관련 제품명 : SPE 

개요

지난 호에서는 시료 중에 존재하는 휘발성 유기화합물의 분석에 필요한 전처리 장비에 대해 알아보았다. 휘발성 유기화합물은 시료에 온도를 가해주거나 비활성 가스의 퍼징을 통해 시료에서 휘발성 유기화합물을 분리하여 GC에 주입한 후 분석한다. 

중간 휘발성 유기화합물(Semi-Volatile Organic Compounds, 이하 SVOCs)은 휘발성은 가지고 있으나 휘발성 유기화합물에 비해 높은 끓는점으로 낮은 휘발도를 가지는 유기화합물을 말한다. 따라서 SVOCs는 휘발성 유기화합물의 전처리 방법인 온도를 가해주거나 비활성가스의 퍼징 등을 통해 시료로부터 분리하기 어려운 특성을 가지고 있다.

이번 시간에는 시료 중에 존재하는 VOCs, SVOCs 분리에 사용되는 전처리 방법에 대해 알아 보도록 하겠다.

액-액 추출(Liquid-Liquid Extraction, LLE)

액-액 추출(LLE)은 2개의 혼합되지 않는 액상시료 사이의 분배 비에 의해 간섭물질로부터 분석물질을 분리하기 위해 사용된다<그림 1>.

액-액 추출(LLE)의 하나의 상(phase)은 일반적으로 물이 사용되며, 다른 상(phase)은 유기용매가 사용된다. 친수성(hydrophilic)인 화합물들은 극성인 물 층에 남아 있게 되는 반면, 보다 더 소수성(hydrophobic)인 화합물들은 주로 유기용매 층으로 이동한다.

유기용매 층으로 이동한 분석 물질들은 용매를 증발 및 추출하여 GC로 분석하고, 물 층으로 이동하여 추출된 분석 물질들은 HPLC 역상 컬럼으로 주입하여 분석하게 된다.

이 경우 물을 함유하고 있는 층은 크로마토그래피 시스템으로 도입이 가능한 용매로 전환시키는 과정을 거쳐야 한다.

액-액 추출에 일반적으로 가장 많이 사용되는 방법은 분별 깔대기를 이용하는 것이다

<그림 2>. 분별 깔대기에 두 개의 다른물(시료), 유기용매를 넣고 시료와 유기용매가 잘 섞이도록 일정 시간 동안 흔들어 준다. 그런 후 일정 시간 동안 정치시켜 시료와 유기용매의 층이 분리되도록 한다. 만일 유기 용매가 물보다 밀도가 높다면(예, dichloromethane) 아래 층에 존재하게 된다. 액-액 추출에 사용하는 용매를 선택할 경우 아래 사항을 고려하도록 한다.

- 물에 대한 낮은 용해도(10% 이하)

- 추출 후 쉽게 제거와 농축이 가능한 휘발도

- HPLC 또는 GC로 주입이 가능해야 함.

- 유기용매에 존재하는 목적성분들의 회수율을 향상시키는 극성, 수소결합 함유

- 시료 오염을 최소화하기 위한 고순도

액-액 추출법은 별도의 전처리 장비를 필요하지 않고, 비교적저렴한 비용으로 시료 전처리가 가능한 장점이 있어 SVOCs를추출하는 전처리 방법으로 널리 활용되고 있다. 하지만 분석자의 많은 노동을 필요로 하고, 층 분리에 많은 시간을 요하는 등 소모적인 부분이 많아 시료 처리량이 많은 실험실에는 적합하지 않다. 특히 실험자의 추출과정에 대한 숙련도에 따라 회수율 및 분석결과의 재현성에 많은 영향을 받아 정밀한 분석 결과를 요하는 분석에 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다.

고체상 추출법(Solid Phase Extraction, SPE)

고체상 추출법(SPE)은 액상 시료 또는 용해와 추출에 의해 액체 형태로 전환되는 고체 시료에 널리 사용되는 전처리 방법 중 하나이다. 고체상 추출은 액-액 추출(LLE)과 유사한 방식으로 사용되지만 액-액 추출에 비해 소량의 유기용매를 사용하여 추출을 진행하므로 농축 효과를 높일 수 있다. 또한 분석에서 간섭 물질을 효율적으로 분리하며 입자들도 제거하면서 더 쉽게 자동화 할 수 있는 전처리 방법이다.

고체상 추출에 사용되는 일반적인 형태는 0.1~10.0 g의 고정상이 채워진 일회용 카트리지 타입이고 이러한 카트리지 타입의 SPE를 사용하여 방해 간섭 물질을 제거함으로써 baseline을 안정화시키고 미량의 목적성분을 농축함으로써 감도향상을 제공한다. 고체상 추출의 일반적인 과정은 아래와 같다<그림 3>.

- Conditioning : 용매로 SPE 카트리지 고정상 활성화

- Sample loading : SPE 카트리지에 시료 주입

- Washing : SPE에 추출된 목적성분을 제외한 다른 방해간섭 물질을 제거하기 위해 용매를 흘려줌.

- Elution : SPE 카트리지 충진물에 용매를 흘려주어 목적성분 추출

- Concentration : 추출에 사용된 용매를 증발시켜 목적성분 농축

하지만 매뉴얼 타입의 SPE는 유량에 따른 재현성과 회수율의 차이가 크고 많은 전처리 시간이 소모되는 단점이 있어 자동화된 on-line SPE<그림 4> 시스템에 대한 필요성이 증가하고 있다.

GERSTEL사 SPE 시스템은 오토샘플러 전용 표준 카트리지를 사용하여 기존의 매뉴얼 SPE 과정인 컨디셔닝, 시료주입, 간섭물질 제거, 용출, 유도체화 시료 주입, 농축 과정 및 시료주입까지 자동화가 가능하다.

또한 LC, LC/MS, GC/MSD로 분석이 진행되는 동안 SPE 시료 전처리가 함께 진행되어 시료 처리량이 늘어날 뿐만 아니라 실린지를 사용하여 일정한 유량으로 용매와 시료를 주입하여 높은 회수율과 재현성있는 결과를 얻을 수 있다.

고체상 미량추출법(Solid Phase MicroExtraction, SPME)

고체상 미량추출법(SPME)은 90년대 개발되어 흡착제를 fiber에 코팅하여 시료 중의 VOCs, SVOCs를 추출하는 전처리 방법이다.

추출방법은 SPME fiber를 액상 시료에 담그거나(A) 바이얼의 헤드스페이스 부분에 노출시키는 방법(B)으로 나눠진다<그림 5>. 이때 바이얼에 담긴 시료에 직접 SPME fiber를 담가추출하는 법을 직접주입법(Immersion)(A), 바이얼의 헤드스페이스 부분에 SPME fiber를 노출시켜 목적성분들 추출하는 것을 헤드스페이스법(B)이라고 한다.

일정시간 동안 시료를 가열하여 상평형에 도달하게 하거나 교반을 시켜(30분 또는 그 이상) fiber에 추출한 후 GC 주입구의 온도를 높여 열탈착시켜 GC를 이용하여 분석하고<그림 6>, LC를 이용한 분석은 이동상 용매에 녹아 주입된다<그림 7>.

SPME 전처리방법은 액-액 추출법, 고체상 추출법과 비교하여 추출과 농축을 동시에 하면서 사용법이 간단하고 GC에 사용할 경우 용매가 불필요하며 추출 후 바로 GC로 주입하여 분석할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

또한 이러한 SPME 전처리 방법도 시료 자동화시스템(MPS)을 이용하여 자동화할 수 있으며, 최근에는 미지 시료의 분석법 개발에 활용할 수 있도록 분석 중간에 fiber를 자동으로 교체하여 분석하는 시스템(Multi Fiber Exchanger. MFX, <그림 8>)의 활용도가 점차 높아지고 있다.

교반막대 흡착추출법(Stir Bar Sorptive Extraction, SBSE)

교반막대 추출법(SBSE)은 교반막대에 흡착제를 코팅하여 시료 중의 VOCs, SVOCs를 추출하는 전처리 방법이다. 

SBSE는 물 중에 존재하는 PCBs분석을 위해 교반막대를 이용하여 SPME fiber로 추출하던 중 교반막대에서 80% 이상의 PCBs가 검출되면서 교반막대에 SPME fiber의 흡착제인 PDMS(polydimethylsiloxane)를 코팅하여 사용한 것을 시작으로 개발된 전처리 방법이다.

이 PDMS 흡착제를 코팅하여 상용화한 것이 GERSTEL사 Twister™<그림 9>이고 이를 이용한 전처리방법이바로 SBSE이다.

SPME fiber는 흡착제의 코팅량이 최대 0.5 μL인 반면 SBSE에 사용되는 교반막대 Twister™는 PDMS의 경우 24 μL~126μL로 표면적이 훨씬 넓어 더 많은 양의 VOCs, SVOCs을 흡착/추출할 수 있다. 이와 같은 특징으로 동일한 옥탄-물 분배계수(Ko/w) 값을 가지는 화합물에 대해 SBSE 전처리법이 더 높은 회수율을 얻을 수 있게 된다<그림 11>.

하지만 PDMS가 코팅된 Twister™를 사용할 때 Ko/w값이낮을수록, 즉 극성인 화합물의 경우 비극성 재질인 PDMSTwister™을 사용하면 회수율이 낮게 나타난다.

따라서 기존에는 이러한 극성 화합물의 추출 효율을 높이기 위해 염(NaCl)을 첨가하여 회수율을 높이고자 했으나, 이러한 염(NaCl)을 첨가하는 방법은 모든 극성 화합물에 적용하기 힘들기 때문에 극성 물질을 코팅한 EG-Silicone Twister™<그림 13>가 개발되었다. 따라서 시료 중에 존재하는 극성 화합물과 비극성 화합물을 동시에 추출 가능하게 되었다.

이렇게 시료 중에 존재하는 극성 및 비극성 화합물을 추출한 후에는 Twister™에 묻어 있는 시료를 증류수로 닦아 낸 후 물기를 제거하고, GC의 경우 열탈착시스템(Thermal DesorptionUnit, TDU)을 통해 열탈착한 후 냉각응축시스템(Cooled InjectionSystem, CIS)을 통해 컬럼으로 주입하여GC/MSD로(<그림 16>) 분석하게 된다.

앞서 살펴본 바와 같이 휘발성 및 중간휘발성 유기화합물의 전처리 방법에는 액-액 추출법(LLE), 고체상 추출법(SPE), 고체상 미량추출법(SPME), Twister™를 이용한 교반막대 흡착추출법(SBSE) 등이 사용되고 있다.

각각의 전처리 방법은 모두 장단점을 가지고 있으며, 시료처리량, 최소검출한계, 재현성, 분석법 개발 등의 조건에 따라 적합한 시료 전처리 방법을 선택, 사용하는 것이 실험실 생산성을높일 수 있는 방법이라 판단된다. 

다음 시간에는 열탈착 시스템을 이용한 전처리 방법에 대해 알아보도록 하겠다.