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Solid Phase Microextraction과 Purge and Trap을 이용한 유기 휘발성 물질의 분석법 비교
김정숙 숙명여자대학교 대학원 2004 국내석사
This study is to compare the extraction method between solid phase microextraction(SPME) and purge and trap(P&T). This subject was discussed on the gas chromatography/mass spectrometry-selected ion moni- toring and gas chromatography /flame ionization detector analysis method of the most common volatile organic compound, also with the 14 species in water samples on the trace level. Not like the liquid-liquid extraction(LLE) or solid phase extraction(SPE), the SPME and P&T dont require processing other steps. Also these methods dont use organic solvents to extract. So they prevent from secondary polluting and can allow multiple. Initially, to optimize the extraction condition for SPME and P&T, this study used SPME/gas chromatography/mass spectrometry-selected ion moni- toring and P&T/gas chromatography/flame ionization detector. The optimized condition turned out to be as below. - SPME condition optimized to extraction temp- erature 20 ℃, extraction time 90 min, and desorption temperature 250 ℃ and P&T condition optimized to purge time 7min, dry purge 2 min.- Then this study compared the extraction efficiency for each method, ie, detection limit, linearity, recovery, and precision, using those methods(SPME and P&T). We found increased recovery using these methods as compared with existing methods(LLE, SPE etc.) 본 연구는 물 시료 중에 포함된 가장 일반적인 14 종의 휘발성 유기화합물에 대하여 고체상 마이크로 추출법(head static solid phase microextraction, SPME)과 기체 크로마토그래피/질량분석기-선택 이온 검색법(GC/MS-SIM)을 이용한 미량 분석법과 퍼지앤트랩(purge and trap, P&T)/GC/FID (flame ionization detector)를 이용한 미량 분석법을 비교하였다. SPME와 P&T는 기존의 용매 추출법(liquid-liquid extraction, LLE)과 고체상 추출법(solid phase extraction, SPE)와 달리 별도의 처리과정이 필요 없고, 유기용매를 사용 하지 않으며 반복사용 할 수 있으므로 비용의 절감을 가져올 수 있었고, 분석용 유기용매에 의한 2 차 환경오염이 없었다. 그러나 검출한계가 낮고, 회수율이 좋아 환경 시료 분석에 사용이 가능 하다. 100 ㎛ polydimethyl siloxane(PDMS) SPME-GC/MS-SIM법과 P&T/GC/FID의 효율을 비교하기 위하여 변수들의 최적화 실험을 하였다. SPME의 경우 추출 온도 20 ℃, 추출 시간 90 분, 탈착 온도 250 ℃고, P&T는 7 분간 퍼지한 후 2 분간 건조 퍼지하여 흡착시킨 후 4 분간 220 ℃에서 탈착하여 실험을 수행하였다. SPME/GC/MS-SIM법과 P&T/GC/FID법을 이용한 휘발성 유기화합물의 정량의 정확도, 회수율 및 검출 한계를 조사하였다. 휘발성 유기화합물 0.05 ㎍/l 의 물 시료를 SPME 및 P&T에 의해 추출을 수행한 결과 기존의 분석방법보다 회수율이 증가되었으며, 재현성이 증가하였고, 직선범위가 104 위수(位數)로 우수하였다. 두 방법 중에 자동화한다면 재현성을 증가시킬 수 있는 SPME/GC/MS-SIM법이 검출한계가 낮고 1 회 주입으로 정성 및 정량 분석을 할 수 있는 장점을 갖고 있으므로 환경오염물질 분석에 더 우수한 것을 알 수 있었다.
모세관 전기영동장치를 이용한 아미노산의 분석에 관한 연구
張在延 淑明女子大學校 大學院 2004 국내석사
아미노산은 우리 몸을 구성하는 중요한 성분으로 본 연구에서는 12개의 아미노산을 모세관 전기영동(Capillary Electrophoresis, CE) 장치를 이용해 분리하고 레이저 형광 유발법(Laser Induced Fluorescence, LIF)으로 검출하였다. 모세관 전기영동법은 분석이 빠르고 높은 분리도를 제공한다. 또한 형광 유발 검출기와 함께 쓰여 높음 감도와 적은 양의 분석 물질만을 필요로 한다. 그 결과 모세관 전기영동 장치는 생화학 물질의 분석에 많이 이용되고 있다. 모세관 전기영동은 전기장 내에서 전기영동적 이동도에 따른 분석 물질의 이동 속도 차이에 기인한다. 즉, 분석 물질은 각각의 전하와 크기(Charge to Size)에 따라 분리된다. 하지만 아미노산은 발색단을 갖고 있지 않기 때문에 CE 분석 시 전처리 과정이 필요하다. 본 실험에서는 Fluorescein isothiocyanate(FITC)를 아미노산에 도입하였다. 아미노산과 FITC의 합성은 5 mM의 pH 9.6 Borate buffer를 사용해 상온에서 16시간 방치하여 이루어졌으며, 과량의 FITC는 아미노산의 분리도를 낮추기 때문에 전체 아미노산 농도의 5배를 가하였다. FITC 치환된 아미노산은 25 ㎸ 전압이 걸린 57 ㎝ × 50 ㎛ I. D. 용융 실리카 모세관을 이용해 19 mM, pH 10.6 Borate buffer에서 분리하였다. 검출은 488 nm 아르곤이온(Argon ion) 레이저로 하였으며, 10^(-8) ~10^(-9) M의 검출 한계와 0.9999 이상의 좋은 상관 계수를 얻을 수 있었다. Amino acids are important constituents of most living organisms. This study is to separate the twelve amino acids by capillary electrophoresis with Laser Induced Fluorescence(LIF) detection. Capillary Electrophoresis(CE) has proven extremely useful in the of many biological substances. Because CE is fast and offers high resolution, and in combination with LIF it provides high sensitivity and requires only small amounts of samples. The separation in CE is based on the differents in the electrophoretic mobilities of analytes resulting in different migration velocities. The separation mechanism is primarily based on differences in solute size and charge at a given pH. But the lack of a strong chromophore for alphatic amino acids has certainly been one of the limitations in the analysis of most native amino acids by CE. In this Study, Fluorescein isothiocyanate(FITC) was used to dectection of amino acids. The condition for the derivatization of amino acids with FITC was proved to be optimal at room temperature for 16 h. 5 mM Borate Buffer at pH 9.6 was chosen as derivatization buffer. And the excess of FITC interferes with the separation and detection of amino acids. therefore FITC was added to give a 5 times higher than the total concentration of amino acids. The separations of FITC-amino acids were carried out in an uncoated fused silica capillary( 57 ㎝ × 50 ㎛ I.D. ) with a buffer of 19 mM borate at pH 10.6 and an applied voltage of 25 ㎸. The FITC-amino acids are detected by LIF detector with 488 nm argon ion laser. The detection limits of 10^(-8)~10^(-9) M amino acids were obtained. And the correlation coefficient of Amino acids were more than 0.9999.
비소와 관련된 독성이 널리 알려지면서 시료에서 총 비소의 정확한 측정이 식품 안전에 중요한 문제가 되었다. 비소의 독성이 화학적 형태에 의존하기 때문에 비소로 인한 독성을 평가하기 위해서는 비소화학종 분리 및 분석을 수행 할 필요가 있다. 그러나 시료의 총 비소가 비소화학종의 최대 허용치 이하의 미량인 경우 총 비소의 양으로 독성 평가에 만족스러운 결과를 얻을 수 있다. 본 연구에서는 이온 크로마토그래피-유도결합플라즈마 질량분석기를 이용하여 쌀과 굴의 비소화학종을 확인하고 시료에 존재하는 비소화학종을 고려하여 시료에 총 비소농도를 분석하였다. 일반적으로 총 비소의 표준용액은 As(V)에 의해 만들어졌다. 실험에서 사용한 비소화학종은 As(V), As(III), MMA, DMA 및 AsB이고 화학적 형태에 따라 감도가 변하는 것으로 밝혀졌다. 그렇기 때문에 시료의 주요 비소화학종이 As(V)인 경우에는 정확한 정량이 될 수 있지만 시료에 주요 비소화학종이 As(V)가 아닌 경우 정확도는 비소화학종마다 다른 감도로 인해 신뢰할 수 없다. 따라서 비소화학종의 표준용액을 신중하게 선택해야한다. 이 연구는 시료 내의 총 비소의 양이 다른 비소화학종의 표준용액에 의해 잘못 얻어진다는 것을 보여주었다. 또한 현재 연구되고 있는 총 비소의 분석에서는 비소화학종을 고려한 연구는 없었다. 또한 쌀과 굴의 모체효과를 보정하기 위한 내부 표준물도 조사 하였다. 그중 모체효과를 가장 잘 보정하한 최고의 내부 표준물은 Tellurium (Te)이다. Accurate measurement of total arsenic in a sample has been important as the toxicity related to the arsenic element has been widely known. Total amount of arsenic in a sample has been critical, but the chemical species of arsenic has also been very critical because their toxicity depend on the chemical forms. However, if the total arsenic in a sample is in trace level below the allowance maximum of any arsenic species, the quantitation of total arsenic might be satisfactory. For the quantitation of total arsenic in a sample, arsenic species in a sample have been not considered as far as we know. In general, the standard solution of arsenic has been made by As(V) standard. It might be good for the sample which its major species are As(V). But, if the major species of arsenic in a sample are different from As(V), the arsenic species of the standard solution for calibration curve must be deeply considered. This study showed the amount of total arsenic in a sample could be falsely obtained by the standard solution of different arsenic species. The different arsenic species used in this study were As(V), As(III), MMA, DMA and AsB. The internal standards for the determination of total arsenic in rice and oyster were also investigated in this study. The best internal standard was Tellurium.
이온쌍-역상 크로마토그래피와 원자분광법을 이용한 무기 비소 분석법
The toxic and biological effects of arsenic species vary with the different chemical forms in a sample. Anion separator columns have been mainly used for the arsenic speciation in a sample. In this work, ion-pairing reversed phase column was investigated for the arsenic speciation in a seaweed, seafood and rice. The different chemical species of arsenic elements were separated by ion-pairing reversed phase chromatography, then the separated species were selectively detected by inductively coupled plasma atomic emission spectrometry/mass spectrometry. As(Ⅲ) and AsB species were not separated in the chromatogram because the species have the same retention times, thus As(Ⅲ) should be oxidized to As(Ⅴ). Total of inorganic arsenics could be determined by ion-pair reversed-phase column. The analytical method can be used for the determination of harmful inorganic arsenics in various samples. In this study, seafood(red snow crab, octopus minor, sea squirt) and seaweed(hizikia, sea mustard, green laver) were investigated with the analytical method. The major arsenic species in a sea squirt and sea mustard was arsenobetaine(AsB). Inorganic arsenic species was detected in sea squirt and rice, and hizikia, and their concentrations were 55.3 ± 12 μg/kg, 97.4 ± 5 μg /kg, 33.8 ± 2.0 mg/kg, respectively. The results were comparable with those obtained by anion separation columns in the previous studies. 본 연구에서는 기존의 비소 화학종 분리에 사용되는 이온교환 컬럼 대신에 액체 크로마토그래피에서 많이 사용하는 C-18 역상 컬럼을 사용하여 비소 화학종 분리 및 정량분석법을 개발하는데 중점을 두었다. 이온쌍-역상 컬럼에 사용한 이온쌍 시약은 수산화 테트라부틸암모늄(TBAH, Tetrabutylammonium hydroxide)이고, 용리 분배(gradient eluent program)를 통해서 이온쌍-역상 크로마토그래피로 비소 화학종을 분리하였다. 그렇지만, 크로마토그램에 As(Ⅲ)와 AsB이 같은 머무름 시간을 가지므로 As(Ⅲ)을 과산화 수소를 사용하여 As(Ⅴ)로 산화시켜 무기 비소(As(Ⅲ), As(Ⅴ)) 가 같은 머무름 시간을 가지게 하였다. 그래서 인체에 유해한 무기 비소를 정량 하는 것을 목표로 하였다. 그리고 해산물, 해조류 및 쌀 시료에 포함되어 있는 비소 화학종들을 추출하기 위해서 최적화된 방법을 사용하였다. 해산물과 해조류에 포함 되어있는 비소 화학종들을 추출 할 때에 메탄올:물(1:1 v/v)을 추출용매로 사용하여 초음파 분산기로 추출하는 것이 최적의 조건이었고, 쌀에 포함 되어있는 비소 화학종들을 추출할 때에는 식품의약품안전처의 쌀 중 무기 비소 시험법(입법행정예고)인 말론산을 이용한 추출을 하였다. 각 비소 화학종들을 이온쌍-역상(IPRP) 크로마토그래피로 분리한 후 ICP-AES/MS로 검출하였다. 본 연구에서 해산물(홍게, 낙지, 멍게)과 해조류(파래, 톳, 미역) 및 쌀 시료에 포함된 비소 화학종들을 정량분석 하였을 때, As(Ⅲ) 이외의 비소 화학종들은 머무름 시간이 변화하지 않았고, 비소 화학종의 재현성 및 회수율이 좋았다. 본 연구에서 조사된 해산물에는 독성이 거의 없는 AsB(arsenobetaine)이 검출되었고, 홍게에서(180 ± 11 mg /kg) 가장 많이 검출되었다. 톳과 멍게에서 무기 비소가 존재하며, 그들의 농도는 각각 33.8 ± 2.0 mg/kg 55.3 ± 12 μg/kg 이였다. 파래에는 비소 화학종들이 존재 하지 않았고, 쌀에는 주로 무기 비소가 존재하며, 그 농도는 97.4 ± 5 μg/kg 이었다.
Fine particulate matter (PM2.5, aerodynamic diameter ≤ 2.5 μm), which is generated and suspended in the air due to its small particle size, has a complex composition of organic, inorganic salts, and heavy metals. In addition, PM2.5 are generated by various factors (location, weather, temperature, humidity, etc.), so a large number of data are required for accurate data interpretation. Thus, the analysis of PM2.5 data, which requires complex mixtures and large-scale studies, is difficult to interpret. Therefore, in this study, an negative mode-Atmospheric pressure chemical ionization Fourier transform-ion cyclotron resonance mass spectrometer ((-)APCI FT-ICR MS) coupled with ultra performance liquid chromatography (UPLC) was used to investigate the differences in the complex organic components of PM2.5 by region and season, and artificial neural network (ANN) regression and classification analysis were applied for data interpretation. To build the methodology, Chapter 2. ANN regression analysis and validation using Visible/near-infrared (NIR) spectroscopy data and metadata, Chapter 3. correlation ANN regression analysis between mass spectrometry data and metadata, and Chapter 4. ANN classification analysis using mass spectrometry data were performed. In Chapters 5. and 6., the methods optimized and built in Chapters 2. to 4. were used to analyze seasonally collected PM2.5 samples from three megacities (Ulaanbaatar, Beijing, and Seoul), in order to compare and classify PM2.5 mass spectra across regions. In Chapter 5., the ANN regression analysis was performed on 85 PM2.5 samples collected during winter (total of 340 UPLC (-)APCI FT-ICR MS spectra with 4 replicates per sample) and PM2.5 mass concentrations to determine chemical specific to the composition of PM2.5 in each region. The ANN regression analysis based on UPLC (-)APCI FT-ICR MS data showed that aliphatic/lipid-derived organic sulfur oxides and polycyclic aromatic organic oxides characterized the compounds in Ulaanbaatar's PM2.5. In Beijing and Seoul, aliphatic/lipid-derived organic oxides were the major components of PM2.5. To further analyze the differences in PM2.5 composition between regions, nine samples with high PM2.5 mass concentrations in each region were selected and subjected to ANN classification analysis based on UPLC (-)APCI FT-ICR MS data (total of 27 PM2.5 samples, 108 UPLC (-)APCI FT-ICR MS spectra). Aliphatic/lipid-derived organic sulfur oxides and polycyclic aromatic organic oxides were the specific chemical species that distinguished Ulaanbaatar PM2.5 from the other two regions, and coal/biomass combustion was identified as the main source of PM2.5 in Ulaanbaatar. In contrast, aromatic organic nitrogen oxides were the chemical species that distinguished PM2.5 in Beijing from the other regions, and emissions from diesel-powered heavy-duty trucks and buses were the specific pollutant source of PM2.5 in Beijing. In addition, aliphatic/lipid-derived oxides were characteristic compounds in the Beijing and Seoul PM2.5, which are typical of chemical species produced by petroleum combustion. In Chapter 6., the ANN classification analysis based on UPLC (-)APCI FT-ICR MS data of PM2.5 samples from the three megacities of Ulaanbaatar, Beijing, and Seoul collected in summer and winter was performed to analyze the differences in the complex organic composition of PM2.5 in each region by season (total of 173 PM2.5 samples, 692 UPLC (-)APCI FT-ICR MS data). Polycyclic aromatic organic oxides were detected as specific chemical species in winter PM2.5 in all three regions. In addition, aliphatic/lipid-derived organic sulfur oxides were found to be a distinct compound in Ulaanbaatar winter PM2.5 compared to the other regions. In contrast, aliphatic/lipid/lignin/protein-derived organic oxides were found to be the distinctive chemical species in summer PM2.5 from all three regions. Polycyclic aromatic organic nitrogen oxides in summer PM2.5 from Ulaanbaatar and unsaturated organic nitrogen oxides in summer PM2.5 from Seoul were the compounds that differed from the other regions. Overall, it was confirmed that winter PM2.5 was generated by fuel combustion such as coal and petroleum (polycyclic aromatic organic compounds), and summer PM2.5 was generated by natural ecosystem activities (lipid, lignin, and protein-derived compounds), with detailed differences depending on regional characteristics. Based on UPLC (-)APCI FT-ICR MS and ANN analysis, this study provided a comprehensive understanding of the constituent organic compounds and sources of PM2.5 in the three regions, focusing on the analysis of organic chemical differences in air pollution by region/season. This study is the first to apply ANN models to large-scale ultrahigh resolution mass spectrometry datasets and can provide molecular-level information on complex organic compounds in PM2.5. Overall, this study is expected to contribute to a better understanding of the sources and composition of PM2.5 in Northeast Asia and the formation of secondary organic aerosols, which are essential for developing effective strategies to reduce air pollution and improve public health. 작은 입자크기로 대기환경에서 생성 및 부유하는 초미세먼지 (공기역학적 직경 ≤ 2.5 μm)는 유기, 무기염, 중금속 등 구성성분이 복합적이다. 또한, 초미세먼지는 다양한 요인 (발생지역, 날씨, 기온, 습도 등)에 의해 생성되므로 정확한 데이터 해석을 위해 많은 데이터 개수가 요구된다. 따라서, 복합 혼합물 및 대규모 연구가 요구되는 초미세먼지 데이터 분석은 해석에 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 지역/계절별 미세먼지 구성 복합 유기성분 차이 규명을 위해 초고성능 액체 크로마토그래피 (UPLC)와 결합된 음이온 모드 대기압화학이온화 퓨리에 변환 이온 싸이클로트론 공명 질량분석기((-)APCI FT-ICR MS)를 활용해 분석했으며 데이터 해석을 위해 인공신경망 (ANN) 회귀분석, 분류분석을 적용했다. 분석법 구축을 위해, 2장) 근적외선 스펙트럼과 메타데이터를 이용한 회귀분석 및 검증, 3장) 질량분석 데이터와 메타데이터 간의 상관관계 회귀분석, 4장) 질량분석 데이터를 이용한 분류분석을 수행했다. 5장과 6장에서는 2 − 4장에서 최적화 및 구축한 분석법을 활용해 계절별로 수집된 메가시티 세 지역 울란바토르, 베이징, 서울 초미세먼지 시료를 분석해 지역 간 초미세먼지 데이터 비교 및 분류분석을 수행했다. 5장에서는 각 지역 초미세먼지 구성 특이 화학종 규명을 위해 겨울철 수집된 85개 시료, 340개 UPLC (-)APCI FT-ICR MS 데이터 (시료당 4반복 실험)와 초미세먼지 질량 농도의 ANN 회귀분석을 수행했다. UPLC (-)APCI FT-ICR MS 데이터 기반 ANN 회귀분석 결과, 지방족/지질 유래 유기 황산화물, 다환 방향족 유기 산화물이 울란바토르 초미세먼지 구성 화합물의 특징임을 알 수 있었다. 반면, 베이징과 서울에서는 지방족/지질 유래 유기 산화물이 초미세먼지 구성 주요 성분이었다. 또한, 지역 간 초미세먼지 구성 복합 유기성분 차이 해석을 위해 각 지역별 초미세먼지 질량 농도가 높은 9개 시료를 선정해 UPLC (-)APCI FT-ICR MS 데이터 기반 ANN 분류분석을 수행했다 (총 27개 시료, 108개 질량분석 데이터). 지방족/지질 유래 유기 황산화물과 다환 방향족 유기 산화물이 울란바토르 초미세먼지가 다른 두 지역과 구분되는 특이 화학종이었으며 울란바토르는 석탄/바이오매스 연소가 주 에너지원으로 미세먼지 발생 주요 오염원으로 확인되었다. 반면 베이징의 경우, 방향족 유기 질소산화물이 다른 지역과 구별할 수 있는 화학종으로 디젤 구동 대형 트럭과 버스의 배출가스가 베이징 미세먼지 발생 특정 오염원임을 알 수 있었다. 더불어, 베이징과 서울 초미세먼지는 지방족/지질 유래 산화물이 특징적인 화합물로 나타났으며, 이는 석유 연소 시 발생하는 대표 화학종이다. 6장에서는 계절에 따른 각 지역 초미세먼지 구성 복합 유기성분 차이 해석을 위해 여름/겨울별로 수집된 3개 메가시티 울란바토르, 베이징, 서울 초미세먼지 시료의 UPLC (-)APCI FT-ICR MS 데이터 기반 ANN 분류분석을 수행했다 (총 173개 시료, 692개 질량분석 데이터). 겨울철 초미세먼지에서 세 지역 모두 다환 방향족 유기 산화물이 특이 화학종으로 검출되었다. 더불어, 울란바토르 겨울철 초미세먼지는 지방족/지질 유래 유기 황산화물이 다른 지역과 구분되는 화합물로 나타났다. 반면 세 지역 여름철 초미세먼지 모두, 지방족/지질/리그닌/단백질 유래 유기 산화물이 겨울철 초미세먼지와 구분되는 특이 화학종으로 나타났다. 여름철 울란바토르 초미세먼지는 다환 방향족 유기 질소산화물, 여름철 서울 초미세먼지는 불포화 유기 질소산화물이 다른 지역과 차이가 나타나는 화합물로 나타났다. 종합적으로, 겨울철 초미세먼지는 석탄, 석유와 같이 연료 연소에 의한 발생 (다환 방향족 유기 화합물), 여름철 초미세먼지의 경우 자연 생태계 활동에 의한 발생 (지질, 리그닌, 단백질 유래 화합물)임을 알 수 있었으며 지역 특성에 따라 세부 차이가 나타남을 확인했다. 본 연구는 UPLC (-)APCI FT-ICR MS 및 ANN 분석을 기반으로 지역/계절에 따른 대기오염의 유기화학적 차이 분석에 중점을 두고 세 지역 초미세먼지의 구성 유기 화합물 및 발생원에 대한 포괄적인 이해를 제공했다. 이 연구는 ANN 모델을 대규모 초고분해능 질량분석 데이터세트에 적용한 최초의 사례이며 초미세먼지 간 복합 유기 화합물에 대해 분자 수준의 정보를 제공할 수 있다. 전반적으로, 이 연구는 대기오염을 줄이고 공중보건을 개선하기 위한 효과적인 전략 구상에 필수적인 동북아 초미세먼지 출처와 구성 및 2차 유기 에어로졸 발생에 대한 더 나은 이해에 기여할 것으로 기대한다.