SPE 수착제의 종류, 혼합 상 추출과 다중 연결 방법, SPE의 형태

SPE 수착제의 종류

 

SPE 수착제는 결합 실리카 기반이 가장 일반적으로 사용되며 이는 실리카 입자 표면의 실라놀기에 적절한 기능기를 결합시킴으로써 이 기능기에 의해 분석 물질의 머무름이 있게 되며 수착제의 종류가 결정된다.

그런데 이러한 기능기의 결합이 완벽하게 이루어지지 않고 반응하지 않은 실라놀기가 남아 있을 수 있는데, 이 미반응 실라놀기는 극성이고 산성인 성질을 가지고 있어서 화합물과 복잡한 상호 작용을 하게 된다. 따라서 이들 극성 위치를 줄이기 위해서 'end-capping'을 해준다.

'End-capping'은 실리카 입자를 기반으로 하는 수착제에 부분적으로 남아 있는 실라놀기를 짧은 사슬의 알킬기를 사용하여 제거하는 방법이다. 보통은 C1을 수산화기에 붙여 주어서 극성을 제거한다.

실리카 기반 수착제 외에도 폴리머 재질과 Florisil이나 알루미나 같은 무기 재질을 바탕으로 한 고체상도 있으며, 최근에는 흑연 탄소 수착제의 사용도 증가하고 있다.

화학적으로 결합된 표면을 가진 실리카 기반 다공성 수착제들로 입자 크기나 다공성 크기, 기능기의 형태, 결합 밀도 등이 다양하고 폭넓은 범위의 성질을 가진 것들을 제조할 수 있다. 화학적으로 결합된 수착제는 실리카 젤과 기능기를 가진 실레인의 반응을 통해 합성한 후  end capping을 해서 만들어진다.

3중 기능기 실레인을 사용하면 탄소 적재량이 높고 pH에 대한 안정성이 좋은 폴리머 결합 층을 가진 수착제를 만들 수 있다. 높은 표면적과 긴 알킬 사슬, 높은 상 적재량을 가진 화학적으로 결합된 수착제는 주로 작은 분자량의 분석 물질을 추출하는 데 사용된다.

실리카 기반 수착제는 극단적인 pH에서는 불안정하기 때문에 주로 pH 2~8 범위에서만 사용한다. 이를 개선하기 위해서 다공성 폴리머와 탄소 수착제가 사용되는데, 이들은 전체 pH 범위에서 안정하여 이온화된 실라놀기를 가지고 있지 않다. 폴리머 기반 수착제는 styrene과 divinylbenzene의 혼성 중합 반응에 의해 만들어진다.

 

혼합 상 추출과 다중 연결 방법

단일 수착제를 사용하는 것이 일반적이지만, 여러 종류의 화합물을 동시에 추출할 경우에는 두 가지 형태로 추출이 가능하다. 하나는 두 가지 형태의 SPE를 직렬로 연결해서 시료를 적재한 후 이들을 분리하여 각각 다른 용리 용매를 사용하여 추출하는 방법, 즉 다중 연결 방법이고, 다른 방법으로는 두 가지 다른 기능기의 수착제를 한 개의 카트리지에 넣어서 추출하는 혼합-상(mixed-phase) 추출 방법이 있다.

예를 들어 시료 중에 포함된 소수성인 유기 화합물과 무기 음이온을 분석하고자 할 경우에 C18 수착제와 SCX 수착제를 직렬로 연결해서 시료를 적재한 후에 이들을 분리하여 각각 다른 용리 용매를 사용하여 용리 단계를 수행하는 것이다.

다른 기능기를 가진 수착제를 혼합하여 만든 카트리지를 사용하고자 할 때는 용리 용매의 선택이 매우 까다롭기 때문에 일반적으로는 직렬 연결 방법을 많이 사용하고 있다.

 

SPE의 형태

 

SPE는 여러 형태가 있지만 일반적으로 많이 사용되는 형태는 카트리지 형태와 디스크 형태로 대부분 1회용이다. 가장 일반적인 카트리지 형태는 주사기 모양이며 몸통은 폴리프로필렌 재질이다. 특별한 목적을 위해서는 PTFE 재질을 사용하기도 한다.

충전 입자(정지상)들이 움직이지 않도록 위아래가 있는 입자의 크기가 10~20um 다공성의 폴리에틸렌이나 PTFE로 만들어져 있다. 입자의 크기가 20~60 um인 수착제가 카트리지당 35 mg~2 g이 채워져 있으며, 시료를 적재할 수 있는 부피는 0.5~10 mL로 목적에 따라 다양하다.

SPE에서 사용되는 추출 용매의 양은 충전 물질의 부피에 비례한다. 폴리에틸렌 기반의 SPE 충전 물질의 표면적은 실리카 기반의 입자들에 비해서 넓기 때문에 충전 물질의 양이 적어도 된다.

디스크 형태의 SPE 장치는 얇은 막과 SPE의 장점을 결합한 것이다. 디스크 형태의 현탁된 입자들과 매트릭스 성분들에 의한 막힘을 최소화하기 위해서 개발된 형태로, 적은 부피의 시료를 다룰 때 유리하다. 디스크는 얇은 막 필터와 유사하며 두께는 1 mm 이하이고, 직경은 4~90 mm이다. 수착제 입자는 직경이 8~12 um가 일반적이다.