[기기분석] GC(기체크로마토그래피,가스크로마토그래피)를 이용한 에탄올 함량 분석

소개글

[기기분석] GC(기체크로마토그래피,가스크로마토그래피)를 이용한 에탄올 함량 분석에 대한 보고서 자료입니다.

목차

1. Theme
2. Date
3. Purpose
4. Principle
5. Reagent & Equipment
6. Method
7. Result
8. Discussion

본문내용

4.88%
4.09%
3.88%
3.40%
▷ 계산식 = 식에 대입하여 얻은 x값 X 시료 희석배수 X 내부표준물질 농도
8. Discussion
이번 실험에서는 GC를 이용하여 시중에 판매되는 주류에 들어있는 에탄올을 정량해보았다. GC는 기체크로마토그래피라고 하며 이동상인 기체의 흐름을 이용하여 화학물질을 분리시키는 방법으로, 시료를 기화시켜 고정상에 채워져 있는 분리관에 주입하면 비활성 기체인 이동상의 흐름을 따라 고정상과 이동상 사이의 물리화학적 작용에 의해 분배되어 분리가 이루어진다. GC는 휘발성 물질에 대한 분리능이 높고 감도가 좋으며 효율성이 뛰어나다는 장점이 있다.
우리가 이번 실험에서 정량한 물질인 에탄올은 에틸알코올이라고도 하며 각종 알코올음료 속에 함유되어 있는 성분이다. 주류의 에탄올 함량의 경우 대체적으로 맥주는 3~4%, 청주는 15~16%, 소주는 20~25%로 알려져 있다.
먼저 시료는 소주와 막걸리, 맥주 종류인 하이네켄과 KGB, 카프리를 준비해주었다. 시료를 각각 4ml을 취하였는데, 소량을 분석하는 것이기 때문에 피펫팅 과정도 상당한 영향을 줄 수 있어 주의하여야 한다. 취한 시료에 에탄올을 추출하기 위한 ethyl acetate를 4ml 가한 뒤 20분간 진탕추출한 후 3200rpm으로 10분간 원심분리를 진행하여 주었다. 이 때 이용한 ethyl acetate는 아세트산에스터의 한 종류로 에탄올, 에테르, 벤젠 등의 거의 모든 유기용매와 섞이며 물에도 상당히 녹는 물질이다. 원심분리를 진행한 후 상등액에 탈수 역할을 하는 Na2SO4를 첨가하여 주었는데, 이는 GC가 휘발성물질을 분석하는 것이기 때문에 수분이 들어가면 ghost peak가 발생할 수 있기 때문이다.
우리는 특성이 알려진 물질을 시료 속에 표준물질로 첨가하고 목적물질을 정성·정량하는 분석법인 내부표준법을 이용하였기 때문에, 500ppm의 내부표준물질인 cyclohexanol과 탈수한 추출물을 각각 1ml, 9ml로 하여 cyclohexanol이 50ppm이 되도록 혼합하여 주었다. 이 때 내부표준물질은 순도가 높고 화학적으로 안정해야하며 피크가 인접하면 서로 영향을 줄 수 있기 때문에 잘 선택하여야 한다. Standard curve는 두 가지 방법을 이용하여 작성해주었는데 하나는 ethyl acetate로 추출한 것이고 하나는 추출없이 그대로 진행한 것이다. 두 경우 모두 cyclohexanol의 농도는 50ppm으로 일정하였고 추출한 에탄올은 12500, 25000, 50000ppm으로 그대로 이용한 에탄올은 2000, 4000, 8000ppm으로 진행해주었다.
시료와 표준물질이 준비되면 분석을 진행해주었는데, 분석조건 첫 번째로 이동상인 운반기체는 일반적으로 사용되는 질소를 이용하였다. 컬럼은 분리 성능이 좋기 때문에 복잡한 시료의 분석에 사용되는 모세관 칼럼을 이용하였다. 유속은 packed column의 경우 적정 유속이 20~30ml/min이고 capillary column의 경우는 1ml/min인데, 우리는 capillary column을 이용하였기 때문에 1ml/min으로 설정하였다. 또 LC에서 용매조성으로 gradient를 주는 것과 같이 GC에서는 컬럼의 온도를 다르게 설정하여 gradient를 조성해주었다. 시료 주입방법은 모세관 칼럼을 사용할 때나 고농도의 시료를 분석할 때 이용되는 split mode로 하였다. 비율은 10:1로 하였는데, 이는 시료의 10분의 1만큼 분할하여 주입하겠다는 것을 의미한다. 검출기의 종류는 여러 가지가 있는데 이번 실험에서는 불꽃 이온화 방법인 FID법을 이용하였다. 이 방법은 수소와 산소에 의하여 형성되는 flame에서 시료를 태워 전하를 띤 이온을 생성시키고, 이 전하를 띤 이온의 농도에 비례하여 생기는 전류의 흐름 변화로 검출하는 것이다.
분석 후의 결과로 먼저 standard curve를 작성하였는데, 먼저 에탄올의 Rt값은 전체적으로 3분대로 측정되었고 내표준물질은 10분대로 측정되었다. 추출과정을 거치지 않은 것과 추출과정을 진행한 것 모두 농도와 면적은 외부의 값을 내부의 값으로 나누어 준 뒤 그 값으로 각각 STD curve를 작성하였고 검량선을 그리고 R2 값을 구해주었다. 추출과정을 진행한 경우의 R2값은 0.99에 못미치는 0.98로 상관관계가 적은 것을 확인하였다. 이는 cyclohexanol의 농도가 똑같이 50ppm이었음에도 불구하고 area값이 중간에 6000대에서 9000대로 올라갔기 때문인데, 아마 측정과정에 오류가 있었던 것으로 보인다.
다음으로 시료의 area값을 이용하여 농도를 구해주었는데, 먼저 시료에 내부표준물질을 혼합해주었기 때문에 내부표준물질의 area값으로 나누어 주고 그 값을 계산식의 y에 대입한 뒤 x값을 산출하였다. 에탄올 농도를 구하기 위해 계산식(대입하여 얻은 x값 X 시료 희석배수 X 내부표준물질 농도)에 대입하여 주었다. 그 결과 에틸아세테이트로 추출한 시료의 농도값이 추출하지 않은 것보다 훨씬 높았다. 또한 결과그래프의 amount를 참고하여 희석배수인 10을 곱한 뒤 비교해보았을 때 추출과정을 거친 시료가 값이 더 비슷하여 정확성이 높다는 것을 알 수 있었다.
이는 휘발성의 차이로 생각할 수 있다. 에틸아세테이트는 다른 유기용매들과도 잘 섞일 뿐만 아니라 에탄올보다 휘발성이 더 높기 때문에 휘발성 물질을 분석하는 GC의 분석에 더 정확도가 높은 결과를 제공하는 것으로 생각된다.
농도 값을 비교해본 뒤에는 %로 환산해 함량을 구해주었다. 예상했던 대로 추출한 경우의 함량이 훨씬 높게 측정되었고 실제 에탄올 함량과 비교했을 때에도 추출하지 않은 경우보다 훨씬 더 가까운 값을 보였다. 추출한 시료의 에탄올 함량은 모두 실제 함량보다는 더 적게 측정되었는데, 시료 채취 과정 중에 에탄올이 휘발되어 loss가 생긴 점도 하나의 이유로 추측할 수 있다.
따라서 우리는 이번 실험을 통해서 GC의 원리와 내부표준법에 대해 익히고 휘발성의 차이에 따라 어떤 결과를 가져올 수 있는지에 대해 알 수 있었으며 결과를 분석하여 오차의 원인을 추측할 수 있었다.

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