KR20070107548A - 시료 전처리 방법 및 이를 이용한 전처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료 전처리 방법 및 이를 이용한 전처리 장치에 관한 것으로서, 시료를 채취하는 단계(S1); 채취된 시료에서 미세관을 통해 유입되는 미량의 청정공기를 이용하여 기상의 분석물질을 분리하는 단계(S2); 분리된 기상의 분석물질을 포집하는 단계(S3); 포집된 기상의 분석물질을 외부와 차단하여 균일화시킨 후, 압력조절을 통해 농축하는 단계(S4); 농축된 분석물질을 시료분석장치로 주입하는 단계(S5)를 포함하여 구성된다. 이에 따라, 시료에 대한 분석능력은 물론이고 그 재현성을 향상시킬 수 있다.

시료, 채취, 분리, 포집, 농축, 주입

Description

시료 전처리 방법 및 이를 이용한 전처리 장치 {SAMPLE PREPROCESSING METHOD AND PREPROCESSING DEVICE USING IT}

도 1은 본 발명에 따른 시료 전처리 방법을 단계적으로 도시한 블럭도이고,

도 2는 본 발명에 따른 시료 전처리 장치를 도시한 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 시료 전처리 장치를 개략적으로 도시한 정면도이고,

도 4a 내지 도 4j는 본 발명에 따른 시료 전처리 장치의 단계별 작동상태도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 시료유입부 20 : 공기유입부

22 : 미세관 24 : 공기필터

30 : 시료퍼지부 40 : 시린지부

42 : 시린지 44 : 히터

50 : 시료주입부 60 : 제어부

62 : 제1제어밸브 64 : 제2제어밸브

66 : 제3제어밸브

본 발명은 시료 전처리 방법 및 이를 이용한 전처리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액체 또는 고체의 시료로부터 분석물질을 기상으로 분리하여 시료분석장치로 공급하기 위한 시료 전처리 방법 및 이를 이용한 전처리 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 액체 또는 고체의 시료는 일련의 전처리 과정을 거쳐 가스크로마토그래피(GC:Gas Chromatography) 또는 전자코(EN:Electric Nose) 등과 같은 시료분석장치에 의해 분석된다.

이러한 시료의 전처리 과정은 시료에 함유되어 있는 분석물질을 휘발시키거나, 흡착트랩에 분석물질을 일정시간 동안 포집하여 농축하는 방법이 주로 사용된다.

현재 대부분의 실험실에서는 헤드스페이스(Headspace) 또는 퍼지-트랩(Purge and Trap) 방법을 이용한 시료 전처리 장치를 사용하고 있는 실정이다.

헤드스페이스 방법은 격막으로 밀봉된 용기에 시료를 일정량 투입하고, 투입된 시료를 일정의 온도로 가열하여 휘발성분들을 시료 위의 공간으로 이동시킨다. 그리고 시린지(Syringe)를 이용하여 분석물질을 직접 시료분석장치에 주입하거나 또는 운반기체를 이용하여 가열된 연결관을 통해 자동으로 시료분석장치에 주입시 킨다.

그리고 퍼지-트랩 방법에서는 액체 또는 고체시료를 용기에 투입한 후, 시료로부터 휘발성분을 분리하기 위해서 시료에 비활성 가스를 불어 넣어준다. 이에 따라, 비활성 가스와 함께 휘발된 분석물질은 흡착트랩에 포집되고, 일정시간 퍼지(Purge)가 완료되면 흡착트랩을 신속하게 가열하여 흡착된 분석물질을 흡착트랩으로부터 탈착시킨다. 이러한 퍼지-트랩방법은 액체시료 속에 존재하는 미량의 휘발성분을 분석하기에 적합한 데, 이는 휘발성분이 흡착트랩에 농축되기 때문이다.

그러나 헤드스페이스 방법은 시료에서 분석물질을 분리하는 데 상당히 오랜 시간이 소요될 뿐 아니라 미량의 시료를 분석하는 데에는 적합하지 않다는 문제점이 있다.

또한, 퍼지-트랩 방법은 흡착트랩에 포집된 분석물질을 탈착하는 과정에서 200℃ 이상의 고온으로 흡착트랩을 가열해야 하므로 분석물질의 성상에 영향을 줄 수 있고, 퍼지용으로 사용되는 비활성 가스를 지속적으로 공급해줘야 하므로 경제성이 떨어질 뿐 아니라 전처리 과정이 복잡하여 그 재현성이 저하되는 단점이 있다.

한편, 종래의 시료 전처리 방법은 극미량의 환경오염물질, 즉 악취유발물질 또는 온실가스와 같이 검출농도가 매우 낮은 수준의 물질을 분석하기 어렵다는 단점이 있다.

최근에 들어 연속 관측시스템이 대기뿐 아니라 지하수, 하천, 강 그리고 해양에 걸쳐 전반적으로 확대되면서 몇몇 분석물질에 대한 자동 측정이 가능한 수준 이다.

그러나 이와 같은 전처리 방법 역시 시료로부터 분석물질을 포집하여 시료분석장치에 주입하기 때문에 그 재현성 및 신뢰성 등을 확보하는 데 한계가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 시료의 전처리 과정을 신속하고 정확하게 수행할 수 있음은 물론이고 그 재현성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있는 시료의 전처리 과정 및 이를 이용한 전처리 장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 시료분석장치에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 시료 전처리 방법에 있어서, 시료를 채취하는 단계; 채취된 시료에서 미세관을 통해 유입되는 미량의 청정공기를 이용하여 기상의 분석물질을 분리하는 단계; 분리된 기상의 분석물질을 포집하는 단계; 포집된 기상의 분석물질을 외부와 차단하여 균일화시킨 후, 압력조절을 통해 농축하는 단계; 농축된 분석물질을 상기 시료분석장치로 주입하는 단계를 포함하여 구성되는 데 그 기술적 특징이 있다.

상기 기상의 분석물질을 포집하는 단계에서는 일정 수준의 온도를 유지하여 포집되는 기상의 분석물질이 응결되는 것을 방지할 수 있도록 하는 것이 바람직하 다

그리고 시료분석장치에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 시료 전처리 장치에 있어서, 시료가 유입되는 시료유입부; 청정공기가 유입되는 공기유입부; 상기 시료유입부 및 상기 공기유입부와 연통 설치되며, 상기 공기유입부에서 유입된 청정공기를 통해 상기 시료유입부에서 유입된 시료로부터 기상의 분석물질을 분리하는 시료퍼지부; 상기 시료퍼지부와 연통 설치되며, 상기 시료퍼지부에서 분리된 기상의 분석물질을 포집하여 농축시키는 시린지부; 상기 시린지부와 연통 설치되어, 상기 시린지부에서 농축된 분석물질을 상기 시료분석장치에 주입하는 시료주입부; 상기 시료유입부, 상기 공기유입부, 상기 시료퍼지부, 상기 시린지부 및 상기 시료주입부의 상호 연결상태를 제어하는 제어부를 포함하여 구성되는 데 그 특징이 있다.

상기 공기유입부는, 공기유로가 형성되어 있는 미세관; 상기 미세관에 연결 설치되어, 상기 미세관으로 유입되는 공기를 정화하는 공기필터를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 시린지부는, 기상의 분석물질이 포집·농축되는 시린지; 상기 시린지의 외부에 설치되며, 상기 시린지의 내부에 포집되는 기상의 분석물질이 응결되는 것을 방지할 수 있도록 상기 시린지를 가열하는 히터를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 시린지의 내부압력은 대기압과 동일하게 형성되는 것이 바람직하다.

상기 제어부는 제어밸브인 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 시료분석장치(미도시)에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 시료의 전처리 방법은 5단계로 구분할 수 있으며, 본 발명에서는 대상 시료가 액체인 경우를 일 실시예로 설명하기로 한다.

① 시료를 채취하는 단계(S1).

이 때, 시료의 채취는 현장에서 직접 이루어지거나 또는 시료가 보관되어 있는 보관용기에서 채취할 수 있다.

② 미량의 청정공기를 통해 채취된 시료에서 기상의 분석물질을 분리하는 단계(S2).

이 때, 청정공기는 공기필터와 같은 필터링 수단을 통과하여 깨끗하게 정화된 공기이며, 청정공기를 미량만 사용하는 이유는 분석물질이 희석되는 것을 방지하기 위함이다.

③ 분리된 기상의 분석물질을 포집하는 단계(S3).

이 때, 청정공기에 의해 분리된 기상의 분석물질은 별도의 밀폐된 공간에 포집되며, 분석물질의 포집 단계(S3)에서는 일정 수준의 온도(80∼150℃)를 항상 유지하여 포집되는 기상의 분석물질이 응결되는 것을 방지할 수 있도록 하고 있다.

한편, 미량의 청정공기를 사용하여 시료에 포함되어 있는 분석물질을 기체상태로 분리·포집함으로써 분석물질의 물리적·화학적 구조를 변경시키지 않고 고농도로 농축하는 것이 가능하다.

④ 포집된 기상의 분석물질을 외부와 차단하여 균일화시킨 후, 압력조절을 통해 농축하는 단계(S4).

이 때, 압력조절은 공지된 다양한 종류의 압력조절수단을 선택적으로 적용할 수 있다.

⑤ 농축된 분석물질을 시료분석장치로 주입하는 단계(S5)를 포함하여 구성된다.

상기와 같은 일련의 단계를 거침으로써 시료의 전처리 과정이 최종적으로 완료된다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 시료 전처리 장치(100)는 시료분석장치(미도시)에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 것으로, 시료가 유입되는 시료유입부(10); 청정공기가 유입되는 공기유입부(20); 시료유입부(10) 및 공기유입부(20)와 연통 설치되는 시료퍼지부(30); 시료퍼지부(30)와 연통 설치되는 시린지부(40); 시린지부(40)와 연통 설치되는 시료주입부(50); 시료유입부(10)와 공기유입부(20)와 시료퍼지부(30)와 시린지부(40) 및 시료주입부(50)의 상호 연결상태를 각각 제어하는 제어부(60)를 포함하여 구성된다.

시료유입부(10)는 시료퍼지부(30)로 시료를 제공하는 역할을 수행하며, 관 형상을 지니고 있다. 시료유입부(10)의 형상은 필요에 따라 적절히 변경 가능하다.

공기유입부(20)는 공기유로가 형성되어 있는 미세관(22); 미세관(22)에 연결 설치되어, 미세관(22)으로 유입되는 공기를 정화하는 공기필터(24)를 포함한다.

이와 같은 구성에 의해, 시료유입부(10)를 통해 시료퍼지부(30) 내부로 시료를 유입시킨 후, 공기필터(24)를 통과한 청정공기를 미세관(22)을 통하여 시료퍼지부(30)로 유입시킴으로써 시료가 퍼지된다.

미세관(22)은 내경이 0.010inch 이하의 관을 사용함으로써 퍼지시에 흡입되는 청정공기의 양을 최소화하여 분석물질이 희석되지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이를 보다 자세히 설명하면, 시료퍼지부(30)를 통한 시료의 퍼지시 일반적인 내경의 연결관을 사용하게 되면 외부공기가 공기필터(24)를 통과할 때 다량의 공기가 유입되면서 분석물질이 희석될 가능성이 높으므로, 흡입력에 비해 공기가 유입되기 어려운 미세관(24)을 사용함으로써 분석물질의 희석을 최소화할 수 있다.

이에 따라, 기존 퍼지-트랩 방식과 달리 흡착관에 시료를 농축하지 않고 시린지부(40)에 시료를 직접 농축하여 시료분석장치(미도시)에 주입하는 것이 가능하다.

공기필터(24)는 공지된 다양한 종류의 것을 선택적으로 적용할 수 있으며, 그 설치개수 및 설치위치는 공기의 정화효율을 높일 수 있는 범위 내에서 적절히 조절 가능하다.

시료퍼지부(30)는 공기유입부(20)에서 유입된 청정공기를 통해 시료유입부(10)에서 유입된 시료로부터 기상의 분석물질을 정확하게 분리하는 역할을 수행한다.

시료퍼지부(30)로는 파이렉스 또는 일반 유리관을 선택적으로 사용할 수 있으며, 그 내부용량이 2㎖를 초과하지 않도록 원형관을 사용한다. 그리고 시료의 부 피는 1∼5㎖ 정도로 대드볼륨(Dead Volume)을 최소화하는 것이 바람직하다.

시린지부(40)는 시료퍼지부(30)에서 분리된 기상의 분석물질을 포집하여 농축시키는 역할을 하며, 기상의 분석물질이 포집·농축되는 시린지(Syringe)(42); 시린지(42)의 외부에 설치되는 히터(44); 시린지(42) 및 히터(44)를 제어하는 제어유닛(미도시)을 포함한다.

시린지(42)는 가스타이트(Gas-Tight)용이 사용되며, 히터(44)는 포집되는 기상의 분석물질이 응결되는 방지할 수 있도록 시린지(42)를 가열하는 역할을 수행한다. 즉, 시린지(42)에 포집된 기상의 분석물질이 액화되는 것을 방지하기 위하여 히터(44)가 설치된다.

히터(44)의 가열온도 범위는 80∼150℃ 정도이며, 분석 대상물질에 따라 적절한 온도를 선택하도록 한다. 히터(44)의 종류는 고무히터를 비롯하여 공지된 다양한 종류의 것을 선택적으로 적용할 수 있다.

시린지부(40)는 시료를 시료퍼지부(30)에 채취함과 아울러 시료의 분석물질을 기체상으로 직접 포집할 수 있도록 스테인레스강 재질의 연결관을 이용하여 연결한다.

시료주입부(50)는 시린지부(40)에서 농축된 분석물질을 공급받아 시료분석장치(미도시)에 주입하는 역할을 수행한다.

그리고 제어부(60)는 제1제어밸브(62)와 제2제어밸브(64) 및 제3제어밸브(66)를 포함한다.

제2제어밸브(64)는 시린지부(40)와 연결되도록 설치되며, 제1제어밸브(62)와 시료주입부(50)와 공기필터(70) 및 시료퍼지부(30)와 연결할 수 있도록 4방향 다채널 밸브가 사용된다.

제3제어밸브(66)는 공기유입부(20)와 연결 설치되며, 시료퍼지부(30)로 시료가 채취되면 공기유입부(20)를 통해 청정공기를 유입하여 시료를 퍼지할 수 있도록 한다.

한편, 시린지부(40), 제1제어밸브(62), 제2제어밸브(64), 제3제어밸브(66) 및 시료퍼지부(30)는 스테인레스강 재질의 연결관으로 서로 연결되어 있다. 특히, 시린지부(40)는 중앙에 위치하여 시료퍼지부(30) 및 시료주입부(50)가 연결된 제2제어밸브(64)와 연결된다.

제2제어밸브(64)는 시린지부(40)와 루어락(Luer Lock) 방식으로 직접 연결하여 시료 전송거리를 최소화하여 대드볼륨(Dead Volume)을 줄이는 것이 바람직하다.

제2제어밸브(64)는 시린지부(40)와 직접 연결하여 시료 전송거리를 최소화하여 대드볼륨(Dead Volume)을 줄이는 것이 바람직하며, 루어락(Luer Lock) 방식으로 시린지부(40)와 직접 연결이 가능하도록 한다.

제2제어밸브(64)의 4개의 배출구 중 1개의 배출구는 시료 농축을 위하여 플러그 피팅을 이용하여 밀폐시키며, 제1제어밸브(62) 및 제3제어밸브(66)는 6방 스위치밸브가 사용된다.

제3제어밸브(66)의 경우 액체용 밸브를 사용한다. 제3제어밸브(66)의 재질은 테프론, 피크, 스테인레스강 등 다양한 종류의 밸브를 선택적으로 사용할 수 있으며, 외경이 1/16 inch 또는 1/8 inch 인 시료관을 연결하는 것이 가능한 구조를 가 진다.

도 4a 내지 도 4j는 본 발명에 따른 시료 전처리 장치의 작동상태를 도시한 개략도이다.

먼저, 도 4a에서와 같이 시료 전처리 과정의 초기화 단계에서 제2제어밸브(64) 및 제3제어밸브(66)는 시린지부(40)가 공기유입부(20)와 연결되도록 하여, 시료의 채취 전에 외부공기가 시린지부(40) 내부를 오염시키는 것을 방지하도록 한다.

시료의 퍼지단계에서는 도 4b에서와 같이, 제3제어밸브(66)를 조작하여 시료유입부(10) 및 시린지부(40)가 서로 연결되도록 함과 아울러 시린지부(40)를 작동시켜 약 1∼2㎖의 액체시료를 시료퍼지부(30)에 유입시키고, 도 4c에서와 같이 제2제어밸브(64) 및 시린지부(40)를 작동시켜 시린지부(40) 내부의 공기를 외부로 배출하여 시료를 퍼지할 준비를 한다.

그리고 4d에서와 같이 제2제어밸브(64)를 조작하여 시린지부(40) 및 시료퍼지부(30)가 서로 연결되도록 한 후, 시린지부(40)를 조작하여 공기유입부(20)를 통해 미량의 청정공기를 유입하여 시료퍼지부(30) 내에서 시료를 퍼지함으로써 시료에서 분리된 기체상 분석물질을 시린지부(40)에 포집한다.

시료의 농축단계에서는 도 4e에서와 같이, 시료의 퍼지단계에서 시린지부(40) 내부에 포집되어 있는 기체상 분석물질을 시린지(42)의 외측에 장착된 히터(44)를 통해 약 80∼150℃ 정도로 가열하여 기체상태의 분석물질이 응결되는 것 을 방지하도록 한다.

이 때, 시린지부(40)가 제2제어밸브(64)의 플러그 피팅이 장착된 방향으로 연결되도록 제2제어밸브(64)를 조작하여 시린지(42)를 밀폐시켜 외부공기로 인하여 분석물질이 희석되지 않도록 한다.

또한, 공기유입부(20)를 통해 포집된 분석물질과 청정공기의 부피가 시린지(42) 내부의 부피에 비하여 미량이므로 내부압력이 대기압력보다 낮게 조성되므로, 도 4f와 같이 시린지부(40)를 조작하여 내부압력이 대기압과 동일하도록 그 내부 부피를 적절히 조절한다.

시료의 주입단계에서는 도 4g에서와 같이, 제2제어밸브(64)를 조작하여 시린지부(40)와 제1제어밸브(62)에 장착된 시료주입부(50)를 연결시키고, 시린지부(40)를 조작하여 농축된 분석물질을 시료주입부(50)로 이동시킨다.

시료주입부(50)로 이송된 분석물질은 도 4h에서와 같이 제1제어밸브(62)를 조작하여 시료주입부(50)가 운송가스가 유입되는 연결관(1)과 시료분석장치와 연결되는 연결관(2)과 연결되도록 하면, 연결관(1)으로 유입된 운송가스에 의하여 농축된 기상의 분석물질이 시료분석장치로 주입된다.

이후, 다음 시료를 분석하기 위하여 도 4i 및 도 4j에서와 같이 제2제어밸브(64), 제3제어밸브(66)를 조작하여 시린지부(40) 및 시료퍼지부(30)를 청정공기로 세정한다.

한편, 미설명 도면부호 70은 시린지부(40)와 선택적으로 연결되는 공기유입부를 도시한 것이다.

상기에서와 같이, 본 발명에 따른 시료 전처리 장치는 시린지부(40)를 이용하여 미량의 청정공기를 유입시켜 시료에 포함된 분석물질을 기체상으로 분리·포집하는 방법을 사용하며, 이에 따라 분석물질의 물리적·화학적 구조를 변경시키지 않고 고농도로 농축하는 것이 가능하므로 액체 및 고체 시료에 포함된 미량이 휘발성 및 반 휘발성 분석물질과 최근에 사회문제로 대두되고 있는 악취물질의 성상에 영향을 주지 않고 농축하여 시료분석장치에 주입하므로 분석감도는 물론이고 재현성에 탁월한 효과가 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 미량의 청정공기를 통해 시료를 퍼지함과 아울러 분석물질을 신속하게 고농도로 포집할 수 있으며, 분석장치와의 연결이 용이하다.

또한, 휘발성 및 반휘발성 물질에 대한 분석능력 및 재현성을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라 악취물질에 분석에 보다 효율적으로 이용할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 시료분석장치에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 시료 전처리 방법에 있어서,

   시료를 채취하는 단계;

   채취된 시료에서 미세관을 통해 유입되는 미량의 청정공기를 이용하여 기상의 분석물질을 분리하는 단계;

   청정공기를 통해 채취된 시료에서 기상의 분석물질을 분리하는 단계;

   분리된 기상의 분석물질을 포집하는 단계;

   포집된 기상의 분석물질을 외부와 차단하여 균일화시킨 후, 압력조절을 통해 농축하는 단계;

   농축된 분석물질을 상기 시료분석장치로 주입하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 전처리 방법.
2. 제1항에 있어서,

   기상의 분석물질을 포집하는 단계에서는 일정 수준의 온도를 유지하여 기상의 분석물질이 응결되는 것을 방지할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 시료 전처리 방법.
3. 시료분석장치에 기상의 분석물질을 제공하기 위한 시료 전처리 장치에 있어 서,

   시료가 유입되는 시료유입부;

   청정공기가 유입되는 공기유입부;

   상기 시료유입부 및 상기 공기유입부와 연통 설치되며, 상기 공기유입부에서 유입된 청정공기를 통해 상기 시료유입부에서 유입된 시료로부터 기상의 분석물질을 분리하는 시료퍼지부;

   상기 시료퍼지부와 연통 설치되며, 상기 시료퍼지부에서 분리된 기상의 분석물질을 포집하여 농축시키는 시린지부;

   상기 시린지부와 연통 설치되어, 상기 시린지부에서 농축된 분석물질을 상기 시료분석장치에 주입하는 시료주입부;

   상기 시료유입부, 상기 공기유입부, 상기 시료퍼지부, 상기 시린지부 및 상기 시료주입부의 상호 연결상태를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 전처리 장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 공기유입부는,

   공기유로가 형성되어 있는 미세관; 상기 미세관에 연결 설치되어, 상기 미세관으로 유입되는 공기를 정화하는 공기필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 전처리 장치.
5. 제3항 또는 제4항에 있어서,

   상기 시린지부는,

   기상의 분석물질이 포집·농축되는 시린지; 상기 시린지의 외부에 설치되며, 상기 시린지의 내부에 포집되는 기상의 분석물질이 응결되는 것을 방지할 수 있도록 상기 시린지를 가열하는 히터를 포함하는 것을 특징으로 하는 시료 전처리 장치.

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