관련 제품명 : MultiPurpose Sampler; Cooled Injection Systems 

개요 

식품 안전에 대한 관심이 높아지면서 600여 성분의 잔류농약성분을 리스트업 하기 위해 신속하고 고감도인 다성분 동시 분석법의 확립이 요구되고 있다.

GC-MS에서는 약 300 성분의 농약에 대해 분석이 가능하다고 생각되고 있지만, 기존의 복잡한 시료 전처리 과정을 간단히 하면서 검출 감도를 향상시키기 위해 대량 주입의 적용이 주목받고 있다.

대량 주입을 이용하면 일반적인 시료 주입량(1~2 μl)이 수십 배로 주입이 가능하고, 다량의 용매가 column에 함께 주입되지 않게 용매만을 제거(solvent vent)하거나, Scan 모드에 의한 고감도 측정 등을 적용할 수 있다.

그러나, 대용량 주입시 혼합성분(매트릭스)도 GC시스템에 함께 대량으로 주입되기 때문에 Inlet lin 라이너나 column 앞부분이 오염되어 흡착/분해 등으로 목적성분(target compound)의 회수율이 저하되고 paek resolution이 나빠지는 등 여러 문제를 발생 시킬 수 있다.

또한, 최근에는 보다 광범위한 농약을 신속히 분석하기 위해 추출 및 정제 공정을 간략화한 QuEChERS법 또는 초임계 유체 추출법 등이 주목 받고 있지만, 대량 주입의 적용에는 제한이 수반된다.

최근에는 이러한 대량주입의 한계를 극복하고자, inlet 라이너 자동교환시스템 ALEX(Automated Liner Exchanger<그림 1>)를  다목적 시료 전처리 자동화시스템 MPS(MultiPurpose Sampler)와 온도프로그래밍이 가능한 냉각응축시스템(Cooled Injection System, CIS)를 함께 사용하여 라이너를 자동으로 임의의 타이밍에 교환하는 것이 가능하여 대용량 주입시 라이너 오염으로부터 발생할 수 있는 문제들의 해결책으로 제시되고 있다. 

본 자료에서는, GC-MS를 이용한 식품중의 잔류농약 분석에 있어서의 Liner 자동교환으로 더욱 간편해진 냉각응축시스템(Cooled Injection System, CIS)으로의 대용량주입”에 대해 소개하고자 한다.

CIS를 이용한 대량주입

CIS(Cooled Injection System))는 split/splitless, solvent vent(온도에 의해 용매만 제거하고 분석 성분만을 라이너에 농축) 등의 다양한 주입 모드를 사용할 수 있는 온도 프로그래밍이 가능한 주입구 이다.

<그림 2>에 GERSTEL사의 CIS와 solvent vent 모드를 나타냈다.

CIS inlet에 의한 대용량 주입은 On-column 타입에 비해 주입 조건의 최적화가 간단하며 사용법과 유지보수가 쉬워 비교적 매트릭스가 복잡한 시료분석에 도입하면 좋다고 알려져 왔지만 아직까지 일상적인 분석 현장에 널리 보급되어 있지는 않다.

그 원인으로서는 ①다양한 분석 성분에 대한 주입 조건의 최적화, ②일부 농약 등 불안정한 성분 도입의 어려움, ③매트릭스 대량 주입에 의한 라이너의 오염 등을 들 수 있다.

본문에서는 이러한 과제에 대한 최근의 해결책을 알아보고자 한다.

[주입 조건의 최적화]

Solvent vent 모드에 의한 대용량 주입에서는 “용매의 기화 속도”가 중요한 요인이 된다.

즉, 용매의 물성과 함께 CIS에 있어서의 주입 온도, vent 유량, column head pressure 등이 “기화 속도를 제어하는 중요한 파라미터”가 된다.

GERSTEL사의 대용량 주입을 위한 냉각응축시스템(Cooled Injection System, CIS)은 용매의 분자량, 밀도, 주입 온도에 있어서의 증기압, Column Head pressure, vent 유량을 고려한 소프트웨어(<그림 3> LVI(Large Volume Injection) Calculator)에 의해 용매의 기화 속도를 산출해 최적의 주입 속도를 적용할 수 있다.

<그림 4>는 극성 용매(아세트니트릴)에 희석한 농약 255 성분 혼합표준용액(각 성분 20 pg/μl)의 대용량 주입(40 μl)의 전체이온크로마토그램(TIC)를 나타내고 있다.

[대용량 주입에 Analyte Protectants(APs) 적용]

GC에 의한 농약 분석에 있어 예전부터 문제가 되어온 ‘매트릭스 효과’에 대한 해결책으로서 GC시스템의 active한 부분을 가리는 ‘masking reagents’을 함께 주입되는 방법이 시도되어 왔다.

그 결과, 다수의 수산기(-OH)를 가지는 당류나 당류 유도체가 월등히 높은 효과를 나타내는 것을 찾아냈다.

Dr. Anastassiades는, CIS에 의한 대용량 주입시 문제가 되고 있던 “불안정한 성분의 도입”과 “매트릭스 대량 주입에 의한 라이너 오염”에 대해 당류 유도체를 APs로 도입하여 그 효과를 평가했다.

농약 255 성분 혼합 표준 용액(20 pg/μl;  아세트니트릴 용액)에 L-Gulunoic acidγ-lactone를 25 ng/μl 되도록 첨가하여, 40 μl 의 대용량 주입을 실시한 결과, Bendiocarb, captafol, Isoxation 등 10 성분의 감도 및 재현성이 증가한 결과를 나타냈다.

<그림 5>에 APs 첨가 시료와 무첨가 시료의 비교를 나타냈다.

※ Analyte Pretectants(APs): 시료와 함께 주입해 GC 시스템의 active한 부분과 반응함으로써 비활성화(inert)의 성질을 가지도록 만든 후, 흡착효과를 줄여 matrix에 의해 회수율이 높아지는 문제를 저감시켜주는 것이 가능, Dr. Anastassiades는 93종의 분석 물질을 대상으로 1 ㎕ splitless 주입 시 APs 효과를 평가하는 연구를 진행하여 Gulonolactone이 다수의 농약에 대해 가장 높은 효과를 보이는 것을 확인 

[SFE 추출 시료에 있어서의 라이너 오염의 평가]

초임계 유체 추출(Supercritical Fluid Extraction: SFE)은 높은 침투성과 액체에 가까운 용해성을 가지는 초임계 상태의 유체(이산화탄소 등)에 의해 광범위한 농약에 대한 신속한 추출이 가능하다.

이러한 SFC를 통해 시료에 따라서는 추출 및 정제 공정의 간략화도 가능해진다.

그러나, SFE에 도입되는 시료량이 2~4 g정도로 적고, 추출액은 1~4 ml정도 되기 때문에 고감도 검출이 요구되는 잔류농약 분석에 있어서 GC-MS의 Scan 모드는 그다지 적합한 분석법이 아니었다.

여기서 GERSTEL은 SFE에 의한 신속한 추출과 대량 주입에 의한 고감도 검출의 실용적인 운용을 목표로 하여, SFE 추출액의 대량 주입에 의한 CIS 라이너 오염에 대한 평가를 실시했다.

동질화 한 시료(오이) 2 g를 SFE(ISCO사 SFX-1220 JP)로 30분간 추출해, 아세트니트릴 1 ml에 섞어 준비하였다.

CIS 라이너에는 석영 울을 충전한 스트레이트 타입을 이용해 MPS로 40 μl 대용량 주입을 실시했다.

라이너 오염에 대한 평가는 혼합표준용액을 아세트니트릴로 50 pg/μl로 희석하여 APs (L-Gulunoic acidγ-lactone; 25 ng/μl) 첨가와 무첨가 비교 하였다.

측정 순서는 초기 상태(미사용 라이너)에서 혼합표준용액을 측정 한 후, “시료 추출액 4회 연속 측정→혼합표준용액 측정”를 5회 반복 측정 했다.

<그림 6>에 오이 추출액의 측정 횟수와 Isoxathion, Fenitrothion의 상대 강도의 관계를 나타냈다(APs 첨가 시료로 얻을 수 있던 가장 높은 피크 면적을 1로 하였다).

APs 무첨가 시료의 초기 상태(미사용 라이너)의 상대 강도는 0.47~0.68 이었지만, 추출액 4회와 8회 측정 후에는 Isoxathion와 Fenitrothion의 상대 강도가 매트릭스 효과에 의해 0.87~1.04까지 상승했다.

Isoxathion는 12회 측정 후 초기 상태를 밑돌았고(상대 강도 0.27), Fenitrothion는 16회 측정 후 초기 상태를 밑돌았다(상대 강도 0.39).

그 후, Isoxathion는 16회 측정 후, Fenitrothion는 20회 측정 후에 거의 검출되지 않았다.

한편, APs 첨가 시료에 대해서는, Isoxathion와 Fenitrothion의 상대 강도는 초기 상태로부터 20회 연속 측정 뒤에까지 0.83~1.0의 사이에 들어가, APs의 효과가 확인되었다. 

이상으로부터 SFE에 의한 오이 추출액의 CIS에 의한 대용량 주입에 대해 APs 무첨가의 경우, 8회 측정 후 라이너 교환이 필요하고 APs를 첨가했을 경우, 20회 이상의 연속 측정이 가능하다는 것을 알 수 있었다.

결론

복잡한 성분의 전처리 후 CIS를 이용한 대량 주입과 분석 sequence 도중 자동으로 Liner를 교체할 수 있는 ALEX를 사용한다면 라이너 오염으로 발생 할 수 있는 매트릭스 효과를 줄이면서 보다 높은 감도의 분석결과를 얻을 수 있다.