크로마토그래피 고정상이란? 성분별 머무름 차이로 혼합물을 분리하는 원리

고정상은 컬럼 안에 머무르면서 시료 성분과 상호작용하는 상이다. 성분마다 고정상과 이동상 사이에 분포하거나 고정상 표면에 흡착되는 정도가 달라 평균 이동 속도에 차이가 생기고, 이 차이가 혼합물의 분리로 이어진다.

고정상은 컬럼에 남아 성분의 머무름을 만든다

고정상(stationary phase, 정지상)은 컬럼 안에 머무르면서 이동상에 실려 온 시료 성분과 상호작용하는 상이다. IUPAC은 고정상을 이동상이 운반하는 분석대상 성분의 머무름을 담당하는 부분으로 정의한다. 이동상은 고정상을 통과하거나 그 표면을 따라 흐르는 유체다. IUPAC 용어 권고문 공개 HTML 전재본

여기서 ‘고정’은 컬럼 안에서 유지되는 위치와 역할을 뜻한다. 고정상은 고체뿐 아니라 액체나 겔일 수도 있다. 액체를 지지체 위에 유지하거나 컬럼 벽에 막으로 형성해도 고정상으로 작용한다. WHO 국제약전 역시 고정상의 형태로 고체, 고체에 지지된 액체, 겔을 제시한다. WHO 국제약전 크로마토그래피 일반시험법

분배와 흡착의 차이가 평균 이동 속도를 바꾼다

분배는 성분이 고정상과 이동상에 나뉘어 존재하는 현상이다. 분배 크로마토그래피에서는 성분마다 각 상에 녹아 분포하는 경향이 다른 점을 이용한다. 흡착은 성분이 고체 표면과 상호작용해 표면에 머무르는 현상이다. 흡착 크로마토그래피에서는 고정상 표면에 대한 성분별 친화도 차이가 분리를 만든다. IUPAC 크로마토그래피 명명법 공개 HTML 전재본

컬럼을 통과하는 동안 성분은 이동상에 실려 이동하면서 고정상과 가역적으로 상호작용한다. 같은 조건에서 고정상 쪽에 더 많이 분포하거나 표면에 더 오래 머무르는 성분은 평균 이동 속도가 느려진다. 이동상 쪽에 더 많이 존재하는 성분은 상대적으로 빨리 전진한다. 이 과정이 컬럼을 따라 반복되면서 함께 주입한 성분들의 띠가 서로 벌어진다. Merck의 성분–고정상 상호작용 설명

개념 그림의 흐름은 ‘성분별 분배·흡착 차이 → 평균 이동 속도 차이 → 컬럼 출구에 도달하는 시간 차이’다. 고정상은 이처럼 성분을 서로 다르게 지연시키는 역할을 한다.

이 차이를 시간으로 관찰한 지표가 머무름시간이다. 머무름시간은 시료 주입부터 해당 성분의 피크가 최대 응답에 도달할 때까지의 전체 경과 시간으로, 이동상에 의해 운반되는 시간도 포함한다. IUPAC 머무름시간 정의

GC에서는 컬럼 안쪽 벽의 막도 고정상이다

GC의 이동상은 운반기체다. 기화한 시료 성분이 운반기체를 따라 컬럼에 들어오면 고정상과 상호작용하며 성분별로 지연된다. 대표적인 개방관 모세관 컬럼에서는 고정상이 관 안쪽 벽에 얇은 막으로 유지되고, 중앙에는 운반기체가 흐르는 통로가 남는다. 충전 컬럼에서는 고정상을 입힌 지지체나 고체 흡착제가 관 안에 채워진다. GL Sciences의 GC 컬럼 구조와 분리 원리

기체–액체 크로마토그래피의 대표적인 고정상 재료에는 디메틸폴리실록산과 폴리에틸렌글리콜이 있다. 이런 고분자 고정상에서는 기체와 고정상 사이의 분배가 주요 분리 기작이다. 고체 흡착제를 사용하는 기체–고체 크로마토그래피에서는 표면 흡착 차이가 중요하다. GL Sciences의 고정상 분류

고정상의 화학적 성질에 따라 분산력, 쌍극자 상호작용, 수소결합 등이 머무름에 기여하는 정도가 달라진다. GC의 용리 순서를 이해할 때는 이러한 상호작용과 성분의 휘발성을 함께 고려한다. Merck의 GC 머무름 기작 설명

HPLC에서는 충전 입자의 표면 화학을 함께 본다

전통적인 HPLC 컬럼에는 다공성 실리카 입자가 충전된다. 대표적인 역상 고정상인 C18은 실리카 표면에 소수성 알킬기를 화학적으로 결합한 형태다. 입자는 고정상을 형성하는 바탕이 되고, 표면의 결합기와 남아 있는 실라놀기도 성분의 머무름에 관여할 수 있다. Shimadzu의 HPLC 컬럼과 결합상 설명

액체 이동상은 입자 사이와 접근 가능한 기공을 흐르며 성분을 운반한다. 소수성 결합상과 상호작용하는 경향이 큰 성분은 주어진 이동상 조건에서 더 오래 머무를 수 있다. 이동상에 녹아 존재하는 경향도 함께 작용하므로, 같은 고정상을 사용해도 용매 조성이 달라지면 머무름이 달라진다. Shimadzu의 소수성 머무름 설명

이 설명은 대표적인 결합상 HPLC를 이해하기 위한 것이다. HPLC에는 흡착 외에도 이온교환이나 크기배제 등 다른 분리 기작을 사용하는 방식이 있다. WHO 국제약전의 분리 기작 설명

GC와 HPLC에서 고정상이 놓이는 위치 비교

아래 표는 대표적인 고분자 막을 사용하는 GC와 실리카 결합상을 사용하는 역상 HPLC를 비교한 것이다.

컬럼 구조는 GL Sciences의 GC 설명과 Shimadzu의 HPLC 설명을 근거로 정리했다.

오래 머무르는 것과 잘 분리되는 것은 구별한다

성분들이 모두 오래 머물더라도 서로 비슷하게 지연되면 함께 용리될 수 있다. 분배·흡착형 분리에서 중요한 것은 성분 사이에 서로 다른 지연을 만드는 선택성이다. 같은 혼합물도 고정상의 화학적 성질에 따라 성분별 상호작용 차이가 달라질 수 있다. Merck의 선택성과 공동용리 설명

머무름시간 차이가 생겨도 성분의 띠가 넓게 퍼지면 분리가 충분하지 않을 수 있다. 분리도에는 머무름시간의 차이와 피크 폭이 함께 관계한다. 고정상이 성분을 구별해 머무르게 하는 작용과 컬럼 안에서 띠가 퍼지는 정도를 함께 이해해야 하는 이유다. IUPAC 분리도 정의

머무름은 고정상뿐 아니라 컬럼 온도, 이동상 조성과 유속 등 분석 조건에도 영향을 받는다. 따라서 ‘이 물질은 이 고정상에서 항상 늦게 나온다’는 식으로 조건과 분리해 해석할 수 없다. WHO 국제약전의 크로마토그래피 거동 영향 인자

이어서 볼 글: 크로마토그래피 이동상이란 무엇이며 분리에 왜 필요한가

근거 자료

• IUPAC, Terminology of separation methods — Mass Spec Terms HTML 전재본 (IUPAC Recommendations 2017; Pure and Applied Chemistry 90(1), 181–231, 2018) — 2.1.9 mobile phase; 2.1.10 stationary phase 및 Note 1
• WHO, The International Pharmacopoeia, 1.14.1 Chromatography (공개 HTML 본문 개정표시 2024-01; 2026-10-29 확인) — 1. Introduction
• IUPAC, Nomenclature for chromatography — Mass Spec Terms HTML 전재본 (IUPAC Recommendations 1993; Pure and Applied Chemistry 65(4), 819–872) — 1.5.01 Adsorption Chromatography; 1.5.02 Partition Chromatography
• GL Sciences, Basics of Gas Chromatography — 1-3 Column Principles
• Shimadzu, High Performance Liquid Chromatography (HPLC) Basics
• Merck/Supelco, Choosing a Capillary GC Column