이온 교환상 SPE: 이온 교환체의 종류, 시료 및 용리 용매의 pH 조절
이온 교환상 SPE는 이온성 산이나 염기 화합물을 분석하기에 적합한 정지상(컬럼)으로, 주로 물이나 완충 용액이 적재 용매, 즉 시료로 사용된다. 이온 교환 SPE에서 상호 작용의 원리는 정지상에 있느 이온성 기능기와 분석 물질에 있는 이온성 기능기 사이의 이온성 상호 작용이다.
양이온 분석 물질은 양으로 하전된 화합물로 음으로 하전된 양이온 교환체 정지상을 사용하여 추출하는데, 대부분의 이온 분석 물질은 아민류이다. 한편, 음이온 분석 물질은 카복실산과 같은 음으로 하전된 화합물들이며 이들은 양으로 하전된 음이온 교환체 정지상을 사용하여 추출할 수 있다.
이온 교환상은 정지상이 양이온 또는 음이온 기능기로 만들어져 있는데, 음이온 교환상으로는 amino, quaternary amine이 있으며, 양이온 교환상으로는 carboxylic acid, alkyl sulfonic acid, aromatic sulfonicacid 등의 정지상이 있다.
이온화된 분석 물질은 이온성 정지상과 상호 작용을 통해서 정지상에 머물게 된다. 추출 용매의 pH 조절에 의해서 분석 물질과 정지상은 중성이 되고, 분석 물질에 대한 추출 용매의 세기가 분석 물질과 정지상과의 상호 작용보다 더 커지므로 분석 물질은 정지상으로 부터 이탈하여 용리된다.
즉 분석 물질과 정지상의 기능기 중에서 어느 하나가 중성화되면 둘을 묶고 있는 정전기력이 약화되어 분석 물질이 용리된다.
이온 교환체의 종류
정지상은 강한 이온 교환체와 약한 이온 교환체로 구분되는데, 강한 이온 교환체는 전체 pH 범위에서 이온화되므로 SPE 컬럼의 pH 조건에 무관하게 이온 교환체, 즉 정지상으로서의 역할을 할 수 있다. 반면에, 약한 이온 교환체는 정해진 pH 구간 내에서만 이온화되므로 SPE 컬럼의 pH 조건에 따라서 정지상으로 작용이 가능할 수도 있고 가능하지 않을 수도 있다.
강한 양이온 교환체로는 설폰산 기능기의 이온이 대표적인데 이는 강산성이어서 pKa 값이 매우 작으며, 거의 모든 pH 범위에서 전하를 띠고 있으므로 전체 pH 범위에서 이온 교환체로 작용할 수 있다. 약한 양이온 교환체로는 카복실산 기능기의 이온이 대표적인데, 카복실산은 약산성으로 pKa는 4.5~5.0이므로 SPE 컬럼에서 pH는 3 이상으로 조절해야 이온 교환체로서의 역할을 할 수 있고, pH가 3 이하가 되면 이온 교환체의 역할을 하지 못한다.
음이온 교환체도 강한 음이온 교환체와 약한 음이온 교환체로 구분할 수 있으며, 강한 음이온 교환체는 quaternary ammonium 기능기를 가진 것이며, 전체 pH 범위에서 이온화가 되므로 어느 pH에서도 추출 정지상의 역할을 할 수 있다.
약한 음이온 교환체는 2차-혹은 3차-아민 기능기를 가지고 있으며, pKa 값은 10 근처이다. 따라서 약한 음이온 교환체는 SPE 컬럼에서 pH 10 이하에서 정지상으로 작용하며 10 이상에서는 거의 작용하지 않는다고 볼 수 있다.
시료 및 용리 용매의 pH 조절
시료 적재 시에 이온 교환체(SPE 정지상)과 분석 물질이 이온성 상호 작용에 의한 머무름이 있게 되려면 분석 물질이 전하를 띠어야 한다. 강한 이온 교환체를 사용할 경우는 정지상이 모든 pH 범위에서 전하를 띠게 되므로 문제는 없지만, 분석 물질의 경우도 전하를 띠어야 하므로 시료의 pH를 조절해야 한다.
음이온 교환체로 산성 분석 물질을 붙들기 위해서는 분석 물질의 pKa 값보다 2 정도 높게 완충 용액의 pH를 조절하며, 양이온 교환체로 염기성 화합물을 붙잡기 위해서는 완충 용액의 pH를 분석 물질의 pKa -2 정도로 조절해서 적재하는 것이 바람직하다.
이는 완충 용액 내에서 산성 물질이 양전하를 띠게 되어 음이온 교환상과의 상호 작용에 의해 정지상에 머물게 하기 위해서이며, 염기성 물질은 그 물질의 pKa 값보다 적재 용액의 pH를 낮게 조절해 줌으로써 분석 물질이 음이온을 띠게 해서 양이온 교환상에 붙들려 있게 하기 위해서이다.
강한 음이온 교환체인 4차 아민의 경우는 pKa가 14 이상으로 어떤 pH의 용액에서든지 전하를 띠고 있다. 약한 음이온 교환체인 지방족 아민의 경우는 pKa가 보통 9.8 정도이므로 음이온 교환을 하기 위해서는 시료의 pH가 9.8보다 최소한 2 pH 단위 이하여야 하며, 이 pH도 시료 용액의 pH보다 2 단위 이하여야 한다.