관련 제품명 : MultiPurpose Sampler

서론

식품이나 커피, 차, 허브 등의 식물성 시료에서 다양한 종류의 향 성분, 직물의 연화제, 합성수지, 필름, 플라스틱 제품 등에서의 휘발성 물질에 이르기 까지 다양한 메트릭스로 부터의 목적 성분에 대한 분석은 많은 어려움이 있다.

이러한 어려움을 해결하기 위해서 고전적인 방법으로 액-액 추출법이 많이 사용되었으나 자동화가 불가능하여 많은 시간과 노동력이 소모되지만 목적 성분에 대한 추출 효율은 그리 좋지 않았다. 

최근 헤드스페이스법, 고체상미세추출(Solid Phase Micro Extraction, SPME)법 그리고 열 추출(Thermal Extraction, TE)법 등 자동화와 접목된 많은 시료전처리 시스템이 소개되고 있으며, 이러한 시스템의 중요한 현안은 목적 성분에 대한 추출 효율을 높이는 것과 재현성으로서 요즈음 가장 이슈화되고 있는 부분이다. 

본 실험은 비교적 간단한 구조의 혼합물에서 매우 복잡한 구조를 가진 천연물에 이르기까지, 다양한 시료에 대해 위의 3가지 방법을 사용한 감도를 포함한 분석 수행 능력을 비교 분석해 보았다.

사용된 장비는 분석기기로서 에질런트 테크놀로지스사의 6890 GC를 사용하였고, 전처리장비로서 헤드스페이스와 SPME이 동시에 가능한 독일 거스텔사의 MPS2(Multi Purpose System)와 동사의 TE 시스템을 사용하였다<그림 1>.

응용분석

향신료로 사용되는 나륵풀(basil)에 대한 방향성 물질 분석을 헤드스페이스, SPME, TE 시스템으로 각각 전처리하여 분석한 크로마토그램이 <그림 2>와 <그림 3>이다.

충분히 건조하여 수분을 제거한 나륵풀의 경우, 그림2와 같이 헤드스페이스의 경우 기본적인 방향성분만이 검출되었지만, SPME의 경우 헤드스페이스법에 비해 약 50 - 100배 이상 높은 감도를 나타내고 있다.

TE 시스템의 경우 SPME와 비슷한 감도를 나타내는 것으로 비교될 수 있으나, 실제 전처리한 시료의 양이 헤드스페이스(24.6 mg)나 SPME(25.2 mg)에 비해 TE의 경우 절반(12.7 mg) 밖에는 되지 않기 때문에 실제 동일 시료량에서 비교하면 SPME보다 2배 이상 고감도를 나타내고 있다. 

또한 방향 성분 중 끓는점이 높은 성분들에 대해서는 절반의 시료량으로 SPME보다 2배 이상 고감도 분석이 가능하여 컬럼의 정지상 bleeding 현상으로 시료의 머무름 시간이 길어질 경우 바탕값이 상승하여 검출이 어려웠던 많은 성분들에 대해 TE 시스템은 솔루션을 제시하고 있다.

수분을 다량 함유한 시료의 경우 수분 도입으로 인한 컬럼 손상을 방지하기 위해서 전처리 단계에서 수분 제거 과정을 거쳐야 하지만, 헤드스페이스나 SPME 그리고 TE 시스템은 다량의 수분이 함유된 시료도 직접 분석이 가능한 솔루션을 제공하고 있다.

특히 TE 시스템의 경우는 완전한 수분 제거를 위해 흡착 트랩(TDS 2)을 사용하고 있다.

<그림 3>은 건조하지 않은 나륵풀(basil)에 대한 분석 결과로서 헤드스페이스법, SPME법, 그리고 흡착 트랩 사용을 위해 TDS 2를 장착한 TE 시스템에서의 크로마토그램이다.

TE 시스템의 분석은 시스템 오염을 최소화하기 위해 10:1의 split모드를 적용했음에도 시료량을 고려할 때 헤드스페이스법에 비해 1,000배 이상, SPME보다 시료성분에 따라 5-20배 이상 고감도 분석이 가능하였다.

<그림 4>는 독특한 향과 방향성 성분을 가지고 있는 건조된 허브향 차에 대한 성분 분석을 한 결과로서 허브향 차의 경우 성분이 각각 이질적인 특성의 여러 성분으로 구성되어 있어 QC 측정을 위해 많이 사용되는 시료이다.

헤드스페이스 분석의 경우 끓는 점이 낮은 성분의 분석이 부분적으로 이루어졌으나, 후반부의 주요 성분들은 전혀 분석되지 않았다.

SPME법의 경우 헤드스페이스법과는 달리 전후반부의 시료가 헤드스페이스법보다 약 50-100배 이상 높은 감도로 분석되었다.

TE 시스템의 경우는 나륵풀(basil)의 경우와 같이 절반의 시료량임도 불구하고 위 두 방법에 의한 전처리법 보다 고감도로 분석된 것을 볼 수 있다.

<그림 5>는 백송 솔잎의 분석 자료로서 헤드스페이스의 경우 끓는 점이 높은 성분들은 전혀 분석되지 않으나, SPME법과 TE법의 경우 헤드스페이스에 비해 끓는 점이 높은 성분들의 분석이 잘 이루어졌음을 볼 수 있다. 

그러나 TE법(10.0 mg)이 SPME법(52.0 mg)보다 5배 적은 시료량으로 2배 이상 고감도로 분석된 결과가 얻을 수 있었다.

또한 하드디스크 포장재로 사용하는 폴리에틸렌 성분에 대한 휘발성 탄화수소의 양을 헤드스페이스와 SPME, TE를 사용해 분석한 결과를< 그림 6>에 나타내었다.

하드디스크 표면에 존재하는 휘발성 탄화수소 성분들은 하드디스크의 에러에 영향을 미치는 인자이다.

헤드스페이스와 SPME의 경우 이러한 시료에 대해 저감도로 솔루션을 줄 수 없지만, TE 시스템의 경우 두 전처리 방법에서 사용한 시료량의 1/100의 양으로 10배 이상 우수한 감도를 제공하는 최적 시료 전처리 솔루션을 간단히 제공하고 있음을 알 수 있다.

결론

본 실험은 고체시료 중에 포함된 휘발성 성분에 대한 자동화된 전처리 솔루션을 주는 3가지 분석법에 대한 감도 비교를 한 자료이다.

헤드스페이스는 3가지 방법 중에서는 데이터의 감도는 좋지 않은 것으로 나타났지만, 시료전처리에서 분석에 이르는 전 과정을 분석자의 요구에 맞춰 자동화할 수 있는 솔루션과 함께 대용량 시료를 적용하거나, 수분이 다량 포함된 시료에 적용하기 적당한 전처리법으로 생각된다.

SPME는 헤드스페이스보다 10-50배 이상의 고감도로 분석할 수 있었으며, 다량의 수분이 함유된 시료의 경우 상대적으로 다른 전처리법에 비해 쉽고 간단히 적용할 수 있는 장점을 가지고 있었다.

TE 시스템의 경우 SPME보다 50 - 100배, 헤드스페이스보다는 500 - 5,000배 이상 고감도 분석이 가능한 솔루션과 함께 다양한 시료 메트릭스로부터 목적 성분의 선택적인 추출 효율이 가장 우수하였다. 

반면 수분이 함유된 시료의 경우 별개의 제거 트랩을 사용해야 하는 단점을 가지고는 있지만, 기존 분석법보다 소량의 시료량을 사용하기 때문에 시스템 오염을 최소화 할 수 있는 장점도 함께 제공하고 있다.