샘플 도입

샘플 도입

낮은 처리량의 경우 샘플을 수동으로 주입하지만, 높은 처리량이 필요할 때는 주입을 자동화할 수 있습니다. 수동으로 주입할 때는 밸브 핸들을 돌려 주입 루프에 장착된 Rheodyne 밸브를 유동 경로에서 제거합니다. 여과된 샘플을 실린지에 넣고 뭉툭한 니들 끝을 부착하여 기포를 제거합니다. 니들을 샘플 주입 포트에 삽입하고 샘플을 주입 루프로 디스펜스합니다. Rheodyne 밸브 핸들을 돌려서 주입 루프를 다시 유동 경로로 설정합니다. 이 위치에서 샘플이 유동 경로에 배치됩니다.

그림 27. 수동 Rheodyne 주입 밸브 구성요소.

높은 처리량을 위해 샘플 주입을 자동화할 수도 있습니다. 고용량 Autosampler는 단일 플랫폼에서 샘플 흡입과 주입을 관리할 수 있습니다. Microtiter 플레이트, 시험관, 신틸레이션 바이알 또는 기존 Autosampler 바이알의 샘플 주입을 제어하기 위해 정제 소프트웨어에서 로봇 팔을 구성합니다.

주입 루프

일반적으로 주입 루프는 의도한 주입 부피에 따라 선택됩니다. 루프의 부피가 너무 크면 샘플이 루프의 과도한 표면적에 흡수되어 지연이나 샘플 분산이 발생할 수 있으며, 두 경우 모두 크로마토그래피 품질에 부정적인 영향을 미칠 수 있습니다. 의도한 주입량에 가까운 루프 크기에서 최대의 재현성과 크로마토그래피 특성이 얻어집니다.

분획 분취기(Fraction Collector)

사용 목적에서 요구되는 처리량에 따라 분획 분취에 필요한 자동화 수준을 결정해야 합니다. 분획 분취기(Fraction collector)는 스위치와 샘플 전환 밸브로 구성됩니다. 전환 밸브는 화합물이 용리될 때 분취될 수 있도록 적절한 시기에 열립니다.

분획 분취는 처리량이 낮은 경우 수동으로 수행할 수 있지만 처리량을 높이기 위해 자동화할 수도 있습니다. 자동화 수준은 원하는 분취 수와 부피에 따라 결정됩니다. 고처리량 분획 분취기(fraction collector)는 샘플링 및 분획 분취 프로브가 장착된 로봇 팔을 사용하여 동일한 작업대에서 샘플 주입과 분획 분취 기능을 모두 제공하는 경우가 많습니다.

그림 28. Waters 2767 Sample Manager 및 환기용 흄 후드(옵션)가 장착된 분획 분취기(Fraction Collector).

분취 용기

많은 정제 시스템은 다양한 분취 용기 모양, 크기 및 부피에 적용 가능합니다. 가장 일반적인 분취 용기에는 시험관, 바이알, 병 또는 큰 용기에 디스펜스하는 깔때기가 포함됩니다. 분취 용기는 깨끗하고 건조하며, 샘플과 용매에 노출될 때 불활성이어야 합니다. 이러한 용기는 일반적으로 분리물의 디스펜스를 위해 상단 마개 없이 용기 분취 베드에 장착됩니다.

일부 분취 시스템의 경우, 분취되지 않은 분획이 폐기물이 아닌 샘플별 폐기물 용기로 향할 수 있습니다. 사용자가 잘못된 피크를 수집하거나, 부적절한 분석법을 실행하거나, 표적 성분을 검출하지 못하거나, 수집이 트리거되지 않으면 특수 폐기물 용기로 흘러 들어간 샘플에서 용매를 증발시키고 샘플을 다시 용해시켜 다시 주입하게 됩니다.

검출기

정제 크로마토그래피에는 검출과 관련한 특별한 고려 사항이 있습니다. 정제에 사용되는 4가지 주요 검출기 유형에는 UV/Vis, 굴절률(RI), 증발 광산란(ELS) 및 질량분석(MS)이 있습니다.

검출기는 사용자가 설정할 수 있는 단일 파장(UV/Vis)에서 검출을 수행하거나, 광다이오드 배열(PDA) 검출기의 경우 일정한 파장 범위에 걸쳐 흡광도를 수집할 수 있습니다. 분석법 개발 중에는 관심 화합물에 적합한 파장을 선택하기 위해 PDA가 자주 사용됩니다. 이를 위해 가시 범위에서 작업하는 경우, 200–400nm 또는 그 이상(≥ 350nm) 범위의 파장을 수집합니다. 관심 화합물에 대해 최대 신호 강도를 제공하는 파장이 분리를 위한 최적의 파장입니다. 가깝게 용리되는 불순물에 대한 최적의 파장도 결정해야 합니다. 그렇지 않으면 한 파장에서 수집된 “순수 분리물”을 다른 파장에서 관찰했을 때는 불순물이 포함된 것으로 확인될 수 있습니다. 이 경우 분리물의 추가 정제를 위한 2차 분석법 개발과 정제가 필요할 수 있습니다.

UV/Vis 및 PDA 검출기를 사용할 때는 높은 감도가 정제 중에 흔히 볼 수 있는 대량 주입과 높은 샘플 농도에 방해가 될 수 있습니다. 결과적으로, 경로 길이가 긴(10mm) 분석 플로우 셀보다 경로 길이가 짧은(1-3mm) 검출기 플로우 셀이 사용됩니다.

그림 29. 2998 광다이오드 배열(PDA) 검출기.

RI 검출기는 알코올, 당, 당류, 지방산 및 폴리머와 같이 UV 흡광이 제한되거나 전혀 없는 성분을 검출할 때 몇 가지 이점을 가집니다. RI 검출기는 굴절률의 차이를 감지하여 화합물의 유무를 결정합니다. RI 검출기는 이온화하거나 발색단을 포함하는 화합물에 의존하지 않기 때문에 "범용" 검출기라고도 합니다. RI 검출기의 단점은 베이스라인 표류를 유발하는 그래디언트 교란이 검출되지 않도록 등용매 분리에만 사용할 수 있다는 것입니다.

그림 30. Waters 2414 굴절률(RI) 검출기.

ELS 검출기는 UV/Vis 및 RI 검출기의 대안으로 사용할 수 있습니다. ELS 검출기는 가열된 분무기에 용리액을 통과시켜 분석물을 휘발시키고 용매를 증발시키는 방식으로 작동합니다. 용매는 가스로 운반되지만 분석물질은 미세한 입자 흐름을 형성하며, 이를 광원과 검출기 사이를 통과시켜 산란되는 빛을 측정합니다. ELS 검출기의 주된 장점은 발색단이 없는 화합물을 검출할 수 있으며 등용매 및 그래디언트 분리에 모두 사용할 수 있다는 것입니다. 단점은 ELS 검출기가 샘플을 파괴하므로 검출기를 주 유동 경로에 인라인으로 배치할 수 없다는 것입니다. 따라서 소량만 ELS 검출기로 향하고 나머지는 분획 분취기(Fraction Collector)로 향하도록 유동 경로를 분할해야 합니다.

MS 검출기는 질량에 따라 질량분석기 컬럼에서 나오는 분리된 샘플 화합물을 식별합니다. MS는 분자 분석 중 감도가 높은 고선택성 분석법 중 하나로, 분석물의 특성을 확인하는 데 중요한 분석물 분자의 분자량 정보뿐만 아니라 조각화 패턴에 대한 정보도 제공합니다. 다양한 유형의 인터페이스를 통합한 다양한 형태의 MS 시스템을 사용할 수 있습니다. 가장 널리 사용되는 인터페이스는 전자분무(ESI) 및 대기압 화학 이온화(APCI)입니다. 각 인터페이스는 적용 부문, 가능한 유량, 감도 및 반응 선형성에서 차이가 있습니다. ELS 검출기와 마찬가지로 MS는 파괴적인 기술이므로 흐름을 분할하여 소량은 검출기로, 나머지는 분획 분취기(Fraction Collector)로 보내야 합니다.

그림 31. Waters ACQUITY QDa 검출기.

흐름 분할기

MS 또는 ELS와 같이 화학적으로 파괴적인 검출기의 경우 컬럼에서 나오는 흐름의 일부를 주 흐름에서 분리하여 검출기로 보내 분획되도록 해야 합니다. 분획 분취기(Fraction Collector)가 작동하기 전에(지연 시간) 검출기가 피크를 검출해야 하므로, 주 흐름이 분획 분취기에 도달하기 전에 분할 흐름이 검출기에 도달해야 합니다. 이를 위해 “보조 펌프(make-up pump)”와 “보조 용매(make-up solvent)”를 사용하여 분할 흐름의 속도를 높입니다.

“수동” 또는 “능동” 흐름 분할기가 있습니다. 수동 흐름 분할기와 능동 흐름 분할기는 메인 샘플 흐름을 샘플링하는 효과가 동일하므로 선호도에 따라 분할기 유형을 선택하면 됩니다.

수동 분할기의 경우, 특정 유량 범위와 분할 비율을 유지하기 위해 지연 코일 및 “T 피팅”과 같은 제한적인 튜브를 사용합니다.

그림 32. 수동 분할기 박스.
그림 33. 수동 분할기 박스의 흐름도.

분할기 부품 번호

유량 범위(mL/분)

분할 비율

타겟 컬럼

205000435

0.5–2.0

15:01

4mm

205000436

2.0-8.0

100:01:00

10 mm

205000437

8.0-30

1,000:1

19 mm

205000438

8.0-30

5,000:1

19 mm

205000439

30-100

5,000:1

30 mm

205000440

100-150

10,000:1

50 mm

표 6. Waters에서 제공하는 수동 분할기 옵션.

능동 흐름 분할기에는 완전히 분리된 두 개의 유동 경로가 존재하며, 주 흐름의 일부를 보충 흐름으로 전달하여 프로그래밍된 분할 비율로 희석시키는 데 사용되는 급속 전환 밸브가 있습니다.

튜빙

유체 경로에 적절한 튜브를 결정할 때 몇 가지 고려해야 할 사항이 있습니다. 첫째, 시스템 유동 경로에 있는 튜브의 무결성을 보장하려면 튜브 재질과 적용 분야에 대한 적합성을 고려하는 것이 가장 중요합니다. 튜브는 PEEK(polyether ether ketone) 고성능 엔지니어링 폴리머 또는 스테인리스 스틸로 만들어지며 샘플이 튜브 표면에 달라붙어 샘플이 손실되거나 회수율이 낮아지거나 carryover가 발생하지 않게 하려면 샘플 및 이동상과 화학적으로 호환되어야 합니다.

시스템 튜브도 유동 경로의 압력 및 작동 온도를 견딜 수 있어야 합니다. 다만 정제 크로마토그래피의 경우 유체 경로의 온도 제어가 종종 사용되지 않으므로 온도 제어는 중요하지 않을 수 있습니다.

압력 제한이 고려 요소일 때는 크로마토그래피 정제 시스템을 세 구역으로 분리할 수 있습니다. 즉, 용매 저장소와 펌프 사이의 “저압” 구역, 펌프와 컬럼 주입구 사이의 “고압” 구역, 그리고 컬럼의 배출구와 검출기 뒤 폐기물 저장소 또는 분획 분취기(Fraction Collector) 사이의 두 번째 “저압” 구역입니다. 각 구역의 튜브에는 고유한 압력 유지 요건이 적용됩니다. 중요한 요구사항이 적용되는 압력 구역에서 부적절한 튜브 재질을 선택하면 성능 저하와 크로마토그래피 문제뿐만 아니라 누출과 파열이 발생할 수도 있습니다.

튜브 내경과 튜브 길이의 두 가지 변수를 고려해야 합니다. 일반적으로, 내경이 작을수록 내부 속도가 빨라지고 샘플이 잘 분산되지 않아 샘플을 가능한 한 농축된 상태로 유지할 수 있습니다. 그러나 튜브 내경이 감소할수록 튜브에 의해 발생하는 압력이 크게 증가하여 검출기 플로우 셀 또는 기타 시스템 구성요소와 호환되지 않을 정도로 시스템 역압이 커질 수 있습니다. 내경이 서로 다른 튜브를 연결하면 접합부 또는 그 부근에서 무용 부피(dead volume)가 형성될 수 있습니다. 이 무용 부피는 유체 또는 이동상에 의해 적절하게 채워지지 않기 때문에 피크 모양 문제와 carryover를 유발할 수 있습니다.

튜브 길이를 고려할 때는 생성되는 유동 경로의 부피가 클수록 이동상에서 샘플이 희석되고 분리된 성분이 다시 합쳐질 가능성이 커진다는 점을 염두에 두어야 합니다. 튜브 길이는 시스템 압력, 지연 부피 및 엑스트라 컬럼 볼륨에도 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 튜브 길이를 고려해야 합니다.

대규모 분취 정제 시스템은 일반적으로 높은 유속으로 작동합니다. 이러한 유속으로 인한 역압을 완화하여 고품질 크로마토그래피 결과를 보장하려면 적절한 직경의 튜브로 정제 시스템을 연결하는 것이 중요합니다. 0.05~130mL/분의 유속에 맞는 다양한 튜브 직경이 제공됩니다.

내경

색상

유량(mL/분)

µL/ft

압력 한계(psi)

압력 한계(bar)

0.0025"

천연색

0.05-0.2

0.9

7000

483

0.005"

빨간색

0.2-0.5

3.5

7000

483

0.007"

노란색

0.5–1.5

8

7000

483

0.010"

파란색

1.0-10

13

7000

483

0.020"

주황색

10-30

50

7000

483

0.030"

녹색

30-65

140

7000

483

0.040"

갈색

65–130*

250

5000

344

*이 범위의 유량에는 스테인리스 스틸 튜브가 권장됩니다.

실온의 물로 측정된 압력.

표 7. 튜빙 직경 및 적절한 유량(mL/분). “색상”은 PEEK 폴리머 튜브와 관련이 있습니다.

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