HPLC를 이용한 Langmuir 흡착평형식의 매개변수의 결정

최 용 석, 정 성 택, 노 경 호+

인하대학교, 화학공학과

HPLC-Determination of Parameters in Langmuir Adsorption Isotherm

Yong Seok Choi, Sung Taik Chung, Kyung Ho Row+

Dept. of Chem. Eng., Inha University

1. 서 론

HPLC (High Performance Liquid Chromatography)는 모든 분리 분석방법 중에서 가장 널리 사용되고있다. HPLC의 장점은 장치가 간단하고 비교적 감도가 좋아서 정확하게 정량을 할 수 있고, 비휘발성 성분 또는 열적으로 불안정한 물질은 쉽게 분리할 수 있는데 있다[1]. 특히  천연 식물에 포함이 된 유용성분들을 추출하여 상품화하는 많은 연구가 진행중이다. 택솔(taxol), 카테킨(catechin), 인지질등은 항암작용에 탁월한 성능을 보이는 성분등이다[2,3]. 또한 기체 크로마토그래피에 비해서 다양한 조업조건이 가능하고 많은 양을 처리할 수 있기 때문에 제조용으로 쉽게 적용할 수 있다. 일반적으로 분석시간이 1시간 이내이며 연속적인 작동으로 자동화 할 수 있다.

Chromatography에서 흡착평형식은 고정상과 이동상에서의 농도를 나타내는 관계식이다. 제조용 chromatography에서는 sample의 양이 많기 때문에 비선형 흡착식이 필요하게 되고 이를 바탕으로 물질의 분리도, 생산량을 결정할 수 있게 된다[4,5].

본 논문의 목적은 기존의 흡착평형식을 측정하기 위해 사용되는 static method와는 달리 dynamic method에 의해서 비선형 Langmuir 흡착평형식에서 사용된 매개변수를 결정하는 것이다. 시료는 향미제(flavour enhancer)인 5'-IMP, 5'-GMP의 단일 성분을 buffer의 종류와 농도, 주입부피에 대하여 Langmuir 흡착평형식을 고찰하였다.

2. 이론적 배경

단일성분을 column내로 주입하면 고정상과 이동상의 농도가 증가하는 경우 Langmuir 흡착평형식이 아래식과 같이 된다.

[eqn: c_s ~=~ ac_m over {1~+~bc_m}]	(1)

cs는 고정상에서의 시료의 농도이고 cm는 이동상에서의 시료의 농도가 된다. Langmuir adsorption isotherm에서는 sample size가 크게 되어 peak의 모양이 삼각형이 된다. 식(1)의 a값은 analytical injection에서의 retention time으로부터 retention factor (k')을 구하고 dead volume을 사용하여 phase ratio □(=Vm/Vs)를 계산한다. Partition coefficient, K,는 K=□k'으로부터 얻고 이 값을 a값으로 정하였다. 0보다 큰 임의의 상수값을 b의 초기값으로 설정하여 4-5번 의 반복을 하여 수렴된 b값을 얻는다.  Langmuir adsorption parameters, a, b를 구하여 식 (1)에 의하여 cs와 cm에 대한 흡착평형식을 얻는다. 얻어진 실험 data와 이 계산된 elution profile을 비교하여 실험값과 이론값의 retention time이 일치할 때까지 b값을 변화시켜 결정한다. 이 흡착평형식을 사용하여 column내에서의 material balance로부터 elution profile을 예측할 수 있다.

3. 실험방법

본 실험에 사용한 시료는 5'-IMP-Na2 (Inosine 5'-mono- phosphate Disodium salt)로서 Fluka에서 구입하였다. 시료를 HPLC-grade 물에 용해하여 10□/□의 용액을 만들어 사용하였고, 주입부피는 각 이동상의 Buffer의 농도에 따라 10, 50, 100□로 하였다. 이동상은 HPLC- grade물에 KH2PO4, NaH2PO4□2H2O와 Na2B4O7□10H2O를 용해하여 각각 5, 10, 20, 40mM을 만들었다. 모든 용매는 감압 펌프 (Division of Millipore, Waters)와 필터 (HA-0.45 □, FH-0.5 □)를 이용하여 감압 여과한 후 사용하였다. 이동상 내에 잔존하는 공기를 제거하기 위해 이동상의 저장용기에 헬륨을 100 ml/min으로 탈기하였다. 이동상의 유량은 1 ml/min으로 고정하였다. HPLC는 Waters사의 600E pump (multisolvent delivery system), 486 detector (UV-visible tunable wavelength absorbance), U6K injector (2□ sample loop)를 사용하였고, data acquisition system은 CHROMATE (v.2.1, Interface Eng.)를 PC에 설치하여 사용하였다. LiChrospher 100 RP-18 (15 □, Merck) packing을 stainless steel (3.9×300 mm)에 충진하였다. UV detector의 파장은 290 nm로 고정하였고 모든 실험은 상온에서 행하였다.

4. 결과 및 고찰

5'-IMP의 주입부피를 10, 50, 100□로 증가시킴에 따라서 peak의 모양이 Gaussian type에서 체류시간이 점점 작아지고 비대칭 모양을 갖는 peak로 변하였다. 본 연구에서는 100□를 주입한 경우 peak모양으로부터 Langmuir adsorption isotherm으로 가정하고 buffer의 종류와 농도에 따라서 Langmuir adsorption parameter를 위에서 제시한 이론적 방법에 의하여 구하였다. a값은 k'(retention factor)를 알고 있기 때문에 10, 50, 100□ 세 개의 injection volume으로부터 peak의 retention time을 외삽하여 구하였고 계산된 b값의 결과와 함께 table. 1에 표시하였다. Potassium phosphate의 농도가 증가함에 따라 체류시간이 증가하여 a값이 커졌다.

위에서 구한 parameter를 사용하여 Langmuir adsorption isotherm으로부터 elution profile을 계산값과 실험값을 비교한 결과가 Fig. 2에 나타나 있으며 0.1, 0.5, 1.0□ sample size에 따라서 비교적 잘 일치하였다.

Table. 1  Parameters of a and b with conc. of Potassium Phosphate

	k'	a	b
5mM	4.1282	2.3497	0.000201
10mM	5.4416	3.0927	0.000147
20mM	6.5172	3.7094	0.000231

(5□-IMP, 0.5□ sample size)

알 림

본 연구는 과학재단(Grant No.971-1107-048-2)의 연구비 지원에 의하여 고순도 분리 연구실에서 수행되었습니다.

Fig.    Peak shapes with sample size of 5'-IMP

(10mM Potassium phosphate)

참고문헌

1. L.R. Synder, "Principles of Adsorption Chromatography", Marcel Dekker, Inc., New York (1968).

2. 노 경 호, 정 용 안,  "천연식물에 포함된 유용성분의 의학적 이용 (I)",  정밀화학, 통권 47호, 신년호, pp.16-25 (1998).

3. 정 성 택, 노 경 호, 박 영 광, "Taxol의 연구개발동향", 정밀화학, 통권 45호, 여름호, pp.34-42 (1997).

4. K.H. Row and A.V. Larin,  Korean J. Chem. Eng., 12, 442 (1995).

5. 이 종 호, 노 경 호, "제조용 액체 크로마토그래피에서 시료량이 Column의 효율과 분리도에 미치는 영향",  화학공학, 심사중 (1997).

Fig.    Comparison of calculated values with experimental data of

5'-IMP (20mM Potassium phosphate)