1992 한국분석과학회 제8회 총회(춘계) 및 학술발표회 특강

편집부(편집자) 한국분석과학회 1992 분석과학 Vol.5 No.2

인공지능을 이용한 전기화학 분석

김세호,조찬동,박준국,장지환 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

전기화학 분석은 바이오 진단 분야, 환경 분야, 배터리 분야, 방식 부식 분야 등에서 분석화학의 주요한 연구 주제가 되어왔다. 연구되어지고 있는 주제들은 용매에서의 산화환원 반응, 표면에서의 흡착 과정, 전자 전달의 동력학과 반응 기전, 이온들의 열역학, 전달 및 산화환원 반응물의 정량화 등을 포함하고 있다. 전기화학 분석 연구를 위해서는 전압과 전류 등을 제어하고 측정하기 위한 potentiostat 및 galvanostat 등의 실험장치가 필수적인데, 이들 장치가 크고 고가이며 실험의 준비 및 데이터의 확보과정이 번거로워 2010년대 초반부터 세계적인 open potentiostat 연구가 시작되어 작은 크기에 저가의 potentiostat 장치들을 개발하는 연구들이 활발히 진행되어왔다. 최근에는 수많은 연구기관들에서 다양한 형태의 potentiostat들을 발표하고 있고 그 숫자는 10여개 이상에 달하고 있으며 wireless한 데이터 전송 및 임피던스 측정 기능의 추가 등으로 개발 내용이 진화되어가고 있다. 본 연구에서는 자체 개발한 the-state-of-the-art 수준의 초소형 potentiostat 플랫폼을 활용하여 진단하고자 하는 타겟 물질의 정량화 작업을 고도화하였다. 이를 위하여 potentiostat가 가져야하는 저잡음 처리 및 입출력 전압/전류 측정의 고해상도화와 함께, 용이한 데이터 확보를 위한 센서 연결부위의 단순화, wireless한 측정 결과의 전송, 전송된 측정 데이터의 간편한 처리 도구들을 개발하였다. 이를 통하여 방대한 전기화학 실험측정 데이터의 확보가 용이하게 되었고 머신러닝과 딥러닝 등의 인공지능적인 데이터 처리에 충분한 전기화학 실험 데이터의 확보가 가능하게 되었다. 지금까지 전기화학 측정 데이터의 이용은 예를 들면 chronoamperometry 나 cyclic-voltammetry같은 방법에서 시간 혹은 전압에 따른 전류변화량과 같은 스펙트럼을 얻었음에도 불구하고, 평형 이후의 평균전류량만을 추출하거나, 피크 전류만을 추출하여 이용하는 제한적인 해석방법에 머물러 있었다, 측정 스펙트럼의 제한적 해석은 온도, 분석물질의 저항, 전극 이중층에서의 non-Faradaic 프로세스 등 다른 변수 효과에 대한 분석을 제약하여 전기화학 분석의 정확성과 유용성 확산에 장애물로 작용하여왔다. 이러한 문제에 대한 해결책을 구하는 실증적안 연구로서, 수십가지 포도당 샘플에 대하여 cyclic-voltammetry 방법으로 스펙트럼을 얻고, Principal Component Analysis (PCA), support vector machine (SVB), Gradient Boosting method (GBM) 등의 머신러닝 방법을 이용하여 새로운 전기화학 해석방법을 시도하였다. 더 나아가 딥러닝을 이용한 전체 스펙트럼의 분석연구를 시도하였다. 본 연구진이 세계 최초**라고 이해하고 있는 전체 스펙트럼의 딥러닝 해석은 머신러닝 방법보다 우수하며, 참값과 비교하여 98% 이상의 예측력을 나타내고 있을 뿐 아니라, 기존의 Calibration 절차를 생략할 수 있어, 전기화학 바이오 센싱 뿐만 아니라 전기화학 소재 개발 등 다양한 전기화학 분석에 이용될 수 있을 것으로 기대되어진다. (**patent pending)

이동 가능한 소형 근적외선 분광 분석기를 사용한 종이 기록물 내 산성도 및 함수율 분석에 대한 연구

이창영,이성욱,조원보,김효진,김찬봉 한국분석과학회 2012 분석과학 Vol.25 No.6

종이 기록물의 품질 평가에 있어서, 종이 내에 산성도와 함수율이 중요하다. 특히 중요한 종이기록물에 있어서는 현장에 가서 직접 측정해야 하는데, 현재의 종이 기록물의 품질 평가하는 ISO 표준분석 방법의 경우에는 파괴적인 방법이면서 현장에서 직접 분석하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 현장에서 직접 측정하면서 비파괴적인 방법으로 분석하기 위해서, 이동 가능한 소형 비파괴 분석기인 근적외선 분광 분석기를 사용하였다. 소형 분광기의 파장 대역은 900부터 1700 nm 파장 대역을 사용하였으며, 확산 반사형 광화이버를 사용하여 종이의 표면에 측정하였다. 그리고 1970 년대부터 2003년까지의 종이 기록물을 사용하여 산성도와 함수율을 측정하였다. 측정 결과는 산성도와 함수율이 각각 0.9이상으로 두 인자에 대한 높은 상관관계를 확인 하였다. 이로써 소형 근적외선 분광 분석기와 광화이버를 사용하여 이동하면서 종이 기록물의 평가 시스템 개발이 가능한 것으로 확인 되었다.

LC-UV/MS를 이용한 노닐페놀에톡실레이트와 알러지성 분산염료 동시분석 연구

이규성(Gyu Sung Yi),권정민(Jungmin Kwon),최충열(Choongyoul Choi),전진경(Jinkyung Jeon) 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

노닐페놀 에톡시레이트(이하 노닐페놀류)와 알러지성 분산염료(이하 알러지성 염료)는 어린이제품안전특별법과 전기용품 및 생활용품안전관리법에서 유 · 아동 및 성인용 섬유제품에서 각각 규제하고 있는 유해물질이다. 노닐페놀류는 미국 EPA, 유럽 ECHA 등에서 내부분비계 장애물질로 규정되어 관리되고 있으며 알러지성 염료는 인체 노출 시 피부염을 유발할 수 있고 일부 물질은 IARC에서 발암가능 물질로 규정되어 있다. 국내 공인시험기관에서는 해당 물질들의 함유량 분석을 위해 개별 KS규격에 따라 검사업무를 진행하고 있다. 다양한 색상 및 재질에 따라 안전성 검사를 진행해야하는 제조 · 수입업체들은 비용 및 기간에 대해 부담을 가질 수 있는 상황이다. 따라서 고성능 액체크로마토그래피-자외선분광/질량분석기(HPLC-UV/MS)를 이용한 동시 분석법 정립을 통해 해당 물질들의 검사비용 및 기간을 단축하고자 하였다. 노닐페놀류와 알러지성 염료 개별 KS규격에서 전처리 조건을 살펴보았다. 시료 준비, 추출 용매 그리고 초음파 추출 진행 온도는 동일하였으나 추출 시간에 있어서 차이가 존재하였다. 추출 시간은 알러지성 염료는 30분, 노닐페놀류는 60분이며, 본 동시분석법에서는 시료로부터 유해물질을 충분히 추출해 낼 수 있도록 추출 시간을 60분으로 설정하였다. HPLC-UV/MS(Agilent) 장비에 ZORBAX SB-C18 (2.1mm I.D x 100 mm Length, 1.8 μm) 컬럼을 사용하였고 이동상으로 10 mM ammonium acetate with 0.1 % formic acid와 acetonitrile with 0.1 % formic acid를 사용하였다. 설정한 동시분석 조건으로 분석결과 6개 섬유재질에서 노닐페놀류는 90.5 ~ 110.6 %, 알러지성 염료는 70.4 ~ 113.8 % 회수율을 확인하였고, 추가적인 유효성 검증을 위해 검출 샘플을 이용하여 공인시험기관과 검사결과를 비교해 보았다. 확인 결과 노닐페놀류는 5% 이내, 알러지성 염료는 8.2 % 이내의 편차를 확인할 수 있었다. 이렇게 정립된 동시분석법은 기존 개별 분석법 결과와 유의성이 없다는 것을 확인하였다. 섬유제품 안전관리의 법적 규제 항목인 노닐페놀과 알러지성염료의 동시분석 적용을 통해 제조·수입업체들에게 검사비용 및 기간에 대해 효율성을 높여 줄 수 있을 것이라고 기대된다.

ESI-MS/MS를 이용한 아실카르니틴과 아미노산의 정량분석

김호현,한상범,윤혜란,Kim, Hohyun,Han, Sang-Beom,Yoon, Hye-Ran 한국분석과학회 2001 분석과학 Vol.14 No.5

본 연구에서는 ESI-MS/MS를 이용해 혈액내에서 아실카르니틴과 아미노산을 신속하게 정량분석하는 방법을 개발하였다. 아실카르니틴과 아미노산은 3N butanolic hydrogen chloride를 사용하여 유도체화 과정을 거친 뒤 이중질량분석기로 분석하였다. 아실카르니틴은 precursor 85 ion scan을 사용하여 분석하였고, 아미노산들중 알라닌, 발린, 루신/이소루신, 메티오닌, 페닐알라닌, 타이로신, 아스파르트산, 글루탐산 등은 neutral loss 102 scan, 오르니틴과 시트롤린은 neutral loss 119 scan, 글리신은 neutral loss 56 scan, 아르기닌은 neutral loss 161 scan 그리고 아르기니노석시닉산은 product ion 459 scan을 사용하여 분석하였다. 이 방법은 일반적인 액체 크로마토그래피나 아미노산 분석기에 비해서 시료의 전처리가 비교적 간단하며, 높은 감도와 좋은 재현성을 보여주었다.

중성자방사화분석법에 의한 전자소재용 고분자수지의 불순물 분석법연구

윤윤열,조수영,이길용,양명권,심상권,정용삼 한국분석과학회 2004 분석과학 Vol.17 No.4

전자소재의 원료물질 혹은 보호물질에 사용되는 고분자수지내에 포함된 U, Th과 이들의 붕괴산물인 딸핵종과 같은 방사성 불순물이 있는 경우 전자소자의 오작동을 일으키는 주 요인으로 알려져 있으며, Na, Cl, Fe 등과 같은 이온성 불순물은 소자의 수명을 단축시키는 것으로 알려져 있어 극미량 무기불순물의 정확한 분석이 필요하다. NAA의 경우, 위와 같은 분석의 문제점인 시료전처리가 필요하지 않은 비파괴 분석이 가능하여 가장 적합한 분석법으로서 고분자수지중의 극미량 불순물 분석을 위한 시료 전처리법과 최적 분석방법을 개발하였다. 이 방법을 사용하여 전자소재의 밀봉보호재로 널리 이용되고 있는 에폭시수지와 페놀수지중의 극미량 무기 불순물을 분석기술을 개발하였으며, 그 결과 U, Th과 이온성 불순물인 Cl, Fe, Na 외에 20가지의 미량 무기불순물을 분석할 수 있었다.

연소 적외선 흡수법을 이용한 SiC계 내화물의 Total 및 Free Carbon 분석을 통한 SiC 정량분석

한홍현,김소영,정세훈 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

제철 공정서 사용되는 내화물은 산성, 염기성, 중성 등 다양하게 사용되고 있다. 그 중 SiC(Silicon Carbide, 탄화규소)계 내화물의 사용처는 제선 공정의 고로 및 제강 공정의 Ladle, 전로 등에 널리 사용되는 핵심 소재이다. SiC계 내화물의 장점으로 고온 및 Gas로 인하여 내화물이 침식 및 부식 방지로 내화물의 내구성이 향상된다. 이에 조업 조건에 맞는 SiC계 내화물 사용이 점차 늘어나고 있다. 이러한 SiC계 내화물의 SiC 성분은 사용 목적에 따라 6 % ~ 12 % 로써 엄격히 관리하고 있으며 이들의 신속하고 정확한 농도 분석은 매우 중요하다. 본 연구에서는 연소 적외선 흡수법을 이용하여 SiC 내화물 중 시료 전체 탄소량(Total Carbon)과 SiC 화합물 외에 존재하는 탄소량(Free Carbon)을 선택적으로 각각 분석하여 SiC의 Carbon양을 정량하여 SiC의 농도를 분석했다. 기존의 SiC 농도 분석은 연소용량법을 이용하여 샘플 내 Carbon을 CO₂로 산화시키고 포집하여 분석을 했다. 이런 산화 과정은 결과의 오차가 발생하고 샘플 당 분석 소요시간이 오래 걸리는 단점이 있었다. 본 기술에서는 고주파 가열로를 이용한 연소 적외선 흡수방법은 Free Carbon과 Total Carbon을 850도씨와 1800 도씨에서 각각 분석하고 그 차이를 통하여 SiC를 정량화 했다. NBS 112b 등 Carbon 표준물질을 이용하여 Carbon 농도를 정량화 하였다. SiC계 내화물 시료 분석결과 1% 이내 높은 반복 재현성을 확보하였다. 본 분석기술은 향후 제철 공정에서 신속한 내화물 중 SiC 화합물 정량 분석 기술로 활용될 예정이다.

식품 중 중금속(납) 분야 국가표준실험실 구축을 위한 측정불확도 추정

김나은,박예슬,이지안,이화정,구용의 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

식품 중 중금속(납) 분야 국가표준실험실 구축을 위하여 분석에 영향을 미치는 불확도 요인을 파악하고 측정불확도를 산출하여 분석결과의 신뢰성을 확보하고자 하였다. 측정불확도는 시험과정 중 발생 할 수 있는 불확도의 요인들을 추출하고 이에 대한 불확도 값을 산출하여 분석결과의 신뢰성 및 정확성을 향상시키는 것으로, 분석결과의 불확도를 예측하고 감소시킬 수 있는 대안이 될 수 있다. 숙련된 시험원이 공인된 방법으로 분석하더라도 시료 전처리, 기기분석 등의 요소로 인하여 일관된 분석결과를 산출하기는 현실적으로 매우 어려울 수 있다. 이에 따라 식품 중 납 시험결과의 신뢰도를 높이기 위해 시험용액 및 표준용액의 조제과정, 시료 무게 측정, 시료 반복 측정 등 전(全) 과정에서 불확도를 추정하였다. 시험은 납을 함유한 인증표준물질(certified reference material, CRM)을 이용하여 식품공전 9.1.1 납에 따라 분석을 진행하였으며, 전처리 및 기기분석을 통한 정량과정에 대하여 모델관계식을 설정하였다. 모델 관계식을 이용하여 각각의 불확도 요인에 대한 상대표준불확도(relative standard uncertainty, ur), 합성표준불확도(combined uncertainty, uc)를 산출하여 측정불확도를 추정하였다. 합성표준불확도는 검량선 작성: ur (CAL), 시료 반복 측정: ur (REP), 표준용액 조제: ur (STD), 시험 용액 조제: ur (V), 시료 무게 측정: ur (W) 등의 인자로 추정하였으며, 각 불확도 요인별 자유도 및 기여량을 산출하였다.

GC-MS와 GC-VUV를 이용한 먹는물 중 휘발성유기화합물분석법 비교연구

강혜림,고혁준,김은정,강경구 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

본 연구에서는 가스크로마토그래프를 활용한 먹는물 중 휘발성유기화합물 분석에 있어 검출기 종류에 따른 차이를 비교하고자 하였다. 먹는물수질공정시험기준 「ES 05601. 3c 휘발성유기화합물-헤드스페이스-가스크로마토그래피」를 준용하여 가스크로마토그래피-질량분석기(gas chromatography-mass spectrometry, GC-MS) 및 가스크로마토그래피-진공자외선분광기(gas chromatography-vacuum ultraviolet spectroscopy, GC-VUV)를 이용한 정도관리를 수행하였으며, 물 속의 휘발성유기화합물을 헤드스페이스법으로 전처리하여 분석에 적용하였다. 대표적 휘발성유기화합물로써 벤젠(benzene), 톨루엔(toluene), 에틸벤젠(ethylbenzene), 메타/파라/오쏘-자일렌(meta/para/ortho-xylene)을 대상으로 표준시료를 사용하였으며, 플루오로벤젠(fluorobenzene) 10 μg/L을 내부표준물질로 하여 내부표준법으로 정량분석을 수행하였다. 정도관리를 위하여 방법검출한계(method detection limit, MDL), 정량한계(detection limit, DL), 검량선의 결정계수(coefficient of determination, r²), 정밀도(precision), 정확도(accuracy)를 평가하였다. 검량선은 5 ~ 200 μg/L 범위에서 선형 작성하였고, 결정계수는 GC-MS 0.999 ~ 1.000, GC-VUV 0.995 ~ 1.000로 나타났다. 방법검출한계는 GC-MS의 경우 0.379 ~ 0.447 μg/L(메타/파라-자일렌은 합산 0.977 μg/L)로, GC-VUV의 경우 1.661 ~ 4.318 μg/L로 확인되었으며, 정량한계는 GC-MS의 경우 1.206 ~ 1.425 μg/L(메타/파라-자일렌은 합산 3.111 μg/L)로, GC-VUV는 5.290 ~ 13.753 μg/L로 나타났다. 각 성분 30 μg/L에 대하여 GC-MS 이용 정량분석 시, 정확도 100.0 ~ 103.3 %와 정밀도 0.0 ~3.3 %로 나타났으며, GC-VUV 이용 시 정확도 93.3 ~ 100.0 %, 정밀도 3.3 ~ 17.9 %로 확인되었다. 위 결과를 통해 GC-VUV 보다 GC-MS 이용 시 상대적으로 낮은 농도까지 양호한 정량 분석이 가능함을 확인하였다. 다만, 메타/파라-자일렌과 같이 질량 스펙트럼에 차이가 없는 이성질체는 GC-MS로 구별이 어려웠으며 GC-VUV로는 식별이 가능하였다. 질량분석기는 이온화된 질량 스펙트럼을 측정함으로써 데이터를 수집하므로 이성질체 구별에 어려움이 있으나, 진공자외선분광기는 파장대별 흡광 스펙트럼을 측정하므로 흡광 패턴 비교를 통해 이성질체 식별이 가능하다. 또한, 이러한 측정원리 차이는 진공자외선분광기 이용 시 수분에 의해 생길 수 있는 스펙트럼 방해를 방지하는 것으로 알려져 있다. 위의 결과를 종합할 때, 정량 감도와 정성 탐색의 일부 차이는 있으나 두 검출기 모두 물 속 휘발성유기화합물 분석에 이용 가능함을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 먹는물 중 휘발성유기화합물 분석에 관한 GC-VUV 이용 분석법과 공정시험기준에 따른 GC-MS 이용 분석법의 상호보완적 활용이 기대된다.

분석기기를 활용한 광물 판별 방법 간의 차이 및 상호 보완

최은철,구민호,성미나,노을,손형석 한국분석과학회 2021 학술대회논문집 Vol.2021 No.11

광물감정은 분석과 달리 정확한 수치로 광물이 판단되는 것이 아니라 광물에서 나타나는 다양한 특징을 고려하여 특정 광물로 감정한다. 광물을 판단할 때 주로 사용되는 분석장비는 편광현미경(투과 및 반사), X-선 회절분석기, 적외선 분광기(IR)가 있다. 본 연구는 광물 구분시 각각의 분석기기에 따른 장단점을 파악한 후 효과적인 상호 보완 방식을 제시하고자 하는 것을 목적으로 한다. 편광현미경의 경우 편광된 빛을 조사하여 광물을 투과하거나 반사시켜 굴절 또는 반사된 빛을 확인하여 색, 벽개, 소광각, 형태, 간섭상 등 다양한 특징을 확인할 수 있는 장점이 있는 반면, 암석의 특정 부분을 확인하는 방식으로 불균질한 암석 내에서 광물을 확인해야 한다는 점과 입자가 10 ㎛ 이하의 경우나 분상인 경우 제한적으로 확인 가능하다는 단점이 있다. X-선 회절분석기(X-ray diffractometer)의 경우 현미경과 달리 특정한 각도로 X-선을 조사하면 광물 내 격자간격에 따라 보강간섭이 일어나는 특징으로 광물을 식별하는 방식으로 분말 시료의 경우 균질성을 확보하기는 좋으며, 미립의 입자를 식별할 수 있는 장점이 있으나 백운모, 흑운모와 같이 유사한 격자구조를 가진 광물간 구분이 어려우며 주요하게 보강간섭이 일어나는 격자간격이 7Å, 10Å, 14Å 의 경우에는 해당되는 광물이 많아서 식별하기 힘들다는 단점을 가진다. 적외선분광기(Infrared spectroscopy)의 경우 IR을 시료로 조사하면 분자운동이 일어나며 분자운동이 일어나는 주파수 영역에 반응한 결과를 가지고 추정된 분자구조를 바탕으로 광물을 식별하는 방식으로 작용기가 있는 경우 함유 광물이나 탄산염 광물의 경우 구분이 유효하나 함수 규산염 광물인 점토나 운모류, 각섬석류를 제외한 무수 규산염 광물의 경우 식별을 할 수 없다는 단점이 있다. 또한 적외선 분광법 및 X-선회절 분석법은 빛을 조사하는 영역을 줄이고는 있으나 특정 광물이 아니 일정 영역에 대한 분석으로 둘 이상의 결과가 서로 영향을 준다는 단점이 있다. 광물을 판별하는 시료에서 각각의 광물의 입자경계가 육안으로 식별이 가능한 경우 현미경을 통한 분석이 우선 선택되어야 하며, 입자가 보이지 않는 경우 X-선 회절 분석이 우선적으로 시행되어야 하며 X-선 회절 결과 7Å, 10Å, 14Å에서 검출세기가 높게 나온 경우 편광현미경이나 적외선 분광기가 병행되어야 한다. 따라서 특정하고자 하는 대상 시료에 따라서 적합한 분석기기를 선택하는 것이 우선되어 야 하며, 경우에 따라 둘 이상의 분석기기를 이용하여 상호 결과를 보완해야 신뢰도 높은 광물 식별이 가능하다.