KR100892129B1 - 무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존 방법에 비하여 간단하고 안전하며 월등한 감도로 모발 등의 분석대상 시료 내에 포함된 무기 수은 및 유기 수은을 선택적으로 분석할 수 있는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에서는 L-시스테인 및 산화제 등과 같이 기존 원자흡수분광법을 사용하는 방법에서 필수적으로 사용되던 별도의 추가적인 시약이 없이도, 무기 및 유기 수은의 선택적 분석을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 낮은 검출 한계를 갖는 유도결합 플라즈마 질량 분석법을 활용함으로써, 시료 내의 매우 미량의 수은에 대하여도 고도로 정확한 분석 결과를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기존 방법에 비하여 간단하고, 안전하면서도 월등히 우수한 감도를 갖는 분석을 수행할 수 있다는 장점을 가진다.

수은, 유기 수은, 무기 수은, 모발, 유도결합 플라즈마 질량 분석, 수은증기발생법, 환원제 용액

Description

무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석 방법 {Selective analysis method for inorganic mercury and organic mercury}

본 발명은 간단하고 안전하며, 높은 감도로 생체시료 내에 포함된 무기 수은 및 유기 수은을 선택적으로 분석할 수 있는 방법에 관한 것이다.

중금속은 비중이 4 내지 5 이상인 모든 금속류의 총칭이다. 이러한 중금속은 인간 생존에 필요한 필수 금속과 그렇지 않은 금속으로 구분하는데, 아연, 철, 구리 및 코발트 등과 같이 생물체가 정상적인 생리 기능을 유지하기 위해 꼭 필요한 금속을 필수 중금속이라고 하고, 수은, 납 및 카드뮴 등과 같이 환경 공해 물질로서 생체에 유해한 금속을 유해 중금속이라고 한다.

상기와 같은 유해 중금속 중 특히 수은은 황과 관련된 대사에 필수 물질인 -SH기 등과 결합하여, 효소 작용을 방해하기 때문에 인체에 치명적인 독소가 된다. 이러한 수은은 무기 수은(Hg^{2 +}) 및 유기 수은(ex. CH₃Hg)으로 나누어지는데, 특히 유기 수은은 매우 높은 독성을 가져, 인간에게는 약 3 ㎍/kg의 복용량으로도 치명적일 수 있다. 유기 수은은 특히 해양 생물 내에서 메틸 수은의 형태로 많이 존재하는데, 이는 생선 섭취 등으로 체내에 축적될 가능성이 매우 크다. 인간의 경우, 메틸 수은을 섭취하면, 위장관에서 대부분 흡수되고, 세포, 구체적으로는 뇌, 간, 콩팥, 혈액, 피부, 모발 및 모유 속에 축적된다. 메틸 수은의 목표 장기(target organ)는 중앙 신경계, 특히 뇌이고, 뇌의 신경전달물질인 아세틸 콜린의 합성을 저해하여, 기억력 저하, 집중력 장애, 청력 감퇴, 후각 및 미각 저하 등 심각한 부작용을 초래한다. 이에 따라 FDA (Food and Drug Administration) 및 EPA (Environmental Protection Agency) 등은 임신 가능성이 있거나, 임신 중인 여성, 수유 중인 여성 및 유아들은 일정 종류의 생선 섭취를 피하라고 권고하고 있다.

상기와 같은 수은의 독성은 유기 또는 무기의 화학적 형태에 의해서 결정되므로, 그 독성의 정확한 평가를 위해서는 전체 수은은 물론 축적된 유기 수은의 정량이 필요하다. 기존 이러한 정량을 위해서는 주로 크로마토그래피가 적용되어 왔으며, 특히 유기 및 무기 수은의 분리를 위하여, GC (gas chromatography), LC (liquid chromatography) 및 IC (ion chromatography) 등의 방법이 사용된다.

또한, 수은 증기 발생 원자흡수 분광법 (mercury cold vapor generation atomic absorption spectrometry)도 높은 감도 및 작동 용이성 때문에, 일반적으로 사용되는 수은 분석 기술이다. Tao 등은 원자흡수분광법(AAS)을 적용하여 무기 및 유기 수은을 정량하는 방법으로서, 크로마토그래피 시스템이 필요 없는 간단하고 신속한 방법을 보고하였다 (Tao, G., et al, Analyst, 1998, 123, 1215). 상기 방법에서는 시료 내의 유기 수은을 검출하기 위하여, 우선 KMnO₄와 같은 강산화제로 유기 수은을 무기 수은 형태(Hg^{2 +})로 전환시킨 후, 다시 환원제에 의하여 원소 형태(Hg⁰)로 전환시키는 2단의 과정을 거치고 있다. 또한, 상기 방법에서는 단백질 또는 기타 분자에 결합된 수은을 유리(liberating)시키기 위하여, 분석 전 L-시스테인(L-cystein)을 첨가하는 공정을 수행하고 있다. 이와 같이, 전술한 Tao 등의 방법에서는 수은 분석을 위해 복잡한 과정을 거쳐야 하고, 또한 산화제나 L-시스테인과 같은 시약을 별도로 첨가해야 한다는 문제점이 있다. 추가로, 상기 기술은 분석수단으로서 원자흡수분광법을 사용하고 있으나, 그에 의한 검출 감도도 충분하지 않다.

이상과 같이, 시료 내의 무기 및 유기 수은을 안전하고 간편하며 높은 감도로 측정할 수 있는 분석법은 아직 제안되고 있지 못한 실정이다. 이에 따라 시료의 처리 효율이 높고, 매우 독성이 높은 유해 물질인 메틸 수은 등의 유기 수은을, 취급이 어렵고 위험한 유기수은 표준용액을 사용하지 않는 안전하며 높은 감도로 분석하는 신뢰할 수 있는 분석법이 정립이 요청되고 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 모발 등의 생체시료에 포함된 무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석을 간단하고, 안전하며 월등히 우수한 감도로 측정할 수 있는 수은 분석 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 분석 대상 시료를 무기 수은만을 선택적으로 환원시킬 수 있는 제 1 환원제 용액과 혼합하는 단계; 제 1 환원제 용액을 혼합한 시료에 대하여 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 무기 수은을 정량하는 단계; 분석 대상 시료를 무기 수은 및 유기 수은을 환원시킬 수 있는 제 2 환원제 용액과 혼합하는 단계; 및 제 2 환원제 용액을 혼합한 시료에 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 전체 수은을 정량하는 단계를 포함하는 무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석 방법을 제공한다.

상기 본 발명의 방법에서, 분석 대상 시료는 모발인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 수은 분석 방법에서 제 1 환원제 용액은 염산 및 염화 주석의 혼합물인 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 방법에서는 또한, 제 2 환원제 용액으로서 NaBH₄를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 수은 분석 방법에서는, 분석 대상 시료 및 제 2 환원제 용액을 혼합하기 전에, 분석 대상 시료에 산성 용액을 첨가하여 산성화시키는 단계를 추가로 수행하는 것이 바람직하며, 상기 산성 용액은 질산인 것이 바람직하다.

본 발명의 방법에서는 L-시스테인 및 산화제 등과 같은 기존 방법에서 필수적으로 사용되던 별도의 추가적인 시약이 없이도, 무기 및 유기 수은의 선택적 분석을 수행할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 낮은 검출 한계를 갖는 유도결합 플라즈마 질량 분석법을 활용함으로써, 시료 내의 매우 미량의 수은에 대하여도 고도로 정확한 분석 결과를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명은 기존 방법에 비하여 간단하고 안전하면서도 월등히 우수한 감도를 갖는 분석을 수행할 수 있다는 장점을 가진다. 또한, 본 발명은 특히 상업적으로 수행되는 모발의 중금속 시험 검사에서 전체 수은 외에도 유기수은의 오염도를 별도의 추가적인 장비 없이 간단히 측정할 수 있는 이점이 있다.

본 발명은, 분석 대상 시료를 무기 수은만을 선택적으로 환원시킬 수 있는 제 1 환원제 용액과 혼합하는 단계;

제 1 환원제 용액을 혼합한 시료에 대하여 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 무기 수은을 정량하는 단계;

분석 대상 시료를, 무기 수은 및 유기 수은을 환원시킬 수 있는 제 2 환원제 용액과 혼합하는 단계; 및

제 2 환원제 용액을 혼합한 시료에 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 전체 수은을 정량하는 단계를 포함하는 무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 기존에 알려진 수은 분석 방법에서 필수적으로 사용되던 산화제 등 별도의 시약을 사용하지 않고, 두 종류의 환원제만을 사용하여 수은 분석을 수행할 수 있다. 또한, 매우 낮은 검출 한계를 갖는 유도결합 플라즈마 질량 분석법을 활용함으로써, 매우 미량의 수은을 포함하는 시료에 대하여도 무기 및 유기 수은의 정확한 선택적 분석이 가능하다. 이에 따라 본 발명에서는 기존 방법에 비하여 간단하고, 안전하면서도 높은 감도의 분석 결과를 얻을 수 있고, 특히 상업적으로 수행되는 모발의 중금속 시험 검사에서 전체 수은 외에도 유기수은의 오염도를 별도의 추가적인 장비 없이 간단히 측정할 수 있는 이점이 있다.

이하, 본 발명의 수은 분석 방법을 상세히 설명한다.

본 발명의 수은 분석 방법이 적용될 수 있는 대상 시료의 종류는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에서 사용되는 용어 『분석 대상 시료』는 검출하고자 하는 무기 및/또는 유기 수은을 포함하고 있다고 의심되는 모든 물질을 의미하며, 이러한 물질의 대표적인 예로는 해양 생물 및 인체로부터 분리된 생체 시료 등을 들 수 있다. 본 발명에서 분석 대상 시료는 전술한 각각의 물질로부터 분리된 혈 액, 조직 및 세포 등으로부터 제조될 수 있고, 특히 인체 내의 중금속 오염 정도를 측정하고자 할 경우, 인체로부터 분리된 모발, 뼈, 소변, 손톱 및 발톱 등으로부터도 분석 대상 시료를 제조할 수 있다.

이와 같은 시료는 인체의 건강 상태, 영양 상태, 환경 오염 (중금속의 생체 축적 여부 등), 약물 중독 및 기타 병리학의 기초 연구 등에 다양하게 응용되고 있다.

본 발명의 방법이 상기와 같은 연구에 응용될 경우, 분석 대상 시료는 모발인 것이 특히 바람직하다. 모발은 아직까지 생체 시료로서의 이용이 보편화되고 있지는 않으나, 다른 어떤 신체 조직보다도 물리화학적으로 안정하여 장기간 보관이 가능하며, 1 개월에 약 1 cm 정도가 자라 외부 환경에 장기간 노출되게 되므로 분석에 적합하다. 또한, 모발은 다른 생체 시료인 혈액이나 소변과 비교하여 원소의 함량이 높기 때문에, 미량 원소에 정량 분석에 유리하고, 시료의 수집이 간편하다는 장점도 가지고 있다. 본 발명의 방법이 적용될 수 있는 모발 시료의 종류는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 상업적 모발 중 중금속 검사에 적용을 위한 다양한 모발을 사용할 수 있다.

이상 설명한 시료를 통하여 분석 대상 시료를 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않는다. 즉, 본 발명에서는 전술한 각각의 물질을 일반적인 방법으로 세척하고, 용매에 용해시키는 등의 방법으로 분석 대상 시료를 제조할 수 있다. 이 때 사용될 수 있는 용매로는 메탄올과 수산화 칼륨(KOH)의 혼합 용액; 및 TMAH (tetramethylammonium hydroxide) 등을 들 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지 만, 본 발명에서는 높은 추출 효율을 가지고, 수은 화학종의 변화 없이 장기간 시료 용액을 보관할 수 있다는 점에서 TMAH를 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 용매, 특히 TMAH를 사용하여 분석 대상 시료를 제조할 경우에는, 시료를 상온에서 천천히 용해시킬 필요가 있다. 즉, 용해 속도를 높이기 위해 열을 가하거나, 또는 전자레인지 등을 사용할 경우에는 수은의 휘발 손실이 일어날 우려가 매우 높다. 또한, 유기 수은은 형광등 등으로부터의 자외선에 의해서도 파괴되어 무기 수은으로 변환되므로 분석 대상 시료를 포함하는 용액 용기를 알루미늄 호일로 싸서 보호하는 등의 방법으로 빛을 차단시킨 상태에서 보관하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 상기와 같은 분석 대상 시료에 대하여 유도결합 플라즈마 질량 분석법(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry; 이하 「ICP-MS」라 칭함)을 적용하여, 무기 수은 및 유기 수은을 선택적으로 정량할 수 있다. ICP-MS는 미량원소 분석법 (trace element analysis)의 일종으로서, 다양한 원소를 ppb 이하 (sub-ppb)의 높은 감도로 정성 및 정량 분석할 수 있는 방법이다. 또한, 상기 ICP-MS에서는 수은 증기 발생 장치를 시료 주입기로 사용할 수 있고, 특히 수은 원자 증기만을 검출할 수 있는 원자흡수분광법(AAS)과는 달리 수은 증기 발생장치에서 생성되는 모든 휘발성 화합물을 검출할 수 있다는 이점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 ICP-MS를 통하여, 분석 대상 시료 내의 수은, 구체적으로는 유기 수은 및 무기 수은을 간단하고 정확하며 선택적으로 분석해 낼 수 있 다. 이와 같은 본 발명의 수은 분석 방법은 크게 시료 중의 무기 수은의 양을 선택적으로 정량하는 단계 (이하 「(1) 단계」라 칭함); 및 시료 중의 전체 수은 (무기 수은 + 유기 수은)을 정량하는 단계 (이하 「(2) 단계」라 칭함)로 구분되며, 상기 (2) 단계의 측정 결과에서 (1) 단계의 측정 결과를 차감함으로써 유기 수은의 양을 분석할 수 있다. 본 발명의 수은 분석 시에 상기와 같은 (1) 단계 및 (2) 단계의 진행 순서는 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 본 발명에서는 수은 분석을 『(1) 단계 → (2) 단계』 또는 『(2) 단계 → (1) 단계』의 순으로 진행할 수도 있고, 경우에 따라서는 상기 (1) 및 (2) 단계를 동시에 수행할 수도 있다.

우선, 본 발명의 (1) 단계, 즉 시료 중의 무기 수은을 정량하는 방법에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에서는 시료 용액 중의 수은을 휘발성 기체로 선택적으로 변환시켜서 ICP-MS에 주입하여 측정한다. 그런데, 해양 생물 또는 생체 시료 등의 분석 대상 시료 내에서는 무기 수은이 주로 2가의 양이온 형태(Hg^{2 +})로 존재하고 있으므로, 상기 양이온을 ICP-MS에서 검출 가능한 휘발성 형태로 전환시킬 필요가 있다. 이에 따라 본 발명에서는 분석 대상 시료 내에 포함된 수은 중 무기 수은만을 선택적으로 환원시킬 수 있는 환원제 (이하 「제 1 환원제」라 칭함)를 첨가하여, 무기 수은(Hg^{2 +})을 휘발성 형태(Hg⁰)로 전환시키는 단계를 수행한다. 본 발명에서 사용할 수 있는 상기 제 1 환원제의 예로는 염산에 용해된 염화 주석 용액을 들 수 있다. 이와 같은 제 1 환원제 용액에서 염화 주석 용액의 농도는 0.5 내지 2%(m/v)인 것이 바람직하고, 염산의 농도는 8 내지 12%(v/v)인 것이 바람직하다. 상기 환원제의 농도가 0.5%(m/v) 미만이거나, 산성 용액의 농도가 8%(v/v) 미만이면, ICP-MS 검출 신호 세기가 저하될 우려가 있다. 또한 상기 환원제의 농도가 2%(m/v)를 초과하거나, 산성 용액의 농도가 12%(v/v)를 초과할 경우에는, 측정에는 큰 문제가 없으나, 경제성이 떨어지게 되어 바람직하지 않다.

상기와 같은 환원제를 시료와 혼합하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 테프론 튜브(Teflon tube) 등의 공지의 수단 내에 분석 대상 시료 및 제 1 환원제 용액을 주입, 혼합하여, 시료 용액 내에서 무기 수은을 환원시키고, 액체-기체 분리기(gas-liquid separator)에서 이 환원 기체(cold vapor) (Hg⁰)를 추출한 후, 운반 기체를 사용하여 ICP-MS에 주입시키는 방법 등을 사용할 수 있다. 상기 혼합 공정에서 운반 기체의 도입량(flow rate)은 0.7 내지 1.0 L/분인 것이 바람직하고, 분석 대상 시료의 도입량은 1 내지 1.6 mL/분인 것이 바람직하며, 제 1 환원제 용액의 도입량은 0.4 내지 1.0 mL/분인 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 (1) 단계에서는 상기와 같이 분석 대상 시료 내의 무기 수은을 휘발성 기체(cold vapor)로 환원시킨 후에, ICP-MS를 수행하여 생성된 무기 수은 환원 기체를 정량한다. 이 때 ICP-MS를 수행하는 방법은 특별히 한정되지 않고, 일 반적인 ICP-MS 진행 방법에 따라 수행할 수 있다. 예를 들면, 본 발명에서는 액체-기체 분리기 내부의 멤브레인 튜브(membrane tube)를 통하여 휘발성 수은기체를 추출하고 아르곤 운반기체 (argon carrier gas stream)를 사용하여 플라즈마에 주입함으로써 ICP-MS 측정을 수행할 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 상기 ICP-MS의 측정 시에 R.f. 전력은 1,000 내지 1,400 kW인 것이 바람직하고, 아르곤 가스 유량은 냉각(coolant) 기체의 경우 13 내지 16 L/분, 보조(auxiliary) 기체의 경우 0.5 내지 1.0 L/분 그리고 운반 기체(carrier)의 경우 0.7 내지 1.0 L/분인 것이 바람직하다.

다음으로, 본 발명의 (2) 단계, 즉 시료 중 전체 수은을 정량하는 단계에 대해서 설명한다.

본 발명의 (2) 단계 역시 전술한 (1) 단계와 같이, 시료 내의 무기 및 유기 수은을 휘발성 형태로 전환시킨 후, ICP-MS를 수행한다. 이를 위하여, 본 발명의 (2) 단계에서는 우선 분석 대상 시료; 및 상기 시료 중 무기 수은과 유기 수은을 환원시킬 수 있는 환원제 용액 (이하 「제 2 환원제 용액」이라 칭함)을 혼합한다. 이와 같이 제 2 환원제 용액을 혼합하게 되면, 시료 내의 무기 및 유기 수은은 휘발성 형태로 전환되며, 구체적으로는 무기 수은인 Hg^{2 +}는 Hg⁰로, 유기 수은은 CH₃HgH (methyl mercury hydride)로 전환되게 된다. 본 발명에서는 기존의 수은 분석 방법에서와 같이, KMnO₄ 또는 H₂SO₄ 등의 강 산화제를 첨가하여, 유기 수은을 무기 수 은 형태(Hg^{2 +})로 전환시킨 후에, 다시 Hg⁰의 형태로 환원시키는 번거롭고 복잡한 과정이 없이, 유기 수은을 직접 환원시켜 분석을 수행할 수 있는 장점이 있다. 또한, 유기 수은의 휘발성 형태인 CH₃HgH은 매우 안정하며 무기수은의 환원속도와 비슷하게 빠른 속도로 생성되므로 정량을 위하여 위험한 유기수은 표준용액을 사용하지 않아도 되는 장점을 함께 가지고 있다.

본 발명에서 사용할 수 있는 제 2 환원제 용액의 예로는, NaBH₄ 용액을 들 수 있다. 이 때, 상기 제 2 환원제 용액은 그 농도가 0.1 내지 2%(m/v)의 범위에 있는 것이 바람직하다. 상기 농도가 0.1%(m/v) 미만이면, ICP-MS 검출 신호의 세기가 저하될 우려가 있고, 2%(m/v)를 초과하면, ICP-MS 신호의 재현성이 나빠지며 시약의 소모가 많으므로 바람직하지 않다. 본 발명의 (2) 단계에서 상기와 같은 제 2 환원제 용액 및 시료를 혼합하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 전술한 (1) 단계에서와 동일한 방법으로 혼합을 수행할 수 있다.

본 발명의 (2) 단계에서는 또한 분석 대상 시료 및 제 2 환원제의 혼합 전에, 산성 용액을 첨가하여 분석 대상 시료를 산성화시키는 것이 바람직하다. 이와 같은 산성화 단계를 통하여 환원제의 작용이 가능해지며, 이 때 사용될 수 있는 산성 용액의 예로는 질산을 들 수 있다. 상기에서 사용되는 산성 용액은 또한 그 농도가 2 내지 15%(v/v)인 것이 바람직하다. 상기 용액의 농도가 2%(v/v)보다 작으면, 환원제에 의한 반응이 떨어져 ICP-MS 신호의 세기가 약해질 우려가 있고, 15%(v/v)를 초과하면, ICP-MS 신호가 불안정해질 우려가 있다.

본 발명의 (2) 단계에서는 상기와 같은 방법을 통해 분석 대상 시료에서 수은 기체를 생성시킨 후, ICP-MS를 통하여 전체 수은의 정량을 수행하게 된다. 이 때 ICP-MS를 수행하는 방법은 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면 전술한 (1) 단계에서와 동일한 방법으로 수행할 수 있다.

본 발명에서는 전술한 (1) 및 (2) 단계를 수행하여, 시료 중의 무기 수은 및 전체 수은의 양을 분석하고, 측정된 전체 수은의 값에서 무기 수은의 값을 빼줌으로써 유기 수은의 함량을 정확하게 분석할 수 있다. 본 발명에서는 이러한 분석을 수행함에 있어서, 기존의 방법에서와 같이 유기 수은을 무기 수은으로 산화시킨 후, 이를 다시 환원시키는 2단의 공정을 거칠 필요가 없다. 또한, 본 발명에서는 상기 기술된 환원제 및 산성 용액 외에 산화제 등의 별도의 시약 사용이 필요하지 않으며, ICP-MS를 적용하기 때문에, 보다 우수한 감도로 검출 결과를 정확하게 얻을 수 있는 이점이 있다.

본 발명에서 사용하는 ICP-MS의 경우, 분석 과정에서 기질 또는 시료 중의 타 원소에 의한 방해(interference) 현상이 발생할 수 있다. 본 발명에서는 이와 같은 방해 현상을 배제하기 위하여, 시료 용액에 농축동위원소를 첨가하여 변화된 동위원소 비율을 측정하여 정량을 수행하는 동위원소 희석법 (isotope dilution method, 이하 「ID법」이라 칭함); 매질 분리법; 무기 수은 표준용액 일정량을 시료 용액에 첨가하여 정량하는 표준물 첨가법 또는 무기 수은 표준용액을 사용하여 검량선을 작성하는 방법과 같은 일반적인 검량선법 등 이 분야에서 공지된 다양한 보정 방법을 사용할 수 있다. 특별히 한정되는 것은 아니지만, 본 발명에서는 무기 또는 유기 수은의 환원 기체 생성의 재현성 (reproducibility)이 떨어지는 경우에도 정확한 결과를 얻을 수 있다는 점에서 ID법을 사용하는 것이 바람직하다. ID법은 분석 대상 시료에 농축동위원소 (spike)를 첨가하고, 첨가된 분석 대상 시료 및 농축동위원소의 동위원소 비율의 평형 (equilibration)이 이루어진 후의 동위원소비의 변화량으로부터 시료의 농도를 유도하는 방법이다. 상기 ID법은 화학적 분리 과정이 정량적으로 이루어질 필요가 없으며, 동위원소의 비율이 매우 재현성 있게 측정되므로, 이를 ICP-MS에 적용할 경우 보다 정밀한 검출 결과를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따르는 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하지만 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

분석용 샘플의 제작

본 발명의 방법의 효율성을 확인하기 위하여, 굴, 쥐치(dogfish) 및 다랑어(tuna)의 해양 생물에 대한 인증 표준 물질 (Certified Reference Material; 이 하 「CRM」이라 칭함)을 사용하여 샘플을 제작하였다. 사용된 CRM 중 SRM 1566b (oyster reference material)는 NIST (Gaithersburg, MD, USA)에서, DORM-2 (dogfish reference material)는 캐나다 국립 연구원 (National Research Council, Canada)에서 각각 구입하였다. 또한 다랑어 표준 물질 (tuna reference material)은, CRM 개발을 위하여 직접 제작하여 사용하였으며, 제작된 CRM은 『KRISS tuna CRM (이하, 「t-CRM」이라 칭함)』이라 명명하였다.

반복 실험을 위하여, 상기 세 종류의 CRM에 대하여 각각 5개의 샘플을 제작하였다. 샘플 제작 시에는 DORM-2 및 t-CRM을 0.1 g씩 사용하였고, SRM 1566b는 0.5 g을 사용하였다. 구체적으로는 상기 각각의 CRM을 15 mL의 PFA 용기 (perfluoroalkoxy vessel)에 넣고, 이어서 DORM-2 및 t-CRM의 경우 TMAH (tetramethylammonium hydroxide) (25% in water, Aldrich(제)) 1 g, 그리고 SRM 1566b의 경우 TMAH 및 탈이온수의 혼합물 (TMAH 1 g 및 탈이온수 4 g)을 첨가하였다. 상온에서 수 시간에 걸쳐 상기 CRM들을 완전히 용해시킨 후, ¹⁹⁹Hg 농축동위원소 용액 (¹⁹⁹Hg enriched isotope, ¹⁹⁹Hg 농도 97.4%)을 첨가하고, 다시 탈이온수로 14 mL까지 희석하였다.

무기 수은 함량의 측정

제작된 분석용 샘플로부터의 무기 수은 함량의 측정은 도 1에 나타난 연속 수은 증기 발생 시스템 (continuous flow cold vapor generation system) 및 Thermo X-seriesⅡ ICP-MS 기기 (Thermo Electron, Bremen, Germany)를 사용하여 수행하였다. 환원제 용액으로는 SnCl₂ 용액 (1%, m/v)을 사용하였으며, 상기 용액은 SnCl₂ 분말 (99.99%, Aldrich(제)) 0.5 g을 HCl 용액 (10%, v/v) 50 mL에 용해시켜 제조하였다. 각각의 분석용 샘플 및 환원제 용액 (SnCl₂ 용액)을 테프론 튜브 (i.d. = 0.07 cm, 길이 = 30 cm) 내에서 혼합하여, 샘플 내의 무기 수은(Hg²⁺)를 휘발성 수은 기체 형태 (Hg⁰)로 환원시켰다. 이어서 멤브레인 튜브를 통하여 추출한 수은기체를 아르곤 캐리어 가스 (argon gas carrier stream)에 의하여 플라즈마 내부로 주입하여, 무기 수은의 정량을 수행하였다.

전체 수은 함량의 측정

전체 수은의 정량을 위하여 상기에서 제작된 분석용 샘플을 탈이온수로 5배 희석하고, 10%의 질산 용액으로 산성화시켰다. 산성화된 샘플을 환원제 용액인 NaBH₄ 용액 (0.1%, m/v)과 무기 수은 측정 시에서와 동일한 방법으로 혼합한 후, 정량을 수행하였다. 이 때 NaBH₄ 용액은 NaBH₄ 분말 (99%, Aldrich(제)) 0.4 g을 탈이온수 100 mL에 용해시켜 제조하였다.

상기 측정례 1 및 2에서 사용된 환원 기체 생성 및 ICP-MS의 작동 조건은 하기 표 1 및 2와 같다.

[표 1] 환원 기체 생성 조건

Carrier gas flow rate	0.8 L/min
NaBH 4 / SnCl 2 flow rate	0.7 L/min
Sample uptake flow rate	0.7 L/min

[표 2] ICP - MS 작동 조건

Plasma forward power	1200W
Coolant gas flow rate	13 L/min
Auxiliary gas flow rate	0.6 L/min
Total acquisition time	30 sec

시험예 1. 분석 결과의 검증

(1) ID 법

실시예에서 무기 수은 및 전체 수은의 정량은 동위원소희석법을 사용하여 수행하였으며, 사용된 동위원소는 ¹⁹⁹Hg 및 ²⁰⁰Hg였다. 구체적으로는, 샘플의 제조 시에 각각의 시료(CRM)에 농도를 알고 있는 농축동위원소 용액 (¹⁹⁹Hg enriched isotope, ¹⁹⁹Hg 농도 97.4%)을 첨가하였다. 이어서 상기 농축동위원소 용액 및 샘플 내의 분석 대상 수은의 평형이 이루어진 후, 혼합물(농축동위원소 용액 + 분석용 샘플)의 변경된 동위원소비(isotope ratio)를 측정하고, 문헌 (Beary, Journal of Analytical Atomic Spectrometry, Vol.9, page.1363)에 기재된 방법을 통하여 분석 대상 수은의 농도를 계산하였다. 이 때 한 종류의 CRM으로 제작된 5개의 샘플에 대해서는 각각 독립적으로 분석을 수행하였다.

(1) 전체 수은 함량의 정량

기존의 수은 분석 방법에서는 시료 내의 유기 수은을 정량하기 위하여, 강산화제(KMnO₄ 등)로의 산화를 수행한 후, 이를 다시 환원시키는 2단의 공정이 반드시 필요하였다. 그러나 본 발명에서는 환원제 용액 (NaBH₄ 용액)의 첨가만으로 유기 수은의 휘발성 기체에 의하여 수은 신호를 검출할 수 있었으며, 특히 이러한 휘발성 기체의 생성이 무기 수은의 환원 기체 생성 (Hg^{2 +} → Hg⁰)과 거의 동일한 속도로 일어남을 확인할 수 있었다. 하기 표 3은 샘플에 대한 측정 결과 및 각각의 샘플 제조에 사용된 CRM의 인증 수치 (certified value)를 나타낸다. 하기 표 3에 나타난 바와 같이 동일한 CRM으로 제작된 5개의 샘플로부터의 측정 농도의 재현성 (reproducibility)은 DORM-2의 경우 1.52%, SRM 1566b의 경우 3.61%, 그리고 t-CRM의 경우 1.29%였다.

[표 3]

반복 횟수	Determined concentration (㎍/g)
	DORM -2	SRM 1566b	t- CRM
1	4.62	0.035	2.225
2	4.59	0.038	2.179
3	4.75	0.036	2.196
4	4.74	0.037	2.223
5	4.69	0.038	2.253
Average	4.68	0.036	2.215
Standard deviation	0.07	0.001	0.028
certified	4.64±0.26	0.0371±0.0013	2.14±0.09

(2) 무기 수은 함량의 정량

현재까지 알려진 수은의 선택적 분석 방법 (Tao 등)의 경우 시료 내에서 단백질 또는 기타 분자에 결합된 수은을 유리시키기 위하여 L-시스테인을 첨가하고 있었다. 그러나, 본 발명에 따른 실시예에서는 상기와 같은 시약의 첨가 없이, 10%의 염산 용액 내의 염화주석 환원제 용액만으로 수은 기체(cold vapor)의 생성이 이루어졌다. 하기 표 4는 이러한 무기 수은의 정량 결과를 나타낸다. CRM에서는 무기 수은의 함량이 인증되어 있지 않으므로, 하기 표 4에서는 전체 및 유기 수은의 차이로 무기 수은의 인증 수치를 나타내었다. 동일한 CRM으로 제작된 5개의 샘플로부터의 측정 농도의 재현성 (reproducibility)은 DORM-2의 경우 2.75%, SRM 1566b의 경우 3.47%, 그리고 t-CRM의 경우 3.42%였다.

[표 4]

반복 횟수	Determined concentration (㎍/g)
	DORM -2	SRM 1566b	t- CRM
1	0.168	0.023	0.218
2	0.171	0.024	0.222
3	0.177	0.023	0.223
4	0.165	0.022	0.208
5	0.174	0.023	0.228
Average	0.171	0.023	0.219
Standard deviation	0.05	0.001	0.007
Certified ( total mercury methyl mercury )	0.17	0.0239	-

(3) 검출 한계( detection limit )

바탕 용액의 농도는 시료를 첨가하지 않은 TMAH 용액을 동위원소희석법으로 분석하여 측정하였다. 바탕 용액의 농도는 무기 및 전체 수은의 경우에서 거의 동일하였으며, 이는 0.5 g의 시료에 대하여 0.2 ± 0.006 ng/g였다. 따라서, 본 발명의 방법의 검출 한계는 바탕 용액의 표준 편차의 3배인 0.018 ng/g으로 결정되었다.

도 1은 본 발명의 실시예에서 사용된 연속 수은 증기 발생 시스템을 나타내는 도면이다.

Claims (9)

1. 분석 대상 시료를 무기 수은만을 선택적으로 환원시킬 수 있는 제 1 환원제 용액과 혼합하는 단계;

   제 1 환원제 용액을 혼합한 시료에 대하여 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 무기 수은을 정량하는 단계;

   분석 대상 시료를 무기 수은 및 유기 수은을 환원시킬 수 있는 제 2 환원제 용액과 혼합하는 단계; 및

   제 2 환원제 용액을 혼합한 시료에 유도결합 플라즈마 질량 분석을 수행하여, 시료 내의 전체 수은을 정량하는 단계를 포함하는 무기 수은 및 유기 수은의 선택적 분석 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   분석 대상 시료는 모발인 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   제 1 환원제 용액은 염산 및 염화 주석의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   염산의 농도가 8 내지 12%(v/v)이며, 염화 주석의 농도는 0.5 내지 2%(m/v)인 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   제 2 환원제 용액이 NaBH₄인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   NaBH₄의 농도가 0.05 내지 0.2%(m/v)인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서,

   분석 대상 시료 및 제 2 환원제 용액의 혼합 전에, 분석 대상 시료를 산성 용액으로 산성화시키는 단계를 추가로 수행하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   산성 용액은 질산 용액인 것을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서,

   산성 용액의 농도가 0.2 내지 15%(v/v)인 것을 특징으로 하는 방법.

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