융합 크로마토그래피 입문자 가이드

소개

융합 크로마토그래피의 발전

1.1 융합 크로마토그래피(CC)는 대기압의 100~400배 압력에서 압축된 CO₂를 크로마토그래피 이동상의 주요 용매로 사용하는 분리 기술입니다. CO₂는 주로 액체 보조 용매(co-solvent)(예: 메탄올, 에탄올, 이소프로판올, 아세토니트릴)와 혼합되며, 이는 역상 액체 크로마토그래피(RPLC)의 이동상 특성을 조절하기 위해 이러한 보조 용매(co-solvent)가 물과 혼합되는 방식과 유사합니다. 현대적 초임계 유체 크로마토그래피(SFC)에 익숙한 사람들은 CC와 SFC의 유사성을 바로 알 수 있을 것입니다. 사실상 CC는 현대적 SFC를 부르는 새로운 이름입니다. 이를 이해하려면 시간을 거슬러 올라가 SFC의 개발에 대해 되돌아 볼 필요가 있으며, 다음 단락에서 바로 관련 내용을 알아봅니다.

SFC는 가스 크로마토그래피(GC)의 기능을 확장하기 위해 초임계 조건에서 용매를 사용하는 크로마토그래피 기술로 발명되었습니다. 고온에서만 용리되지만 이러한 온도에서 열분해되는 화합물을 분석하는 문제를 해결하기 위해, Klesper와 동료 과학자들은 고온의 요건을 보상하기 위해 GC에서 더 높은 압력을 사용했습니다. (a) 고압 가스의 용매력을 위해, 그리고 (b) 압력이나 온도 또는 둘 모두를 변화시킴으로써 이동상이 더 이상 단일 용매로 흐르지 않는(기체-액체 상분리를 겪음) 조건을 방지하기 위해 초임계 조건이 선택되었습니다. 이 후, 그들은 용매 밀도를 변화시킴으로써 초임계 조건에서 처리할 때의 주요 장점으로, 용매 강도를 조절할 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 유체는 초임계 조건에서 압축성이 높기 때문에 압력의 작은 변화도 용매 밀도를 크게 변화시켜 분석물 머무름에 변화를 가져옵니다. 사실상, 밀도 조절을 일으키는 작동 압력을 변화시킴으로써 용매 그래디언트를 생성할 수 있으며, 그래디언트를 생성하기 위해 유기 보조 용매(co-solvent)를 혼합할 필요가 없습니다. 이와 같은 단일 무독성 용매 분리 모드는 분석 과학자들 사이에서 상당한 관심과 흥미를 이끌어냈습니다.

그러나 이러한 관심은 오래 가지 못했는데, 그 자체로 유용한 기법인 밀도를 조절하는 방법이 역상 액체 크로마토그래피(RPLC)와 같은 다른 강력한 크로마토그래피 기술로 분리할 수 있는 다양한 화합물에 널리 적용할 수 있을만큼 용매 극성을 충분히 변화시키지 못할 수 있다는 것이 점차 드러났기 때문입니다. SFC를 위한 최상의 용매로 개발된 CO₂는 상당한 밀도 변화에도 무극성 용매로 유지된다는 것이 밝혀졌습니다. 대부분의 극성 분석물을 분리하기 위해서는 극성 보조 용매(co-solvent)(예: 메탄올)를 첨가해야 합니다. 이러한 인식에 따라 SFC 개발 방향이 선회하게 되었습니다. 여전히 밀도 조절에만 의존하는 여러 중요한 응용 분야들이 존재하지만, SFC 분석가들은 보다 다양한 분석물을 분리하기 위해 RPLC에서와 같이 액체 유기 보조 용매(co-solvent)와 첨가물을 혼합하는 방법에 더 치우치기 시작했습니다.

CO₂는 극성이 높은 용매(예: 메탄올, 에탄올, 아세토니트릴)와 완전히 혼화되며, 매우 높은 변형제 조성(예: 60%)에 이르는 용매 그래디언트가 일상적으로 사용됩니다. 이러한 관행은 이동상의 초임계성에 대한 질문을 계속해서 제기시켰습니다. 높은 변형제 농도와 일반적으로 SFC에서 사용되는 온도 및 압력에서, 이동상은 대부분의 분석 시간 동안 초임계 상태가 아닙니다. 그리고 보다 중요한 것은, 초임계 조건으로부터의 이러한 이탈이 크로마토그래피 결과에 영향을 주지 않는다는 것입니다. 그렇다면 초임계 상태에 도달하는 용매를 이용하지 않는 기술이 여전히 초임계 유체 크로마토그래피로 불리는 이유는 무엇일까요? 현대적 SFC를 다른 이름으로 명명하자는 제안이 있었지만(예: 아임계/초임계 유체 크로마토그래피, 간소화된 유체 크로마토그래피, 이산화탄소 촉진 분리, 또는 약어 SFC를 그대로 사용) 어떤 이름도 분석 실험실에서 현재 사용 범위가 확장된 것을 제대로 설명하지는 못합니다.

이러한 정체성의 혼란과 함께 SFC를 중요한 분석 기기로 사용될 수 없게 만드는 첨예한 기술적 어려움이 대두되었습니다. 오래된 기기는 적어도 현대적 HPLC 또는 UPLC 기기와 동등한 수준에서 CO₂와 같은 압축성 용매를 안정적이고 반복적으로 처리할 수 없었기 때문에 분석법에 대한 견고성과 재현성이 떨어졌습니다.

2012년, Waters Corporation이 초고성능 융합 크로마토그래피(UPC²)(그림 1 참조)를 내놓으면서 상황이 완전히 달라졌는데, 기기적인 문제와 이름 지정에 대한 딜레마를 모두 해결했기 때문입니다. 챕터 3에서 자세히 논의하겠지만 기기 견고성이 크게 높아졌고 이전 기술인 SFC와 구별되는 새로운 이름이 마침내 분석 연구를 위한 중요한 대안이 되었습니다.

그림 1. ACQUITY UPC² 시스템.

융합 크로마토그래피의 ‘융합’은 무엇을 의미합니까?

융합 크로마토그래피에서 '융합(convergence)'이라는 단어는 Giddings가 기존 크로마토그래피 기술인 GC와 액체 크로마토그래피(LC)를 한 시스템에 융합하는 기술을 지니고 있다고 관찰한 것에서 차용된 것입니다. Giddings는 LC 및 GC를 연결하고 이동상의 사용을 초임계의 범위 이상으로 확장하는 기술로서 SFC를 묘사했습니다. 융합 크로마토그래피는 현재 초임계 영역과 아임계 영역을 모두 포괄하는 유기 보조 용매(co-solvent)와 함께 가장 많이 사용되며, CO₂만을 사용하는 SFC의 제한된 밀도 조절을 넘어 그 사용 범위가 확장되었습니다. SFC는 단순히 GC와 LC 사이의 빈틈을 메우는 데서 그치지 않고 기존에 예상했던 것보다 훨씬 넓게 활용될 잠재력을 가지고 있습니다.