KR101736250B1 - 판형 크로마토그래피 칼럼 - Google Patents

판형 크로마토그래피 칼럼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 판형 크로마토그래피 칼럼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구; 2) 상기 주입구의 하단에 구비하는 제1 프릿(Frit)부; 3) 상기 제1 프릿부의 하단에 구비하며, 제1 프릿부를 통과하여 유입된 유체가 분배되는 분배부; 4) 상기 분배부의 하단에 연결되며, 칼럼의 중심이고, 시료 내에 함유된 혼합 성분을 분리하는 칼럼 바디부; 5) 상기 칼럼 바디부의 하단에 구비하는 수집부; 6) 상기 수집부의 하단에 구비하는 제2 프릿(Frit)부; 및 7) 상기 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구;가 순차적으로 연결된 구조를 갖는 판형 크로마토그래피 칼럼에 관한 것이다. 본 발명의 판형 크로마토그래피 칼럼은 판형의 구조로 이루어져 중심부와 측면부에서의 유속이 차이나는 것을 방지하였고, 분배부 및 수집부의 일 측면 또는 양 측면은 세로축을 중심으로 대칭적인 경사면을 가짐으로써 유체가 이동하는 거리를 일정하게 함으로써 크로마토그래피의 분리해상도를 향상시킨 칼럼이다.

Description

판형 크로마토그래피 칼럼{Plate-type chromatography column}
본 발명은 판형 크로마토그래피 칼럼에 관한 것으로 보다 상세하게는 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구; 2) 상기 주입구의 하단에 구비하는 제1 프릿(Frit)부; 3) 상기 제1 프릿부의 하단에 구비하며, 제1 프릿부를 통과하여 유입된 유체가 분배되는 분배부; 4) 상기 분배부의 하단에 연결되며, 칼럼의 중심이고, 시료 내에 함유된 혼합 성분을 분리하는 칼럼 바디부; 5) 상기 칼럼 바디부의 하단에 구비하는 수집부; 6) 상기 수집부의 하단에 구비하는 제2 프릿(Frit)부; 및 7) 상기 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구;가 순차적으로 연결된 구조를 갖는 판형 크로마토그래피 칼럼에 관한 것이다.
크로마토그래피법은 1900년대 초반에 분석용으로 개발된 기술이다. 분리 또는 정제하려는 목적 물질이 포함된 시료 또는 공급액을 크로마토그래피 칼럼에 주입하여, 시료 내에 포함된 여러 성분의 물질이 크로마토그래피 칼럼과 갖는 상호작용에 따라 순차적으로 용리되어 목적 물질을 효율적으로 분리 또는 정제하는 기술이다. 현재에는 다양한 크로마토그래피 기술이 개발되었고, 분석 또는 정제하고자 하는 물질의 특성에 맞게 다양한 크로마토그래피 기술의 선택 및 응용이 가능할 뿐만 아니라 선택된 기술을 구현하는 장비의 구성이 상대적으로 용이하기 때문에 다양한 분야의 산업체 및 대학, 연구소 등에서 매우 널리 사용되는 분석용 및 제조용 기술이다.
가장 보편적인 크로마토그래피 기술인 회분식 크로마토그래피는 장치의 구성이 매우 간단하다. 액체, 기체 및 초임계 유체 등을 포함하는 유체를 이송시키는 목적의 펌프, 분리하고자 하는 시료 혹은 공급액을 주입하는 펌프 혹은 주입기, 시료 혹은 공급액 중의 목적 물질을 분리하는 칼럼, 칼럼에서 용리되는 유체 중 포함된 물질을 검출하는 검출기 혹은 탐지기, 목적물질을 분획하여 수집하는 수집기와 각 장비들을 연결하는 연결관 (파이프 라인 혹은 튜빙 라인)으로 구성된다.
필요에 따라 가장 중요한 역할을 하는 칼럼의 보호를 위한 재킷 혹은 홀더, 칼럼의 온도를 유지하기 위한 온도 조절기, 더욱 복잡한 조업을 가능케 하는 밸브 등을 추가함으로써 매우 높은 효율로 타겟 물질을 생산할 수 있다. 하지만, 칼럼의 크기 또는 길이 증가에 따라 칼럼의 분리해상도는 떨어질 수밖에 없다. 따라서 대량 분리 또는 정제를 목적으로 비교적 크기가 큰 칼럼을 이용하는 경우 분리해상도 문제가 발생하게 된다. 이와 관련하여 현재까지 알려진 크로마토그래피의 응용기술로는 한국공개특허 제2014-0008340호에 개시된 크로마토그래피 칼럼의 패킹을 안정화하기 위한 크로마토그래피 칼럼 지지체에 관한 것이 있으며, 미국등록특허 제7575676호에 크로마토그래피 칼럼의 홀더 장치에 관한 것이 개시되어 있고, 미국등록특허 제4966695호에 분리 가능한 덮개가 있는 직사각형 액밀 인클로저를 포함하는 고압 액체 크로마토그래피 재킷에 관한 것이 되어 있으나, 상기 문제를 극복할 수 있는 칼럼에 대한 개발은 여전히 미미한 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 요구에 의해 도출된 것으로서, 본 발명은 판형의 크로마토그래피 칼럼을 제공하는 것이다. 더욱 상세하게는 분리 또는 정제하고자 하는 물질(유체)의 이동 거리 및 속도가 칼럼의 길이에 따라 영향을 받지 않고 일정하게 분리 또는 정제할 수 있는 판형의 크로마토그래피 칼럼을 제공함으로써, 본 발명을 완성하였다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 1) 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구(S01); 2) 상기 주입구의 하단에 구비하는 제1 프릿(Frit)부(S02); 3) 상기 제1 프릿부의 하단에 구비하며, 제1 프릿부를 통과하여 유입된 유체가 분배되는 분배부(S03); 4) 상기 분배부의 하단에 연결되며, 칼럼의 중심이고, 시료 내에 함유된 혼합 성분을 분리하는 칼럼 바디부(S04); 5) 상기 칼럼 바디부의 하단에 구비하는 수집부(S05); 6) 상기 수집부의 하단에 구비하는 제2 프릿(Frit)부(S06); 및 7) 상기 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구(S07);가 순차적으로 연결된 구조를 갖는 판형 크로마토그래피 칼럼을 제공한다.
본 발명의 칼럼은 판형의 구조로 되어 있으며, 분배부 및 수집부의 서로 다른 일 측면이 일정한 경사면으로 이루어져 유속 또는 칼럼의 길이에 영향을 받지 않는 분리효율이 우수한 칼럼이다. 따라서 본 발명의 칼럼은 대량의 물질을 분리 또는 정제하는데 매우 유용하게 사용될 수 있는 것이다.
도 1은 본 발명의 판형 크로마토그래피 칼럼의 평면도이며, S01은 시료의 주입구; S02는 제1 프릿(Frit)부; S03은 주입된 유체가 분배되는 분배부; S04는 칼럼의 바디부; S05는 칼럼 바디를 통과한 유체가 모이는 수집부; S06은 제2 프릿(Frit)부; 및 S07은 분리된 성분을 배출하는 배출구;를 의미한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 형태의 판형 크로마토그래피 칼럼으로 칼럼 바디부가 직육면체의 형태인 모형도를 나타낸다. S01은 시료의 주입구; S02는 제1 프릿(Frit)부; S03은 주입된 유체가 분배되는 분배부; S04는 칼럼의 바디부; S05는 칼럼 바디를 통과한 유체가 모이는 수집부; S06은 제2 프릿(Frit)부; 및 S07은 분리된 성분을 배출하는 배출구;를 의미한다.
도 3은 제작된 판형 크로마토그래피 칼럼의 외형도이다. 판형 크로마토그래피 칼럼의 내부에 제작된 모식도를 의미한다.
도 4는 제작된 판형 크로마토그래피 칼럼의 수평 단면도이다.
도 5는 제작된 판형 크로마토그래피 칼럼의 수직 단면도이다.
도 6은 비대칭 인자를 측정하기 위한 개념도이다.
도 7은 판형 크로마토그래피 칼럼을 이용하여 실시예 2의 글루코오스 및 프럭토오스의 분리 정도를 나타내는 해상도(resolution)의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예 2에서 사용한 판형크로마토그래피 칼럼이 장착된 크로마토그래피 시스템을 나타낸 사진으로, 용매이송용 펌프와 자동시료 주입기가 판형크로마토그래피 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구에 연결되고, 탐지기가 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구에 연결되며, 탐지기는 제어용 PC와 통신하는 시스템을 나타낸 사진이다.
도 9는 판형크로마토그래피 칼럼을 이용하여 분리한 글루코오스 및 프럭토오스의 크로마토그램이다.
본 발명은 1) 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구(S01); 2) 상기 주입구의 하단에 구비하는 제1 프릿(Frit)부(S02); 3) 상기 제1 프릿부의 하단에 구비하며, 제1 프릿부를 통과하여 유입된 유체가 분배되는 분배부(S03); 4) 상기 분배부의 하단에 연결되며, 칼럼의 중심이고, 시료 내에 함유된 혼합 성분을 분리하는 칼럼 바디부(S04); 5) 상기 칼럼 바디부의 하단에 구비하는 수집부(S05); 6) 상기 수집부의 하단에 구비하는 제2 프릿(Frit)부(S06); 및 7) 상기 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구(S07);가 순차적으로 연결된 구조를 갖는 판형 크로마토그래피 칼럼에 관한 것이다.
도 1 및 2에 개시한 바와 같이, 본 발명의 판형크로마토그래피 칼럼에서 시료의 주입구(S01)는 직접 시료를 주입하거나, 파이프 또는 튜빙 라인으로 크로마토그래피 장치에 연결하여 시료를 주입하는 부위이며; 상기 제1 프릿(Frit)부(S02)는 판형 크로마토그래피 칼럼에 유입된 유체에 포함될 수 있는 불용성 불순물을 제거하는 역할을 수행하는 것이 특징이다. 제1 프릿부는 메쉬 또는 필터의 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 제한하지 않고 필요에 따라 적절하게 변경하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 칼럼은 제1 프릿부 없이 주입구가 직접 분배부에 연결되는 것도 가능하다. 상기 분배부(S03)는 제1 프릿부의 하단에서 칼럼의 바디부 직전까지를 의미한다. 상기 분배부는 상기 주입구를 중심으로 형성된 양 측면이 서로 다르거나 같은 일정한 기울기의 경사면으로 이루어지며, 상기 양 측면의 사잇각은 0 내지 180°인 것이 바람직하지만 이에 제한하지 않는다.
본 발명의 판형 크로마토그래피 칼럼에 충전되는 충전제는 목적에 따라 적절하게 충전할 수 있으므로, 그 충전제를 특별히 제한하지 않지만, 바람직하게는 이온교환(ion exchange) 수지, 크기배제(size exclusion) 수지, 친화성 크로마토그래피(affinity chromatogrphy) 수지, 역상(reverse phase) 및 순상(normal phase) 크로마토그래피 수지, 키랄 분리용(chiral stationary phase) 수지, 산화알루미늄, 활성탄, 산화마그네슘, 녹말, 셀룰로오스, 실리카겔 중에서 선택된 하나 이상의 것이다. 상기 칼럼 바디부(S04)는 시료에 포함된 여러 성분의 분리가 수행되는 부분으로 상기 분배부와 동일한 이온교환(ion exchange) 수지, 크기배제(size exclusion) 수지, 친화성 크로마토그래피(affinity chromatogrphy) 수지, 역상(reverse phase) 및 순상(normal phase) 크로마토그래피 수지, 키랄 분리용(chiral stationary phase) 수지, 산화알루미늄, 활성탄, 산화마그네슘, 녹말, 셀룰로오스, 실리카겔 등의 크로마토그래피 칼럼 충전제가 목적에 따라 적절하게 충전될 수 있다. 또한, 상기 칼럼 바디부는, 직육면체 타입이거나 곡면으로 이루어진 타원형 형태일 수 있다. 전체적으로 얇은 판형의 구조를 가지는 경우라면, 그 형태나 모양에 대해서는 배제하지 않는다. 즉, 중심부와 측면부의 유속차이를 최소화시킬 수 있는 판형 구조인 것이 특징이다. 본 발명에서의 칼럼 구조에 있어서, 원형구조의 칼럼은 중심부와 측면부의 유속 차이로 인한 분리해상도가 떨어지게 되므로, 원형구조를 제외한다. 상기 칼럼 바디부의 바람직한 가로의 길이는 4.6mm 내지 2.0m이고, 세로의 길이는 5.0mm 내지 5.0m이며, 두께는 1.5mm 내지 1.0m이지만 이에 제한하지 않는다. 상기 수집부(S05)는 상기 칼럼 바디부를 통과한 유체가 모이는 부분으로, 상기 분배부의 양 측면을 기준으로, 서로 마주보는 측면의 기울기와 동일한 기울기를 갖는 경사면으로 이루어진 것이 특징이다. 상기 분배부의 사잇각과 마찬가지로 0 내지 180°의 사잇각을 가지며, 분배부에 형성된 각의 크기와 동일한 크기로 이루어지는 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않는다. 즉, 상기 분배부의 하단(칼럼 바디부의 상단과 접하는 부분)을 제외한 상단 2면의 사잇각이 상기 수집부의 상단(칼럼 바디부의 하단과 접하는 부분)을 제외한 하단 2면의 사잇각과 크기가 동일한 것을 특징으로 한다. 도 1 및 도 2에서 대략적인 유체의 이동 경로를 점선으로 나타낸 바와 같이 본 발명의 칼럼은 유체의 이동경로에 따른 유속의 차이를 최소화함으로써, 효율적인 분리 및 정제를 하는 것이 특징이다. 상기 제2 프릿부(S05)는 상기 제1 프릿부와 마찬가지로 불필요한 불순물을 제거하는 역할을 수행하는 것이 특징이며, 상기 제1 프릿부와 동일한 메쉬 형태 또는 필터 형태로 이루어질 수 있다. 또한, 본 발명의 칼럼은 제2 프릿부 없이 배출구가 직접 수집부에 연결되는 것도 가능하다. 상기 배출구(S07)는 크로마토그래피 칼럼의 하단부이며, 분리 또는 정제된 물질을 배출하는 곳으로, 직접 분리 또는 정제된 물질을 포획할 수도 있고, 연결관으로 검출 시스템에 연결하여 정량 검출 또는 분석하는 것이 가능하다.
본 발명의 판형 크로마토그래피 칼럼은 칼럼을 보호하기 위한 재킷 혹은 홀더를 더 포함할 수 있으며, 온도 조절장치 또는 분리된 물질의 양이나 용리 시간 등을 정량적으로 확인할 수 있는 검출장치 혹은 탐지기를 연동할 수 있고, 복잡한 조업을 가능케 하는 연결관(파이프 또는 튜빙 라인) 등을 추가할 수 있다.
또한, 본 발명의 칼럼은 주입구, 제1 프릿부, 분배부, 칼럼 바디부, 수집부, 제2 프릿부 및 배출구가 순차적으로 연결된 일체형으로 제조되는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 분배부와 바디부, 바디부와 수집부가 분리될 수 있도록 제조된 칼럼을 배제하지 않으며, 분리형으로 제조되는 경우, 각각의 부분은 유체의 누설이 없이 연결되는 것이 특징이다.
본 발명에 따른 판형 크로마토그래피 칼럼으로 분리한 용리곡선의 비대칭 인자(asymmetry factor)는 거의 1에 가까운 값을 나타내므로 고순도 분리가 가능한 것이며, 바람직하게는 판형 크로마토그래피 칼럼의 용리곡선 비대칭 인자(asymmetry factor)가 ±1.10 이하인 것이 바람직하지만 이에 한정하지 않는다.
크로마토그래피 기법에서의 비대칭 인자(asymmetry factor)는 하기 식(1)에 의해 구할 수 있다.
식 (1) As=b/a
상기 식(1)에서, 도 6에 개시한 바와 같이, 크로마토그램의 최고 높은 지점으로부터 바닥선(base line)까지의 수선의 길이(h)에 대하여, 1/10(h) 지점에서의 왼쪽의 폭을 a라고 정의하고, 오른쪽을 b라고 정의한다. 즉, 좌우 대칭에 가까울수록, 비대칭 인자(As)는 1에 가까운 값을 나타내며, 1에 가까울수록 고순도 분리가 가능한 것이다.
크로마토그래피법은 어떤 물질이 고정상과 이동상 사이에 다르게 분포하는 성질을 이용하여 물질을 분리하는 기술로, 다양한 고정상과 이동상 또는 기법에 따라 다양하게 분류되지만, 본 발명에서는 크로마토그래피 기법에 사용되는 칼럼의 모양에 따른 분해능 즉, 해상도가 향상된 것을 특징으로 하는 것이며, 해상도는 분리하고자 하는 두 물질 간을 얼마나 잘 분리하느냐를 의미한다.
크로마토그래피 해상도(Rs)는 하기 식(2)에 의해 계산할 수 있으며, 도 7에 개시한 바, 판형 크로마토그래피 칼럼에서 용리된 글루코오스와 프럭토오스의 비대칭 인자 및 두 단당류 사이의 해상도를 측정하여 표 2에 개시하였다. 이때, 해상도(Rs)는 하기 식(2)으로 계산할 수 있으며, tr2는 비교하고자하는 물질 2에 대한 크로마토그램의 최고점이 나타날 때까지의 시간이고, tr1는 비교하고자하는 물질 1에 대한 크로마토그램의 최고점이 나타날 때까지의 시간이다. w1은 물질 1의 크로마토그램의 폭을 의미하고, w2는 물질 2의 크로마토그램의 폭을 의미한다.
식 (2)
Figure 112015074078770-pat00001

이하, 실시예를 이용하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명의 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 제한되지 않는다는 것은 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명한 것이다.
실시예 1. 0.1M 염산 용액의 용리를 통한 판형 크로마토그래피 칼럼에서의 용리 곡선의 비대칭 인자 ( asymmetry factor ) 측정
크로마토그래피 칼럼에서의 용리 곡선의 비대칭 인자(asymmetry factor)를 측정하기 위하여, 기존의 실린더형 칼럼(내경: 0.66cm, 11.70cm)과 본 발명에 따라 제작된 판형 크로마토그래피 칼럼(가로: 0.3cm, 세로: 1.2cm, 높이: 5.5cm)의 칼럼에 강산성의 양이온교환수지를 충전하고, 0.1M의 염산용액을 0.1㎖ 주입하고, 상기 두 칼럼의 용리곡선을 비교하였다.
용리된 결과를 도 6의 개념도에 따른 식(1)에 대입하여 비대칭 인자(As)를 계산하였으며, 하기 표 1에 개시하였다.
식(1)
As=b/a
비대칭 인자(As)는 1에 가까울수록 고순도 분리가 가능한 것을 의미하는데, 표 1에 개시한 바와 같이, 실린더형 칼럼에 비해 판형 크로마토그래피 칼럼이 비대칭 인자가 1에 가까운 것으로 확인되었다. 본 실시예 1에 측정된 비대칭 인자는 3번 반복실험하여 획득한 평균값을 나타낸 것이다.
판형 크로마토그래피 칼럼과 실린더형 칼럼의 비대칭 인자 측정 결과
칼럼 비대칭 인자 [-]
실린더형 칼럼 1.32
판형 크로마토그래피 칼럼 1.10
실시예 2. 판형 크로마토그래피 칼럼 및 실린더형 칼럼을 이용한 글루코오스 및 프럭토오스 혼합액의 분리
판형 크로마토그래피 칼럼의 분리 성능을 확인하기 위하여, 도 8에 개시한 크로마토그래피 시스템을 이용하여, 제당 산업에서 널리 생산되는 글루코오스와 프럭토오스 혼합액을 분리하였다.
글루코오스와 프럭토오스는 각각 100g/ℓ의 농도로 준비하여 혼합액으로 제조하고, 실시예 1과 같이, 실린더형 칼럼 및 판형 크로마토그래피 칼럼에 0.02㎖씩을 주입한 후, 용리하여 크로마토그램을 획득하였다. 본 발명에 따른 판형 크로마토그래피 칼럼의 결과는 도 9에 도시하였다.
본 실시예 2에서 분리한 글루코오스와 프럭토오스의 분리 정도인 크로마토그래피 해상도(Rs)를 하기 식(2)로 계산하였다.
식 (2)
Figure 112015074078770-pat00002
판형 크로마토그래피 칼럼과 실린더형 칼럼에서 글루코오스 및 프럭토오스의 분리 결과
칼럼 시료 비대칭 인자 [-] 해상도 [-]
실린더형 칼럼 글루코오스 2.01 0.39
프럭토오스 2.32
판형 크로마토그래피 칼럼 글루코오스 2.06 0.42
프럭토오스 2.29
비대칭 인자의 경우, 글루코오스와 프럭토오스의 결과가 실린더형 칼럼 및 판형 크로마토그래피 칼럼 사이에서 서로 상반되는 결과를 나타내지만, 시료의 고순도 분리 가능성을 가늠할 수 있는 해상도는 본 발명의 판형 크로마토그래피 칼럼이 0.42로 실린더형 칼럼의 0.39보다 우수한 것으로 측정되었다.
S01: 시료의 주입구 S02: 제1 프릿부
S03: 분배부 S04: 칼럼 바디부
S05: 수집부 S06: 제2 프릿부
S07: 배출구

Claims (5)

1) 칼럼의 상단에 구비된 시료의 주입구; 2) 상기 주입구의 하단에 구비하는 제1 프릿(Frit)부; 3) 상기 제1 프릿부의 하단에 구비하며, 제1 프릿부를 통과하여 유입된 유체가 분배되는 분배부; 4) 상기 분배부의 하단에 연결되며, 칼럼의 중심이고, 시료 내에 함유된 혼합 성분을 분리하는 칼럼 바디부; 5) 상기 칼럼 바디부의 하단에 구비하는 수집부; 6) 상기 수집부의 하단에 구비하는 제2 프릿(Frit)부; 및 7) 상기 제2 프릿부의 하단에 구비하는 배출구;가 순차적으로 연결된 구조를 갖는 판형 크로마토그래피 칼럼.
삭제
제1항에 있어서, 상기 분배부의 하단을 제외한 상단 2면의 사잇각이 상기 수집부의 상단을 제외한 하단 2면의 사잇각과 크기가 동일한 것을 특징으로 하는 판형 크로마토그래피 칼럼.
제1항에 있어서, 상기 칼럼 바디부의 가로의 길이는 4.6mm 내지 2.0m이고, 세로의 길이는 5.0mm 내지 5.0m이며, 두께는 1.5mm 내지 1.0m인 것을 특징으로 하는 판형 크로마토그래피 칼럼.
제1항에 있어서, 상기 바디부는 직육면체 또는 곡면으로 이루어진 타원 형태인 것을 특징으로 하는 판형 크로마토그래피 칼럼.

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