고상추출(SolidPhaseExtractionSPE)은 고체흡착제를 이용하여 액체 시료의 목표 화합물을 흡착하여 시료의 기체 및 교란 화합물과 분리한 후 다시 세척액으로 세척 또는 가열하여 흡착을 분해하여 목표 화합물을 분리하고 부집하는 목적을 달성하는 것이다.

액-액 추출에 비해 고상 추출은 많은 장점이 있다: 고상 추출은 서로 용해되지 않는 용제를 대량으로 필요로 하지 않으며, 처리 과정에서 유화 현상이 발생하지 않으며, 고선택적인 흡착제 (고정상) 를 채택하여 용제의 용량을 현저하게 줄일 수 있고, 샘플을 처리 과정에서 간소화할 수 있으며, 동시에 필요한 비용도 감소한다.일반적으로 고상 추출에 걸리는 시간은 액-액 추출의 1/2이고, 비용은 액-액 추출의 1/5이다.목표 화합물의 회수율과 정밀도가 액-액 추출보다 낮다는 단점이 있다.

하나.고체 추출의 패턴 및 원리

고상 추출은 실질적으로 일종의 액상 크로마토그래프 분리이며, 그 주요 분리 패턴도 액상 크로마토그래프와 같으며, 정상 (흡착제의 극성은 세척액의 극성보다 크다), 반상 (흡착제의 극성은 세척액의 극성보다 작다), 이온 교환과 흡착으로 나눌 수 있다.고상 추출에 사용되는 흡착제도 액상 크로마토그래프에서 흔히 사용하는 고정과 동일하며 입도에서만 구별된다.

정상고상추출에 사용되는 흡착제는 모두 극성으로서 극성물질을 추출 (유지) 하는데 사용된다.정상 추출 시 목표 화합물이 어떻게 흡착제에 보존되는지는 목표 화합물의 극성 관능단과 흡착제 표면의 극성 관능단 간의 상호작용에 달려 있다. 여기에는 수소 결합, 파이-파이 결합 상호작용, 짝극-짝극 상호작용과 짝극-유도 짝극 상호작용 및 기타 극성-극성 작용이 포함된다.정상고상 추출은 비극성 용매 시료에서 극성 화합물을 흡착할 수 있다.

반상고상 추출에 사용되는 흡착제는 보통 비극적이거나 극성이 약하며, 추출된 목표 화합물은 보통 중극성에서 비극성 화합물이다.목표 화합물과 흡착제 간의 작용은 소수성 상호작용으로 주로 비극성-비극성 상호작용으로 판더화력이나 색산력이다.

이온교환고상추출에 사용되는 흡착제는 전하를 띤 이온교환수지이고 추출된 목표화합물은 전하를 띤 화합물이며 목표화합물과 흡착제 사이의 상호작용은 정전기적흡인력이다.

고상 추출 중 흡착제(고정상)의 선택은 주로 목표 화합물의 성질과 샘플 기체(즉 샘플의 용제) 성질에 따른 것이다.목표 화합물의 극성과 흡착제의 극성이 매우 유사할 경우 목표 화합물의 비교적 좋은 보존 (비교적 좋은 흡착) 을 받을 수 있다.둘은 극성이 비슷할수록 보존이 잘되므로 (즉 흡착이 잘될수록) 될수록 목표화합물과 극성이 비슷한 흡착제를 선택해야 한다.예를 들어, 탄화수소 (비극성) 를 추출할 때는 반상고상 추출 (이때는 비극성 흡착제) 을 사용해야 한다.목표 화합물의 극성이 적당할 때 정, 반상고상 추출을 모두 사용할 수 있다.흡착제의 선택은 또 견본의 용제강도 (즉 세척강도) 의 제약을 받아야 한다.

시료 용제의 강도는 이 흡착제에 비해 비교적 약해야 하며, 약한 용제는 목표 화합물의 흡착제에 대한 보존 (흡착) 을 강화한다.용제의 강도는 정, 반고상 추출에서의 순서가 다르다 (그림 3-13 참조).시료 용매의 강도가 너무 강하면 대상 화합물은 보존 (흡착) 되지 않거나 보존이 매우 약합니다.예를 들어, 시료 용매가 헥사판일 때 반상고상 추출을 사용하는 것은 적합하지 않다. 왜냐하면 헥사판은 반상고상 추출에 강한 용매이기 때문이다 (그림 3-13 참조). 목표 화합물은 흡착제에 흡착되지 않을 것이다.시료 용매가 물일 때 반상고상 추출을 사용할 수 있다. 왜냐하면 물은 반상고상 추출에 약한 용매이기 때문에 목표 화합물의 흡착제에 영향을 주지 않는다.

고상 추출은 분리 모드와 흡착제를 선택할 때 다음과 같은 몇 가지를 고려해야 합니다.

1. 목표 화합물의 극성 또는 비극성 용제 중의 용해도, 이것은 주로 임세액의 선택과 관련된다.

2. 목표 화합물의 이온화 가능성 유무(pH 값을 조절하여 이온화를 실현할 수 있음)로 이온교환 고상 추출 여부를 결정한다.

3.목표 화합물은 흡착제와 공가 키를 형성할 가능성이 있는가, 만약 공가 키를 형성한다면 씻을 때 번거로움을 겪을 수 있다.

4.비목표 화합물과 목표 화합물의 흡착제에서의 흡착점상의 경쟁 정도, 이것은 목표 화합물과 교란 화합물이 잘 분리될 수 있는지에 관계된다.

2.고상 추출에 많이 사용되는 흡착제(고정상)

고상 추출은 실질적으로 액상 크로마토그래프의 분리이기 때문에 원칙적으로 액상 크로마토그래프 기둥 충전재로 사용할 수 있는 재료는 모두 고상 추출에 사용할 수 있다.그러나 액상 크로마토그래프의 기둥 압력은 비교적 높을 수 있고, 기둥 효과가 비교적 높기 때문에 그 충전재의 입도 요구는 비교적 엄격하다. 과거에는 10μm 입경 충전재를 자주 사용했는데, 지금은 기둥이 5μm 충전재를 더 사용하고, 심지어 3μm 충전재를 사용했다 (HPLC 펌프의 압력이 높아짐에 따라 충전재의 입경은 점차 줄어들고 있다).충전재의 입경 분포에 대한 요구도 매우 좁다.고상 추출 기둥에 가압된 것은 일반적으로 크지 않다. 분리 목적은 단지 목표 화합물과 간섭 화합물과 기체를 분리하면 된다. 기둥의 효과 요구는 일반적으로 높지 않다. 그러므로 고상 추출 흡착제로서의 충전재는 모두 비교적 굵다. 일반적으로 40μm에서 사용할 수 있고 입경 분포 요구도 엄격하지 않다. 이렇게 하면 고상 추출 기둥의 원가를 크게 낮출 수 있다.고상 추출에 자주 사용되는 흡착제의 유형 및 용도는 표 3-4 참조.

셋.고체 추출 장치 및 조작 절차

비교적 간단한 고상 추출 장치는 직경이 몇 밀리미터인 작은 기둥 (그림 3-14) 이다. 작은 기둥은 유리일 수도 있고, 폴리프로필렌, 폴리에틸렌, 폴리테트라플루오로에틸렌 등 플라스틱일 수도 있고, 스테인리스강으로 만들 수도 있다.작은 기둥 하단에는 흡착제를 지탱하기 위해 20μm의 구멍이 있는 소결 체판이 있다.만약 자체로 만든 고상추출의 작은 기둥에 적합한 소결체판이 없을 때에도 유리면을 채워 체판을 대체할수 있어 고체흡착제를 지탱할수 있을뿐만아니라 액체도 류통할수 있는 역할을 할수 있다.체판에 일정량의 흡착제(100㎎~1000㎎, 필요에 따라 정함)를 채운 뒤 시료를 넣을 때 주상을 훼손하지 않도록 흡착제에 체판을 하나 더 덧붙인다(체판이 없을 때도 유리면으로 대체할 수 있다).현재 이미 각종 규격의 각종 흡착제가 장착된 고상 추출 작은 기둥이 판매되어 사용하기에 매우 편리하다 (그림 3-15).

고체 추출을 위한 일반적인 절차는 다음과 같습니다.

1. 활성화 흡착제: 시료를 추출하기 전에 적당한 용제로 고상 추출 기둥을 림세하여 흡착제가 습윤하게 유지되도록 해야 하며 목표 화합물을 흡착하거나 화합물을 방해할 수 있다.서로 다른 패턴의 고상 추출 작은 기둥 활성화용 용매가 다릅니다.

(1) 반상고상추출에 사용되는 약극성 또는 비극성 흡착제는 일반적으로 메탄올과 같은 수용성 유기용제를 사용한 후 물이나 완충용액으로 림세한다.또한 메탄올로 림세하기 전에 먼저 강한 용제 (예: 헥산) 로 림세하여 흡착제에 흡착된 불순물과 목표 화합물에 대한 방해를 제거할 수 있다.

(2) 정상고상추출에 사용되는 극성흡착제는 일반적으로 목표화합물이 있는 유기용제(견본기체)로 림세한다.

(3) 이온교환고상추출에 사용되는 흡착제는 비극성유기용제 중의 샘플에 사용할 때 샘플용제로 림세한다.극성용제에 있는 시료에 사용할 때는 수용성 유기용제로 림세한 후 적당한 PH값의, 일정한 유기용제와 소금이 함유된 수용액으로 림세한다.

고상 추출 작은 기둥의 흡착제가 활성화 후 시료에 첨가되기 전에 습윤함을 유지할 수 있도록 활성화 처리 후 흡착제 위에 약 1ml의 활성화 처리용 용제를 유지해야 한다.

2.위 샘플: 액체 또는 용해된 고체 샘플을 활성화된 고체 추출 기둥에 부은 다음 진공 (그림 3-16), 가압 (그림 3-17) 또는 원심 (그림 3-18) 방법으로 샘플을 흡착제에 넣습니다.

3.세탁 및 세척: 샘플이 흡착제에 들어가고 목표 화합물이 흡착된 후, 먼저 약한 용제로 약한 보존 간섭 화합물을 씻어낸 다음 비교적 강한 용제로 목표 화합물을 씻어 수집할 수 있다.림프세척과 세척은 앞에서 서술한바와 같이 진공을 뽑고 압력을 가하거나 원심을 분리하는 방법으로 림프세척액 또는 세척액이 흡착제를 류동할수 있다.

만약 흡착제를 선택할 때 목표화합물에 대한 흡착이 아주 약하거나 흡착하지 않고 교란화합물에 비교적 강한 흡착제를 선택할 때도 목표화합물을 먼저 림세하여 수집하게 하고 교란화합물을 흡착제에 보존 (흡착) 하게 하여 량자가 분리될수 있다.그림 3-19는 두 가지 방법에 대한 설명도를 제공합니다.대부분의 경우 목표 화합물을 흡착제에 보존하고 나중에 강한 용매로 씻어내는 것보다 시료의 정화에 더 유리하다.그림 3-20은 고체 추출을 제공합니다.

사용된 일반 프로그램 설명도.

고상 추출의 사용을 편리하게 하기 위하여 많은 공장들은 각종 규격과 모델의 고상 추출 작은 기둥을 생산하는 것 외에 많은 고상 추출 장치를 연구 개발하여 고상 추출의 사용을 더욱 편리하고 간단하게 하였다.예를 들어 Supelco사가 단일 고상 추출 작은 기둥에 압력을 가하는 단관 처리 플러그 (그림 3-21) 를 제공하여 고상 추출 작은 기둥과 쉽게 함께 사용할 수 있다.또 례를 들면 여러 고상추출기둥이 동시에 진공을 추출할수 있도록 하기 위해 Supelco사는 12공경과 24공경의 진공다기관장치 (그림 3-22) 를 제공하여 여러 고상추출기둥을 동시에 처리할수 있다.우리 나라 중국과학원 대련화학물리연구소, 국가크로마토그래피연구분석센터도 진공고상추출장치를 연구제작, 개발하였다.

그림 3-23은 시료의 기체 (용매), 대상 화합물 및 간섭 화합물의 성질에 따라 고체 추출 모드를 선택하는 방법에 대한 흐름도를 보여줍니다.

사.고체 미세 추출(SolidphaseMicro-ExtractionSPME)

고상미추출은 고상추출을 기초로 발전된 새로운 추출분리기술로서 액-액추출과 고상추출에 비해 조작시간이 짧고 견본량이 적어 추출용제가 필요 없으며 휘발성과 비휘발성물질을 분석하기에 적합하며 재현성이 좋은 등 장점이 있다.샘플에 적당한 내표를 넣어 정량분석을 했을 때 재현성과 정밀도가 뛰어나다는 연구결과가 많다.미량 샘플링 장치와 같은 고상 마이크로 추출 장치의 외형은 핸들(holder)과 추출 헤드 또는 섬유 헤드(fiber) 두 부분으로 구성되어 있으며, 추출 헤드는 1cm 길이로 서로 다른 흡착제를 칠한 용융 섬유로 스테인리스 와이어에 연결되어 있으며, 외투의 가는 스테인리스 파이프 (석영 섬유가 부러지지 않도록 보호), 섬유 헤드는 강관 안에서 신축되거나 샘플링되거나 스테인리스 와이어로 들어갈 수 있으며, 섬유 헤드는 고무나 세밀한 파이프에 관통용해집니다.손잡이는 추출 헤드를 설치하거나 고정하는 데 사용되며 영원히 사용할 수 있습니다 (그림 3-24)

고상미 추출의 관건은 불석영 섬유의 코팅 (흡착제) 을 선택하는 데 있다. 목표 화합물이 코팅에 흡착될 수 있도록 하려면 간섭 화합물과 용제가 흡착되지 않는다. 일반적으로 목표 화합물이 비극성일 때 비극성 코팅을 선택한다.대상 화합물이 극성일 경우 극성 코팅을 선택합니다.

고상미 추출의 샘플링 방법은 고상미 추출 침관(스테인리스 스틸 튜브)을 샘플병 밀봉 패드를 뚫고 샘플병에 삽입하는 것이다.그런 다음 추출 헤드를 출시하여 추출 헤드를 샘플에 담그거나 (침입 방식) 샘플의 상부 공간에 놓거나 (맨 위 방식) 추출합니다.추출 시간은 목표 화합물의 흡착 균형에 도달하는 것을 기준으로 약 2-30분입니다.추출 헤드를 뒤로 돌려 핀을 뽑습니다 (그림 3-25).

고상 마이크로 추출은 기상 크로마토그래프나 액상 크로마토그래프에 사용할 수 있다 (그림 3-25).GC에 사용할 때는 고상 미세 추출 침관(스테인리스 스틸 튜브)을 GC 입체 구멍에 삽입하고, 손잡이 막대를 밀고, 섬유 헤드를 내밀며, 입체 구멍의 고온 열분해 흡입 목표 화합물을 사용하여 흡입 후 공기를 싣고 크로마토그래피 기둥에 가져간다.HPLC에 사용할 때는 고상 마이크로 추출 침관(스테인리스 스틸 튜브)을 고상 마이크로 추출/HPLC 인터페이스 흡입 풀에 삽입한 다음 HPLC의 흐름을 이용하여 흡입 풀을 통해 대상 화합물을 씻어내고 대상 화합물을 크로마토그래피 기둥에 가져간다.