화학분석은 물질의 종류를 특정해내는 정성분석과 물질의 함량을 특정하는 정량분석으로 나뉘어집니다. 이러한 화학분석은 어떻게 이루어 지는지 음료에 포함된 카페인을 분석 및 비교하는 방법을 예시로 들며 알아보겠습니다. 해당 포스팅에서는 전혀 모르는 물질을 특정해내는 정성분석 보다 간단한 내용의 정량분석에 초점을 두고 작성되었습니다.
화학 분석의 과정
1. 시료 채취
분석할 물질(시료)를 채취하는 과정입니다. 시료는 균일 혼합물과 불균일 혼합물로 나뉘게 되는데 예를 들자면 콜라와 버블티를 생각하시면 됩니다. 균일 혼합물은 어느 부분에서 채취를 하던 동일한 조성을 가지게 됩니다.예를 들어 콜라처럼 대부분의 성분이 용해되어 있는 경우가 이에 해당합니다.(시간에 따라 빠져나간 탄산가스에 의해 농도가 변할 수 있으므로, 기포가 올라오는 상태가 아닌 김 빠진 콜라를 채취하는 것으로 설명하겠습니다.) 불균일 혼합물로 예시를 든 버블티의 경우 음료의 하단에는 타피오카 펄이 들어있고, 내부에 얼음이 존재하는 등 조성이 동일하지 않습니다. 이러한 불균일 혼합물은 분석물질이 소규모인 경우에는 시료를 분쇄, 교반 등의 과정으로 시료를 최대한 균일하게 만들어서 채취합니다. 대규모(예를 들면 토양같이)조성이 비슷한 영역을 나누어, 영역의 비율에 맞게 랜덤하게 채취하여 분쇄 및 혼합하는 등의 방법을 이용합니다. 현실에서는 다양한 이유로 완벽한 균일 혼합물이 존재하기에 어려운 환경이기 때문에 안정성이 입증된 시료의 경우 잘 흔들어서(혼합하여) 채취하는 것이 적합합니다.
2. 시료의 전처리
분석할 물질을 분석에 더욱 적합한 형태로 가공하는 과정을 의미합니다. 콜라에서 카페인의 추출 및 분석시에 방해 될 가능성이 있는 탄산가스를 제거하거나, 분쇄하여 얻어진 버블티 시료에서 분석에 사용할 수 없는 침전물(갈려버린 타피오카 펄)을 제거하는 등의 과정을 총칭합니다. 또한 분석 시 결과에 혼선을 줄 수 있는 화합물을 반응시켜 제거하거나 마스킹, 농축, 추 하는 등의 과정 또한 시료의 전처리 입니다. 해당 과정은 분석의 목적과 사용할 기기에 맞게 진행합니다.
3. 화학분석
방금의 과정에서 전처리가 완료된 샘플을 칼럼, 셀 등 분석용기에 주입하고, 기기를 작동하여 분석값을 도출하는 과정입니다. 카페인의 정량분석을 위해서 액체 크로마토그래피를 이용할 경우 이동상을 흘려주게 됩니다. (크로마토그래피란 물질간의 친화도를 이용하여 분석 물질을 분리하는 방법으로, 이동상(흘리는 용액)과의 친화도가 더 높은 경우 빨리 검출되고, 고정상과의 친화도가 더 높은 경우 더 느리게 검출되는 원리를 이용한 분석화학적 기법입니다.) 분석에 사용된 기기에 따라서 다르겠지만 모든 기기가 분석 물질이 어떤 종류이고, 어느 정도의 양을 가진다고 친절하게 알려주지 않습니다. 분석기기에서 피크가 3개 발생했을 경우 어떤 물질이 카페인인지 우리는 알 방법이 없게 됩니다. 이를 알아내기 위해서 표준물첨가 라는 과정을 거치게 됩니다. 우리가 분석할 물질(카페인)을 소량 시료에 첨가하여 다시 분석한다면 3개의 피크 중 높아진 피크가 카페인의 값에 해당한다고 판단할 수 있습니다. 이렇게 분석할 물질의 피크를 확인했다면 해당 피크의 높이 또는 넓이로 분석 물질의 양을 정량합니다.
4. 교정곡선
결과를 더욱 신뢰성 있게 만들고, 미지시료 속 분석물질의 정량을 위한 필수 과정입니다. 카페인의 피크 하나만 가지고는 정확한 함량을 알 수 없습니다. 따라서 우리는 우리가 농도를 아는 카페인 표준 용액을 제조 및 분석하여 피크 값을 얻어내고, 그래프에 옮겨 그린 뒤, 분석 물질의 피크 높이를 해당 교정 곡선에 대입하여 어느 정도의 농도로 카페인이 있었는지 알아낼 수 있습니다. 분석 물질을 희석하였을 경우 희석 계수를 곱해줘서 원액의 농도를 구합니다.
5. 결과의 분석
4번까지의 과정으로 얻어진 실험의 값을 분석하는 과정입니다. 해당 게시글의 경우 음료 속 카페인의 비교를 목적으로 설정하였습니다. 실험으로 얻은 값으로 콜라에 카페인이 더 많이 함유되었는지, 버블티에 더 많이 함유되었는지 실험을 설계한 목적에 맞게 값을 해석합니다. 하지만 여기에서 주의해야 할 점이 있습니다. 일반적으로 분석의 경우 신뢰성을 위해서 실험을 여러번 진행합니다. 여기에서 필연적으로 표준편차가 발생하게 되는데, 표준편차가 작을 경우 실험의 정밀도가 높다고 판단할 수 있으며, 실험 값은 신뢰성을 얻습니다. 하지만 표준편차가 클 경우 실험의 정밀도가 낮으며, 신뢰할 수 없다고 판단할 수 있습니다. 재현도가 낮은 경우 추가적인 분석을 통하여 실험값을 다시 측정해야합니다.
6. 품질보증
분석한 방법이 얼마나 신뢰성이 있는지 공인하는 과정이라고 할 수 있습니다. 시료 채취 조건, 정확더, 정밀도 등등 다양한 항목이 포함됩니다. 해당 부분은 화학분석의 과정을 살펴보는 지금 언급하는건 분량상 적절하지 않을 것이라 판단. 추후 자세하게 작성하도록 하겠습니다.
