대기 중 카보닐 계열 성분의 분석기법의 연구: 포름알데하이드와 DNPH의 반응 특성을 중심으로 Some considerations for the determination of carbonyl compounds in air: Reaction characteristics of formaldehyde with 2.4-DNPH원문보기
독성과 자극성을 지닌 포름알데하이드와 아세트알데하이드 등을 위시한 카보닐계 성분들은 실내오염 및 악취의 주요 성분으로 지목되고 있다. 따라서 이들에 대한 정성, 정량적 분석방법을 이해하는 것은 실내오염 및 악취 등과 연계된 환경 문제를 규명하기 위한 가장 기초적인 출발점으로서의 의미를 지닌다. 본 연구에서는 HPLC/UV법에 기초하여 포름알데하이드와 관련된 환경분석학적 특징을 다각도에서 진단하였다. 이를 위해 실제 환경시료 중에서 이들을 분석하는 것과 유사한 조건으로 여러 가지 검출특성을 평가하였다. 표준용액 시료를 다양한 농도 대에서 반복 분석한 결과를 토대로 정밀도를 평가한 결과, 대체로 2% 내외의 양호한 수준의 상대표준오차를 확인하였다. 또한 포름알데하이드의 검출한계를 5 L의 대기시료로부터 채취한 것으로 가정하였을 때, 그 값은 0.5 ppb 수준으로 나타났다. 또한 장기간에 걸쳐 확보한 다수의 검량곡선 자료를 이용하여 검량선의 변이특성을 평가한 결과, 검량곡선의 기울기 값에 대한 상대표준오차가 3% 내외로 대단히 안정적인 조건을 유지하는 것으로 확인되었다. 실제 포름알데하이드와 2,4-DNPH의 용액상 반응을 평가한 결과, 평행에 도달하기 까지 비교적 긴 시간 (약 1시간 30분 정도)이 소요되는 것으로 나타났다. 적정수준의 포름알데하이드를 검출하기 위해서는 DNPH의 농도를 적정수준으로 유지하여 한다는 점도 확인 하였다. 예를 들어, 실내공기 규제 기준의 20배 수준의 포름알데하이드 (90 L 공기를 임핀저로 채취할 때, 흡습액 중에 $6ng/{\mu}L$ 수준의 농도)를 검출하기 위해서는 DNPH의 농도를 적정수준 (약 $160ng/{\mu}L$ 이상)으로 유지해야 하는 것으로 나타났다. 결과적으로 대기시료의 채취에 사용되는 카트리지 용출방식의 안정도에 대해서도 다양한의 평가가 필요한 것으로 사료된다.
독성과 자극성을 지닌 포름알데하이드와 아세트알데하이드 등을 위시한 카보닐계 성분들은 실내오염 및 악취의 주요 성분으로 지목되고 있다. 따라서 이들에 대한 정성, 정량적 분석방법을 이해하는 것은 실내오염 및 악취 등과 연계된 환경 문제를 규명하기 위한 가장 기초적인 출발점으로서의 의미를 지닌다. 본 연구에서는 HPLC/UV법에 기초하여 포름알데하이드와 관련된 환경분석학적 특징을 다각도에서 진단하였다. 이를 위해 실제 환경시료 중에서 이들을 분석하는 것과 유사한 조건으로 여러 가지 검출특성을 평가하였다. 표준용액 시료를 다양한 농도 대에서 반복 분석한 결과를 토대로 정밀도를 평가한 결과, 대체로 2% 내외의 양호한 수준의 상대표준오차를 확인하였다. 또한 포름알데하이드의 검출한계를 5 L의 대기시료로부터 채취한 것으로 가정하였을 때, 그 값은 0.5 ppb 수준으로 나타났다. 또한 장기간에 걸쳐 확보한 다수의 검량곡선 자료를 이용하여 검량선의 변이특성을 평가한 결과, 검량곡선의 기울기 값에 대한 상대표준오차가 3% 내외로 대단히 안정적인 조건을 유지하는 것으로 확인되었다. 실제 포름알데하이드와 2,4-DNPH의 용액상 반응을 평가한 결과, 평행에 도달하기 까지 비교적 긴 시간 (약 1시간 30분 정도)이 소요되는 것으로 나타났다. 적정수준의 포름알데하이드를 검출하기 위해서는 DNPH의 농도를 적정수준으로 유지하여 한다는 점도 확인 하였다. 예를 들어, 실내공기 규제 기준의 20배 수준의 포름알데하이드 (90 L 공기를 임핀저로 채취할 때, 흡습액 중에 $6ng/{\mu}L$ 수준의 농도)를 검출하기 위해서는 DNPH의 농도를 적정수준 (약 $160ng/{\mu}L$ 이상)으로 유지해야 하는 것으로 나타났다. 결과적으로 대기시료의 채취에 사용되는 카트리지 용출방식의 안정도에 대해서도 다양한의 평가가 필요한 것으로 사료된다.
A number of carbonyl compounds including formaldehyde and acetaldehyde are well known for their toxicity and irritancy. Hence, acquisition of both qualitative and quantitative tool for their analysis is essential to resolve issues associated with malodor or indoor pollution. Using HPLC/UV method, we...
A number of carbonyl compounds including formaldehyde and acetaldehyde are well known for their toxicity and irritancy. Hence, acquisition of both qualitative and quantitative tool for their analysis is essential to resolve issues associated with malodor or indoor pollution. Using HPLC/UV method, we examined various aspects involved in the measurements of formaldehyde in environmental samples. The results of our analysis indicated that its detection was made as low as 0.5 ppb (assuming 5 L of sample volume), while its precision was maintained near 2% in terms of relative standard error (RSE). When the stability of calibration was checked by variability of slope values obtained over long-term period (e.g., one month), its values were found to remain constantly with RSE values of 3%. It was also found that liquid-phase reaction between formaldehyde and DNPH proceed very slowly to attain equilibrium (one and half hour), while requiring adequate amount of DNPH to form their derivatives. The overall results of our study thus suggest that there are a number of factors to consider for the accurate analysis of formaldehyde in ambient air.
A number of carbonyl compounds including formaldehyde and acetaldehyde are well known for their toxicity and irritancy. Hence, acquisition of both qualitative and quantitative tool for their analysis is essential to resolve issues associated with malodor or indoor pollution. Using HPLC/UV method, we examined various aspects involved in the measurements of formaldehyde in environmental samples. The results of our analysis indicated that its detection was made as low as 0.5 ppb (assuming 5 L of sample volume), while its precision was maintained near 2% in terms of relative standard error (RSE). When the stability of calibration was checked by variability of slope values obtained over long-term period (e.g., one month), its values were found to remain constantly with RSE values of 3%. It was also found that liquid-phase reaction between formaldehyde and DNPH proceed very slowly to attain equilibrium (one and half hour), while requiring adequate amount of DNPH to form their derivatives. The overall results of our study thus suggest that there are a number of factors to consider for the accurate analysis of formaldehyde in ambient air.
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문제 정의
일반적으로 저분자량인 카보닐 계열의 성분들을 분리하기 위하여, 분리능과 정밀도가 뛰어난 HPLC와 UV 방법이 주로 권장되고 있다.10 본 연구에서도 HPLC/UV법 에 기초하여, 포름알데하이드의 분석 특성을 연구하고자 하였다. HPLC용 펌프는 이 중 헤드펌프(dual head pump)를 이용하여, 이동상의 압력 변화에 따른 노이즈(noise)를 최소화시켰다.
8 그러나, GC로 분석할 경우, carbonyl compounds를 DNPH로 유도체화할 경우의 부반응을 일으키는 문제점이 지적되었다.9 따라서 본문에서는 기존의 분석 방법 중 가장 보편적으로 활용되는 HPLC/UV 방법을 이용하여, 포름알데하이드에 대한 환경분석학적 연구를 하였다.
본 연구에서는 실내오염의 주성분 또는 주요 악취 유발성분인 포름알데하이드를 중심으로 카르보닐 계 성분들에 대한 정성, 정량적 분석방법을 비교 분석하고자 하였다. 이를 위해, 본 연구에서는 HPLC/UV법을 사용하여, 포름알데하이드의 환경분석학적 특징을 다각도에서 비교 진단하였다.
실제 대기 중 포름알데하이드의 채취와 분석에 관련된 검출과정의 화학반응적 특성을 규명하기 위해, 공정시험법 등에서 제시된 바와 같이 HPLC 분석 방법을 위주로 연구를 하였다. 이를 위해 실험실에서 제조한 DNPH 용액에 임핀저를 이용해 흡수시키는 방식을 위주로 실험하였다.
용액상의 formaldehyde와 2,4-DNPH의 평형반응을 시간의 함수로 평가하기 위한 실험을 시도하였다. 이를 위해, 별도의 formaldehyde 표준용액을 다음과 같이 준비하였다.
가설 설정
주요 알데하이드 성분들에 대한 DL값을 질량단위의 절대값(ng)으로 구한 결과는 Table 2에 제시된 바와 같다. 그리고 5L의 대기시료(20℃, 1atm)를 DNPH 카트리지로 채취하고 5mL의 acetonitrile 용액으로 이를 추출하였다고 가정하고, 시료의 부피를 감안한 DL값 (ppb 단위)도 동시에 제시하였다.(Table 2(B))
DNPH량의 적정수준을 평가하기 위해, 다음과 같은 추가적인 실험을 수행하였다. 일단 포름알데하이드의 실내 기준농도인 100ppb의 최대 20배 수준을 임의의 기준으로 설정하고, 이를 공정시험법에서 권장하는 바와 같이 임핀저 방식으로 채취하고 검출하는 조건으로 가정해 보았다. Formaldehyde 2000 ppbe 3.
제안 방법
9%) 용액 1L에 가하는 방식으로 제조하였다.11 본 논문에서는 포름알데하이드의 표준용액(formalin 용액(호리제약주식회사, formaldehyde 수용액 37%을 단계별로 희석하여, 1/10,000배인 37ng/μ1.수준의 formaldehyde 표준용액을 제조하여, DNPH와의 화합물 형성과정을 여러 각도로 분석하였다. 그리고 알데하이드 성분의 분석과 관련된 검출한계, 정밀도 등 기본적인 분석 특성을 비교하고 평가하였다.
HPLC 분석결과에서 noise와 peak가 구별되는 최소값(S/N=3)을 이용하여 검출한계치(detection limit: DL)를 구하였다(Table 2). 이를 위해 2004년 2월 12일부터 3월 17일까지 한달 여 기간 동안 측정한 자료로부터 최소 검출 수준의 농도를 정하고, 이들 자료로부터 구한 표준편차에 3배를 하여 DL값을 산출하였다.
9 또한 시료에 대한 선택성이 강하고, 기울기 용리의 적용이 가능한 특성을 가지고 있다. UV검출기(Lab Alliance, Model 500)는 빛의 파장을 흡수할 수 있는 발색단을 가져야 검출이 가능하기 때문에, 카보닐 계열 화합물들과 2,4-DNPH의 혼합물을 형성시킨 후, 이들 유도체의 감응도가 가장 뛰어난 360nm에서 검출하였다.
각 카보닐 성분들의 계측과 관련된 정밀도를 평가하기 위하여, Carbonyl-DNPH(MIX 1 Catalog NO. 47649- U, Supelco)의 원액(acetaldehyde-DNPH 1000μg/mL, acetone-DNPH 500μg/mL, acroleine-DNPH 500μg/mL, benzaldehyde-DNPH 500μg/mL, n-butyraldehyde-DNPH 500 μ g/mL, formaldehydes-DNPH 1500μg/mL, propionaldehyde-DNPH 500μg/mL 농도로 acetonitrile에 녹인 시약을 각각 75, 3000배 희석시킨 두 가지 희석배수의 작업용 표준시료를 각각 제조 사용하였다(Table 1). 편의상 이들은 각각 [A], [B]로 명명하였다.
수준의 formaldehyde 표준용액을 제조하여, DNPH와의 화합물 형성과정을 여러 각도로 분석하였다. 그리고 알데하이드 성분의 분석과 관련된 검출한계, 정밀도 등 기본적인 분석 특성을 비교하고 평가하였다.
이를 위해 실험실에서 제조한 DNPH 용액에 임핀저를 이용해 흡수시키는 방식을 위주로 실험하였다. 그리고 이와 동시에 실제로 대기질 분석에 가장 많이 사용되는 Lp-DNPH 카트리지를 이용한 분석도 보조적인 방식으로 비교분석에 활용하였다. DNPH 용액은 2,4-디니트로페닐하이드라존(Aldrich, 97%) 0.
52ppb 수준으로 나타났다. 또한 한달 간 확보한 검량 결과 자료들로부터 기울기 값의 변화 추이를 검정하는 방식으로 검량선의 안정도를 평가하였다. 그 결과, 상대표준오차가 4% 이하 수준으로, 검량곡선의 변화가 미미하다는 것을 확인하였다.
수준의 formaldehyde가 검출되는데 소요되는 시간적 변화 추이를 비교하였다. 실험당일인 2004-2-27에 확보한 검량곡선을 이용하여 농도를 산출하였다. Fig.
47649-U의 원액을 70배 희석한 것과 같은 농도 수준이다. 이 용액을 200 ng/μL의 2,4-DNPH 용액과 혼합시켜 줌으로서(formaldehyde 표준용액 : 2,4-DNPH용액 = 1 : 4), 최종적으로 7.4ng/μ1.수준의 formaldehyde가 검출되는데 소요되는 시간적 변화 추이를 비교하였다. 실험당일인 2004-2-27에 확보한 검량곡선을 이용하여 농도를 산출하였다.
이처럼 농도 차이가 40배 이상인 두 가지 용액 [A], [B]를 동일한 조건에서 3회 반복 분석하였다. 이러한 분석 결과로 상대 표준오차값(relative standard error: RSE)을 산출하므로서, 재현성을 평가하였다.
Table 4에는 DNPH용액과 formaldehyde의 표준용액을 혼합시켜, 양자의 유도체가 형성되는 과정을 DNPH 농도의 함수로 비교하였다. 이러한 비교를 위해 혼합용액에 포름알데하이드의 농도가 7.4ng/μL로 고정되는 조건을 유지시키되, DNPH의 농도는 20, 40, 80, 128, 160, 192, 224 mg/μL까지 7단계의 수준으로 변화되는 조건을 설정하였다. 그 결과 Fig.
HPLC 분석결과에서 noise와 peak가 구별되는 최소값(S/N=3)을 이용하여 검출한계치(detection limit: DL)를 구하였다(Table 2). 이를 위해 2004년 2월 12일부터 3월 17일까지 한달 여 기간 동안 측정한 자료로부터 최소 검출 수준의 농도를 정하고, 이들 자료로부터 구한 표준편차에 3배를 하여 DL값을 산출하였다. 주요 알데하이드 성분들에 대한 DL값을 질량단위의 절대값(ng)으로 구한 결과는 Table 2에 제시된 바와 같다.
실제 대기 중 포름알데하이드의 채취와 분석에 관련된 검출과정의 화학반응적 특성을 규명하기 위해, 공정시험법 등에서 제시된 바와 같이 HPLC 분석 방법을 위주로 연구를 하였다. 이를 위해 실험실에서 제조한 DNPH 용액에 임핀저를 이용해 흡수시키는 방식을 위주로 실험하였다. 그리고 이와 동시에 실제로 대기질 분석에 가장 많이 사용되는 Lp-DNPH 카트리지를 이용한 분석도 보조적인 방식으로 비교분석에 활용하였다.
본 연구에서는 실내오염의 주성분 또는 주요 악취 유발성분인 포름알데하이드를 중심으로 카르보닐 계 성분들에 대한 정성, 정량적 분석방법을 비교 분석하고자 하였다. 이를 위해, 본 연구에서는 HPLC/UV법을 사용하여, 포름알데하이드의 환경분석학적 특징을 다각도에서 비교 진단하였다. 정밀도는 표준용액 시료를 다양한 농도대에서 반복 분석한 자료로 평가한 결과, 대체로 2% 내외의 양호한 수준의 상대표준오차를 유지하는 것으로 나타났다.
편의상 이들은 각각 [A], [B]로 명명하였다. 이처럼 농도 차이가 40배 이상인 두 가지 용액 [A], [B]를 동일한 조건에서 3회 반복 분석하였다. 이러한 분석 결과로 상대 표준오차값(relative standard error: RSE)을 산출하므로서, 재현성을 평가하였다.
카보닐 성분들에 대한 HPLC/UV 검량곡선의 시간적 변화추이를 평가하기 위한 한 가지 방법으로 검량곡선의 기울기값 변화 추이를 일정기간에 걸쳐 비교 평가해 보았다. 이를 위해 2004년 2월 6일부터 3월 9일까지 한달 간 확보한 formaldehyde 와 acetaldehyde의 검량곡선 기울기 값 자료를 이용하였다.
그 결과, 상대표준오차가 4% 이하 수준으로, 검량곡선의 변화가 미미하다는 것을 확인하였다. 카보닐 성분들의 검출에 사용되는 2,4-DNPH가 유도체를 형성하는데 소요되는 시간과 농도의 변화양상을 찾아보기 위해, 여러가지 비교 실험을 추가적으로 수행하였다. 그 결과 시간적으로 평형에 도달하기 까지 약 1시간 30분 정도 소요된다는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
그리고 이와 동시에 실제로 대기질 분석에 가장 많이 사용되는 Lp-DNPH 카트리지를 이용한 분석도 보조적인 방식으로 비교분석에 활용하였다. DNPH 용액은 2,4-디니트로페닐하이드라존(Aldrich, 97%) 0.2g을 인산(H3PO4, Aldrich, 85%) 0.5mg을 포함한 acetonitrile(J.T. Baker, 99.9%) 용액 1L에 가하는 방식으로 제조하였다.11 본 논문에서는 포름알데하이드의 표준용액(formalin 용액(호리제약주식회사, formaldehyde 수용액 37%을 단계별로 희석하여, 1/10,000배인 37ng/
이러한 분석 방법을 사용할 경우, carbonyl 화합물의 검출은 비극성인 DNPH 화합물의 형태로 이루어진다. 따라서 이들을 효과적으로 분리하기 위해, 25cm X 4.6mm id particle size 5μm 비극성 컬럼인 Hichrom 5 C18를 사용하였다. 또한 이동상 용액은 머무름 시간(RT)이 거의 비슷한 acrolein, acetone, propionaldehyde 성분들에 대해, 효과적인 분리율을 보이는 70% acetonitrile 용액(acetonitrile : water = 7:3 )을 사용하였다.
0pt">μm 비극성 컬럼인 Hichrom 5 C18를 사용하였다. 또한 이동상 용액은 머무름 시간(RT)이 거의 비슷한 acrolein, acetone, propionaldehyde 성분들에 대해, 효과적인 분리율을 보이는 70% acetonitrile 용액(acetonitrile : water = 7:3 )을 사용하였다. 이동상의 유량은 1 mL/min으로 고정된 조건에서 분석을 수행하였다.
이를 위해, 별도의 formaldehyde 표준용액을 다음과 같이 준비하였다. 우선 formalin 용액 을 37ng/μ1.수준의 formaldehyde 표준용액으로 단계별로 희석 제조하였다. 이 용액의 농도는 앞서 정밀도 등의 평가를 위해 사용한 카보닐 계열의 성분들이 복합적으로 함유된 Carbonyl-DNPH MIX 1 Catalog NO.
카보닐 성분들에 대한 HPLC/UV 검량곡선의 시간적 변화추이를 평가하기 위한 한 가지 방법으로 검량곡선의 기울기값 변화 추이를 일정기간에 걸쳐 비교 평가해 보았다. 이를 위해 2004년 2월 6일부터 3월 9일까지 한달 간 확보한 formaldehyde 와 acetaldehyde의 검량곡선 기울기 값 자료를 이용하였다. Fig.
성능/효과
이상에서 안정적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 용액상에서 양자 간의 반응을 정확하게 분석하기 위해서는 최소 160ng/μ1.이상의 2,4-DNPH의 농도가 유지되는 조건에서 카보닐 성분들을 90분 이상 흡수시켜야 할 것이다. 따라서 본 연구에 활용된 HPLC/UV 방식으로 카보닐 성분들을 정상적으로 분석하기 위해서는 이와 같은 한계 수준의 농도를 감안하여 DNPH 용액과 반응시키는 것이 중요하다는 것을 확인할 수 있었다.
0pt">μL까지 7단계의 수준으로 변화되는 조건을 설정하였다. 그 결과 Fig. 3(A)에 제시된 바와 같이 DNPH의 농도가 80mg/μ1.수준 이상부터 실제 용액 중에 함유된 포름알데하이드의 농도와 유사한 수준으로 검출되는 것이 확인된다. 그림 Fig.
카보닐 성분들의 검출에 사용되는 2,4-DNPH가 유도체를 형성하는데 소요되는 시간과 농도의 변화양상을 찾아보기 위해, 여러가지 비교 실험을 추가적으로 수행하였다. 그 결과 시간적으로 평형에 도달하기 까지 약 1시간 30분 정도 소요된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 포름알데하이드와 DNPH의 유도체 형성은 후자의 농도가 약 160ng/
또한 한달 간 확보한 검량 결과 자료들로부터 기울기 값의 변화 추이를 검정하는 방식으로 검량선의 안정도를 평가하였다. 그 결과, 상대표준오차가 4% 이하 수준으로, 검량곡선의 변화가 미미하다는 것을 확인하였다. 카보닐 성분들의 검출에 사용되는 2,4-DNPH가 유도체를 형성하는데 소요되는 시간과 농도의 변화양상을 찾아보기 위해, 여러가지 비교 실험을 추가적으로 수행하였다.
이상의 2,4-DNPH의 농도가 유지되는 조건에서 카보닐 성분들을 90분 이상 흡수시켜야 할 것이다. 따라서 본 연구에 활용된 HPLC/UV 방식으로 카보닐 성분들을 정상적으로 분석하기 위해서는 이와 같은 한계 수준의 농도를 감안하여 DNPH 용액과 반응시키는 것이 중요하다는 것을 확인할 수 있었다.
정밀도는 표준용액 시료를 다양한 농도대에서 반복 분석한 자료로 평가한 결과, 대체로 2% 내외의 양호한 수준의 상대표준오차를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 5L의 대기시료를 DNPH Cartridge에 채 취한 조건을 가정하여 이들의 검출한계를 산출할 경우, 포름알데하이드의 DLe 0.52ppb 수준으로 나타났다. 또한 한달 간 확보한 검량 결과 자료들로부터 기울기 값의 변화 추이를 검정하는 방식으로 검량선의 안정도를 평가하였다.
그 결과 시간적으로 평형에 도달하기 까지 약 1시간 30분 정도 소요된다는 것을 확인할 수 있었다. 또한 포름알데하이드와 DNPH의 유도체 형성은 후자의 농도가 약 160ng/μ1.이상에서 안정적으로 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 결론적으로 용액상에서 양자 간의 반응을 정확하게 분석하기 위해서는 최소 160ng/본 연구에서 사용된 HPLC/UV 방식의 분석특성을 감안할 때, 카보닐류는 적정량의 DNPH와 결합이 되었을 때 UV로 검출이 이루어진다. DNPH량의 적정수준을 평가하기 위해, 다음과 같은 추가적인 실험을 수행하였다.
이를 위해, 본 연구에서는 HPLC/UV법을 사용하여, 포름알데하이드의 환경분석학적 특징을 다각도에서 비교 진단하였다. 정밀도는 표준용액 시료를 다양한 농도대에서 반복 분석한 자료로 평가한 결과, 대체로 2% 내외의 양호한 수준의 상대표준오차를 유지하는 것으로 나타났다. 또한 5L의 대기시료를 DNPH Cartridge에 채 취한 조건을 가정하여 이들의 검출한계를 산출할 경우, 포름알데하이드의 DLe 0.
참고문헌 (11)
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Frank Sandner, Wolfgang Dott and Juliane Hollender, 'Sensitive indoor air monitoring of formaldehyde and other carbonyl compounds using the 2,4-dinitrophenylhydrazine method', Int. J. Hyg. Environ. Health 203, 275-279(2001)
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