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1. 종이크로마토그래피를 이용한 혼합물 분리
1.1. 크로마토그래피의 개념 및 역사
크로마토그래피는 "chrome(색상)와 Graphein(기록)"의 복합어로, 색상을 기록한다는 의미에서 유래되었다. 크로마토그래피는 1906년 러시아의 식물학자 Tswett의 논문에서 처음 사용된 용어이다. 크로마토그래피는 혼합물을 분리하기 위한 실험적 방법으로, 이동상과 고정상 사이의 성분별 인력 차이를 이용한다. 혼합물이 이동상에 분산된 상태로 고정상을 통과하면 각 성분들이 고정상과 이동상에 대한 인력 차이로 인해 다른 속도로 이동하여 분리된다. 이를 통해 혼합물의 성분들을 분리할 수 있다.
크로마토그래피의 역사를 살펴보면, 1905년 Ramsey가 가스와 증기의 혼합물 분리를 위해 흡착제인 활성탄을 사용한 것이 그 시작이다. 1906년 러시아의 식물학자 Tswett는 식물 잎의 엽록소(클로로필과 크산토필)를 분리하기 위해 유리관에 흡착제(탄산칼슘)를 충진하고 석유에테르를 사용하는 실험을 고안하면서 이를 크로마토그래피라 명명하였다. 이후 1941년 Martin & Synge가 액체-액체 크로마토그래피를, 1952년 James & Martin이 가스-액체 크로마토그래피를 각각 개발하였다.
1960년대 후반 정교한 제어가 가능한 고압펌프의 개발로 고압액체 크로마토그래피(HPLC)가 발전하면서 분석 시간이 크게 단축되었고, 상업적 판매도 급증하였다. 현재는 10,000 psi 이상의 고압을 지원하는 초고성능 액체 크로마토그래피(UPLC) 등이 개발되어 사용되고 있다. 하지만 여전히 HPLC 시스템이 범용적으로 많이 사용되고 있는데, 이는 대부분의 분리 분석 시험에 HPLC로도 충분하고 UPLC의 빠른 분석능력에도 불구하고 컬럼 손상 등의 문제가 있기 때문이다.
이처럼 크로마토그래피는 1900년대 초반부터 발전해온 분리 분석 기술로, 생물학, 유기화학 등 다양한 분야에서 복잡한 혼합물을 빠르고 정확하게 분리할 수 있는 강력한 도구로 활용되고 있다.
1.2. 크로마토그래피의 원리
크로마토그래피는 혼합물에서 단일 물질들을 분리하는 것을 의미한다. 혼합물이 이동상에 녹은 채로 고정상을 통과할 때 고정상과 혼합물 사이의 다양한 결합 등에 의해 혼합물을 이루고 있는 물질들의 이동시간이 달라지는 것을 이용하여 각 물질을 분리해낸다.
혼합물(사각, 원, 삼각)이 이동상(노란색) 고정상(회색박스)을 따라 이동하게 됨에 따라 혼합물이 분리된다. 각 성분 물질은 이동상과 고정상에 대한 친화도 차이로 인해 다른 속도로 이동하게 되어 분리가 가능하다. 이때 각 물질의 상대적 움직임은 이동상의 움직임과 이동상의 움직임 지연 효과들 사이의 균형의 결과이다. 주요 지연효과에는 분배(partition)와 흡착(adsorption)이 있다.
일반적으로 두 상이 동일한 용질을 포함한다면 용질은 두 상 사이에서 분포하게 될 것이다. 크로마토그래피는 이러한 차이를 이용하여 혼합물을 분리한다. 혼합물이 이동상에 녹인 상태로 고정상을 통과할 때 고정상과 혼합물 사이의 다양한 인력 등의 결합 차이로 인해 혼합물을 이루고 있는 성분 물질들이 다른 속도로 이동하게 되어 분리가 가능해진다.
즉, 크로마토그래피의 원리는 혼합물의 각 성분 물질이 이동상과 고정상에 대한 친화도 차이로 인해 다른 속도로 이동한다는 것이다. 이를 통해 혼합물을 구성하는 개별 성분 물질들을 분리해낼 수 있다.
1.3. 정지상과 이동상의 개념
정지상과 이동상의 개념은 크로마토그래피에서 매우 중요한 핵심 개념이다. 정지상이란 크로마토그래피 장치 내부의 고정된 물질을 의미하며, 이동상이란 크로마토그래피 장치를 통해 이동하는 용매나 기체와 같은 물질을 말한다. 정지상과 이동상 사이의 상호작용을 이용하여 혼합물의 성분을 분리할 수 있다.
정지상은 크로마토그래피 실험에서 혼합물의 성분들을 다르게 흡착하여 분리할 수 있게 해주는 흡착제 역할을 한다. 종이 크로마토그래피에서는 거름종이가 정지상으로 사용되며, 관 크로마토그래피에서는 실리카겔이나 알루미나와 같은 고체 물질이 정지상으로 사용된다. 정지상의 성질은 혼합물의 분리 정도와 분리 속도에 큰 영향을 미치므로 실험 목적에 맞는 정지상을 선택하는 것이 중요하다.
이동상은 고정된 정지상을 통과하며 혼합물의 성분들을 이동시킨다. 이동상은 액체 용매나 기체 등이 될 수 있다. 혼합물의 성분들은 정지상과 이동상 사이의 상호작용 차이로 인해 이동 속도가 달라지게 되며, 이를 통해 혼합물이 분리된다. 이동상의 성질, 예를 들어 극성, 점성, 밀도 등은 성분들의 이동 속도에 영향을 주므로 실험 조건에 맞는 이동상을 선택하는 것이 중요하다.
정지상과 이동상 간의 상호작용 차이를 이용한 분리 메커니즘은 크로마토그래피의 핵심 원리이다. 크로마토그래피에서는 정지상과 이동상의 조합에 따라 다양한 분리 효과를 얻을 수 있다. 따라서 정지상과 이동상의 개념은 크로마토그래피 기술의 이해와 응용에 필수적이라고 할 수 있다.
1.4. 크로마토그래피를 이용한 혼합물 분리 방법
크로마토그래피를 이용한 혼합물 분리 방법은 다음과 같다.
혼합물의 분리에는 소금물에서 소금과 물을 분리하는 증류, 필터를 통해 기체 분자를 분리하는 흡착, 여과와 크로마토그래피를 이용하는 분리방법이 있다. 그 중 크로마토그래피는 혼합물에서 단일 물질들을 분리하는 것을 의미한다. 크로마토그래피는 두 상(相)에 대한 혼합물 성분들의 친화력 차이를 이용하여 물질을 분리하는 기술이다. 혼합물은 이동상과 정지상으로 구성되어 있으며, 각 성분 물질들은 두 상에서 서로 다른 분포를 가지게 된다. 이로 인해 각 성분 물질들은 다른 속도로 이동하게 되어 분리된다.
일반적으로 크로마토그래피에서는 고정상(정지상)과 이동상이 사용된다. 정지상은 내부 벽이나 지지물체에 고정된 물질로, 혼합물의 성분들과 상호작용한다. 이동상은 혼합물이 섞여 있는 용액이나 기체로, 혼합물 성분들을 정지상을 통해 이동시키는 역할을 한다.
대표적인 크로마토그래피 기법으로는 종이크로마토그래피(PC), 관 크로마토그래피, 기체 크로마토그래피, 액체 크로마토그래피, 이온교환 크로마토그래피, 겔 크로마토그래피 등이 있다.
종이크로마토그래피는 거름종이를 고정상으로, 용매를 이동상으로 사용하여 혼합물을 분리하는 방법이다. 혼합물이 용매에 녹아있는 상태로 거름종이를 따라 이동하게 되는데, 각 성분 물질들이 정지상과 이동상에 대한 친화력 차이로 인해 다른 속도로 이동하면서 분리된다.
관 크로마토그래피는 유리관에 고체 흡착제를 채운 후 혼합물을 넣고 용매를 부어 내려보내는 방식이다. 성분 물질들이 고체 흡착제와 용매 사이의 상호작용 차이로 인해 분리된다.
기체 크로마토그래피는 기체 상태의 시료와 기체 또는 액체 이동상을 사용하여 혼합물을 분...
