Exploring Chemical Analysis Fourth Edition

Chapter 21:

Principles of Chromatography

and Mass Spectrometry

Copyright © 2005 by W. H. Freeman & Company

Daniel C. Harris

1

21장 크로마토그래피의 원리와

질량분석법

21-3 띠는 왜 퍼지는가?

• 아주 얇은 띠의 용질 → 칼럼 통과 → 넓은 띠, Why?

그림 21-6. 초기의 좁은 용질의 띠가 크로마토그래피 칼럼을 지나면서 퍼지는 현상의 설명도.

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띠 확산

• 세로 확산 (longitudinal diffusion)

– 용질 분자가 띠의 중심에서 양방향으로 확산

– 흐름 속도 증가 → 칼럼에 머무르는 시간 감소 → 확산 시간 감소 → 좁은 봉우리

• 세로확산에 의한 넓어짐 ∝ 흐름속도-1

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그림 21-7. 세로확산에서 용질은 띠 중심의 농도가 짙은 부분에서부터 계속 확산되어 나간다. 흐름 속도가 증가할수록 칼럼에 머무르는 시간은 짧고 세로 확산은 줄어든다. 5

용질은 두 상 사이에 평형을 이루는데 시간이 필요하다

• 질량이동의 일정 속도에 기인한 넓어짐 ∝ 흐름속도

그림 21-8. 용질이 이동상과 정지상 사이에서 평형을 이루는 데는 일정한 시간이 필요하다. 만일 평형이 느리면 정지상에 있는 용질은 이동상에 있는 것보다 뒤처지게 되어 띠는 넓어지게 된다. 흐름속도가 느리게 되면 이 같은 메커니즘 때문에 넓어짐은 줄어든다.

6

최적 흐름 속도에서의 분리

• 인접한 띠의 분리 → 띠 넓어짐이 최소

– 세로확산에 의한 넓어짐 ∝ 흐름속도-1

– 질량이동의 일정 속도에 기인한 넓어짐 ∝ 흐름속도

– 최소 넓어짐과 최적 분리도를 갖는 흐름속도 가능

– 온도 증가 → 질량이동 속도 증가 → 분리도 증가 또는 분리속도 증가

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그림 21-9. 중간 정도의 흐름 속도에서 가능한 최적 분리도 (즉, 최소 단높이). 이동상으로 N2, He 혹은 H2를 사용하고 175 ℃에서 측정한 n-C17H36의 기체크로마토그래피에서 얻은 단높이의 곡선.

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흐름 속도와 무관한 띠 넓어짐

• 다통로 (multiple paths)

그림 21-10. 다통로에 기인한 띠 넓어짐. 정지상 입자가 작을수록 이 문제는 덜 심하다. 열린관 칼럼에서는 이 과정은 없다.

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단높이식

• van Deemter 식

– 단높이 (H) vs. 흐름속도 (u)

– 3가지 띠넓힘 현상의 알짜결과

10

그림 21-9. 중간 정도의 흐름 속도에서 가능한 최적 분리도 (즉, 최소 단높이). 이동상으로 N2, He 혹은 H2를 사용하고 175 ℃에서 측정한 n-C17H36의 기체크로마토그래피에서 얻은 단높이의 곡선.

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열린관 칼럼

• 열린관 칼럼 (open tubular column)

– 속빈 모세관, 안벽에 얇은 정지상 층

그림 21-11. GC 용 열린관 칼럼의 전형적 크기. 길이 15~100 m의 용융 실리카 칼럼이 크로마토그래프 안에 장착될 수 있도록 적은 코일에 감겨져 있다.

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• 열린관 칼럼 (open tubular column)

– 다통로에 의한 넓어짐 없음 → 흐름 통로에 정지상이 없기 때문

– 같은 길이의 충전 칼럼보다 더 좋은 분리도 → 더 많은 이론단 또는 더 작은 단높이

– 소량의 정지상 → 소량의 시료만 분리 가능

– 분리에 적합

– 길게 만들 수 있기 때문에 분리도 증가

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• 충전 칼럼 (packed column)

– 정지상이 코팅된 고체 입자로 충전된 칼럼

– 기체 흐름에 대한 저항이 커서 칼럼의 길이는 2~3 m

– 많은 양의 시료 분리 가능

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띠의 비대칭 모양

• 용질의 양이 많을 때 → 봉우리의 앞은 천천히 증가, 뒤는 급격히 감소 : 과부하 (overloading)

그림 21-12. 과부하의 경우 크로마토그래피 띠의 앞의 모양은 정상이고 뒤는 급격히 떨어진다.

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• 꼬리끌기 (tailing)

– 비대칭 봉우리

– 정지상의 매우 강한 극성 흡착자리 (-OH)가 매우 강하게 용질을 잡는 경우

– 실란화 처리 : 극성 (–OH)을 비극성 (–OSi(CH3)3 으로 변환 → 꼬리끌기 감소

그림 21-12. 꼬리끌기 모양의 앞은 정상이고 뒤는 상당히 끌린다.

16

21-4 질량 분석법

• 질량 분석법 (mass spectrometry, MS)

– 기체상에서 이온의 정성/정량 분석

– 질량 대 전하 비 (m/z) 측정

• 37Cl- : 37/1 = 37

• 원자 질량 단위 : 달톤 (Da), 37Cl = 36.996 Da

• Francis W. Aston (1877~1945)

– 질량 분석기의 개발

– 동위원소 발견

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The Nobel Prize in Chemistry 1922

Francis W. Aston

• The Nobel Prize in Chemistry 1922

was awarded to Francis W. Aston

"for his discovery, by means of his

mass spectrograph, of isotopes, in a

large number of non-radioactive

elements, and for his enunciation

of the whole-number rule".

• The whole number rule states that

the masses of the isotopes are whole

number multiples of the mass of the

hydrogen atom

18

1877~1945

United Kingdom

J. J. Thomson

질량 분석계 19

그림 21-13 투과형 사중극자 질량 분석기 (transmission quadrupole MS)

1

2

3 4

5

전자 증배관

이온화

• 이온화 : 분자 → 이온

– 전자 이온화, 화학 이온화

• 전자 이온화 (electron ionization)

– 분자 (M)→ 이온화 함 → 70 V로 가속 → 에너지 흡수 → 분자 이온 생성 (M+) → 토막 이온 생성

20

• 기준 봉우리 (바탕 봉우리, base peak)

– 가장 센 peak, 다른 봉우리의 세기에는 기준 봉우리에 대한 %로 표시

21

그림 21-14. 전자 이온화에 의한 pentobarbital 진정제의 질량 스펙트럼. 분자 이온 (m/z 226)이 분명하지 않다.

• 화학 이온화

– 시약 기체 (~1 mbar CH4) + energetic electrons (100 ~ 200 eV) → CH4

+ → CH5+

– 전자 이온화에서보다 적은 토막 이온 생성

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MHCHMCH

CHCHCHCH

2eCHeCH

45

3544

44

23

그림 21-14. 화학 이온화에 의한 pentobarbital 진정제의 질량 스펙트럼. 화학 이온화의 경우 주된 이온은 MH+이다. m/z 255 봉우리는 M(C2H5)

+이다. 화학 이온화에서 M(C2H5)+는 다음 반응에 의해 생성

된다. (1)CH4+ → CH3

+ + H (2) CH3+ + CH4 → C2H5

+ + H2

총 이온과 선택 이온 크로마토그램

• 재작성 총 이온 크로마토그램 (reconstructed total ion chromatogram)

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오렌지 life Savers 시료의 윗공간 증기에 대한 크로마토그램. 질량 스펙트럼 검출기는 34 원자 질량 단위 이상의 이온을 측정한다. CO2

와 Ar은 공기에서 나온 것이며 CH2Cl2는 주사기를 청소하기 위해 사용된 용매이다.

• 선택 이온크로마토그램 (selected ion chromatogram)

– 한 개의 질량에 해당하는 크로마토그램

25

26

그림 21-16. 길거리에서 구한 헤로인에서 발견된 아편 알카로이드의 액체 크로마토그래피. 그림 (a)는 m/z 100~450 사이의 모든 질량의 재작성 총 이온 크로마토그램이다. 그림 (b)~(h)는 각 m/z 값에 대한 선택 이온 크로마토그램이다.

21-5 질량 스펙트럼의 정보-명목질량

• 원자 질량 (atomic mass)

– 달톤 (Dalton, D) : 12C의 1/12

– 동위원소 질량의 평균

• Br : 79Br 50.69% + 81Br 49.31%

• Br = (0.506 9＊78.918 34) + (0.493 1＊80.916 29) = 79.904 Da

27

28

교과서 오타

• 분자 질량

– 원자 질량의 합

• 명목 질량 (nominal mass)

– 가장 풍부한 동위원소, 정수 질량

– C 12, H 1, Br 79 ∙ ∙ ∙

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21-5 질량 스펙트럼의 정보-분열 양식

• 1-bromobutane

– CH3CH2CH2CH2Br

– 79Br : 136 (M)

– 81Br : 138

30

그림 21-17. 1-브로모뷰테인의 전자 이온화 질량 스펙트럼

31 그림 21-18. 1-bromobutane의 주된 토막화 과정

CH3CH2CH2CH279Br : 136 (M)

21-5 질량 스펙트럼의 정보 -동위원소 양식과 질소 규칙

• 동위원소 양식 (isotope pattern)

32

동위원소 pattern

• 12C (98.93%), 13C (1.07%)

• 13CnHxOyNz vs. 12CnHxOyNzN

– M+1의 세기 : n x 1.07%

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그림 21-19 벤젠의 분자 이온 영역에서의 전자 이온화 질량 스펙트럼

6x1.07 % = 6.42%

• Br의 동위원소 비는?

34

?

동위원소비 질량 분석법 1 진짜 꿀 vs. 가짜 꿀

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• 질소 규칙

– 화합물이 짝수 (홀수)개의 질소를 포함하고 있으면 짝수 (홀수)의 명목 질량을 갖는다.

• Illegal use of synthetic testosterone

– 크로마토그래피 + 동위원소 분석

– 인체 내 testosterone 내 13C/12C > 합성 testosterone 내 13C/12C

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Chapter Summary Homework

• 21장

• 11월 28일 오전 10시까지

• 객관식 문제는 제외

• A4 양면

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The Nobel Prize in Chemistry 2002

John B. Fenn, Koichi Tanaka, Kurt Wüthrich

• The Nobel Prize in Chemistry 2002 was awarded "for the development of methods for identification and structure analyses of biological macromolecules" with one half jointly to John B. Fenn and Koichi Tanaka "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" and the other half to Kurt Wüthrich "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution

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John B. Fenn Born: 15 June 1917, New York, NY, USA Died: 10 December 2010, VA, USA Affiliation at the time of the award: Virginia Commonwealth University, Richmond, VA, USA Prize motivation: "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" Field: Physical chemical methodology

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Koichi Tanaka Born: 3 August 1959, Toyama City, Japan Affiliation at the time of the award: Shimadzu Corp., Kyoto, Japan Prize motivation: "for their development of soft desorption ionisation methods for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" Field: Physical chemical methodology

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Kurt Wüthrich Born: 4 October 1938, Aarberg, Switzerland Affiliation at the time of the award: Eidgenössische Technische Hochschule (Swiss Federal Institute of Technology), Zurich, Switzerland, The Scripps Research Institute, La Jolla, CA, USA Prize motivation: "for his development of nuclear magnetic resonance spectroscopy for determining the three-dimensional structure of biological macromolecules in solution" Field: Physical chemical methodology