|  가스 크로마토그래피의 원리와 구성, 시장현황 

국내 수요 연간 약 700대…수입품이 시장 80% 점유

고가 장비인데도 검·교정 받지 않아
의료용가스 GMP로 수요 증가 기대

가스 크로마토그래피의 원리와 역사

크로마토그래피란 두 가지 이상의 성분으로 된 물질을 단일성분으로 분리하는 기법이다. 분리하고자 하는 물질의 각 성분은 두 종류의 상, 즉 고정상(Stationary Phase)과 이동상(Mobile Phase)에 다르게 분포하는데 이 분포의 차이에 근거하여 분리가 이루어진다. 이동상으로 기체를 사용하는 경우를 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)라고 한다.

크로마토그래피는 1850년경 F.F.Runge가 염료를 분리한 것으로부터 비롯되었다. 이 과정에서는 여과지와 용매가 사용되었는데 런지는 여과지에 대한 염료의 친화성 정도와 분자량의 차이를 이용하여 여러 가지 염료를 분리했다. 후에 페이퍼(Paper) 크로마토그래피라고 불러지는 이 기법은 오늘날에도 널리 이용되고 있다.

1903년 러시아의 식물학자인 Mikhail Tswett는 최초로 흡착제(탄산칼슘)를 충전시켜 석유 에스테르를 사용하여 식물잎의 엽록소(클로로필, 크산토필)를 분리하는 실험을 고안했다. 이 과정의 색의 기록(Color-Writing)이라는 의미로 크로마토그래피라 명명했다. 즉 Chromatography의 어원은 그리스어의 Chroma(색)과 Graphein(기록)의 합성어라고 할 수 있다.

가스 크로마토그래피는 오랜 시간의 연구를 거쳐 1954년 Ray가 처음으로 크로마토그램을 발표하고 나서야 비로서 기체 크로마토그래피의 응용가능성이 구체화되었다. 그가 사용하였던 검출기는 열전도도를 이용한 것으로 이것은 오늘날에도 널리 사용되고 있다. 결국 1955년 경 처음으로 가스 크로마토그래피 기기가 시판되기 시작되었다.

가스 크로마토그래피의 구성 요소

 가스 크로마토그래피는 일정한 압력의 운반 기체(이동상)를 사용한다. 주입부를 통하여 주입된 시료는 기화되어 운반기체를 따라서 분리가 일어나는 고정상(분리관, 컬럼)을 거쳐 검출기에 이른다. 검출기에 도달한 시료 성분은 전기적 신호로 변환되어 데이터시스템에 의하여 측정된다.

아래의 그림에서 보는 것과 같이 가스 크로마토그래피를 구성하는 기본 요소를 요약하면 다음과 같다. <그림-기체크로마토그래프 구성도 참조> 

- 운반기체(Carrier Gas):가장 일반적으로 사용되는 운반기체로는 헬륨(He), 수소(H₂), 질소(N₂), 아르곤(Ar) 등이 있다. 운반기체의 선택에서 고려해야 할 가장 중요한 점은 사용할 검출기의 특성이다. 또한 운반 기체는 반드시 △비활성일 것 △건조할 것 △순수할 것 등 3가지 조건을 갖추어야 한다.

- 시료 주입구(Sample Injection Port) : 시료 주입구는 시료를 기화시켜 운반 기체와 함께 컬럼으로 이동시키는 역할을 하며 분석할 시료의 상태, 농도, 분석 목적 등에 따라 충전용 컬럼 주입구, 모세관용 컬럼 주입구, 온 컬럼 주입구, 기체시료 주입밸브 등 적당한 시료주입구를 선택하여 장착할 수 있으며 퍼지 & 트랩, 헤드스페이스 샘플러, 자동시료 주입기, 써멀 디조버 등 다양한 시료전처리장치와 연결하여 사용할 수 있다.

- 분리관(Column) : 시료를 각각의 단일 성분으로 분리하는 것은 전적으로 분리관에서 일어나는 것이므로 분리관이야 말로 가스 크로마토그래피의 심장부가 된다. 

- 튜빙(Tubing) : 분리관의 튜빙은 시료분리를 일으키는 재료를 담은 용기로써 운반기체의 흐름을 위한 안내자로서의 역할만을 하는 것이 바람직하며, 분리 그 자체에는 전혀 영향을 미치지 않아야 한다. 극단적인 예로서 유리 분리관은 불화수소를 함유하는 혼합물의 분석에는 가장 좋지 않다.

-검출기(Detector) : 검출기를 가스 크로마토그래피 사용 목적으로서 가장 일반적으로 정의 하자면 운반기체가 통과하는 장치라고 할 수 있으며 이는 흐르는 기체의 조성이 변화할 때 전기적 신호로써 응답하게 된다. 검출기를 설명하는 주요한 특성은 4가지로 나뉜다.

1) 감응(Response) - 시료에 의해서 생겨나는 신호로 이상적으로는 이 응답이 시료의 양에 의해서만 달라지는 것이나 실제 분석에 있어서는 시료의 성질에 따라서 상당히 변화한다.

2) 민감도(Sensitivity) - 여러 시료의 크기에 따라 감응이 결정되고 이 데이터를 시료 무게에 따라 플롯(plot)하여 나타나는 직선의 기울기가 곧 민감도이다.

3) 선택성(Selectivity) - 열전도도 검출기는 모든 것에 반응하는 보편적인 검출기이다. 이에 비하여 불꽃 이온화 검출기는 선택적이어서 불꽃에 연소되었을 때 이온을 방출하는 물질에만 반응한다. 이 검출기는 물, 질소, 이산화탄소 및 기타 많은 성분들을 분석하지 않는다. 선택성은 매우 바람직한 성질이 될 수 있다. 

4) 직선성(Linearity) - 검출기가 작동되는 물리적인 원리가 본래 비직선적인 경우로서 예를 들면 직류(DC) 및 펄스형 전자 포착 검출기 그리고 불꽃 광 검출기로 황성분을 검출할 때 등이다. 시료의 농도가 너무 높아서 검출기가 포화된 경우로서 예를 들면 불꽃 이온화 검출기에서 시료의 양이 많으면 불꽃이 전량을 연소시킬 수 없게 된다. 

가스 크로마토그래피의 시장 현황 및 전망

 현재 가스 크로마토그래피는 수입품의 비율이 월등하게 높다. 주요 수입국은 미국으로 세계적으로 많이 보급하는 에질런트(Agilent)사가 국내 공급물량의 약 60%를 차지하고 있다. 다음으로 일본의 시마즈사 제품, 미국 퍼킨 엘머사의 제품이 약간씩 보급 중이다. 국내 제조사로는 2개사가 있는 것으로 알려졌다. 그 중 한 업체인 영린기기는 1995년 1세대 장비를 국산화한 후 지금은 5세대 장비를 보급 중으로 국산화율이 약 80%가량 진행되었다. 

국내에서 연간 구입되는 가스 크로마토그래피는 약 600∼700대 정도로 이 중 약 80%가 수입품이다. 액체 크로마토그래피를 포함할 때 국내 시장은 약 2천대 정도로 예상하고 있다. 이처럼 수입품의 사용 비중이 높은 것은 국산화 이전부터 국내에 도입되어 시장을 선점한데다 품질 면에서 고객들로부터 신뢰를 얻고 있기 때문으로 보인다. 하지만 국내 업체들도 품질 업그레이드를 통해 수입품 시장을 대체화하고 있다. 특히 국산 제품의 경우 가격과 서비스, 2년이라는 유지보수기간도 차별화함으로써 보급 확대에 박차를 가하고 있다.

가스 크로마토그래피는 대당 2천만 원대에서 많게는 1억 원대의 고가 장비인 만큼 주기적으로 부품교체를 통해 약 10년간 사용할 수 있다. 하지만 지금까지 제품의 신뢰성 등을 검교정할 수 있는 기관이 없다는 것도 문제점으로 지적되고 있다.

가스업계에서는 도시가스의 성분을 분석하는 한국가스안전공사를 비롯해 일반고압가스업계에서도 많이 사용 중이다. 특히 금년 7월부터 의무화되는 의료용가스의 GMP(우수의약품 제조 및 품질관리기준)인증제 시행으로 구입은 더욱 늘어날 것으로 보인다. 그밖에 환경 분야나 혈액 도핑시험, 미생물 분야 등 사용분야가 광범위하므로 가스 크로마토그래피의 보급률은 잰걸음 보폭을 보일 것으로 관련 업계는 기대하고 있다.