Characterization of organic constituents and identification of unknowns in the atmospheric organic aerosols at Seoul by gas chromatography mass spectrometry

Abstract

유기 성분은 하나 이상의 탄소가 수소, 산소, 질소와 결합되어 있는 화학 성분으로 많은 종류가 있다. 각각의 유기 성분은 고유의 구조와 화학적 특성을 가지고 있고 생성 과정들도 각기 다르다. 그러므로 분석 시료 내의 유기 성분을 분석하는 것은 분석 시료의 특성을 파악하는 데에 도움을 준다. 유기 성분들은 연구 분야에 따라 해롭거나 이로운 성분으로써 다양한 분야에서 분석되어 왔다. 본 연구에서는 분석법 개발, 특정 성분 분석, 미지 성분 분석의 3가지 접근방식으로 유기 성분들을 분석하였다. 유기 성분을 분석하는 데에 있어서 분석방법은 결과에 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 분석방법을 선택하는 것은 매우 중요하다. 본 연구에서는 미생물 시료 내 alkylpyrazines을 분석하기 위하여 분석법을 개발하였다. 전처리 방법은 Headspace solid phase microextraction (HS-SPME)을 이용하였고, gas chromatography mass spectrometer로 분석하였다. 그 결과 추출온도 50℃, 추출시간 50분일 때 알킬피라진의 검출이 가장 높았다. 기기 내에서는 DB-WAX 컬럼을 사용할 때 분리가 잘 되었고 화학적 이온화를 시킬 때 알킬피라진이 더 명확하게 나타나는 것을 확인하였다. 마지막으로는 개발한 분석법을 가지고 실제 미생물시료에서 알킬피라진을 정량하였다. 두 번째는 특정 성분 분석으로써 대기 시료 내의 pinic acid와 cis-pinonic acid를 분석하였다. Pinic acid와 cis-pinonic acid는 인체에 악영향을 미치고 기후변화에도 영향을 주기 때문에 분석이 필요한 성분이다. 본 연구에서는 pinic acid와 cis-pinonic acid의 농도와 계절적 변화를 살펴보고 두 성분이 생물학적 배출원 또는 인위적 배출원과 관련되어 있는지 살펴보기 위해 n-alkane과 n-alkanoic acid와의 상관관계분석을 시행하였다. 그 결과 pinic acid와 cis-pinonic acid의 연평균 농도는 각각 9.7 ng/m3, 11.7 ng/m3을 보였으며 겨울보다 여름에 더 높은 경향을 보였다. 상관 관계 분석에서는 cis-pinonic acid는 생물학적 배출원과의 상관관계만 보였으나 pinic acid는 생물학적 배출원, 인위적 배출원 모두에서 상관관계를 가지는 것을 확인하였다. 이는 pinic acid가 인위적 배출원에서 배출된 유기 성분의 영향을 받는 것으로 판단된다. 마지막으로는 대기 시료 내 미지 성분 동정과 분석을 진행하였다. 대기 중 미지 성분을 분석하는 것은 대기 중 유기 성분의 유해성과 기후 변화에 끼치는 영향을 이해하는 데에 도움을 줄 수 있을 것이다. 기기는 comprehensive dimensional gas chromatography time of flight spectrometer (2DGC-TOFMS)를 이용하였으며 미지 성분 동정을 위해 화학적 집단 분석과 통계적 집단 분석을 시행하였다. 화학적 집단 분석은 통계적 집단 분석인 주성분분석과 같이 사용할 때 미지 성분에 대한 정보를 제공할 수 있었다. 그 결과 동정 기준을 만족하는 미지 성분에 대하여 이 성분이 methyl dehydroabietate인 것을 확인하였다.;Organic compounds are chemical compounds that contain carbon bonded with hydrogen, oxygen, and nitrogen and there are numerous kinds of them. Each organic compound has its own structure and chemical properties, and the producing processes of each organic compound are also different. Therefore, analyzing the organic compounds in the analytical sample can help to characterize the sample. Therefore, organic compounds have been studied in various fields, and organic compounds have been analyzed as being harmful or beneficial depending on their research fields. In this study, we propose three approaches to analyze the organic compounds. They are development of analytical method, target component analysis, and unknown component analysis. It is important to choose an appropriate method of analysis. This is because the results of research can be changed according to analytical methods. In this study, a method for the analysis of alkylpyrazine in microbial samples was presented. As the pretreatment method, headspace solid phase microextraction (HS-SPME) method was used and as the analytical method, gas chromatography mass spectrometer (GC/MS) was used. It was found that the optimal extraction temperature was 50°C and the optimal extraction time was 50 minutes. DB-WAX was appropriate column for analyzing alkylpyrazines in microbial samples. Chemical ionization mode was appropriate to ionization in mass spectrometer. Using developed analytical method, alkylpyrazine could be quantified in real microbial sample. Secondly, pinic acid and cis-pinonic acid in the air samples were analyzed by target component analysis. Since pinic acid and cis-pinonic acid have an adverse effect on the human body and affect climate change, they need to be analyzed. In this study, we investigated the concentrations and seasonal variation of pinic acid and cis-pinonic acid, and examined whether these two components are associated with biogenic or anthropogenic sources through the correlation between n-alkane and n-alkanoic acids. The annual averaged concentrations of pinic acid and cis-pinonic acid were 9.7 ng/m3 and 11.7 ng/m3, respectively and higher in summer than in winter. Correlation study results showed that cis-pinonic acid was correlated only with biogenic source, but pinic acid was correlated with both biogenic and anthropogenic sources, suggesting that pinic acid was affected by organic compounds from anthropogenic source. Finally, a study was carried out to identify and analyze the unknown components in the atmospheric samples using comprehensive dimensional gas chromatography time of flight spectrometer (2DGC-TOFMS). By identifying unknown components in the atmosphere, understanding of the hazards of organic components and the impacts of climate change will be enhanced. Chemical and statistical grouping analyzes were performed to identify unknown components in the air samples. Chemical grouping analysis was able to provide information when accompanied by principle component analysis (PCA) on the unknowns. As a result, we chose one unknown meeting chemical standards and found the most likely to be methyl dehydroabietate.