이온 크로마토그래피란? (Ion Chromatography)
물이나 어떤 용액 속에 들어 있는 음이온 ex) 염화이온 Cl-, 질산이온 NO3- 등을 분리해서 농도를 측정하는 기법이라 할 수 있다.
폐수, 수돗물, 폐배터리, 환경시료, 식품 등 다양한 분야에서 사용되고,
대표 분석물질은 F- (플루오린화 이온), Cl- (염화 이온), NO2- (아질산 이온), Br- (브로민 이온), No3-(질산 이온), PO43- (인산 이온), SO42-(황산 이온)이 있다.
이온성 물질이 혼합된 시료를 이온 교환이나 컬럼으로 분리한 후 전기 전도도 검출기를 사용하여 각 성분의 농도를 측정하는 기법... 이라는 말이 크게 와 닿지 않아서 쉽게 이해하고 설명해보고자 한다.
이온 크로마토그래피는 어떻게 분석할까?
1. 필터 역할을 하는 기둥(컬럼).
장치 안에는 특별한 '필터' 역할을 하는 기둥(컬럼)이 있다. 이 필터에는 음이온을 잡아주는 성질을 가진 입자(화학물질)가 상당수 붙어 있는데, 필터는 음이온과 만나면 잠깐 음이온을 붙잡아준다.
2. 물이 흐르면서 밀어낸다.
이 필터에 물 같은 이동하는 액체(이동상, eluent)가 흐르는데, 이 액체도 음이온을 가지고 있다. 따라서, 음이온들이 서로 밀고 당기면서 필터에 붙어 있던 음이온이 점점 밀려나오게 된다.
3. 중요한건 필터를 빠져나오는 시간.
필터에 있는 음이온과 시료 속 음이온은 필터에 얼마나 강하게 붙어있느냐가 물질마다 다르게 된다. 즉, 음이온들이 필터를 빠져나오는 시간에 차이가 생기게된다.
4. 결과를 확인하는 방법.
필터를 빠져나온 음이온은 '전기 전도도 검출기'를 통해 측정된다. 쉽게 설명하면, 음이온이 하나씩 검출될 때마다 그래프에 시간에 따른 신호가 찍히게 되고, 신호의 크기는 음이온의 양(농도)를 의미한다.
아래 예시를 통해 조금더 알아보자.
그림에서 보이다 싶이, NR3+는 기둥에 고정된 양전하를 띤 분자(고정상)이다.
이 NR3+는 음이온을 끌어당기는 역할을 하는데, 시료 속 음이온들이 기둥에 들어가면, 분자에 붙었다가 이동상의 음이온과 교환되며 계속 앞으로 이동하게 된다.
첫 번째 칸을 보면, 음이온(Cl-와 O-CO2H-)이 고정상(NR3+)에 붙어 있는 상태이고,
두 번째 칸은 이동상에 있는 음이온들이 들어오면서 고정상에 붙은 음이온과 교환이 일어나게 된다.
세 번째칸에서는 교환된 음이온이 다시 풀려나면서 기둥의 끝으로 점점 이동하게 되는 것을 볼 수 있다.
결국, 음이온마다 고정상에 붙는 강도가 다르기 때문에, 기둥에서 빠져나오는 시간이 달라진다.
위에서 보시다 싶이, Cl-는 고정상에 약하게 붙고 빨리 빠져나오는 반면, O-CO2H-는 강하게 붙어서 늦게 나오게 되는걸 확인 할 수 있다.
(참고로 오해하지 말자, 세 칸으로 나누어져서 진행되는 것이 아닌, 순서가 진행되는 과정을 각각 설명하는 과정이다.)
결론적으로, 이온 크로마토그래피의 분리 메커니즘은 아래와 같다.
1. 음이온이 고정상(NR3+)에 붙는다.
2. 이동상의 음이온이 분석 음이온을 밀어낸다. (경쟁이 서로 일어남)
3. 음이온이 이동하며 분리되고, 각 시간차가 일어난다.
그렇다면 왜? 각 이온마다 시간이 다르게 나타나게 되는걸까?
1. 이온의 전하 크기 (전하량)
- 이온이 가진 전하의 크기가 클수록 고정상(분자)과 더 강하게 결합하기 때문에, 전하량이 큰 음이온이 기둥에 더 오래 붙게된다.
ex) 황산 이온(SO42-)은 -2의 전하를 가지고 있어, -1의 전하를 가진 염화 이온(Cl-)보다 고정상에 더 강하게 붙는다.
2. 이온의 크기(수화 반경)
- 수화 반경이란, 물 속에서 이온을 둘러싸고 있는 물 분자의 크기를 의미한다.
- 이온이 물에 녹을 때, 물 분자들은 이온 주위로 모여들어 전기적으로 안정화 시키려는 경항이 생기기 때문.
ex) 수화 반경이 작은 F-(플루오린화 이온)의 경우
작은 크기의 수화 반경 > 고정상과 강하게 결합 > 이동상에서 교환되기 쉬움 > 빨리 기둥에서 나오게 된다.
ex) 수화 반경이 큰 Br-(브로민 이온) 이나 SO42-(황산 이온)의 경우
큰 크기의 수화 반경 > 고정상과 약하게 결합 > 이동이 느릴 수 있음 > 상대적으로 기둥에서 느리게 나옴.
3. 이온의 극성 및 친화성
- 고정상에 붙어 있는 NR3+과 이온 간의 화학적 친화성도 영향을 준다.
- 즉, 특정 이온이 고정상과 더 잘 상호작용하면 더 오래 머물게 된다.
4. 이동상의 경쟁 이온
- 이동상에 있는 음이온의 농도와 종류에 따라 고정상에서의 교환 속도가 달라질 수 있다.
- 이동상의 음이온이 더 강하게 고정상과 상호작용할 경우, 분석 음이온은 더 빨리 기둥에서 빠져나오게 된다.
위에 종합적인 설명을 이해했다면, 결과적으로 전기 전도도를 통해 검출된 그래프를 통해 결과 값을 이해해보자.
x축: 기동에서 음이온이 빠져나오는 시간
y축: 검출기로 측정한 전도도 신호의 크기(음이온의 농도가 되시겠다)
분리된 음이온들은
F-(불소 이온):약 3.43분에 가장 먼처 점출되었고 농도가 가장 높다.
Cl-(염화 이온): 5.22분에 검출
NO3-(질산 이온): 9.30분에 검출
SO42-(황산 이온): 14.61분에 가장 늦게 검출.
즉, 이온의 크기, 전하, 고정상과의 상호작용에 따라 각 음이온이 기둥에서 빠져나오는 시간이 달라 위 처럼 확인이 가능.
위와 같은 과정을 통해, 이온 크로마토그래피의 과정을 이해할 수 있다.
(사진의 저작권은 한국고분자시험연구소에 있습니다)