SPME 및 GC/MS를 이용한 물에 함유된 휘발성 유기화합물(VOC)의 향상된 측정: ISO 표준 17943

Frank Michel¹, Yong Chen², Robert Shirey²

¹Sigma-Aldrich (part of Merck KGaA, Darmstadt, Germany), Taufkirchen, Germany, ²MilliporeSigma, Bellefonte PA, USA

Analytix Reporter 3호에 실린 기사

휘발성 유기화합물에 대한 물 분석은 그 화합물의 독성 때문에 중요합니다. 휘발성 유기화합물 측정에 대한 현재의 방법은 민감도, 선택성 또는 자동화 능력이 부족합니다. 이 연구에서는 고체상 미세추출법(SPME) 및 GC/MS를 이용한 새로운 ISO 17943 표준을 제시합니다. SPME에 의한 시료 조제를 통해 검출한계를 낮추고 전체 과정을 손쉽게 자동화할 수 있습니다. GC/MS는 필요한 민감도와 선택성을 제공합니다. 이 ISO 표준은 실험실간 시험으로 검증되었으며, 이 방법의 뛰어난 성능이 확인되었습니다.

서론

휘발성 유기화합물(VOC)은 식물의 냄새처럼 자연적인 공급원에서 발생할 수 있습니다. 그러나 많은 양의 VOC는 그 근원이 인위적입니다. 폴리머, 접착제, 페인트 석유 제품 또는 약은 물론이고 일상 생활에서 사용되는 제품에서 또는 그런 제품을 제조하는 과정에서 VOC가 배출되기 때문입니다. VOC는 일반적으로 휘발유의 첨가물 또는 용매 및 유압액 또는 드라이 클리닝에 사용됩니다. 많은 VOC가 독성이 있거나 인간 발암물질로 알려져 있거나 의심되고 있기 때문에 수자원의 오염은 전 세계적으로 인간의 건강 문제에 심각한 영향을 미칩니다.

그림 1. 수성 시료에 담가진 SPME 섬유 홀더 및 섬유

이 때문에 음용수, 지하수 또는 지표수 내 VOC 양을 제한 및 통제하는 국제적 규제가 많이 확립되었습니다. 그런 규제의 예로, 미국의 식수안전법(SDWA)¹이 있으며 캐나다에는 건강 문제에 기반한 VOC 목록을 포함한 음용수에 대한 국가 표준을 확립한 해당 법이 있습니다. 또 다른 예로는 개별 휘발성 유기물질에 대한 값을 규제하는 음용수 수질에 관한 유럽이사회 지침 98/83/EC가 있습니다.² 지침 200/60/EC³ 16조의 EU 물관리기본지침(WFD)에는 "수질오염에 대한 전략"이 기술되어 있습니다.

지침 2008/105/EC(EQS 지침)⁴에 따르면 단일 VOC에 대한 환경품질표준(EQS) 값은 0.4 - 20 μg/L 범위에 있어야 합니다. WFD(품질요소모니터링표준)의 부록 V에서는 가능한 경우 수질 분석에 대해 ISO 및 CEN 표준 사용을 요구합니다.

물에 함유된 VOC를 측정하는 기존의 ISO 및 CEN 표준은 더 이상 최신 기술이 아닙니다. ISO 10301⁵은 액체/액체추출법(LLE)을 기체 크로마토그래피(GC) 및 불꽃이온화검출(FID) 또는 전자포착검출(ECD)을 이용한 검출과 조합하여 사용합니다. ISO 11423⁶은 GC/FID 또는 GC/ECD와 조합하여 헤드스페이스(HS) 샘플링을 이용합니다. 특정한 관련 VOC에 대해서는, 검출기의 감도나 선택성이 충분하지 않으므로 이러한 ISO 표준으로는 필요한 검출한계를 얻을 수 없습니다.

ISO 15680⁷은 더 나은 감도와 검출한계 결과를 보여주는 퍼지 앤 트랩 강화 및 기체 크로마토그래피-질량분석법(GC-MS) 분석을 이용한 대안을 제시합니다. 퍼지 앤 트랩 방법의 불리한 점은 트랩의 감수성이 오염된다는 것과 자동화를 달성하기가 더 어렵다는 것입니다.⁸

HS-SPME 및 GC/MS를 이용하여 물에 함유된 VOC를 측정하는 향상된 방법: ISO 표준 17943

고체상 미세추출법(SPME)을 GC-MS와 함께 사용하는 것은 물에 함유된 VOC 측정을 위한 매력적인 대안입니다. SPME는 1990년에 Janusz Pawliszyn이 개발하였습니다⁹(그림 1). 그 이후로 SPME는 환경, 제약 및 식품 분석에서 널리 사용되었고, SPME 개발 및 적용에 관한 출판물이 늘어난 것이 이를 입증하고 있습니다. 이 기술의 보급은 1993년 일반 GC 자동샘플러를 이용한 SPME 자동화로 인해 추가적으로 증가되었습니다. 물에서 VOC를 추출하기 위한 SPME의 활용은 몇몇 출판물에서 기술되었습니다.^10-12 이들 출판물에서 헤드스페이스 SPME(HS-SPME)는 물에 함유된 VOC를 측정하는데 있어 고전적인 방법에 대한 신뢰성있고 이점이 있는 대안이라고 입증되었습니다. 더욱이 SPME는 다른 공식적인 방법에서 성공적으로 많이 사용되어 왔습니다.^13-15

이로 인해, 물에 함유된 VOC에 대한 새로운 ISO 표준 17943이 개발되었습니다. 이 표준의 범위는 음용수, 지하수, 지표수, HS-SPME 및 GC-MS에 의해 처리된 폐수에 존재하는 할로겐화 탄화수소, 휘발유 첨가물(예: BTEX, MTBE 및 ETBE), 휘발성 방향족화합물, geosmin이나 2-methylisoborneol과 같은 냄새가 강한 물질 등 매우 다양한 계층에서 유래된 60개 이상의 VOC에 대한 측정입니다. 물론 검출한계는 매트릭스, 특정 화합물 및 적용된 질량분광기에 따라 달라지지만, ISO 17943에 있는 대부분의 화합물은 0.01 μg/L와 같거나 그 이상입니다. 표준화 연구에서 파생된 추가적인 검증 데이터는 개별 물질에 대해 0.01 μg/L - 100 μg/L 농도 범위 내에서 이 방법의 적용가능성을 보여줍니다.

새로운 ISO 표준 17943
검증에 대한 글로벌 실험실간 시험

이 새로운 ISO 표준 개발의 일환으로, 새로운 방법을 검증하기 위해 국제적인 실험실간 시험이 수행되었습니다.¹⁶ 각각의 실험실은 2가지 물 시료(하나는 지표수, 하나는 폐수)에서 61개 화합물의 농도를 측정해야 했습니다. 지표수 시료는 도시 및 공업지역(독일 Muelheim에 위치한 Ruhr강)에서 채취하였습니다. 도시 폐수 시료는 공장 방류수에서 채취하였습니다. 양쪽 시료 모두 안정화 전처리를 거쳤으며 시험에 참가하는 실험실에는 알리지 않은 농도로 지표수 0.02 – 0.80 μg/L(~ 50% < 0.10 g/L), 폐수 0.05 – 3.0 μg/L(~ 50% < 0.50 g/L)의 범위에서 소량첨가되었습니다. 실험실간 시험을 하는 실험실에서는 초안표준방법에서 규정된 절차를 엄격하게 따르며 2개의 각 시료로부터 4가지 독립적인 복제분석을 수행해야 했습니다. 모든 실험실에는 3개의 앰풀에 들어있는 보정용액 세트가 제공되었으며, 각 앰풀에는 methanol에 용해된 61개 VOC 인증표준물질이 들어 있었습니다. 이들 저장용액에는 개별 물질이 각각 100 µg/mL 농도로 들어 있었으며, 모든 절차를 보정하는 데 사용되는 해당 수성 다중성분 참조용액을 조제하는 데 사용하도록 하였습니다. 결과는 시료를 받고서 30일 이내에 전달되어야 했습니다.

Supelco^® Application Lab은 실험실간 시험에 참여한 실험실 중 한 곳이었습니다. 두 개의 물 시료는 toluene-d₈, benzene-d₆ 및 fluorobenzene을 이용하여 ISO 표준 17943(표 1 & 2, 그림 2) 초안에 따라 분석되었습니다. GC 분석을 위해 VOCOL^® 모세관 GC 칼럼이 사용되었으며, 이 중간극성 칼럼은 VOC 분석용으로 설계되어 휘발성이 높은 화합물에서 뛰어난 머무름과 용해도를 제공합니다. HS-SPME를 위해 DVB/CAR/PDMS 섬유가 사용되었으며, 대부분의 실험실간 시험 참여자들이 사용하였습니다. 소수의 실험실에서는 CAR/PDMS 섬유를 사용하였습니다.

ISO 표준 17943에 따라 Carboxen/PDMS(85 μm), DVB/Carboxen/PDMS(50/30 μm) 섬유 모두 사용 가능합니다.

표 1 HS-SPME 추출 조건

시료 부피:	10 mL
HS-바이알:	20 mL, salt 3 g 추가
SPME 섬유:	DVB/CAR/PDMS, 24게이지
배양 시간:	40°C에서 10분
추출 시간:	40°C에서 10분
자동샘플러:	CTC CombiPAL(바이알을 원형 동작으로 흔들어서 혼합, 속도: 250 rpm)
탈착/주입:	270°C에서 10분

표 2 GC/MS 분석 조건

GC:	Agilent® GC/MS
칼럼:	VOCOL, 60 m x 0.25 mm, 1.5 μm
운반 기체:	He
유속:	1 mL/분
주입:	비분할, SPME 라이너 w/ 0,75 mm ID
오븐 프로그램:	35°C에서 1분, 150°C까지 10°C/분, 250°C까지 20°C/분, 20분
시료:	물 및 세 가지 내부표준에 함유된 61 VOC, 1 ppm

화합물 이름	반응시간(분)
Vinyl chloride	5.8
Ethene, 1,1-dichloro-	8.077
Methylene chloride	8.743
MTBE	8.819
Ethylene, 1, 2-dichloro-, (E)-	9.113
Ethane, 1,1-dichloro-	9.667
ETBE	9.834
Propane, 2,2-dichloro-	10.365
Ethylene, 1,2-dichloro-, (Z)-	10.46
Trichloromethane	10.649
Methane, bromochloro-	10.927
Ethane, 1,1, 1-trichloro-	11.166
TAME	11.339
1-Propene, 1,1-dichloro-	11.344
Carbon Tetrachloride	11.533
Ethane, 1, 2-dichloro-	11. 7
Benzene	11.761
Trichloroethylene	12.491
Propane,  1,2-dichloro-	12.722
Methane, bromodichloro-	13.073
Methane, dibromo-	13.21
1 -Propene, 1, 3 - dichloro -,  (Z)-	13.671
Toluene	14.119
1-Propene,  1, 3-dichloro -,  (E)-	14.267
2-ethyl-4-methyl-1,3-dioxolane	14.311
Ethane, 1,1, 2-trichloro-	14.52
Propane, 1,3-dichloro-	14.817
Tetrachloroethylene	14.946
Methane, dibromochloro-	15.277
Ethane, 1, 2-dibromo-	15.527
Ethylbenzene	15.945

화합물 이름	반응시간(분)
Benzene, chloro-	15.97 5
1,1,1-2- tetrachloroethane	15.983
p-Xylene	16.573
o-Xylene	16.573
Styrene	16.619
2-ethyl- 5,5-Dimethyl -1,3-dioxane	16.69 5
Cumene	16. 933
Bromoform	17.162
1,1,2,2,-tetrachloroethane	17.175
1,2,3-trichloropropane	17.346
Benzene, propyl-	17.386
Pseudocumene	17. 544
Bromobenzene	17.596
2-chlorotoluene	17.688
4-chlorotoluene	17.688
tert -butylbenzene	17.966
Mesitylene	18.015
sec-butylbenzene	18.173
p-cymene	18.32
Benzene, 1,3- dichloro-	18. 577
Benzene, 1,4- dichloro-	18.698
Benzene, butyl-	18.807
Benzene, 1, 2-dichloro-	19.17
DBCP	20.145
2-methylisoborneol	21.087
1,2,4-trichloro-Benzene	21.257
Hexachlorobutadiene	21.386
Naphthalene	21.773
Benzene, 1,3,5-trichloro-	22.113
Geosmin	26.07 4

그림 2. Agilent^® GC/MS에 VOCOL^® GC 칼럼을 이용한 HS-SPME 후 물에 함유된 61개 VOC의 크로마토그램

실험실간 시험의 평가

이 실험실간 시험을 위해 등록된 전 세계 40개 이상의 실험실. 이 중에서 총 27개 실험실은 ISO 5725-2¹⁷에 따른 평가 과정을 포함한 결과를 보고했습니다. 9개 실험실은 아무 결과도 제출하지 않았습니다. 6개 실험실은 규정된 절차에서 현저히 벗어났기 때문에 평가에서 배제해야 했습니다. 일부 단일 결과는 특이값이었으므로 배제해야 했습니다.

61개의 모든 매개변수는 10개 실험실에서 분석되었으며, 거의 모든 매개변수는 9개 실험실에서 분석되었습니다. 달리 말하자면, 61개의 각 VOC는 20개 이상의 실험실에서 분석되어야 했다는 것이며, 이 사실은 통계적 평가를 위한 타당성있는 기반을 제공합니다. 데이터는 결과값(특이값 제외), 회수율(할당 값으로부터), 재현성(다른 실험실간 차이) 및 반복성(실험실 내 차이)의 전체 평균에 대해 분석되었습니다.

이러한 평가의 한 예로, 그림 3에서 2-chlorotoluene에 대해 보여줍니다. 이 화합물은 24개 실험실에서 얻은 결과로 평가할 수 있었습니다. 전체 평균 값(녹색 선)은 할당 값(보라색 선)에 매우 근접합니다. 24개 실험실 대부분은, 심지어 SPME를 처음 수행한 곳조차 할당 값에 매우 근접한 결과를 획득하였습니다. 화합물 90% 이상에 대한 회수율은 84 - 116%(지표수) 및 81 - 118%(폐수)였습니다. 재현성(실험실간 차이)은 화합물 90% 이상에서 31% 미만(지표수) 및 35% 미만(폐수)이었으며, 반복성(실험실간 차이)은 화합물 90% 이상에서 10% 미만(지표수) 및 8% 미만(폐수)이었습니다.

그림 3. 도표로 제시된 2-chlorotoluene의 예는 ISO 17943 검증에 대한 실험실간 시험 결과를 보여줍니다. 보라색 가로선은 할당 값, 녹색 가로선은 전체 평균입니다.

요약

실험실간 시험의 두드러진 결과는 물에 함유된 VOC 측정에서 GC/MS와 비교할 때 HS-SPME의 고성능, 신뢰성 및 재현성을 강조합니다. 새로운 ISO 17943은 민감도와 선택성에서 이 측정의 기존 공식 방법을 개선하였습니다. 또한 SPME의 완전 자동화 능력은 이 분석을 연중무휴로 운영하는 데 도움이 됩니다.

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