대기 중 암모니아 성분의 분석법 연구: UV/VIS 분광계를 이용한 간이비색계의 상대 성능평가 Some considerations for the analytical approaches to measure atmospheric ammonia: tests on a relative performance of a portable colorimeter against UV/VIS spectrophotometer원문보기
본 연구에서는 대기 중 암모니아 성분의 농도 계측에 활용하는 간이비색계의 성능을 UV/VIS 분광계에 대비하는 방식으로 평가하였다. 본 연구의 목적상 두 가지 분석 시스템을 이용하여 검출한계, 재현성, 직선성, 정확도 등의 기준항목을 다양하게 비교하였다. 본 연구에 의하면, 간이비색계의 성능은 대체로 UV/VIS 분광계와 양호한 일치도를 보일 정도로 좋은 결과를 보였다. 검출한계를 평가한 결과 두 가지 시스템 모두 $3{\mu}g$에 가깝게 나타났다. 그러나 간이비색계의 경우, 아주 낮은 농도와 고농도대에서 상대적으로 문제점이 존재하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 암모니아의 절대량이 $10{\mu}g$ 이하일 때는 재현성에 대한 문제가 두드러졌고, $100{\mu}g$ 이상의 고농도대에서는 직선성이 제한되는 문제로 인해 분석이 어려웠다. 따라서 만약 대기시료를 30 리터 정도로 채취한다고 가정하면, (별다른 희석을 가하지 않고 분석한다면) 500 ppb에서 5 ppm의 농도대에서 간이비색계를 적용하는 것이 유효한 것으로 나타났다. 농도대에 따른 간이비색계의 제한적인 특성을 충분히 감안하고 사용할 경우, 간이비색계를 활용한 분석은 상당히 양호한 결과를 생산하는 것이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.
본 연구에서는 대기 중 암모니아 성분의 농도 계측에 활용하는 간이비색계의 성능을 UV/VIS 분광계에 대비하는 방식으로 평가하였다. 본 연구의 목적상 두 가지 분석 시스템을 이용하여 검출한계, 재현성, 직선성, 정확도 등의 기준항목을 다양하게 비교하였다. 본 연구에 의하면, 간이비색계의 성능은 대체로 UV/VIS 분광계와 양호한 일치도를 보일 정도로 좋은 결과를 보였다. 검출한계를 평가한 결과 두 가지 시스템 모두 $3{\mu}g$에 가깝게 나타났다. 그러나 간이비색계의 경우, 아주 낮은 농도와 고농도대에서 상대적으로 문제점이 존재하는 것으로 나타났다. 예를 들어, 암모니아의 절대량이 $10{\mu}g$ 이하일 때는 재현성에 대한 문제가 두드러졌고, $100{\mu}g$ 이상의 고농도대에서는 직선성이 제한되는 문제로 인해 분석이 어려웠다. 따라서 만약 대기시료를 30 리터 정도로 채취한다고 가정하면, (별다른 희석을 가하지 않고 분석한다면) 500 ppb에서 5 ppm의 농도대에서 간이비색계를 적용하는 것이 유효한 것으로 나타났다. 농도대에 따른 간이비색계의 제한적인 특성을 충분히 감안하고 사용할 경우, 간이비색계를 활용한 분석은 상당히 양호한 결과를 생산하는 것이 가능하다는 결론을 내릴 수 있다.
In this study, we investigated the performance of a portable colorimeter used for the measurements of atmospheric ammonia against the more reliable method like UV/VIS spectrophotometer. For the purpose of this study, we tested a portable colorimeter and UV/VIS spectrophotometer for such basic analyt...
In this study, we investigated the performance of a portable colorimeter used for the measurements of atmospheric ammonia against the more reliable method like UV/VIS spectrophotometer. For the purpose of this study, we tested a portable colorimeter and UV/VIS spectrophotometer for such basic analytical parameters as detectibility, reproducibility, linearity, and accuracy. According to our study, the performance of the colorimeter was fairly good to show a good agreement with the UV/VIS system. However, the performance of colorimeter suffered from both low and high concentration ranges: it was found to have very poor reproducibility at lower concentration (below $10\mu}g$), while its linear dynamic range was limited at the upper end (e.g., near $100{\mu}g$). If we assume that air samples are collected up to 30 liter, it implies that the colorimeter can be used to measure samples containing NH3 in the range of 500 ppb to 5 ppm (without the aid of diluting technique). Consequently, we recommend the use of such instrument with the awareness of its basic properties pertaining to the fundamental performance (such as its detectable range).
In this study, we investigated the performance of a portable colorimeter used for the measurements of atmospheric ammonia against the more reliable method like UV/VIS spectrophotometer. For the purpose of this study, we tested a portable colorimeter and UV/VIS spectrophotometer for such basic analytical parameters as detectibility, reproducibility, linearity, and accuracy. According to our study, the performance of the colorimeter was fairly good to show a good agreement with the UV/VIS system. However, the performance of colorimeter suffered from both low and high concentration ranges: it was found to have very poor reproducibility at lower concentration (below $10\mu}g$), while its linear dynamic range was limited at the upper end (e.g., near $100{\mu}g$). If we assume that air samples are collected up to 30 liter, it implies that the colorimeter can be used to measure samples containing NH3 in the range of 500 ppb to 5 ppm (without the aid of diluting technique). Consequently, we recommend the use of such instrument with the awareness of its basic properties pertaining to the fundamental performance (such as its detectable range).
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문제 정의
이를 위하여, 가장 보편적으로 활용되며 또한 높은 정밀도를 유지하는 것으로 알려진 UV/VIS 분광 방식의 분석법을 기준으로 설정하고 여러 가지 비교연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 저가형 비색계의 활용과 관련된 여러 가지 특징을 다양한 관점에서 진단 및 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 간이비색계의 성능을 평가하기 위한 방편으로 보다 정확하고 분석 방식에 객관성이 확보된 UV/VIS 분광 방식을 이용하여 비교실험을 수행하였다. 이를 위해, 가장 기본적인 실험 변수라고 할 수 있는 검출 한계, 재현성, 직선성, 정확도 등을 대상으로 양분석방식의 성능을 비교해 보았다.
본 연구에서는 암모니아 성분에 대한 분석기법을 확장하기 위한 기초연구의 한 부분으로, 가장 간편하게 시료 분석에 활용할 수 있는 저가형 간이 비색계의 분석화학적 특성을 세밀하게 분석하고자 하였다. 이를 위하여, 가장 보편적으로 활용되며 또한 높은 정밀도를 유지하는 것으로 알려진 UV/VIS 분광 방식의 분석법을 기준으로 설정하고 여러 가지 비교연구를 수행하였다.
본 연구에서는 인도 페놀법에 기초하여 대기 중 암모니아 성분의 농도를 채취 및 분석하는 데 있어서, 저가형 간이 비색계를 중심으로 분석기기 간의 차이를 비교평가하고자 하였다. 특히 간이비색계의 성능 평가에 대한 기본적인 자료를 확보하기 위해, 인도 페놀 방식으로 준비한 표준시료에 대하여 두 가지 방법을 동시에 적용하므로서, 여러 가지 분석 관련 변수를 상대적 관점에서 평가하였다.
비색계의 성능을 평가하기 위한 또 한 가지의 기준으로 정확도에 대한 평가를 시도하고자 하였다. 그러나 이러한 평가는 단순히 분석만을 비교하는 것이 아니라 실제 채취 단계의 변수를 동시에 감안하기 위하여 다음과 같이 접근하였다.
그리고 마지막으로 미지시료를 발색시킨 다음, 두 가지 분석기법으로 확보한 검량선을 이용하여 양분석 방식의 상대적인 객관성에 대한 평가도 시도하 였다. 이러한 비교 분석 결과를 기초로 간이 비색계의 상대적 성능을 다각도로 진단하고자 하였다.
제안 방법
각각의 표준시료는 다시 페놀-니트로 푸루시드나트 륨 용액과 차아염소산나트륨 용액을 섞어주는 방식으로 발색을 유도하여 최종 검량에 필요한 자료를 확보하였다. 본 연구의 복직인 간이 비색계의 성능을 평가하기 위하여, 앞서 설명한 방식으로 발색시킨 시료에 대한 정량직 분석은 누 가지계즉 방식을 농시에 직용하여 비교하였다.
특히, 검출 한계, 정밀도, 직선성 등과 같은 기본적 분석화학적 변수들의 평가를 일차적으로 시도하였다. 그리고 마지막으로 미지시료를 발색시킨 다음, 두 가지 분석기법으로 확보한 검량선을 이용하여 양분석 방식의 상대적인 객관성에 대한 평가도 시도하 였다. 이러한 비교 분석 결과를 기초로 간이 비색계의 상대적 성능을 다각도로 진단하고자 하였다.
최저 검출에 가까운 양을 찾기 위해, 최저검량에 가까운 농도를 각 방식의 검량선으로 반복해서 구하였다. 그리고 이렇게 산출한 최소 검출 농 도의 표준편차에 3배를 곱해주는 방식으로, 검출한계 를 산출하였다. 그 결과 절대량을 기준으로 양 기기는 3, 000 ng 에 가까운 수준의 검출 한계를 기록하였 다(7/e 1).
두 가지 분석시스템의 성능을 평가하기 위한 기본 직인 분석은 공정시험법을 준용한 protocol을 따라서 진행하였다. 누 가지빙식의 검출 한계는 Table 1에 제시한 바와 같이 검출이 가능한 최저 수준의 농도로 표준시료를 정량하는 작업을 반복하는 방식으로 자료를 확보하였다. 최저 검출에 가까운 양을 찾기 위해, 최저검량에 가까운 농도를 각 방식의 검량선으로 반복해서 구하였다.
각각의 표준시료는 다시 페놀-니트로 푸루시드나트 륨 용액과 차아염소산나트륨 용액을 섞어주는 방식으로 발색을 유도하여 최종 검량에 필요한 자료를 확보하였다. 본 연구의 복직인 간이 비색계의 성능을 평가하기 위하여, 앞서 설명한 방식으로 발색시킨 시료에 대한 정량직 분석은 누 가지계즉 방식을 농시에 직용하여 비교하였다. 특히, 검출 한계, 정밀도, 직선성 등과 같은 기본적 분석화학적 변수들의 평가를 일차적으로 시도하였다.
초기상태 (Blank level)는 증류수를 10mm-3 ml Cuvett에 담아 Beam을 투과하는 방식으로 설정하였다. 분광 측정은 발색된 시료를 초기 상태 설정에서와 같은 방법으로 635〜640 nm부근 의 파장에서 이루어졌다.
먼저 30%: 에서 분당 496 ng의 암모니아를 방출할 수 있는 퍼미에이션 튜브 (VICI Metronics, CA, USA)를 이용하여, 인위적으로 임의 농도의 암모니아 가스를 생성하였다. 이러한 표준가스를 500ml/min의 유속을 유지하면서, 10, 25, 45, 60, 95분간 흡수액으로 통과시켜 주었다. 결과적으로 이를 통해 흡수된 암모니아의 양(ng) 과 무단위 농도(ppb)도 Table 4에 동시에 제시하였다.
결과적으로 이를 통해 흡수된 암모니아의 양(ng) 과 무단위 농도(ppb)도 Table 4에 동시에 제시하였다. 이렇게 흡수시킨 용액은 발색을 유도한 후, 두 가지 분석 방식을 이용하여 암모니아 가스의 농도를 분석해 보았다. Table 4에는 흡수를 유도한 미지시료에 대한 이론적인 계산값과 실제 이러한 시료를 두 가지 방식으로 분석한 결과를 동시에 제시하였다.
본 연구에서는 암모니아 성분에 대한 분석기법을 확장하기 위한 기초연구의 한 부분으로, 가장 간편하게 시료 분석에 활용할 수 있는 저가형 간이 비색계의 분석화학적 특성을 세밀하게 분석하고자 하였다. 이를 위하여, 가장 보편적으로 활용되며 또한 높은 정밀도를 유지하는 것으로 알려진 UV/VIS 분광 방식의 분석법을 기준으로 설정하고 여러 가지 비교연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 저가형 비색계의 활용과 관련된 여러 가지 특징을 다양한 관점에서 진단 및 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 간이비색계의 성능을 평가하기 위한 방편으로 보다 정확하고 분석 방식에 객관성이 확보된 UV/VIS 분광 방식을 이용하여 비교실험을 수행하였다. 이를 위해, 가장 기본적인 실험 변수라고 할 수 있는 검출 한계, 재현성, 직선성, 정확도 등을 대상으로 양분석방식의 성능을 비교해 보았다. 본 연구의 결과에 의하면, 간이 비색계는 상당히 양호한 분석 결 과를 생산할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
누 가지빙식의 검출 한계는 Table 1에 제시한 바와 같이 검출이 가능한 최저 수준의 농도로 표준시료를 정량하는 작업을 반복하는 방식으로 자료를 확보하였다. 최저 검출에 가까운 양을 찾기 위해, 최저검량에 가까운 농도를 각 방식의 검량선으로 반복해서 구하였다. 그리고 이렇게 산출한 최소 검출 농 도의 표준편차에 3배를 곱해주는 방식으로, 검출한계 를 산출하였다.
본 연구에서는 인도 페놀법에 기초하여 대기 중 암모니아 성분의 농도를 채취 및 분석하는 데 있어서, 저가형 간이 비색계를 중심으로 분석기기 간의 차이를 비교평가하고자 하였다. 특히 간이비색계의 성능 평가에 대한 기본적인 자료를 확보하기 위해, 인도 페놀 방식으로 준비한 표준시료에 대하여 두 가지 방법을 동시에 적용하므로서, 여러 가지 분석 관련 변수를 상대적 관점에서 평가하였다.
이를 구체적으로 보면, 3가지 유형의 채취용 시약(붕산용액, 페놀-니트로 푸루시드나트륨 용액, 차아염소산나트륨 용액)을 제조하고, 황산암모늄을 이용하여 표준시료도 원액과 작업용 표준액을 각각 단계별로 구분한 후 제조사용하였 다. 특히 작업용 표준시료를 이용한 검량선은 44.7 mM 황산암모늄용액을 100, 50, 10, 3.3, 1배수 희석하는 방식으로 검량선을 확보하였다.
본 연구의 복직인 간이 비색계의 성능을 평가하기 위하여, 앞서 설명한 방식으로 발색시킨 시료에 대한 정량직 분석은 누 가지계즉 방식을 농시에 직용하여 비교하였다. 특히, 검출 한계, 정밀도, 직선성 등과 같은 기본적 분석화학적 변수들의 평가를 일차적으로 시도하였다. 그리고 마지막으로 미지시료를 발색시킨 다음, 두 가지 분석기법으로 확보한 검량선을 이용하여 양분석 방식의 상대적인 객관성에 대한 평가도 시도하 였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 휴대용 비색계는 스포이드(시료 채취부), 발광부, 광검출부, 아날로그 표시부와 같이 4단계의 구조로 설정하였다. 발광부는 청녹색과 적색으로 구분하여 사용하는 데 발색시약이 적색계통인 경우 녹색광원을 그리고 발색시약이 청녹색계통인 경우 적색광원을 사용하도록 구성하였다.
본 연구에서는 대전대학교 환경생명공학과에서 자체 제작한 휴대용 간이비색계(Fig. 1)를 주연구 대상 기기로 설정하고 사용하였다. 일반적으로 비색계의 색도를 측정하는 방법은 색도에 따라 빛의 흡수정도가 정량적으 로 변하는 원리를 이용한다.
비색계 성능 비교를 위해 사용한 분광계는 Hewlett Packard M.l. USA에서 제작 뇌는 HP8453모델을 사용하였다. 이는 UV 및 자외선으로부터 물질의 흡수정도를 알아내는 장치로 써 파장법 위 190-1100nm, Beam mode double beam, 1 nm의 bandwidth, 0.
2에는 이러한 결과를 동시에 제시하였다. 이러한 분석은 검출 한계에 가까운 3 |ig대에서부터 이보다 120여 배 농도가 큰 377 | 까지 분석하였다. 이 결과에 의하면, 비색계의 경우 직선성의 한계가 상당히 빠르게 나타나는 것을 확인할 수 있다.
이러한 비교 분석을 수행하기 위한 전제조건으로 인도페놀방법을 기본적으로 적용하였다. 이를 구체적으로 보면, 3가지 유형의 채취용 시약(붕산용액, 페놀-니트로 푸루시드나트륨 용액, 차아염소산나트륨 용액)을 제조하고, 황산암모늄을 이용하여 표준시료도 원액과 작업용 표준액을 각각 단계별로 구분한 후 제조사용하였 다. 특히 작업용 표준시료를 이용한 검량선은 44.
두 가지 분석 방식의 분석 재현성을 평가하기 위하여 Table 2에는 두 가지 농도대에서 반복 분석한 결과를 제시하였다. 지농도 대인 7, 548 ng과 상대직으로 고농도인 75, 480 ng을 대상으로 이와 같은 비교를 하였다. 재현싱을 상대표준편차(relative standard deviation (RSD)=(SDX100)/Mean)로 비교한 경우, 농도대 및 기기에 따라 두 시스템에 내재된 차이를 뚜렷하게 구분할 수 있다.
이론/모형
두 가지 분석시스템의 성능을 평가하기 위한 기본 직인 분석은 공정시험법을 준용한 protocol을 따라서 진행하였다. 누 가지빙식의 검출 한계는 Table 1에 제시한 바와 같이 검출이 가능한 최저 수준의 농도로 표준시료를 정량하는 작업을 반복하는 방식으로 자료를 확보하였다.
성능/효과
이미 앞서 재현성이나 직선성의 평가에서 확인한 것과 같이 양방식의 차이는 저농도대에서 가장 뚜렷하게 나타났다. 가장 저농도 대인 4, 960 ng 대에서 비색계로 계측한 결과가 38% 정도 크게 나타났다. 그리고 농도가 점차 증가하면서, 양 시스템이 완전하게 일치하는 방향으로 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
예를 들어, 30리터 정도의 공기를 흡수액으로 통과시킨다고 할 경우, 대기 중 농도를 기준으로 UV/VIS는 132 ppb 수준, 그리고 간이 비색계는 155 ppb의 검출 한계를 유지하는 것으로 나타났다. 결과 직으로 누 가지 분석시스템의 검출 한계는 대략 비슷한 수준을 유지하는 것으로 나타났다.
반면 고농도대에 대한 분석 결과를 보면, 비색계의 경우 직선성의 한계가 현저하게 차이를 보였다. 결과적으로 간이 비색계의 경우, 10에서 100 Ng 전후의 농도대에서 가장 안정한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 대략 30리터 정도의 공기를 흡수액에 흡수시킨다고 가정할 경우, 최종 시료의 분석은 흡수액을 희석시키지 않은 조건에서 500 ppb~5 ppm 정도의 농도대에서 가장 적합하다는 결론을 내리는 것이 가능하다.
반면 비색계의 경우, 재현성이 30%대로서, 저농도대에서 현저하게 떨어진다는 것이 확인된다. 결과적으로 양자의 재현성은 농도의 함수로 영향을 반는다는 것을 알 수 있다.
대략 30리터 정도의 공기를 흡수액에 흡수시킨다고 가정할 경우, 최종 시료의 분석은 흡수액을 희석시키지 않은 조건에서 500 ppb~5 ppm 정도의 농도대에서 가장 적합하다는 결론을 내리는 것이 가능하다. 결과적으로 이러한 방식을 사용할 때는 제한된 직선 성과 재현성을 적절히 감안하여, 시료 채취 조건을 설정하는 것이 중요하다는 것을 확인할 수 있다.
가장 저농도 대인 4, 960 ng 대에서 비색계로 계측한 결과가 38% 정도 크게 나타났다. 그리고 농도가 점차 증가하면서, 양 시스템이 완전하게 일치하는 방향으로 결과가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
결과적으로 간이 비색계의 경우, 10에서 100 Ng 전후의 농도대에서 가장 안정한 결과를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 대략 30리터 정도의 공기를 흡수액에 흡수시킨다고 가정할 경우, 최종 시료의 분석은 흡수액을 희석시키지 않은 조건에서 500 ppb~5 ppm 정도의 농도대에서 가장 적합하다는 결론을 내리는 것이 가능하다. 결과적으로 이러한 방식을 사용할 때는 제한된 직선 성과 재현성을 적절히 감안하여, 시료 채취 조건을 설정하는 것이 중요하다는 것을 확인할 수 있다.
비색계는 이미 150 |ig에서 이미 검출이 이루어지지 않는 것으로 나타났다. 반면 UV/VIS 방식의 경우, 분석을 시도한 377 까지 비교적 뚜렷하게 검출이 이루어지면서, 직선성의 한계가 넓다는 것을 확인할 수 있다.
이를 위해, 가장 기본적인 실험 변수라고 할 수 있는 검출 한계, 재현성, 직선성, 정확도 등을 대상으로 양분석방식의 성능을 비교해 보았다. 본 연구의 결과에 의하면, 간이 비색계는 상당히 양호한 분석 결 과를 생산할 수 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그런데 비록 검출 한계는 유사한 영역을 공유하는 것으로 나타났지만, 저농도대에서 간이비색계의 재현성은 현저하게 떨어지는 것으로 나타났다.
참고문헌 (11)
K. H. Kim, 'Performance characterization of the GC/ PFPD for H2S, CH3SH, DMS, and DMDS in air' Atmospheric Environment, 39(12), 2235-2242(2005)
K.-H. Kim, Y.-J. Choi, E.-C. Jeon and Y. Sunwoo, 'Characterization of malodorous sulfur compounds in landfill gas' Atmospheric Environment, 39(6), 1103- 1112(2005)
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