종이에 검정 수성 사인펜으로 점을 찍고 종이 아랫부분을 물에 담그면 어떤 일이 일어날까요? 물이 종이를 적시고 올라오면서 여러 색의 띠를 보여줍니다. 사인펜의 검정 색소가 여러 색의 색소들로 분리가 된 것이죠. 이처럼 여러 물질이 포함된 혼합물에서 각각의 물질을 분리할 수 있는 기법을 크로마토그래피(chromatography)라고 합니다. 크로마토그래피는 '색'이라는 뜻을 지닌 그리스어 ‘chroma’와 '쓰다'라는 뜻의 그리스어 ‘graphein’을 합쳐서 만든 단어입니다. 이 기법은 화학에서 가장 중요한 혼합물 분리 실험 방법 중 하나입니다. 크로마토그래피는 대체 어떤 원리로 여러 물질을 각각 분리할 수 있는 것일까요? 검정 사인펜으로 점을 찍은 종이는 보통 셀룰로스(Cellulose)로 이루어져 있습니다. 셀룰로스는 포도당이 중합된 고분자 물질이며 아주 많은 하이드록시기($\text{-OH}$)를 가지고 있습니다. 이 셀룰로스의 하이드록시기는 물 분자와 수소 결합을 형성할 수 있습니다. 수소 결합은 다른 분자간 상호작용에 비해 매우 강합니다. 따라서 셀룰로스와 물은 서로 잡아당기는 힘이 매우 강하기 때문에 아주 친하다고 할 수 있죠. 물이 종이를 적실 수 있는 이유도 이 때문입니다. 개와 독수리의 모습은 서로 매우 다릅니다. 독수리의 날개는 독수리를 하늘로 비상할 수 있게 하고, 발톱은 사냥감을 찌르거나 단단히 움켜쥘 수 있게 합니다. 하지만 개는 날개와 발톱이 없어 하늘을 날 수도 없고 사냥감을 강하게 움켜쥘 수도 없습니다. 대신 개는 날카로운 이빨을 이용해 공격할 수 있고, 억센 턱으로 물건을 물고 이동할 수 있죠. 각각 서로 다른 생김새에 따라 할 수 있는 일이 다른 것은 매우 당연한 사실입니다. 분자의 세계도 이와 똑같습니다. 분자의 생김새, 즉 분자 구조가 다르면 그 성질도 달라지는 것입니다. 수성 사인펜의 검은색 색소는 여러가지 색소 분자들이 혼합되어 있습니다. 각 색소 분자는 서로 다른 분자 구조를 가지고 있죠. 이런 구조적 차이 때문에, 색소 분자와 물 분자 사이에 상호작용의 크기가 달라집니다. 어떤 분자는 물과 더 친하기 때문에 더 잘 녹고 어떤 분자는 물과 덜 친해서 물에 조금 덜 녹는 것이죠. 또한 어떤 분자는 종이의 셀룰로스와 더 강하게 잡아당겨서 잘 움직이지 않으려 하고, 어떤 분자는 종이에 붙잡혀 있는 것보다 물에 녹아 있는 것을 더 선호할 수 있습니다. 종이의 셀룰로스는 크로마토그래피가 진행되는 동안 움직이지 않고 그 자리에 그대로 있습니다. 이러한 물질을 고정상(stationary phase)이라 부릅니다. 반면 물은 그 자리에 머물지 않고 종이를 따라 위쪽으로 이동을 합니다. 이처럼 이동을 하며 자신에게 용해된 물질을 함께 움직이게 하는 물과 같은 물질은 이동상(mobile phase)이라 하죠. 색소가 고정상에 더 오래 머무른다면, 맨 처음 점을 찍은 곳으로부터 비교적 멀리 움직이지 못하겠죠? 반대로 고정상에 머물지 못하고 이동상에 오래 머무는 색소는 이동 거리가 깁니다. 이와 같이 어떤 색소 분자가 고정상과 이동상을 선호하는 정도의 차이에 따라 이동하는 거리가 정해집니다. 여러 색소가 혼합되어 있는 경우라도, 크로마토그래피를 이용하면 각각 분리해 낼 수 있습니다. 크로마토그래피는 고정상과 이동상을 다양한 물질로 구성할 수 있습니다. 고정상으로는 실리카 겔과 같은 물질도 쓸 수 있습니다. 이동상으로는 다양한 유기 용매와 그들의 조합을 이용할 수 있죠. 물에 잘 녹지 않는 지방산 같은 물질을 분리하는 경우에는 유기 용매를 쓰는 것이 더 효과적이겠죠? 아니면 고정상 표면에 하이드록시기 대신 수소와 탄소로만 이루어진 알킬기(alkyl group)를 노출시킬 수도 있습니다. 그러면 극성 분자들은 알킬기와의 상호작용이 매우 작으므로 고정상에 머물 수 없게 되어 멀리 이동하게 됩니다. 반면 알킬기와 강하게 상호작용하는 무극성 분자들은 멀리 이동하지 못하게 되죠. 1950년대 후반, 임산부의 입덧을 완화하는 약물 탈리노마이드(Thalidomide)가 널리 처방된 적이 있습니다. 하지만 탈리노마이드를 복용한 산모가 출산한 아이가 중대한 선천적 기형을 가지고 태어나는 비극이 발생하게 됩니다. 이 비극의 주된 원인은 바로 탈리노마이드 분자가 거울상 이성질체를 가지고 그것이 약물에 혼합돼 있다는 사실이었습니다 하나의 거울상 구조는 약효가 있었지만, 다른 거울상 구조가 태아의 기형을 유발하는 물질이었던 것이죠. 거울상 이성질체가 섞인 혼합물은 그 분자를 구성하는 원소의 종류나 결합 방식이 똑같기 때문에 분리가 어려웠습니다. 어린이들의 놀이로만 생각했던 크로마토그래피가 사실은 이러한 비극을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다. 적절한 고정상과 이동상을 조합하면 거울상 이성질체 혼합물도 선택적 분리가 가능한 것이죠. 크로마토그래피는 단순한 실험 기법을 넘어 인류의 건강과 안전에도 지대한 영향을 미치는 중요한 과학적 기법인 것입니다.