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1. 서 론

 카보닐 계열의 성분들은 대부분이 강한 독성과 함께 악취문제를 동시에 지니므로, 각종 악취관련 환경문제 등에 일정한 역할을 하는 것으로 잘 알려져 있다.¹⁾ 최근 들어 발암성 혹은 돌연변이성 환경독성물질이 인체에 미치는 보건학적 영향에 대한 관심이 커지고 있다.^2,3) 알데하이드 화합물은 제지, 접착제 등과 같은 제조공정이나 차량으로부터 직접 배출이 이루어진다.^4,5) 또한 대기 중에서 질소산화물의 광분해 반응을 통해 이차적으로 오존생성을 야기하는 소위 광화학스모그의 전구물질 (precursor)으로 알려져 있다.⁶⁾ 환경부는 아세트알데하이드 (AA: acetaldehyde), 프로피온알데하이드 (PA: propionaldehyde), 뷰티르알데하이드 (BA: butyraldehyde), 이소발레르알데하이드(IA: isovaleraldehyde), 발레르알데하이드(VA: valeraldehyde)를 위시한 5종의 알데하이드류를 22가지 지정악취물질 중에 포함하여 관리하고 있다.⁷⁾

 카보닐화합물의 측정방법으로 알데하이드 뿐만 아니라 케톤과도 쉽게 반응하는 2,4-dinitrophenyl-hydrazine (DNPH) 유도체화법을 이용한다. DNPH 카트리지로 유도체화한 시료는 상온에서는 2주, 냉장보관에서는 4주 정도 안정한 것으로 알려져 있다.^8,9) 따라서 카보닐계 화합물들에 대한 정성 및 정량은 DNPH 카트리지를 이용하여 흡수 및 유도체화 후 liquid phase로 용출하고, 이를 HPLC로 분석하는 방식을 주로 권장하고 있다.^10,11)

 유도체화 분석방법은 고분자카보닐 성분에 대한 회수율에 현저한 오류가 발생할 수 있다는 문제점이 나타났다.^12,13) 본 연구는 이와 같은 문제 발생의 원인을 파악하기 위하여, 여러 가지 변수의 특성을 조사하고자 하였다. 이러한 노력의 일환으로 지정악취물질에 포함된 5가지의 카보닐계 화합물들을 선정하여, 이들의 작업용 표준시료를 조제할 때 사용하는 희석매개가스의 선택에 따른 분석오차의 발생가능성을 조사하고자 하였다. 일반적으로 카보닐성분의 분석을 위한 작업용 표준시료는 실제 조사대상과 유사한 순수공기 대신에 (경제적인 이유로) 질소를 기반으로 희석하여 사용하는 경우를 자주 볼 수 있다. 본 연구에서는 DNPH 분석방식에서 기체상 표준시료의 회수율에 현저한 차이가 발생하는 원인을 규명하고자 하였다. 이를 위하여 순수공기를 매개로 사용하는 것에 대비하여 질소를 기반으로 표준시료를 조제하여 사용할 때 발생 가능한 분석 오차의 특성을 조사하였다. 이러한 연구의 연장선상에서 기체상 표준시료의 매개가스 (질소기반과 순수공기기반)의 차이가 유도체화율에 미치는 영향을 체계적으로 평가하고자 하였다 

2. 연구 방법

2. 1. 표준시료 조제

 본 연구의 대상성분으로 선정한 5가지 카보닐성분 (Table 1)들의 표준시료를 조제하기 위해 한국 Rigas 사에서 제조한 10 ppm의 gas상 원표준시료 (primary standard (PS))를 이용하였다. 이들은 초순수 질소(nitrogen: N₂, 99.999%)와 초순수 공기 (high purity air: Air, 99.99%)를 이용하여 각각 3단계의 농도(PA 기준: 40.2, 161, 603 ppb)로 작업용 표준시료 (working standard (WS))를 희석조제 하였다. 또한 분석 재현성을 확인하기 위하여 3 단계의 농도(PA 기준: 60.3, 161, 322 ppb)를 각각 다르게 조제하여 작업용 표준시료를 준비하였다(Table 2).

Table 1. List of 5 target carbonyl compounds (CC) investigated in this study

Table 2. Procedures involved in the preparation of gaseous working standards of carbonyl compounds (CC)

2. 2. 시료채취 및 전처리

 질소 기반과 순수공기 기반으로 조제한 각각의 기체상 작업용 표준시료의 분석은 일반적인 시료를 채취하는 것과 동일하게 적산유량형 소형펌프(SIBATA ∑-300, Japan)를 이용하여 1 L/min의 유속으로 총 8 L의 시료를 흡수시켰다. 이 때, 타 성분의 간섭을 최소화하기 위해, 요오드화 칼륨(KI)으로 충진한 ozone scrubber(Top trading)를 DNPH 카트리지 전단에 장착하여 사용하였다.

 채취한 시료는 액상으로 용출하기 위하여 acetonitrile (ACN, HPLC grade, B&J) 용액 5mL를 주입하여 탈착을 유도하였다. 용출 시에는 GHP Acrodisc 13mm(0.45 μm, PALL)를 사용하여, 타 물질의 간섭을 최소화하였다.

2. 3. 분석시스템의 구성

 본 연구는 질소와 순수공기를 매개로 이용하여 각각 준비한 카보닐화합물의 작업용 표준시료를 이용하여 DNPH유도체물질을 형성하였다. 그리고 이들에 대한분리능과 정밀도가 뛰어난 HPLC/UV 시스템을 이용하여, 매개가스의 차이가 카보닐화합물의 검량특성에 미치는 영향을 비교하고자 하였다 (Table 3). UV검출기 (Thermo, Spectra System UV2000)에 분석을 하기 위해서는 빛의 파장을 흡수할 수 있는 발색단을 가져야 검출이 가능하다. 따라서, 카보닐화합물과 2,4-DNPH의 유도체 화합물을 형성시킨 후, 이들 유도체의 감응도가 가장 뛰어난 360nm의 파장으로 설정하여 검출하였다. 이동상 용액은 70% acetonitrile (acetonitrile : water=7 : 3)을 사용하였다. 이동상의 유량은 1.5 mL/min으로 고정시킨 조건에서 분석하였다. 카보닐화합물의 검출은 비극성인 DNPH 화합물의 형태로 이루어진다. 따라서 이들을 효과적으로 분리하기 위해, 비극성 컬럼인 Acclaim120 C18 (25 cm×4.6 mm, particle size 5 μm)를 사용하였다.

Table 3. The operational conditions of HPLC/UV system for the analysis of carbonyl compounds (CC)^a

3. 결과 및 고찰

3.1. 분석시스템의 QA/QC

 본 연구에 사용한 시스템은 공정시험법에서 제시한 알데하이드류의 분석법을 기준으로 설정하였다.⁷⁾ 이를위해, 가장 기본적인 정도관리에 해당하는 검출한계(method detection limit: MDL)와 상대표준오차(relative standard error: RSE)의 평가를 연구기간 중 전 후 단계(2011년 10월, 11월 기간에 걸쳐)에 각각 실시하여 확인하였다 (Table 4). 검출한계는 일단 절대 질량 (pg)으로 구한 후, 실제 대기시료의 부피를 8 L로 가정하여 ppb단위로도 함께 산출하였다. MDL의 계산을 위해, 검출한계에 근접한 농도수준의 시료를 조제한 후 7회 반복 측정한 결과의 편차에 3.14 (7회 반복분석에 대한 99% 신뢰구간에서의 t값)를 곱하여 계산 후 제시하였다. 검출한계 시료의 조제는 아세트알데하이드를 기준으로 액상혼합표준시료를 이용하여 noise와 peak가 구별가능한 최소값 (S/N=3)을 이용하였다. 그 결과, MDL은 각 성분별로 6.53 (아세트알데하이드) -11.5 pg (발레르알데하이드) 또는 (0.09~0.11 ppb) 수준으로 나타났다. 재현성을 평가하기 위해, 차수별로 각각 0.6 ng/μL의 액상혼합표준시료를 3회 반복 분석하는 방식으로 RSE값을 산출하였다.

Table 4. Comparison of basic QA parameters in carbonyl compounds (CC) analysis between HPLC

 RSE (%)= ×100

 여기에서 RSE (%)=상대표준 오차, SE=3회 반복 분석한 측정치의 표준오차 (=SD/ ), Mean=반복분석 측정치의 평균을 의미한다. 참고로 악취공정시험법상 QC 부분의 재현성은 relative standard deviation (RSD)값 10% 범위 안에 포함되도록 정하고 있다(KEMO, 2008). 이는 RSE값으로 약 5% 이내의 범위에 해당한다. 두번에 걸친 실험 결과, 각 성분별로 0.29~1.44%로 나타나 양호한 범위에 포함되었다.

3. 2. 질소와 공기매개의 표준시료에 대한 유도체화 회수율 비교

 본 연구에서는 주요 카보닐 성분들의 분석오차를 조사하기 위하여, 기체상 표준시료 조제에 사용하는 희석매개(질소와 순수공기)의 차이에 따른 회수율의 경향성을 조사하고자 하였다. 이들 시료를 일반 시료를 분석하는 것과 같이 카트리지를 통해 유도체를 형성시켜주는 조건으로 검량을 실시하였다. 그리고 이렇게 검량선상의 0점을 통과하는 기울기값에 해당하는 감응계수 (response factor: RF) 값을 비교 분석하였다. 실험은 두번에 걸쳐 진행하였고, 이를 통해 전체적인 경향의 일관성 여부를 확인하고자 하였다. 동일한 실험조건하에서 첫 실험은 2011년 10월 11일, 2차 실험은 2011년 11월 09일로 약 한달 간의 기간차이를 두고 비교 분석을 실시하였다.

 질소와 순수공기를 매개로 조제한 각각의 기체상 표준시료로부터 산출한 검량결과 (감응계수)를 Fig. 1에 제시하였다. Table 5에 질소와 순수공기 매개의 감도(감응계수)의 차이를 percent difference (PD in %=[(RF (N₂)-RF (Air))/RF (Air)]×100)로 구하여 제시하였다. 양자로 도출한 감응계수를 비교한 결과, 기체상 표준시료의 조제시 공기보다 질소 매개로 조제한 작업용 표준시료들의 회수율이 모든 성분에서 10% 수준 높은 것으로 나타났다. 그러나 양자간의 차이가 크지 않기 때문에 반복실험을 통해 2차로 이에 대한 경향성을 반복 조사하였다. 그 결과, 첫번째와 동일하게 질소 분위기로 조제한 기체상 작업용 표준시료의 회수율이 더 높게 나타났다.

Fig. 1. Comparison of carbonyl compound calibration results between nitrogen-based and air-based standards after cartridge extractraction.

Table 5. Comparison of carbonyl compounds (CC) calibration results in terms of response factor (RF) between different dilution media (nitrogen and air) used for standard gas

 본 연구진은 선행연구를 통해 고분자 카보닐화합물들의 분석 회수율이 현저하게 (약 7~49% 수준) 떨어지는 것을 확인하였다.^12,13) 이러한 오차의 발생은 최근에 Steven 등¹⁴⁾이 발표한 연구에서도 문제의 원인을 어느 정도 유추할 수 있다. 이들의 연구에 의하면, DNPH와 카보닐화합물들이 반응할 때, 불포화카보닐류들은 DNPH와 여러 가지 복합적인 합성체를 생성하고, 이들이 카보닐의 회수율에 문제를 초래하는 요인으로 작용할 수 있다는 것을 확인하였다. 이러한 연구결과를 감안하면, DNPH 카트리지와 HPLC를 연계한 방식으로 카보닐화합물을 분석할 때, 분석오차를 야기할 수있는 여러 가지 오차요인들이 근본적으로 내재되어 있다는 것을 알 수 있다.

 본 연구에서 주 조사 대상으로 선정한 희석매개의 영향을 확인하기 위하여 분석결과를 실험차수(1차 대비 2차 실험)와 매개기체(질소 대비 순수공기 매개)의 차이로 구분하여, 검량결과에 미치는 영향을 t-테스트의 짝비교 (paired t-test) 방식으로 95% 유의수준에서 검정하였다 (Table 6). 질소와 순수공기매개 유의성을 비교해본 결과, 1차 실험에서 p-value값은 0.71, 2차 실험에서의 p-value값은 0.53으로 양차수 실험 모두 통계적 유의성이 나타나지 않았다. 결과적으로 희석매개의 차이가 카보닐 성분의 분석에 실질적인 영향을 주는 요인이라고 보기 어렵다. 또한 이러한 비교를 같은 매개체간에 실험 차수별 차이로도 비교하였다. 이와같은 비교에서도 차수별 차이에서 유의성을 확보하기가 어려웠다.

Table 6. Results of paired t-test to test the effect of dilution media used for the preparation of carbonyl compounds standards

4. 결 론

 환경부에서는 악취공정시험법 중 카보닐화합물들을 분석하기 위한 주분석방식으로 DNPH 카트리지와 HPLC/UV를 연계한 방식으로 규정하고 있다. 그러나 선행연구를 통해 확인한 결과, 고분자 카보닐화합물의 경우 DNPH 분석시 기체상 표준시료의 회수율이 현저하게 떨어지는 것을 확인하였다. 따라서 DNPH를 이용한 카보닐화합물의 분석에서 회수율에 영향을 주는 다양한 요인들을 체계적으로 파악하는 것이 중요한 의미를 지닌다. 이러한 문제를 조사하기 위한 노력의 일환으로, 기체상 카보닐화합물의 표준시료 조제시 질소와 공기를 희석매개로 이용하여, 표준시료를 조제하였다. 그리고 이들 시료의 유도체화 반응에서 회수율에 미치는 영향의 가능성을 평가하였다. 그 결과, 질소를 기반으로 한 카보닐화합물의 기체상 표준시료를 분석하였을 때 공기를 기반으로 한 기체상 표준시료보다 약 10% 높은 회수율을 보였다. 그러나 희석매개의 영향은 통계적으로 유의하지 않은 것으로 나타났다. 따라서 이와 같은 희석매개의 선택이 카보닐성분의 분석에 영향을 미치는 요인으로 작용하기 어렵다는 결론을 도출하였다.

사 사

 본 연구는 한국연구재단의 지원을 통해 수행하였기에 감사의 말씀을 전합니다(2009-0093848).