GC-OTC/FID에서 Dead Time 결정을 위한 새로운 방법 개발에 대한 연구

본 연구에 사용된 시약은 Methanol, Ethanol, Isopropanol, Dimethyl sulfoxide (DMDO) 및 CH₄를 사용하였다. Methanol은 Junsei (순도 99.8%, 비중 0.791), Ethanol은 J. T Baker (순도 99.9%, 비중 0.789), Isopropanol은 J. T Baker (순도 99.84%, 비중 0.78), DMSO는 Junsei (순도 99.0%, 비중 1.101), CH₄는 유기물질 등의 혐기성 소화과정에서 발생되는 혼합 가스(CH₄; H₂S=6;4)를 사용하였다. 주 대상 분석 물질은 Methanol이며, Ethanol, Isopropanol은 시험에 간섭 물질로 사용하였다. CH₄는 t_O를 얻기 위한 비교 reference 물질로 사용하였다.

Gas chromatograph; Thermo Finnigan Trace GC attached auto sampler & FID

Column; HP-5 (5% diphenyl-95% dimethyl polysiloxane), OTC (open tubular column), length 50 m, i.d 0.32 mm, film thickness 0.25 µm

Temperature; Injector 200 °C, Column 45 °C, 4 min, 15 °C/min to 180 °C (gradient), Detector 250 °C

Flow rate; N₂ 30 ml/min (column 2 ml/min, make-up 28 ml/min), H₂ 35 ml/min, Air 350 ml/min

Injection volume; 2 µl

Methanol의 표준 용액은 작업환경 공기 중의 노출 기준(TLV 및 STEL)을 고려하여 공기 10 L를 채취하였을 때의 0.1~2배 범위 중 약 1배의 농도로 조제하였다. Methanol, Ethanol, Isopropanol의 양은 실험의 용이성을 고려하여 각 1 µl를 DMSO 1 ml가 들어있는 2 ml vial에 넣고 고무마개를 한 후 알루미늄으로 캡핑(Capping)을 하여 실험 중 5 °C 냉장고에 보관하면서 사용하였다. CH₄는 혐기성 가스가 발생되는 현장에서 1 L Polyester Aluminum bag에 받아 이 중에 1 ml를 주사기로 뽑아 1 ml DMSO가 들어있는 Capping된 2 ml 바이알에 넣어 용해하였다.

본 연구에서는 일반적으로 비극성이나 약한 극성의 용매류의 분리 정량에 많이 사용되는 정지상인 HP-5 (5% diphenyl-95% dimethyl polysiloxane)가 결합된 OTC (Open tubular column) 컬럼을 사용 시 머무름 시간이 극성인 알코올류와 중첩 가능성이 높은 CS₂나 CS₂와 보조 용매를 사용하지 않고, 알코올류와 완전 분리되어 용출되는 강력한 용해력을 가진 DMSO를 사용하였다. 또한 알코올 표준용액을 사용하여 동일 조건하에서 반복성(Repeatability; 6회) 시험을 통해 상대표준편차가 기준(1~2%)¹⁵을 만족하는지를 확인하였다.

Chromatography에서 t_O를 결정하기 위하여 분석 물질의 앞에 용출되는 Ghost peak (HPLC)나 Marker (Table 1) 그리고 용매 피크에 대해 직접적으로 t_O을 결정할 수 있지만 분석 물질 뒤에 용출되는 용매를 사용 시는 t_R', k', α 계산을 위한 t_O의 결정이 더욱 어렵다. GC에서 t_O를 구하기 위해 직접적 방법과 간접적 방법이 있으나 실제로 정지상에 머무르지 않는 물질은 없기 때문에 간접적 방법이 요구되었다.¹⁶ 그러나, t_O를 구하기 위한 간단하고 정확한 방법은 없다. 따라서 실험적 응용을 위하여 제시된 대부분의 방법들이 사용될 수 있다. t_O를 구하기 위하여 본 연구에서는 용매인 DMSO의 머무름 시간을 사용하여 기준 시간(Reference time)을 설정하기 위해 DMSO의 머무름 시간을 상용로그 함수로 간단히 수식 변환을 하였다{f(x)=log t_R(DMSO)→t_O}. 상용대수화한 방법의 타당성을 확인하기 위하여 일반적으로 FID에 많이 사용된 CH₄의 t_R과 DMSO의 t_R을 자연로그로 전환한 값{ln t_R(DMSO)}과 비교하여 타당성을 확인하였다. 또한 분석 조건의 변화(완건성 실험; 이동상 흐름 속도와 컬럼온도)에 따라 상용로그 함수로 변환한 t_O값의 변화를 확인하였다. 이들 데이터를 사용하여 각 물질의 t_R', k' 및 α를 비교하였다.

연구 대상 및 방법 부분에 기재된 기기분석 조건으로 각 표준용액을 분석하였다. 이들의 크로마토그램은 Fig. 1, Fig. 2와 같다. 분석 결과 CH₄, Methanol, Ethanol, Isopropanol을 동시에 분석하였을 때와 CH₄만을 분석하였을 때의 CH₄의 t_R은 차이가 없었다. Fig. 1의 크로마토그램을 동일 조건하에서 3회 분석한 결과는 Table 2에 보여진다. 3회 분석한 평균 머무름 시간은 CH₄ 3.251, Methanol 3.548, Ethanol 3.892, Isopropanol 4.212, DMSO 9.551분이었다.

Figures1.

Chromatogram of CH₄, methanol, ethanol, isopropanol and DMSO.

Figures2.

Chromatogram of CH₄, and DMSO

본 분석 방법의 검증(Validation)을 확인하기 위한 항목인 반복성 실험을 위해 알코올 표준용액을 사용하여 동일한 분석 조건으로 6회 반복성 실험을 하였다. 그 결과는 Table 3에 보여진다. 반복성 실험에 의한 상대 표준편차는 MeOH 0.28%, EtOH 0.1%, IPA 0.1%, DMSO 0.07%로 기준(1~2%)¹⁵을 만족하였다. 또한 반복성 실험에서 얻을 수 있는 표준편차의 4배(4σ_n-1=w_b)는 기준선 폭(w_b; width of baseline)으로 크로마토그래피의 다른 항목인 이론단수{n; number of theoretical plates, n=16(t_R/W_b)²} 및 분리능{Rs; resolution, Rs=2(t_R2-t_R1)/(W_b1+W_b2)}을 계산하기 위하여 사용된다.

GC의 FID를 사용 시 CH₄는 유일한 신호(Signal)를 보이므로 t_O 결정을 위한 Marker로 많은 논문서 사용하였지만 이동상의 흐름 속도나 온도의 변화에 유사한 약점을 보이므로 사용에 조심을 기하여야 한다. 주어진 동일한 조건으로 t_O를 구하기 위해 직접법이나 간접법이 사용되지만 모든 방법이 같은 값을 산출하지는 않는다. 직접적인 방법으로 t_O를 구하기 위해 CH₄를 사용하지만 실제로 정지상에 머무르는 물질은 거의 없으므로 이 값도 의심스럽다.¹⁷ 그러나 본 연구에서도 비교물질로 CH₄를 사용하였다. CH₄의 t_R인 3.251분을 t_O로 설정하여 각 알코올의 용량 인자(k'=t_R'/t_O)를 계산 시 MeOH 0.091, EtOH 0.197, IPA 0.296로 k'의 일반기준인 1<k'<10¹² 또는 2<k'<8¹⁸을 만족하지 못하였다.

DMSO의 t_R을 자연로그화한 ln t_R(DMSO)을 t_O=2.256로 했을 때도 MeOH 0.572, EtOH 0.725, IPA 0.867로 k'의 일반기준인 1<k'<10을 만족하지 못하였다. 그러나 본 연구에서 제시한 log t_R(DMSO)로 계산된 log 9.551=0.980 min를 이용하여 계산된 k'값은 MeOH 2.620, EtOH 2.971, IPA 3.298로 k'의 일반기준인 1<k'<10을 만족하였다. 따라서 적합한 t_O가 결정되어야 그에 연관된 k' 값도 적합한 수준을 줄 수 있다. 따라서 본 시스템과 같이 분리 물질보다 용매가 뒤에서 용출되는 계에서 t_O를 구하기 위하여 CH₄의 t_R이나 ln t_R(DMSO)를 적용하는 것보다 log t_R(DMSO)를 적용하는 것이 더 적합하다고 사료된다. 또한 분리 인자(α)는 이웃한 두 크로마토그램의 상대적 머무름 비로 적합한 t_R'이나 k'로 계산되어야 한다. α의 일반적 적합한 범위는 1<α<2이다. 그 결과는 Table 4에 보여진다.

분리 물질의 t_R도 분석 조건의 변화에 따라 조금씩 변하고 이에 따라 k'값도 변한다 그러나 변화된 각 조건에서의 t_O를 보정함으로써 t_R'과 k'의 변화 폭을 줄일 수 있어 변화된 조건에서의 객관적 비교가 가능하다. 이동상 흐름 속도를 1.5→2.0→2.5 ml/min로 변화 시 MeOH에 대하여 t_O를 보정 안 했을 때 t_R의 변화 폭이 4.253→3.547→3.100으로 1.153 변화하였으나 t_O (1.018→0.982→0.956) 보정 시 t_R'이 3.235→2.565→2.144로 1.091로 변화 폭이 0.062 (1.153-1.091 = 0.062) 줄었다. EtOH에서는 2.219 (4.620-3.383)에서 1.175 (3.602-2.427)로 1.044 줄었고, IPA에서는 1.302 (4.970-3.668)에서 1.24 (3.952-2.712)로 0.062가 줄었다. 따라서 이 비율만큼 k'도 조정이 된다. 이 결과는 Table 5에 보여 진다.

컬럼 온도를 35→45→55→65 °C로 변화 시 MeOH은 t_R이 0.285 (3.672-3.390)에서 t_R'이 0.163 (2.658-2.495)로 0.122가 조정되고, EtOH은 t_R이 0.545 (4.118-3.573)에서 t_R'이 0.428 (3.104-2.676)로 0.117이 조정되고, IPA는 t_R이 0.763 (4.545-3.782)에서 t_R'이 0.676 (3.531-2.855)로 0.087이 조정되었다. 따라서 컬럼 온도 변화에 따른 k'변화는 MeOH에서 2.621 → 2.612 → 2.675 → 2.779, EtOH에서는 3.061 → 2.942 → 2.930 → 2.983, IPA에서는 3.482 → 3.270 → 3.186 → 3.182로 변화 폭이 매우 미미하여 분석 조건의 변화에 따른 k'을 비교하기가 가능하였다. 특히 흐름 속도 변화보다 컬럼 온도 변화에 대해 안정적이었다. 이 결과는 Table 6에 보여 진다.