Chapter 10 용존유기탄소 분석 표준운영절차서
10.1 목적 및 범위
용존유기탄소의 분석은 여과된 해수 시료 중에 용존되어 있는 유기물을 금속 촉매를 이용한 고온 연소장치로 완전히 산화시킬 때 발생하는이산화탄소(CO2)의 양을 비분산형 적외선 감지기(NDIR)로 측정하여 용존유기탄소량으로 나타내는 원리이다. 이때 시료 중의 용존무기탄소는 산처리하여 질소기체로 에 의해 제거된다. 이 표준운영절차서는 해양수산부의 해양환경공정시행법 (2013-230)에 기초하고 있으며, 분석기기 준비 및 안정화, 표준물질 분석을 통한 품질관리도 작성이 추가되어 있다. 이 방법으로 측정 가능한 해수중 용존유기탄소 검출한계는 99% 신뢰구간에서 0.05 mgC/L(4.16 μmolC/L)이다. 이 방법의 정밀도는 5 mgC/L(462.2 μM)에서 ±0.08 mg C/L(6.66 μM)이다.
10.2 측정 원리
주사기로 산성화된 시료를 자동 시료주입기에 있는 시료를 흡입하여 이산화탄소가 없는 기체를 이용하여 시료 속에 있는 이산화탄소를 제거한다. 이 시료를 촉매로 채워진 연소관에 주입하고 연소관 온도를 섭씨 680도까지 가열하여 시료 중의 유기탄소를 분해하여 산소로 산화시켜 이산화탄소로 전환하여 기체의 수분과 염소를 제거하여 NDIR 검출기로 이산화탄소를 측정하여 시료속의 용존 유기물을 정량화한다. 현재 다양한 회사에서 고온촉매산화법(High-Temperature Catalytic Oxidation, HTCO)을 사용하는 분석기기를 상업용으로 개발하였으며, 기본 구성은 아래 다이아그램에 있는 Shimadzu사의 HTCO 분석기기와 유사하다. 다만 제조사에 따라 미세한 차이는 있을 수 있다.
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10.4 기구 및 기기
해수중 용존유기탄소 분석에 필요한 기구 및 기기는 크게 시료채취기구(4.1), 여과기구(4.2), 전자저울(4.3)등이 있다. 실험에 사용되는 초자류를 10%의 염산으로 세척한 후 초순수로 3회 헹구어 사용한다.
10.4.1 시료채취 기구
1.1.1. 시료채취기 수층 해수시료는 Go-Flo 채수기 또는 내부에 Teflon으로 코팅되어 있고 Teflon 코팅된 용수철이 있는 Niskin 채수병을 사용한다. 시료 채취기는 실리콘 튜브와 O-ring을 사용하여 밀폐한다. 채수기에 연결된 로프는 monofilament nylon 또는 Kevlar lanyard 재질의 줄을 사용하여야 한다. 1.1.2. 시료병 시료 채취에는 10ml 유리앰퓰 또는 자동 시료 주입기용 40ml 유리 바이알을 사용한다. Polycarbonate 재질의 시료병을 사용할 수 있다.
1.1.3. 시료 채취 튜브 시료 채취 튜브 없이 채수기의 꼭지에서 시료병으로 직접 채취하는 것을 권장한다.
10.5 시약제조
용존유기탄소 분석에 사용되는 시약은 저탄소수(5.1), 표준용액(5.2), 산화효율측정 용액(5.3), 운반기체(5.4)등이 있다. 표준용액열 제조에 사용되는 초자는 부피 측정의 정확도에 문제가 발생하지 않도록 고온으로 연소하지 않고 10% 염산에 24시간 이상 담근 후 초순수로 씻어 알루미늄 호일로 입구를 막아 섭씨 100도 이하에서 건조하여 준비한다.
10.5.1 저탄소수(Low-Carbon Water, LCW)
일반적으로 저탄소수 제조에 Milli-Q시스템이 사용된다. 주기적으로 품질을 확인하여야 한다. 저탄소 수는 기기 바탕 값 측정, 현장 바탕값 및 표준용액 원액, 표준용액열 희석, 산화 효율측정 원액 및 작업용 산화 효율측정 표준액 제조에 사용된다.
10.5.2 유기탄소 원액(83.3 mmolC/L)
미리세척한 비이커에 Potassium Hydrogen Phthalate(potassium biphthalate, C8H5KO4, 204.22g/mol) 약 2.5g을 넣고 깨끗한 오븐에서 섭씨 100도로 4시간 정도 건조하여 수분을 제거한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각한다. 2.1254g을 취해서 700mL의 LCW에 녹인 다음 최종 부피를 1000mL로 맞춘다. 작업용 표준용액열은 유기탄소 원액 일정량을 취해서 LCW로 희석하여 맞추고 진한 인산을 첨가하여(약 4 μl H3PO4/mL) pH를 2~3 정도로 맞춘다.
10.5.3 산화효율측정 용액(Oxidation Effiency Check Stock Solution, OEC)
산화효율측정 원액을 제조하기 위해서 Sulfathiazole(C9H9N3O2S2, 255.31g/mol) 약 2.8g과 EDTA(C10H16N2O8, 292.2438g/mol) 약 2.8g을 각각의 미리 씻은 비커에 넣고 깨끗한 오븐에서 섭씨 100도로 4시간 동안 건조하여 수분을 제거한 후 데시케이터에서 상온으로 냉각한다.
1.1.1. 산화효율측정 원액_1(OEC_1) 건조하여 냉각된 Sulfathiazole 2.3641g을 취하여 LCW 700mL에 완전히 녹인 다음 최종부피를 1000 mL로 맞춘다(83.34 mmol C/L).
1.1.2. 산화효율측정 원액_2(OEC_2) 건조하여 냉각된 EDTA 2.4354g을 취하여 LCW 700mL에 완전히 녹인 다음 최종부피를 1000 mL로 맞춤(88.33 mmol C/L).
1.1.3. 작업용 산화효율측정 용액 조제된 산화효율측정 원액(OEC_1, OEC_2)을 LCW로 희석하여 원하는 농도의 작업용 산화효율측정용 표준용액을 각각 제조한다. 산화효율측정 원액과 작업용 산화효율측정용 원액에 진한 인산을 첨가하여 (약 4 μl H3PO4/mL) pH를 2~3 정도로 맞춤).
10.5.5 시료채취
Niskin/Go-Flo 채수기는 사용하기 전에 10%염산으로 씻은 후 초순수로 헹구어 오염원을 제거한 후 현장에서 사용하기 전까지 산으로 씻은 플라스틱 보관함에 넣고 뚜껑을 닫아서 보관한다. Niskin 채수기로 시료를 채수할 때 유기물이 풍부한 표면층을 통과할 때 흡착된 유기물이 씻겨지도록 충분히 깊은 수심까지 채수기를 내린 다음 목표한 수심에서 채수한다. 채수기에서 시료병으로 시료를 옮길 때 nylon, PP, Teflon 꼭지로부터 phthalate 코팅 튜브등을 거치지 않기를 권장한다. 채수병으로 시료를 옮기기 전에 시료를 몇 초 동안 흘려 Niskin/Go-Flo채수기 꼭지를 청소한 후 시료가 담기는 용기가 채수기 꼭지에 직접적으로 닫지 않게 공기와의 접촉을 최소화하여 가능한 한 빠르게 옮긴다. 이때 시료 보관 용기와 뚜껑은 시료로 세 번 헹군 다음 시료를 채운다. 시료가 시료 병으로부터 흘러넘치지 않게 채수해야 한다.
10.5.6 시료전처리(여과)
PP, PE, Teflon으로 만든 25/47mm 여과기를 10% 염산에 담궈 초순수로 헹군 다음 시료 채취기 꼭지에서 직접 중력으로 여과한다. 시료채취기의 꼭지와 여과기 사이의 연결은 PP, PE, Teflon 재질의 튜브를 사용하며 가능한 한 짧게 한다. 여과기를 통과한 시료는 시료보관 용기에 직접 받는다. 여과지는 씻기에 편리하고 바탕값이 낮은 유리섬유 여과지(GF/F, 공경 0.7μm)가 전통적으로 사용된다. GF/F 유리섬유 여과지는 사용하기전에 알루미늄 호일로 싸서 섭씨 500도에서 최소 12시간 연소시킨 후 공기와 접촉하지 않게 보관한다. 여과기에 넣기 직전에 알루미늄 호일을 벗겨 사용한다. DOC만 채수할 때 10% 염산에 수 시간 동안 담가 초순수로 씻은 polycarbonate 여과지를 사용도 가능하다. Polycarbonate 여과지는 오염에 영향을 받지 않고 공경이 일정한 장점이 있다. 진공여과를 할 때는 150 mmHg 이하의 진공을 사용하여 세포가 파괴되지 않게 한다. 진공펌프는 오일이 없는 것을 사용할 것을 권장한다. 진공펌프를 정지할 때는 시료 회수용 플라스크로부터 진공펌프를 먼저 분리 한 다음 펌프를 정지하여 증기의 역류로 인한 오염이 되지 않게 한다. 시료를 여과하는 환경에 따라 주변 공기로부터의 오염 가능성이 크기 때문에 가능한 laminar airflow workbench와 같은 환경에서 여과할 것을 권장한다.
10.5.7 시료보관
10 ml 유리 앰퓰로 시료를 채취하였을 때 시료 채취 직후 청정실 또는 laminar flow workbench와 같은 깨끗한 환경에서 연소 멸균한 피펫을 사용하여 고순도(ULTREX II, J.T.Baker; SUPRAPUR, Merck) 진한 인산(H3PO4) 또는 염산(HCl)을 추가(4 μl H3PO4/mL sample, 12 μl HCl/mL sample)하여 pH=2~3으로 산성화시킨다. 유리앰퓰은 토치불로 밀봉한다. 이 pH 범위는 생물활동을 억제하고 유기분자 보존에 적합하다. pH 2미만일 경우 유기물로부터 휘발성 성분의 생성이 증가하고 거대분자 침전이 일어나기 때문에 너무 강한 산성화는 추천하지 않는다. 시료가 새지 않게 밀봉을 할 수 있다면 자동 시료 주입기용 바이알에 직접 시료를 채취할 수 있다. 바이알에 채취된 DOC시료는 산성화 후 깨끗한 Ziploc백으로 싸서 보관한다. 시료의 보관은 가능한 짧게 하여야 하나 산성화 후 보관하면 수개월 동안 DOC농도 변화가 거의 없이 보존할 수 있다(Wiebinga and Barr, 1998). 산성화 과정은 청정실험실 또는 larminar flow workbench안에서 실시해야하나 조건이 적절하지 않을 경우 HDPE병에 시료를 채취해서 액체질소로 급속 냉동하여 –20℃에 보관하면 최소 5개월간 보관은 할 수 있다(Tupas et al., 1994). 급속 냉동없이 –20℃에 보관하는 것은 권장하지 않는다. 냉동시료 보관 중 시료를 중간에 해동했다가 다시 얼리는 것은 바람직하지 않다.
10.6 시료분석
고온촉매산화법으로 분석하기 위해서 먼저 검량선 표준용액열준비(5.2), 자동시료주입기 바이알 세척(7.1), 분석전 분석기기 사전점검(7.2), 저탄소수(5.1)를 이용하여 기기 바탕값(7.3)을 측정한다.
10.6.1 자동시료주입기 세척
자동 시료 주입기용 바이알을 초순수로 3번 헹구어 10% 염산에 최소 24시간 동안 담근 후 다시 초순수로 3번 헹구고 알루미늄 호일로 감싸서 섭씨 500도에서 최소 5시간 연소시킨다. Septum 뚜껑은 10% 염산에 최소 24시간 담근 후 초순수로 헹구고 알루미늄 호일로 감싸서 섭씨 100에서 건조한다. 연소 후 냉각된 바이알은 준비된 Septum 뚜껑으로 밀봉하여 플라스틱 용기에 넣어 주변 공기와 차단하여 건조하고 깨끗한 환경에 보관한다. 공기 중에 노출된 바이알의 바탕 값은 위와 같이 준비한 바이알의 바탕 값보다 약 3배 정도 높다.
10.6.2 분석기기 안정화
1.2.1. 연소관촉매 연소관 촉매는 시료 속의 유기물을 이산화탄소로 전환하는 데 중요한 역할을 한다. 현재 산화효율이 가장 높은 것으로 알려진 촉매는 Shimazu type으로 알려진 0.5%백금(Pt)이 주입된 산화알루미늄(Al2O3) 촉매이다. 석영 구슬로 채워진 촉매는 산화알루미늄 촉매보다 바탕값이 낮으나 산화효율이 낮아 권장되지 않는다. 0.5% 백금이 주입된 산화알루미늄 촉매를 사용할 경우 24시간 동안 일반적인 연소 온도로 유지하고, 바탕값이 일정한 값으로 떨어진 후 유지될 때 까지 LCW를 반복적으로 주입한다. 산화알루미늄 촉매의 수명은 해수시료 250ml를 주입할 때까지(>2500 주입) 유지되는 것으로 보고됨(Skoog et al., 1997). 1.2.2. 연소관 촉매 점검절차 분석기기를 켜고 1시간 동안 연소기 온도를 섭씨 680도까지 올린다. 산소공급 밸브를 열어 섭씨 900도로 설정된 온도에서 안정되기를 기다린다. 이산화탄소가 없는 기체의 유속은 150 mL min-1로 설정하고 물, 산, 폐기물 용기를 확인한다. Purge gas 흐름을 확인하여 50-75 mL min-1로 조절한다. 시료주입 포트, 주사기, 연소관의 염분을 제거한다. Shimazu 소프트웨어에 있는 청소과정을 사용하면, 시료주입 포트, 주사기, 밸브, 연소관을 좋은 상태로 오랫동안 유지할 수 있다. 연소기 온도가 설정된 온도에 도달하여 안정된 후 청소과정을 수차례 수행하거나, 프로그램으로 청소과정을 수행할 수 없을 경우 LCW를 반복적으로 주입하여 바탕값을 낮춘다. LCW의 면적이 0.5 이하면 분석을 시작한다.
LCW의 반복적인 분석으로 기기 바탕값 확인(면적이 0.5 이하면 분석 시작)
10.7 정도평가/정도관리(QA/QC)
10.7.1 방법 검출 한계
방법 검출 한계 측정을 위해서 목표로하는 검출한계보다 10배 정도 높은 방법 검출한계 용액을 제조하여 7번 반복 분석한 농도의 표준편차에 3.14를 곱해(99% 신뢰구간) 소숫 첫 자리 까지 구한다.
10.7.2 현장바탕값
현장바탕값은 시료 채취과정에서 발생할 수 있는 잠재적인 오염을 지속적으로 모니터링 하기 위해 보관, 여과, 시료 채취 단계별로 현장 바탕시료를 정기적으로 채취한다.
10.7.3 보관현장 바탕시료
시료보관에 사용되는 용기와 동일한 용기를 미리 씻은 다음 청정실 또는 laminar airflow workbench에서 LCW로 채워 시료와 동일하게(산처리시 섭씨 4도, 또는 급속 냉동후 섭씨 영하 20도 냉동) 보관한다(최소 2개이상).
10.7.4 여과 현장바탕시료
시료를 여과하기 전에 시료와 동일한 부피의 새롭게 만들어진 LCW를 미리 씻은 여과장치로 여과하여 시료와 동일하게 보관한다. 실제 여과 현장 바탕값을 계산할 때는 보관 현장 바탕값을 빼서 계산한다.
10.7.5 시료채취 현장바탕시료
청정실에서 LCW를 미리 세척하여 헹군 Niskin 시료 채취기에 넣고 시료 채취기를 이용하여 해수시료를 채취하는 데 걸리는 시간만큼 경과 후에 시료병에 시료를 채취하는 방법과 동일하게 채취 및 전처리한(여과) 시료에서 측정한다. 실제 시료채취 현장 바탕값을 계산시 여과 현장 바탕값을 빼서 계산한다.
10.9 참고문헌
Turpas, L.M., Popp, B.N., Karl, D.M. (1994) Dissolved organic carbon in oligotrophic waters: experiments on sample preservation, storage and analysis. Mar.Chem. 45:207-216.
Wiebinga, C.J., de Baar, H.J.W. (1998) Determination of the distribution of dissolved organic carbon in the Indian sector of the Southern Ocean. Mar.Chem. 61:185-201.