[논문]휘발성 유기화합물의 실시간 모니터링을 위한 휴대형 GC의 성능 평가

유동욱; 선영식; 오준식; 이봉윤; 김현식; 정광우

doi:10.5012/jkcs.2020.64.6.327

휘발성 유기화합물의 실시간 모니터링을 위한 휴대형 GC의 성능 평가
Performance Evaluation of a Portable GC for Real-time Monitoring of Volatile Organic Compounds 원문보기

대한화학회지 = Journal of the Korean Chemical Society, v.64 no.6, 2020년, pp.327 - 333

유동욱 (원광대학교 화학과) , 선영식 (원광대학교 화학과) , 오준식 ((주)다인템) , 이봉윤 (한국기초과학지원연구원 연구장비개발부) , 김현식 (한국기초과학지원연구원 연구장비개발부) , 정광우 (원광대학교 화학과)

초록
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대기 중 미량의 휘발성 유기화합물을 실시간으로 측정할 수 있는 휴대형 GC의 성능을 평가하였다. 휴대형 GC의 크기는 35 × 26 × 15 ㎤, 무게는 5 kg으로 소형·경량이고, 24 VDC, 1 A (최대 3.2 A)의 저전력을 소모하며 공기를 운반 기체로 사용하므로 별도의 가스 실린더를 필요로 하지 않는다. 벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌 1 ppmv와 20 ppmv 시료의 크로마토그램에 대한 피크 면적의 상대표준편차(RSD)는 각각 3.79%, 0.48% 이하이고, 머무름 시간의 RSD는 각각 0.40%와 0.08% 이하로 우수한 재현성을 보였다. 또한 방법검출한계(MDL)는 0.09 ppmv로 낮은 검출한계를 나타냈다. 길이 30 m, 내경 0.28 mm의 분리 컬럼을 사용하여 10분 이내의 측정 조건에서 구한 피크용량과 분해능은 다양한 혼합 샘플도 정량 및 정성 분석이 가능함을 입증하였다. 특히 27시간 동안 연속적으로 80회의 분석을 수행하였을 때 관찰된 크로마토그램의 피크 세기와 머무름 시간의 RSD가 각각 2.4%, 0.5% 이하로 좋은 재현성을 보였다. 따라서 본 연구의 휴대형 GC는 실내외 그리고 산업 현장에서 배출되는 휘발성 유해가스의 탐지는 물론 화학 물질의 유출사고에 대응하여 실시간 모니터링 할 수 있는 측정 장비로 활용될 수 있으리라 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Performance of a portable GC that can be utilized for the real time determination of volatile organic compounds in air was evaluated. It employs purified/compressed ambient air as the carrier gas eliminating the need for high pressure gas tanks. The compact system with dimensions of 35 × 26 × 15 ㎤ and weight of 5 kg is powered by either a 24 V DC external adapter or battery pack. Chromatograms of the mixture sample including benzene, toluene, ethylbenzene, and oxylene at concentrations of 1 ppmv and 20 ppmv represent a good reproducibility: 3.79% and 0.48% relative standard deviations (RSDs) for peak area variations; 0.40% and 0.08% RSDs for retention times. The method detection limit was 0.09 ppmv. A 30 m long, 0.28 mm I.D. column operated at an optimal condition yielded a peak capacity of 61 with good resolution for a 10 min isothermal analysis. The relative standard deviations (RSD) of the peak area variations and retention times during consecutive measurements over 27 h were less than 2.4%RSD and 0.5%RSD, respectively. Thus, this instrument makes it suitable for continuous and field analysis of low-concentration VOC mixtures in the indoor/outdoor environment as well as the spillage accident of hazardous chemicals.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. (a) Schematic diagram of a portable GC with ambient air as the carrier gas. Photographs of a portable GC showing (b) complete system with built-in tablet computer and (c) field mea-surements. EPC, electronic pressure control; PID, photoioniza-tion detector.
그림 Figure 2. Isothermal chromatograms of benzene (B), toluene (T), ethylbenzene (E), and o-xylene (o-X) measured with (a) a portable GC and (b) a benchtop GC/MSD. Operating condition is summarized in Table 1.
표 Table 1. Operating parameters of the portable and benchtop GCs.
그림 Figure 3. Calibration curves of benzene vapor ranging from 1 ppmv to 50 ppmv obtained from the portable and benchtop GCs.
그림 Figure 4. Stability test of a 4-component aromatic mixture for 7 consecutive measurements: (a) response peak intensity; (b) reten-tion time (■: benzene, ●: toluene, ▲: ethylbenzene, ★: o-xylene).
표 Table 2. Calibration data of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene in the concentration range of 1~50 ppmv.
그림 Figure 5. Isothermal chromatogram of a benzene (B), toluene (T), ethylbenzene (E), m-xylene (m-X), and o-xylene (o-X) mix-ture (5 ppmv each) at 50 ºC column temperature.
표 Table 3. Reproducibility of peak area and retention time (RT) of benzene, toluene, ethylbenzene, and o-xylene at concentrations of 1 ppmv and 20 ppmv
표 Table 4. Comparison of method detection limit (MDL) between the portable GC and benchtop GC
표 Table 5. Column efficiencies including retention factor, peak capacity, and resolution calculated from the experimental data of Fig. 5
그림 Figure 6. Stability test of a 5-component aromatic mixture for 80 consecutive measurements at an isothermal column temperature of 50 ºC and column temperature of 8 psig: (a) peak height intensity; (b) retention time ( □ : benzene, △: toluene, ○: ethylbenzene, ×: m-xylene, ▽: o-xylene).

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대기 중 VOCs의 상시 모니터링을 목적으로 개발된 휴대형 GC/PID의 성능 평가를 수행하였다. 이를 위해 한국기초과학지원연구원과 공동으로 대표적인 4가지 성분(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌)의 농도에따른 직선성과, 재현성, 검출한계, 그리고 분리능을 측정하고 이를 상용 GC의 성능과 비교하였다.

제안 방법

1 ppmv와 20 ppmv의 BTEX 시료를 각각 연속 7회 측정하여 휴대형 GC의 재현성을 평가하였으며 실험 조건은 Table 1과 같다. Fig.
1~50 ppmv 범위에서 5가지 농도의 BTEX 시료에 대한 휴대형 GC와 상용 GC (Agilent 7890B-5977A GC-MSD)의 크로마토그램을 비교하였다. 두 측정 장비의 실험 조건은 Table 1과 같다.
신뢰도 높게 계산할 수 있다. 1~50 ppmv 사이의 5개 농도 시료를 측정하고 피크 면적으로부터 검정곡선을 그린 후 직선성 결정계수를 구한다.
8%), o-자일렌 (HPLC grade, 98%), m-자일렌(anhydrous, ≥99%)의 고순도시료는 Sigma-Aldrich사에서 구입하여 혼합시료의 제조에 사용하였다. 5 L 또는 10 L 부피의 테들러 백에 점보 시린지(Restek, Cat #21276)로 고순도 공기를 채운 후, 액체 시료들을 마이크로 시린지(Hamilton, gastight syringe)로 계산된 양만큼 주입하여 50 ppmv의 고농도 BTEX 혼합물을 제조하였다. 상온에서 BTEX의 증기압은 각각 95.
0 mmHg로 1 기압 상태의 공기로 채워진 테들러 백안에서 쉽게 기화한다. 낮은 농도의 시료를 제작하기 위해 고순도 공기를 미리 채운 테들러 백에 고농도 시료를 일정량 넣는 방법으로 희석하여 20 ppmv, 10 ppmv, 5 ppmv, 1 ppmv의 시료를 제조하였다.
대표적 휘발성 유해물질인 BTEX를 대상으로 휴대형 GC의 성능을 평가하고 상용의 Agilent GC와 성능을 비교하였다. 1~50 ppm 범위의 5가지 농도에 대한 검정 곡선의 경우 휴대형 GC의 R²은 0.
분리 컬럼의 효율성 평가: 10분 이내에 BTEX를 모두 분리할 수 있는 실험 조건을 설정하여 분리 컬럼의 머무름 인자, 피크 용량 그리고 분리능 등을 평가하였다. 컬럼의 head pressure는 8 psig, 컬럼의 온도는 50^oC로 설정하였다.
앞서 설명한대로 검출기의 종류가 달라 두 장비에서 측정된 성분들의 상대적인 감도는 다르지만 시료의 농도가 증가함에 따라 피크의 세기도 비례하여 증가하였으며 검정곡선을 통해 농도의존성을 확인하였다. Fig.
컬럼의 head pressure는 8 psig, 컬럼의 온도는 50^oC로 설정하였다. 에틸벤젠과 가까운 머무름 시간을 갖는 m-자일렌을 포함한 5종의 BTEX 혼합물(각 5 ppmv)에 대한 분리능을 평가하였으며, 운반기체의 평균 유속을 측정하기 위해 소량의 클로로에틸렌(C₂H₃Cl) 화합물을 혼합기체에 추가하였다.
수행하였다. 이를 위해 한국기초과학지원연구원과 공동으로 대표적인 4가지 성분(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 자일렌)의 농도에따른 직선성과, 재현성, 검출한계, 그리고 분리능을 측정하고 이를 상용 GC의 성능과 비교하였다.
휴대형 GC의 재현성, 농도와 피크 면적에 대한 검정곡선, 검출한계, 분리 컬럼의 효율성 등을 평가하고 상용 GC와 대조하였다.

대상 데이터

6 eV)는 BTEX를 높은 감도로 검출할 수 있다.¹⁴ 벤젠(HPLC grade, ≥99.9%), 톨루엔 (anhydrous, 99.8%), 에틸벤젠(anhydrous, 99.8%), o-자일렌 (HPLC grade, 98%), m-자일렌(anhydrous, ≥99%)의 고순도시료는 Sigma-Aldrich사에서 구입하여 혼합시료의 제조에 사용하였다. 5 L 또는 10 L 부피의 테들러 백에 점보 시린지(Restek, Cat #21276)로 고순도 공기를 채운 후, 액체 시료들을 마이크로 시린지(Hamilton, gastight syringe)로 계산된 양만큼 주입하여 50 ppmv의 고농도 BTEX 혼합물을 제조하였다.
6 eV)로 구성된다. 모든 가스 흐름 경로에는 내경 1 mm의 stainless steel tubing을 사용하였다. 본 연구팀에서 자체 개발한 EPC는 proportional val.
환경부의 실내 공기질법에서 지정된 대상물질 17 종 중 VOCs의 대표적인 성분인 벤젠(B), 톨루엔(T), 에틸벤젠(E), 자일렌(X) 화합물 4 종을 선정하여 측정하였다.^{19, 20} BTEX 화합물은 이온화 에너지가 모두 9.
2 A를 사용하고, 컬럼의 온도가 안정된 후 1 A 이하 만을 소모한다. 휴대형 GC에 내장된 태블릿-PC(imuz, µPAD-W8ll)로 실험조건을 설정하고 측정 결과를 분석할 수 있다.

데이터처리

재현성의 평가지표로 분석결과의 신뢰도를 나타내는 상대표준편차(RSD)를 활용하였다.

성능/효과

Table 3에는 측정된 데이터의 평균값과 각각의 RSD 결과를 요약하였다. 1 ppmv 시료에서 가장 큰 피크 면적을 갖는 에틸벤젠의 RSD는 3.79%이지만, 다른 성분들은 모두 2.5% 이하의 비교적 좋은 재현성을 보였다. 또한 20 ppmv의 높은 농도 시료를 측정했을 때는 모든 성분들이 0.
19, 20 BTEX 화합물은 이온화 에너지가 모두 9.25 eV 이하이기 때문에본 연구에서 사용된 PID(10.6 eV)는 BTEX를 높은 감도로 검출할 수 있다.¹⁴ 벤젠(HPLC grade, ≥99.
999와 견줄 수 있을 만큼 좋은 직선성을 나타냈다. 20 ppmv 농도 BTEX 혼합시료에 대한 재현성 측정 결과 피크 면적은 0.48% 이하, 머무름 시간은 0.08%의 값을 가져 두 측정인자 모두 좋은 재현성을 가졌다. 방법검출한계 역시 휴대형 GC의 검출 한계가 0.
5와 동일하다. 가장 나중에 분리되는 o- 자일렌의 피크 세기가 2.4%의 RSD를 가졌고 나머지 성분들은 1.6% 이하의 값으로 계산되어 높은 재현성으로 정량 분석의 신뢰도를 가졌다. 더욱이 5분 이내에 검출되는 벤젠과 톨루엔의 경우에는 0.
2이다. 따라서 분리능이 1.5 이상이 되면 두 성분이 겹치지 않고 완전히 분리된다는 것을 의미하므로 본 평가를 통해 휴대형 GC는 방향족 VOCs의 성분 분리에 적합하다고 할 수 있다.
5% 이하의 비교적 좋은 재현성을 보였다. 또한 20 ppmv의 높은 농도 시료를 측정했을 때는 모든 성분들이 0.48%RSD 이하였으며 머무름 시간의 경우는 두 가지 농도에서 각각 0.40%RSD와 0.08%RSD 이하로 매우 훌륭한 재현성을 나타냈다.
2를 보였다. 또한 피크 용량 n_c는 61로 다양한 성분의 혼합 샘플에 대해서도 충분한 정량 및 정성 분석 능력을 가짐을 확인하였다. 현장 모니터링 장비로 적용성을 확인하기 위해 5 ppmv의 BTEX를약 27시간 동안 80회를 연속적으로 측정하였고 2.
비교한 것이다. 먼저 상용 GC로 BTEo-X 혼합시료 (각 20 ppmv)를 7회 측정한 피크 면적 값의 상대표준 편차로부터 벤젠(0.81 ppmv), 톨루엔(1.15 ppmv), 에틸벤젠 (2.09ppmv), o-자일렌(2.66 ppmv)의 방법검출한계 값을 얻었고, 실험 1의 결과를 바탕으로 1 ppmv 농도의 BTEo-X 혼합시료를 다시 7회 측정한 결과 벤젠(0.06 ppmv), 톨루엔(0.07 ppmv), 에틸벤젠(0.04 ppmv), o-자일렌(0.03 ppmv) 의방법검출한계 값이 얻어졌다. 휴대형 GC의 경우에도 동일한 실험 과정을 통하여 검출한계를 결정할 수 있었으며 그 결과는 벤젠(0.
9999 (상용 GC) 이었다. 벤젠뿐만 아니라 다른 성분들에 대해서도 상용 GC에서 측정된 R²는 0.999이고, 휴대형 GC는 0.997이상을 나타냄으로써 충분히 비교할 만한 성능임을 확인하였다(Table 2).
본 평가를 통해 휴대형 GC가 농축 샘플링 장치 없이 loop 샘플링 방법만으로도 ppmv 이하의 VOCs를 분석할 수 있는 신뢰성 높은 장비임을 확인하였다. 따라서 산업 현장에서 휘발성 유해물질을 실시간으로 모니터링 하는 장비로 활용될 수 있으며 화학 사고의 신속한 대응에도 기여하리라 판단된다.
또한 피크 용량 n_c는 61로 다양한 성분의 혼합 샘플에 대해서도 충분한 정량 및 정성 분석 능력을 가짐을 확인하였다. 현장 모니터링 장비로 적용성을 확인하기 위해 5 ppmv의 BTEX를약 27시간 동안 80회를 연속적으로 측정하였고 2.4%RSD 이하의 피크 세기 재현성과, 0.5%RSD 이하의 머무름 시간 재현성을 가져 측정 결과의 신뢰성을 높였다.
휴대형 GC의 분리 성능 평가를 통해 평균 유속 ū는 33.75cm/s, o-자일렌의 머무름 인자 k는 12, 에틸벤젠과 m-자일렌에 대한 분리능 R_s은 2.2를 보였다. 또한 피크 용량 n_c는 61로 다양한 성분의 혼합 샘플에 대해서도 충분한 정량 및 정성 분석 능력을 가짐을 확인하였다.

후속연구

높은 장비임을 확인하였다. 따라서 산업 현장에서 휘발성 유해물질을 실시간으로 모니터링 하는 장비로 활용될 수 있으며 화학 사고의 신속한 대응에도 기여하리라 판단된다. 특히 공기를 운반 가스로 사용하므로 별도의 가스 실린더를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 외장 배터리를 전원으로 사용할 수 있어 휴대형 분석 장비로 활용범위가 매우 클 것으로 기대된다.
따라서 산업 현장에서 휘발성 유해물질을 실시간으로 모니터링 하는 장비로 활용될 수 있으며 화학 사고의 신속한 대응에도 기여하리라 판단된다. 특히 공기를 운반 가스로 사용하므로 별도의 가스 실린더를 필요로 하지 않을 뿐만 아니라 외장 배터리를 전원으로 사용할 수 있어 휴대형 분석 장비로 활용범위가 매우 클 것으로 기대된다.

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http://www.cdc.gov/niosh/npg/npgd0049.html.

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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