A Study of Analytical Method for Ethylene and Low Weight Hydrocarbons (LWHC) using Thermal Desorption and Gas Chromatography-Flame Ionization Detector with (TD-GC-FID)

2. 1 Ethylene 시료준비 및 조제방법

2. 1. 1 농도별 기체상 표준시료

본 연구에서는 Ethylene (EL) 및 LWHC의 분석방법에 대한 검량정보와 정도관리 (Quality Assurance/ Quality control: QA/QC) 자료를 확보하기 위해, 표 1에 제시한 바와 같이 EL과 동시에 참고성분으로 Methane (MA), Ethane (EA), Propane (PA), Propylene (PL), n-Butane (BA), Acetylene (AL), Methyl acetylene (ML)을 포함하는 다양한 LWHC들을 동시에 포함하는 표준시료를 구매하였다(23470-U, Supelco, Korea). EL과 기타 비교 성분들을 포함한 원표준시료로부터 검량자료를 확보하기 위하여, 다음과 같이 작업용 표준시료 (working standard: WS)를 희석조제하였다. 원 표준시료는 Polyester aluminum bag (PEA bag; TOP Trading Eng., Korea)을 이용하여 초고순도 질소(N₂, 99.999% 이상)로 희석하는 방식으로 검량분석할 WS 를 두 가지 주입방법의 농도대 기준으로 조제하였다.

Table 1.

Information of the eight target compounds investigated in this study.

우선 LT/TD방식으로 분석할 저농도대 (10 ppb)를 포함하는 시료를 다음과 같이 10, 100, 1,000 ppb의 3가지 농도대로 조제하였다(표 2). 또한, MITD방식으로 분석할 상대적으로 고농도 중심의 작업용 표준시료를 100, 200, 500, 1,000 ppb의 4가지 농도대로 준비 하였다(표 3). 표 1에는 이들 표준시료의 분석을 통해 확보한 기본적인 정도관리 변수(검출한계(MDL), 재현성(relative standard error: RSE))정보를 추가로 제시 하였다.

Table 2.

Information of fruit samples used to determine the flux of LWHC.

Table 3.

Information of TD/GC/FID system for the operation LWHC of analysis(a) Laboratory condition

(b) Operational conditions of TD/GC/FID system

2. 1. 2 환경 시료

기체상 표준시료를 통해 EL을 포함 총 7가지의 LWHC들에 대한 외부검량(external Calibration) 자료를 확보하였다. 환경시료로부터 에틸렌의 분석자료를 도출하기 위하여, 네 가지의 과일을 이용하여 과일의 부위별로 다음과 같이 총 7가지의 다양한 시료들을 확보하였다: (1) 사과 껍질, (2) 사과 알맹이, (3) 부패한 사과, (4) 딸기, (5) 키위 껍질, (6) 키위 알맹이, (7) 토마토, 이들 시료별로 무게가 10.0~10.9 g으로 준비하였다. 사과와 키위의 경우, 껍질을 제거한 후 껍질과 알맹이로 나누어 측정하였다. 나머지 시료들은 껍질을 제거하지 않고 원상태 그대로 시료로 사용하였다. 각각의 시료들에 대한 약식 코드 및 무게 등에 대한 자세한 정보를 표 4에 제시하였다.

확보한 과일 시료들은 임핀저를 변형한 소형동적챔버 (Mini-dynamic flux chamner)방식을 적용하여, LWHC의 flux를 정량할 수 있는 시료채취용 platform으로 활용하였다 (그림 1). 약 750 mL 부피용량의 임핀저 안에 준비한 개별시료를 넣고 전단에 고순도 공기 실린더와 후단에 1 L PEA bag을 연결해 주었다. 고순도 공기를 일정한 유속(50mL∙min^-1)으로 임핀저에 주입한 후, 그 내부로부터 흘러나오는 시료를 다음과 같은 주기로 채취하였다(그림 1). 이때 sweep용으로 흘려주는 gas는 처음 5분간 bypass를 시킨 후, 20분간 1L의 시료를 채취하였다.

Fig. 1.

Illustration of a mini-flux chamber system made of an impinger system.1. Ultra pure air (99.999%) 2. N2 flow regulator 3. Impinger bottle 4. Glass tubing with a bubbler tip to evenly distribute the diluent gas 5. Fruit samples 6. 1 L polyester aluminum bag (Collect gas samples from food samples)

Fig. 2.

Illustration of the thermal desorption analysis for gaseous standard sample of ethylene and LWHC using LT/TD and MITD method.(1) Thermal desorber (Unity, Markes, UK) (2) Air server (UNITY, Markes, UK) (3) Mini-Vacuum pump (4) Transfer line (5) Link tube (6) Silicone tube (7) Quartz trap (8) Gaseous standard sample in polyester aluminum bag (1 L) (9) N2 gas in polyester aluminum bag for back-up (1 L) (10) 10 mL syringe for sample gas

Table 4.

Calibration of LWHC gaseous working standard using LT/TDa method.

2. 2 Ethylene의 분석 방법

본 연구에서는 기체상 EL을 분석하기 위해, Gas Chromatography (GC)-Flame Ionization Detector (FID)분석 장비를 사용하였다. 저농도 시료의 분석에 용이한 Thermal Desorption (TD)에 시료 주입 시, 여러 조건을 추가할 수 있는 LT를 연계하는 방법으로 시료의 저온농축을 진행하였다(그림 2). TD 내부에 저온 농축관(Cold Trap)은 EL을 잘 흡착할 수 있도록 Carbopack B와 Carboxen 1000을 2 : 3 부피 비로 혼합하였다. Cold Trap의 온도는 -15^oC를 유지하였다. 저온농축을 유도한 후, Cold Trap은 다시 250^oC로 5분간 열탈착하여 시료를 GC로 이동하였다. 이때, TD에서 시료를 GC로 옮길 때 Splitless 상태로 설정하였다. 그리고 Carrier gas로 고순도 N₂ (99.999%)를 사용하였다. EL을 포함한 LWHC들은 일반적인 VOC(예를 들어, BTX)와 같이 보편적인 FID분석방식으로 Column에 의한 분리가 어렵다는 점을 감안하여, 저분자성분의 분리에 특화한 Plot column (diameter: 0.32 mm, Length: 50 m, film thickness: 5mm)을 사용하였다. CG 의 Oven은 40^oC로 1분, 20^oC min-1으로 190^oC까지 승온 후 1.5분을 유지하는 방식으로, 총 10분의 분석 주기로 설정하였다. Column을 통과한 시료는 최종적으로 FID로 검출이 이루어졌다(표 5).

표준시료를 주입하여 검량자료를 확보하는 부분은 앞서 언급한 바와 같이 두 가지 방법을 적용하였다. 첫 번째 방법은 LT/TD방식으로 MFC (Mass Flow controller)를 이용하여 일정한 양의 표준시료를 LT로 바로 주입하여 TD로 통과시킨다. 이러한 분석기술은 기본적으로 TD에 곧바로 시료의 저온농축을 유도하여, ST채취화 같은 단계를 거치지 않고 GC로 분석하는 방법이다. 두 번째 방법은 MITD방식에 기반을 둔 변형주입방법으로 LT/TD방식과 달리 Back up gas(N₂, 99.999%)를 흘려주는 조건에서 소량의 고농도시료를 LT의 연결 선상에 주사기를 이용하여 직접 주사 주입하는 방식이다. 주사기를 이용하여 10 mL 이하의 시료를 LT 상으로 직접 주사한 후 이를 TD로 통과시켜 저온농축을 유도하여 분석에 적용한다. 이와 같이 LT/TD방식에 기반을 둔 분석법은 비교적 저농도 시료를 대량으로 TD분석할 때, 그리고 이에 반해 MITD방식은 상대적으로 고농도의 시료를 소량으로 분석할 때 용이한 방법이다.

Table 5.

Calibration of LWHC gaseous working standard using MITDa method.

3. 1 분석 결과 비교

본 연구는 두 가지 시료 주입 방법으로 넓은 농도 범위대에서 존재하는 EL을 안정적으로 분석하기 위해 (1) LT/TD방식은 최대 1,000배 차이의 농도범위대(0.57~572 ng: 표 2) 그리고 (2) MITD방식은 최대 100배 차이의 농도범위대(0.11~11.4 ng: 표 3)로 표준시료를 조제하여 검량하였다. 그리고 이를 통해, 여러 농도대의 감응계수 (Response Factor: RF)와 직선성 결정계수(Coefficient of determination: R²)값을 산출하였다(표 6). 본 연구의 대표성분인 EL을 중심으로 결과를 살펴보면, LT/TD방식의 3가지 농도대(10, 100, 1000 ppb)에서 EL의 RF는 11.62, 11.18, 11.29로 비슷한 값이 나타나는 것을 확인하였다, 그리고 R²은 0.9935, 0.9904, 0.9921으로 높은 재현성을 확인하였다. MITD방식의 4가지 농도대 (100, 200, 500, 1000ppb)에서 EL은 RF는 8.835, 10.27, 10.82, 11.24로 나타났다. 결과적으로 가장 낮은 100 ppb 표준시료를 제외한 나머지 표준시료로 도출한 결과값은 거의 일치한다는 것을 확인하였다. R²도 0.9950, 0.9915, 0.9903, 0.9933으로 높은 재현성을 확인하였다. LT/TD방식과 MITD방식 모두에 대한 EL의 RF값을 비교해 보면 평균 10.57 (±0.95)로 나타났다. 이를 고려하면, LT/TD방식과 MITD방식의 검량결과에서 감도의 상대적 차이가 미미한 수준인 것을 확인할 수 있다(그림 3).

Fig. 3.

Comparison of calibration results derived from various standards between LT/TD and MITD method.

EL과 같이 분석한 LWHC들의 검량결과도 R²가 0.9877~1.0000 수준으로 안정적인 경향을 보였다. 두 가지 분석방법의 RF를 성분 별로 취합하여 함께 비교해보았을 때, 성분 간 그리고 분석방법 간에 상당히 높은 유사성을 확인할 수 있다. 두 가지 방법의 RF값의 평균은 10.28 (±0.86) (EA), 11.24 (±0.80) (PA), 11.94 (±0.63) (PL), 11.06 (±0.42) (BA), 12.73 (±0.92) (AL), 11.52 (±0.49) (ML)으로 나타났다.

Fig. 4.

Comparison of calibration results from 10 ppb standards by LT/TD method.

LT/TD방식으로 10 ppb의 표준시료를 분석시 시료의 주입부피를 늘려가며 직선성의 한계점(또는 파과 발생여부)를 파악하기 위해 주입 부피를 1,000과 3,000 mL로 추가시험을 진행하였다. 그림 4에 제시한 바와 같이 전체 조사대상 성분 중에서 Ehylene은 3,000 mL (34.3 ng), Acetylene은 1,000 mL (10.9 ng)에서부터 직선성이 벗어나는 경향을 확인하였다. 그리고 Methane은 본 연구의 분석 방식으로 검출할 수 없어 결과값을 제외하였다.

Table 6.

Comparison of calibration results of LWHC between LT/TD and MITD method (comparison of response factor and coefficient of determination).

3. 2 환경시료 결과값 분석

본 연구에서 확보한 열탈착분석에 기반을 둔 LT/TD방식을 적용하여 과일과 같은 환경시료를 이용한 분석기법의 실질적인 검정을 시도하였다. 따라서 본 분석방식으로 과일시료에서 발생하는 EL을 포함 총 7가지 LWHC의 발생경향을 분석하였다(표 7). 특히 사과의 경우, 시료의 부위 및 상태변화에 따른 방출 성분의 경향성을 파악하기 위해, 사과 껍질, 사과 알맹이, 부패한 사과의 상태로 세 가지 시료를 준비하였다. 시료에서 방출하는 성분들의 농도는 유량(F), 시료 중 대상성분의 농도(C), 시료의 무게(M) 등을 동시에 고려하여, flux (F)=C∙(Q/M)로 제시하였다 (Kim et al., 2012). 그리고 표 7에는 flux 값의 계산 전 단계에 구한 유속(50 mL∙min^-1)로 채취한 시료 중의 농도도 ppb 기준으로 비교할 수 있게 동시에 제시하였다.

EL은 AP-1, A-1, KP-1, T-1에서 20.5 ng∙g^-1∙hr^-1 이상으로 상대적으로 많은 양이 방출한 것으로 나타났다. 반면, DA-1와 K-1에서는 1.32 ng∙g^-1∙hr^-1 이하로 적은 양을 방출하였으며, S-1에서는 검출한계 이하로 나타났다. 준비한 시료의 모든 껍질과일에서는 EL이 모두 방출한다는 것을 확인하였다. 그리고 시료 DA-1, KP-1, K-1, T-1에서 추가로 Ethane이 1.81, 1.45, 1.83, 1.25 ng∙g^-1∙hr^-1으로 방출하였다. 특히 K-1에선 PA, BA, AL, ML들이 각각 0.64, 0.54, 0.14, 3.68 ng∙g^-1∙hr^-1으로 검출하였다.

사과에서는 AP-1, A-1, DA-1 순으로 EL이 방출하는 것을 확인하였다. 사과의 알맹이보다 껍질에서 많이 방출하였던 것과 유사하다. 부패한 시료의 경우 즉, 노화가 많이 진행한 상태에서는 현저히 낮은 수지 (1.32 ng∙g^-1∙hr^-1)의 결과로 확인하였다. AP-1, A-1와 DA-1에서 100배 이상의 차이가 나는 것은 사과를 깎을 때 일시적으로 상당히 많은 EL의 방출 가능성을 유추할 수 있다. 본 연구에서 분석할 결과를 단순히 농도 기준으로 비교해 보면, 에틸렌을 제외한 기타 성분들은 환경대기 중에서 나타나는 수준과 유사하다. 참고로 서울 북동 지역에서 1998년 8월부터 1999년 7월까지 환경대기 중에서 채취한 시료를 GCFID방식으로 분석한 결과, 평균 3.8 (EA), 5.9 (EL), 7.8 (PA), 1.8 (PL), 3.4 (BA), 3.4 ppb (AL)으로 나타났다(Na and Kim, 2001). 그러나 에틸렌의 경우 관측이 이루어지는 경우, 일반적인 대기환경보다 상당히 높은 수준이란 것을 알 수 있다. 그리고 다른 연구에서는 GC-FID를 사용하여 단감 100 g에서 1시간 동안 방출한 시료(1 L)를 확보한 결과, 5 ppb 수준의 EL을 검출 하였다(Park and Lee, 2006). 또 다른 과실인 멜론 100g에서 1시간 동안 방출한 시료 1L에 최대 1.3 ppm까지 방출한 것을 GC- FID 방식으로 확인한 바 있다.

Table 7.

Concentration of ethylene and other LWHC measured from various fruit samples.(a) Concentration (ppb): samples collected at a flow rate of 50mL∙min-1

(b) Flux (ng∙g-1∙hr-1)