Particle and aerosol research (한국입자에어로졸학회지)

Korean Association for Particle and Aerosol Research (한국입자에어로졸학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Classification and identification of organic aerosols in the atmosphere over Seoul using two dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometry (GC×GC/TOF-MS) data

GC×GC/TOF-MS를 이용한 서울 대기 중 유기 에어로졸의 분류 및 동정

  • Jeon, So Hyeon (Western Seoul Center, Korea Basic Science Institute) ;
  • Lim, Hyung Bae (National Institute of Environmental Research, Air Quality Research Division) ;
  • Choi, Na Rae (Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University) ;
  • Lee, Ji Yi (Department of Environmental Science and Engineering, Ewha Womans University) ;
  • Ahn, Yun Kyong (Western Seoul Center, Korea Basic Science Institute) ;
  • Kim, Yong Pyo (Department of Chemical Engineering & Materials Science, Ewha Womans University)
  • 전소현 (기초과학지원연구원 서울서부센터) ;
  • 임형배 (국립환경과학원 대기환경연구과) ;
  • 최나래 (이화여자대학교 환경공학과) ;
  • 이지이 (이화여자대학교 환경공학과) ;
  • 안윤경 (기초과학지원연구원 서울서부센터) ;
  • 김용표 (이화여자대학교 화학신소재공학과)
  • Received : 2018.11.14
  • Accepted : 2018.12.24
  • Published : 2018.12.31
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

To identify a variety of organic compounds in the ambient aerosols, the two-dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometry (GCxGC) system (2DGC) has been applied. While 2DGC provides more peaks, the amount of the generated data becomes huge. A two-step approach has been proposed to efficiently interpret the organic aerosol analysis data. The two-dimensional 2DGC data were divided into 6 chemical groups depending on their volatility and polarity. Using these classification standards, all the peaks were subject to both qualitative and quantitative analyses and then classified into 8 classes. The aerosol samples collected in Seoul in summer 2013 and winter 2014 were used as the test case. It was found that some chemical classes such as furanone showed seasonal variation in the high polarity-volatile organic compounds (HP-VOC) group. Also, for some chemical classes, qualitative and quantitative analyses showed different trends. Limitations of the proposed method are discussed.

기존 대기 에어로졸에서의 유기성분 분석은 분석 기기로 파악한 피크 가운데 동정 가능한 성분 개수에 제한이 있었다. 이 문제를 극복하는 방법의 하나로 2DGC를 활용하여 보다 많은 성분을 동정하고, 이들 성분들의 특성 파악을 용이하게 하기 위해 검출된 피크들을 휘발도에 따라 3개, 극성도에 따라 2개로 분리하여 총 6개의 그룹으로 구분하고, 각 그룹의 피크를 정성/정성 분석하여 화학 특성에 따른 클래스로 구분하는 방법론을 제시하였다. 제시한 방법론을 서울에서 2013년 여름과 2014년 겨울에 측정한 대기 에어로졸의 유기 성분을 2DGC로 분석한 결과에 적용하여 특성 파악 연구를 수행하였다. 정성/정량 분석 결과 유기 성분을 8개의 클래스로 구분할 수 있었다. 이 성분들은 계절별 유사성과 차별성을 보여주었다. 한 예로 고극성-휘발성유기화합물(HP-VOC)의 정성분석 결과 여름에는 furanone 성분이 대부분이었으나, 겨울에는 furanone 성분이 검출되지 않았다. 저극성 반휘발성유기화합물(LP-SVOC)의 정성적 특징은 VOC와 OVOC가 대부분을 차지하고 있는 것이었으며 OVOC가 VOC보다 더 많은 종류로 검출되었다. 그러나 상대적 정량분석에서는 반대로 OVOC보다 VOC가 두 배 더 많은 양을 차지하고 있었다. 즉 LP-SVOC에서 OVOC는 더 다양한 종류가 발견되나 정량적으로 봤을 때는 VOC가 대부분을 차지하고 있다고 할 수 있다. 이러한 분석 결과는 보다 다양한 성분의 유기성분 분석과 함께 정성/정량 분석의 통합적 활용이 필요함을 보여주고 있다. 이 연구에서 2DGC 시스템 결과를 6개의 그룹으로 구분하여 미지 성분 피크를 그 그룹의 특성을 가진 것으로 정성/정량 분석하여 어느 정도 결과를 도출하였다. 그러나 각 그룹의 경계에 있는 성분들이 비슷한 특성을 갖는 경우가 나타났고, 정량 분석에는 아직도 미흡한 부분이 있는 제한점을 보였다. 이 부분에 대한 보다 심도 깊은 연구가 필요하다. 또한 2DGC 시스템은 단일 GC 시스템보다 검출 한도가 높은 제한점을 가지고 있으며, 정량이 아직 확실하지 않은 단점이 있다. 이들 문제점을 해결하기 위해서는 분석 시스템 자체에 대한 심도 깊은 연구가 필요하다.

Keywords

KKOSBF_2018_v14n4_153_f0001.png 이미지

Fig. 1. Scheme of chemical separation group (Adapted from Jeon (2017)).

KKOSBF_2018_v14n4_153_f0002.png 이미지

Fig. 2. Qualitative analysis pie chart (summer). (a) HP-VOC, (b) LP-VOC, (c) HP-SVOC, (d) LP-SVOC, (e) HP-NVOC and (f) LP-NVOC.

KKOSBF_2018_v14n4_153_f0003.png 이미지

Fig. 3. Qualitative analysis pie chart (winter). (a) HP-VOC, (b) LP-VOC, (c) HP-SVOC, (d) LP-SVOC, (e) HP-NVOC and (f) LP-NVOC.

KKOSBF_2018_v14n4_153_f0004.png 이미지

Fig. 4. Quantitative analysis pie chart (summer). (a) HP-VOC, (b) LP-VOC, (c) HP-SVOC, (d) LP-SVOC, (e) HP-NVOC and (f) LP-NVOC.

KKOSBF_2018_v14n4_153_f0005.png 이미지

Fig. 5. Quantitative analysis pie chart (winter). (a) HP-VOC, (b) LP-VOC, (c) HP-SVOC, (d) LP-SVOC, (e) HP-NVOC and (f) LP-NVOC.

Table 1. List of identified compounds in HP-VOC (R.T.; min:sec).

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0001.png 이미지

Table 2. List of identified compounds in LP-VOC (R.T.; min:sec)/

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0002.png 이미지

Table 3. List of identified compounds in HP-SVOC (R.T.; min:sec).

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0003.png 이미지

Table 4. List of identified compounds in LP-SVOC (R.T.; min:sec).

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0004.png 이미지

Table 5. List of identified compounds in HP-NVOC (R.T.; min:sec).

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0005.png 이미지

Table 6. List of identified compounds in LP-NVOC (R.T.; min:sec).

KKOSBF_2018_v14n4_153_t0006.png 이미지

References

  1. Alam, M.S., West, C.E., Scarlett, A.G., Rowland, S.J., and Harrison, R.M. (2013). Application of 2D-GCMS reveals many industrial chemicals in airborne particulate matter, Atmospheric Environment, 65, 101-111. https://doi.org/10.1016/j.atmosenv.2012.10.014
  2. ATSDR (Agency for Toxic Substances and Disease Registry) (1995). Toxicological profile for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), US Department of Health and Human Services, Public Health Service, Atlanta, GA. http://www.atsdr.cdc.gov/toxprofiles/tp69.htmlS.
  3. Choi, N. R., Ahn, Y. G., Lim, H. B., Lee, J. Y, Jung, C. H., and Kim, Y. P. (2018). Particulate nitrosamines in the atmosphere at Seoul and their major sources, Air Quality, Atmosphere and Health, 11, 855-865. https://doi.org/10.1007/s11869-018-0594-0
  4. Dalluge, J., Vreuls, R.J., Beens, J., and Brinkman, U.A.T. (2002). Optimization and characterization of comprehensive two-dimensional gas chromatography with time-of-flight mass spectrometric detection (GC${\times}$ GC-TOF MS), Journal of Separation Science, 25, 201-214. https://doi.org/10.1002/1615-9314(20020301)25:4<201::AID-JSSC201>3.0.CO;2-B
  5. Forstner, H. J. L., Flagan, R. C., and Seinfeld, J. H. (1997). Secondary organic aerosol from the photooxidation of aromatic hydrocarbons: Molecular composition, Environmental Science and Technology, 31, 1345-1358. https://doi.org/10.1021/es9605376
  6. Jeon, S. (2017). Characterization of organic constituents and identification of unknowns in the atmospheric organic aerosols at Seoul by gas chromatography mass spectrometry, MS Thesis, Ewha Womans University, Seoul, Korea.
  7. Jeon, S.H., Lim, H.B., Choi, N.R., Lee, J.Y., Ahn, K., and Kim, Y.P. (2018). Classification and characterization of organic aerosols in the atmosphere over Seoul using two dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometry (GC${\times}$GC/TOF-MS) data, Asian Journal of Atmospheric Environment submitted.
  8. Jung, J., Tsatsral, B., Kim, Y.J., and Kawamura, K. (2010). Organic and inorganic aerosol compositions in Ulaanbaatar, Mongolia, during the cold winter of 2007 to 2008: Dicarboxylic acids, ketocarboxylic acids, and ${\alpha}$-dicarbonyls, Journal of Geophysical Research, 115, D22203, doi:10.1029/2010JD014339.
  9. Kanakidou, M., Seinfeld, J., Pandis, S., Barnes, I., Dentener, F., Facchini, M., Dingenen, R.V., Ervens, B., Nenes, A., and Nielsen, C. (2005). Organic aerosol and global climate modelling: a review, Atmospheric Chemistry and Physics, 5, 1053-1123. https://doi.org/10.5194/acp-5-1053-2005
  10. Lee, J.-Y., Lane, D.A., Huh, J.-B., Yi, S.-M., and Kim, Y.-P. (2009). Analysis of organic compounds in ambient PM 2.5 over Seoul using thermal desorption-comprehensive two dimensional gas chromatography-time of flight mass spectrometry (TD-GCxGC-TOFMS), Journal of Korean Society for Atmospheric Environment 25, 420-431. https://doi.org/10.5572/KOSAE.2009.25.5.420
  11. Mauderly, J.L., and Chow, J.C. (2008). Health Effects of Organic Aerosols, Inhalation Toxicology, 20, 257-288. https://doi.org/10.1080/08958370701866008
  12. Ramanathan, V., Crutzen, P., Kiehl, J., and Rosenfeld, D. (2001). Aerosols, climate, and the hydrological cycle, Science, 294, 2119-2124. https://doi.org/10.1126/science.1064034
  13. Schauer, J. J., and Cass, G. R. (2000). Source apportionment of wintertime gas-phase and particle-phase air pollutants using organic compounds as tracers, Environmental Science and Technology, 34, 1821-1832. https://doi.org/10.1021/es981312t
  14. Seinfeld, J. H., and Pandis, S. N. (2006). Atmospheric chemistry and physics; from air pollution to climate change, John Wiley & Sons, NJ, USA.
  15. Urch, B., Brook, J. R., Wasserstein, D., Brook, R. D., Rajagopalan, S., Corey, P., and Silverman, F. (2004). Relative contributions of PM2.5 chemical constituents to acute arterial vasoconstriction in humans, Inhalation Toxicology, 16, 345-352. https://doi.org/10.1080/08958370490439489
  16. Weggler, B.A., Ly-Verdu, S., Jennerwein, M., Sippula, O., Reda, A.A., Orasche, J.r., Groger, T., Jokiniemi, J., and Zimmermann, R. (2016). Untargeted identification of wood type-specific markers in particulate matter from wood combustion, Environmental Science & Technology, 50, 10073-10081. https://doi.org/10.1021/acs.est.6b01571
  17. Welthagen, W., Schnelle-Kreis, J., and Zimmermann, R. (2003). Search criteria and rules for comprehensive two-dimensional gas chromatography-time-of-flight mass spectrometry analysis of airborne particulate matter, Journal of Chromatography A, 1019, 233-249. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2003.08.053
  18. Xu, X., Stee, L., Williams, J., Beens, J., Adahchour, M., Vreuls, R., Brinkman, U., and Lelieveld, J. (2003). Comprehensive two-dimensional gas chromatography (GC${\times}$ GC) measurements of volatile organic compounds in the atmosphere, Atmospheric Chemistry and Physics, 3, 665-682. https://doi.org/10.5194/acp-3-665-2003
  19. Zheng, M., Cass, G.R., Schauer, J.J., Edgerton, E.S. (2002). Source apportionment of PM2.5 in the southeastern United States using solvent-extractable organic compounds as tracers, Environmental Science & Technology, 36, 2361-2371. https://doi.org/10.1021/es011275x