고체상 추출법(solid-phase extraction, SPE)의 원리와 추출 과정(컨디셔닝 단계)

1. 고체상 추출법(solid-phase extraction, SPE)의 원리

 

고체상 추출법은 액체-액체 추출법과 추출 원리는 동일하되 액체-액체 추출법에서는 시료와 추출 매체 모두가 액체상이지만, 고체상 추출법에서는 시료는 주로 액체(주로 수용액이며, 수용액이 아닌 액체 시료도 있으며 때로는 기체(공기) 시료인 겨우도 있다)이며, 액체-액체 추출법에서 사옹된 액체상 추출 용매 대신에 고체상 추출 매체로 대치된 것이 다른 점이다.

고체상 추출법은 액체 크로마토그래피와 비슷한 원리이며, 분석 물질을 선택적으로 수착(sorption)시켜서 농축시키거나 추출한 후 복잡한 매트릭스로부터 방해 물질을 제거하는 데 사용된다.

SPE 방법은 LLE 방법과 비교해서 다음과 같은 장점이 있다.
1) 분석 물질을 더 완벽하게 추출할 수 있으며,
2) 분석 물질로부터 방해 물질을 더 효과적으로 분리가 가능하고,
3) 유기 용매의 소비가 줄어들고,
4)에멀션 형성이 없고,
5) 분석 물질을 더 쉽게 모을 수 있고,
6) 절차가 더 간편하고,
7) 입자들을 제거하기가 쉽고,
8) 쉽게 자동화할 수 있다.

SPE는 LLE보다 분리 과정이 더 효율적이어서 분석 물질의 회수율을 증가시키기에 유리하며, 분석 물질로부터 방해 물질들을 거의 완전히 제거시킬 수도 있다. SPE에서는 역상(reverse phase)-SPE 절차를 따르는 것이 일반적인데, 역상은 정지상(고체 정지상)이 무극성이고, 이동상(추출 용매)이 극성인 시스템으로, 소량의 유기 용매를 사용하기 때문에 분석 물질의 농도를 높게 얻을 수 있어서 용매 휘발에 의한 농축 과정을 생략할 수 있다는 장점이 있다.

LLE에서는 많은 양의 유기 용매로 추출한 후에 분석 물질(용질)의 양은 그대로 유지한 채 유기 용매를 휘발시킴으로써 농축시키는 것이 보통인데, 이런 농축 과정을 거치게 되면 추출 유기 용매 중에 적은 양으로 존재했던 불순물도 동시에 농축되어 높은 농도로 나타날 수 있는 반면서, SPE에서는 농축을 덜 시켜도 되므로 높은 순도의 추출물을 얻을 수 있는 장점도 있다.

SPE의 단점으로는 분석 물질이 SPE의 충전 물질이나 frit 등에 회수가 불가능한 흡착이 일어날 수도 있다는 것이다. 특히, 염기성 화합물 중에서 아주 미량이 결합 실리카 SPE 충전 물질에 있는 잔류 실라놀(silanol) 작용기나 다른 반응성 작용기들과 상호 작용할 경우에 회수가 불가능한 흡착이 일어날 수 있다.

또한 SPE 컬럼의 생산에 있어서 제조하는 날짜나 제조사에 따라 결합하는 방식이나 잔류 실라놀기의 양, 폴리머의 조성에 의해서 고체 추출상의 성질이 다르게 생산된 것들이 있을 수 있기 때문에 재현성에 문제가 있는 경우도 종종 있을 수 있다.

고체상 추출법을 이해하기 위해서는 수착의 물리-화학적 과정에 대한 이해가 필요하다. 흡수는 분석 물질이 추출상의 내부로 들어가서 머무는 현상으로 분배라고도 하며, 흡착은 분석 물질이 고체상에 이끌려서 고체상의 다공성 표면에 농축되는 현상이다. 흡수는 흡착보다는 상호 작용의 힘이 약하다.

흡수와 흡착은 구분하기가 어려운 경우가 많으며, 종종 두 현상이 동시에 일어나기도 하므로 고체상 추출에서는 '수착제'라는 용어를 사용한다.

한편, 최적의 추출 조건을 예측하고 확립하기 위해서는 추출에 사용되는 수착제의 성질을 아는 것도 중요하다.

 

2. 고체상 추출법(solid-phase extraction, SPE)의 추출 과정

 

고체상 추출법은 고체 정지상으로 충전된 추출 컬럼(카트리지)를 이용하여 추출을 수행하며, 추출 과정은 4단계, 즉 1) 컨디셔닝 2) 시료 정재(흡착) 3) 세척 4) 용리 단계로 구분할 수 있다.

1) 컨디셔닝 단계
메탄올과 같은 액체를 고체상 컬럼(카트리지)에 흘려서 시료를 적재할 준비를 한다. 컨디셔닝은 다음과 같은 목적이 있다. 첫째, 구입한 카트리지가 제조 시 또는 실험실 환경에서 오염이 되어 있을 수 있으므로 혹시나 존재할 수 있는 불순물을 제거하는 역할을 한다.

둘째 실험실에서 구입한 SPE 컬럼은 건조된 상태이므로 기능기들이 비활성화되어 있기 때문에 정지상이 분석 물질과 상호 작용하기 위해서는 이들을 적셔서 활성화시켜야 하는데, 이를 "용매화"라고 한다.

용매화는 메탄올이나 아세토나이트릴과 같은 극성 유기 용매를 사용하여 움츠러져서 누워 있는 정지상의 기능기를 일으켜 세워서 분석 물질이 기능기와 상호 작용할 수 있게 해준다.