관련 제품명 : Purge and Trap 

<퍼지 앤 트랩 & 헤드 스페이스 샘플러>

기체 크로마토그래프(Gas Chromatograph, GC)는 컬럼을 통해 시료 중에 존재하는 여러가지 화합물을 분리분석하고 각각의 화합물에 대해 정량하는데 매우 유용한 시스템이다. 그리고 GC에 질량분석기(Mass Spectrometer, MS)를 장착하여 사용하면 정성분석은 물론 보다 정밀한 정량분석에 도움을 줄 수 있다.

GC 분석에 도입되는 시료들은 가스상 형태로 전환시켜 분석을 하게 된다. 분석 물질 가운데 대부분을 차지하는 휘발성 유기화합물(Volatile Organic Compounds, VOCs)은 주로 석유 화학, 고분자, 식품, 향료 및 환경 등 대부분의 GC 응용 분야에서 분석되는 화합물이다. 이번 시간에는 기체 크로마토그래피시스템으로의 샘플 수집 및 도입 방법 중 퍼지 앤 트랩, 헤드스페이스법에 대해 알아보도록 하겠다.

※ 휘발성 유기화합물 : 일반적으로 끓는점이 180 ℃ 이하인 휘발성이 강한유기화합물유

<퍼지 앤 트랩(Purge & Trap, P&T)>

퍼지 앤 트랩(P&T)은 주로 GC 분석에 앞서 물 속에 존재하는 VOCs를 분석하기 위한 전처리 방법으로 많이 활용되는 시스템이다. 분석법이 시스템명(퍼지 앤 트랩)으로 만들어진 것으로 크게 퍼지단계,트랩단계, 탈착단계 3단계로 분석을 진행한다.

퍼지 단계

일정량의 물시료를 스파저(sparger, 일반적으로 바이얼(via)과 같은 역할)에 넣고, 스파저 아래부분에 존재하는 frit을 통해 비활성가스(inert gas)를 계속해서 불어 넣어 시료 중에 존재하는 VOCs를 시료로부터 추출한다<그림2>. 이때 비활성 가스로는 일반적으로 질소(N2)를 사용한다.

트랩 단계

퍼지 단계에서 추출된 VOCs는 흡착트랩으로 옮겨진다. 흡착트랩은 일반적으로 Tenax, Charcoal 재질로 되어 있고 비활성가스와 함께 트랩으로 옮겨진 VOCs를 흡착시키는데 유리한 특성을 가지고 있다. 또한 각 흡착트랩의 재질에 따라 분석물질(<표 1>) 및 Desorb(탈착), Bake(클리닝) 온도가 다르므로 각각의 흡착트랩에 맞는 온도를 설정하여 사용하도록 한다<표 2>.

탈착 단계

흡착트랩을 통해 추출 농축된 VOCs는 트랩에 건조한 비활성가스를 흘려주어 트랩에 흡착된 미량의 수분을 제거한 후, 순간적으로 트랩에 고온의 열을 가해 VOCs를 열탈착시켜(<그림3>) GC 운반기체(carrier gas)와 함께 GC로 주입된다. 이런 P&T 분석법은 매우 더러운 시료(폐수 등)로부터 불순물을 제거하고(수분 포함) VOCs을 추출하여 GC를 통해 분석할 수 있다는 것이 큰 장점이지만 물 시료를 포함한 액상시료에만 적용할 수 있다는 단점도 가지고 있다.

<헤드스페이스 샘플러(Headspace Sampler)>

헤드스페이스 샘플러를 이용한 분석법은 시료의 형태에 상관없이 액상, 고상, 에멀젼 형태의 모든 시료에 적용하여 VOCs를 추출할수 있다. 시료가 담긴 밀폐된 바이얼에 열을 가하면 시료에서 빠져나온 VOCs가 상평형에 도달하게 되어 더 이상 휘발이 되지 않는 상태까지 이르면 loop나 gas tight syringe로 일정량을 취하는 방식을 ‘Static headspace 샘플링’이라고 한다. 반면 시료 헤드스페이스 부분에 비활성 가스를 불어 넣어 계속해서 흡착트랩에 농축하는 방식은 ‘Dynamic headspace 샘플링’이라고 한다.

스태틱 헤드스페이스 샘플러(Static Headspace Sampler, SHS)

Static Headspace 샘플링은 매우 단순한 시료전처리 방법이다. 시료를 바이얼에 넣고 비활성 재질의 septum을 사용한 캡(Cap)을 이용하여 밀봉한다. 이 밀봉된 바이얼에 열을 가해주면 시료 중에 존재하는 VOCs는 시료와 바이얼 캡사이에 존재하는 빈 공간, 즉 헤드스페이스 부분으로 휘발된다.

이러한 휘발은 시료 중에 존재하는 VOCs와 기체상에 존재하는 VOCs가 상평형을 이룰 때까지 계속 진행된다. 이러한 스태틱 헤드스페이스 샘플(SHS)는 시료에 열을 가해주고, 헤드스페이스 부분의 기체상을 일정한 부피를가지는 loop 또는 gas tight syringe에 1~2.5 mL를 채워 VOCs를 GC로 주입함으로써 GC에서 분석이 이루어질 수 있도록 만들어졌다.

액상 시료의 경우, pH를 조절하거나 염을 첨가하여 분석물질의 증기압을 증가시키고 물 속에 있는 유기물의 용해도를 감소시켜 분석 감도를 높일 수 있다. 고체상 시료의 경우, 시료를 잘게 부수어 표면적을 넓히고 시료 매트릭스로부터 휘발성 성분들의 확산을 높여 시료의 양을 증가시키는 것을 통해 분석 감도를 향상시킬 수도 있다.

SHS는 P&T보다 분석 방법이 간단하고 대부분의 시료에 적용할 수 있다는 것이 장점이다.

하지만 GC에 주입되는 VOCs의 양은 시료와 헤드스페이스 사이의 상평형과 휘발된 성분의 일부만을 loop나 gas tight syringe를 통해 주입되는 양에 의존하게 되고, 농축의 과정이 없기 때문에 흡착트랩을 통해 농축하여 주입되는 P&T에 비해 분석 감도가 떨어지는 단점을가지고 있다.

다이나믹 헤드스페이스 샘플러

(Dynamic Headspace Sampler, DHS)다이나믹 헤드스페이스 샘플러(DHS)는 시료를 바이얼에 넣고 열을 가해주는 과정은 SHS와 동일하다. 하지만 SHS는 상평형이 완료된 후 헤드스페이스에 존재하는 VOCs 중 일부만 GC로 주입하는 것과는 달리 DHS는 상평형 없이 헤드스페이스 부분의 가스상 시료를 비활성 기체를 이용하여 계속적으로 VOCs를 흡착트랩에 농축시킨 후 탈착시켜 GC로 주입한다.

스태틱 헤드스페이스 샘플러(SHS)는 GC에 주입되는 VOCs의 양이 시료와 헤드스페이스 공간의 상평형에 의존하고 주입할 수 있는 양이 한정되어 있기 때문에 충분한 검출한계를 제공하지 못할 수 있다.

하지만 DHS는 흡착트랩을 사용하여 계속적으로 VOCs를 농축하여 분석하기 때문에 더 많은 VOCs를 GC로 주입할 수 있어 미량 성분 분석에서 높은 감도를 제공한다.

다이나믹 헤드스페이스 샘플러(DHS)의 경우 loop 또는 gastight syringe와 흡착트랩을 모두 장착하여 필요에 따라 SHS와 DHS 2가지 분석법을 하나의 시스템으로 분석 가능하여 감도 비교와 함께 미량 성분에 대한 고감도 분석까지 모두 가능한 시스템이다.

결론적으로 스태틱 헤드스페이스 샘플러(SHS)는 시료의 형태에 상관없이 모든 시료에 적용가능한 범용적인 특징을 가지고 있으며, P&T은 시료의 농축효과가 높아 분석 감도를 높일 수 있다.

다이나믹 헤드스페이스 샘플러(DHS)의 경우 두 장비의 특성을 모두 갖추고 있어 다양한 시료분석에 좋은 솔루션을 제공해 준다. 따라서 실험실에서 분석하고자 하는 시료를 먼저 이해하고 이에 따라 적절한 전처리 장비를 활용하는 것이 분석 효율을 높일 수 있는 시료전처리 접근방법이라고 할 수 있겠다.

다음 호에서는 이 밖의 휘발성 및 중간 휘발성유기화합물의 분석에 활용되는 여러가지 시료전처리 기술의 분석 원리를 살펴보기로 하겠다.