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프탈레이트 에스테르 분석에서 스크리닝법(Py-GC/MS)과 정량법(Solvent Extraction–GC/MS)의 비교

Abstract

개정된 RoHS 지침(전기 및 전자 제품의 특정 유해물질 사용 제한에 대한 지침)에 의해, 2019년부터 4 종류의 프탈레이트 에스테르 물질(diisobutyl phthalate (DIBP), n-dibutyl phthalate (DBP), benzyl butyl phthalate (BBP), di (2-ethylhexyl) phthalate (DEHP))은 규제물질로 추가될 것이다. 본 technical report에서는, 용매 추출-GC/MS 방법과 프탈레이트 에스테르에 대한 스크리닝 시스템인 “Py-Screener” (Py-GC/MS 방법)에서의 정량적인 결과들을 비교하였다. 1000 mg/kg의 규제 농도 수준 범위에서 Py-Screener를 이용하여 분석된 정량결과는 용매 추출-GC/MS 방법을 이용하여 분석된 결과와 동등한 결과를 얻을 수 있었다. 이를 통해, Py-Screener는 개정된 RoHS 지침에 추가된 프탈레이트 에스테르의 스크리닝에 유용성이 있는 것으로 밝혀졌다.

Keywords: RoHS, phthalate esters, Py-GC/MS, Py-Screener

1. 서론

프탈레이트 에스테르는 폴리염화비닐(PVC)에서 주로 가소제로 사용된다. 그러나 일부 프탈레이트 에스테르는 생식 독성을 갖는 것으로 의심되고 있어, 장난감이나 식품 포장재 등에서의 사용이 규제되고 있다.
개정된 RoHS 지침(전기 및 전자 제품에 포함된 특정 유해 물질의 사용을 제한하는 지침)에서도 2019년부터 기존의 6 종류의 규제물질 이외에, 4 종류의 프탈레이트 에스테르 (DIBP, DIBP, DBP, BBP, DEHP)가 추가될 것이다1).
일반적으로 프탈레이트 에스테르 고분자 시료에서 추출하여 GC 또는 GC-MS로 분석된다. 추출 방법은 분석 규격에 따라 달라진다(Table 1).

Table 1 분석 규격에 따른 시료 전처리 방법

고분자로부터 프탈레이트 에스테르를 추출하기 위해 대부분의 전처리 방법은 유기 용매의 사용을 규정하고 있으나, ASTM D7823-14는 고분자를 가열하여 추출하는 것을 명시하고 있다.
그러나 ASTM D7823-14는 PVC 시료 내 낮은 농도의 프탈레이트 만을 측정하기 위한 시험방법이며, 열 추출 전에 시료를 유기 용매인 테트라 하이드로 퓨란(THF)에 용해시킬 필요가 있다. 또한, 정량법으로 표준 첨가법이 사용되기 때문에, 여러 농도의 시료가 첨가된 표준용액과 시료를 사용하여 평가해야 한다. 게다가, 개정된 RoHS 지침에 추가될 DIBP의 경우에는 이러한 분석 규격으로 분석할 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, Maruyama et al. 9)는 열분해-GC/MS(Py-GC/MS)법을 이용하여 열 추출만으로 정량이 가능한 방법을 개발하고 스크리닝 방법으로서 유효하다는 것을 보고하고 있다.
Maruyama et al.의 방법을 사용하여 인증된 표준 물질을 측정하고, 인증 값과 비교하여 회수율을 검토하였다. 또한 Py-GC/MS 방법과 용매 추출-GC/MS 방법으로 고분자 시료를 측정하고 각 정량 결과를 비교하여 개정된 RoHS 지침에 준수하는 방법인 Py-GC/MS 방법을 이용한 프탈레이트 스크리닝의 효과를 평가하였다.

2. 실험

평가를 위해 인증된 표준 시료인 KRISS CRM 113-03-006과 2 종류의 검정색 고무 시료(A와 B)를 사용하였다.

2-1. Py-GC/MS 방법

폴리에틸렌에 7 종류의 프탈레이트 에스테르 시료(diisobutyl phthalate (DIBP), n-dibutyl phthalate (DBP), benzyl butyl phthalate (BBP), di(2-ethylhexyl) phthalate (DEHP), di-n-octyl phthalate (DNOP), di-isononyl phthalate (DNIP), and diisodecyl phthalate (DIDP))를 혼합하여 만들어진 7종 프탈레이트 에스테르 표준물질(P/N: 225-31003-91)을 사용하였다. Blank상태의 표준시료는 carryover로 인한 장비의 오염을 확인하기 위해, 100 mg/kg의 표준시료는 감도를 확인하기 위해, 1000 mg/kg의 표준시료는 단일 점 검량선을 작성하기 위해 사용 되었다.
표준 시료는 리본 모양으로 두께가 균일하고, 1.25 mm 직경의 두 조각은 약 0.5 mg이다. 마이크로 펀칭기를 이용하여 각 표준 물질에서 두 개의 조각을 얻은 후, 열 분해를 위해 Eco-Cup (Frontier Laboratoire Ltd., Fukushima, Japan)에 넣고 무게를 재었다.
1000 mg/kg 표준 시료를 이용하여 검량선이 작성되었다. 절단기로 절단된 약 0.5 mg의 물질을 열분해를 위해 Eco-cup에 넣고 평가를 위해 무게를 측정하였다. 고분자 내 프탈레이트 에스테르의 함유량 계산은 측정된 무게 값을 이용하여 보정되었다.

2-2. 용매 추출-GC/MS 방법

7 가지 프탈레이트 에스테르 (DIBP, DBP, BBP, DEHP, DNOP, DINP 및 DIDP)의 혼합 표준 용액을 각각 0.5, 1.0, 2.5, 5.0, 10.0 μg/mL의 농도로 준비하였다. 또한, 혼합 표준 용액에 내부 표준 물질로 Anthracene-d10을 1.0 μg/mL의 농도가 되도록 첨가하였다. 이 혼합 표준 용액을 사용하여 일정한 농도의 내부 표준 물질이 포함된 5가지 농도의 검량선을 작성하였다.
평가용 시료는 다음과 같이 조제하였다. 먼저, 시료를 액체 질소를 사용하여 동결시킨 후 분쇄하고, 약 300 mg을 칭량하여 40 mL 바이알에 넣었다. 그 후, 10 mL의 THF를 첨가하고 마개를 하고 60분간 초음파 처리하여 시료를 용매에 용해시켰다. 실온에서 방치한 후, 고분자를 침전시키기 위해 20 mL의 Acetonitrile을 첨가하여 30분 동안 실온에 방치하였다. 마지막으로, 1 mL의 상등액을 GC 바이알에 옮기고 내부 표준 물질 10 μL를 첨가하여 GC-MS로 시료를 측정하였다. 얻어진 정량 결과가 검량선의 상한선을 벗어난 경우에는 검량선의 범위에 들어가도록 상등액을 희석하였다. 그 후 내부 표준 물질 10 µL를 첨가하고 희석된 시료 혼합물을 GC-MS로 다시 측정하였다.

2-3. 분석 조건

Py-Screener 프탈레이트 에스테르 스크리닝 시스템 (Shimadzu)을 이용하여 Py-GC/MS 측정하였다. Py-Screener는 Frontier Laboratories Ltd.의 EGA/PY-3030D (multi-shot pyrolyzer)와 Shimadzu의 GCMS-QP2020과 이들을 제어하고 데이터를 처리할 수 있는 전용 소프트웨어로 구성된다. 분리 컬럼으로는 Ultra ALLOY-PBDE (length 15 m, 0.25 mm I.D., df = 0.05 μm, Frontier Laboratories Ltd.) 컬럼을 사용하였다. 자세한 분석 조건은 Table 2와 같다.
용매추출-GC/MS 측정은 HP-5MS (length 30 m, 0.25 mm I.D., df = 0.25 µm, Agilent)컬럼과 함께 GCMS-QP2020을 이용하였다. 자세한 분석 조건은 표 3에 나와 있습니다.

3. 결과 및 토의

Py-Screener를 사용하여 인증 표준 물질인 KRISS CRM 113-03-006을 측정한 결과를 Table 4에 나타내었다. 인증 값을 기준으로 회수율은 92.9 – 109.0% 범위이며, 양호한 정량 결과가 얻어졌다. 이를 통해 Py-GC/MS 방법을 사용하더라도 양호한 회수율로 프탈레이트를 추출할 수 있는 것으로 밝혀졌다.

Table 4 Py-Screener를 이용하여 얻은 인증 표준 물질의 정량 결과

* 검출된 각 프탈레이트의 회수율은 인증 값을 기준으로 계산되었다.

Py-Screener를 사용하여 얻은 정량 결과는 Fig. 1에 나타내었다. 시료에 포함된 모든 프탈레이트 에스테르는 자동적으로 검출되었다. 전용 소프트웨어는 수집된 시료의 무게를 자동으로 보정하고 프탈레이트 에스테르의 농도를 정량 결과로 표시하였다. 또한 정량 결과에 대한 어떠한 기준치를 설정함으로써 질량 크로마트그램 및 정량 농도를 다른 색으로 표시할 수 있다. 예를 들어, 500 mg/kg 미만의 농도는 무색으로 표시될 수 있으며, 500 – 1500 mg/kg은 주황색으로 표시되고, 1500 mg/kg 이상의 샘플은 적색으로 표시될 수 있다. 이를 통해 어떤 정량 결과가 어떤 농도 범위 내에 있는지를 시각적으로 판단할 수 있다. Py-GC/MS 방법 및 용매 추출-GC/MS 방법을 이용하여 2 종류의 평가 시료를 측정하고 각각의 정량 결과를 비교하였다. 각 시료는 3 회 반복 측정하여 평균 정량 결과를 계산하였다.

Fig. 1 Py-Screener의 정량 결과 표시 화면

평가용 시료 A의 측정 결과를 Table 5에 나타내고, 크로마토그램을 Fig. 2에 나타내었다. DEHP는 두 가지 방법에 의해 검출되었다. 용매 추출-GC/MS 방법의 정량 값을 기준으로 할 때, Py-GC/MS 방법의 정량 값에 대한 상대적인 비율은 124 %로 나타났다. Py-GC/MS 방법을 이용하여 3회 반복하여 측정한 %RSD는 5.1%로서, 이는 용매 추출-GC/MS 방법을 이용하여 측정된 %RSD 결과와 동등하였다. Py-Screener를 사용할 경우에는 1000 mg/kg의 단일 점 검량선에 의해 정량 값이 계산되기 때문에 검출된 농도와 검량선의 농도 사이에 불일치의 원인으로 작용될 수 있다. 그러나 정량 결과는 개정된 RoHS 지침에 명시된 규제 농도인 1000 mg/kg을 크게 초과하여, 스크리닝의 관점에서는 규제치 초과여부를 쉽게 확인할 수 있었다.
질량 스펙트럼 라이브러리 검색을 바탕으로 8.3분의 머무름 시간에 검출된 큰 피크는 di(2-ethylhexyl) terephthalate로 확인되었다. Scan/SIM 동시 측정을 이용하여 스캔의 질량 스펙트럼을 기반으로 미지의 검출 피크를 식별할 수 있다.

Table 5 Py-GC/MS 방법과 용매 추출- GC/MS 방법에 대한 시료 A의 정량 결과 비교

Fig. 2 Py-GC/MS 방법을 이용하여 측정된 시료 A의 TIC 및 추출된 크로마토그램

평가용 시료 B의 측정 결과를 Table 6에 나타내고, 크로마토그램을 Fig. 3에 나타내었다. 다섯 가지 프탈레이트 에스테르 (DBP, BBP, DEHP, DINP, DIDP)가 두 가지 방법으로 검출되었다. Py-Screener를 사용한 각 프탈레이트 에스테르의 정량 결과는 각각 124, 332, 44041, 2796, 1516 mg/kg이었다. 용매 추출-GC/MS 방법의 정량 값을 기준으로 할 때, Py-Screener의 정량 값에 대한 상대적인 비율은 68 ~ 108 %의 범위로 나타났다. 용매 추출-GC/MS 방법을 이용하여 DEHP에 대해 정량 비율이 커지는 점에 대해서는 앞서 언급한 것과 같이 검량 법의 차이에 의한 것으로 판단된다. 1000 mg/kg Py-Screener 검정 점 부근에서 1500 mg/kg 농도를 나타낸 DIDP에 관해서는 용매 추출-GC/MS 방법으로 얻은 것과 동등하게 정량 되었다.
1000 mg/kg 의 결과와 같이, 500 ~ 2000 mg/kg 범위 내에서의 농도는 규제 농도 수준과 쉽게 비교할 수 있었다. Py-Screener의 재현성(%RSD)은 3.3 ~ 5.5 %이고, 용매 추출-GC/MS 방법의 재현성(%RSD)은 4.2 ~ 16.6%였다. 끓는점이 낮은 프탈레이트 에스테르를 분석할 때, 용매 추출-GC/MS 방법은 Py-Screener 방법에 비해 재현성의 정확도가 현저히 뒤떨어졌다: DBP(16.6%), BBP(12.7%). 용매 추출-GC/MS 방법에서는 내부 표준 물질로 보정하고 있기 때문에, 이러한 편차는 주로 전처리에 의한 것으로 생각된다.
개정된 RoHS 지침에는 규제 농도가 1000 mg/kg으로 설정되어 있기 때문에, 1000 mg/kg의 주변에서의 농도를 측정할 때에는 최대한 정확하게 측정되어야 한다. 따라서, Py-Screener는 1000 mg/kg에서 양호한 회수율을 보였으므로, 개정된 RoHS 지침에서의 검사에 유효성이 있으며, 특히 얻은 결과가 그것을 바탕으로 더욱 정밀한 정량의 진행여부를 결정해야 하는 실험에 있어 유효한 방법이다. 또한, 재현성 부분에서 좋은 정확도를 얻는 수 있었으므로, 스크리닝 검사법에 있어 유효한 방법으로 판단된다.
규제 농도가 1000 mg/kg인 개정된 RoHS 지침에 따른 프탈레이트 에스테르의 검사에는 단일 점 검량선으로도 충분하다. 하지만 현재 1000 mg/kg 단일 점 검량선 방법을 사용한 Py-Screener법은 다른 농도 기준에서 검사하거나 광범위한 농도 범위에서 정밀한 결과를 요구하는 경우에서는 적절하지 않다. 이러한 경우에는 Py-Screener방법과 함께 용매 추출-GC/MS 방법을 함께 사용하여 정량을 진행해야 한다.

Table 6 Py-GC/MS 방법과 용매 추출- GC/MS 방법에 대한 시료 B의 정량 결과 비교

Fig. 3 Py-GC/MS 방법을 이용하여 측정된 시료 B의 TIC 및 추출된 크로마토그램

4.결론

전처리 또는 유기용매의 사용 없이 신속하고 간편하게 분석하는 Py-GC/MS을 활용한 Py-Screener와 용매 추출-GC/MS 방법을 이용하여 고분자 내 프탈레이트 에스테르를 분석하고, 각 측정 방법에 대한 정량 결과를 비교하였다. 그 결과 1000 mg/kg 근처의 규제 농도에서 정량 결과는 Py-Screener와 용매 추출-GC/MS 방법에서 동등하게 나타났다. Py-Screener는 개정된 RoHS 지침에 추가된 프탈레이트 에스테르의 스크리닝 검사에 유용성이 있는 것으로 밝혀졌다.

References
1) COMMISSION DELEGATED DIRECTIVE (EU) 2015/863 of 31 March 2015 amending Annex II to Directive 2011/65/EU of the European Parliament and of the Council as regards the list of restricted substances.
2) Specifications and Standards for Food and Food Additives, etc., Ministry of Health and Welfare Notification No. 370
3) EN 14372:2004, Child use and care articles. Cutlery and feeding utensils. Safety requirements and tests.
4) ASTM D3421-75, Recommended Practice for Extraction and Determination of Plasticizer Mixtures from Vinyl Chloride Plastics.
5) CPSC-CH-C1001-09.3, Standard Operating Procedure for Determination of Phthalates.
6) ISO 8124-6:2014, Safety of toys — Part 6: Certain phthalate esters in toys and children’s products.
7) ISO 14389:2014, Textiles — Determination of the phthalate content — Tetrahydrofuran method.
8) ASTM D7823-14, Standard Test Method for Determina- tion of Low Level, Regulated Phthalates in Poly (Vinyl Chloride) Plastics by Thermal Desorption—Gas Chromatography/Mass Spectrometry
9) F. Maruyama, S, Fujimaki, Y. Sakamoto, Y. Kudo, and H. Miyagawa, Anal. Sci., 2015, 31, 3.