KR101124531B1 - 기체크로마토그래프를 이용한 기체상 혼합물로부터 목적 물질의 선택적 분취방법 - Google Patents

Abstract

기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법으로써, 혼합물로부터 기체크로마토그래프용 모세분리관을 이용하여 단일 물질로 분리하는 단계; 상기 분리 단계에서 분리된 단일 물질로부터 스위치를 사용하여 선택적으로 목적 물질로 재분리하는 단계; 상기 재분리 단계에서 얻은 목적 물질을 냉각 장치를 이용하여 분취하는 단계; 및 상기 분취단계에서 얻은 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계를 포함하는 방법이 개시된다.
본 발명에 의하면 여러 가지 물질이 섞여 있는 복잡한 혼합물에서 수행함으로써, 분석용 모세분리관을 이용하여 목적 물질을 효과적으로 분리하고 분리된 목적 물질을 헬륨기체 스위치를 이용하여 선택적으로 분취함으로써 고순도의 물질을 얻을 수 있다. 이러한 목적 물질이 천연물질로부터 추출하여 얻거나 합성에 의해 얻는 수밖에 물질인 경우 그 효용 가치는 매우 높다고 볼 수 있다.

Description

기체크로마토그래프를 이용한 기체상 혼합물로부터 목적 물질의 선택적 분취방법{Gas chromatographic method for selective isolation of target compound from complex samples in the gas phase}

본 발명은 기체상 혼합물로부터 기체크로마토그래프를 이용하여, 선택적으로 목적 물질(target compound)을 분취하는 방법으로, 보다 상세하게는, 모세분리관을 이용하여 단일 물질을 분리하며, 분리과정을 통해 확인된 목적 물질을 이동상 기체 스위치를 이용한 선택적 재분리, 재분리된 목적 물질을 액체 탄산가스로 냉각하여 저온에서 분취, 얻어진 목적 물질을 검출기(detector)로 확인하는 방법이다.

검출기 중 하나로 사용되는 질량분석기(mass spectrometer)는 화합물의 확인에 없어서는 안 되는 분석 장비이다. 그러나 질량분석스펙트럼이나 머무름 시간만으로 확인이 안 되는 경우 난관에 봉착하게 된다. 이는 확인하고자하는 화합물이 질량분석스펙트럼 데이터베이스에 등록이 안 되었거나 이성질체의 동등성이나 분자이온이 없는 경우가 그런 예에 해당된다.

보통 질량분석기나 핵자기공명분광기의 분석장비로 화합물을 확인(identification)하기 위해서는 고순도의 물질이 필요하다. 만약 고순도의 물질을 얻을 수 없는 경우 천연물질로부터 추출하여 얻거나 합성에 의해 얻는 수밖에 없다.

화합물의 확인을 위해서 단계별 과정이 순차적으로 연결된 온라인(on-line) 방법보다는 각각의 독립적인 과정이 조합된 오프라인(off-line) 방법이 일반적으로 사용된다. 이러한 방법은 순수한 화합물을 분리하는데 많은 시간과 노력이 소요되며 시료의 손실, 변형, 오염 등이 수반되는 경우도 많다. 그래서 이러한 문제점을 해결하는 대안으로 조제용 액체크로마토그래피(preparative liquid chromatography)가 유용한 방법이 될 수 있다. 이 장비는 시료의 도입부, 분리컬럼 등이 대용량 시료의 분리에 알맞은 형식을 맞추어 분획할 수 있도록 구성되었다. 하지만 분취용으로 용도가 제한적이고 분취(isolation)에 소요되는 시간이 길며 혼합물에서 목적 물질을 분리하기 위해서는 시간에 따라 순차적으로 분취되는 물질을 하나하나 확인해야하는 번거로운 작업이 필요하다. 또한 감도와 분해능이 제한적이어서 복잡한 시료를 다량 분석하기에는 아직까지 어려움이 있다.

일예로 벨람칸다(Belamcanda chinensis) 성분 분리 실험의 경우 상당히 많은 분리과정을 거치게 되는데 첫 번째 액체크로마토그래피를 이용하여 무려 9개 추출물을 받아내고 각각을 다시 두 번째 조제용 액체크로마토그래피를 이용하여 정제하고, 세 번째 분석용 액체크로마토그래피(analytical liquid chromatography)로 순도를 결정하고, 최종적으로 액체크로마토그래피-질량분석기로 물질을 확인하는 과정을 거치게 된다(Wang et al., J. Liq. Chromatogr. Relat. Technol., 2011; 34(4):241-257).

미량을 주입하여 분리하고자 하는 화합물을 분취하기 위해 사용되는 방법으로 냉각트랩핑(cryotrapping) 기술이 있으며 여기에는 내부(internal) 및 외부(external) 냉각트랩핑 방법이 있고, 냉각 매질로는 액체 질소(liquid N₂)와 액체 이산화탄소(liquid CO₂)가 사용된다.

내부 냉각트랩핑 방법은 기체크로마토그래프 내부에 냉각 장치를 설치하게 되므로 오븐 안에서 냉각과정이 진행되어 냉각 매질의 사용량이 많으며 이때 발생되는 낮은 온도의 질소 또는 탄산가스에 의해 내부 온도의 변동성이 커져 성능이 뛰어난 가열장치로 온도를 제어하는 것이 필요하다. 반면 외부 냉각트랩핑 방법은 기체크로마토그래프 외부에 설치하여 사용하므로 설치가 간편하고 사람이 직접 냉각과정을 확인할 수 있다는 장점이 있으나, 외부 냉각트래핑을 기체크로마토그래프에 사용한 예는 없다.

이러한 냉각트랩핑 기술이 기체크로마토그래피와 결합되어 분석에 응용된 예는 주로 내부 냉각트랩핑 방법이 사용되었으며 일예로 고체상미세추출(solid-phase microextraction)방법이 결합된 기체크로마토그래피의 크로마토그램 분리능을 향상시키기 위해 적용된 사례가 있다(Lee et al., Chemosphere, 2007; 69(9):1381-1387).

복잡한 혼합물로부터 순수한 목적 물질을 얻기 위해서는 우선 여러 화합물을 효과적으로 분리하기 위한 높은 분해능을 갖는 기체크로마토그램을 얻을 수 있어야하며, 반복 주입하여 얻은 일련의 크로마토그램의 재현성이 높아야 한다.

종래의 화합물을 분리하고 분취하는 방법은 조제용 액체크로마토그래피를 이용하는 방법과 화합물을 합성하는 방법이다. 그러나 조제용 액체크로마토그래피를 이용하는 방법은 제조용 분리관에 시료를 많이 주입하기 위해 큰 입자의 정지상을 사용하게 된다. 그러나 입자가 커지면 주입량은 증가하지만 이론단수가 적어져 분해능(resolution)은 낮아지게 되고 고순도의 물질을 얻기 힘들게 된다. 게다가 분취 과정도 길고 복잡하여 손쉽게 접근할 수 있는 방법으로 보기 어렵다. 다음으로 합성에 의해 화합물을 얻는 방법은 고도의 전문지식을 갖춘 제한적인 유기합성 전문가만이 합성이 가능하며 이 방법 역시 고순도 화합물을 얻기 위해서는 합성과정에서 발생되는 중간체와 부산물을 목적 물질로부터 효과적으로 제거해야 하는 문제점이 남게 된다. 따라서 여러 성분이 혼합된 화합물에서 빠르고 간편하게 고순도의 목적 물질을 얻을 수 있는 방법의 개발 및 적용에 대한 요구와 관심이 집중되고 있다.

복잡한 혼합물로부터 특정 목적 물질을 효과적으로 분취하기 위해서는 분리능이 높은 분리분석법을 적용하여 목적 물질을 다른 성분과 완벽하게 분리하는 것이 바람직하며, 동일하게 여러 번 반복되는 과정을 자동화함으로써 분리과정을 단순화하여 보다 높은 효율로 신속?간편하게 분취가 가능하도록 하는 단계를 포함하며, 일정 농도 이상으로 목적 물질을 확보할 수 있으며 일상적으로 쉽게 화합물의 분취 및 정체가 가능한 방법이 필요하다.

여러 성분이 포함된 혼합 시료로부터 얻고자하는 특정 목적 물질을 간편하고 효율적으로 분취하기 위하여 본 발명은 복잡한 혼합물질 분리에 유용하며 높은 분리능을 가진 모세분리관(capillary column)을 이용하여 특정 목적 물질을 분리하고, 선택적 분취를 위해 이동상 기체를 이용한 스위치를 장착하고 일정 농도 이상의 목적 물질 획득에 유용한 냉각 장치 사용을 통하여 여러 성분이 포함된 혼합물로부터 간편하고 효율적으로 특정 목적 물질을 분취하고, 확인할 수 있는 방법 제공을 목적으로 한다.

다만, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 평균적 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따라 혼합물로부터 기체크로마토그래프용 모세분리관을 이용하여 단일 물질로 분리하는 단계; 상기 분리 단계에서 분리된 단일 물질로부터 스위치를 사용하여 선택적으로 목적 물질로 재분리하는 단계; 상기 재분리 단계에서 얻은 목적 물질을 냉각 장치를 이용하여 분취하는 단계; 및 상기 분취단계에서 얻은 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계를 포함하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법을 제공한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 재분리 단계에서 분리된 단일 물질 확인은 검출기(detector)를 사용한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 스위치와 상기 냉각 장치는 연결관에 의해 연결된다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 검출기는 상기 재분리 단계의 스위치와 연결관에 의해 연결된다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 스위치는 이동상 기체를 사용한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 냉각 장치는 외부 냉각트랩핑 방식이고, 상기 연결관 말단은 기화기 내에 위치한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 냉각 장치는 액체 이산화탄소를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 냉각 장치를 이용하여 목적 물질 분취 후, 유기 용매로 목적물질을 용리한다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계에서 검출기는 질량분석기 및 불꽃이온화검출기이다.

기타 본 발명의 실시예의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 기체크로마토그래프의 모세분리관(column)과 이동상 기체 스위치를 이용하여 높은 순도로 분리가 가능하며, 시료의 처리과정을 상당히 줄이거나 제거할 수 있으며, 분석용 모세분리관(capillary column)을 도입함으로써 분리능(separation power)을 향상시킬 수 있다. 또한, 냉각 장치(cryotrap)를 장착하여 선택적으로 단일 화합물을 분취할 수 있게 되고, 일단 분취된 물질은 질량분석기로 물질을 확인할 수 있다.

본 발명에 따른 구체적인 효과를 단계별로 나타내면 다음과 같다.

첫째, 기체크로마토그래프용 모세분리관을 도입함으로써 고분리능 구현이 가능하며 여러 성분이 포함된 복잡한 혼합 시료로부터 단일 물질로 보다 효과적인 분리가 가능하다.

둘째, 단일 물질로 분리 후 선택적으로 목적 물질로 재분리하는 단계에서, 이동상 기체를 이용한 스위치를 사용가능함으로써 선택적인 분취가 가능하며, 스위치의 작동이 높은 재현성을 갖고 있어 반복적인 분취과정을 수행할 수 있다.

셋째, 재분리 단계에서 얻은 목적 물질을 분취하는 단계에서, 냉각 장치를 사용함으로써 분리단계에서 확인된 목적 물질을 보다 높은 효율로 분취할 수 있다. 아울러, 자동주입장치를 사용하는 경우, 동일 시료를 여러 번 주입한 후 연속적으로 응축시켜 분취함으로써 목적 물질의 분취량을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 기체상 혼합물을 보다 낳은 분리능으로 목적 물질과 방해물질을 분리하는 기체크로마토그래피의 분리부와, 스위치를 이용하여 선택적으로 목적 물질을 냉각 장치로 보내는 분취부와, 분취된 목적 물질을 보다 낳은 순도로 축적하여 얻을 수 있는 냉각부 및 목적 물질 확인을 위한 검출기를 포함한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 혼합물에 포함된 성분들을 분리하여 목적 물질을 확인한 크로마토그램이다.
도 3은 본 발명의 일 구체예에 따른 혼합물에서 목적 물질을 50회 분취한 크로마토그램이다.
도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 페닐프로필 유도체의 질량분석스펙트럼이다.
도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 펜타데칸(pentadecane)을 단일 물질로 분리하기 전후의 피크를 나타내고 있는 크로마토그램이다.
도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 탄화수소 화합물을 단일 물질로 분리하기 전후의 피크를 나타내고 있는 크로마토그램이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며, 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

본 발명의 일 측면은 혼합물로부터 기체크로마토그래프용 모세분리관을 이용하여 단일 물질로 분리하는 단계; 상기 분리 단계에서 분리된 단일 물질로 부터 스위치를 사용하여 선택적으로 목적 물질로 재분리하는 단계; 상기 재분리 단계에서 얻은 목적 물질을 냉각 장치를 이용하여 분취하는 단계; 및 상기 분취단계에서 얻은 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계를 포함하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법이다.

도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 혼합물로부터 목적 물질을 선택적으로 분취하고 확인하는 분석 장치를 나타낸 구성도이다.

상기 혼합물은 기체상이 가능한 혼합물이며, 바람직하게는 메스암페타민 혼합물, 탄화수소 혼합물, 경유 연료이다.

기체크로마토그래프를 이용하여 시료를 분석하는 경우, 먼저 기체크로마토그래프에 장착된 모세분리관(capillary column)의 고정상과 이동상 사이에서 흡착성 또는 분배계수의 차를 이용하여 목적 물질이 분리된다.

상기 기체크로마토그래프용 모세분리관은 기체크로마토그래프에 사용되는 통상적인 모세분리관이 가능하다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 바람직하게는 모세분리관의 정지상은 1-35% phenyl과 65-99% methyl-polysiloxnae이다. 모세분리관의 길이는 15-60m, 직경은 0.18-0.32mm, 정지상의 두께는 0.1-1.5 μm 이다.

기체크로마토그래프의 이동상 기체로는 질소, 수소, 헬륨 기체를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고순도 헬륨 기체를 사용한다.

기체크로마토그래프의 분리조건 설정단계에서는 모세분리관이 장착된 오븐의 온도를 단계별 조절하여 각각의 분석물질의 머무름 시간과 분리 조건을 조정할 수 있다. 이때 적용되는 온도 조건은 시료로부터 유래한 방해물질의 영향을 최소화하며 목적 물질이 빠른 시간 내에 모두 분석될 수 있도록 설정한다.

기체크로마토그래프의 온도 조절 단계에서 등온과 가온을 가함으로써 목적 물질과 방해물질을 구분하고 각 성분에 해당되는 크로마토그램의 분리능을 향상시키기 위해 50~325 ℃의 온도 범위로 선정할 수 있다. 본 발명의 일 구체예에 따르면, 오븐의 초기 온도를 100℃로 설정하여 15℃/min으로 280℃까지 승온하여 2분간 유지시킨 후 20℃/min으로 300℃까지 승온하여 3분간 유지시킨 후 다시 20℃/min으로 310℃까지 승온하여 2분간 유지시킨다. 이때 모세분리관의 유량을 0.5~2.5 mL/min으로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 0.5 mL/min의 유량을 사용한다.

상기 분리단계에서 분리된 단일 물질로 부터 스위치를 사용하여 선택적으로 목적 물질을 재분리한다.

모세분리관으로부터 분리된 목적 물질은 머무름 시간(retention time)의 차이를 두고 전기적 신호를 받아 작동하는 솔레노이드 밸브와 이동상 기체의 유량 차이를 이용한 스위치를 사용해서 목적 물질이 흘러가는 경로를 변경하여 선택적으로 분취하기 위한 장치인 스위치에 도착하게 된다.

이후, 상기 스위치를 사용한 재분리 단계에서 얻은 목적물질을 냉각장치를 이용하여 분취한다. 상기 스위치와 냉각 장치는 연결관에 의해 연결된다.

또한, 상기 스위치를 사용한 재분리 단계에서 분리된 단일 물질을 확인은 검출기를 사용할 수 있으며, 이 때 상기 스위치와 검출기는 또 다른 연결관에 의해 연결된다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, 스위치는 세 개의 관으로 구성되며 중간 위치에 분석용 모세분리관을 연결하고 하부의 연결관 1은 검출기에 연결되고, 상부의 연결관(transfer line) 2는 냉각 장치에 연결된다. 상부와 하부의 연결관에는 이동상 기체인 헬륨이 공급된다. 이동상 기체 헬륨은 전기적 신호가 스위치의 솔레노이드 밸브에 공급되지 않을 경우 모세분리관을 거쳐 스위치 중간 위치에서 하부의 연결관 1 방향으로 흐르며, 반대로 전기적 신호가 스위치에 공급되면 솔레노이드 밸브가 열려 상부의 연결관 2 방향으로 전환된다.

따라서, 이후 목적 물질 분취를 위해, 우선 혼합물 시료 중 특정 목적 물질의 머무름시간을 확인하기 위해서 헬륨 경로를 모세분리관을 거쳐 연결관 1로 설정한 후 검출기로 얻어진 크로마토그램 상의 특정 목적 물질의 머무름시간을 확인한다. 다음 크로마토그램상의 목적 물질 피크(peak)가 시작되는 시간과 끝나는 시간을 기록한 후 이 시간을 각각 전기적 신호가 공급이 시작되는 시점과 전기적 신호를 차단하는 시점으로 설정하게 된다. 그리고 전기적 신호를 공급하고 차단하는 과정을 거치면서 목적 물질만 연결관 2의 경로를 거쳐 냉각 장치로 이동하게 되고 나머지 혼합물은 검출기로 보내져 목적 물질이 제외된 크로마토그램을 얻게 된다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 연결관(transfer line)은 연결관 1 및 연결관 2로 구성되며, 재질은 용융 실리카(fused silica)이다. 연결관 1은 스위치와 검출기 사이에 연결되어 있으며, 연결관 2는 스위치와 냉각 장치 사이에 연결된 모세관으로써, 충진 물질은 없으며, 기체의 통로 역할을 한다.

연결관의 길이에 따라 이동상 기체의 압력을 1~200 kPa로 설정 가능하며, 바람직하게는 특정 유량으로 환산 가능한 정압으로 설정한다.

여기서, 스위치로부터 검출기와 냉각 장치에 각각 연결되는 연결관 1과 2는 유량에 따라 관의 길이와 내경이 한정된다. 분석용 모세분리관의 유량은 0.5~3.0 mL/min로 설정가능하고 연결관 1과 2의 유량은 1~2.0 mL/min으로 설정가능하며, 본 발명의 일 구체예에 따르면, 모세분리관의 유량을 0.5 mL/min로 설정하고 연결관 1, 2의 유량을 모두 1.5 mL/min으로 설정하였을 때 연결관 1은 길이 0.23 m, 직경 0.1 mm로, 연결관 2는 길이 0.5 m, 직경 0.25 mm로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 연결관 1 및 2의 유량 1.5 mL/min은 이동상 기체에 걸리는 압력으로 환산하면 11.03 kPa에 해당하며 유량이 1.91 mL/min은 한다.

상기 재분리 단계에서 얻은 목적 물질은 냉각 장치를 이용하여 분취한다.

상기 냉각 장치는 내부 냉각트래핑과 외부 냉각트랩핑 방식이 가능하며, 바람직하게는 외부 냉각장치를 사용한다. 분석의 목적에 따라 외부 냉각장치 위치에 검출기를 추가로 장착할 수 있으며 바람직하게는 불꽃이온화검출기가 바람직하다.

상기 냉각장치는 목적 물질을 재분리하는 단계에서 사용된 스위치와 연결되며, 이 때 연결관 말단은 기화기 내에 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 구체예에 따른 도 2 및 도 3는 상기 스위치에 의해 목적 물질을 분취하기 전과 후의 크로마토그램을 나타낸다. 도 2의 크로마토그램에서와 같이 목적 물질의 피크를 확인한 후 분취시간을 결정할 수 있다. 도 2를 보면, 모세분리관을 거친 단일 물질의 머무름 시간은 13.37이며 단일 물질로 분리된 목적 물질을 냉각 장치로 보내기 위해서는 경로를 연결관 1로부터 2로 전환시켜야 하는데 이 과정을 수행하기 위해 스위치에 장착된 솔레노이드 밸브에 전기적 신호를 공급하고 차단하는 시간에 따라 경로가 바뀌게 되므로 이때 경로를 주입구에서 분석용 모세분리관을 거쳐 스위치에서 연결관 2를 통해 목적 물질이 응축되는 냉각 장치에 도착하도록 하는 시간 간격은 바람직하게 13.34~13.41 min으로 설정한다. 이때 스위치는 전기적 신호에 의해 구동되는 솔레노이드 밸브에 의해 작동되며 전기신호가 전달되지 않는 상태에서는 솔레노이드 밸브가 닫혀 있게 되어 분석 대상물질의 이동 경로는 주입구, 모세분리관, 스위치, 연결관 1을 순차적으로 거쳐 검출기에 이르게 된다.

냉각 장치에 사용되는 냉매로써, 액체 질소와 액체 이산화탄소가 가능하며, 바람직하게는 액체 이산화탄소이다.

본 발명의 일 구체예에 따르면, 액체 이산화탄소를 이용하여 기체크로마토그래피 외부로 노출된 연결관 2의 말단 부위를 냉각시킨다. 상기 냉각이 이루어지는 영역은 냉각장치의 T자 모양의 기화기부분으로 연결관 2의 끝부분이 기화기 안쪽에 놓이게 되며, 그 길이는 6.5 cm로 설정하는 것이 바람직하다.

상기 냉각 장치를 이용하여, 냉각장치와 연결된 연결관 2의 말단에 축적된 목적 물질 분취 후, 목적 물질의 극성을 고려하여 유기 용매로 목적 물질을 용리할 수 있으며, 바람직하게는 핵산(hexane)을 사용한다.

상기 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계에서 검출기는 기체크로마토그래프에 장착 가능한 불꽃이온화검출기, 열전도도검출기, 질량분석기 등이 있으며 바람직하게는 질량분석기를 사용가능하나 바람직하게는 질량분석기이다.

상기 질량분석기의 목적 물질의 이온화를 위해서 사용할 수 있는 이온화 방식은 전자충격(electron impact) 방식과 화학적 방식이 있으며 바람직하게는 전자충격 방식을 이용하여 분석할 수 있다.

상기 질량분석기로 목적 물질을 확인하는 단계에서 질량분석기의 스캔(scan) 방식으로 분석하는 것은 특성 질량분석스펙트럼을 이용하여 물질을 확인하기 위한 것이다. 이때 스캔 방식은 목적 물질의 특정 구간의 질량 범위를 선정하여 사중극자에서 검출할 수 있으며 스캔 범위는 m/z 50~600의 구간에서 분석하는 것이 바람직하다.

도 4는 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 페닐프로필 유도체를 확인한 크로마토그램과 질량분석스펙트럼이다. 이때 목적 물질 확인을 위해 그 물질의 특징적인 특성을 나타내는 질량분석스펙트럼을 제시하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 펜타데칸(pentadecane)을 확인한 크로마토그램으로 단일 물질로 분리하기 전후의 피크를 나타내고 있다. 이때 목적 물질 확인을 위해 다른 물질을 효과적으로 제거하는 것이 바람직하다.

도 6은 본 발명의 일 구체예에 따른 목적 물질인 탄화수소류(hydrocarbons)를 확인한 크로마토그램으로 상부는 목적 물질들로 구성된 크로마토그램, 중간은 목적 물질이 분취된 후의 크로마토그램 그리고 하부는 분취되기 전의 크로마토그램을 나타내고 있다. 이때 여러 성분의 목적 물질 확인을 위해 시간대 별로 정확하게 목적 물질을 재분리하고 다른 방해 물질을 효과적으로 제거하는 것을 확인할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 첨구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어나지 아니하고 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형의 실시가 가능하고 이러한 변형은 본 발명에 속한다.

<실시예 1 : 메스암페타민 혼합물에서 페닐프로필 유도체의 선택적 분취>

본 발명의 일 측면에 따라, 메스암페타민 제조시 생성되는 중간체를 혼합물 시료로 선정하여 미국 에질런트사의 자동주입기(automatic liquid sampler)로 1μL를 취하여 기체크로마토그래프 주입구(inlet)에 주입하였다. 시료 주입방식은 비분할(splitless)와 분할(split) 방식이 있으며 다량의 목적 물질을 분취하기 위해 바람직하게는 비분할 방식을 사용하였다. 이때 주입구의 온도는 230℃로 설정하고 압력은 65.23 kPa이었으며 10 μL 용량의 실린지(syringe)를 사용하여 시료를 주입하였다.

이때 모세분리관은 모세관의 길이가 30 m, 직경이 0.25 mm, 정지상의 두께가 0.25 μm이고 정지상의 조성이 5% phenyl-과 95% methyl-polysiloxane인 분리관을 사용하였으며, 이동상으로써 고순도 헬륨 기체를 사용하였다.

기체크로마토그래프 오븐의 초기 온도를 100℃로 설정하여 15℃/min으로 280℃까지 승온하여 2분간 유지시킨 후 20℃/min으로 300℃까지 승온하여 3분간 유지시킨 후 다시 20℃/min으로 310℃까지 승온하여 2분간 유지시킨다. 전체 분석시간은 20.5분이며 이때 분석용 모세분리관의 유량을 0.5 mL/min로 설정하였으며 연결관 1 및 2의 유량은 1.5 mL/min으로 설정하였다.

이때 검출기로 사용한 질량분석장치(MS, mass spectrometer)는 미국 에이질런트사의 5975C MSD 검출기로 물질을 이온화시킬 때의 조건은 전자충격 이온화 방식으로 이때 이온화장치와 사중극자의 온도는 230과 150℃로 설정하였다.

또한 물질의 특징적인 질량분석 이온을 확인하기 위하여 분석 대상물질이 이온화장치에서 70 eV의 전자 충돌에 의해 발생된 특징적인 이온들을 확인하는 m/z 50~450 범위의 스캔 방식으로 분석을 수행하였다.

분리된 단일 물질 페닐프로필 유도체는 머무름 시간의 차이를 두고 전기적 신호를 받아 작동하는 솔레노이드 밸브와 이동상 기체의 유량 차이를 이용해서 목적 물질이 흘러가는 경로를 연결관 2로 변경하여 선택적으로 분취하기 위한 장치인 냉각 장치에 도착하도록 한다. 시간에 따른 분석 구간별 경로를 표 1에 나타내었으며, 여기에 사용된 스위치는 이동상기체인 헬륨을 사용하는 미국 에질런트사의 microfluidic switch이며, 스위치에 장착된 솔레노이드 밸브는 전기적 신호를 받게 되면 열리게 되고 전기적 신호가 차단하면 닫히게 된다.

이때 목적 물질을 분취하기 위해 사용된 냉각장치는 호주 SGE Analytical Science사의 Cryogenic trap으로 기체크로마토그래피 외부에 설치하였으며 냉매는 액체 이산화탄소를 사용하였다.

[표 1]

연결관은 스위치로부터 검출기에 연결된 연결관 1과 스위치로부터 냉각 장치에 연결된 연결관 2로 구분되며, 연결관 1 및 2 모두 11.03 kPa의 정압으로 설정하였고 이때 연결관 1의 내경은 100 μm이며 길이는 0.23 m이고 연결과 2의 내경은 250 μm이며 길이는 0.5 m로 설정하였다.

<실시예 2 : 지방족 탄화수소 혼합물에서 펜타데칸의 선택적 분석>

본 발명의 일 측면에 따라, 지방족 탄화수소 화합물인 테트라데칸(tetradecane), 펜타데칸(pentadecane), 헥사데칸(hexadecane) 혼합물 시료로 선정하여 자동주입기로 1μL를 취하여 기체크로마토그래프 주입구에 주입하였다. 시료 주입방식은 비분할 방식을 사용하였다. 이때 주입구의 온도는 260℃로 설정하고 압력은 63.19 kPa이었으며 10 μL 용량의 실린지(syringe)을 사용하여 시료를 주입하였다.

이때 모세분리관은 모세관의 길이가 30 m, 직경이 0.25 mm, 정지상의 두께가 0.25 μm이고 정지상의 조성이 5% phenyl-과 95% methyl-polysiloxane인 분리관을 사용하였으며, 이동상으로써 고순도 헬륨 기체를 사용하였다.

기체크로마토그래프 오븐의 초기 온도를 90℃로 설정하여 2분간 유지시킨 후 15℃/min으로 300℃까지 승온하여 4분간 유지시킨다. 전체 분석시간은 20분이며 이때 분석용 모세분리관의 유량을 0.5 mL/min로 설정하였으며 연결관 1 및 2의 유량은 1.5 mL/min으로 설정하였다.

이때 검출기로 사용한 질량분석장치는 미국 에이질런트사의 5975C MS 검출기로 물질을 이온화시킬 때의 조건은 전자충격 이온화 방식으로 이때 이온화장치와 사중극자의 온도는 230과 150℃로 설정하였다.

또한 물질의 특징적인 질량분석 이온을 확인하기 위하여 분석 대상물질이 이온화장치에서 70 eV의 전자 충돌에 의해 발생된 특징적인 이온들을 확인하는 m/z 50~600 범위의 스캔 방식으로 분석을 수행하였다.

시간에 따른 분석 구간별 경로를 표 2에 나타내었으며, 여기서 스위치에 장착된 솔레노이드 밸브는 전기적 신호를 받게 되면 열리게 되고 전기적 신호가 차단되면 닫히게 된다. 여기서 사용된 스위치는 이동상기체인 헬륨을 사용하는 미국 에질런트사의 microfluidic switch이다.

[표 2]

연결관은 스위치로부터 검출기와 연결된 연결관 1과 기체크로마토그래피 외부의 대기로 연결된 연결관 2로 구분되며, 연결관 1, 2 모두 34.03 kPa의 정압으로 설정하였고 이때 연결관 1의 내경은 100 μm이며 길이는 0.23 m이고 연결과 2의 내경은 250 μm이며 길이는 0.5 m로 설정하였다.

본 발명의 일 구체예를 통하여 혼합물로부터 목적 물질이외의 화합물을 효과적으로 제거하고 크로마토그램상에 목적 물질을 단일 물질로 분석에 유용함을 나타내고 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 분리능이 높은 분석법을 적용하여 목적 물질을 다른 성분과 완벽하게 제거하고 단일 물질로 나타내는 것이 가능하였다.

<실시예 3 : 경유 연료에서 탄화수소 화합물들의 선택적 분석>

본 발명의 일 측면에 따라, 경유 연료를 혼합물 시료로 선정하여 주요 성분인 탄화수소 화합물을 분석하기 위하여 자동주입기로 1μL를 취하여 기체크로마토그래프 주입구에 주입하였다. 시료 주입방식은 50대 1의 비율로 분할 방식을 사용하였다. 이때 주입구의 온도는 250℃로 설정하고 압력은 195.53 kPa이었으며 10 μL 용량의 실린지(syringe)을 사용하여 시료를 주입하였다.

이때 모세분리관은 모세관의 길이가 30 m, 직경이 0.25 mm, 정지상의 두께가 0.25 μm이고 정지상의 조성이 5% phenyl-과 95% methyl-polysiloxane인 분리관을 사용하였으며, 이동상으로써 고순도 헬륨 기체를 사용하였다.

기체크로마토그래프 오븐의 초기 온도를 110℃로 설정하여 2분간 유지시킨 후 5℃/min으로 250℃까지 승온하여 17분간 유지시킨다. 전체 분석시간은 45분이며 이때 분석용 모세분리관의 유량을 2.6 mL/min로 설정하였으며 연결관 1 및 2의 유량은 1.91 mL/min으로 설정하였다.

이때 검출기로 사용한 질량분석장치는 미국 에이질런트사의 5975C 질량분석기와 불꽃이온화검출장치를 검출기로 사용하였다. 질량분석기로 물질을 이온화시킬 때의 조건은 전자충격 이온화 방식으로 이때 이온화장치와 사중극자의 온도는 230과 150℃로 설정하였고 불꽃이온화검출기는 250℃의 온도조건에서 수소 30 mL/min, 공기 300 mL/min 및 보조기체로 헬륨 25 mL/min의 유량으로 설정하였다.

또한 물질의 특징적인 질량분석 이온을 확인하기 위하여 분석 대상물질이 이온화장치에서 70 eV의 전자 충돌에 의해 발생된 특징적인 이온들을 확인하는 m/z 50~500 범위의 스캔 방식으로 분석을 수행하였다.

시간에 따른 분석 구간별 경로를 표 3에 나타내었으며, 여기서 스위치에 장착된 솔레노이드 밸브는 전기적 신호를 받게 되면 열리게 되고 전기적 신호가 차단되면 닫히게 된다. 여기서 사용된 스위치는 이동상기체인 헬륨을 사용하는 미국 에질런트사의 microfluidic switch이다.

[표 3]

연결관은 스위치로부터 검출기와 연결된 연결관 1과 스위치로부터 냉각 장치에 연결된 연결관 2로 구분되며, 연결관 1, 2 모두 530.89 kPa의 정압으로 설정하였고 이때 연결관 1의 내경은 100 μm이며 길이는 5 m이고 연결과 2의 내경은 100 μm이며 길이는 5 m로 설정하였다.

본 발명의 다양한 구체예를 통하여 혼합물로부터 목적 물질이외의 화합물을 효과적으로 제거하고 크로마토그램상에서 보다 바람직하게 목적 물질 분석에 유용함을 나타내고 있다. 도 6에 도시된 바와 같이 이동상 기체에 의해 구동되는 스위치에 의해 목적 물질을 다른 성분과 완벽하게 제거되고 고분해능으로 목적 물질을 분리하는 것이 가능하였다.

또한, 본 발명은 다양한 구체예를 통하여 복잡한 혼합물로부터 목적 물질 분취에 상당히 효과적임을 나타내고 있다. 이는 분리능이 높은 분석법을 적용하여 목적 물질을 다른 성분과 완벽하게 분리하는 것이 가능하며, 동일하게 여러 번 반복되는 과정을 자동화함으로써 분리과정을 단순화하여 신속?간편하게 분취가 가능하고 보다 높은 효율을 얻을 수 있었다. 또한 반복 주입과 냉각 장치를 이용하여 일정 농도 이상으로 고순도의 목적 물질을 확보할 수 있으며 일상적으로 쉽게 화합물의 분취 및 정체가 가능하였다.

Claims (9)

1. 혼합물로부터 기체크로마토그래프용 모세분리관을 이용하여 단일 물질로 분리하는 단계;
   상기 분리 단계에서 분리된 단일 물질로부터 스위치를 사용하여 선택적으로 목적 물질로 재분리하는 단계;
   상기 재분리 단계에서 얻은 목적 물질을 냉각 장치를 이용하여 분취하는 단계; 및
   상기 분취단계에서 얻은 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계를 포함하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 재분리 단계에서 분리된 단일 물질 확인은 검출기(detector)를 사용하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스위치와 상기 냉각 장치는 연결관에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
4. 제 2항에 있어서, 상기 검출기는 상기 재분리 단계의 스위치와 연결관에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
5. 제 1항에 있어서, 상기 스위치는 이동상 기체를 사용하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
6. 제 3항에 있어서, 상기 냉각 장치는 외부 냉각트랩핑 방식이고, 상기 연결관 말단은 기화기 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 냉각 장치는 액체 이산화탄소를 냉매로 사용하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
8. 제 1항에 있어서, 상기 냉각 장치를 이용하여 목적 물질 분취 후, 유기 용매로 목적물질을 용리하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
9. 제 1항에 있어서, 상기 목적 물질을 검출기로 확인하는 단계에서 검출기는 질량분석기 및 불꽃이온화검출기인 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래프를 이용한 선택적 분취방법.
   

Images