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질량분석법 #

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Analysis

질량분석법 (Chromatography) #

  • Chromatography는 20세기 초에 발견되어 그 이후로 지속적으로 발전해 왔으며, 혼합물의 구성 요소를 분리하고 식별하는데 사용되는 분석 기술입니다.

    현재는 화학, 생화학, 제약, 환경 분석 등 다양한 과학 분야에서 다양한 형태로 널리 사용되는 분리, 동정 및 정량화하는 기술입니다.

    아래에서 Chromatography에 대한 역사, 정의, 원리, 종류, 각 종류에 대한 원리, 분석 방법, 장점 및 단점에 대해 설명하겠습니다.

역사 #

  • Chromatography는 고대 이집트 시대부터 사용되었으며, 초기에는 색소의 추출에 주로 사용되었습니다.

    그러나 20세기 초기에 M.S. Tswett에 의해 플라시도그래피(Flash chromatography)로 개발되어 현대 Chromatography의 기초가 마련되었습니다.

    이후 다양한 종류의 Chromatography 기술이 발전되었고, 현재는 다양한 분야에서 널리 사용되고 있습니다.

정의 #

  • Chromatography는 혼합물을 분리하기 위해 두 개 이상의 상이한 상태(정체, 액체, 기체 등)를 이용하여 이동성이 다른 구성 요소들을 분리하는 분석 기술입니다.

    분리된 구성 요소들은 각각의 특성에 따라 흡착, 분배, 크기 등의 원리를 이용하여 분리됩니다.

    사이펜 잉크 분리를 간단한 예로 설명하며 분필, 거름종이 등의 물질이 고정상으로 작용하며, 이러한 고정상 위를 물 입자들이 이동하게 되는데, 이때 물을 이동상이라고 합니다.

    이동상 속에 다양한 색소의 입자들이 각자의 속도에 맞게 이동하는데 이러한 이동 속도 차이에 의해 혼합물인 잉크가 분리되게 되는 것입니다. (고정상: 분필, 거름종이, 이동상: 물, 혼합물: 사이펜 잉크, 색소)

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원리 #

  • Chromatography의 원리는 이동성이 다른 구성 요소들이 흡착, 분배, 크기, 휘발성, 또는 이온교환능의 차로 상이한 상태를 통과하며 분리되는 것입니다.

    이동성이 낮은 구성 요소는 흡착체에 더 많이 흡착되거나 분배계수가 낮아 정체나 액체 상태에 잘 분배되지 않아 이동이 느리게 됩니다.

    반대로 이동성이 높은 구성 요소는 흡착체에 덜 흡착되거나 분배 계수가 높아 기체나 액체 상태에 잘 분배되어 빠르게 이동합니다.

분류 방식 #

1) 이동상에 따른 분류: #

(1) 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography, GC)

기체를 이동상으로 사용하여 분석을 수행하는 방법입니다.

다양한 형태의 기술로 발전되어 개발된 **가스 크로마토그래피-질량분석법(Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS)**는 가스 크로마토그래피와 질량분석을 결합하여 정량 및 정성 분석에 널리 사용됩니다.

(2) 액체 크로마토그래피(Liquid Chromatography, LC)

 액체를 이동상으로 사용하여 분석을 수행하는 방법입니다. 이때 액체 크로마토그래피는 여러 가지 하위 분류로 나뉠 수 있습니다.


**고압 액체 크로마토그래피(High-Performance Liquid Chromatography, HPLC)**는 높은 압력을 사용하여 분석을 수행하는 기법이며, **액체 크로마토그래피-질량분석법(Liquid Chromatography-Mass Spectrometry, LC-MS)**는 질량분석과 연결하여 민감하고 정확한 분석을 가능하게 합니다.

2) 분리 기준에 따른 분류: #

(1)흡착 크로마토그래피(Adsorption Chromatography)

분리를 흡착체와 시료 간의 흡착 상호작용에 의해 수행하는 방법입니다.

(2)분할 크로마토그래피(Partition Chromatography)

분리를 이동상과 정지상 사이의 분배 상호작용에 의해 수행하는 방법입니다.

(3)이온 교환 크로마토그래피(Ion-exchange Chromatography)

이온 교환체를 사용하여 이온성 화합물을 분리하는 방법입니다.

(4)크기 배제 크로마토그래피(Size-exclusion Chromatography)

분자 크기에 따라 분리를 수행하는 방법입니다.

(5)키랄 크로마토그래피(Chiral Chromatography)

키랄 화합물의 입체 이성질체를 분리하는 방법입니다.

(6)친화성 크로마토그래피(Affinity Chromatography)

특정 결합 상호작용을 이용하여 분리하는 방법입니다. 예를 들어, 특정 단백질과의 특이적인 결합을 통해 특정 단백질을 분리할 수 있습니다.

3) 크로마토그래피 장비에 따른 분류: #

(1)열식 크로마토그래피(Thermal Desorption Chromatography)

고체 시료를 가열하여 기체로 전환한 후 분석하는 방법입니다.

(2)압축식 크로마토그래피(Preparative Chromatography)

대량의 시료를 분리하고 정제하는 방법으로, 대부분의 분석 목적보다는 샘플 분리 및 회수에 중점을 둡니다.

(3)가속도론 크로마토그래피(Accelerated Chromatography)

분석 속도를 향상시키기 위해 샘플의 이동을 가속화하는 방법입니다.

4) 분석 목적에 따른 분류: #

(1)정량 크로마토그래피(Quantitative Chromatography)

시료 내의 특정 성분의 양을 정량적으로 측정하는 분석 방법입니다.

(2)정성 크로마토그래피(Qualitative Chromatography)

시료 내의 성분을 확인하고 식별하는 분석 방법입니다.

(3)전이 크로마토그래피(Translational Chromatography)

이동상과 정지상의 전이 시간을 분석하는 방법으로, 분자 운동과 관련된 연구에 사용됩니다.

5) 기타 분류: #

(1)액체-액체 크로마토그래피(Liquid-Liquid Chromatography, LLC)

액체 이동상과 액체 정지상을 사용하여 분석을 수행하는 방법입니다.

(2)증기화식 크로마토그래피(Vapor Phase Chromatography, VPC)

증기 상태의 이동상을 사용하여 분석을 수행하는 방법입니다.

분석 단계 #

  • Chromatography 분석은 일반적으로 다음 단계를 따릅니다.

1) 시료의 준비

* 분석 대상인 시료를 적절한 용매에 용해하거나 혼합물의 경우 적절한 전처리 과정을 거칩니다.

2) Chromatography 시스템 설정

* 적절한 Chromatography 기기 및 칼럼을 선택하고 시료를 주입합니다.

3) 분리 및 검출

* Chromatography 과정에서 구성 요소들이 분리되며, 이들을 검출기를 통해 식별하고 측정합니다.

4) 데이터 분석

* 검출된 데이터를 분석하여 구성 요소들의 함량, 분리 정도, 순도 등을 평가합니다.

장단점 #

  • 장점

    • 미량의 혼합물도 높은 정밀도로 분리 및 분석할 수 있습니다.

    • 다양한 종류의 Chromatography 기술이 존재하므로 다양한 형태의 시료에 대해 적용 가능합니다.

    • 비교적 간단하고 신속하게 수행될 수 있습니다.

  • 단점

    • 분리된 구성 요소들을 정량화하는 것이 어려울 수 있습니다.

    • 특정 분석 대상에 대한 최적의 Chromatography 조건을 찾는 것이 시행착오를 동반할 수 있습니다.

    • 분석에 사용되는 장비와 재료의 비용이 상대적으로 높을 수 있습니다.

  • 요약

    • Chromatography는 혼합물의 분리와 구성 요소의 분석에 널리 사용되는 기술입니다.

    • 다양한 종류와 원리를 가지고 있으며, 분석 방법의 유연성과 미량의 혼합물도 분리할 수 있는 능력 등 여러 가지 장점이 있습니다

분석 방법 #

이동상에 따른 분류 #

  • 1) Gas Chromatography (GC):
    • 원리
      • 기체 캐리어로 사용되는 이동상(gas phase)에서 시료 구성 요소들이 정체상(stationary phase)로부터 분리됩니다. 이동성이 낮은 구성 요소들은 정체상에 더 많이 흡착되어 이동이 느리게 되고, 이동성이 높은 구성 요소들은 빠르게 이동합니다.
    • 분석 방법
      • 시료가 가열된 주입 포트에 주입되어 기체상으로 증발되고, 분리 컬럼을 통과한 후 검출기에서 신호를 생성하여 각 구성 요소를 식별하고 측정합니다.
    • 장점
      • 미량의 혼합물도 높은 정밀도로 분리 및 분석할 수 있으며, 빠른 분석 속도와 높은 분리능을 가집니다. 또한 재현성, 경제성이 우수하다.
    • 단점
      • 비휘발성 물질의 분석에는 제한적이며, 기체 상태로 분석되므로 액체 또는 고체 상태의 시료는 전처리 과정을 거쳐 기체로 변환되어야 합니다(derivatization). 또한 전반적으로 번거로운 처리 과정이 필요하다.
    • Gas Chromatography의 종류는 다양한 분석 목적과 시료 특성에 따라 선택되고 사용됩니다.

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  • 1-1) Gas-Liquid Chromatography (GLC):

    • 원리
      • 기체 이동상과 액체 정체 상호작용을 이용하여 분리합니다. 컬럼 내부에 액체상을 코팅하여 분석을 수행합니다.
    • 분석 방법
      • 기체 이동상으로 시료를 주입하고, 액체상과 시료 사이의 상호작용으로 분리가 이루어집니다.
    • 장점
      • 매우 넓은 분리 범위와 높은 분리능을 가지며, 다양한 화합물에 적용할 수 있습니다.
    • 단점
      • 액체상의 코팅은 안정성이 낮을 수 있고, 열 안정성이 필요한 시료 분석에 제한적일 수 있습니다.
  • 1-2) Gas-Solid Chromatography (GSC):

    • 원리
      • 기체 이동상과 고체 정체 상호작용을 이용하여 분리합니다. 고체 정체가 컬럼 내부에 패킹 되어 있습니다.
    • 분석 방법
      • 기체 이동상으로 시료를 주입하고, 고체 정체와 시료 사이의 상호작용으로 분리가 이루어집니다.
    • 장점
      • 강한 분리력과 높은 적용 범위를 가지며, 시료의 열 안정성이 필요하지 않습니다.
    • 단점
      • 고체 정체의 선택과 정체 품질에 따라 분리 능력이 달라질 수 있고, 고체 정체의 내구성과 재사용 가능성에 제한이 있을 수 있습니다.
  • 1-3) Capillary Gas Chromatography (CGC):

    • 원리
      • 매우 작은 직경을 가진 컬럼을 사용하여 분리를 수행합니다. 기체 이동상은 주로 가스입니다.
    • 분석 방법
      • 기체 이동상으로 시료를 주입하고, 컬럼 내부의 코팅 또는 정체와의 상호작용으로 분리가 이루어집니다.
    • 장점
      • 높은 분리능과 낮은 샘플 소모량, 빠른 분석 속도를 가지며, 적은 시료 양으로도 분석이 가능합니다.
    • 단점
      • 컬럼의 코팅 안정성과 재생성, 높은 비용 및 유지 보수 비용이 필요합니다.
  • 2) Liquid Chromatography (LC):

    • 원리
      • 액체 캐리어로 사용되는 이동상에서 시료 구성 요소들이 정체상에 흡착되거나 분배되어 분리됩니다. 이동성이 낮은 구성 요소들은 흡착이나 분배에 의해 더 오래 정체상에 머무르며, 이동성이 높은 구성 요소들은 빠르게 이동합니다.
    • 분석 방법
      • 액체 캐리어를 사용하여 분리 컬럼을 통과한 후 검출기에서 신호를 생성하여 구성 요소를 식별하고 측정합니다. HPLC, IC, 크기 배제 Chromatography, 칼럼 Chromatography 등이 있습니다.
    • 장점
      • 다양한 시료에 적용할 수 있으며, 미량의 혼합물도 높은 정밀도로 분리 및 분석할 수 있습니다.
    • 단점
      • 분리 속도가 상대적으로 느리고, 액체 캐리어와 정체상의 소모량이 많아지며, 컬럼 관리가 필요합니다.

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  • 2-1) High-Performance Liquid Chromatography (HPLC):

    • 원리
      • 액체 이동상을 사용하여 분석을 수행하는데, 고압 펌프에 의해 액체 샘플이 컬럼을 통과하면서 분리됩니다.
    • 분석 방법
      • 미리 정해진 조건에 따라 샘플을 주입하고, 컬럼 내에서 샘플의 구성 성분을 분리합니다. 분리된 성분은 검출기에서 감지되어 분석 결과가 생성됩니다.
    • 장점
      • 높은 분리능과 정량 능력, 다양한 시료에 적용 가능, 자동화 및 높은 샘플 처리량 가능
    • 단점
      • 높은 압력과 채움물 소모, 컬럼 선택과 최적화가 필요
  • 2-2) Reversed-Phase Chromatography (RPC):

    • 원리
      • 정규상과 반대로 수지 표면을 수성이 아닌 비수성 페이즈로 코팅하여 분석을 수행합니다. 수성 용매와 비수성 페이즈 사이의 상호작용을 이용하여 분리가 이루어집니다.
    • 분석 방법
      • 액체 이동상으로 시료를 주입하고, 수성 용매와 비수성 페이즈 사이에서 분리가 발생합니다. 분리된 성분은 검출기에서 검출됩니다.
    • 장점
      • 널리 사용되는 모드로서 다양한 화합물의 분리에 효과적, 분석 범위가 넓음
    • 단점
      • 비수성 화합물에 대한 분리가 어려울 수 있음, 휘발성이 낮은 화합물의 분석에는 적합하지 않을 수 있음
  • 2-3) Normal-Phase Chromatography (NPC):

    • 원리
      • 정규상 컬럼을 사용하여 분석을 수행합니다. 컬럼 표면과 시료 사이의 극성 상호작용을 이용하여 분리가 이루어집니다.
    • 분석 방법
      • 액체 이동상으로 시료를 주입하고, 시료 성분은 극성과 비극성 구성 요소로 분리됩니다.
    • 장점
      • 다양한 극성 화합물의 분리에 적합, 대부분의 화합물에 쉽게 적용 가능
    • 단점
      • 휘발성이 높은 화합물의 분석에는 제한적, 분석 시간이 상대적으로 오래 걸릴 수 있음

분리 기준에 따른 분류 #

  • 1) 흡착 크로마토그래피 (Adsorption Chromatography):
    • 원리
      • 흡착 크로마토그래피는 시료 분자의 흡착과 흡착체 간의 상호작용을 이용하여 분리를 수행합니다. 흡착체는 일반적으로 고체이며, 시료 분자가 흡착체의 표면에 흡착됩니다.
    • 분석 방법
      • 액체 이동상을 사용하며, 시료를 흡착체에 투입하여 흡착이 일어나게 합니다. 이후, 이동상을 통해 흡착된 시료 분자를 분리하고 감지합니다.
    • 장점
      • 분리력이 뛰어나고, 분리 범위가 넓습니다. 다양한 흡착체와 이동상을 사용하여 다양한 시료에 적용할 수 있고 미량 혼합물의 분리에 효과적입니다.
    • 단점
      • 분석 시간이 길 수 있고 일부 시료에 대해서 선택적인 흡착이 어려울 수 있습니다. 따라서 흡착체의 안정성과 재사용 가능성에 제한이 있을 수 있습니다.

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  • 2) 분할 크로마토그래피(Partition Chromatography):

    • 원리
      • 분할 크로마토그래피는 시료 분자의 흡착과 이동상 사이의 분배를 이용하여 분리를 수행합니다. 시료는 이동상과 정체상 사이에서 분배되며, 분리력은 시료의 물리적 특성과 이동상, 정체상의 상호작용에 의해 결정됩니다.
    • 분석 방법
      • 액체 이동상을 사용하며, 시료는 정체상 표면에 흡착되고, 이동상에 의해 이동됩니다. 분할 크로마토그래피 컬럼을 통과하는 동안 시료는 이동상과 정체상 사이에서 분배되어 분리됩니다. 분리된 시료는 검출기에서 검출되어 신호로 변환되고 기록됩니다.
    • 장점
      • 분리력이 뛰어나고, 분리 범위가 넓습니다. 다양한 흡착체와 이동상을 사용하여 다양한 시료에 적용할 수 있습니다. 미량 혼합물의 분리에 효과적입니다.
    • 단점
      • 분석 시간이 길 수 있습니다. 일부 시료에 대해서 선택적인 흡착이 어려울 수 있습니다. 흡착체의 안정성과 재사용 가능성에 제한이 있을 수 있습니다.
  • 3) 이온 교환 크로마토그래피(Ion-exchange Chromatography(IEC)):

    • 원리
      • 이온 교환 수지를 사용하여 이온성 화합물을 분리합니다. 수지는 양이온교환체와 음이온교환체로 구성되어 있으며, 시료 속의 이온들은 이온 교환체와 상호작용하면서 분리됩니다. 이온 교환은 이온의 전하에 따라 흡착 및 분배가 일어납니다.
    • 분석 방법
      • 이온 교환 수지를 사용한 컬럼을 통해 시료가 흐르면 이온 교환에 의해 이온들이 분리됩니다. 이후 검출기를 사용하여 각 이온을 식별하고 측정합니다.
    • 장점
      • 이온성 화합물의 분리에 효과적이며, 대부분 이온을 분석할 수 있습니다. 이온 교환 수지의 선택과 조작을 통해 분리 효율을 조절할 수 있습니다.
    • 단점
      • 이온 교환 수지의 성능과 안정성에 영향을 주는 외부 요인(온도, pH 등)에 민감합니다. 또한, 이온 교환에 의한 분리는 이온 교환체와 시료 사이의 전하 상호작용에 의존하기 때문에 특정한 이온 조건에서만 적용 가능합니다

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  • 4) 크기 배제 크로마토그래피(Size-Exclusion Chromatography (SEC)):
    • 원리
      • 크기 배제 Chromatography라고도 불리며, 분자 크기에 따라 분리됩니다. 정체상은 입자 크기가 시료 분자보다 크므로 시료 분자는 정체상의 빈틈 사이로 통과하면서 분리됩니다. 크기가 큰 분자는 더 빠르게 통과하고, 크기가 작은 분자는 더 느리게 통과합니다.
    • 분석 방법
      • 크기 배제 Chromatography 컬럼을 통과한 후 검출기에서 각 구성 요소를 감지하고 측정합니다.
    • 장점
      • 분석 과정이 비교적 간단하고 빠르며, 샘플을 처리하거나 조작하는 과정이 거의 없어 다른 Chromatography 방법과 함께 사용하기 용이합니다. 또한, 크기가 다른 분자들의 분리에 매우 유용합니다.
    • 단점
      • 분리능이 다른 Chromatography 방법에 비해 상대적으로 낮을 수 있습니다. 크기 배제 Chromatography는 분자의 크기에 따라 분리되기 때문에 분자 구조나 상호작용에 따른 분리는 제한적입니다. 또한, 대부분의 크기 배제 Chromatography 컬럼은 상대적으로 큰 입자 크기를 가지고 있어 높은 압력이 필요할 수 있습니다.

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  • 5)키랄 크로마토그래피(Chiral Chromatography):

    • 원리
      • 키랄 크로마토그래피는 키랄 화합물의 입체 이성질체를 분리하기 위한 크로마토그래피 방법입니다. 이 방법은 키랄 분리 열의 표면에 흡착되거나, 키랄 액체 이동상과 상호작용하도록 설계된 키랄 정체상을 사용합니다.
    • 분석 방법
      • 키랄 크로마토그래피는 액체 이동상을 주로 사용하며, 이동상에는 키랄 정체상이 도입됩니다. 시료를 키랄 정체상과 상호작용하도록 노출시키고, 입체 이성질체 간의 상호작용을 이용하여 분리합니다. 분리된 이성질체는 감지기로 감지됩니다.
    • 장점
      • 키랄 크로마토그래피는 키랄 분석에서 뛰어난 분리능을 제공합니다. 입체 이성질체의 분리와 정량에 용이하며, 다양한 키랄 화합물에 적용할 수 있습니다.
    • 단점
      • 키랄 크로마토그래피는 키랄 정체상의 선택과 최적화에 따라 분리 결과가 크게 달라질 수 있습니다. 키랄 정체상의 제조 비용이 상대적으로 높을 수 있습니다.
  • 6) 친화성 크로마토그래피(Affinity Chromatography):

    • 원리
      • 특정 결합 상호작용을 이용하여 분리하는 방법입니다. 특정 결합체 또는 리간드와 대상 분자 사이의 특이적인 상호작용을 활용하여 분리가 이루어집니다.
    • 분석 방법
      • 액체 이동상으로 시료를 주입하고, 특정 결합체 또는 리간드와의 상호작용을 통해 대상 분자를 분리합니다.
    • 장점
      • 특이적인 상호작용을 이용하여 대상 분자를 선택적으로 분리, 높은 정제 효과와 순도의 분리 가능
    • 단점
      • 특정 결합체 또는 리간드의 선택과 결합 조건 설정이 필요, 분리에 사용되는 결합체의 비용이 상대적으로 높을 수 있음

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기타 분석 방법(분자의 구조와 동적 특성을 연구) #

  • NMR(Nuclear Magnetic Resonance)

    • 분자의 구조와 동적 특성을 연구하는 데에 널리 사용되는 분석 기술입니다.

      NMR 분석은 다양한 분야에서 활용되며, 분자의 구조 결정, 화학 반응 모니터링, 용매 효과 연구, 복잡한 혼합물의 구성 분석 등에 유용합니다.

      그러나 NMR 분석은 장비가 비교적 비싸고, 분석 시간이 오래 걸릴 수 있으며, 시료의 순도와 용매 선택 등에 제한이 있을 수 있습니다.

출처 #

0.0.1_20240214_1_v81