초임계유체

제 29장 초임계 유체 크로마토그래피와 추출법

* 초임계 유체를 이용한 두 가지 새로운 방법이 개발

→ 환경, 생의학, 및 식품시료 등의 분석에 중요한 역할을 할 것으로 기대

ⓐ 초임계 유체 크로마토그래피(supercritical fluid chromatography, SFC)

ⓑ 초임계 유체 추출법(supercritical fluid extraction, SFE)

→ 기기들은 지난 10년 동안 상품화

→ 분석화학 분야에서 급속도로 널리 이용

29A 초임계 유체의 성질

* ⓐ 임계온도

→ 그 온도 이상에서 압력을 아무리 높여도 뚜렷한 액체상으로 존재할 수 없는 온도

ⓑ 임계압력 → 그 임계온도에서 물질의 증기압력

→ 임계온도와 임계압력(임계점)보다 높은 온도와 압력상태에 있는 물질:

→ 초임계 유체(supercritical fluid)

→ 밀도, 점도, 및 다른 성질들에 있어서 기체상과 액체상으로 있는 물질들 사이의 중간 정도의 값을

가짐

표 29-1

→ 초임계 유체의 성질을 전형적인 기체 및 액체의 성질들과 비교

표 29-2

→ 초임계 유체 크로마토그래피에서 이동상으로 쓰이는 24가지 중 네 가지 화합물의 성질

→ 임계온도와 임계압력은 일반적인 HPLC의 작동조건 범위 내에 있음

* 초임계 유체의 특성

① 초임계 유체의 높은 밀도(0.2∼0.5ｇ/cm³)로 인해 커다란 비휘발성 분자를 잘 녹일 수 있다

예) 초임계 이산화탄소

㉠ 알킬기가 4∼16개의 탄소원자로 된 di-n-alkylphthalate,

㉡ 탄소원자가 5∼30 이상인 n-알칸 및

㉢ 몇 개의 고리로 구성된 여러고리 방향족 탄화수소를 쉽게 녹인다.

→ 어떤 중요한 산업 공정:

→ 초임계 이산화탄소가 유기화학종을 대단히 잘 녹인다는 사실에 근거

예) ㉠ 커피원두에서 카페인을 추출하여 탈카페인 커피를 만듬

㉡ 담배 연초에서 니코틴을 추출

② 초임계 용액을 비교적 낮은 온도에서 대기와 단순히 평형이 유지되게만 하여도 이들에 녹아 있는

분석물들을 쉽게 회수할 수 있다는 것

→ ∴ 초임계 CO₂에 녹아있는 분석물은 단순히 압력을 낮추어 유체가 실온의 실험실 조건 하에서

증발할 수 있도록 하기만 하면 회수 가능

→ 특히 열적으로 불안정한 분석물일 경우에 중요

③ 많은 초임계 유체들이 값이 싸고, 무해하고, 대기 중으로 증발을 시켜도 환경에는 아무런 영향을

주지 않는 비독성 물질이라는 것

→ 초임계 유체 이산화탄소가 특히 추출법 및 크로마토그래피에 주로 이용

④ 초임계 유체는 액체 용매보다 10배정도 더 높은 용질의 확산성과 10배정도 더 낮은 점도를 가짐

→ ③④의 장점은 초임계 유체를 이용한 크로마토그래피와 추출법 모두에서 매우 중요

29B 초임계 유체 크로마토그래피

* 초임계 유체 크로마토그래피(SFC)는 GC와 HPLC 각각의 장점을 결합시켜 만든 혼성방법

→ 산업체, 정부 및 대학 실험실에서 사용되기 시작한 중요한 제 3의 관 크로마토그래피

→ 1985년에 초임계 유체 크로마토그래피를 위해 특별히 고안된 장치 시판

→ 빠른 속도로 광범위하게 사용

* 초임계 유체 크로마토그래피는 GC 또는 HPLC로 쉽게 분리되지 않는 한 무리의 화합물들을

분리하고 정량할 수 있게 하기 때문에 중요

→ ⓐ 비휘발성이거나 열적으로 불안정하여 GC가 부적합

ⓑ HPLC에서 검출법으로 이용하는 분광법이나 전기화학법에 검출될 수 있는 작용기를 갖고

있지 않다

→ Chester는 오늘날 화학자들이 직면한 모든 분리대상의 25% 정도가 이렇게 다루기 힘든 화학종을

포함하는 혼합물이라고 평가

29B-1 기기 장치와 작동변수

* 몇 가지 일반 기체와 액체를 초임계 유체로 만드는데 필요한 압력과 온도는 보통 HPLC 장치의

작동한계 내에 들어 있음

그림 29-1

→ ∴ 초임계 유체 크로마토그래피 기기는 HPLC 기기장치와 대부분이 비슷

→ but, 둘 사이에는 두 가지 중요한 차이점이 있음

ⓐ GC에서 사용되는 것과 유사한 항온 관 오븐이 이동상의 정밀한 온도 조절을 하기 위해 필요

ⓑ 원하는 수준으로 관의 압력을 유지하고, 용리액을 검출기로 보내기 위해 초임계 유체에서

기체로 바꾸기 위한 제어기 즉 역압력 장치를 사용함

→ 50 또는 100㎛ 열린 모세관에 대한 대표적인 제어기:

㉠ 관의 끝에 직접 붙인 2∼10㎝ 길이의 5∼10㎛ 모세관

→ 여러 내부지름을 갖는 제어기를 선택할 수 있으므로 주어진 펌프 압력에서 여러 범위의

흐름 속도를 선택 가능

㉡ 불꽃에서 관 자체의 끝을 잡아당겨 좁혀지게 한 부분

* 시판 SFC 기기는 하나 이상의 마이크로프로세서가 설치되어 있음

→ 펌프압력, 오븐온도 및 검출기 성능과 같은 기기 변수들을 조절하기 위해

압력효과

* SFC에서 압력변화는 머무름인자, 즉 용량인자 k'에 큰 영향을 미침

→ 압력의 증가로 이동상의 밀도가 증가하기 때문

→ 밀도 증가는 이동상에서의 용매력의 증가 → 용리시간을 짧게 함

예) 충전관에서 CO₂의 압력을 대략 70에서 90atm으로 증가시키면

→ hexadecane의 용리시간은 25분에서 5분으로 감소

→ GC와 HPLC에서의 기울기 용리로 얻어진 것들과 유사한 결과를 가져옴

그림 29-2

→ 압력 프로그램에 의해 크로마토그램이 개선됨을 보여줌

→ SFC에서 사용되는 가장 일반적인 압력 변화법

→ 일정 시간동안 일정 압력을 유지한 다음 최종압력까지 직선적으로 또는 점진적으로 증가시키는 방법

정지상

* 오늘날 SFC에 열린 모세관과 충전관 모두 사용

→ 열린 모세관이 더 많이 사용

ⓐ 열린 모세관은 여러 형태의 결합 그리고 다리결합된 실록산을 관의 내부에 입힌 용융실리카 관과 유사

→ ㉠ 관 길이는 보통 10∼20m, ㉡ 내부 지름은 0.05∼0.10mm

㉢ 피막 두께는 0.05∼1㎛정도

ⓑ 충전관은 분배 HPLC 사용한 것과 유사한 것을 SFC에서도 사용

→ ㉠ 관의 지름: 0.5mm부터 4.6mm이하 ㉡ 입자의 지름 3∼10㎛

㉢ 피막은 분배 HPLC에서 사용한 것과 비슷

이동상

* SFC에서 가장 널리 사용되는 이동상은 이산화탄소

ⓐ 여러 비극성 유기분자들에 대해 좋은 용매

ⓑ 자외선을 투과시키며, 냄새가 없고, 독성이 없으며, 구하기 쉽고, 다른 크로마토그래피의 이동상과

비교할 때 값이 매우 싸다.

→ 최신 HPLC 장치의 작동영역을 넘어서지 않고도 온도와 압력을 넓게 선택할 수 있게 함

→ 특히 극성 분석물들의 응용에서는, 메탄올과 같은 극성 유기용매를 적은 양( 1%)을 섞어

분석물의 α값을 조절

* 여러 다른 이동상: 에탄, 부탄, 산화이질소, 디클로로디플루오르메탄, 디에틸에테르, 암모니아 및

테트라히드로푸란 등

검출기

* SFC가 HPLC보다 더 좋은 점: GC의 FID를 이용할 수 있다는 것

→ 이 검출기는 유기화합물에 대한 일반적 감응을 나타내며, 감도가 매우 좋고, 다루기도 어렵지 않다.

* 질량분석계도 검출기로써 HPLC보다 SFC에 더 용이하게 적용

* HPLC에서 사용되는 여러 검출기들이 SFC에서도 사용

→ 자외선 및 적외선 흡수, 형광 방출, 열이온, 불꽃 광도법 검출기 등

29B-2 초임계 유체 크로마토그래피와 다른 관 방법의 비교

* 초임계 유체의 몇 가지 물리적 성질이 기체와 액체사이의 중간

→ 표 29-1과 표 29-2의 테이터

→ ∴ SFC는 GC와 HPLC의 특성 중 몇 가지를 합친 것과 같다.

ⓐ SFC는 HPLC보다 매우 빠르다

→ ∵ GC와 마찬가지로 초임계 유체의 점도가 낮아서 높은 흐름속도를 사용할 수 있기 때문

ⓑ 초임계 유체에서의 띠 넓힘은 기체에서보다는 약간 작고, 액체에서 보다는 약간 크다

→ 초임계 유체에서의 확산속도가 기체와 액체에서의 중간이기 때문

→ ∴ GC에서 보다 띠 넓힘이 더 작아지고, HPLC에서 보다는 더 빨리 분리

→ ∵ 초임계 유체가 중간 정도의 확산성과 점도를 가지고 있기 때문

그림 29-3

그림 29-4

→ 초임계 이산화탄소와 일반적인 액체 이동상으로 용리할 때의 충전관의 성능특성을 비교

ⓐ 0.6㎝/s의 이동상 선형 속도에서,

㉠ 초임계 관은 0.013mm의 단높이

㉡ 일반적인 액체 용리액으로는 단높이가 3배 정도인 0.039mm

→ ∴ 봉우리 나비를 √3 배정도 줄이는 것 가능

ⓑ HPLC 곡선의 최소점에 해당하는 단높이에서 선형속도는 4 배정도 더 큼

→ 분석시간을 4배로 줄이는 효과를 가져옴

→ 이러한 이점들은 그림 29-4에 보여주는 두 개의 크로마토그램에 나타남

* GC, HPLC 및 SFC의 이동상 역할 비교

ⓐ 보통 GC는 이동상을 한가지 목적, 즉 띠 이동으로만 사용

ⓑ HPLC에서는 이동상이 ㉠ 용질분자를 운반할 뿐 아니라

㉡ 용질과의 상호작용도 하여 선택계수(α)에 영향을 줌

→ but, GC에서 보통 사용되는 온도보다 훨씬 낮은 온도에서 일어남

→ ∴ 한 주어진 온도에서, 초임계 유체에 녹은 거대 분자의 증기압은 이러한 유체가 없을 때보다

10¹⁰배만큼 더 큰 값을 가질 수 있음

→ ∴ ㉠ 고분자량 화합물, ㉡ 열적으로 불안정한 화학종, ㉢ 중합체 및

㉣ 커다란 생물학적 분자도 적당히 낮은 온도에서 관으로 용리 가능

→ 용질분자와 초임계 유체 분자사이의 상호작용은 이러한 매질에서 이들이 용해되기 때문에

일어나는 것

→ 이처럼 용매의 능력은 유체의 화학적 조성과 그 밀도에 따라 달라짐

→ ∴ GC와는 달리 이동상을 바꾸어 주므로서 α를 변화시킬 수 있는 가능성이 큼

그림 29-5

→ GC, 분배 HPLC, SEC 등을 SFC와 응용범위 면에서 비교

→ HPLC와 SFC가 GC보다는 몇 제곱승 더 큰 분자량 영역에 적용 가능

→ SEC는 이보다 훨씬 큰 분자들에 대해서도 적용 가능

29B-3 응용

* 천연물, 약품, 식품, 살충제와 제초제, 계면 활성제, 중합체와 중합체 첨가제, 화석연료와 폭발물,

그리고 추진연료 등과 같은 광범위한 물질들에 응용

그림 29-6

→ 분자량이 400∼700 dalton 정도 되는 일련의 디메틸폴리실록산 소중합체들의 분리

ⓐ 5% 페닐폴리실록산이 0.25㎛ 피막으로 도포된 10m x 100㎛ 내부지름의 용융실리카 모세관으로

얻은 것

ⓑ 이동상은 140℃에서의 CO₂였고,

직선적으로 올렸다.

ⓓ 불꽃 이온화 검출기가 사용

그림 29-7

→ 탄소검정으로부터 추출한 여러고리 방향족 탄화수소의 분리

ⓐ 검출은 두 개의 다른 파장에서 들뜬 형광에 의해 얻어짐

→ 이 방법으로 얻어지는 선택성을 주목

ⓑ 50% 페닐폴리실록산을 0.25㎛ 피막으로 입힌 40m x 50㎛ 내부지름의 모세관을 사용

ⓓ 압력은 처음 24분 동안은 초기 이동상 밀도를 0.07g/mL에 유지하고, 그 후에는 점진적으로

0.197g/mL가 되도록 접근

그림 29-8

→ 비이온성 계면활성제 Triton X-100 시료 중의 소중합체를 분리

ⓐ 검출은 화학 이온화법 질량분석계에 의해 생성된 전체 이온전류를 측정하는 방법을 사용

ⓑ 이동상은 메탄올을 부피비로 1%를 포함하고 있는 CO₂

ⓓ 관의 압력은 2.5 bar/min의 속도로 직선적으로 증가

29C 초임계 유체 추출법(supercritical fluid extractions, SFE)

* 복잡한 물질을 분석할 때는 보통 시료 기질로부터 분석물들을 미리 분리해 내는 예비단계가 필요

→ 이상적으로는, 분석 분리법은

ⓐ 빠르고, 간단하고, 비용이 덜 들어야 하고;

ⓑ 손실이나 분해됨이 없이 분석물을 정량적으로 회수할 수 있어야 하며;

ⓓ 버려야할 실험실 폐기물이 거의 없거나 전혀 없어야 한다.

* 오랜 동안, 복잡한 환경, 의약품, 식품, 및 석유시료에 대한 분석 분리를 하기 위해 사용된 가장

일반적인 방법중의 하나

→ 속슬레(Soxhlet) 추출기를 이용하여 탄화수소 또는 염소화된 유기용매로 벌크 시료를 추출하는데

근거를 둔 것

→ 불행하게도, 액체 추출법은 몇몇 이상적인 조건들을 만족시키지 못함

ⓐ 보통 분석물을 만족할 정도로 회수하기 위해서는 수 시간 이상 필요

→ 때때로 결코 만족스럽지 못한 경우도 있음

ⓑ 용매의 가격도 보통 비싸다.

→ 대기 오염 뿐만 아니라 분석물 분해 또는 손실이 일어날 수 있음

* 1980년대 중반부터, 많은 시료들의 기질로부터 분석물들을 분리하기 위하여 초임계 유체를 이용하는

연구가 시작

→ ∵ 유기 액체 추출제를 이용할 때 발생하는 많은 문제점들을 피할 수 있기 때문

29C-1 초임계 유체 추출법의 장점

① SFE는 일반적으로 빠르다.

→ 시료 기질과 추출 유체 사이에서의 질량이동 속도는 유체에서의 화학종의 확산 속도와 유체의

점도에 의해 결정

→ 확산속도가 더 크고 점도가 더 낮을수록, 질량이동 속도는 더 빨라짐

→ 이 모든 변수들은 액체 용매의 경우보다 초임계 유체인 경우에 더 유리

∴ ⓐ 초임계 유체 추출은 10∼60 분내에 완결 지을 수 있지만,

ⓑ 유기용매를 이용한 추출은 수 시간 또는 심지어 몇 일 걸릴 수도 있음

② 초임계 유체의 용매 세기는

ⓐ 압력 변화에 따라 그리고

ⓑ 적은 정도이지만 온도 변화에 따라 변할 수 있음

→ but, 유기 용매의 용매 세기는 원칙적으로 조건에 관계없이 일정

→ ∴ 초임계 유체를 이용한 추출에 대한 조건을 주어진 분석물의 종류에 대해 최적화할 수 있게 함

③ 많은 초임계 유체들은 실내 조건에서 기체들이다.

ⓐ 분석물 회수를 간단히 할 수 있음

㉠ 유기 액체법: 열적으로 불안정한 분석물의 분해나 휘발성 분석물의 손실이 일어날 수도 있는

가열에 의해 증발을 시켜야만 함

㉡ 초임계 유체는 간단히 압력을 풀어놓기만 하여도 분석물로부터 분리

ⓑ 분석물에 대한 좋은 용매를 포함하고 있는 작은 유리병에 분석물 흐름을 통과시키면 기포가

생기면서 작은 부피의 용매에도 용해시킬 수 있음

④ 몇몇 초임계 유체들은 값이 싸고, 반응성이 없으며, 독성도 없음

→ ∴ 이들은 추출한 후 대기 중으로 증발되도록 가만히 놓아두기만 하면 되므로 쉽게 처분 가능

29C-2 기기장치

그림 29-9

* SFE용 기기는 비교적 간단하다.

* 기기의 부분장치

ⓐ 저장탱크: 유체공급원으로서 가장 일반적으로 사용되는 이산화탄소 저장

ⓑ 주사기 펌프: ㉠ 적어도 400atm의 압력 등급을 가지고 있으며,

㉡ 가압 유체의 흐름속도가 적어도 2mL/분 임

ⓓ 출구 밸브: 유체를 감압하고, 유체를 수집기로 옮기는 흐름 제한기로 들어가게 함

ⓔ 흐름 제한기: ㉠ 가장 간단한 기기에서, 10∼50cm 정도의 간단한 모세관

㉡ 최신의 정교한 시판용 기기에서는, 사람에 의해서 또는 자동으로 변화되고 조절할

수 있게 되어 있음

* 여러 종류의 SFE 기기를 시판.

* SFE 장치는 두 가지 방법중 한 방법으로 작동

ⓐ 동적 추출(dynamic extraction)방식에서는,

→ 추출용기와 제한기 사이의 밸브가 열려져 있음

→ 시료가 새로운 초임계 유체와 함께 계속해서 공급

→ 추출된 물질은 감압이 일어나는 수집기로 들어감

ⓑ 정적 추출(static extraction)방식에서는,

→ 추출용기와 제한기 사이에 있는 밸브가 닫혀져 있음

→ 추출용기는 정적인 조건하에서 압력이 걸려있음

→ 적당한 시간이 지난 후 출구 밸브는 열림

→ 추출용기 내용물은 펌프로부터 나오는 유체의 동적 흐름에 의해 제한기를 통해 운반

→ 동적 방식이 정적 방식보다 더 널리 사용

29C-3 초임계 유체의 선택

* 20여개 이상의 초임계 유체가 추출 매질로서 사용 가능

→ 가장 널리 사용되고 있는 물질은 ⓐ 이산화탄소 또는

ⓑ 유기 변형제를 포함하고 있는 이산화탄소

* 유체를 가장 잘 선택하는데는 많은 변수들에 의해 좌우

ⓐ 분석물과 기질 성분들의 극성과 용해도,

ⓑ 기질의 물리적 성질, 분석물의 농도,

ⓓ 반응속도론적인 면 등

→ but, 대부분의 경우 최종적인 조건은 실험적으로 결정하여야만 함

→ ∵ 초임계 유체 추출법의 이론은 현재 완전하게 밝혀지지 않았기 때문

* 대부분의 연구에서 이산화탄소를 초임계 유체로서 사용

ⓐ 알칸류와 테르펜류와 같은 비극성 화학종들에 대해서는 매우 훌륭한 용매

ⓑ 여러고리 방향족 탄화수소, 다염소화 바이페닐, 알데히드, 에스테르, 알코올, 유기염소 살충제,

그리고 지방과 같이 중간정도의 극성을 갖는 화학종들에 대해서는 적당히 좋은 추출매질

큰 극성화합물에 대해서는 일반적으로 좋은 추출매질이 되지 못함

→ 변형제는 또다른 펌프를 이용하거나 추출하기 전에 시료에 주입하여 추출장치에 넣을 수 있음

* 초임계 유체인 CO₂의 극성을 증가시키기 위해 사용되는 여러 변형제:

→ 몇 가지 낮은 분자량의 알코올, 탄산 프로필렌, 2-메톡시에탄올, 염화 메틸렌, 및 어떤 유기산들 등

→ 가장 흔히 사용되는 것은 수 퍼센트의 메탄올

그림 29-10

→ 토양 시료로부터 여러 물질을 추출하는데 있어서 작은 양의 메탄올이 존재할 때 효율이 증가

29C-4 오프라인 및 온라인 추출

* 추출 후 분석물들을 모으는데는 오프라인(off-line)과 온라인(on-line) 두 가지 방법이 사용

ⓐ 두 가지 중 더 간단한 오프라인 방법인 경우에는,

→ 수 mL의 용매에 제한기를 담금

→ 기체상의 초임계 유체를 대기 속으로 날아가도록 함으로서 분석물들을 모음(그림 29-9)

→ 분석물은 또한 실리카와 같은 흡착제위에서도 모음

→ 흡착된 분석물들은 작은 부피의 액체 용매로 용리

→ 분리된 분석물을 여러 광학적, 전기화학적, 또는 크로마토그래피로 확인

ⓑ 온라인 방법에서는,

→ 감압 → 제한기로부터 나오는 유출물을 직접 크로마토그래피 장치에 들어가도록 함

→ HPLC 기기를 사용할 수도 있지만 대부분 GC 장치나 SFC 장치 이용

→ 주된 장점은 ㉠ 추출과 측정사이에 시료를 사람이 다루지 않아도 됨

㉡ 분석물이 묽혀지지 않기 때문에 감도가 증가할 수 있음

29C-5 SFE의 대표적인 응용

* 대부분은 환경시료, 그 외 식품, 생의학, 그리고 여러 가지 종류의 산업용 시료들에 대해 분석

표 29-3

→ 오프라인과 온라인 초임계 유체 추출법의 몇 가지 대표적인 응용을 적어 놓음