가스크로마토그래피(GC) 검출기의 특성과 종류 및 GC-MS의 구성과 원리에 관한 이해 doc_id PCY_201501090909516861_19

검출기는 분리관을 통하여 carrier gas와 함께 기체 상태로 유출되는 화합물들을 검출 하는 장치이다. 따라서, 개별 검출기의 특성이 파악되어야, 분석 목적에 따른 적절한 검출기의 선택이 가능하다. 일반적으로 GC용 검출기는 검출기의 반응 (response)이 용출되는 성분의 농도 (concentration)나 질량용출속도 (mass flow rate)에 비례하는 미분형 검출기 (differential detector) 로서, chromatogram 상 peak의 면적이 용출된 화합물의 총량과 비례하며, 특히 잔류 물질 분석을 위해서는 선택성 (selectivity, specificity), 감도 (sensitivity, detectability, response), 직선적 비례 구간 (linear dynamic range), 기타 운용 및 유지 보수성이 고려 되어져야 한다. 선택성은 검출기의 화합물별 반응 정도의 차이 즉, 동일한 양에 대한 화합물별 신호발생 정도의 차이를 의미하는데 이는 검출기의 동작원리에 의하여 좌우된다. GC에서 이용되는 검출기 종류는 이러한 선택성에 따라 거의 모든 화합물에 대하여 반응을 나타내는 universal detector와 특정 화합물 부류에만 반응을 나타내는 specific detector로 구분된다. GC에서 가장 보편적으로 사용되는 flame ionization detector (FID)나 thermal conductivity detector (TCD)는 universal detector이며 electron capture detector (ECD), nitrogen-phosphorus detector (NPD) 및 flame photometric detector (FPD) 등은 specific detector이다. 잔류 물질 분석의 경우, 대상 성분의 미량 분석에 해당하므로, 모든 화합물에 반응을 나타내는 universal detector를 사용할 경우, 공존 물질의 간섭에 의해 분석이 어려울 가능성이 크다는 점을 고려하여야 한다. FID (flame ionization detector, 불꽃이온화검출기)는 탄소 및 수소를 포함하는 물질 (탄화 수소) 이 수소 불꽃에 의해 연소되는 동안 이온화되고, 이들에 의해 증가되는 전류를 측정하는 검출기이다. 따라서, 유기물질에 대한 universal detector로 분류되고, 모세관 컬럼과 함께 사용될 경우, 검출 한도는 100 pg ∼ 10 ng 정도로 알려져 있다. 또한 직선적 비례 구간도 약 106 정도로 알려져 있어서, GC 검출기로 가장 널리 이용되어 지고 있다. ECD (electron capture detector, 전자포획검출기)는 친전자성 화합물에 대하여 높은 감도를 나타내는 선택성 검출기이다. 선 (보통 방사성 동위원소 63Ni에서 방출)으로부터 방출된 고에너지 선이 carrier gas (질소나 Ar/methane)를 이온화하여 plasma화하고, 이 중 thermal electron에 의하여 양 전극 간에는 일정한 전류 (standing current)가 발생한다. 그런데, 친전자성 화합물이 유입되어 전자를 포획하면, standing current의 감소가 일어나고, 이 감소분을 신호로서 검출한다. 따라서, ECD는 할로겐을 함유하는 화합물, conjugated carbonyl, nitrile이나, nitrate기를 함유하는 화합물에 매우 높은 감도를 나타내어 잔류 물질 분석에 널리 이용되고 있다. ECD에 감도를 나타내기 위한 최소 요건은 분자 내에 fluorine 원자 3개, chlorine 원자 2개, bromine이나 iodine 원자는 1개 이상이 함유되어 있어야 한다. 검체 비파괴 검출기이며 감응을 나타내기 위해서는 반드시 질소나 Ar/methane을 흘려야 한다. 즉 helium을 carrier gas로 사용할 경우에는 makeup gas로 질소 등을 사용하여야 한다. ECD는 비연소형 검출기이므로 오염 가능성이 높아 동작시 항상 세척용 purge gas를 일정량 흘려야 한다. 직선적 비례구간이 다른 검출기에 비하여 상대적으로 좁은 단점이 존재 한다. 검출기의 감도는 검출할 수 있는 화합물의 최소량 (minimum detectable quantity, MDQ 또는 limit of detection, LOD)으로 표시되는데 이는 검출기의 화합물에 대한 신호 대 검출기 자체의 잡음비 (signal to noise ratio, S/N)가 3 이상일 때의 화합물의 양으로 표시된다. 이러한 S/N비는 peak의 높이 (peak height)로 결정되기 때문에 chromatography에서의 머무름 시간에 따라 다소 변동될 수 있다. 즉 등온조건에서 머무름 시간이 길수록 화합물의 peak는 넓어지므로 특정 S/N비에서의 화합물의 MDQ는 커진다. 잔류 물질 분석에 실용적으로 이용하기 위해서 요구되는 검출기의 화합물에 대한 감도는 최소한 ng 수준이하이고, ECD, NPD 및 FPD는 이 조건을 만족시킨다. 직선적 비례 구간은 대상 화합물의 농도 (또는 mass flow rate)와 검출기 반응치간에 높은 상관 관계를 보이는 구간을 칭하며, 아무리 선택성과 감도가 우수하다 하더라도 직선적 비례 구간이 좁다면 정량분석 결과에 대한 오차가 발생하기 쉽다. 따라서 신뢰도 높은 정량 분석을 위하여 직선적 비례구간이 넓은 검출기를 선택하거나 비례구간내로 검체의 농도를 조절하여야 한다. 가스크로마토그래프-질량분석기 (Gas Chromatograph-Mass Spectrometer, GC-MS)는 가스크로마토그래프(GC)와 질량분석기(MS)가 일체화된 분석장치이다. 일반적으로 GC는 다성분의 분리에 뛰어나나, 크로마토그램상의 머무름 시간에 기반한 정성분석의 신뢰도 한계가 존재하고, 이에 반해 MS는 정성 분석적 측면에서 높은 신뢰도를 보이나, 복잡한 시료의 경우, MS만의 적용에 한계를 보여 왔다. 따라서 GC-MS는 두 방법의 결합을 통해, 개별 방법의 상호 보완을 이루었으며, 그 결과, 신뢰도 높은 다성분 정성 및 정량 분석이 가능해 졌다. GC-MS는 크게 GC 부분, 질량분석관 부분, 그리고 이들을 결합시키는 interface 부분으로 구성되어 있는데, GC-MS를 효율적으로 사용하기 위해서는 각 기기부분에 대한 지식과 더불어 연속적으로 용출되는 carrier gas 중의 성분을 도입하고 이온화하는 interface 부분에 대한 이해도 필요하다. GC-MS에서의 인터페이스 부분은 GC column으로부터 용출되는 carrier gas 중의 성분을 질량분석기의 이온화 (ionization) chamber에 도입시키는 부분이다. Interface의 종류에는 direct interface와 jet separator의 두 종류가 있다. Direct interface는 주로 capillary column에서 사용하는데 carrier gas 유속은 5 mL/min 이하이어야 한다. 그 이상의 유속을 사용하는 내경 0.53 mm의 capillary column이나 packed column을 사용하려면 carrier gas의 기체성분을 제거하는 jet separator를 사용한다. Jet separator는 혼합 기체를 노즐에서 진공 중에 분출 시켰을 때 무거운 분자는 확산이 작고, 가벼운 분자는 확산이 큰 것을 이용한 것이다. 가벼운 캐리어 가스는 진공 중에 확산 진공 펌프로 배기되고, 무거운 성분 분자는 확산하지 않고 질량 분석기에 도입된다.