관련 제품명 : MultiPurpose Sampler 

요약

향기 성분에 대한 정확한 정성/정량 분석은 향료산업에 있어 필수적이다.

특히 어떤 성분으로 구성되어 있는지 알 수 없는 향료를 분석해야 하는 경우, 시료량을 다양하게 하거나 다양한 전처리 기법을 적용하여 여러 번 반복 분석을 해야 하는 등 번거로운 과정을 거치면서 많은 시간을 소비하게 된다.

본 연구에서는 향료가 사용된 생활용품 중 향기 성분을 분석하기 위해 전통적인 전처리 기법인 일반 헤드스페이스 (Static headspace, HSS), 고체상 미량추출(Solid-phase microextraction, SPME), 동시증류추출(Simultaneous distillation-extraction) 기법과 가장 최근에 개발된 다이나믹 헤드스페이스(Dynamic headspace, DHS) 기법을 적용하고 그 결과를 비교하였다.

전통적 전처리 기법에 비하여 DHS 기법이 더욱 간단하고 신속하게 진행되었고 동시에 분석 데이터의

품질 역시 더욱 개선된 효과를 나타내었다.

개요

소비 제품의 향은 소비자의 기호와 선호에 따라 그 소비량이 크게 좌우되는 중요한 요소이다.

그러므로 향료 산업에서는 제품의 종류에 따라 고객의 요구를 효과적으로 반영하기 위해 향료 분석분야가 굉장히 중요하게 여겨진다.

특정 향료를 샴푸나 비누, 데오도란트 등의 다양한 개인생활용품에 접목할 경우, 각 향기 성분들이 각기 다른 형태의 제품 안에서 얼마만큼의 강도로 얼마나 오랫동안 그 향이 변하지 않고 지속될지에 대한 품질관리도 꾸준히 하고 있다.

또한 경쟁사의 잘 나가는 제품에 사용된 향료의 종류, 혼합 비율 등을 알아내는 업무 역시 비밀스럽게 진행되지만, 어떤 향기 성분이 어떤 구성을 하고 있는지 알 수 없으므로 모든 경우의 수를 최대한 도출하기 위해 수많은 노력이 요구되며, 제대로 된 결과를 얻지 못하는 경우도 허다하게 발생될 수 있다.

이 실험에서는 최소한의 시료 전처리를 통해 보다 나은 결과를 얻을 수 있는 DHS 시료 전처리 기법에 대해 보여준다.

실험 조건

실험에 사용된 시료는 대조군으로 특정 향수오일 혼합액을 분석하여 그 조성을 확인하였고, 서로 다른 전처리 방법을 동일한 조건으로 비교하기 위해 대조군 향료가 첨가된 샴푸(1%), 주방세제(1%), 섬유유연제(1%), 가루세제(1%), 배니싱 크림(0.5%)을 실험군으로 설정하여 각 전처리 기법을 적용하여 분석하였다.

결과 및 토의

향수오일 혼합액을 메탄올로 희석한 후 GC에 직접 주입(Split 10:1) 하였다.

크로마토크램 결과는 <그림 2>와 같다.

액상주입에서 각 분석성분의 피크면적을 같은 크기로(예를 들면 100%) 가져와 각 변환 요인을 적용하여 표준화하였다.

이렇게 얻어진 패턴을 기준으로 삼고 쉽게 인식할 수 있게 ‘지문’이라고 칭하겠다.

같은 분석 성분을 포함하고 피크 면적에 변환 계수를 적용하는 미지의 성분을 분석할 때, 이들 사이의 ‘지문’ 비교는 쉽게 할 수 있다.

만약 같은 ‘지문’ 패턴이 얻어진다면 시료의 향기 성분 조성이 혼합테스트와 동일하다고 보면 된다.

헤드스페이스(Static Headspace)

헤드스페이스법(static)은 시료를 적당한 바이얼에 넣고 열을 가하여 시료 중에 존재하는 휘발성 유기화합물이 시료와 바이얼 뚜껑사이에 존재하는 기체공간, 즉 헤드스페이스 부분으로 휘발되고 이러한 휘발은 시료 중에 존재하는 VOCs와 기체상에 존재하는 VOCs가 상평형을 이룰 때까지 계속 진행되는 원리이다.

여기서 상평형은 기체상으로 휘발되려고 하는 VOCs와 액상시료에 녹으려고 하는 VOCs의 화학적 평형상태로 바이얼 내의 온도에 따른 헤드스페이스에서의 VOCs 분압에 의해 결정된다.

80 ℃로 가열한 2 g의 샴푸 시료를 헤드스페이스법으로 분석한 결과는(<그림 4>) 액상 주입으로 얻은 결과와 확연히 달랐다.

<그림 5>의 지문은 다음과 같이 확인할 수 있다.

일반적으로 높은 휘발도를 갖는 성분일수록 가스 상으로 더 가려고 하고 비점이 높은 화합물에 비교하여 높은 회수율의 결과를 보인다.

하지만 고체시료의 경우 분석물질의 극성도, 시료 표면의 용해도 또는 표면에서의 흡착 등과 같은 다른 중요한 요인도 회수율에 영향을 미친다.

이것으로 처음 10개 성분에 대한 결과를 자세히 살펴보면 몇 몇 분석물질의 회수율은 휘발도 뿐만 아니라 극성, 물리 화학적 성질 그리고 매트릭스에 의해 영향을 받는다는 것을 의미한다<그림 6>.

고체상 미량 추출법(Solid Phase Microextraction, SPME)

고체상미량추출법(SPME)은 헤드스페이스법과 결합된 전처리 방법으로 기존 헤드스페이스법보다 향상된 감도의 결과를 얻을 수 있다. 

2 g의 샴푸시료가 담긴 바이얼 헤드스페이스 부분의 분석성분들이 파이버에 코팅되어 있는 폴리머 필름에 농축된다.

그 코팅물질들은 극성도가 다른 물질들로 선택할 수 있으며 분석 성분에 맞게 선택성있게 사용할 수 있다.

<그림 7>은 DVB/CAR/PDMS 파이버로 추출한 성분에 대한 크로마토그램이다.

이 전처리 방법을 이용한 결과, 기존의 헤드스페이스보다는 좀 더 향상된 결과가 나타남을 알 수 있었다.

<그림 8>에서 알 수 있듯이 몇몇 화합물들은 매우 낮은 회수율 또는 회수율이 전혀 없음을 보여주고 있다.

이것들 중 대부분은 가스상으로 휘발되지 않고 시료에 남아 있는 것으로 보인다.

다이나믹 헤드스페이스(Dynamic headspace)

Gerstel사 DHS를 사용하는 다이나믹 헤드스페이스는 유리관에 2 cm정도 충진물이 채워진 흡착관에 VOCs를 농축하는 헤드스페이스 방법이다.

헤드스페이스 부분의 VOCs를 바이얼 윗부분에 위치한 흡착관으로 불어넣어 흡착시킨 후 흡착 튜브는 열탈착시스템(Thermal Desorption Unit, TDU)으로 옮겨져 열로 탈착시켜 가스 크로마토그래프로 분석하게 된다.

좀더 개선된 피크 모양과 높은 감도를 위해 분석물질들은 냉각주입시스템(Cooled Injection System, CIS 4)에서 낮은 온도로(max.-150 ℃) 응축시킨다.

<그림 9>는 다이나믹 헤드스페이스의 샘플링, 흡착, 탈착 과정을, <그림 10> 크로마토그램은 2 g의 샴푸시료를 다이나믹 헤드스페이스법으로 분석한 결과를 보여주고 있다.

이 경우, 높은 분석농도 때문에 헤드스페이스 부분에서 오직 10 mL 부피의 휘발된 성분만을 흡착튜브에 흡착시켰고 그 결과, <그림 11>과 같이 일반 헤드스페이스(static headspace)보다 약간 개선된, SPME 결과와 비교해서는 감소한 지문 정보를 확인할 수 있다.

따라서 시료를 메탄올에 희석하고 희석한 시료 중 아주 적은 양의 microliter를 빈 바이알에 넣음으로써 헤드스페이스 바이알 내 시료의 양을 과감히 줄였다.

두 상(phase) 사이의 평형에 도달하는 것에 의존하지 않고 적은 양의 시료를 도입하고 헤드스페이스 바이알 안에서 분석물질들이 완전히 휘발되도록 하는 전처리 방법을 “FET”(Full evaporate technique, 전체증발법)이라고 한다.

<그림 12>에서는 메탄올로 1:9의 비율로 희석하여 그 중 20 μL을 주입하여 FET-DHS 전처리 방법으로 분석한 결과를 보여주고 있다.

<그림 13>에서 볼 수 있듯이, 혼합 테스트 시료를 액상주입하여 얻은 결과와 실제 시료를 FET-DHS로 분석하여 얻은 결과는 좋은 상관관계를 보여주고 있다.

정량분석과 회수율의 계산을 위해 충족해야 하는 중요한 조건은 시료의 완전한 증발이다.

이 실험을 위해 샴푸 시료는 2번에 걸쳐 분석되었다(파란색(첫번째), 빨간색(두번째)).

<그림 14>에서 보여지는 결과는 첫번째로 분석한 결과에서 시료가 거의 완벽하게 증발되었음을 증명하고 있다.

<그림 14> 결과에 샴푸 매트릭스와 반응하여 매우 좋지 않은 회수율을 가진 화합물(4종류의 알데히드)은 누락되었다.

SPME 외에도 소비제품 중 향료 화합물들을 분석할 때 가장 일반적으로 사용하는 시료전처리 방법은 동시 증류/추출 또는 SDE(simultaneous distillation/extraction)이다.

이 전처리방법은 향료를 분석하는 가장 표준화된 방법이다.

SDE는 넓은 화합물에 대해 좋은 결과를 제공하지만, 여전히 극성 및 반 휘발성(semivolatile) 화합물은 시료전처리 과정에서 손실될 수 있다.

SDE의 가장 큰 단점은 전처리에 소요되는 노동력과 시간 그리고 많은 양의 용매가 사용된다는 것이다.

SDE와 FET-DHS를 사용하여 추출한 회수율을 비교하였다.

이러한 전처리방법으로 샤워젤을 추출한 화합물 범위의 결과는 <그림 15>와 같다.

전체적으로 결과는 SDE 추출에 의해 얻은 것보다 FET-DHS로 추출하여 얻은 결과가 향료의 원래 조성과 더 가깝게 나타났다.

결론

DHS는 생활용품 중 향기 성분을 분석하는데 간단한 방법으로 높은 감도를 얻을 수 있는 완전 자동화된 전처리 방법이다.

FETDHS는 기존에 사용하는 전처리 방법을 사용하여 추출할 수 없었던 휘발이 잘 되지 않던 성분들을 포함하여 실제 향기성분에 가까운 성분들에 대해 정량분석이 가능하게 되었다.