2.1 표준용액 및 재료

분석항목은 국내 퇴적물측정망의 분석항목과 동일한 12종을 선정하였으며 그 항목은 Table 1에 나타내었다. 분석법 비교를 위한 IS 2종은 Table 2와 같다. VOCs 표준용액(S-25726- R24)과 IS은 Accustandard사에서 구매하였다. pH를 낮춰 VOCs의 휘발성을 감소시키기 위한 전처리 시약인 황화수소나트륨(Sodium Bisulfate, NaHSO4, Junsei, EP) 1 g을 DW 5 g가 담긴 헤드스페이스용 20 mL 바이알(Agilent, screw cap)에 넣어 준비하였다. 여기에 매질의 영향을 파악하고자 일부 바이알에는 분석용 DW 5 g과 일부 바이알에는 분석용 CS를 5 g을 추가하였다. CS는 채취한 모래질의 퇴적물을 다음의 방법으로 정제하여 사용하였다. 모래질의 퇴적물을 건조기(WOF- 155, 대한과학)에서 100°C로 2시간 동안 수분을 건조하고 회화로(F-63, 대한과학)를 이용하여 550°C에서 4시간 동안 태워 유기물을 제거하였다. 이를 가속용매추출기(Dionex ASE 350, Thermo)를 사용하여 아세톤, 헥산으로 세척하고 다시 회화로 550°C에서 2시간 이상 태워 잔류유기물과 아세톤과 헥산을 제거하였다.

2.2 퇴적물 VOCs 분석시스템 조건

장비는 가스크로마토그래피질량분석기(GC/MS, 7890B/5977A, Agilent)를 사용하였다. 전처리로 스태틱 헤드스페이스(7697A, Agilent)법을 이용하여 시료 내 VOCs를 예열, 혼합, 안정화 과정을 통해 헤드스페이스바이알을 공기층으로 추출한 상부기체를 사용하였다. 이를 자동주입기로 DB-624(Agilent, 60 m × 0.250 mm, 1.4 μm) 컬럼이 장착된 GC/MS에 주입하였다. 헤드스페이스법과 GC/MS 운영의 세부 조건은 Table 3과 Table 4에 기술하였다.

2.3 퇴적물 VOCs 분석방법

2.3.1 헤드스페이스 부피변화에 따른 검출 농도변화를 확인하기 위하여 표준용액은 각각 20 µg kg-1이 되도록 첨가하고 DW와 CS의 시료 5 g이 담겨있는 바이알에 DW를 단계적으로 1~5 g 증가시켜 헤드스페이스 공기층의 부피를 감소되게 하여 차이를 확인하였다.

2.3.2 시료채취에서 분석까지 온도 영향을 파악하기 위해 14일간 냉장보관(4±5°C), 이동시간(10±5°C), 상온(20±5°C)에 따른 VOCs의 농도변화를 확인하였다. 이 때 12개 분석항목에 대해 다른 매질인 DW, CS, RS에 표준용액 5 µg kg-1을 첨가하여 분석하였다.

2.3.3 매질의 영향과 IS의 효과를 확인하기 위한 방법으로 DW와 CS에 표준용액의 농도가 2 µg kg-1이 되도록 주입하고, 두 종류의 IS 2종(FBZ, ODCB)을 주입한 것과 주입하지 않은 시료를 7개씩 제조하였다. 이를 분석하여 매질에 따른, 그리고 IS 종류와 주입 여부에 따른 정확도와 정밀도, 방법검출한계, 정량한계를 계산하였다. 이 경우에는 표준물질을 DW와 CS에 단계별로 0~10 µg kg-1농도가 되도록 하여 검량선을 작성하였다.

2.3.4 실제 퇴적물에서 IS의 적용을 확인하고자 하였다. RS의 경우 현장에서 채취한 점토, 실트가 높은 퇴적물을 이용하였다. 앞선 실험과 동일하게 RS에 표준물질의 농도가 2 µg kg-1가 되도록 주입하고, IS의 주입여부에 따른 회수율과 정밀도를 비교하였다.

2.4 정도관리 계산방법

정확도는 시험⋅검사 결과가 얼마나 참값에 근접하는가를 나타내며 회수율(Recovery, % R)로 표현되는 것으로 시료의 매질로부터 시험⋅검사 결과 값이 참값 또는 기지의 첨가농도와 차이가 나지 않을 때 측정하여 평가한 것으로 평균값을 보고 참값과 비교하여 나타낸다.

정밀도는 실제 참값과 반복 시험⋅검사한 결과의 일치도, 즉 재현성을 의미하며 일반적으로 이중/반복 실험에서 얻은 자료의 상대표준편차(Relative Standard Deviation, RSD)로 표현된다.

여기서, δ는 표준편차, χ는 평균을 의미한다.

방법검출한계(Method Detection Limits, MDL)는 매질에 포함된 측정 대상 물질을 검출할 수 있는 최저농도로 다양한 매질 종류에서 측정항목이 포함된 시료를 시험방법에 따라 시험⋅검사한 결과가 99% 신뢰 수준에서 0보다 확실히 큰 최소 농도이다.

여기서 계수 3.143은 7개 시료에 대한 98% 신뢰도(one side 99% 신뢰도)이며, 시료의 개수(n)와 신뢰도에 따라서 계수는 달라진다. s는 편차(deviation)로 변량에서 평균은 뺀 값으로 데이터에 존재하는 음수와 양수를 포함하여 평균보다 크거나 작음을 나타낸다. 여기서 편차는 측정값에서 평균을 뺀 값으로 아래와 같은 식에 의해 계산된다.

여기서, X_i는 변수 X에 대한 i 번째 시험⋅검사값, X는 n회 측정한 X의 평균값

정량한계(Limit Of Quantification, LOQ)는 어떤 성분의 정량분석이 가능한 최소한의 농도로 7회 반복 측정한 표준편차의 10배를 최소 정량수준 또는 최소측정농도로 정의하고 있다. 본 연구에서는 방법검출한계(MDL), 정량한계(LOQ), 정밀도, 정확도를 알아보기 위하여 VOCs 표준용액 2 µg kg^-1의 시료 7개를 제조하여 측정하였다.

3.1 헤드스페이스 부피 변화에 따른 DW와 CS의 매질에서의 VOCs 검출비교

퇴적물의 경우 같은 무게를 넣어도 매질에 따라 헤드스페이스 내의 기체층의 변화가 있다. 따라서 매질의 비율과 바이알 내 헤드스페이스 부피변화에 따라 농도 값의 변화가 있는지 살펴보고자 하였다. 따라서 헤드스페이스용 바이알에 DW와 CS의 매질에 표준용액을 각각 20 µg kg^-1이 되도록 첨가하고 12개의 분석항목에서 부피감소에 따른 농도의 변화를 확인하고자 하였다. 헤드스페이스 부피가 최소(주입 증류수 5 g)일 때 비해 4~1 g 범위에서 헤드스페이스 공기층의 부피가 증가하는 경우 두 매질에서 회수율은 76.0~123.5% 로 측정되고 RSD는 1.7~13.8%로 측정되었다. 또한 1,2-DCE와 DCM을 제외한 10종의 물질은 정밀도가 8.2% 미만으로 측정되어 기체의 부피가 커짐에 따라 농도변화는 없는 것으로 판단된다. 다만 1,2-DCE와 DCM의 경우 RSD가 최대 13.8로 측정되었지만 무시할 수 있는 수준으로 판단된다. 또한 전체 항목에서 매질에서의 RSD의 편차는 DW에서 1.7~ 10.5%, CS에서 3.5~13.8%로 나타났으며 매질에 따른 편차가 커진 것으로 판단된다.

Fig. 1. Determination of the concentrations of volatile organic compounds in the water volume reduction (a) 1,1,1-TCA and (b) PCE are determined at a constant concentration from a change in water volume; (c) 1,2-DCM and (d) DCM are determined by decreasing water volume and concentration.

Table 5. Determination of VOCs concentration by reducing water volume

Increasing headspace volume								RSD(%)
			5 g	4 g	3 g	2 g	1 g
1,1,1-TCE	(µg kg-1)	DW	17.6	17.2	17.9	18	18	2.1
		CS	16.6	17.3	18.4	17.6	19.3	5.8
1,2-DCE	(µg kg-1)	DW	15	13.5	13.1	12.2	11.4	10.5
		CS	22.1	23	20.7	17.3	17	13.8
CT	(µg kg-1)	DW	17.9	17.7	18.8	19.3	19.6	4.5
		CS	15.9	16.6	18.1	17.5	19.6	8.2
B	(µg kg-1)	DW	16.5	15.5	15.8	15.3	14.8	4.1
		CS	18.2	18.9	19.1	17.5	18.2	3.5
Chl	(µg kg-1)	DW	17.4	16.4	16.8	16.3	16	3.3
		CS	18.6	19.9	19.7	18.1	18.9	4
DCM	(µg kg-1)	DW	16.1	14.8	14.7	13.9	13.2	7.6
		CS	20.5	21.1	20.2	17.7	17.7	8.5
EB	(µg kg-1)	DW	16.3	15.5	16.2	15.9	15.6	2.3
		CS	15.9	17.1	17.3	16.6	18	4.5
m,p-X	(µg kg-1)	DW	33.4	31.7	33.2	32.5	32	2.3
		CS	32.4	34.8	36.1	33.7	36.7	5
o-X	(µg kg-1)	DW	16.3	15.3	15.8	15.3	14.8	3.7
		CS	17	18.3	18.5	16.9	17.9	4
PCE	(µg kg-1)	DW	18	17.6	18.4	18.8	18.9	3
		CS	16.1	17	18.2	17.3	19.3	7
T	(µg kg-1)	DW	15.9	15	15.5	15.1	14.6	3.2
		CS	16.5	17.6	18	16.6	17.6	3.9
TCE	(µg kg-1)	DW	17.7	17	17.6	17.4	17.3	1.7
		CS	16.9	17.8	18.7	17.6	19	4.7

3.2 온도와 매질에서 일별 VOCs의 농도변화 비교

시료채취에서 분석까지 노출될 수 있는 온도 중 냉장보관(4±5°C), 이동시간(10±5°C), 상온(20±5°C)에 따른 VOCs의 농도변화를 확인하기 위하여 12개 분석항목에 대해 DW, CS, RS를 각각의 매질로 하여 기간에 따라 농도를 확인하였다. 표준용액을 각각 5 µg kg^-1이 되도록 첨가하여 매질을 DW, CS, RS로 달리하여 일별로 14일동안 분석하였으며 대표적인 물질은 Fig. 2에 표시하였다. 날짜가 지남에 따른 농도변화를 통해 분석물질의 감소정도를 확인하였으며 매질 차이에 따른 변화도 확인하였다. 모든 경우 매질의 차이에 따른 농도의 변화가 나타났으며 RS의 경우가 가장 낮은 측정값을 보였다. 분석물질 중 1,1,1-TCE, 1,2-DCE, CT, B, Chl, DCM은 14일 동안 기간경과에 따른 농도변화가 평균 최대 27.1%로 크지 않았다. 하지만 EB,m,p– X, o-X, PCE, T, TCE의 경우 매질별, 기간경과별 농도의 변화가 최대 45.8%로 큰 것으로 확인되었으며 그 중 PCE, TCE의 경우 특히 상온에서 일별 감소율이 크게 확인되었다(Fig. 2). 또한 전체 분석항목에서 DW, CS, RS 매질의 일별 감소율에 대한 측정농도 값은 변화가 적었다. 1,2-DCE와 DCM의 경우 다른 10개 항목과 다르게 DW, CS의 매질에서 측정농도의 변화가 없었다. 하지만 RS의 매질에서는 농도가 적었으며 다른 10개의 분석항목들은 DW, CS, RS의 매질순으로 농도가 감소하였다. 측정별 감소율은 DW를 매질로 하였을 때 계산하여 Table 6에 작성하였다. CS의 경우 DW대비 10.2~-51.1%로 RS의 경우 전체 항목에서 –25.5~-77.8%까지 감소하였다.

Fig. 2. Decreased peak area in volatile organic compounds for 14 days and determination of the peak area of various matrices (a) Reduction of area in 3 matrices with a constant area for 14 days of 1,1,1-TCA; (b) 1, 2-DCE has a constant area for 14 days, and the area of the RS matrix decreases; (c) PCE decreased in the area for 14 days and was also different in the 3 types of matrices.

일별 감소율의 경우 1,1,1-TCE, 1,2-DCE, CT, B를 제외한 나머지 물질에서는 14일 동안 감소되었으며 상온에서 물질이 많이 휘발되어 분석을 최대한 빠르게 진행해야 할 것으로 판단된다. 하지만 일별 감소율보다 매질로 인한 감소가 큰 것으로 보아 퇴적물과 같이 수분이 포함된 매질에서는 VOCs가 다량 흡착되어 휘발에 영향이 있는 헤드스페이스에서 측정값의 감소가 생기는 것으로 판단된다. 또한 RS에서 전체 분석물질이 감소되었고 모래질의 경우 1,2-DCE, B, DCM을 제외한 9개 항목에서는 수질에 비하여 감소한 것으로 보아 유기물의 영향을 받지 않은 것으로 판단된다. 나머지 물질은 퇴적물 입자 자체의 표면에 유기물이 흡착되어진 것으로 판단된다. 따라서 온도, 매질에 의한 차이가 두드러지므로 외부표준물질방법 이외의 대안이 필요하다고 판단된다.

3.3 DW와 CS에서 외부표준법과 내부표준법 비교

매질에 따라 IS의 첨가 여부와 종류가 VOCs 분석에 미치는 영향을 정확도와 정밀도, 방법검출한계, 정량한계로 파악하였다. 2 µg kg^-1로 제조한 7개의 시료를 측정하여 MDL, LOQ, 회수율, RSD 등을 측정하였다(Table 7, Fig. 3). MDL 측정결과 DW에서 0.65~1.4 µg kg^-1, CS에서 0.48~1.77 µg kg^-1로 측정되었으며 IS인 ODCB로 보정된 DW는 0.30~0.74 µg kg^-1, CS는 0.23~0.73 µg kg^-1, FBZ으로 보정된 DW는 0.28~0.88 µg kg^-1, CS는 0.47~1.65 µg kg^-1로 측정되었다. IS을 첨가하지 않았을 경우 대체로 DW보다 CS의 MDL이 낮게 측정되었으며, 이는 CS에 흡착되어 분석값이 낮아지기 때문으로 사료된다. IS을 사용하여 보정한 경우 대부분의 항목에서 보정하지 않는 경우에 비해 DW와 퇴적물 모두 MDL이 낮아지는 것을 확인하였다. 그러나 톨루엔과 벤젠의 경우는 다른 항목에 비해 MDL의 감소폭이 적었는데 이는 시간에 따른 감소율이 적기 때문인 것으로 판단된다. LOQ 측정결과 DW에서는 2.07~4.44 µg kg^-1, 퇴적물에서 1.54~5.65 µg kg^-1, IS인 ODCB로 보정된 DW는 0.97~2.37 µg kg^-1, 퇴적물은 0.73~ 2.33 µg kg^-1, FBZ으로 보정된 DW는 0.89~2.81 µg kg^-1, 퇴적물은 1.50~5.24 µg kg^-1로 측정되었다. MDL과 유사하게 IS을 첨가하지 않은 경우 DW보다 CS에서 낮은 값을 갖으며, IS을 첨가하였을 때는 두 매질 모두 LOQ가 감소하고 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 IS로 FBZ를 사용한 경우 오히려 m,p-X와 같이 LOQ가 증가하는 결과를 나타내기도 하였다.

Fig. 3. Average values, recovery rates, and RSDs of internal standard materials and calibration curve methods of (a) 1,1,1-TCA, (b) 1,2-DCE, (c) PCE, and (d) CT.

결과적으로 IS을 첨가한 분석에서 MDL과 LOQ가 더 낮게 나왔으며 이는 휘발에서 기인한 오차가 보정된 것으로 판단된다. 두 매질에서 IS를 첨가하였을 때, MDL과 LOQ의 값의 차이가 감소하는 1,2-DCE, T, DCM의 경우 흡착 등 매질에 의한 영향이 반영되기 때문으로 사료된다. 매질을 CS로 사용하였을 때 DW에 약 20% 이상 농도가 감소하였다. 매질이 CS인 경우 IS을 ODCB보다 FBZ를 사용하였을 때 MDL 및 LOQ가 비교적 낮은 것을 확인하였다. DW와 CS에서 IS을 주입하였을 경우 모두 개선되었으며 CS에서 DW보다 MDL 및 LOQ의 측정결과가 더 잘 보정되었으며 이는 매질에 의한 영향으로 판단된다(^{Kim et al., 2011}).

회수율 측정결과 DW에서는 89.0~107.1%, 퇴적물에서 64.1~83.1%, IS인 ODCB로 보정된 DW는 99.9~119.3%, 퇴적물은 99.1~119.3%, FBZ으로 보정된 DW는 90.1~106.2%, 퇴적물은 77.3~102.1%로 측정되었다. RSD 측정결과 DW에서는 11.5~18.6%, 퇴적물에서 11.1~21.6%, IS인 ODCB로 보정된 DW는 4.8~10.4%, 퇴적물은 4.7~13.7%, FBZ으로 보정된 DW는 4.5~9.18%, 퇴적물은 9.7~15.2%로 측정되었다. 이 결과 CS를 매질로 하였을 때 IS에 의한 보정 효과가 크게 나타났다(^{Van Eeckhaut et al., 2009}). 따라서 정확도와 정밀도를 DW가 매질인 수준으로 향상하기 위해서는 IS을 이용한 보정이 필요하다. 또한 IS의 종류에 따라 CS를 매질로 하였을 때 정확도와 정밀도의 향상 정도가 다르게 나타났으며, 일반적으로 IS ODCB를 통해 보정한 회수율 및 RSD측정값이 더 정확하게 분석되었다. 그러나 일부 VOCs 항목은 IS FBZ로 보정하였을 때 좋은 회수율과 RSD값을 가졌다. 특히 회수율의 경우 DCM, Chl 등과 같이 머무름시간(Retention Time, RT)이 앞쪽인 경우 IS FBZ로 보정한 값이 더 정확하게 나왔으며 T와 PCE등과 같이 RT가 뒤쪽인 경우 IS ODCB로 보정한 값이 더 정확하였다. RSD는 IS ODCB로 보정한 값이 더 정밀하였다.

3.4 실제 시료에서의 IS 보정효과 비교

유기물 함량이 다른 시료에서 내부표준법의 적용을 확인하기 위해 완전연소가능량을 기준으로 유기물이 적은 지점인 시료(Sample 1)과 유기물이 중간정도 지점인 시료(Sample 2)와 유기물인 많은지점인 시료(Sample 3)을 선정하였다. 기타 시료의 정보는 Table 7에 작성하였다. 시료에 5 µg kg^-1의 표준물질을 첨가하여 진행하였으며 검정곡선 방법과 2종의 IS을 첨가하여 분석하였다. 분석 전 시료에 분석물질이 포함되어 있을 경우를 대비해 시료를 측정하여 최종 회수율과 RSD 계산에 반영하였다.

회수율 측정결과 IS을 이용하지 않았을 때, Sample 1에서는 54.9~107.8%, Sample 2는 38.6~81.9%, Sample 3은 20.3~ 58.2%로 측정되었으며 IS인 ODCB로 보정된 Sample 1에서는 106.6~210.2, Sample 2는 223.2~450.8%, Sample 3은 300.7~774.7%로 FBZ으로 보정된 Sample 1에서는 68.4~104.5, Sample 2는 81.1~128%, Sample 3은 34.5~170.6%로 측정되었다. RSD 측정결과 Sample 1에서는 7.0~11.3%, Sample 2는 12.9~35.4%, Sample 3은 7.0~39.7%로 측정되었으며 IS인 ODCB로 보정된 Sample 1에서는 3.2~7.4, Sample 2는 13.6~ 40.2%, Sample 3은 0.3~19.5%로 FBZ으로 보정된 Sample 1에서는 0.1~4.3, Sample 2는 0.0~17.2%, Sample 3은 0.6~ 15.1%로 측정되었다.

측정결과 유기물의 농도가 높아질수록 sample 1 sample 3에서 정도관리 결과가 전반적으로 낮게 나왔다. Sample 3에서 정도관리 결과가 낮은 것은 유기물 함량에 따른 VOCs 흡착의 영향으로 판단된다(^{Delle Site, 2001}; ^{Van Eeckhaut et al., 2009}).

측정된 결과를 수질오염공정시험기준에서 제시하는 수질 휘발성유기화합물 분석의 정도관리 정확도 75~125%와 정밀도 ±25%를 기준으로 검토하고자 하였다(^{Insam and Seewald, 2010}). IS을 사용하지 않았을 때, 시료는 유기물의 농도가 높을수록 시료의 농도가 감소한 것으로 보아 VOCs를 흡착할 수 있기 때문으로 사료된다. 토양과 VOCs 흡착 연구결과에 따르면, 점토함량이 높고 휴믹 등 유기물을 포함한 토양이 그렇지 않은 토양에 비해 TCE와 T등의 VOCs를 더 많이 흡착하는 것으로 알려져 있다(^{Insam and Seewald, 2010}; ^{Kim et al., 2009}). 또한 IS를 사용하여 보정하였을 ODCB의 경우 전반적으로 시료의 농도가 높게 측정되었으며, FBZ의 경우 유기물의 함량이 높은 시료에서 보정이 어려운 것을 알 수 있었다. 또한 IS의 경우 분석물질과 유사한 크로마토그램 특성을 가져야 하며 머무름시간(Retention Time), 상대적 감응(Relative response)이 다름에 따른 오차가 발생하여 퇴적물에서의 IS는 다양한 종류의 사용이 필요할 것으로 판단된다.