Chromatography [목차] == 개요 == [[그리스어]] χρῶμα (chroma, 색)와 γράφειν(graphein 쓰다)의 합성어. 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. 이탈리아 태생의 러시아 과학자 미하일 츠베트에 의해 최초로 고안되었다. 재미있는 사실로 미하일의 성인 츠베트(Цвет)는 러시아어로 '색'이라는 뜻이다. == 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 의하여 혼합되어 있는 성분이 순수하게 분리되는 원리를 이용하는 것이다. == 사용 용도 == 물질분리, 과학수사, 운동선수의 [[도핑]]테스트 등. 이라고 요약하기에 무궁무진한 용도를 갖추고 있다. 다만 크게 분류하자면 정제용과 분석용으로 나눌 수 있다. 적절한 컬럼(고정상)과 검출기만 있다면 액상으로 녹일 수 있거나 기체화 가능한 거의 모든 물질에 대하여 정량분석(내가 찾는 물질이 얼마나 들어있는가)을 할 수 있으며, 적절한 검출기(예를 들어 MS나 ICP 등의)가 있다면 정성분석(어떤 물질이 얼마나 들어있는가)도 가능하다. 이를 이용해서 화장품 내에 방부제의 양을 확인한다든가, 대기 중 이산화탄소나 다이옥신 농도등을 측정하기도 하며, 약리 성분의 구조동정에 이용하기도 한다. 그 밖에 물질을 성분별로 분리해내는 성질을 이용하여 특정 성분의 존재여부 및 함유 비율 등을 조사하여 농산물의 원산지를 추적한다든가, 질병의 조기진단 등에 이용하기도 한다. === 물질 분리 === 말 그대로 물질을 분리한다. 화학적으로 합성한 물질이나 [[생물학]]적으로 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.. 특히 [[리신]]이라는 유독성 단백질독을 [[아주까리]] 씨앗으로부터 추출해낼 때에도 사용하는 거의 유일한 방법이다. === 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 [[화학]]의 큰 줄기 중 하나이며, 최근에는 주로 범죄수사보다 다른 용도에서 더 많이 쓰이고 있다. == 장치의 종류 == === 고정상의 형태에 따라서 === * [[컬럼 크로마토그래피]]: 특정한 고정상을 긴 원통column에 채우고[* 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.] 이 통 안으로 이동상을 밀어넣는 방식을 취한다. 대부분의 크로마토그래피 장치가 이것이다. 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#s-3|TLC]] (thin layer chromatography, 박층 크로마토그래피)라 부르는 소형 [[크로마토그래피]]를 지겹도록 하게 될 것이다. === 이동상의 상에 따라서 === * 가스 크로마토그래프: 가스화된 이동상에 혼합물을 섞어넣은 다음, 이를 컬럼에 통과시켜서 부분균형 partial equlibrium, 끓는점에 따른 분리를 한다. 범죄수사에 사용되는 장비가 대개 이거고, [[환경]]감시, 방부제, 농약, [[독가스]] 등의 검출에서도 사용되고 있다. 끓는점이 낮고 분자량이 작은 물질의 검출에 주로 사용된다. 검출기로 질량분석기가 붙을 경우 라이브러리 분석을 통해 거의 대부분의 물질의 구조를 추측할 수 있다. * 액체 크로마토그래프: 이동상이 액체인 크로마토그래프 장치. 컬럼에 충진재를 채워 넣고 중력이나 그 밖의 동력을 이용해서 이동상을 흘리는 것을 액체크로마토그래프라 부른다. 이것과 기본적인 원리는 동등하면서, 고압을 견딜 수 있는 펌프로 매우 작은 입자(보통 3 ~ 5 um)로 충진 된 컬럼에 이동상을 흘려서 성분을 분리하는 장치를 [[HPLC]](High Performance Liquid Chromatograph, 고성능 액체 크로마토그래프)라 부르며, HPLC보다 더 높은 압력을 견딜 수 있어 더 작은 입자로 충진된 컬럼을 사용할 수 있는 크로마토그래프 장치를 UPLC(Ultra Performance Liquid Chromatograph, 초고성능 액체 크로마토그래프)라고 부른다. UPLC를 사용하면 보통 HPLC를 사용할 때보다 더욱 더 빠르고 선명하게 성분의 분리, 검출이 가능하다. 허나, 속도가 생명인 분야 외에는 그다지 범용적으로 사용되지 않는데, 그 이유는 비싼 장비가격 및 유지보수 가격과, 충분한 시간만 주어진다면 UPLC로 가능한 것은 보통 HPLC에서도 충분히 가능하기 때문이다. * 초임계유체 크로마토그래피: 이동상을 [[초임계유체]]로 하는 크로마토그래프. 이 경우, 기체의 확산속도와 액체의 용해도라는 두가지 장점을 취득할 수 있다. 분석용보다는 카페인--[[http://m.yna.co.kr/kr/contents/?cid=AKR20150429101751054&mobile|이나 참기름]]-- 등의 특정 성분의 추출 정제에 주로 응용된다. === '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, [[히스티딘]]과 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, '''일반적'''으로 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 '''거꾸로reverse'''였기 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[* 예를 들어 인간의 단백질을 대장균에서 생산할 경우, 진핵생물과 원핵생물의 차이 때문에 단백질 구조가 인체 내에서와 같다고 기대할 수 없다.], 오히려 역상 크로마토그래피로 구조를 박살낸 후 다시 회복시키는 방법을 사용할 수 있다. [각주] [[분류:분석화학]]