관련 제품명 : Twister

[요약]

본 실험에서는 위스키, 화이트와인, 멀티비타민 주스에 들어 있는 향성분들을 교반막대흡착튜브(SBSE: Stir Bar Sorptive Extraction)로 추출하는 Twister를 사용하였으며 흡착물질 별 추출효율을 비교하기 위해 3 종의 Twister Bar(Ethyl Glycol(EG)-Silicone, Polyacrylate(PA)와 polydimethylsiloxane(PDMS))를 사용하였다.

실험 결과, EG-Silicone은 PA와 PDMS보다 위스키, 와인, 멀티비타민에서 더 많은 종류의 물질들을 추출하였다.

대부분의 phenol과 극성 aromatic 화합물들은 EG-Silicone과 PA로 추출할 수 있었다.

EG-Silicone Twister은 PDMS와 PA Twister보다 상당히 많은 양의 극성 화합물들을 추출하였으며 휘발성 있는 ester와 Fusel alcohols의 극성 화합물들에 대해서도 높은 추출효율을 보여주었다.

또한 EG-Silicone Twister는 PDMS를 기반으로 하기 때문에 long carbon-chain의 ethyl ester, lactones, terpenes 같은 비극성 화합물에 대해서도 높은 회수율을 보였다.

[서론]

교반막대흡착추출법(SBSE)은 고체상미량추출법(SPME)과 비슷한 원리를 기본으로 한다.

이 두 전처리법 모두 추출은 흡착제와 액상시료 사이에 작용하는 코팅 흡착물질의 분배계수에 따라 추출물질의 농도와 추출효율이 결정된다.

추출이 끝나게 되면, 코팅된 교반막대를 비활성 가스 하에서 가열하여 흡착된 화합물을 탈착한 후 GC로 주입하여 분석한다.

일반적으로 가장 널리 사용되는 Twister 코팅물질은 비극성물질인 PDMS로 기존의 SPME fiber보다 더 많은 양의 코팅물질이 Twister에 덮여있어 추출하는 동안 시료와 코팅물질 간의 접촉이 많아져 더 많은 양의 물질들을 추출할 수 있다.

따라서 Twister가 기존 SPME보다 약 250배 정도의 높은 추출 효과를 나타내는 것으로 알려져 있다.

SBSE법은 물 중 VOCs, PAHs, 농약, 이취미 물질 추출, Tetrahydro-cannabinol(THC), barbiturates 그리고 benzodiazepinesm와 같은 남용 약물, 식음료 중 향성분, 보존료, trichloroanisole, 농약과 살진균제의 응용에 사용된다.

그러나 최근 옥탄-물 분배계수(Ko/w)가 10,000 이하인 극성 화합물들은 PDMS Twister를 사용할 때 Ko/w 값이 낮을수록 회수율이 점점 낮아지는 것이 발견되었다.

예를 들면 극성 pesticide, alcohol, ester와 phenols 등 친수성 물질들이 그러한 경향을 보인다.

물 시료에 30% NaCl(w/w)을 첨가함으로써 많은 극성 pesticides의 회수율을 높일 수는 있었지만, 이러한 염석(salting out) 기술은 모든 극성 화합물에 적용하기는 힘들기 때문에 극성 코팅물질을 가진 Twister에 대한 요구가 최근 많이 증가되고 있다.

현재 GERSTEL사에서 새로 개발한 2개의 극성 Twister (Polyacrylate (PA)와 Ethylene Glycol (EG)-Silicone Twister)는 기존의 PDMS Twister보다 그 자체의 극성이 높아 효율적으로 극성 화합물을 추출할 수 있다.

더욱이 EG-Silicone Twister는 silicone을 기본으로 하고 있기 때문에 비극성 화합물 또한 효과적으로 추출하게 된다.

[실험조건]

PA와 EG-Silicone Twister는 수용액 시료에서 추출하는 동안 약간의 물이 함께 추출되므로 GC/MSD로 시료를 주입하기 전 수분을 제거하기 위해 TDU를 solvent vent 모드로 분석하였다.

수용액 시료를 EG-Silicone 또는 PA Twister를 사용하여 PDMS Twister와 같은 방법으로 추출하였다. 수용액 시료를 10 mL 헤드스페이스 바이얼에 담고 Twister를 넣은 후 60분 동안 실온에서 1,000 rpm으로 추출하였다.

추출이 완료된 후 Twister를 시료에서 꺼내 HPLC-grade water로 씻어주고 lint-free 티슈로 물기를 조심스럽게 제거한 후 Twister를 1.5 mL TDU glass liner에 넣는다.

그 후 TDU liner를 전용 tray에 장착하면 MPS가 자동으로 TDU로 Twister를 주입하여 열탈착 후 GC/MSD로 분석하게 된다.

위스키(Scotch Whisky)

EG-Silicone Twister는 특히 phenol 같이 수소결합을 가지고 있는 극성 화합물 추출에 효과적이다.

<그림 1>은 서로 다른 3개의 Twister를 이용하여 위스키에서 추출한 결과를 보여주는 크로마토그램이다.

EG-Silicone Twister는 위스키에서 phenol, ethyl ester, fatty acids를 높은 회수율로 추출하였다. EG-Silicone Twister는 첫번째 크로마토그램에서 보여주듯이 특히 13분까지 높은 감도로 더 많은 종류의 화합물을 추출하는 것을 확인할 수 있다.

<표 1>은 추출된 화합물에 대한 Twister별 추출효율(감도)을 비교한 것이다.

EG-Silicone Twister로 추출한 결과는 대부분의 화합물에 대해 PA 또는 PDMS Twister보다 상당히 높은 감도로 추출하였다.

Polydimethylsiloxane을 기본으로 하기 때문에 EG-Silicone Twister는 long carbon-chain을 가지고 있는 구조의 ethyl esters와 acids 같은 비극성 화합물에 대해서도 높은 친화성을 가진다.

EG-Silicone과 PDMS Twister로 추출한 크로마토그램과 비교할 때 EG-Silicone Twister 추출(첫 번째 크로마토그램)의 결과는 25분 이후에 같은 성분들이 검출되지만 상당히 넓은 피크면적과 높은 감도 회수율로 검출되는 것을 확인할 수 있었다.

<표 2>는 phenol, o-cresol, cis-whisky lactone, eugenol를 첨가한 물시료에 대한 Twister별 추출효율(%)을 나타낸 것이다.

Phenol과 o-cresol은 EG-Silicone Twister로 추출하였을 때 5.7%와 9.8%의 가장 높은 회수율을 보였다.

PDMS Twister는 비극성 물질인 lactone과 eugenol을 각각 24.3%, 32.9%의 높은 회수율로 추출하였다.

PA Twister와 비교하면 EG-Silicone Twister는 whisky lactone(6.1%)과 eugenol(29.5%)에 대해 높은 감도를 보였다.

이러한 결과들은 EG-Silicone Twister가 phenol 성분들을 매우 효율적으로 추출하고 비극성 화합물 추출에도 적합한 것을 입증하는 것이라 할 수 있다.

<표 3>은 EG-Silicone과 PDMS Twister로 위스키에서 상당 수의 phenol과 aromatic 화합물을 추출한 결과를 보여주고 있다.

EGSilicone Twister는 총 126개의 화합물을, PDMS Twister로는 총 92개의 화합물을 검출하였다.

다른 종류의 화합물들은 비슷한 추출효율을 보였지만 EG-Silicone Twister가 일반적으로 더 좋은 회수율을 보였다.

위스키에서 극성 화합물에 대해 좋은 분리도를 얻기 위해 ZBFFAP 컬럼을 사용하였다.

<그림 2>의 크로마토그램은 EG-Silicone Twister를 이용하여 위스키에서 추출한 성분들을 보여주고있다.

<표 4>는 wiley library를 이용하여 정성한 결과를 나타낸 것으로 모두 80% 이상의 일치도를 나타냈다.

멀티비타민 주스(Multivitamin Juice)

멀티비타민 주스나 과일 주스의 경우 알갱이 또는 과일 덩어리들이 목적성분들이 추출상으로 이동하는 것을 막거나 상분리를 저해하기 때문에 추출 효율에 부정적인 영향을 미친다.

하지만 SBSE법을 이용한 멀티비타민 주스 추출은 매우 쉽고 간단하다.

10 mL 시료를 바이얼에 담고 Twister를 넣은 후 1시간 동안 실온에서 1,000 rpm으로 교반시켰다.

추출에는 EG-Silicone과 PDMS Twister가 사용되었다.

<그림 3>의 크로마토그램에서 볼 수 있듯이 EG-Silicone Twister는 PDMS Twister보다 많은 종류의 화합물들을 높은 회수율로 추출하였다.

EG-Silicone Twister로 분석한 크로마토그램에서는 39개의 피크들을 정확하게 정성하였다.

이 중 9개의 화합물은 PDMS Twister로는 전혀 검출되지 않았거나 정성할 수 없었다; formic acid, acetic acid, furfural, furfural alcohol, 2-Hydroxycyclopent-2-en-one, 3-Methyl-2,5 Furandione, 5-Methyl-2-furfural, 2,3-Dihydro-3,5-dihydroxy-6-methyl-4H-pyran-4-one,Hydroxymethylfurfurole(HMF).

이 화합물들 중 대부분은 furfurals와 furans 화합물들이다.

또한 EG-Silicone Twister를 이용하여 추출한 이 9개 화합물 중 특히 fufural(3), HMF(21)는 매우 크게 나타났다.

멀티비타민 주스 중에서 몇몇 중요한 terpenes은 <표 6>에서 볼 수 있듯이 EG-Silicone, PDMS Twister 모두에서 검출되었다.

8개의 terpenes은 EIC(Extracted Ion Chromatograms)로 피크를 확인하였다.

EG-Silicone과 PDMS Twister는 비슷한 peak 면적을 얻어 비슷한 추출 효율을 나타냈다.

좀더 극성인 alcohol-terpenes linalool, 4-terpineol, alpha-terpineol, nerolidol은 PDMS Twister보다 EG-Silicone Twister가 좀 더 높은 회수율을 제공하였다.

반대로 alpha-pinene, beta-myrcene, delta-3-carene, d-limonene 같은 monoterpene들은 PDMS Twister가 더 높은 회수율을 제공한다.

화이트 와인(White wine(Sauvignon Blanc))

White wine의 향 성분 분석을 위해 Twister별 추출 효율을 비교하였다.

PA Twister와 PDMS Twister는 와인에 바로 넣어 추출하였고 EG-Silicone Twister는 Twister 코팅제의 손상을 막기 위해 Wine을 pH 3.6으로 중화시켜 추출하였다.

ZB-5(비극성)와 ZBFFAP(극성) 컬럼을 사용하여 얻은 각 성분들은 <표 7>에 정리하였다.

사용된 오븐 조건과 컬럼 유량을 제외하고 모든 TDU, CIS 그리고 GC/MSD 조건은 모두 동일하게 적용하였다.

각각의 Twister를 사용하여 추출한 크로마토그램의 결과는 <그림 4>에서 보여주고 있다.

EG-Silicone Twister가 PDMS와 PA Twister보다 더 많은 종류의 물질들을 추출하였다. Fufural, cisand trans-4-hydroxymethyl-2-methyl-1,3-dioxolane, glycerin, malic acid, methyl 2,3-dihydroxybenzoate 같은 물질들은 오직 EG-Silicone과 PA Twister에서만 추출되었다.

뿐만 아니라 EGsilicone Twister에서 대부분의 피크가 PA Twister보다 훨씬 더 크게 나타났다.

EG-Silicone Twister는 acid 성분 피크 11, 17, 20, 22, 24와 2,3-butanodiol(3), 1-hexanol(6), Phenethyl alcohol(15) 같은 alcohol에 대해서도 PDMS Twister보다 훨씬 더 효과적으로 검출하였다.

반대로 얘기하면 PDMS Twister가 EG-Silicone Twister와 비교하여 더 많은 종류의 ester를 추출하였다(피크 4, 7, 12, 13, 18, 25).

또한 와인에서 추출한 극성 성분의 피크 분리도와 분해능을 높이기 위해 극성 컬럼을 사용하였다.

<그림 5>에서 볼 수 있듯이 극성 컬럼은 acid 피크에 대해 매우 sharp한(분리능이 좋은) 피크를 얻었고, 비극성 컬럼에서는 co-elute된(분리되지 않고 함께 용출되는) 몇몇 중요한 극성 화합물에 대해서도 분리할 수 있었다.

비록 서로 다른 컬럼을 사용하였지만, EG-Silicone과 PDMS Twister 추출로 얻어진 정량분석과 화합물 정성분석은 모두 만족할 만한 결과였다.

오직 EG-Silicone Twister만 몇몇 극성 acids, alcohol을 다른 극성 화합물만큼 추출하여 분석할 수 있었다.

추가적으로 5-methyl-2-furfural(11), Hydroxymethylfurfurole(HMF, 24), p-Hydroxyphenethylalcohol(27), ethyl 3-(4-hydroxyphenyl)-propenoate(Z or E, 29)는 극성 컬럼에서 EG-Silicone Twister로 추출하여 분석하였을 때만 검출되었다(<표 8>).

[결론]

위스키, 멀티비타민 주스, 화이트 와인과 같은 시료의 극성 화합물 추출은 기존의 PDMS 추출보다 새로운 코팅재질의 EG-Silicone Twister와 PA Twister가 보다 높은 추출 효율을 보였다.

특히 phenols, furans, alcohols, acid 같은 화합물들은 EG-Silicone Twister의 추출효율이 가장 좋았다.

Terpenes과 ethyl esters 등과 같은 비극성 화합물들은 EG-Silicone Twister가 dimethylsiloxane을 기본으로 하기 때문에 PDMS Twister와 비슷한 추출효율을 보였다.

EG-Silicone Twister와 PDMS Twister를 동시에 사용하는 Sequential SBSE(Twister 연속추출법)를 사용한다면 시료에서 발생되는 전체적인 VOCs 성분과 semi-VOCs까지 추출하여 분석할 수 있다.

시료의 pH는 EG-Silicone Twister로 추출하는 경우 매우 중요하게 고려할 사항이다.

물을 기본으로 하는 표준물질에서 추출할 경우는 pH 3.5에서 pH 10, 와인은 pH 3.6에서 pH 7이 최적의 pH 조건이다.

PDMS Twister와 같이 EG-Silicone Twister도 분석에 쉽게 적용할 수 있다.

하지만 Twister를 사용하기 위해서는 몇몇 분석조건들을 고려해야 한다.

그 중 EG-Silicone Twister는 코팅 한계 온도가 220 ℃이기 때문에 EG-Silicone과 PA Twister를 사용할 때 수분 제거를 위해 TDU의 solvent vent 모드 온도를 한계온도 이하로 설정해야 한다.

또한 이 두 종류의 Twister는 코팅재질이 극성을 나타내기 때문에 추출하는 동안 약간의 수분을 함유하게 된다.

따라서 GC/MSD 시스템으로 수분이 들어가는 것을 제거하기 위해 solvent vent 모드로 탈착하여 분석해야 한다.