기체 크로마토그래피(GC)

분리 원리는 기체 크로마토그래피의 핵심으로, 이동상인 기체와 고정상 사이에서 시료 성분들이 서로 다른 분배 계수를 가지는 것을 기반으로 한다. 이동상은 불활성 기체인 담체 기체(예: 헬륨, 질소, 수소)가 사용되며, 고정상은 컬럼 내부에 코팅된 액체나 고체 물질이다. 시료가 주입되면 가열되어 기화되고, 이동상에 의해 컬럼을 따라 운반된다. 이 과정에서 각 성분은 고정상과 이동상 사이에 반복적으로 분배되며, 고정상에 대한 친화력(분배 계수)의 차이로 인해 이동 속도가 달라진다.

분배 계수가 작은 성분, 즉 고정상보다 이동상에 더 잘 용해되는 성분은 컬럼을 빠르게 통과한다. 반대로 분배 계수가 큰 성분은 고정상과 더 강하게 상호작용하며 컬럼에 더 오래 머물러 지연된다. 이로 인해 혼합물 내 각 성분은 컬럼을 나오는 시간(체류 시간)이 달라지게 되어 물리적으로 분리된다. 분리의 효율과 선택성은 주로 고정상의 종류, 컬럼의 길이, 직경, 온도 조건 등에 의해 결정된다.

분리 과정을 이해하는 데 중요한 개념은 분배 계수(K)와 용량 인자(k')이다. 분배 계수는 평형 상태에서 성분이 고정상과 이동상에 분포하는 농도의 비율을 의미한다. 용량 인자는 성분이 고정상에 머무는 상대적인 시간을 나타내는 무차원 수치로, 분리 최적화의 주요 변수로 활용된다. 일반적으로 용량 인자가 1에서 10 사이일 때 효과적인 분리가 이루어진다.

분리의 정도는 컬럼의 이론단 수로 표현되며, 이는 컬럼의 분리 효율을 정량화한 것이다. 더 많은 이론단을 가진 컬럼은 피크가 더 좁고 분리도가 높아져 복잡한 혼합물의 분석에 유리하다. 분리 원리는 다음 표와 같이 주요 변수들의 영향을 요약할 수 있다.

분리된 각 성분이 컬럼을 빠져나오는 시간(보존 시간)은 성분의 고유한 물리화학적 성질과 컬럼의 특성에 의해 결정된다. 따라서 미지 시료의 크로마토그램에서 피크가 나타나는 시간을 표준 물질의 보존 시간과 비교하여 성분을 동정하는 정성 분석이 가능하다. 또한 피크의 면적 또는 높이는 해당 성분의 양에 비례하므로, 이를 통해 정량 분석을 수행할 수 있다.

검출기는 크게 두 가지 원리, 즉 농도 감응형과 질량 감응형으로 구분된다. 농도 감응형 검출기(예: TCD)는 이동상 내 분석물의 농도 변화를 측정하는 반면, 질량 감응형 검출기(예: FID)는 단위 시간당 검출기를 통과하는 분석물의 질량을 측정한다. 이 차이는 검출기의 특성과 검출 한계에 영향을 미친다.

검출기의 선택은 분석 대상 물질의 성질과 필요한 감도에 따라 달라진다. 예를 들어, 대부분의 유기 화합물은 FID로 잘 검출되지만, 할로겐 화합물은 ECD가 훨씬 높은 감도를 보인다. 검출 신호는 데이터 처리 시스템으로 전송되어 시간에 따른 신호 강도의 그래프인 크로마토그램으로 변환된다.

주입부는 시료를 분석 시스템에 도입하는 부분이다. 이 부분의 주요 역할은 액체 또는 기체 상태의 시료를 재현 가능한 방식으로 분리 컬럼의 시작 부분에 주입하는 것이다. 주입의 정확성과 재현성은 전체 분석 결과의 신뢰도에 직접적인 영향을 미친다.

주입 방식은 크게 분할 주입과 분할 없는 주입으로 나뉜다. 분할 주입은 주입된 시료 중 일부만 컬럼으로 들어가고 나머지는 배출되는 방식으로, 고농도 시료 분석에 적합하다. 반면, 분할 없는 주입은 주입된 시료 대부분을 컬럼으로 보내 저농도 성분의 분석 감도를 높이는 데 사용된다. 주로 사용되는 주입기는 미세 주사기와 가열된 주입 포트로 구성된다. 주입 포트는 시료가 즉시 기화되도록 충분히 높은 온도로 유지된다.

주입부의 설계는 시료의 상태와 성질에 따라 달라진다. 기체 시료는 일반적으로 밸브 시스템을 통해 주입된다. 반면, 액체 시료는 주사기를 통해 주입 포트에 주입되는 것이 일반적이다. 고급 시스템에서는 자동 주입기가 사용되어 다수의 시료를 연속적으로, 높은 재현성으로 처리할 수 있다. 주입부의 온도, 주입량, 주입 속도 등은 모두 중요한 분석 변수로 고려된다.

분리 컬럼은 시료 내 혼합 성분들을 각각의 순수한 성분으로 분리하는 핵심 부위이다. 컬럼 내부에는 고정상이 충전되어 있거나 벽면에 코팅되어 있으며, 이동상인 운반 기체가 흐른다. 각 성분은 고정상과 이동상 사이에 분배되는 정도, 즉 분배 계수의 차이에 따라 컬럼을 통과하는 시간이 달라지며, 이로 인해 분리가 이루어진다.

분리 컬럼은 크게 충전 컬럼과 모세관 컬럼으로 구분된다. 충전 컬럼은 내경이 2~4mm 정도 되는 금속이나 유리관에 고체 지지체에 고정상을 코팅한 충전물을 채운 것이다. 비교적 많은 양의 시료를 주입할 수 있지만 분리 효율은 상대적으로 낮은 편이다. 모세관 컬럼 또는 개방형 관 컬럼은 내경이 0.1~0.5mm 정도의 매우 가는 실리카 유리관 내벽에 고정상을 직접 코팅한 것이다. 분리 능력이 매우 뛰어나 복잡한 혼합물의 분석에 널리 사용된다.

고정상의 선택은 분석 대상 물질의 성질에 따라 결정된다. 비극성 물질을 분리할 때는 비극성 고정상을 사용하고, 극성 물질은 극성 고정상을 사용하는 것이 일반적이다. 고정상의 종류, 컬럼의 길이, 내경, 두께 및 온도 조건은 모두 분리 결과에 영향을 미치는 중요한 변수이다.

검출기는 기체 크로마토그래피 시스템에서 컬럼을 통해 용리된 각 성분의 존재와 양을 감지하여 전기 신호로 변환하는 핵심 부품이다. 컬럼에서 분리된 성분은 운반 기체와 함께 검출기로 유입되며, 검출기는 각 성분의 물리적 또는 화학적 특성 변화를 측정한다. 이렇게 생성된 신호의 크기는 성분의 농도에 비례하며, 이 신호는 데이터 처리 시스템으로 전송되어 크로마토그램을 생성하는 데 사용된다. 검출기의 선택은 분석 대상 물질의 종류, 농도 범위, 그리고 필요한 분석 감도와 선택성에 따라 결정된다.

검출기는 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다. 첫째는 파괴형 검출기로, 이 유형은 분석 물질을 검출 과정에서 화학적으로 변화시킨다. 대표적인 예로 화염 이온화 검출기가 있으며, 유기 화합물을 연소시켜 생성된 이온을 측정한다. 둘째는 비파괴형 검출기로, 검출 후에도 샘플 성분을 원래 상태로 유지하거나 다른 분석기에 보낼 수 있다. 열전도도 검출기가 이에 해당하며, 운반 기체와 분석 물질 사이의 열전도도 차이를 측정한다.

검출기의 성능은 감도, 선택성, 선형 범위, 안정성 등의 지표로 평가된다. 감도는 낮은 농도의 성분을 검출할 수 있는 능력을, 선택성은 특정 종류의 화합물에 대해 다른 물질보다 더 민감하게 반응하는 정도를 의미한다. 예를 들어, 전자 포획 검출기는 할로겐이나 니트로기 등을 포함하는 화합물에 대해 매우 높은 선택성과 감도를 보인다. 한편, 질량 분석 검출기는 분리된 성분의 질량 스펙트럼을 제공하여 강력한 정성 분석 능력을 갖추고 있다.

데이터 처리 시스템은 기체 크로마토그래피 장치에서 생성된 신호를 수집, 기록, 변환 및 해석하여 최종적인 분석 결과를 제공하는 부분이다. 초기에는 아날로그 차트 기록기를 사용하여 크로마토그램을 기록했지만, 현대의 시스템은 디지털 데이터 수집 장치와 전용 소프트웨어로 구성된다. 이 시스템은 검출기에서 나오는 아날로그 전기 신호를 디지털 신호로 변환하고, 이를 시간에 따라 연속적으로 저장한다.

주요 구성 요소로는 아날로그-디지털 변환기, 데이터 수집 소프트웨어, 그리고 크로마토그램 처리 및 보고서 생성 소프트웨어가 있다. 데이터 수집 소프트웨어는 피크의 보존 시간, 면적, 높이 등의 기본 데이터를 실시간으로 계산한다. 이후 처리 소프트웨어는 이 데이터를 활용하여 피크를 적분하고, 기준 물질과의 보존 시간을 비교하여 정성 분석을 수행하며, 검량선법이나 내부 표준법 등을 적용하여 정량 분석을 실행한다.

시스템의 성능은 데이터의 샘플링 속도, 분해능, 그리고 소프트웨어의 피크 분리 및 적분 알고리즘의 정확도에 크게 의존한다. 특히 복잡한 혼합물의 분석에서 중첩된 피크를 분리하는 능력은 매우 중요하다. 최신 시스템은 자동 피크 통합, 베이스라인 보정, 그리고 다양한 보고서 템플릿을 제공하여 분석 작업의 효율성과 재현성을 높인다.

데이터 처리 시스템의 결과는 일반적으로 다음과 같은 정보를 포함하는 표 형태로 정리된다.

FID는 기체 크로마토그래피에서 가장 널리 사용되는 검출기 중 하나이다. 이 검출기는 탄화수소를 포함한 대부분의 유기 화합물에 대해 높은 감도와 넓은 선형 응답 범위를 보인다. 그러나 물, 이산화탄소, 황화수소, 암모니아, 일산화탄소와 같은 무기 기체는 검출하지 못한다.

FID의 작동 원리는 컬럼에서 유출된 시료 성분을 고온의 수소-공기 화염 속으로 도입하는 것이다. 유기 화합물이 화염 속에서 연소되면 화학 이온화 반응이 일어나 전자와 양이온이 생성된다. 이온화된 입자들은 전극 사이에 인가된 전압에 의해 수집되어 미약한 이온 전류를 발생시킨다. 이 전류는 증폭되어 크로마토그램의 피크 신호로 기록된다. 생성된 이온 전류의 세기는 화염 속에서 이온화되는 탄소 원자의 수에 비례하므로, 피크 면적은 시료 중 해당 성분의 질량에 비례한다[2].

FID는 일반적으로 다음과 같은 특징을 가진다.

이러한 높은 감도와 안정성, 그리고 비교적 간단한 구조 덕분에 FID는 석유화학, 환경 분석, 식품 분석 등 다양한 분야에서 표준 검출기로 자리 잡았다. 유지 보수는 주로 화염을 유지하는 연료 가스(수소)와 공기, 그리고 캐리어 가스의 순도와 유량 관리에 중점을 둔다.

TCD는 시료 성분과 운반 기체 사이의 열전도도 차이를 이용하여 성분을 검출하는 범용 검출기이다. 모든 화합물이 열전도도를 가지기 때문에, 이론상으로는 모든 화합물에 반응한다는 특징이 있다. 검출 원리는 가열된 감지 요소(보통 텅스텐-레늄 또는 백금-이리듐 와이어)의 저항 변화를 측정하는 것이다. 참조 측과 시료 측 두 개의 셀에 순수한 운반 기체(예: 헬륨, 수소)가 흐르며, 참조 측은 항상 순수 운반 기체만, 시료 측은 컬럼을 통해 나온 기체가 흐른다. 두 셀의 감지 요소는 휘트스톤 브리지 회로를 구성한다.

시료 성분이 컬럼을 통과하여 검출기에 도달하면, 시료 측 셀의 기체 조성이 변화한다. 시료 성분의 열전도도가 운반 기체와 다르면, 감지 와이어의 열 손실 속도가 변하게 되고, 이는 와이어의 온도 변화와 저항 변화로 이어진다. 이 저항 불균형이 브리지 회로에서 전기 신호로 변환되어 크로마토그램의 피크를 생성한다. 일반적으로 운반 기체로 열전도도가 매우 높은 헬륨이나 수소를 사용하며, 대부분의 유기 화합물은 이들 기체보다 열전도도가 낮다. 따라서 시료 성분이 존재하면 열전도도가 감소하고, 감지 와이어의 온도는 상승하여 저항이 증가하는 방식으로 작동한다.

TCD는 구조가 비교적 단순하고 견고하며, 시료를 파괴하지 않는 비파괴 검출기이다. 또한 검출을 위해 화학적 반응이나 이온화가 필요하지 않아 범용성이 높다. 그러나 FID에 비해 감도가 낮은 편이며(ppm 수준), 검출 반응이 열적 평형에 기초하기 때문에 유량과 온도의 변화에 민감하다. 이러한 특성으로 인해 주로 상대적으로 높은 농도의 성분 분석, 예를 들어 기체 혼합물 중의 주성분 분석이나 공정 모니터링, 그리고 FID로 검출되지 않는 일산화탄소, 이산화탄소, 질소, 산소 등의 무기 기체 분석에 널리 사용된다.

ECD (전자 포획 검출기)는 할로겐, 인, 황, 질소를 포함한 전자 친화도가 높은 화합물에 대해 매우 높은 선택성과 감도를 가지는 기체 크로마토그래피 검출기이다. 검출 원리는 베타선원(주로 니켈-63 또는 트리튬)에서 방출된 베타선이 운반 기체(일반적으로 질소 또는 아르곤/메탄 혼합 가스) 분자와 충돌하여 저에너지 전자를 생성하는 데 기반한다. 이 전자들은 검출기 내 전극에 의해 수집되어 안정적인 기저 전류를 형성한다.

전자 친화도가 높은 분석물 분자가 컬럼을 통해 유입되면, 이들 분자는 저에너지 전자를 포획하여 음이온을 형성한다. 음이온은 양이온(운반 기체 이온화로 생성됨)과 재결합하거나, 검출기 전극에 이동하는 속도가 느려 기저 전류의 감소를 초래한다. 따라서 ECD의 신호는 전류의 감소량으로 나타나며, 이 감소량은 분석물의 농도에 비례한다.

ECD는 특히 염화 탄화수소, 농약, 폴리염화비페닐(PCBs)과 같은 환경 오염물질의 미량 분석에 널리 사용된다. 감도가 매우 높아 피코그램(pg) 수준까지 검출이 가능하다는 장점이 있다. 그러나 검출기의 반응이 분석물의 화학 구조에 크게 의존하며, 전자 포획 능력이 없는 화합물(예: 탄화수소, 알코올)에 대해서는 거의 반응하지 않는다는 선택적 특성을 가진다.

사용 시 주의사항으로는 산소와 같은 전자 친화도가 높은 불순물이 기체 또는 시료에 포함되면 기저 전류를 크게 감소시켜 분석을 방해할 수 있다. 따라서 고순도의 운반 기체와 깨끗한 시료 전처리가 필수적이다. 또한, 베타선원을 사용하기 때문에 국가별 규정에 따른 안전 관리와 폐기 처분이 필요하다.

MSD (질량 분석 검출기)는 기체 크로마토그래피의 분리 능력과 질량 분석법의 정확한 동정 능력을 결합한 검출기이다. 공식적으로는 GC-MS 시스템이라고 부르며, 크로마토그램과 함께 각 성분의 질량 스펙트럼을 제공한다. 이 스펙트럼은 분자의 고유한 지문과 같아, 미지 화합물의 구조를 해석하고 동정하는 데 결정적인 정보를 준다.

MSD의 작동 원리는 크게 세 단계로 나눈다. 첫째, 분리 컬럼을 빠져나온 시료 분자가 이온화실에서 전자 충격 등의 방법으로 이온화된다. 둘째, 생성된 이온들은 질량 분석기에서 질량 대 전하비(m/z)에 따라 분리된다. 셋째, 분리된 이온들이 검출기에 도달하여 신호로 변환되고, 컴퓨터 시스템에 의해 질량 스펙트럼으로 기록된다. 주요 구성 요소는 다음과 같다.

MSD는 높은 감도와 특이성을 가지며, 특히 복잡한 혼합물에서 미량 성분을 정확하게 동정해야 할 때 필수적이다. 그러나 장비 가격이 매우 비싸고, 운용 및 유지보수가 복잡하며, 전문적인 지식을 요구한다는 단점이 있다. 주요 응용 분야는 마약 분석, 환경 오염물 모니터링, 대사체학, 향기 성분 분석 등이다.

환경 분석은 기체 크로마토그래피의 가장 중요한 응용 분야 중 하나이다. 대기, 수질, 토양 등 환경 시료에 포함된 유기 오염물질을 검출하고 정량하는 데 광범위하게 사용된다. 특히 휘발성 및 반휘발성 유기 화합물의 분석에 특화되어 있으며, 환경 기준 준수 여부를 평가하고 오염원을 추적하는 데 핵심적인 도구로 활용된다.

대기 중의 오염물질 분석에는 주로 Headspace GC 기법이 사용된다. 이 방법은 공기 시료를 직접 주입하거나, 흡착관에 포집한 후 열탈착하여 분석한다. 주요 분석 대상으로는 벤젠, 톨루엔, 자일렌 등의 방향족 탄화수소, 포름알데히드를 비롯한 휘발성 유기 화합물, 그리고 다이옥신류와 같은 지속성 유기 오염물질이 있다. 수질 분석에서는 물에 용해된 유기 오염물질을 추출하거나 휘증기 상태로 분리하여 측정한다. 농약 잔류물, 폴리염화비페닐, 석유계 탄화수소 등이 주요 모니터링 대상이다.

토양 및 퇴적물 분석에서는 복잡한 매트릭스로부터 목표 분석물을 효과적으로 분리해야 한다. 고상-액체 추출이나 초임계 유체 추출 등의 전처리 과정을 거친 후, 기체 크로마토그래피로 분석한다. 이는 토양 오염 조사와 복원 효과 평가에 필수적이다. 검출기 선택은 분석 대상에 따라 달라지며, 예를 들어 할로겐화 화합물 분석에는 전자 포획 검출기가, 일반적인 유기물 분석에는 화염 이온화 검출기나 질량 분석 검출기가 주로 사용된다.

이러한 분석을 통해 법규에서 정한 환경 기준치를 초과하는지 여부를 판단하고, 시간에 따른 오염 농도 변화를 모니터링하여 환경 정책의 효과를 평가하는 근거 자료로 활용된다.

석유화학 산업은 원유를 정제하여 얻은 나프타를 주원료로 다양한 화학 제품을 생산하는 과정을 포함한다. 이 과정에서 생성되는 원료, 중간체, 최종 제품의 순도와 조성 분석은 공정 효율과 제품 품질 관리에 필수적이다. 기체 크로마토그래피는 이러한 혼합물 내 각 성분을 빠르고 정확하게 분리하여 정성 및 정량 분석을 가능하게 하는 핵심 분석 도구로 널리 사용된다.

주요 응용은 탄화수소의 분석에 집중된다. 예를 들어, 나프타나 가솔린의 구성 성분 분석, 올레핀, 파라핀, 방향족 화합물 등의 분포 확인에 활용된다. 또한, 에틸렌 공장이나 정유 공장에서 생산되는 다양한 가스류(예: 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등)의 순도와 조성을 모니터링하는 데에도 필수적이다. 공정 가스 중의 불순물을 분석하여 촉매 독성 방지와 공정 최적화에 기여한다.

이러한 분석을 통해 공정 조건을 조정하고, 원료를 효율적으로 사용하며, 최종 제품이 시장 요구 사양을 충족하도록 보장한다. 결과적으로 기체 크로마토그래피는 석유화학 산업의 연구 개발, 공정 관리, 품질 보증의 모든 단계에서 없어서는 안 될 기술로 자리 잡았다.

의약품 분석에서 기체 크로마토그래피는 원료 의약품, 완제 의약품, 생체 시료 내 활성 성분 및 관련 물질의 정성 및 정량 분석에 핵심적인 도구로 사용된다. 이 기술은 특히 휘발성 및 반휘발성 유기 화합물의 분리와 검출에 뛰어난 능력을 보인다. 주요 분석 대상에는 활성 의약 성분(API), 잔류 용매, 중간체, 분해 생성물, 불순물 등이 포함된다. 의약품의 품질, 안전성 및 유효성을 보장하기 위해 국제적으로 인정된 규정(예: ICH 지침)에 따라 엄격한 분석이 요구되는데, GC는 이러한 규정 준수를 위한 표준 분석법으로 자리 잡았다.

의약품 개발 및 품질 관리 과정에서 GC는 여러 중요한 역할을 수행한다. 잔류 용매 분석은 의약품 제조 과정에서 사용된 유기 용매가 최종 제품에 얼마나 남아 있는지를 측정하여 안전성을 평가하는 필수 절차이다. GC는 또한 의약품의 안정성을 평가하기 위해 가속 안정성 시험 등에서 생성되는 분해 생성물을 모니터링하는 데 사용된다. 생체 이용률 및 약동학 연구에서는 혈액, 혈장, 소변과 같은 생체 시료 내 약물 및 그 대사 산물의 농도를 정량하는 데 활용된다.

사용되는 검출기 종류는 분석 목적에 따라 달라진다. 화염 이온화 검출기(FID)는 탄소를 포함하는 대부분의 유기 화합물에 대해 보편적으로 사용된다. 질량 분석 검출기(MSD)가 결합된 GC-MS는 미지 물질의 구조 동정이나 복잡한 매트릭스에서 특정 성분을 선택적으로 확인하는 데 필수적이다. 전자 포획 검출기(ECD)는 할로겐화 화합물과 같은 전자 친화성 물질의 고감도 분석에 특화되어 있다.

이러한 분석을 통해 의약품의 정확한 조성 확인, 불순물 한계 설정, 제조 공정의 일관성 검증, 그리고 환자 안전에 직접적으로 기여하는 중요한 데이터를 제공한다.

기체 크로마토그래피는 식품의 안전성, 품질, 진위 여부를 평가하는 데 필수적인 분석 도구이다. 휘발성 및 반휘발성 성분을 고감도로 분리·정량할 수 있어, 식품의 향기 성분 분석, 유해 물질 검출, 원산지 판별, 변질 여부 확인 등 다양한 목적으로 활용된다.

주요 응용 분야는 다음과 같다. 첫째, 향기 및 풍미 분석이다. 커피, 차, 과일, 향신료 등에 함유된 수백 가지의 휘발성 향기 성분을 분리하여 품질과 특징을 규명한다. 둘째, 잔류 농약 및 유해 물질 분석이다. ECD나 GC-MS를 이용하여 식품 중에 미량으로 존재할 수 있는 농약, 중금속 유기화합물, 곰팡이 독소(예: 아플라톡신), 벤조피렌 등을 검출한다. 셋째, 지방산 조성 분석이다. 식용유나 지방의 품종 판별, 산패도 측정, 트랜스지방 분석에 사용된다. 지방은 일반적으로 에스테르화 반응을 거쳐 휘발성 지방산 메틸 에스테르로 전환한 후 분석한다.

또한, 헤드스페이스 GC는 시료를 직접 주입하지 않고 상부의 기체를 분석하는 기술로, 포장재에서 용출되는 휘발물질 분석이나 발효 식품의 알코올 함량 측정에 유용하다. 식품 위조를 판별하기 위해 특정 지표 성분의 패턴을 분석하는 지표 지문법의 핵심 기기로도 사용된다.

정성 분석은 시료 속에 어떤 성분이 존재하는지를 규명하는 과정이다. 기체 크로마토그래피에서 정성 분석의 가장 기본적인 방법은 유지 시간을 이용하는 것이다. 각 성분은 고정상과의 상호작용 정도가 다르기 때문에 컬럼을 통과하는 시간, 즉 유지 시간이 고유한 값을 가진다. 따라서 알려진 표준 물질의 유지 시간과 시료 피크의 유지 시간을 비교하여 성분을 동정한다.

그러나 서로 다른 물질이 유사한 유지 시간을 가질 수 있으므로, 단일 컬럼과 조건에서의 유지 시간 비교만으로는 정성 분석의 신뢰도가 충분하지 않다. 이를 보완하기 위해 다양한 방법이 사용된다. 예를 들어, 서로 다른 극성을 가진 두 개의 컬럼을 사용하여 분석하거나, 컬럼 온도를 변화시키는 등 분석 조건을 변경했을 때 표준 물질과 시료 성분의 유지 시간 변화 패턴이 일치하는지 확인한다.

보다 확실한 정성 분석을 위해서는 검출기를 활용한다. 특히 질량 분석 검출기(GC-MS)와 결합하면 가장 강력한 정성 분석이 가능해진다. GC-MS는 피크 성분의 질량 스펙트럼을 제공하며, 이를 표준 스펙트럼 라이브러리와 비교하여 성분을 정확하게 동정할 수 있다. 다른 검출기의 선택적 반응을 이용하는 방법도 있다. 예를 들어, 황이나 인을 포함한 화합물은 화염 광도 검출기(FPD)에 특이적으로 반응한다.

정량 분석은 시료 내 목표 성분의 절대적인 양 또는 농도를 결정하는 과정이다. 기체 크로마토그래피에서 가장 널리 사용되는 정량 분석 방법은 검량선법이다. 이 방법은 알려진 농도의 표준 물질을 분석하여 얻은 피크 면적(또는 높이)과 농도 사이의 관계를 검량선으로 작성한 후, 미지 시료의 피크 면적을 이 검량선에 대입하여 농도를 계산한다.

분석의 정확도를 높이기 위해 내부 표준법이 자주 활용된다. 이 방법은 분석 과정 전에 시료에 일정량의 내부 표준물질을 첨가한다. 내부 표준물질은 시료 내 원래 존재하지 않으며, 분석 대상 성분과 유사한 물리화학적 성질을 가지지만 크로마토그램에서 분리되어 나타나야 한다. 목표 성분의 피크 면적을 내부 표준물질의 피크 면적에 대한 비율로 계산함으로써, 주입량의 변동이나 시료 전처리 과정에서의 손실에 따른 오차를 보정할 수 있다.

정량 분석의 정밀도와 정확도는 여러 요인에 영향을 받는다. 주요 변수는 다음과 같다.

분석 결과는 일반적으로 질량 농도(예: mg/L, ppm) 또는 몰 농도로 보고된다. 불확도 평가를 통해 측정값의 신뢰 수준을 함께 제시하는 것이 일반적이다[3].

기체 크로마토그래피(GC)와 질량 분석법(MS)을 결합한 GC-MS는 시료 내 화합물을 분리하고 동시에 그 분자 구조 정보를 제공하는 강력한 분석 기법이다. GC가 혼합물을 각 성분으로 분리하는 역할을 한다면, MS는 분리된 각 성분을 이온화하여 질량 대 전하비(m/z)를 측정함으로써 정성 분석을 가능하게 한다. 이 두 기술의 결합은 복잡한 혼합물의 성분을 정확하게 동정하고, 미량의 목적물질을 검출하는 데 매우 효과적이다.

GC-MS 시스템은 크로마토그래프의 검출기 위치에 질량 분석기가 연결되는 형태로 구성된다. GC 컬럼에서 용출된 성분은 이온화원으로 직접 주입되어, 전자 충격(EI)이나 화학 이온화(CI) 등의 방식으로 이온화된다. 생성된 이온은 질량 분석기에서 질량별로 분리되어 검출된다. 가장 일반적인 질량 분석기로는 사중극자 질량 분석기가 널리 사용되며, 이온 트랩이나 시간 비행 질량 분석기도 특정 응용 분야에 활용된다.

이 기법의 핵심 장점은 높은 민감도와 특이성에 있다. 질량 스펙트럼은 각 화합물의 고유한 '지문'과 같아, 표준 스펙트럼 라이브러리와의 비교를 통해 미지 화합물의 동정이 가능하다. 또한 선택적 이온 모니터링(SIM) 모드를 사용하면 특정 질량의 이온만을 모니터링하여 목표 분석물의 검출 한계를 극적으로 낮출 수 있다.

GC-MS는 환경 중 잔류 농약이나 다이옥신 분석, 법의학에서의 약물 검출, 석유 지화학 분석, 향료 및 휘발성 유기화합물(VOCs) 분석 등 광범위한 분야에서 표준 분석 방법으로 자리 잡았다. 특히 GC-MS/MS와 같이 탠덤 질량 분석법이 적용된 시스템은 더 높은 선택성과 정확성을 요구하는 복잡한 매트릭스 분석에 필수적인 도구가 되었다.

Headspace GC는 휘발성 및 반휘발성 성분을 분석하기 위해 시료의 상부 공간(headspace)에 존재하는 기체를 직접 주입하여 분석하는 기체 크로마토그래피 기법이다. 이 방법은 시료 자체를 직접 주입하지 않고, 시료 위의 평형 상태에 도달한 기체상을 분석 대상으로 삼는다. 주로 액체나 고체 시료 중의 휘발성 유기 화합물(VOCs) 분석에 널리 사용된다.

분석 과정은 밀봉된 바이알에 시료를 넣고 일정 온도로 가열하여 시료 매트릭스와 상부 공간 사이에 휘발성 성분이 분배 평형에 도달하게 한다. 이후, 주사기나 자동 시료 주입기를 사용하여 상부 공간의 기체를 일정량 채취하여 GC 주입구로 직접 주입한다. 이 방식은 시료 매트릭스 자체가 컬럼으로 유입되는 것을 방지하여 컬럼 오염을 줄이고, 복잡한 전처리 과정이 필요 없는 장점이 있다.

주요 응용 분야는 다음과 같다.

Headspace GC는 시료 전처리가 간단하고, 비휘발성 물질에 의한 간섭이 적으며, 컬럼 수명을 연장할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 분석 감도가 직접 주입법에 비해 낮을 수 있으며, 평형 시간과 온도 등 분석 조건 최적화가 필요하다는 한계도 존재한다. 이를 보완하기 위해 평형을 촉진하는 교반 기술이나, 고감도 분석을 위한 농축 기법이 함께 사용되기도 한다.