초임계 유체 기술을 이용한 시료의 전처리 조작과 고속 고분리분석 전자동화 - 제어 계측 뉴스

JST첨단계측분석기술 기구개발 프로그램의 일환으로서 오사카대학 대학원 공학연구과 연구팀은 다성분의 일제 분석을 전자동 및 고속으로 수행하는 세계 최초의 획기적인 분석시스템을 개발하였다.

종래 식품 및 혈액 등의 복잡하고 다양한 성분을 포함한 물질을 분석하기 전에는 분리 및 정제와 같은 숙련을 필요로 하는 전처리를 수행할 필요가 있었기 때문에 자동화가 곤란하고 인위적인 실수에 의한 회수율 저하 및 결과의 편차가 발생하였다. 또한 이 전처리 공정에서 공기에 접촉함으로써 성분이 산화 및 분해되는 경우도 있어 정확한 측정이 곤란한 경우도 있었다.

이번에 개발한 분석시스템은 최대 48개 검체에 대해 액체와 기체 양쪽 성질을 가진 ‘초임계유체’를 이용한 자동추출장치와 크로마토그래피에 의해 유기용매의 사용량을 대폭 삭감할 수 있고, 불안정한 시료일지라도 숙련된 기술을 필요하지 않은 전처리, 분리 및 검출을 고감도, 고속, 자동으로 수행한다.

최근 식품의 안전 확보 및 질병의 조기진단 등에서 보다 빠르고, 정확하게 분석결과를 얻는 것이 요구된다. 그러나 식품 및 혈액이 분석대상이 되는 이러한 분석은 번잡한 전처리가 불가결하며, 공기에 접촉하는 것만으로 산화 및 분해되는 성분도 있기 때문에 정확한 분석이 곤란한 상황이다. 이러한 문제를 해결하는 방법으로서 기체와 액체 양쪽의 성질을 가진 ‘초임계유체’를 이용하여 다성분 일제분석을 복잡한 전처리 없이 전자동 및 고속 분석할 수 있는 분석시스템이 기대되고 있다.

초임계유체 가스크로마토그래피(SFC)는 일반적인 가스크로마토그래피(GC)에서는 분리가 곤란한 복잡한 난휘발성, 열적 불안정성분의 분석이 가능하며, 고속액체크로마토그래피(HPLC)와 비교하여 분리를 해치지 않고 고속화가 가능하기 때문에 다양한 어플리케이션 및 분석방법이 연구되었다. 그러나 SFE, SFC장치를 제공하는 제조사가 한정되어 있는 것이 장애가 되어 그 이용은 일부 대학 및 연구기관에 머물고 있다. 그리고 일본 국내에서는 SFC가 고압가스보안법의 규제대상이 되기 때문에 고압가스 규제가 없는 해외와 비교하여 보급이 늦어지고 있다.

2000년대 후반부터는 해외 대부분의 분석기기 제조사가 SFC를 새로운 크로마토그래피 장치로서 판매하기 시작하는 등의 움직임이 나타났으며, SFC단체로서는 시료로부터 광학이성체를 분리 회수하는 것 등을 목적으로 해외의 제약회사를 중심으로 그 사용이 급속하게 확대되고 있다.

한편 시료의 전처리를 수행하는 초임계유체 자동추출장치(SFE)에 관해서는 SFC와 동일한 용매를 이용하기 때문에 SFC와 간단하게 접속이 가능하지만, 다검체를 자동처리할 수 있는 SFE 장치가 시판되지 않아 그 결과 SFE와 SFC를 접속함으로써 SFC의 유용성이 발휘될 수 있는 온라인 SFE-SFC도 연구수준에 머물러 있다.

오사카대학과 시마츠제작소를 중심으로 SFC 장치의 개발을 수행하여 SFC에서 중요한 고정밀도 압력제어장치를 개발하였다. 병행하여 시마츠제작소, 오사카대학, 미야자치현을 중심으로 SFE 장치 개발을 추진하여 시료의 흡착, 탈수 등을 위한 담체 및 액체시료의 도입기술, 다검체에 대응한 시스템 개발을 수행하였다.

또한 SFC와 SFE를 접속한 장치의 프로토타입 장치를 구축하고, 오사카대학, 미야자키현, 고베대학에서 시스템의 검증실험을 수행하여 발생한 문제의 해결에 대응함으로써 완성도를 높여 장치를 제품화하였다. 또한 장치개발에 선행하여 오사카대학, 고베대학, 미야자키현에서는 SFC-질량분석(SFC-MS) 및 SFE의 기술 개발을 추진하여 농약 및 혈액 분석의 프로파일링을 위한 분석조건 및 추출조건, 화합물 라이브러리를 구축하였다.

최종적으로 SFE와 SFC-MS의 온라인화(자동화) 기술을 추진하여 표준시료 및 실제시료(농산물, 식품, 혈액)를 이용한 시스템의 검증을 실시하였다. 그리고 잔류농약 분석 및 임상조사에서 실용적인 이용을 목표로 다검체의 높은 효율 해석이 가능한 초임계유체 추출분리 온라인시스템을 구축하였다.

본 장치에 의해 다음과 같은 특징을 가진 분석시스템의 개발에 성공하였다.
- 목적성분의 추출에서 분석까지를 자동화하는 초임계유체 추출분리 온라인시스템
- 추출용기 자동교환에 의한 다검체 추출
- 고감도 검출

본 장치를 이용함으로써 식품 중의 잔류농약 분석에서 유해한 유기용매의 사용량을 대폭 저감하고, 기존 방법에서는 약 35분 소요되었던 전처리공정 시간을 5분으로 단축시킬 수 있으며, 48개 검체를 자동으로 분석할 수 있게 되었다.

또한 바이오마커의 검색에서는 혈액 등 미량액체 샘플을 건조여지에 떨어뜨려 그것을 용기에 넣는 것만으로 간단하게 수행할 수 있다. 또한 이번에 개발한 저용량 저확산 압력제어장치를 이용함으로써 직접 전량을 질량분석계에 도입할 수 있어 종래 액체크로마토그래피와 비교하여 6배의 고감도로 측정하는 것이 가능하게 되었다.

본 장치는 가스크로마토그래피 및 액체크로마토그래피에는 없는 폭넓은 분리방식을 이용하기 때문에 기존 장치만으로 분리할 수 없는 화합물까지 분석할 수 있다. 때문에 코엔자임큐텐(Coenzyme Q10) 등 불안정한 시료의 분석 및 수지에 포함된 첨가제의 분석 등 식품, 의약, 화학공업 등 다양한 분야에서 활용할 수 있다.

출처 KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』