[논문]액-액 추출과 아세틸화 후 GC-MS를 이용한 물 중 phenol의 분석

박선영; 김윤정; 정성진; 김희갑

doi:10.5338/kjea.2017.36.1.10

액-액 추출과 아세틸화 후 GC-MS를 이용한 물 중 phenol의 분석
Quantitative Determination of Phenol in Water Using GC-MS after Liquid-Liquid Extraction and Acetylation 원문보기

한국환경농학회지 = Korean journal of environmental agriculture, v.36 no.1, 2017년, pp.63 - 66

박선영 (강원대학교 자연과학대학 환경학과) , 김윤정 (강원대학교 자연과학대학 환경학과) , 정성진 (강원대학교 자연과학대학 환경학과) , 김희갑 (강원대학교 농업생명과학대학 환경융합학부)

초록
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이 연구에서 개발한 방법은 phenyl acetate 유도체를 만든 후 추출-정제-농축 단계로 분석하는 기존 phenol 분석 방법의 '추가적인 정제 과정 필요' 및 '많은 양의 유해 용매 사용'이라는 단점을 보완할 수 있는 분석 방법이다. 이 방법은 phenol을 물로부터 액-액 추출한 후 생성한 phenyl acetate 유도체를 소량의 용매로 추출한 후 바로 GC-MS에 주입하여 분석할 수 있는 장점을 갖고 있다. 이 방법은 기존 방법과 유사한 수준의 반복성, 회수율, 직선성 및 방법검출한계를 나타내었고, 분석 과정이 기존에 비해 더 간단하여 물 중의 phenol 및 페놀류 화합물를 분석하는 데에 적합할 것으로 생각한다.

Abstract ▼ AI-Helper

BACKGROUND: The phenol concentrations in water samples were determined using gas chromatography after derivatization of the analyte to phenyl acetate followed by extraction using a large volume of solvent. However, this procedure requires an additional purification step and is not analytically efficient. METHODS AND RESULTS: In this study, phenol was first extracted from an acidified water sample using ethyl acetate and then acetylated using acetic anhydride in the presence of a small amount of water and $K_2CO_3$. The derivative was extracted using 1mL of n-butyl acetate. One microliter of the extract was analyzed by GC-MS without further purification. The calibration curve showed good linearity with the $r^2$ value of 0.9968. The method detection limit and the limit of quantitation were estimated to be $0.18{\mu}g/L$ and $0.56{\mu}g/L$, respectively. Repeatability (RSD, n=3) and recovery (n=3) were 9.1%-4.3% and 90.6%-110.5%, respectively. The concentrations of phenol in a few samples of stream water were distributed in the range of $2.51-7.51{\mu}g/L$. CONCLUSION: This method is simpler and faster to implement than those currently utilized and shows high analytical reliability. It can be applied to the quantitative determination of phenol concentrations in surface water and groundwater samples.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

, 2002). 따라서 본 연구에서는 산성화한 물로부터 phenol을 추출하고 phenly acetate 유도체를 만든 후 소량의 용매로 추출하여 GC-MS로 분석하는 새로운 방법을 개발하였다.
기존 phenol 분석 방법은 50 mL의 물 시료를 유도체화한 후에 phenyl acetate를 n-hexane 20 mL로 추출한 후 농축하였다(NCASI, 2007). 본 연구에서는 이와 같은 방법으로 n-hexane 대신 추출 효율이 더 좋은 n-butyl acetatae를 시도하였다. 그런데 n-butyl acetatae는 냄새가 자극적일 뿐만 아니라 만성 노출 시 중추신경계에 독성을 일으킬 수 있는 물질이므로(Copestake and Malcolm, 2005) 호흡기를 통해 노출되지 않도록 유의하여야 한다.

제안 방법

Ethyl acetate 추출액(100 mL)에 1g의 sodium sulfate를 첨가하여 건조한 후, 회전감압농축기(Model HS 2000, Hahn-Shin Science Co., Bucheon, Korea)와 질소 가스를 사용하여 소량이 될 때까지 농축하였다.
Phenol의 표준용액은 5000 mg/L의 phenol 표준물질을 methanol에 녹여 1000, 100 및 10 mg/L의 농도로 제조하였으며 사용하기 전까지 냉동(-24℃)보관하였다. 대체표준물질(surrogate standard, SS)로 사용된 o-cresol은 methanol에 녹여 207 mg/L 농도로 제조하였다.
n-Butyl acetate층을 취하여 vial의 옮긴 후 1 μL를 GC-MS에 주입하여 분석하였다.
검량선은 1-10 μg/L 의 범위에서 작성하였으며 반복성 및 회수율은 4 μg/L 및 10 μg/L 의 두 농도에 대해 각각 3번씩 분석하여 평가하였다.
따라서 물에서 많은 양의 n-butyl acetatae를 사용하여 유도체를 추출하는 phenol을 유도체화 하지 않은 상태에서 ethyl acetate로 추출한 후 유도체화하는 방법으로 전환하였다.
소량의 용매로도 phenol 유도체(phenyl acetate)의 추출이 가능한 용매를 탐색하기 위하여 sdter 계열의 용매인 n-butyl acetate, ethyl acetate 및 DCM에 대한 추출 효율을 평가하였다(Fig. 2).
이 연구에서 개발한 방법은 phenyl acetate 유도체를 만든 후 추출-정제-농축 단계로 분석하는 기존 phenol 분석 방법의 '추가적인 정제 과정 필요' 및 '많은 양의 유해 용매 사용'이라는 단점을 보완할 수 있는 분석 방법이다.

대상 데이터

2015년 8월부터 11월 사이에 강원도 강릉 및 동해의 하천에서 1L의 갈색 유리병에 다섯 개의 물 시료를 채취하였으며, 잔류 염소를 제거하기 위하여 40-50 mg 의 sodium thiosulface를 첨가하였다. 또한6 N HCI 수용액을 첨가하여 시료의 pH를 2 이하로 조절하였다.
Phenol, phenyl acetate, o-cresol, potassium carbonate 및 acetic anhydride는 Sigma-Aldrich사(Missouri, USA)의 제품을 사용하였다.
기기 분석에 사용된 GC-MS는 7890A GC와 5975C inert MSD(Agilent Technology Inc., Santa Clara, USA)이었으며 분석 조건은 Table 1과 같았다.
대체표준물질(surrogate standard, SS)로 사용된 o-cresol은 methanol에 녹여 207 mg/L 농도로 제조하였다.

데이터처리

검출한계(method detection limit, MDL)와 정량한계(limit of quantitation, LOQ)는 S/N 비 3으로 추정된 농도의 2배에 해당하는 수준의 시료를 7개 제조하여 분석한 후, 표준편차를 구해 각각 3.14와 10을 곱하여 구하였다.

성능/효과

4 μg/L 및 10 μg/L 두 농도에 대한 3 반복 시험값의 상대표준편차(relative standard deviation, RSD)는 각각 9.1% 및 4,3%이었고, 회수율은 평균 90.6% 및 110.5%를 보여 만족할 만한 결과를 얻었다.
n-butyl acetate가 다른 두 용매보다 약 1,5배 높은 결과를 나타내, n-butyl acetate phenyl 를 acetate의 추출에 적합한 용매로 선정하였다.
9968 . 로 매우 높았다 검량선에서 세로축의 값은 표준물질에 대한 피크의 면적을 SS에 대한 피크의 면적으로 나눈 값을 사용함으로써 각 시료마다 나타낼 수 있는 추출 효율의 차이를 보정할 수 있었다.
3은 phenol과 SS로 사용된 o-cresol의 ester 유도체 화합물에 대한 크로마토그램이다. 바탕 시료, 표준 시료 및 물 시료에서 두 화합물의 머무름 시간에서 분리에 방해가 되는 피크들이 검출되지 않아 좋은 분리능과 선택성을 나타냈다.
상기방법으로 하천수 시료를 분석한 결과, 하천수 페놀의 평균 농도는 4.84 μg/L이었고 검출 범위는 2.51-7.51 μg/L이었다(Table 2).
이 LOQ는 우리나라 수질환경 기준인 5 μg/L의 약 10분의 1 수준으로, 확립한 방법이 물 중 phenol의 분석에 적합함을 알 수 있었다.
이 방법으로 단지 1 mL의 매우 적은 양의 n-butyl acetate를 사용하여 추출할 수 있었고, 추출액을 바로 GC-MS에 주입함으로써 분석의 효율성이 증대되었다.
이 방법은 phenol을 물로부터 액-액 추출한 후 생성한 phenyl acetate 유도체를 소량의 용매로 추출한 후 바로 GC-MS에 주입하여 분석할 수 있는 장점을 갖고 있다. 이 방법은 기존 방법과 유사한 수준의 반복성, 회수율, 직선성 및 방법검출한계를 나타내었고, 분석 과정이 기존에 비해 더 간단하여 물 중의 phenol 및 페놀류 화합물를 분석하는 데에 적합할 것으로 생각한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Phenol은 어떻게 사용되고 있는가?	Phenol(페놀)은 합성섬유 플라스틱 의약품 화장품 세정제 등의 생산 등 다양한 목적으로 사용되고 있다 그렇지만, 저장 중인 Phenol은 물이나 토양으로 유출되어 수생태계에 phenol 영향을 주거나 지하수를 오염시키기도 한다(ATSDR, 2008; IRIS, 2002; Saha et al., 1999).
	phenol의 분석은 유도체를 만든 후 비극성 칼럼으로 분리하는 방법이 널리 이용되고 있는데, 이때 널리 사용되는 유도체와 그 유도체의 장점은?	, 2004). 가장 널리 사용되는 유도체는 phenyl acetate인데(Fig. 1), 이는 상온에서 phenol이 phenyl acetate로 빠르게 acetyl화 되는 반응이 일어나기 때문이다(Rodrígez et al., 2000).
	환경부에서 규정한 먹는 물 및 농업용수에서의 phenol 농도는 얼마인가?	이렇게 phenol에 오염된 지표수나 지하수가 농업용수로 사용되면 토마토 피망 등에 흡착되어 농작물에도 잔류할 수 있다(CCME, 1999). 따라서 미국환경보호청(US EPA)은 phenol을 우선오염물질(priority pollutant) 중의 하나로 지정하였으며(EPA, 2014), 환경부는 먹는 물 및 농업용수에서 phenol의 농도를 5 μg/L이하로 정해 규제하고 있다 (법제처 수질오염기준, 2016).

참고문헌 (7)

Bagheri, H., Saber, A. & Reza Mousavi, S. (2004). Immersed solvent microextraction of phenol and chlorophenols from water samples followed by gas chromatography-mass spectrometry. Journal of Chromatography A, 1046(1), 27-33.

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Ballesteros, E., Gallego, M., & Valcarcel, M. (1990). Gas chromatographic determination of phenol compounds with automatic continuous extraction and derivatization. Journal of Chromatography, 518, 59-67.

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Faraji, H. (2005). $\beta$ -Cyclodextrin-bonded silica particles as the solid-phase extraction medium for the determination of phenol compounds in water samples followed by gas chromatography with flame ionization and mass spectrometry detection. Journal of Chromatography A, 1087(1), 283-288.

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Farhadi, K., Matin, A. A., Amanzadeh, H., Biparva, P., Tajik, H., Farshid, A., & Pirkharrati, H. (2014). A novel dispersive micro solid phase extraction using zein nanoparticles as the sorbent combined with headspace solid phase micro-extraction to determine chlorophenols in water and honey samples by GC-ECD. Talanta, 128, 493-499.

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Llompart, M., Lourido, M., Landin, P., Garcia-Jares, C., & Cela, R. (2002). Optimization of a derivatization-solid-phase microextraction method for the analysis of thirty phenolic pollutants in water samples. Journal of Chromatography A, 963(1), 137-148.

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Rodriguez, I., Llompart, M., & Cela, R. (2000). Solidphase extraction of phenols. Journal of Chromatography A, 885(1), 291-304.

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Saha, N., Bhunia, F., & Kaviraj, A., (1999). Toxicity of phenol to fish and aquatic ecosystems. Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology, 63(2), 195-202.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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