유기물의 시료전처리

[주인장]

시료전처리(前處理, sample preparation)는 분석을 하기 위해 시료를 적합한 형태로 미리 처리하는 것을 말한다.
정확한 시료분석을 위해 적절한 시료전처리 단계는 매우 중요한 작업이며, 시료전처리 과정은 매우 다양하고 반복적으로 이루어진다. 분석하고자 하는 시료에 따라 유도체화, 용매 또는 고체상 추출, 농축 등 적절한 처리가 이루어져야 한다.

기기이용, 시료전처리가 필요하다 

분석화학에서는 역사적으로 검출한계를 낮추고 직선 동적 범위를 넓히기 위해 끊임없이 노력해왔다. 그렇다면 왜 시료 전처리는 중요한가 ?

위의 그림에서 몇가지 이유를 찾을 수 있다. 설문조사에 의하면 응답자의 60%이상이 시료전처리를 매우 중요하게 생각하는 반면, 중요하지 않다고 생각하는 사람은 1.6%정도에 불과하다. 한편 실험분석에 걸리는 시간을 살펴보면 전처리와 데이터 처리에만 88%이상의 시간을 소요하고 있으며 많은 시간이 전처리에 할애되고 있음을 알 수 있다.

[표 1] 매트릭스와 시료의 화학적 선택성에 따른 시료전처리 방법들을 정리한 것이다.

  유기물의 시료전처리

유기 물질로 오염된 시료의 모니터링을 위한 기본 목적은

1) 시료속의 목표물질을 검출하고,
2) 성분을 규명하며 그 농도를 측정하는 것이다.

실제적으로, 시료 전처리는 고도의 분석기술이 필요하다.

이러한 인식이 점점 확산되어, 엄격한 법적 규제와 규제 대상 오염물 증가는 분석횟수에도 증가를 가져왔다. 환경실험실에서는 유럽공동체(European Community) 또는 미국 환경보호청(USEPA)의 오염물질리스트 보다 실제는 훨씬 더 넓은 범위의 화합물을 분석해야만 한다. 생산성, 합리적 노동력, 비용 효과는 모든 실험실 관리에 있어 주요한 관심사이다. 따라서, 좀 더 자동화되고 높은 생산성을 갖는 통합된 시료 전처리시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.

시료의 여러가지 매트릭스 형태에 따라 유기물질의 농축과 분리를 위한 기술에는 액체-기체 추출 또는 평형(퍼지앤트랩, 헤드스페이스법), 액/액 추출 또는 고체상추출법, 유도체화법 그리고 최근 상용화된 교반막대 추출법 등 여러가지가 있으며, 주요한 방법을 다음에 소개한다.

1. Purge and trap

이 분석법은 비극성 휘발성 유기 화합물의 추출에 널리 사용되는 방법이다. 

시료혼합물을 N₂(질소)나 He(헬륨) 등의 비활성 기체를 사용하여 폭기시킴으로써, 휘발성 유기물을 기화시켜 이를 흡착트랩에 포집한다. N₂(질소), O₂(산소) 등은 방출되고, 흡착트랩에는 원하는 유기물질만 선택적으로 흡착된다. 흡착트랩을 가열하여 분석물질이 열탈착, 기체 크로마토그래프에 자동 주입됨으로써 분석을 실행한다.

Purge & Trap을 이용한 시료전처리 방법은 미국 환경보호청(US EPA)의 음용수 관련(500시리즈), 폐수관련(600 시리즈)공정시험법의 전처리 방법으로 규정되어 있다.

2. Headspace Sampler

Headspace(이하 HS) 분석법은 물, 토양, 고분자 등 그 Matrix와는 별로 상관없는 시료중의 휘발성 유기물 분석에 이용된다. 시료는 밀봉되어 자동온도 조절장치에 위치해 있는 HS 바이얼로 이동된다. 증기상 시료는 gas-tight syringe를 거쳐 도입되거나 Gas sampling valve의 Sample Loop를  통해Column 장착 GC로 도입된다. Capillary column의 경우 낮은 Sample Loading 한계 때문에 Split injection이 일반적으로 사용된다. HS법에서 시료는 하나의 상평형으로부터 취해짐을 알 수 있다. 통상 HS법은 ppm단위(FID 검출기로)의 분석에 적용한다

3. Liquid / Liquid extraction(액/액 추출법)

시료전처리에 가장 보편적으로 사용되는 액/액 추출법은 분리깔대기에 물과 유기용제를 넣고 흔들어 주는 수작업 방식에 의해 수행되거나 또는 연속적 액/액 추출기(extractor)를 이용한 자동법을 이용한다.

액/액 추출은 매우 시간 소요가 많고 종종 독성 용제를 사용하기도 한다. 더욱이 유기상과 액체상 사이의 분리는 Emulsion 형성으로 종종 뒤엉켜지기도 한다. 수작업에 의한 추출법은 특별히 Emulsion  형성을 일으키기 쉽다. 이러한 경우, 연속적 액/액 추출법 또는 Extube 추출 컬럼의 사용은 일반적으로 더 나은 대안을 제공한다. 추출량은 대개 크로마토그래프에 직접 도입하기에는 너무 크므로 충분한 감도를 얻기 위해서는 부가적인 증발/농축 단계(Kurderna-Danish)가 필요하게 된다. 시료의 오염을 피하기 위해 용제 추출이나 농축단계 모두 특별한 주의를 요하게 된다.

4. 고체상 추출(Solid Phase Extraction : 이하 SPE법)

SPE법은 분배, 흡착, 친화력 또는 이온교환에 근거한 이 혁신적 추출법으로 널리 호응을 얻고 있는데, 종래의 대부분의 고전적 기술보다 훨씬 빠르다는 장점을 가진다. 머무름(Retention)의 원칙은 고압  액체크로마토그래피와 유사하며 사용되는 흡수제(sorbent)에 따라 저, 중, 고극성 오염물질에 적합하게 된다.

최근의 고성능 Cartridge의 도입은 좀더 효율적으로 많은 오염물질을 격리하는데 기여하여 많은 환경실험실에서 선호도가 증가하고 있다. 더욱이 이러한 접근방법은 추출절차가 더욱 더 간단해 짐에 따라 자동화 측면에서 상당한 유용성을 주고 있다. 음용수중의 반휘발성 유기물 분석에 대해 원래 액/액 추출법을 요구하던 미국 EPA method 525 방법도 고체상추출법을 포함하도록 수정되었다.

5. 교반막대 수착 추출법(SPME: Solid Phase Micro Extraction)

교반막대 표면을 Polydimethylsiloxane(PDMS) 50~300μl로 코팅하여 액체시료 중의 유기성분을 흡수한 뒤 열탈착시스템으로 열탈착하여 GC로 주입한다. Gerstel사의 SBSE(Stir Bar Sorptive Extraction)는 이전의 교반 막대 추출법보다 1000배 이상 감도가 개선되었다. 즉 옥탄올/물 분배평형 상수인 K(o/w)값이 500 이상인 성분에 대해서는 100%회수가 가능할 정도로 감도가 우수하다.

[이상민]

좋은 게시물이네요. 스크랩 해갈게요~^^