Targeted processing Non-targeted processing
Screening, quantitation, and identificati on of targeted compounds based on R T and accurate mass MS data and MS/
MS library searching
XIC
TOF-MS TOF-MS/MS
Sample-control-comparison
Identification of unknowns using accurate mass MS, isotope pattern, adducts, and MS/MS data using for mula finding and automatic ChemSpider search ToF-MS-IDA-MS/MS
그림 2-3-23. LC-qToF를 이용한 플라스틱 내 표적물질과 비표적물질 탐색 흐름도
그림 2-3-24. MasterView™에서 프로세싱 후 Peak finding list
다. 확립된 비표적 분석법의 플라스틱 시료 적용 (1) 분석시료 선정 및 전처리
상점에서 구매한 플라스틱 새제품(MP 1, MP 11)과 거제 해안에서 채집한 해양플라스틱 쓰레기(MP22, MP33)를 분석에 활용하였다. 특히 물병(PET)의 경우 사용되지 않은 새제품(MP11)과 해양쓰레기(MP33) 간의 화학물질 성상을 비교할 수 있도록 하였다. 시료에 대한 자세한 정보는 표 2-3-14에 제시하였다.
확립된 전처리 방법을 이용하여 플라스틱 중 화학물질을 추출하였다. 플라스틱 시료는 로터밀(speed rotor mill, FRITSCH)을 이용하여 갈아(grinding)서 내측의 화학물질이 추출될 수 있도록 하였다. 플라스 틱 시료(0.3g, EPS는 0.03g)를 DCM:Hexane(4:1, v/v) 혼합용매를 사용하여 soaking하고, 하루 30㎖씩 총 3일간 총 90㎖ 추출액을 수집하였다. 추출액은 고순도 질소를 이용하여 농축하고, 농축액을 0.2㎛ 바이 얼형 여과지로 여과하여 기기분석을 위해 1.5㎖ GC-vial로 옮겨 담았다.
장비분석 시 바탕시료를 포함한 모든 시료는 반복 분석을 실시하였다. 그림 2-3-25은 플라스틱 시료 추출 후 잔여물로 MP1은 혼합용매에 일부 녹아 뭉쳐졌으며, MP11, MP22, 그리고 MP33은 분쇄된 형태 가 보존되어 있었다. EPS는 혼합용매에 모두 용해되었다.
Sample ID 플라스틱 용도 폴리머 형태 시료 사진
MP 1 Packing strings (포장용 끈)
PE, PP
(iPP) new
MP 11 Water bottle
(플라스틱 물병) PET new
MP 22 Fire cracker
(폭죽) PE Debris
MP 33 Water bottle
(플라스틱 물병) PET Debris
EPS
(Expanded polystyrene)
Buoy
(양식장부이) EPS Debris
표 2-3-14. 시범분석 시료 정보
MP1 MP11
MP22 MP33
EPS
그림 2-3-25. 플라스틱 시료 용매 추출(DCM:Hexane, 4:1) 후 잔여물 (2) GC×GC-ToF를 이용한 플라스틱 시료 내 표적물질 및 비표적물질 탐색
분석된 시료에서 피크의 개수는 데이터 처리(peak picking, S/N>100)를 통해 blank에서 253-341개의 피크가 탐색되었으며, MP1에서 9,467-15,553개, MP11에서 1,759-1,911개, MP22에서 7,383-8,484 개, MP33에서 2,123-2,168개의 피크가 검출되었다. EPS에서는 2,757-2,841개의 피크가 나타났다.
분석에 사용된 플라스틱 시료량은 EPS를 제외하고(EPS는 1/10) 동일하게 추출하였다. 시료에서 검출된 피크 수는 MP1 > MP22 > EPS > MP33 > MP11 순이었다(그림 2-3-26). 검출된 피크 수는 플라스틱 제품의 사용 용도에 따른 고유 함유물질의 차이, 재질에 따른 용매 용해도 차이, 환경 중 잔류 시간 등에 따라 다르게 나타나는 것으로 사료된다. MP1은 포장용 끈으로 FT-IR분석 결과에서 PE와 PP가 혼합된 재질이며, MP22는 폭죽 케이스로 PE 재질이다. 양식장 부이는 EPS로 추출에 사용된 용매에 완전히 용해 되어 1/10의 양을 사용하였음에도 다수의 피크가 검출된 것으로 보인다. PET재질의 플라스틱 물병인 MP11과 MP33은 유사한 피크를 가지고 있으며, MP33에서 상대적으로 더 많은 피크가 검출되었다. 이는 동일 재질에서 용출되는 물질이 유사하며, 제조과정 중의 첨가물의 차이 또는 사용 중 또는 환경에 머무르 는 동안 MP33에 더 많은 물질이 흡착되었을 가능성이 있다. 세부적인 영향인자에 대해서는 “플라스틱 시료 내 대상화합물 탐색” 부분에서 자세히 다루고 있다.
0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
Blank MP1 MP11 MP22 MP33 EPS
P ea k numb er
그림 2-3-26. 플라스틱 시료에서 데이터 프로세싱 후 생성된 피크(peak) 수 (가) 플라스틱 시료 내 대상화합물 탐색
시범 분석된 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램을 그림 2-3-27에서 그림 2-3-31에 제시하였다.
Peak picking을 통해 식별한 크로마토그램으로, 주요하게 검출된 화합물명과 구조식을 크로마토그램 상에 나타내었다. 1D 컬럼에서 머무름 시간이 길어지면 끓는점이 높아지는 물질로서 일반적으로 탄소수가 증가 한다. 2D 컬럼에서 극성이 다른 물질이 용출되며, 작용기와 구조(사슬, 사이클릭, 방향족)의 차이 등이 극 성이 달라지는 요인이 된다.
분석된 플라스틱 시료에서 표적물질을 탐색한 결과 공통적으로 노말 알칸류, 산화방지제류, UV안정제, 프탈레이트류, 다환방향족탄화수소, 유기인계난연제류가 검출되었다. 신규 난연제 화합물은 분석된 시료에 서 검출되지 않았다(표 2-3-15).
MP1 플라스틱 시료에서는 포화 탄화수소(saturated hydrocarbons)가 다른 플라스틱 시료에 비해 뚜렷 하게 나타났으며, 정렬특성을 잘 보이고 있다. 이러한 정렬특성과 추출이온을 통해 대략적으로 화합물 종 을 예측할 수 있다. 머무름시간(2,076s 2.01s)에 용출되는 피크는 diisobutyl phthalate(DBP)로 표적물질 에 해당한다. 그리고 머무름시간(2,880s, 1.52s와 3,102s, 1.58s)에 두 개의 높은 면적을 가지는 피크가 검출되었다(그림 2-3-27). 이 피크는 palmitic acid와 stearic acid로 비누나 화장품, 그리고 몰드의 이 형제(release agent)로 활용되는 포화지방산 계열의 화합물로서, 본 연구에서 표적물질로 구축되어 있지는 않으나, 향후 표준물질을 구입하여 표적물질로 구축이 가능하다. 자체 라이브러리 물질로 구축한 표적물질 중에서 PAHs 6종, 알칸류가 검출되었으며, 플라스틱 첨가제인 bisphenol A, bis(2-ethylhexyl)phthalate, UV안정제인 UV326, 산화방지제류인 Irganox 1076, 2,4-DTBP, BHT, 유기인계난연제인 triphenyl phosphate가 검출되었다.
그림 2-3-27. MP1 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램
MP22 시료는 폭죽 케이스로 해변에서 채취한 시료이다. 분석된 GC×GC 크로마토그램을 살펴보면 플 라스틱에서 용출된 물질 외에도 다른 플라스틱 시료에서 보이지 않는 피크들이 다수 관찰되고 있다(그림 2-3-28). 이 다수의 피크들은 다른 플라스틱에 비해 높은 알칸 및 유류 기원의 화합물로 환경 중에 머무 는 동안 유류가 흡착된 것으로 판단된다. 표적물질인 알칸이 nC14에서 nC38이상이 뚜렷하게 분포하고 있
Chemical Group MP1 MP11 MP22 MP33 EPS
OCPs ㅤ PeCB, HCB ㅤ ㅤ
PCBs ㅤ ㅤ di-PCB ㅤ ㅤ
PAHs
Naph, Acnt, Fl, Phen, Pyr, Flrt,
Dbt
Naph, Bip, Acnt, Fl, Flrt, Ret
Naph, and alkyl Naph, Phen and alkyl Phen, Flrt,
Pyr, Chr
Naph, Bip, Fl, Phen, Pyr
Naph, Bip, Acnt, Fl, Phen
Alkanes n-alkanes (C11 to C36)
n-alkanes (C12 to C36)
n-alkanes (C11 to C36)
n-alkanes (C11 to C36)
n-alkanes (C11 to C36)
PBDEs ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ
BFRs ㅤ ㅤ ㅤ HBCD
(low)
HBCD (high)
NBFRs ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ
OPRs TPhP TCEP TCEP TDCPP TBP
Benzophenone
derivatives ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ
Bisphenols Bisphenol A Bisphenol A Bisphenol A Bisphenol A ㅤ
PFAAs ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ ㅤ
Phthalates DEHP, DBP DEHP, DBP DEHP, DBP DEHP, DBP DEHP, DBP
UV안정제 UV326 UV326 UV326, UV327 UV326, UV328
Antioxidant Irganox 1076, 2,4-DTBP, BHT
Irganox 1076,
2,4-DTBP, BHT 2,4-DTBP, BHT Irganox 1076, 2,4-DTBP, BHT
Irganox 1076, 2,4-DTBP, BHT 표 2-3-15. 분석된 플라스틱 시료에서 확인된 대상화합물의 목록
으며, 유류 기원 화합물인 hopanes과 steranes이 뚜렷하게 확인되었다. 이 화합물은 풍화에 강한 분자화 석으로 불리는 물질로서 유지문 감식에 유용하게 활용되는 유류계 바이오마커로서, 연구팀이 표준물질 (NIST2266)을 보유하고 있어 표적물질로 포함이 가능하다. 이는 플라스틱 제품이 환경으로 유입되고 거동 하는 동안 플라스틱의 제조과정에서 첨가된 물질 이외에 다른 외부 영향을 받고 있는 것을 의미한다.
MP22에 검출된 표적물질에서는 다른 플라스틱시료와 유사하나 유류에 의한 영향으로 알킬 치환된 PAHs 가 다수 검출되었으며, 첨가물 중 UV안정제인 UV326 외에 한 종(UV327)이 더 검출되었다. 그리고 환경 에서 흡착된 오염물질로 추정되는 유기염소계화합물인 pentachlorobenzene, hexachlorobenzene, di-PCB가 확인되었다.
MP 22
nC14 nC16 nC18 nC20 nC22 nC24
nC36 Hopanes
Steranes
그림 2-3-28. MP22 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램
MP11과 MP33은 PET재질의 플라스틱 물병으로 GC×GC 크로마토그램에서 유사한 피크 분포를 보이고 있다. 다른 플라스틱 시료에 비해 크로마토그램에서 포화 탄화수소(n- 및 iso alkanes)의 위쪽으로 분포 하는 사이클릭구조(cyclo-)의 화합물이 비교적 적게 나타났다. 이는 플라스틱 재질에 따른 차이로 추정된 다. MP33시료는 1D 머무름 시간 1,536s (2D 머무름시간, 3.59s)에 위치하는 “2-aminobenzamide”와 1038s(2.52s)에 위치하는 4-aminobenzonitrile, 1854s(3.56s)에 용출되는 4-aminoquinoline-2-one 화합물이 MP11 시료와 가장 큰 차이를 보이고 있다(그림 2-3-29). 유럽에서는 아세트알데히드를 포장용 기에서 식품으로 특정이동제한물질(specific migration limit, SML)로 규제(식품 6mg/kg, EU 2011)하고 있으며, 이를 제거하기 위해 첨가제로서 2-aminobenzamide가 PET병 제조공정에서 널리 사용되고 있다 (그림 2-3-30). 2-Aminobenzamide는 PET 물병과 음료에서 50㎍/L 이내로 사용이 승인되고 있다(EU
a. MP11 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램
b. MP33 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램
MP 33
그림 2-3-29. MP11과 MP33 플라스틱 시료의 GC×GC 크로마토그램
Amino Benzamide Amino Benzonitrile Amino Quinolin-2-ol
NH2 O
NH2
NH2 N
N OH
NH2
PET제조과정에서의 acetaldehyde와 2-aminobenzamide의 반응 메카니즘
그림 2-3-30. MP33에서 검출된 PET 제조과정의 첨가물 및 반응 메커니즘
EPS는 굴 양식장에 있는 부이에서 채취한 시료로서 앞서 서술한 시료들과 다른 피크의 양상을 보이고 있다. 연구진은 선행연구(Rani et al., 2014)를 통해 다양한 EPS 제품과 해양쓰레기에서 HBCD(hexabromocyclododecane, 0.1-960㎍/g 수준)가 상당한 함량으로 함유되어 있음을 정성
·
정량적 으로 확인한 바 있다. GC×GC 크로마토그램 상에 1D 머무름시간 2,454s(2D 머무름시간 2.83s)에서 3,522s(5.13s)에서 생성된 피크는 라이브러리 검색에서 HBCD 관련 화합물로 확인되었다(그림 2-3-31).HBCD는 이론적으로 16개의 상이한 입체 이성질체가 가능하며, technical HBCD는 cis-, trans-, trans-1,5,9-cyclododecatriene에 브롬을 첨가하여 상업적으로 생산되며, 그 결과 혼합물은 3 개의 주요 한 입체 이성질체 α-, β-, γ- 형태로 γ-가 가장 높은 함량(75-89%)을 보이고 α-, β-는 각각 10-13%, 1-12%의 수준이다. 해당 화합물 그룹이 EPS에서 주요하게 나타났으며, 머무름시간 2,940s(2.97s)에 위치한 피크는(2,3-diphenylcyclopropyl)methyl phenyl sulfoxide(CAS 131758-71-9) 계열로 검색되었으나 자세한 용도는 불명확하다. 주요하게 검출된 표적물질은 PAHs 5종, 알칸류, 그리고 HBCD 계열 화합물이었고, 다른 플라스틱 시료와 다르게 UV안정제는 검출되지 않았다.