은 시료 처리량이 작기 때문에 일반적으로 스플릿 주입을 사용해야 한다. 반대로 내경이 큰 컬럼을 사용할 때에는 스플릿 주입을 하지 않는 것이 좋다(분리능이 현저히 떨어지지 않는다면).

시료 처리량이 매우 중요하다면(가스, 매우 휘발성이 높은 물질, 퍼지앤 트랩 및 헤드스페이스 샘플러를 이용한 분석의 경우), 내경이 큰 컬럼 또는 PLOT 컬럼을 사용하는 것이 바람직하다.

이밖에도 컬럼을 선택할 때에는 현재 사용중인 기기의 조건을 우선적으로 고려해야 할 필요가 있다.

현재 충전 컬럼용 주입구를 사용하고 있다면 내경이 큰 모세관 컬럼(0.53 mm)을 사용할 수는 있으나 내경이 작은 컬럼(0.1 - 0.32 mm)은 사용할 수가 없을 것이다. 그리고, 전형적인 모세관 컬럼용 주입구는 일반적으로 모든 내경(0.1 ? 0.53 mm)의 컬럼을 사용할 수 있다. GC/MSD는 보통 작은 내경(0.25 mm)의 컬럼을 사용한다. 내경이 큰 컬럼을 사용할 경우 진공펌프가 높은 유량을 제공할 수 없기 때문이다.

그러므로, 분석에 이용할 컬럼을 선택하기 이전에 현재 사용중인 기기의 조건을 먼저 파악하는 것이 효과적이다.