크로마토그래피

Chromatography

1 개요

그리스어 χρῶμα (chroma, 색)와 γράφειν(graphein 쓰다)의 합성.크로마토그래픽이 아니다 혼합물을 분리하기 위해 실험실에서 쓰이는 특정 기술들을 지칭하는 용어, 또는 그런 기법

화학, 그리고 생물학 실험실에서 사용된다. 츠베트에 의해 최초로 고안되었다.

혼합물 속의 각각의 물질들이 보이는 물질에 대한 인력 차이를 이용하여 물질을 분리하는 기술. 초등학교 때 분필에 사인펜으로 점을 찍고, 그 분필을 물이 담긴 접시에 세워두면 점이 쭉 번져나가면서 색깔별로 번져나가는 현상을 실험해본 적이 있을 것이다. 이것은 잉크라는 혼합물을 물이라는 이동상과 분필이라는 고정상을 이용해 분리하는, 크로마토그래피 중 하나다.

2 원리

혼합되지 않는 두 액상인 정지상과 이동상 중의 어느 한 액상을 고정하고 이동상에 혼합시료를 침투, 이동시키면 시료에 혼합된 각 성분은 두 개의 상 사이에서 연속적인 추출과 용해가 반복되고 화합물의 분배 계수에 따라 이동하는 정도의 차이가 생겨서 혼합물이 분리되는 것이 분배의 원리이다.
흡착은 분리하려는 성분을 흡착하도록 흡착제를 유리판에 얇게 펴 바르거나 컬럼에 채우고 시료는 용해시키나 흡착제는 녹이지 않는 용매로 혼합물을 전개시키면 흡착제에 대한 시료의 흡착력과 용매에 대한 용해도 차이에 의 하여 혼합되어 있는 성분이 순수하게 분리되는 원리를 이용하는 것이다.

3 사용 용도

물질분리, 과학수사, 운동선수의 도핑테스트 등

3.1 물질 분리

말 그대로 물질을 분리한다. 화학적으로 합성한 물질이나 생물학적으로 생산해낸 물질의 경우 우리가 원하는 것 외의 여러가지 잡동사니가 반드시 섞여 있게 되는데, 이 혼합물에서 우리가 원하는 것만을 99.99%로 끊어내기 위해서는 크로마토그래피가 필수적인 기술이다. 특히 급격한 pH변화나 온도 변화와 같은 충격을 주지 않고 물질을 분리해낼 수 있기 때문에 여러 산업에서 매우 유용하게 사용되고 있다.

3.2 범죄 수사

기기의 성능에 따라 매우 미량의 물질까지 뽑아낼 수 있으며, 특히 여러가지 물질들이 섞여있는 비율까지 알 수 있기 때문에 CSI 분석결과를 내 줄 수도 있다. 물론 이 과정에서 시료가 오염되지 않아야 하고 다루는 기술자가 매우 유능해야 한다는 전제가 있긴 하지만.
기본적으로 이러한 용도의 분석 장비는 화학의 큰 줄기 중 하나이며, 범죄수사보다 다른 용도에서 더 많이 쓰이고 있다.

4 장치의 종류

4.1 고정상의 형태에 따라서

  • 컬럼 크로마토그래피 : 특정한 고정상을 긴 원통column에 채우고[1] 이 통 안으로 이동상을 밀어넣는 방식을 취한다. 대부분의 크로마토그래피 장치가 이거. 유기 합성을 주로 하는 실험실에서는 가끔 높이가 1m가 훨씬 넘는 크고 아름다운 컬럼도 볼 수 있다. 한 번 할 때마다 평균 5% 내외의 손실이 발생하며, 숙련된 사람은 더 줄일 수도 있다. 이동상, 고정상과의 친화도에 따라 결과가 발생한다.
  • 평판 크로마토그래피 : 특정한 고정상을 판 위에 얇게 바르거나 또는 평면 상의 고정상(종이 같은)을 이용하는 기술. 간단히 확인하는 수준의 실험에서 잘 쓰인다. 분필에 사인펜 점 찍은 것도 이 기법에 속한다. 유기화학 실험을 수강할 경우 TLC (thin layer chromatography, 박층 크로마토그래피)라 부르는 소형 크로마토그래피를 지겹도록 하게 될 것이다.

4.2 이동상의 상에 따라서

  • 가스 크로마토그래피 : 가스화된 이동상에 혼합물을 섞어넣은 다음, 이를 컬럼에 통과시켜서 부분균형partial equlibrium에 따른 분리를 한다. 범죄수사에 사용되는 장비가 대개 이거고, 환경감시나 독가스 등의 검출에서도 사용되고 있다. 특히 전쟁중 화학전이 일어날 경우 가스 검출에 매우 중요한 기술이 된다.
  • 액체 크로마토그래피 : 액체 이동상에 혼합물을 섞어서 쓰는 장비. 이 장비가 고성능화되면 HPLC(High Performance Liquid Chromatography, 고성능 액체 크로마토그래피), 그 이상일 경우 UPLC(Ultra Performance Liquid Chromatography, 초고성능 액체 크로마토그래피)[2]라고 부른다. 보통 볼 수 있는 크로마토그래피 장비(=정수기)가 대개 이거에 속한다. 실험실에서 쓰는 액체 크로마토그래피는 거의 대부분이 자동화되어 있어 컴퓨터로 모든 과정을 편하게 컨트롤할 수 있다.
  • 초임계유체 크로마토그래피 : 초임계유체 이동상에 혼합물을 섞어서 쓰는 장비.

4.3 '이동상과의 상호작용 / 고정상과의 상호작용' 형태에 따라서

  • 친화도(Affinity) 크로마토그래피 : 고정상에 특정 물질과 매우 잘 붙는 무엇인가를 붙여서 내가 원하는 물질만 딱 집어서 빼내는 기법이다. 예를 들면 avidin과 biotin의 결합, 히스티딘과 금속 이온 간의 결합 등이 있다. 상호작용의 비율 차가 매우 극심하여 표적 물질을 효과적으로 분리할 수 있다.
  • 이온교환(Ion exchange) 크로마토그래피 : 고정상을 이온화시켜서 물질의 이온화 정도에 따라 상호 작용 차이가 나게 만든다. 생화학이나 분자생물학에서 단백질을 정제할 때 친화도 크로마토그래피와 더불어 매우 자주 보게 된다. 서로 다른 단백질은 특정 pH에서 서로 다른 전하를 가지게 되기 때문.
  • 크기 배제(Size exclusion) 크로마토그래피 (SEC) : 미세한 체와 같은 작은 구슬들을 가득 채운 컬럼을 쓴다. 이때 재미있는 것이, 상대적으로 큰 물질은 저 구슬 속으로 들어갈 수 없기 때문에 이동 거리가 짧아져서 빨리 나오게 되고 상대적으로 작은 물질은 구슬속을 들락날락할 수 있어 이동거리가 길어지므로 늦게 나오게 된다. 구슬의 크기나 특성에 따라서 걸러낼 수 있는 크기가 정해지게 된다.
  • 역상(Reverse-phase) 크로마토그래피 : 물질의 극성 차이에 따라 상호작용의 차이가 날 수 있도록 한다. 이름이 왜 저렇게 붙었나 하면, 일반적으로 사용되던 고정상이 보통 실리카 또는 알루미나와 같은 극성(= 물과 친한) 물질이었는데 이 기술에 사용된 고정상은 비극성(= 물과 안친한) 물질이었기 때문에 크로마토그램이 나오는 순서가 예전 것과는 거꾸로reverse였기 때문. 따라서 이동상 또한 유기 용매와 같은 소수성 물질을 사용한다. Normal-phase는 이 역상의 반대, 즉 극성 고정상을 쓰는 경우에 해당하지만 원리는 같다.
단백질 크로마토그래피에서는 이 특징이 문제가 되는데, 이동상 자체의 소수성이 워낙 강하다 보니 단백질의 3차 구조가 박살나버리기 때문이다. 따라서 역상 크로마토그래피는 올리고펩타이드처럼 소수의 아미노산으로만 이루어진 단백질을 분리하는데 사용된다. 한 편 이 특징이 유용하게 사용되기도 한다. 단백질의 3차 구조가 엉뚱하게 형성된 경우[3], 오히려 역상 크로마토그래피로 구조를 박살낸 후 다시 회복시키는 방법을 사용할 수 있다.
  1. ↑ 이 고정상을 채우는 과정을 패킹(packing)이라고 하는데, 패킹이 얼마나 균일한가에 따라 분리 효율에 차이가 생긴다. 즉, 패킹을 예쁘게(...) 하는 것도 기술이며 컬럼을 생산하는 회사에서는 대부분 자신들만의 패킹 노하우를 가지고 있다.
  2. ↑ LC의 성능이 좋다면 분석에 필요한 시간이 감소하고 그 정확도가 증가하기 때문에 높은 수준의 LC를 보유한 것은 그 실험실에서 진행하는 실험의 수준을 알려준다. 그렇기에 실험실에 UPLC급의 LC를 보유한 경우 그 자부심은 상당하다. 다만 그 실험실의 수준이 기기의 레벨과 동등하다고 말하기는 쉽지 않다.
  3. ↑ 예를 들어 인간의 단백질을 대장균에서 생산할 경우, 진핵생물과 원핵생물의 차이 때문에 단백질 구조가 인체내에서와 같다고 기대할 수 없다.