헤드스페이스 추출법(Headspace extraction): 정적인 헤드스페이스 추출법과 원리

헤드스페이스 추출법은 고체나 액체 등의 시료 매트릭스로부터 휘발성 화합물들을 빈 공간에 휘발시켜서 추출하는 방법이며 이 방법으로 추출한 물질들은 보통 GC 또는 GC/MS를 사용하여 분석한다.

헤드스페이스 추출법에는 정적인(static) 방법과 동적인(dynamic) 방법이 있는데, 정적인 방법은 휘발성 분석 물질을 일정 시간 동안 시료 위에 있는 공간[즉 헤드스페이스]으로 휘발시킨 다음, 평형에 도달한 후 헤드스페이스에 존재하는 분석 물질을 취해서 GC 또는 GC/MS에 주입하거나 또는 자동화된 장치를 이용하여 주입하는 일반적인 헤드스페이스 방법을 일컫는다.

동적인 방법은 시료 매트릭스에 연속적으로 기체를 흘려주면서 분석 물질을 탈착시켜서 GC 또는 GC/MS에 주입하는 방법으로, 정적인 방법과는 달리 시료와 기체상 간의 평형이 아닌 분석 물질을 매트릭스로부터 완전히 제거시키는 방법 이며 흔히 "퍼지 & 트랩" 방법이라고 한다.

 

1. 정적인 헤드스페이스 추출법

 

정적인(static) 헤드스페이스 방법은 고체나 액체 시료로부터 휘발성 유기 화합물을 분석하기 위한 가장 일반적인 방법으로 전형적인 분석 방법은 다음과 같다.

액체나 고체 시료를 10~20 mL 시료 용기에 넣은 후 시료를 가열하여 분석 물질들을 휘발시켜서 시료 용기의 상층에 있는 공간(헤드스페이스)에 보낸 후에, 헤드스페이스에 존재하는 분석 물질의 양과 시료 매트릭스에 존재하고 있는 분석 물질의 양이 평형에 도달하면 헤드스페이스에 추출된 분석 물질 일정량을 취해서 GC에 주입하여 분석한다.

GC에 주입하는 방법으로는 gas tight 주사기로 직접 채취해서 주입하는 방법(수동 채취/주입 방법)과 자동으로 일정량을 GC 주입구에 주입시키는 autosampler(자동 채취/주입 방법)를 이용하는 방법이 있다.

정적인 헤드스페이스법에서 시료 준비 절차는 다음과 같다. 고체 시료의 경우는 효과적인 분석을 위해서 시료 매트릭스의 물리적인 상태를 변화시켜 줄 필요가 있다.

첫 번째 방법은 고체 시료를 분쇄하거나 갈아서 작은 분말로 만들어 시료의 표면적을 넓혀줌으로써 휘발성 분석 물질들이 헤드스페이스로 잘 분배되게 하는 방법이다.

이때 분석 물질은 고체 매트릭스와 헤드스페이스 간에 분배 평형을 이루고 있다. 이때 분석 물질은 고체 매트릭스와 헤드스페이스 간에 분배 평형을 이루고 있다.

두 번째 방법은 고체 시료를 미리 용액에 용해하거나 분산시키는 방법으로, 분석 물질들이 헤드스페이스로 분배되는 속도가 빨라져서 평형에 더 신속하게 도달할 수 있다. 또한 고체 시료에서 직접 휘발시키는 것보다 액체나 용액 상태의 시료를 다루는 것이 쉬우며, 액체에서는 고체 시료에서 나타나는 분석 물질의 확산 경로에 대한 문제점도 없고 평형에 도달하는 시간도 일정하기 때문에 이 방법을 사용하는 것이 바람직하다.

추출 효율을 비롯하여 감도, 정밀도, 정확도 등에 영향을 미치는 요소로는 시료 용기의 부피, 시료의 부피, 온도, 압력, 매트릭스의 형태 등 여러 가지가 있으며, 이들은 분석 물질의 종류와 매트릭스의 성질에 따라 달라진다.

 

2. 원리

 

정적인 헤드스페이스 방법은 분배 평형과 관련된 시료 전처리 방법으로, 휘발성 화합물들이 기체상(헤드스페이스)으로 휘발되는 속도와 액체상(시료)으로 농축되어 들어가는 속도가 동일하며 이들이 부분 압력을 생성한다. 따라서 액체상에 있는 휘발성 분석 물질의 농도가 기체상에서의 농도(부분 압력)는 재현성 있는 관계를 나타낸다.

이러한 관계를 분배 계수(K)로 표시하며 기체상 중에 있는 분석 물질의 농도(CG)와 시료상(CL) 중에 있는 분석 물질의 농도의 비로 나타낸다.
K=CL/CG

한편, 액체상의 부피(VL)과 기체상의 부피(VG)의 비를 상비(phase ration) (beta)로 나타낸다.
beta=VG/VL
헤드스페이스의 감도를 조절하는 중요한 요소는 분석 물질의 분배 계수(K)와 상비(beta)이며 다음과 같이 표현된다
헤드스페이스에 있는 분석 물질의 농도 = 액체 시료에서 분석 물질의 최초 농도/(분배계수 K+상비 beta)