Method Optimization for selection of solvent

방법 최적화의 목적은 running time의 최소화와 적절한 분리효과에 있다.

5가지의 일반적으로 사용되는 optimization techiques는 다음과 같다.

1. Eluotropic/solvent strength
2. Triangulation and related algorithmic methods
3. Scout gradients
4. Window diagrams
5. Brute-force method.


1-1. Eluotropic series

Chromatographer에게 용액의 상대적인 용리정도를 알수있게 해주는 빠른 참고법중 하나이며 solvent elution strength를 나타내는데 필수적인 2가지가 eluotropic series와 solvent strength parameter이다.

eluotropic series(용리서열)는 solute retention에 의해 용액의 세기정도(상대적인)를 알수 있으며
"ε˚"라는 기호로서 그 값을 나타낸다.
한종의 support(resin같은)상에서 다량의 solute를 평균적으로 머무르게 하는 표현이다.

Solvent	ε˚(Al2O3)	ε˚(SiO2)	ε˚(C18)	P'
Methanol	0.95	0.70~0.73	1.0	5.1
ACN	0.52~0.65	0.50~0.52	3.1	5.8
Water				10.2

ε˚값이 증가할수록 solute의 머무름정도는 감소한다. 크로마토그래피에서 사용되는 언어에서 solute의 머무름 시간이 길어지게 해주는 용매를 "약한 용매"라 하고 반대로 머무름 시간을 짧게 하는 용매를 "강한 용매" 하고 한다. 즉, ε˚값이 크게되면 그만큼 용매는 강하다고 말할수 있다.

Solvent와 support의 화학적 구조의 유사성도 상기한 내용과 관련이 있다, 화학적 구조가 유사할수록 강한용매이다.
예를 들면 Hexadecane(C16)은 C18 support상에서 강한 용매이고 Ethanol의 경우 Silica(SiOH)상에서 강한 용매이다.
(check : 물은 실리카나 alumina상에서 material을 효과적으로 deactivation시킨다. 이것은 강한 수소결합으로 인한 resin표면상의 active site를 전부 neutralizing하는 것에 기인한다.)

solute의 구조에 따라 hydrogen bond donating(methanol)이나 accepting(EA)하는 용액을 chromatograph 의 이동상에 첨가함으로서 selectivity의 증가를 꾀할수 있다.

분배크로마토 그래피 법은 LC중에서 가장 많이 사용하고 있으며 정지상이 충진물 입자에 붙잡혀 있는 상태에 따라 LLC와 결합상(bonded-phase)크로마토 그래피 법이 있다. LLC는 정지상이 충진물 입자에 물리적 흡착에 의해 붙잡혀 있고 결합상은 정지상이 충진물 입자에 화학적으로 결합되어 있다. 결합상이 좀 더 많이 사용되고 있다.

이동상중 용매-용질의 상호작용은 Dispersive (London force) , Dipole , dielectric(유전) , molecular complex(분자착화) 의 4가지 힘의 상호작용에 기인한다.

이러한 상호작용에 기인하여 용질과 강한 상호작용을 하는 용매를 센용매(극성용매)하고 하며 극성지표로 P(polarity index)로 표시한다.
1-2 Solvent Strength Parameters.

용질의 머무름의 정도를 예측할수 있는 방법중 하나는 극성을 비교해보는 것이며 " P' " 하는 parameter를 사용한다.
천연물과학 총론에서 나온 용매의 극성비교표가 바로 이것에 해당하며 ε˚와는 달리 partition-equilibrium value와 관련이 있다.

log(K2'/K1') = P'2 - P'1 / 2
(k는 2가지 다른 이동상에서의 상대적인 머무름 정도를 나타낸다.)

2가지 이상의 solute의 경우

P' = V₁P₁ + V₂P₂ + ... +V_nPn
(Vn은 n번째의 volume fraction을 일컫는다.)

예를 들어 P'value = 6.9 , 25/75 v/v water/ACN 의 경우에
P'_H2O * V_H2O + P'_ACN * V _ACN = 10.2 * 0.25 + 5.8 * 0.75 = 6.9 이라 할수 있다.

2.2 Triangulation and other algorithmic methods.

삼각법(?)에는 2가지의 기본적인 형태가 있다

1. 용매 선택성의 수학적 표현에 기반을 둔 것
2. 일반적 크로마토그래피 정보에 기반을 둔 것.

1,2 공히 3가지의 변수(three solvent of mobile phase)를 동시에 적절히 변화시켜 retention에 영향을 주게 한다. 처음에는 적용할수 있는 peak사이의 resoluton을 찾고 더 나아가 분석시간의 최소화에 도달 하게 하는데 목적이 있다. 

왼쪽 그림에서 각 꼭지점을 하나의 용매라고 가정해보자 예를 들어  A:MeOH B: ACN C: Water라고 지정해보면 AB축의 중간지점은 MeOH : ACN = 50 : 50 이 되는 지점이 되며 삼각형의 각 꼭지점에서의 중간지점 은 각 용매의 비율이 1:1:1이되겠다.

이제 이 삼각형에서 적절한 mobile phase의 선택이 이루어지는데 대부분의 경우에 resolution을 기준으로 선별하게 된다. 만일 ACN과 삼각형의 중점 그리고 BC축의 중점이 적절하다고 판단되면 이 세점을 이은 또 하나의 삼각형을 가지고 다시 적절한 용매비율을 탐색하게 된다. 이 방법은 용매 선택에 있어서 불필요한 시도의 최소화를 꾀하는데 그 장점이 있으며 Computer agorithm을 이용하면 그 과정을 더욱 간편하게 할수 있다.