KR102518410B1 - 기체크로마토그래피의 ucm 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치 - Google Patents

기체크로마토그래피의 ucm 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 가우시안 함수를 이용하여 수치화함에 있어서, 가우시안 함수에 대입되는 UCM 좌표를 국부최소값 기법(local minima) 및 데이터 평활화 기법(adjacent averaging)을 이용하여 추출함으로써 유종분석 시간을 단축함과 함께 유종분석의 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법은 순수 유종의 크로마토그램에 적시되어 있는 표준 UCM(unresolved complex mixture)을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계; 유류오염물을 대상으로 기체크로마토그래피를 실시하여 유류오염물의 측정 크로마토그램을 생성하는 단계; 측정 크로마토그램에 적시되어 있는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 단계; 및 <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 유류오염물의 유종을 판별하는 단계를 포함하여 이루어지며, 표준 UCM 또는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계는, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정과, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 가우시안 함수에 대입하여 가우시안 함수 그래프를 생성하는 과정과, 생성된 가우시안 함수 그래프 상에서 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 과정을 포함하여 구성되며, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정은, 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 과정인 것을 특징으로 한다.

Description

기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치{Method and apparatus for analyzing oil type using Unresolved Complex Mixture of gas chromatography}
본 발명은 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 가우시안 함수를 이용하여 수치화함에 있어서, 가우시안 함수에 대입되는 UCM 좌표를 국부최소값 기법(local minima) 및 데이터 평활화 기법(adjacent averaging)을 이용하여 추출함으로써 유종분석 시간을 단축함과 함께 유종분석의 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치에 관한 것이다.
환경계로 누출된 유류오염물은 초기상태의 물리적 특성(예, 색도 등)을 유실할 가능성이 높아 화학적 분석기법을 적용해 그 종류를 판별해야 한다.
환경계로 누출된 유류오염물에 대한 분석방법으로는 대표적으로 기체크로마토그래피(GC, gas chromatography) 분석이 있다. 기체크로마토그래피는 시료를 기화시켜 컬럼(column)을 통해 시료를 성분별로 분리하고 분리된 각 성분을 전기적 신호(peak)로 변환하고, 측정된 피크를 표준 피크(GC peak pattern)와 대비하여 시료에 포함되어 있는 각 성분을 분석하는 방법이다. 기체크로마토그래피 분석의 일 예는 한국등록특허 제211675호(1999. 8. 2. 공고)에 개시되어 있다.
기체크로마토그래피 분석을 통해 분석대상시료를 구성하는 다양한 형태의 화합물에 대한 확인이 가능하나, 유류(油類)의 경우 수천 가지의 화합물로 구성되어 있어 일부 화합물은 기체크로마토그래피로 분석이 불가능하다. 기체크로마토그래피 분석 결과 중 이러한 미확인 물질들을 UCM(unresolved complex mixture)이라 칭한다(도 1 참조). 기체크로마토그래피 분석결과에서 얻어지는 UCM은 분석대상시료의 풍화시간, 환경 노출시간 등에 상대적으로 영향을 덜 받아 크로마토그램 상의 변화가 거의 없다. 크로마토그램 상에서 특정 유종을 의미하는 피크는 환경 조건(시간, 풍화 등)에 의해 영향을 받아 그 형태가 가변되나, UCM의 경우 환경 조건에 거의 영향을 받지 않아 일정한 형태를 이룬다. 따라서, 각 유종마다 고유의 UCM 형태를 갖고 있으며, 각 유종의 UCM은 노출된 환경 조건에 무관하게 일정하게 유지된다.
최근, 유류오염물의 분석에 UCM을 활용하는 연구가 진행 중에 있으나, 기존의 기체크로마토그래피 분석과 마찬가지로 각 물질의 UCM을 분석대상시료의 UCM과 육안으로 형태를 비교하는 수준에 그치고 있다.
본 출원인과 발명자는 한국등록특허 제1618307호(2016. 5. 4. 공고)를 통해 UCM 정보를 이용하여 유류오염물의 유종을 분석하는 방법 및 장치를 제안한 바 있다. 한국등록특허 제1618307호는 UCM의 좌표를 특정하고, UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 추출하고, 표준 UCM과 측정 UCM을 대비함으로써 유종을 분석할 수 있는 기술을 제시하고 있다. 기존의 육안으로 UCM을 대비하는 방식에 비해, 한국등록특허 제1618307호에 개시된 기술은 유종분석의 정확성을 향상시킬 수 있다.
한편, 한국등록특허 제1618307호에 있어서, UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 추출하게 되는데, UCM 좌표는 사람에 의해 임의로 특정되는 방식을 이용한다. 사람에 의해 임의로 특정된 UCM 좌표가 가우시안 함수에 적용되고 그에 따라 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭이 산출됨에 따라, UCM 좌표에 따라 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭이 변동될 여지가 있다. 즉, UCM 좌표를 선정하는 사람에 따라 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭이 달라질 수 있으며, 이는 유종분석의 정확성 및 재현성에 영향을 미치게 된다.
한국등록특허 제211675호(1999. 8. 2. 공고) 한국등록특허 제1618307호(2016. 5. 4. 공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기체크로마토그래피를 이용하여 유류오염물의 유종(油種)을 분석함에 있어서, 각 유종의 UCM(unresolved complex mixture)을 최대강도 시점 및 최대폭 정보로 수치화하고 이를 분석대상시료와 비교함으로써 유류오염물의 유종을 정확하게 분석할 수 있는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 가우시안 함수를 이용하여 수치화함에 있어서, 가우시안 함수에 대입되는 UCM 좌표를 국부최소값 기법(local minima) 및 데이터 평활화 기법(adjacent averaging)을 이용하여 추출함으로써 유종분석 시간을 단축함과 함께 유종분석의 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법은 순수 유종의 크로마토그램에 적시되어 있는 표준 UCM(unresolved complex mixture)을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계; 유류오염물을 대상으로 기체크로마토그래피를 실시하여 유류오염물의 측정 크로마토그램을 생성하는 단계; 측정 크로마토그램에 적시되어 있는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 단계; 및 <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 유류오염물의 유종을 판별하는 단계를 포함하여 이루어지며, 표준 UCM 또는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계는, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정과, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 가우시안 함수에 대입하여 가우시안 함수 그래프를 생성하는 과정과, 생성된 가우시안 함수 그래프 상에서 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 과정을 포함하여 구성되며, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정은, 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 과정인 것을 특징으로 한다.
표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정은, 아래의 식 3 또는 식 4를 통해 n개의 크로마토그램의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환시키는 과정과, 아래의 식 5 및 식 6을 모두 만족하는 평활 피크값을 국부최소값으로 선정하고, 선정된 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하는 과정으로 구성된다.
(식 3)
Figure 112023009944050-pat00023
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
(식 4)
Figure 112023009944050-pat00024
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
(식 5)
Pi* 〈 Pi*-1
(식 6)
Pi* 〈 Pi*+1
<표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비함에 있어서, 최대강도 시점과 최대폭 각각에 대하여 대비하며, 최대강도 시점과 최대폭 각각이 설정된 오차범위 이내에 속하는지 여부를 판단하며, 최대강도 시점과 최대폭 각각의 오차범위는 동일하거나 서로 다를 수 있다.
<표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비함에 있어서, 동일한 최대강도 시점 개수를 갖는 표준 UCM과 측정 UCM을 대비한다.
본 발명에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치는 표준 크로마토그램 정보, 측정 크로마토그램 정보, 표준 UCM 좌표, 측정 UCM 좌표, 표준 UCM 및 측정 UCM의 최대강도 시점과 최대폭 정보를 저장하는 DB 블록; 표준 UCM 또는 측정 UCM에 대해 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 UCM 좌표 추출모듈; 표준 UCM 좌표 또는 측정 UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 표준 UCM 또는 측정 UCM을 가우시안 함수 그래프로 변환하며, 표준 UCM과 측정 UCM 각각의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 상기 DB 블록에 저장하는 가우시안 함수 변환모듈; <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 유류오염물의 유종을 판별하는 매칭모듈; 및 상기 가우시안 함수 변환모듈 및 매칭모듈을 제어하여 표준 크로마토그램 정보 및 측정 크로마토그램 정보의 저장, 표준 UCM 좌표 및 측정 UCM 좌표의 저장, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 가우시안 함수 그래프로의 변환, 표준 UCM과 측정 UCM의 매칭과정을 제어하는 유종분석 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 UCM 좌표 추출모듈은 아래의 식 3 또는 식 4를 통해 n개의 크로마토그램의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환시키고, 아래의 식 5 및 식 6을 모두 만족하는 평활 피크값을 국부최소값으로 선정함과 함께 선정된 국부최소값을 UCM 좌표로 특정한다.
(식 3)
Figure 112023009944050-pat00025
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
(식 4)
Figure 112023009944050-pat00026
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
(식 5)
Pi* 〈 Pi*-1
(식 6)
Pi* 〈 Pi*+1
상기 DB 블록은 표준 크로마토그램 DB, 측정 크로마토그램 DB, UCM 좌표 DB 및 UCM 정보 DB로 구성되며, 상기 표준 크로마토그램 DB는 제반 유종에 대한 기체크로마토그래피 분석에 따른 크로마토그램 정보를 저장하며, 상기 측정 크로마토그램 DB는 분석대상물인 유류오염물의 크로마토그램 정보를 저장하며, 상기 UCM 좌표 DB는 제반 유종 각각의 UCM 좌표 및 분석대상물인 유류오염물의 UCM 좌표를 저장하며, 상기 UCM 정보 DB는 표준 UCM 또는 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 저장한다.
본 발명에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
UCM 좌표를 가우시안 함수 그래프로 변환하여 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 이용하여 유종을 분석함에 있어서, 사람의 임의의 판단이 아닌 국부최소화 기법 및 데이터 평활화 기법을 통해 UCM 좌표를 특정함으로써 유종분석 시간을 단축함과 함께 유종분석의 신뢰성 및 재현성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 UCM을 포함하는 크로마토그램의 일 예를 나타낸 참고도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3 내지 도 5는 UCM 좌표로 특정되는 국부최소값을 설명하기 위한 참고도.
도 6은 기생피크에 의한 국부최소값을 설명하기 위한 참고도.
도 7a 및 도 7b는 평활화 폭(y)이 각각 5개, 50개인 경우의 평활화 결과를 나타낸 참고도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법을 설명하기 위한 참고도.
도 9는 수동 추출에 의해 UCM 좌표를 특정한 것과 자동 추출에 의해 UCM 좌표가 특정된 것을 나타낸 참고도.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치의 구성도.
기체크로마토그래피 분석시 분석대상시료는 분리관(column)에서 각 성분별로 분리되고, 분리된 각 성분은 검출기(detector)에서 전기적 신호(peak)로 변환된다. 이 때, 각 성분에 대한 전기적 신호(peak)는 시간 경과에 따라 지속적으로 발생되며, 각 성분은 시간에 따른 피크(peak) 변화로 표현된다. 각 성분의 시간에 따른 피크 변화를 통상, 크로마토그램(chromatogram)이라 칭한다.
본 발명에서 사용되는 용어 'UCM(unresolved complex mixture)'은 각 성분의 시간에 따른 피크 변화를 나타내는 크로마토그램 상에서 피크의 하부에 위치하는 낙타 혹(hump) 형태 또는 종 형태의 영역을 일컫는다. UCM은 기체크로마토그래피 분석시 분석 가능한 피크로 피크화되지 않는 유기화합물 집합체로서, 유종에 따라 고유 형태를 갖는다. 예를 들어, 등유의 UCM 형태와 경유의 UCM 형태는 상이하다(도 3a 참조). 분석대상시료에 따라 UCM이 존재하지 않을 수도 있으나, 수천 가지의 탄화수소 화합물로 구성되는 유류(油類)의 경우, 기체크로마토그래피 분석시 대다수 UCM이 존재하며, 그 형태는 대부분 낙타 혹 또는 종 형태를 이룬다.
본 발명은 유종에 따라 고유의 형태를 갖는 UCM을 최대강도 시점과 최대폭으로 수치화하고, 분석대상시료의 UCM과 표준 UCM을 대비함으로써 분석대상시료의 유종을 판별할 수 있는 기술을 제시한다. 최대강도 시점은 크로마토그램 상에서 UCM이 최대강도(maximum intensity)를 나타내는 시점을 일컬으며, 최대폭은 UCM의 최대폭을 의미한다.
또한, 본 발명은 UCM을 최대강도 시점과 최대폭으로 수치화함에 있어서, UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 최대강도 시점과 최대폭을 수치화하는데, UCM 좌표를 UCM의 국부최소값(local minima)을 이용하여 추출함으로써 유종분석의 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다. 먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하면, 첫번째 단계로 분석대상 유종의 표준 UCM에 대한 최대강도 시점 및 최대폭을 확정한다(S201). 표준 UCM이라 함은 순수 유종의 크로마토그램에 도시된 UCM을 의미하며, 표준 UCM의 정리가 요구되는 유종은 등유, 경유 등의 제반 유종 각각 또는 이들의 혼합물이다.
표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하기 위해서는 표준 UCM의 가우시안 함수(Gaussian function) 그래프로의 변환이 요구된다. 유류의 UCM은 전술한 바와 같이 낙타 혹 또는 종 모양을 이루나 완벽한 좌우대칭의 형태가 아님에 따라 정확한 최대강도 시점 및 최대폭을 특정하기에는 어려움이 있다. 이에, 좌우대칭의 종 모양의 형태를 이루는 가우시안 함수 그래프로의 변환을 통해, 표준 UCM과 가우시안 함수 그래프 사이의 오차는 최소화함과 함께 가우시안 함수 그래프로의 변환을 통해 정확한 최대강도 시점 및 최대폭을 확정할 수 있다.
표준 UCM을 가우시안 함수 그래프를 변환하기 위해서는 UCM 좌표를 특정하는 과정과, UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하는 것이 필요하다. 앞서 '발명의 배경이 되는 기술'에서 언급한 바와 같이 본 출원인과 발명자는 한국등록특허 제1618307호를 통해 UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 표준 UCM을 가우시안 함수 그래프를 변환시키고 이를 통해 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 기술을 제시한 바 있는데, UCM 좌표가 사람에 의해 임의로 선정됨으로 인해 유종분석의 정확성 및 재현성에 문제가 발생될 수도 있다.
이에, 본 발명은 국부최소값(local minima) 기법을 이용하여 UCM 좌표를 특정하는 방식을 적용한다. 이에 따라, 사람에 의해 임의로 UCM 좌표가 특정되는 방식에 대비하여 유종분석 시간을 단축함과 함께 유종분석의 정확성 및 재현성을 향상시킬 수 있다.
국부최소값(local minima)을 이용한 UCM 좌표의 특정은 다음과 같이 진행된다. 앞서 기술한 바와 같이, 크로마토그램은 각 성분의 시간에 따른 피크 변화를 나타낸 것이고, UCM은 크로마토그램 상에서 피크의 하부에 위치하는 종 형태의 영역을 의미한다. UCM 영역을 정의하기 위해서는 UCM 영역 위에 존재하는 피크값들이 배제되어야 한다. 도 1에 도시된 바와 같이, UCM 영역 위에는 UCM 영역에 비해 매우 큰 값의 피크들이 존재하는데, 이들 피크값들은 UCM 영역에서 벗어난 것이기 때문에 UCM 영역의 정의시 이들 피크값들이 배제될 필요가 있다.
UCM 영역 위의 피크값들을 배제함과 함께 UCM 영역을 정의하기 위한 UCM 좌표를 설정하기 위해 국부최소값(local minima) 기법을 도입한다. 구체적으로, 크로마토그램 상에서 피크와 피크 사이의 저점 피크를 국부최소값으로 하고 해당 국부최소값을 UCM 좌표로 특정함으로써 UCM 영역을 정의할 수 있다(도 3의 (c) 및 도 4 참조). 즉, 피크와 피크 사이의 저점 피크 각각을 UCM 좌표로 특정하고 이들 UCM 좌표를 연결함으로써 UCM 영역을 정의할 수 있다.
UCM 좌표로 특정되는 국부최소값은 아래의 식 1 및 식 2를 동시에 만족한다. 즉, 식 1 및 식 2를 만족해야만 국부최소값으로 특정된다(도 5 참조). 식 1 및 식 2에서 P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn은 크로마토그램 상의 피크값을 의미하며, 이들 피크값 중에서 식 1 및 식 2를 동시에 만족하는 피크값이 국부최소값에 해당되며, 해당 국부최소값이 UCM 좌표로 특정된다. 예를 들어, 식 1 및 식 2에 나타낸 바와 같이, 피크값 Pi가 식 1 및 식 2를 동시에 만족한다면 국부최소값에 해당되며, Pi의 2차원 좌표가 UCM 좌표로 특정된다. 식 1 및 식 2는 특정 피크값(Pi)이 양 옆에 각각 인접하는 Pi-1, Pi+1 보다 작아야 함을 의미한다.
(식 1)
Pi 〈 Pi-1
(식 2)
Pi 〈 Pi+1
한편, UCM 영역 위의 피크들을 확대하여 보면 기생피크가 존재함을 확인할 수 있다(도 6 참조). 기생피크는 크로마토그래피 분석 과정에서 피크 분리의 불량 또는 신호 잡음에 따른 결과이며, 이러한 기생피크로 인해 국부최소값에 해당되지 않는 피크값이 국부최소값으로 간주될 수 있다. 따라서, 기생피크로 인해 발생되는 국부최소값에 대해 보정이 필요하다.
기생피크로 인해 발생되는 국부최소값을 보정하기 위해 adjacent averaging 기법(이하에서는, 데이터 평활화 기법이라 칭함)을 적용한다. 데이터 평활화 기법은 데이터를 인접하는 데이터의 평균값으로 보정하는 기법으로, 본 발명에서는 기생피크를 제거하여 국부최소값 선정의 신뢰성을 높이기 위해 적용된다.
데이터 평활화 기법을 통해 크로마토그램 상의 각각의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환하고(S201a), 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)을 기준으로 국부최소값을 선정(S201b)함으로써 국부최소값 선정의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
아래의 식 3 또는 식 4를 통해 크로마토그램 상의 각각의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환시킬 수 있다(S201a). 식 3 또는 식 4에 있어서, y는 평활화 폭이며, 평활화 폭은 평활화 대상 피크값의 수를 의미한다. 식 3은 y가 홀수인 경우, 식 4는 y가 짝수인 경우에 적용되는 수식이다.
식 3 또는 식 4를 통해 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 보정함에 있어서 평활화 폭(y)이 작으면 피크값 보정 효과가 작아 피크 모양의 변화가 적고, 평활화 폭(y)이 크면 피크값 보정 효과가 큰 반면 데이터 해석에 오류가 발생될 여지가 있어 평활화 폭(y)을 적절하게 설정할 필요가 있다.
본 발명에서는 평활화 폭(y)으로 5개, 50개, 500개를 각각 설정하여 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)을 산출하고, 평활 피크값을 바탕으로 국부최소값을 선정함과 함께 해당 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하고, 최종적으로 후술하는 가우시안 함수 그래프 변환을 통해 UCM 영역을 확정하였는데, 시뮬레이션 결과 평활화 폭(y)을 50개로 설정하였을 때 유종분석 정확성이 가장 높았다. 도 7a는 평활화 폭(y)이 5개인 경우의 평활화 결과이고, 도 7b는 평활화 폭(y)이 50개인 경우의 평활화 결과(파란색 참조)이다. 도 7b에서 검은색은 평활화 전의 피크를 나타낸 것이다.
(식 3)
Figure 112023009944050-pat00027
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
(식 4)
Figure 112023009944050-pat00028
(Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)
식 3 또는 식 4를 통해 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)이 산출되면(S201a), 산출된 평활 피크값들을 식 1 및 식 2와 동일한 식 5 및 식 6에 적용함으로써 식 5 및 식 6을 모두 만족하는 평활 피크값을 국부최소값으로 선정(S201b)할 수 있으며, 해당 국부최소값이 UCM 좌표로 특정된다(S201c).
(식 5)
Pi* 〈 Pi*-1
(식 6)
Pi* 〈 Pi*+1
국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법(adjacent averaging 기법)을 통해 UCM 좌표의 특정이 완료되면, UCM 좌표를 가우시안 함수(아래 식 7 참조)에 대입하여 표준 UCM에 대응되는 가우시안 함수 그래프를 생성시킨다(S201d). 그런 다음, 생성된 가우시안 함수 그래프 상에서 최대강도 시점 및 최대폭을 확정한다(S201e). 최대강도 시점은 최대강도(y축)를 나타내는 지점의 시간(x축)을 의미하며, 최대폭은 가우시안 함수 그래프(즉, UCM)의 최대폭을 의미한다. 상기 최대폭은 가우시안 함수 그래프의 시작점과 종료점 사이의 폭을 의미할 수 있다.
(식 7)
Figure 112021014247421-pat00007
(x는 UCM의 시간, y는 UCM의 강도, y0는 UCM의 y축 바탕값, xc는 가우시안 함수 그래프의 중간값 상수, A는 UCM의 면적, w는 가우시안 함수 그래프의 반치폭)
표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭이 확정된 상태에서, 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 측정한다(S202). 측정 UCM은 분석대상시료의 크로마토그램 상에 도시된 UCM을 의미한다.
측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 과정은, 표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 과정과 동일하다. 즉, 1) 크로마토그램의 피크값을 평활 피크값으로 변환하는 과정(S202a), 2) 평활 피크값을 바탕으로 국부최소값 선정하는 과정(S202b), 3) 해당 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하는 과정(S202c), 4) UCM 좌표를 가우시안 함수 그래프로 변환하는 과정(S202d), 5) 가우시안 함수 그래프를 통해 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 과정(S202e)을 순차적으로 진행하여 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭을 측정할 수 있다(도 8 참조).
상술한 과정을 통해 표준 UCM과 측정 UCM 각각에 대한 최대강도 시점 및 최대폭이 확정되면, <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하면 해당 측정 UCM을 해당 표준 UCM이 의미하는 유종으로 확정한다(S203). 예를 들어, 측정 UCM이 경유 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭에 해당되는 수치범위를 갖는다면 해당 측정 UCM을 갖는 분석대상시료는 경유로 확정된다. 이 때, 최대강도 시점과 최대폭 각각에 대한 비교가 필요하며, 최대강도 시점과 최대폭 각각이 설정된 오차범위 이내에 속하는지 여부를 판단해야 한다. 일 실시예로, 최대강도 시점과 최대폭 각각의 오차범위는 1∼10%로 설정할 수 있으며, 최대강도 시점과 최대폭 각각의 오차범위는 서로 다르게 설정할 수도 있다.
아래의 표 1은 경유와 등유의 UCM을 UCM 좌표를 이용하여 가우시안 함수 그래프로 변환하고 가우시안 함수 그래프의 최대강도 시점을 산출함에 있어서, 사람에 의해 UCM 좌표가 특정된 것(수동 추출)과 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법에 의해 UCM 좌표가 특정된 것(자동 추출)을 비교한 결과이다. 표 1을 참조하면, 수동 추출에 따른 최대강도 시점과 자동 추출에 따른 최대강도 시점에 있어서 그 차이가 경유는 2.0%, 등유는 1.6%에 불과함을 알 수 있으며, 본 발명에 따른 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법에 의한 UCM 좌표 특정 방법이 정확성 및 재현성을 갖추고 있음을 알 수 있다. 도 9는 수동 추출에 의해 UCM 좌표를 특정한 것과 자동 추출에 의해 UCM 좌표가 특정된 것을 나타낸 참고도이다.
유류 시료 UCM 최대강도 시점(min)
수동 추출 자동 추출
경유 단일 19.8 20.2
등유 단일 12.5 12.3
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법에 대해 설명하였다. 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법은 소프트웨어화할 수 있으며, 다음과 같은 유종분석장치로 구현할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치는 DB 블록(450), UCM 좌표 추출모듈(420), 가우시안 함수 변환모듈(430), 매칭모듈(440) 및 유종분석 제어장치(410)를 포함하여 이루어진다.
상기 DB 블록(450)은 세부적으로, 표준 크로마토그램 DB(451), 측정 크로마토그램 DB(452), UCM 좌표 DB(453) 및 UCM 정보 DB(454)로 구성된다.
상기 표준 크로마토그램 DB(451)은 제반 유종 각각에 대한 기체크로마토그래피 분석에 따른 크로마토그램 정보를 저장하며, 상기 측정 크로마토그램 DB(452)는 분석대상물인 유류오염물의 크로마토그램 정보를 저장한다. 상기 UCM 좌표 DB(453)은 제반 유종 각각의 UCM 좌표 및 분석대상물인 유류오염물의 UCM 좌표를 저장한다. 또한, 상기 UCM 정보 DB(454)는 제반 유종 각각의 UCM 및 분석대상물인 유류오염물의 UCM에 대한 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 저장한다.
상기 표준 크로마토그램 및 측정 크로마토그램은 단일 유종 또는 복수의 유종이 혼합된 혼합물에 대한 크로마토그래피 분석결과이며, 상기 표준 크로마토그램 정보와 측정 크로마토그램 정보는 기체크로마토그래피 분석장치로부터 클라이언트(460)를 통해 입력, 저장될 수 있다. 또한, 상기 UCM 좌표 정보는 UCM 좌표 추출모듈(420)에 의해 생성되어 저장되며, 상기 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보는 상기 가우시안 함수 변환모듈(430)에 의해 생성되어 저장된다.
상기 UCM 좌표 추출모듈(420)은 상기 유종분석 제어장치(410)의 제어 하에 표준 크로마토그램 DB(451)에 저장되어 있는 표준 UCM 또는 측정 크로마토그램 DB(452)에 저장되어 있는 측정 UCM의 2차원 좌표를 추출하는 것으로서, 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 역할을 한다. 구체적으로, 상기 UCM 좌표 추출모듈(420)은 식 3 또는 식 4를 통해 n개의 크로마토그램의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)을 변환시키고, 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)을 바탕으로 식 5 및 식 6을 모두 만족시키는 피크값을 국부최소값으로 선정하며, 선정된 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하는 역할을 한다.
상기 가우시안 함수 변환모듈(430)은 상기 유종분석 제어장치(410)의 제어 하에 상기 UCM 좌표 DB(453)에 저장되어 있는 표준 UCM 또는 측정 UCM의 좌표 정보를 가우시안 함수에 대입하여 표준 UCM 또는 측정 UCM을 가우시안 함수 그래프로 변환하고, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 상기 DB 블록(450)의 UCM 정보 DB(454)에 저장하는 역할을 한다.
또한, 상기 가우시안 함수 변환모듈(430)은 표준 UCM 또는 측정 UCM 상의 봉우리 개수(최대강도 시점 개수)를 확인하고, 복수의 봉우리 개수가 존재하는 경우 각 봉우리(최대강도 시점) 인근의 2차원 좌표를 각각 가우시안 함수에 대입하여 혼합되어 있는 유종의 개수만큼의 가우시안 함수 그래프를 생성하고, 생성된 복수의 가우시안 함수 그래프를 결합하여 복수의 유종이 혼합된 혼합물의 UCM에 대응되는 가우시안 함수 그래프를 완성하며, 최종 완성된 가우시안 함수 그래프의 복수의 최대강도 시점 및 최대폭을 상기 DB 블록(450)의 UCM 정보 DB(454)에 저장한다. 여기서, 복수의 봉우리 개수가 존재하는 경우 각 봉우리(최대강도 시점) 인근의 2차원 좌표는 UCM 정보 DB(454)로부터 추출된다.
상기 매칭모듈(440)은 상기 유종분석 제어장치(410)의 제어 하에 상기 UCM 정보 DB(454)에 저장되어 있는 <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 분석대상물의 유종을 판별하는 역할을 한다. 상기 오차범위는 선택적으로 설정 가능하다. 또한, 상기 매칭모듈(440)은 <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비함에 있어서, 최대강도 시점의 개수가 동일한 표준 UCM과 측정 UCM을 대비한다.
상기 유종분석 제어장치(410)는 인터페이스 모듈(450)을 매개로 클라이언트(460)와 통신연결관계가 설정되며, 상기 UCM 좌표 추출모듈(420), 가우시안 함수 변환모듈(430) 및 매칭모듈(440)을 제어하여 표준 크로마토그램 정보 및 측정 크로마토그램 정보의 저장, 표준 UCM 좌표 및 측정 UCM 좌표의 저장, UCM의 가우시안 함수 그래프로의 변환, 표준 UCM과 측정 UCM의 매칭과정을 제어하는 역할을 한다.
410 : 유종분석 제어장치 420 : UCM 좌표 추출모듈
430 : 가우시안 함수 변환모듈 440 : 매칭모듈
450 : DB 블록 451 : 표준 크로마토그램 DB
452 : 측정 크로마토그램 DB 453 : UCM 좌표 DB
454 : UCM 정보 DB

Claims (7)

  1. 순수 유종의 크로마토그램에 적시되어 있는 표준 UCM(unresolved complex mixture)을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계;
    유류오염물을 대상으로 기체크로마토그래피를 실시하여 유류오염물의 측정 크로마토그램을 생성하는 단계;
    측정 크로마토그램에 적시되어 있는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 단계; 및
    <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 유류오염물의 유종을 판별하는 단계를 포함하여 이루어지며,
    표준 UCM 또는 측정 UCM을 대상으로 최대강도 시점 및 최대폭을 확정하는 단계는,
    표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정과, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 가우시안 함수에 대입하여 가우시안 함수 그래프를 생성하는 과정과, 생성된 가우시안 함수 그래프 상에서 최대강도 시점 및 최대폭을 측정하는 과정을 포함하여 구성되며,
    표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정은,
    국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 과정인 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 2차원 좌표정보를 추출하는 과정은,
    아래의 식 3 또는 식 4를 통해 n개의 크로마토그램의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환시키는 과정과,
    아래의 식 5 및 식 6을 모두 만족하는 평활 피크값을 국부최소값으로 선정하고, 선정된 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하는 과정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법.

    (식 3)
    Figure 112023009944050-pat00029

    (Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)

    (식 4)
    Figure 112023009944050-pat00030

    (Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)

    (식 5)
    Pi* 〈 Pi*-1

    (식 6)
    Pi* 〈 Pi*+1
  3. 제 1 항에 있어서, <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비함에 있어서,
    최대강도 시점과 최대폭 각각에 대하여 대비하며, 최대강도 시점과 최대폭 각각이 설정된 오차범위 이내에 속하는지 여부를 판단하며, 최대강도 시점과 최대폭 각각의 오차범위는 동일하거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법.
  4. 제 1 항에 있어서, <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비함에 있어서,
    동일한 최대강도 시점 개수를 갖는 표준 UCM과 측정 UCM을 대비하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석방법.
  5. 표준 크로마토그램 정보, 측정 크로마토그램 정보, 표준 UCM 좌표, 측정 UCM 좌표, 표준 UCM 및 측정 UCM의 최대강도 시점과 최대폭 정보를 저장하는 DB 블록;
    표준 UCM 또는 측정 UCM에 대해 국부최소값 기법 및 데이터 평활화 기법을 이용하여 국부최소값을 선정함과 함께 UCM 좌표를 특정하는 UCM 좌표 추출모듈;
    표준 UCM 좌표 또는 측정 UCM 좌표를 가우시안 함수에 대입하여 표준 UCM 또는 측정 UCM을 가우시안 함수 그래프로 변환하며, 표준 UCM과 측정 UCM 각각의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 상기 DB 블록에 저장하는 가우시안 함수 변환모듈;
    <표준 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>과 <측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭>을 대비하여 미리 설정된 오차범위 내에 속하는지 여부를 판단하여 유류오염물의 유종을 판별하는 매칭모듈; 및
    상기 가우시안 함수 변환모듈 및 매칭모듈을 제어하여 표준 크로마토그램 정보 및 측정 크로마토그램 정보의 저장, 표준 UCM 좌표 및 측정 UCM 좌표의 저장, 표준 UCM 또는 측정 UCM의 가우시안 함수 그래프로의 변환, 표준 UCM과 측정 UCM의 매칭과정을 제어하는 유종분석 제어장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 UCM 좌표 추출모듈은 아래의 식 3 또는 식 4를 통해 n개의 크로마토그램의 피크값(P1, P2, P3, ···, Pi, ···, Pn)을 평활 피크값(P1*, P2*, P3*, ···, Pi*, ···, Pn*)으로 변환시키고, 아래의 식 5 및 식 6을 모두 만족하는 평활 피크값을 국부최소값으로 선정함과 함께 선정된 국부최소값을 UCM 좌표로 특정하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치.

    (식 3)
    Figure 112023009944050-pat00031

    (Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)

    (식 4)
    Figure 112023009944050-pat00032

    (Pi*는 평활 피크값, y는 평활화 폭)

    (식 5)
    Pi* 〈 Pi*-1

    (식 6)
    Pi* 〈 Pi*+1
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 DB 블록은 표준 크로마토그램 DB, 측정 크로마토그램 DB, UCM 좌표 DB 및 UCM 정보 DB로 구성되며,
    상기 표준 크로마토그램 DB는 제반 유종에 대한 기체크로마토그래피 분석에 따른 크로마토그램 정보를 저장하며, 상기 측정 크로마토그램 DB는 분석대상물인 유류오염물의 크로마토그램 정보를 저장하며, 상기 UCM 좌표 DB는 제반 유종 각각의 UCM 좌표 및 분석대상물인 유류오염물의 UCM 좌표를 저장하며, 상기 UCM 정보 DB는 표준 UCM 또는 측정 UCM의 최대강도 시점 및 최대폭 정보를 저장하는 것을 특징으로 하는 기체크로마토그래피의 UCM 정보를 이용한 유종분석장치.
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