[분석화학실험]GC/FID를 이용한 p-Xylene 분석

실험 목적

GC/FID를 이용하여 p-Xylene을 분석한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 기체크로마토그래프(GC)

복합 성분의 시료가 이동상(mobile phase)에 의해 이동하면서 column의 고정상(stationary phase)과의 상호 물리 화학적인 작용에 의하여 각각의 단일 성분으로 분리되는 현상을 이용하여 분석하는 장치이다. 혼합물을 분리하기 위해서는 최소한 두 상(정지상과 고정상)이 있어야 한다. 이 두 상(Phase)은 서로 섞이지 않아야 하고 각기 다른 특성을 가져야 한다.

 

1) 크로마토그래피 원리

고순도 운반기체들이 주입기로 흘러 들어가고 시료를 주사기 또는 외부 시료 처리 장치에 의해서 주입기로 도입 후 기화된다. 이때 운반기체와 시료는 이동상이다. 분석 시료 성분 물질들은 물리적 특성, 분리관 칼럼의 온도에 따라 서로 다른 속도로 분리관 칼럼을 통과한다. 분리관 칼럼 충전물은 고정상이다. 

각각 용리 되어 나오는 순서대로 검출기에 들어가고 검출에 의해 전기적 신호가 발생한다. 최종적으로 데이터 시스템에 의해서 신호의 크기가 기록되고 시간과 관계 있는 크로마토그램을 생성한다. 즉, 혼합물을 용매에 녹였을 때 혼합물의 각 성분 물질이 용매를 따라 이동하는 속도의 차이를 이용하여 각 성분 물질을 분리한다.

① 이동상 : 분석하고자 하는 시료를 이동 (액체 또는 기체)

② 고정상 또는 정지상 : 평면, 관에 고정 (고체 또는 액체)

기체 크로마토그래피는 이동상으로 기체(He, H2, N2)를 사용한다.

 

2) 기체 크로마토그래의 용도

유기화합물의 분석, 농약과 의약품 등의 분석, 각종 화학물질의 품질관리, 정량분석, 정성분석, 각종 환경시료 및 biological fluid(생물학적 유체, blood and bloos serum, blood plasma, urine and saliva) 중의 극미량 성분 검출 및 정량에 사용된다.

 

2. 시료의 분리 및 분석

고정상을 채운 분리관에 시료를 주입하면 운반기체에 의해 분리관을 통하여 운반된다. 이 때 분리관에서는 각 성분들이 평형의 법칙 즉, 분배 계수에 의해 고정상인 액체와 운반기체 사이에 분배되며, 각 성분들이 분리관을 통하여 움직이는 속도는 고정상인 액체에 용해되는 정도에 따라 달라진다.

1) 각 성분의 이동상과 정지상에 대한 평형의 문제 : 두 성분이 분리관의 고정상에 대해 서로 다른 이동속도를 가지고 있어 서로 분리되는 현상

2) 상에 대한 물리적인 과정의 문제 : 각 성분이 용리되는 동안 피크가 일정한 폭을 가지는 것

 

3. GLC (Gas-Liquid Chromatography)

불활성인 고체 지지체(solid support)에 엷은 막으로 입혀진 액체를 정지상으로 사용

1) 여러 가지 종류의 액체상을 쉽게 얻을 수 있다는 장점 때문에 GLC는 GSC보다 훨씬 광범위하게 이용되고 있다.

 

4. GSC (Gas-Solid Chromatography) : 고체인 다공성 담체를 고정상으로 사용

1) silica gel, 숯(charcoal), 분자체(molecular sieve) 및 다공성 고분자 등

	이동상	고정상	분리 메커니즘
GSC	기체	다공성 담체	흡착과 탈착
GLC	기체	액상	분배

 

5. GC의 용도 : 일반적인 응용범위

1) 유기화합물의 분석

2) 의약품, 농약 등의 분석

3) 각종 환경시료 및 biological fluid 중의 극미량 성분 검출 및 정량

4) 각종 제품의 품질관리

5) 정량분석(혼합물 중에 섞여 있는 성분 물질의 분석)

6) 정성분석(분리관에 연결된 검출기에서 나온 신호를 이용하여 측정)

 

6. GC의 부분장치 구성도

 

7. 운반 기체(Carrier Gas)

1) 운반기체의 조건

① 시료 분자나 고정상에 대해서 화학적 비활성

② 분리관 내에서 시료분자의 확산을 최소로 줄일 수 있어야 함

③ 사용되는 검출기의 종류에 적합

④ 순수 기체, 건조 기체

2) 운반기체의 종류 : 수소, 헬륨, 질소, 아르곤 등

 

8. 컬럼의 종류

1) 분리관(column)

Oven 안에 존재하며 시료 혼합물이 단일 성분으로 분리되어지는 곳으로 GC의 가장 중요한 부분이다. 분석에 필요한 분리관의 선택은 시료 중 분석하고자 하는 성분의 화학적 성질(polarity)에 관계가 있다. 즉, 분석하고자 하는 물질에 따라 컬럼의 종류, 고정상이 달라진다. 시료 화합물은 정지상에 대한 상대적 친화성에 비례하여 속도가 달라진다.

컬럼이 용질의 이동을 지체 → 보유시간(retention time, RT) → 화합물이 컬럼을 통해서 이동하는데 소요된 시간을 정성, 정량분석한다.

고정상의 조건으로는 낮은 증기 압력, 열적 안정성, 낮은 점성도가 있다. 컬럼의 길이가 너무 짧으면 질량분석계의 최대 유속에 문제가 생긴다. 따라서 길이 15 m 이상, 내경 0.32 ㎜ 이내이어야 한다.

① 분리관 내경 : 충전 칼럼(packed column), 모세관 칼럼(capillary column)

② 분리관 내의 고정상 종류 : GSC (Gas-Solid Chromatography), GLC (Gas-Liquid Chromatography)

③ 충전 컬럼 : 내경이 크고 길이가 짧다. 시료 처리 용량이 크다. 분리능이 낮다. 작은 입자들로 충진하며 작은 입자는 액체나 gum 형태의 고정상으로 코팅한다. 고정상으로 Methyl silicon, porous polymer, molecular sieve를 사용한다.

④ 모세관 컬럼 : 내경이 작고 길이가 길다. 시료 처리 용량이 작다. 분리능이 높지만 운반기체의 압력이 높아지고, 분석시간이 길어진다. 다공성 입자들로 충진한다. 고정상은 액체, gum, 고체를 사용한다. 고정상으로 적당한 크기의 고체 지질에 고정상 액체를 함침한 막을 관의 내벽에 코팅해 사용한다.

 

2) 모세관 컬럼의 액체 고정상

① 서로 다른 여러 시료성분을 용해할 수 있는 용매여야 한다.

② 서로 다른 시료성분에 대해 서로 다른 분배계수를 가져야 한다.

③ 사용 온도 내에서 비휘발성이어야 한다.

④ 온도에 대해 안정해야 한다.

⑤ 칼럼 온도에서 시료 성분과 화학적 반응이 없어야 한다.

 

3) 모세관(Capillary Column)

① 얇은 액체상 막을 관의 내벽에 입힌 모세관

② 긴 분리관을 사용가능(압력 강하가 작기 때문)

③ 시료 수용능력이 적고, 분해능이 우수하다.(복잡한 혼합물 분석에 널리 사용)

 

4) 충전관(Packed Column)

① 나선형의 가는 관 속에 담체를 코팅하여 충전

② 분석하고자 하는 시료의 성분에 따라 충전물을 선택

③ 내경이 크고 짧은 형태의 분리관

 

9. 검출기(detector)

분리관에서 분리된 단일 화합물을 검출하여 전기적인 신호로 변화시키는 부분이다.

1) 검출기의 특성

① 감응(시료에 의해 생겨나는 신호)와 감응 인자

② 잡신호와 최소 검출향

③ 감도 (시료의 양과 감응데이터를 plot한 직선의 기울기)

④ 직선성과 직선농도범위

⑤ 선택성 (검출기가 응답할 수 있는 화합물의 범주)

 

2) 검출기의 종류

① 물리적 성질 검출기(bulk physical detector)

- TCD (thermal conductivity detector, 열전도도 검출기) : 비파괴형이며 가장 널리 사용되는 검출기

② 이온화 검출기(ionization detector)

- FID (flame ionization detector, 불꽃 이온화 검출기) : 탄화 수소물 검출 가능

- ECD (electron captor detector, 전자포획 검출기) : 할로젠 화합물 검출 가능

- TID (thermionic ionization detector, 열이온화 검출기) : 질소와 인화합물 검출 가능

- NPD(nitrogen phosphorous detector, 질소-인 검출기) : 질소와 인화합물 검출 가능

- PID (photo ionization detector, 광이온화 검출기) : UV 빛에 의한 이온화 화합물 검출 가능

③ 광학 검출기(optical detector)

- FPD (flame photometric detector, 불꽃 광도 검출기) : 황과 인 화합물 검출 가능

- AED (atomic emission detector, 원자방출 검출기)

 

3) 검출기별 감도 비교

실험 기구 및 장치

1. 실험 기기

1) Agilent 7890B GC/FID

2) 컬럼 종류 : HP-5 (30m X 0.32㎜ X 0.25㎛)

3) 주입구 온도 : 150 ℃

4) 유량 : 1~3 ml/min (flow)

5) Split ratio : 10:1

 

6) 오븐 온도

Initial Temp : 40 ℃

Setting Temp : 150 ℃ (10℃ rate per min)

 

7) 검출기 온도 : 200 ℃

 

8) p-Xylene의 retention time (RT) : 5.879

 

실험 결과

1. 분석 결과

1) 표준용액 (검량선 첨부)

항목 농도	p-Xylene(Area)
STD1(10㎎/L)	70.704
STD2(20㎎/L)	185.140
STD3(50 ㎎/L)	562.600
STD4(100 ㎎/L)	-

 

2) 검량선 정보

항목 내용	Xylene
기울기	11.55063
절편	- 26.40109
상관계수	0.99589
결정계수	0.99180

 

 

미지시료(㎎/L)	농축배수	p-Xylene 결과(㎎/L)
34.10665	2	17.3325

 

3) 미지시료 정량결과

 

토의 사항

1. 실험 고찰

본 실험은 GC/FID를 이용하여 p-Xylene을 분석해보았다. p-Xylene 2000㎎/L 표준용액으로 200㎎/L 표준용액을 제작하여 각각 10, 20, 50, 100 ㎎/L 표준용액을 제작하여 분석하였다.

본 실험에서 p-Xylene을 분석할 때 기기의 retention time을 11.0 min으로 진행하였는데 피크가 찍힌 모습을 확인할 수 없었다. 원인을 찾기 위해 retention time을 11.0min으로 두고 3min holding까지 해보았지만 보이지 않았다. 원인을 찾지 못하고 다음 농도의 시료를 계속 찍어본 결과 retention time 6min 근처에서 작은 피크를 찾을 수 있었고 농도가 높아질수록 피크의 면적도 조금씩 커지는 것도 관찰할 수 있었다. 이 피크를 p-Xylene의 피크라고 가정하고 계속 분석을 진행하였다.

검량선을 작성하기 위해서 p-Xylene의 피크를 분석할 때는 p-Xylene의 피크를 확실하게 알지 못했기 때문에 측정된 모든 피크를 분석하여 농도에 따라 면적이 순차적으로 증가하는 피크를 구별하여 찾아내는 방법으로 분석하였다. 처음에는 피크가 찍히지 않았다고 생각했고, 후에 찍힌 피크의 면적이 매우 작아 검량선이 제대로 작성되지 않을 것으로 생각해 매우 걱정도 되고 아쉬웠다. 하지만 검량선을 작성할 때 여러 피크를 같이 분석하고 원하는 피크가 무엇인지 찾아보는 과정도 배울 수 있어서 더욱 알찬 실험이 된 것 같다.

분석을 통해 알아낸 p-Xylene의 피크를 통해 검량선을 작성해보니 검량선을 벗어난 피크가 발견되었다. 육안상으로는 standard 3번 용액에서 문제가 된 것으로 보였지만 면적 값을 통해 대략적으로 계산한 결과 standard 4번 용액에서 문제가 된 것으로 보였다. standard 4번 피크를 제거하여 다시 검량선을 작성하니 검량선을 크게 벗어난 피크가 보이지 않아 standard 4번 용액을 제거한 검량선을 통해 미지시료를 분석하였다.

미지시료를 분석한 결과 미지시료의 농도는 34.10665㎎/L임을 알 수 있었다. 실제 미지시료의 농도는 40㎎/L로 정확도는 85% 정도임을 알 수 있었다. 나쁘지 않은 수치였지만 정확한 standard 4번 용액의 피크를 통해 더 정확한 검량선을 세워 분석하였다면 더 높은 정확도를 가질 수 있었을 것 같아 아쉬웠다.