GC/MS 를이용한현장의유기미지시료분석 최인자 ( 원진노동환경건강연구소 ) 유기용제분석에는가스크로마토그래프 (GC)/ 불꽃이온화검출기 (FID) 를많이이용한다. 주로탄화수소화합물 (HCs) 이기때문에표준용액을이용하여정성및정량분석이어렵지않다. 그러나다양한화학물질이사용되는작업장에서간혹미지물질이발견되는경우도있으며, FID에서머무름시간 (RT) 만을이용하여어떤물질인지확인하기어려운경우도있다. 이러한경우에질량분석기 (Mass Spectrometer, MS) 를이용하면쉽고정확하게화학물질을확인할수있다. 이글에서는유기화합물의정성및정량분석이가능한 GC/MS의기본원리, 분리모드그리고다양한시료에서의활용방법에대해다루고자한다. Ⅰ. GC/MS 란? GC/MS 에서 MS는 Mass Spectrometer를의미한다. 질량분석기로해석할수있다. 또는 MSD 라고도하는데 Mass Selective Detector, 즉질량선택적검출기라고도한다. GC에연결되는 FID 또는 ECD 같은검출기의한종류라기보다는, 하나의독립된분석기기라고볼수있다. 일반검출기와달리 MS는미지시료중에포함된화학물질의정성분석이가능한것이가장큰특징이다. ⑴ 구성및원리 MS는 GC와별도로분리되어있으며컬럼으로연결된다 ( 그림 1). 컬럼에서분리된분자는진공상태의 MS에서이온화되어분자구조가깨지는데, 각물질마다고유한질량스펙트럼 (mass spectrum) 을가지게된다. 이를이용하여어떤성분인지알수있다. - 1 -
그림 1. GC/MS 모식도 MS 는크게 6 개부분으로구성되는데다음과같다 ( 그림 2). 1 Interface( 시료주입부 ) 2 Ion source( 이온발생원 ) 3 Analyzer( 질량에따른분리기 ) 4 Detector( 검출기 ) 5 Vacuum system( 진공장치 ) 6 Data system( 컴퓨터 ) 그림 2. MS 내부모식도 1 Interface( 시료주입부 ) MS로시료를도입하는부분이며, 압력을유지하는역할을하는곳이다. GC에서컬럼의한쪽이검출기와연결되는것처럼 MS 내의 ion source 까지컬럼이연결되어있으며, 온도도매우고온으로유지된다. 보통시료분 - 2 -
자는대기압에서진공상태로시료주입부를통해이동하게되는것이다. 2 Ion source( 이온발생원 ) Ion source, Analyzer 그리고 detector는펌프에의해진공상태로유지된다. 이온원은 GC 컬럼에서분리되어 interface를통해들어온분자를, 여기에서발생되는전자와충돌하여이온화시키는역할을한다. 따라서물질은양이온으로되는데, 어떤분자들은질량수가작은여러조각으로나누어진양이온이되기도한다. (Fragmentation). 분자를이온화시키는방법에는 EI(Electron Ionization) 와 CI(Chemical Ionization) mode가있다. EI는분자가전자에의해이온화되는방법으로, 일반적으로많이사용되는방법이다. EI(Electron Ionization) M+e - M + + 2e - (Ionization) M + A + +B (Fragmentation) CI mode는화학물질을사용하여물질의분자구조또는분자량을알아내는방법으로 Positive와 Negative 방식이있다. 화학물질로는메탄, 이소부탄및암모니아가스등을사용한다. ( 일반적인정성분석에서는 EI 모드를많이사용하므로여기에서는 CI에대한자세한설명은생략한다.) PCI(Positive Chemical Ionization) M+CH + 5 (MH) + + CH 4 ; M+1 M+C 2 H + 5 (M-C 2 H 5 ) + ; M+29 M+C 3 H + 5 (M-C 3 H 5 ) + ; M+41 NCI(Negative Chemical Ionization) ; Electron Affinities > 0.5eV(Halogen Compounds) M+e - M - 그리고이온화된이온들을다음공간으로이동시키는역할도한다. - 3 -
3 Analyzer( 질량에따른분리기 ) 이온원에서이온화되거나쪼개진양이온들은전자기장이형성되어있는 analyzer로이동된다. 전자기장에의해가속화된양이온은질량대전하비 (m/z) 에따라전기장또는자기장하에서분리된다. 즉 Analyzer에서는양이온을가속화시키는역할을하는데, Ion trap 과 Quadrupole 방식이대표적이다. 이는 MS를구입할때부터한가지방식 ( 보통 maker 회사에따라달라짐 ) 으로장착된다. Quadrupole은 4개막대로구성되어있으며, 여기에서 DC와 RF가지속적으로흐르게되고, 이온을선택적으로통과시키는것이다. 4 Detector( 검출기 ) 특정한질량대전하비 (m/z) 를가진이온의수를검출한다. 이온은셀수있는기구에의해감지되고, 이러한검출기의결과는증폭되어기록계에서기록되는데이렇게기록된것이질량스텍트럼이다. 5 Vacuum system( 진공장치 ) Ion source, analyzer 그리고 detector는진공으로유지시키는역할을한다. 최적의기기상태에서분석을하려면 MS내존재하는불순물을없애야하고, 분자의자유행로를최대한확보하기위함이다. 공기중포함되어있는질소, 산소및물등의성분은분석시불순물로작용할수있다. 진공을유지하기위해서는펌프가필요한데 Low vacuum과 high vacuum을유지하기위해 2대의펌프가필요하다. high vacuum은 10-3 ~ 10-6 torr 수준이며 turbo 또는 diffusion 펌프를이용한다. 그림 3. 진공펌프 6 Data system( 컴퓨터 ) 결과를정성하는데중요한기능을한다. 소프트웨어에는화학물질의분광학적자료가 DB화되어있다. 따라서시료에서얻은질량스펙트럼을 DB에있는스펙트럼자료와비교하여어느물질인지찾아내는것이다. 이 DB는 'library' 라고하며대상물질에따라다양한 library가필요하기도하다. 예를들면, 농약에대한 library가따로있기도하다. - 4 -
⑵ TIC(Total Ion Chromatograph) GC에서얻어지는결과는흔히 크로마토그램 이라고한다. MS도마찬가지로분석물질의피크를크로마토그램으로얻게되는데이를 TIC(Total Ion Chromatograph) 라고한다. TIC의각피크는개별적인 m/z에따라질량스펙트럼을나타내고있다. 즉 GC는시료와표준용액의크로마토그램에서머무름시간을이용하여어떤물질확인하는반면, MS는각피크의질량스펙트럼을이용하여어떤물질인지확인하는것이다. 따라서 GC 분석에서는분석물질의화학적조성에관한정보가없을경우물리 화학적성질이비슷하거나다른이유로컬럼에서분리되지못하고한개의피크로검출된다면모두같은물질이라고판단하는오류를범할수가있다. 그러나 MS에서는이러한오류를최대한줄일수가있다. 그림 4는 GC/MS 에서얻은 TIC이며그림 5는 5.3분과 11.6분에검출된피크의질량스펙트럼을나타낸것으로, library 검색을통해각각 ethyl acetate와 toluene임을확인한것이다. 그림 4. Total Ion Chromatograph - 5 -
그림 5. 피크의질량스펙트럼 ⑶ 분리모드 Scan mode와 SIM(Selective Ion Monitoring) mode로구분된다. 전자는정해진분자량의범위내에서분자의쪼개진모습을모니터링하는방법이다. DB 검색을통해서각피크에대해정성분석이가능하다. Scan mode가정성분석을위한것이라면, SIM mode는정량분석을위한 - 6 -
방법이다. 미리 scan mode로분석한후에 TIC에서대상피크의머무름시간과질량스펙트럼을알아내어, 선택되어진분자량을가진이온만을분석하는것이다. 분자량을선택함으로써 ECD 또는 NPD 정도의고감도를가질수있다. 그림 6에서보듯이 MS는범용적검출기로 sacn mode로분석할때에는적용범위가선택적검출기 (FID, NPD 등 ) 보다는낮다. 그러나 SIM mode를이용하여이를해결할수있다. 그림 6. 검출기의감도비교 따라서 SIM mode 를이용하면 PAH 및농약등분석이까다로운항목 들의분석도가능하다. ⑷ 검출기 vs GC/MS 검출기는분석대상물질에따라선택적으로사용된다. 가장흔히사용되는 FID는탄화수소화합물을, ECD는할로겐족화합물을검출하는데적합하다. 반면에 MS는모든화합물의검출이가능하다. 표 1에는 MS를포함한검출기의특징을나타낸것이다. 선택적검출기와비교하여 MS는최소검출한계가높은단점이있다. - 7 -
표 1. 검출기특징최소직선성종류형태선택적인화합물검출정도범위 Air/H2 불꽃에서이온화되는 FID 선택적 5pg C/sec 10 7 화합물운반기체와연전도도차이가 400pg C/ ml TCD 일반적 10 6 있는화합물 carrier ECD 선택적할로겐족화합물 0.1 pg Cl/sec 10 4 0.4pg N/sec NPD 선택적 N, P 포함하는화합물 10 4 0.2pg P/sec 20pg S/sec 10 3 FPD 선택적 P, S 포함하는화합물 0.9pg P/sec 10 4 MS 일반적모든화합물 10pg~10ng 10 5 Ⅱ. GC/MS 를이용한미지시료분석 MS 를이용하여다양한 matrix 의작업환경시료중정성및정량분석 에대해알아보자. ⑴ 정성분석 (=Scan mode) 시료 : GC와마찬가지로다양한전처리과정을거쳐서용매에녹아있는액체상태의시료이어야한다. 예를들면신너의경우는적절한용매 ( 이황화탄소, 메탄올 ) 에희석해야하며, 활성탄인경우는용매로추출해야한다. 시료의특성에따라적절한전처리장비와연결하는것도가능하다. 분석조건 : 컬럼, 오븐온도조건, 시료주입량, split ratio 등의분석조건을설정한다. 분석하고자하는대상이극성물질이면극성컬럼을, 비극성이면비극성컬럼을선택한다. 일반적인유기용제분석에는 VOC 전용컬럼을, PAHs는비극성컬럼 (1 또는 5 column) 이적절하다. MS 의진공유지 : 시료가진공상태에서이온화되기때문에가장 먼저진공상태로만들어야한다. 각제조회사마다적절한시간을권고하는 - 8 -
데, Agilent 사의 5973 MSD 경우는약 2 시간동안미리기기를켜서진공 상태로만든다. 그러나기기는켜놓을수록안정화가되기때문에하루전 에미리기기를켜두는것도좋다. MS의 tuning: MS에서 mass spectrum을얻기위해서수행되어야할첫번째과정이다. 정밀하고우수한 MS 데이터를얻기위해서는 MS 의여러가지기기적인 parameters를조절하여기기를 calibration 해주어야하는데, 이러한일련의과정이 tuning 이다. 이과정은기기를사용할때마다해주어야하며, tuning data를이용하여 MS 내의이온원의세척시기등을알수있다. EI mode인경우 MS 내부에 PFTBA(Perfluorotributylamine) 라는 calibration 시약을이용하는데, 최근에는이시약을이용하여자동적으로기기의 sensitivity를최대화시킨다. 시료분석 : GC와 MS가최적의상태이면분석조건으로시료를분석한다. 이는일반적인 GC 분석법과동일하다. 단 MS의조건에서는 mass spectrum을얻기위한분자량의범위를설정해주어야한다. 예를들면 3 0~500 amu로설정하며분자량이 30에서 500 사이에있는화학물질만분석한다. TIC: TIC의각피크는 mass spectrum을갖는데, 이 mass spectrum을컴퓨터내에있는 DB 혹은 library와비교하여정성하는것이다. 대부분소프트웨어에서예상되는물질을찾아주지만정성과정은분석자가담당해야할몫이다. Library는기기회사마다다를수있는데, 일반적으로 NIST(National Institute of Standards and Technology) 에서제공하거나, pesticide 용으로사용되는 reference library 등이있다. 피크확인 : 시료의분석결과얻은 mass spectrum 과 library 에있는 mass spectrum 을비교한다. 앞에서보여준그림 5 와 6 이이과정에해당된 다. - 9 -
⑵ 정량분석 (=SIM mode) 정량분석을위해서는가장먼저 scan mode로분석하여미시성분이어떤물질인지확인해야한다. 정성확인된물질의표준용액을구하여 scan mode의분석조건과동일한조건하에서분석하여 mass spectrum을얻은뒤동일한것인지확인하다. 두개의 mass spectrum이일치하면그스펙트럼에서특징적인 mass peak를 2-5개정도선택하여그들의질량을기록하고그피크의머무름시간을기록한다. MS의분석조건을설정한다음표준용액과시료를분석한다. 표준용액을이용하여검량선을작성한후에, 시료의면적을이용하여정량한다. ⑶ 미지시료분석 주로벌크나원액중미지성분을확인하기위한방법이다. 1 작업환경측정시료, FID 분석했는데처음보는피크가있다! 작업환경측정시료는 GC/FID 를이용하여분석이가능하다. 표준용액과시료를동일한조건하에서분석한후에, 머무름시간을이용하여어떤성분인지확인하고면적을이용하여정량한다. 시료와표준용액의머무름시간이일치한다면 MS를이용하여정성분석을따로할필요는없지만때때로필요한경우가있다. 그림 7은동일한시료를 GC/FID 와 GC/MSD 를이용하여분석한결과이다. 두크로마토그램의패턴이거의유사함을알수있다. 다만 GC/MS 와 FID에동일한성상의컬럼을사용하였으나길이, 내경등의차이가있어머무름시간은차이가있다. 그러나전체적인피크의패턴을이용하여정성이가능하다. 2 페인트, 신너등의원액시료성분분석원액중의성분분석이나 MSDS를확인하기위한과정에서는 GC/MS 분석이반드시필요하다. 이런경우에는 GC에주입하기알맞은형태로시료를처리해야한다. - 10 -
전처리 그림 7. GC/MS 및 GC/FID 의 chromatogram 비교 - 신너, 세척제등의투명한액상 : 이황화탄소또는메탄올등으로희석하여바로분석이가능하다. - 페인트처럼점성이있는시료 : 정량적인양을취하기기힘들기때문에바로용매에희석하는것은불가능하다. 이런경우에는일정량의무게를달아용매로희석한다. 또는무게를달아삼각플라스크에옮겨서밀봉한다음, 고온의핫플레이트위에서가열시킨다. 이때발생되는가스를활성탄으 - 11 -
로채취한후에이황화탄소를추출하여분석용시료로이용하는경우도있 다. 분석사례하나 OO 사업장에서한달에사용하는이형제의양이약 200 리터정도된다. 다들잘알겠지만만들고자하는제품이금형에들러붙지않도록해주기위해서이형제를사용하는데, 현장에서는이형제가어떤성분으로구성되어있는지아무도모르고있었다. MSDS( 물질안전보건자료 ) 에도영업상비밀을이유로성분및함량이표기되어있지않은상태였다. 산안부장님의바램은 (?) 이형제를 꼭 성분분석해서 어떤놈 인지알고자하는것이었으며그내용을조합원들에게공유했으면좋겠다는것과노출로인한건강영향을알았으면좋겠다는것이었다. 그래서성분분석을해봤다. 분석결과노말헥산, 톨루엔, 그리고자이렌등의방향족탄화수소가다량함유되어있었다. 더욱놀라운것은벤젠이 0.1 % 함유되어있었다는것이었다. 그동안발암성이있는이형제를사용하고있던것이다. - 12 -
OO 사업장에비치된이형제물질안전보건자료 이형제성분분석결과 (%) 노말헥산 1.3 벤젠 0.1 헵탄 11.1 메틸시클로헥산 5.4 톨루엔 3.3 옥탄 11.6 에틸벤젠 1.7 크실렌 3.2-13 -
분석사례둘 페인트의 MSDS 확인결과화학물질에대한정보가부족하다. 실제로 분석을통해서벤젠등을확인하였다. 3 공기중미지성분분석이필요한경우활성탄으로는정량적인평가가어려운경우또는단위작업에서발생되는유해물질에대한확인이필요한경우가있다. 예를들면, 용접을하는경우흄이외의가스상성분또는특히심한냄새가발생하는경우에어떻게확인하면좋을까? 짧은시간동안공기를채취하는것도중요하지만분석하는것도중요하다. 이런경우에사용할수있는방법이열탈착후에 GC/MS로분석하는방법이다. 최근관심이되고있는실내공기중휘발성유기화합물분석방법으로많이사용되고있다. 시료채취 : 활성탄이용매추출이며일회만시료채취가가능한반면에, 동일한흡착제튜브이지만열탈착법으로전처리하는방법이있다. 흡착제의종류가매우다양하다. 휘발성유기화합물채취에는주로 Tenax-TA 흡착제를사용하는데, 이는소수성이며탈착이쉽고 C 5 ~C 12 탄화수소화합물에적합하다. 그리고탄수소가 2~5개사이의저비점탄화수소화합물에 - 14 -
는 Carbosieve 계열의흡착제가적합하다. 전처리및분석 : 흡착관은고온에서탈착시켜야하는데열탈착용전처리장비가따로필요하다. 시료를탈착하면탈착된가스전량을 GC/MS 로분석한다. 흡착튜브는흡착된시료를탈착하거질소가스로세척만하면계속적으로시료채취가가능하다. 분석사례자동차부품을제조하는사업장. 엑슬조립작업부서에서냄새에대한불만을호소하였다. 실런트처리후에용접작업을하면서흄이발생되는데특히냄새가많이난다고하였다. 작업자들은그흄의냄새성분과건강영향에대해궁금하다고하였다. 노동조합에서는작업환경측정에서이문제를다루기로하였다. 용접작업이끝난후에흄이발생되는위치에서공기시료를채취하였다. 그리고대조군으로동일한시간대에외기의공기를함께채취하였다. 흄과외기의분석결과는뚜렷한차이를보였는데, 흄을분석한결과에서는여러가지유기물질이검출되었다. 특히 메틸에틸케톡심 이라는물질이많이검출되었다. 흄에어떻게이런성분이있을까? 그발생원을찾기위해사용물질의 MSDS를확인해본결과용접전에처리하는실런트에메틸에틸케톡심이포함되어있었다 ( 그림 8). 그리고이물질은피부자극성이큰물질이며, 약하지만유전독성과혈액독성을가진물질임을확인하였다. 따라서해당작업자는실런트를사용하는중에는피부노출을주의해야하며, 용접작업중호흡기노출에대한평가의필요성이생겼다. - 15 -
그림 8. 일반대기및흄의가스상화합물의비교 4 고체상벌크의성분분석이필요한경우고체상벌크에서유기성분분석이필요한경우는벌크자체보다는온도가가해졌을때발생되는가스상성분을확인하고자하는경우가많다. 일반상온에서는상관없지만온도나압력등의작업공정에따라유해물질이발생되기도한다. 분석사례타이어를만드는사업장. 원료와각종첨가제가사용되며공정에서온도및압력이가해지기때문에냄새가심하고가스상물질의발생이많다. 타이어원료인고무자체가매우다양한물질로구성되어있기때문에온도를가하게되면휘발성유기성분이발생된다. 따라서고무원료를공정온도와비슷한온도까지가열시킨후에발생되는가스상화합물을 GC/MS 로 - 16 -
분석하였다. Headspace-sampler를이용한전처리 : 바이엘에일정량의시료를넣은후에고온의오븐에서가열시키면가스상물질이휘발된다. 이때바이엘속가스상물질의농도는시료의농도와동일하다 ( 동적평형 ). 이때바이엘의온도조건은공정의온도와동일하게 140, 160 및 180 로하였다. 그림 9. Headspace sampler-gc/ms GC/MS 분석 : 전처리에서발생된가스는 GC 의주입구와바로연결되어 있어전처리후에바로컬럼으로주입되어분석된다. 결과 : 고무원료에서발생되는유기화합물의 TIC 는그림 10 과같다. 온도가 증가할수록발생되는가스상물질도증가하였다. 과같으며, 각피크의정 성결과는표 2 와같다. - 17 -
그림 10.. 고무원료를각온도별로가열했을때발생되는가스상물질의크 로마토그램비교 - 18 -
표 2. 온도별고무에서발생된가스상화합물 VOCs 검출여부 140 160 180 Ethanal + 2-methyl-1-propene Ethanol Acetone Furan Carbon disulfide 2,3-dimethyl-2-butene n-butanal 2-methyl furan 1-butanol Benzene Cyclohexene 1,4-dioxane Methyl isobutyl ketone Pyridine Toluene Ethylbenzene Cyclohexaneamine + Ethylbenzene m,p-xylene Cyclohexanol Styrene Cyclohexanone α-pinane N-butyl-1-butanamine Benzaldehyde Benzeneamine trans-pinane N-ethyl-benzeneamine 1-piperidinecarboxaldehyde α-terpineol Naphthalene - 19 -
표 2. 온도별고무에서발생된가스상화합물 ( 계속 ) VOCs 검출여부 140 160 180 Benzothiazole N,N-dibutyl-formamide Methyl benzothiazole Tetradecane N-(2,2-dimethylpropyl)-N-methyl-benzenamine 1,1'-Biphenyl Longicyclene Isolongifolene Junipene 7 1,2-Dihydro-2,2,4-trimethyl-quinoline 2,4-dimethyl-quinoline 2,3-dihydro1,3,3-trimethyl-2-methylene-1H-indole 4-Methyl-2,6-di-tert-butylphenol Total 19 30 42 5 SIM mode를이용하여다핵방향족탄화수소화합물분석 SIM mode는 GC/FID보다감도가좋기때문에분석이어렵거나농도가낮을것으로예상되는물질의분석에적합하다. 원액시료중 PAHs의경우는대부분 matrix가복잡하기때문에 FID에서분석하는겨우정성하기가매우어렵다. 그러나 SIM mode를이용하면원하는대상물질만선택적으로분석하기때문에 matrix의효과를최대한줄일수있으며감도도향상시킬수있다. PAH는비점이높기때문에분석시온도조건이약 300 고온까지올라간다. 따라서온도가증가함에따라 baseline도뜨는현상이나타난다. 그러나 SIM mode로분석할경우선택전질량에대해서만분석하기때문에 baseline의들뜸현상이거의나타나지않는다. - 20 -
그림 11. PAHs 의 Scan & SIM mode 의분석결과비교 16 종 PAHs 를대상으로하는경우각물질별대표적인질량대전하비 (m/z) 는표 3 과같다. - 21 -
표 3. PAHs(16종 ) 의질량대전하비 (m/z) NO. PAHs m/z 1 Naphthalene 128 2 Acenaphthylene 152 3 Acenaphthene 153 4 Fluorene 166 5 Phenanthrene 178 6 Anthracene 178 7 Fluoranthene 202 8 Pyrene 202 9 Benzo(a)anthracene 228 10 Chrysene 228 11 Benzo(b)fluoranthene 252 12 Benzo(k)fluoranthene 252 13 Benzo(a)pyrene 252 14 Indeno(1,2,3-c,d)pyrene 276, 278 15 Dibenzo(a,h)anthracene 276, 278 16 Benzo(g,h,i)perylene 276, 278 지금까지 GC/MS를이용하여다양한시료에서유기성분을분석하는방법에대해알아보았다. 단순히희석하는방법에서부터별도의전처리장비가필요한경우까지다양하였다. 화학물질의노출을평가하기위해서는 GC/FID 를이용하여정량하는것이대부분이지만필요한경우 MS를활용하여보다정확한화학물질을확인하는것도필요하며, 광범위한범위에서활용이가능하다. - 22 -