KR20170012999A - 토양 중의 질산태질소 농도 검출 키트 및 이를 이용한 검출 방법 - Google Patents
토양 중의 질산태질소 농도 검출 키트 및 이를 이용한 검출 방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트 및 이를 이용한 질산태질소 농도 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 검출 방법에 따라 토양 중의 질산태질소를 측정할 경우 기존의 방법 대비 동등 이상의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 측정시간에 있어서도 질산성질소와 발색시약의 반응시간을 획기적으로 단축하는 장점이 있다. 또한 고가의 분석 장비가 필요하지 않으며, 중금속을 사용함에 따른 단점을 보완하여 인체에 무해한 질산태질소 검출 시약의 제공이 가능하다.
Description
본 발명은 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트 및 이를 이용한 질산태질소 농도 검출 방법에 관한 것이다.
토양에는 여러 가지 용해성 무기염들이 존재하며, 식물은 이 무기염들의 일부를 필수원소로 흡수함으로써 생명을 유지하며 살아간다. 식물의 필수원소들에 대한 요구도가 각기 다르므로, 각 용해성 무기염들의 종류와 양이 물론 중요하지만, 토양학에서는 용해성 무기염들의 총량도 식물생육과 관련하여 매우 중요한 인자로 취급하고 있다. 무기염들의 총량을 나타내는 상대적인 지표로서 전기전도도(Electrical Conductivity)를 사용하고 있으며, 토양학에서는 전기전도도가 4ds/m 이상인 토양을 염류토양(saline soil)으로 분류하며 작물생육에 부적합한 토양으로 정의하고 있다.
일반적으로 토양에 용해성 무기염들의 양이 과도하게 많아진 상태를 "염류집적"이 되었다고 말하며 토양에 염류집적이 일어나면 토양용액의 삼투압이 높아져 충분한 물이 있어도 식물의 수분흡수가 곤란하게 된다. 한편 집적된 각 염들 사이에 농도 차이가 심하여 식물이 염들의 일부를 필수양분으로 흡수할 때 길항(antagonism) 및 상조(synergism) 흡수 작용을 통하여 식물체내 양분의 불균형을 일으키게 되고, 또한 특정 양분의 독성과 결핍을 유발시켜 식물의 생육에 장애를 초래하게 된다.
토양의 염류집적은 여러 가지 경로를 통하여 일어나는데, 바닷가의 토양과 같이 염류 농도가 높은 바닷물의 영향을 받거나, 건조지대의 토양처럼 물이 계속적으로 증발되므로 토양에 염류가 농축되는 것과 같이 자연적으로 일어날 수 있다. 한편 인공적으로는 토양에 비료물질이 과다하게 투입되었을 때, 또는 생활하수, 축산폐수, 공장폐수 및 광산폐수들이 실수로 유입되거나 관개되었을 때 일어난다.
일반적으로 농경지 염류집적의 원인은 화학비료와 유기질비료의 과다 시용에 있으며, 화학비료는 화학 조성이 대체로 그 자체가 무기염으로 되어 있으므로 직접적으로 염을 투입하는 결과로 나타나고, 유기질 비료는 토양미생물에 의하여 분해(무기화)되는 과정에서 많은 양의 염을 발생시키는데, 특히 근래 우리나라에서 가장 많이 상용화되고 있는 가축분뇨 발효퇴비는 양분함유량이 많으므로 무기화과정에서 매우 많은 양의 염을 토양에 공급하게 된다.
농경지 염류집적문제는 일반 농경지에 비해 시설하우스내 토양에서 더욱 심각한데, 그 이유는 시설재배의 경우 연중 집약적으로 식물을 재배하므로 투입되는 화학비료와 유기질비료의 절대량이 많고 더욱이 시설내의 토양은 플라스틱 필름이나 유리 등에 의하여 강우와 차단된 상태에 놓여 있으므로 일반 농경지와는 달리 축적된 염류가 강우에 의하여 시설외부 또는 지하 깊은 곳으로 세탈(洗奪)될 기회가 거의 없기 때문이다.
한편 토양미생물과 마찬가지로 식물에게 있어 가장 중요한 원소 중의 하나는 질소이며, 흡수형태는 토양 미생물과 마찬가지로 암모니아태 질소(NH4 +-N)와 질산태 질소(NO3 --N)의 2가지 무기태 질소 형태이다. 식물이 뿌리로부터 흡수하는 무기태 질소량은 흡수양분 총량의 80％를 차지할 정도로 많은 것으로 알려져 있으며 그 만큼 식물 생육이 미치는 영향이 막대하다는 것을 의미한다(Marschner H. 1995. Mineral nutrition of higher plants. second edition, Annals of botany, v.78, no.4, pp.527-528 (1996)). 과거에는 질소비료가 원활하게 공급되지 못하여 식물의 질소결핍이 문제가 되었으나, 오늘날에는 화학비료와 질소함량이 높은 유기질 비료의 과다 공급에 의하여 식물의 질소영양 과잉이 문제되고 있는 실정이다. 식물의 질소 흡수가 많아지면 지상부가 연약한 상태로 웃자라서 도복(倒伏, 바람에 쓰러짐)되기 쉽고 병충해에 약해지게 된다. 또한 영양생장이 왕성하여 생식생장이 저조해지므로 곡실과 과실처럼 인간에게 필요한 부위의 수확량이 감소하게 된다. 또한 질소가 많이 흡수되면 식물의 광합성으로 만들어진 동화 산물이 설탕이나 전분과 같은 탄수화물로 전환되는 양이 줄어드는 대신 아미노산과 단백질로 전환되는 양이 늘어나기 때문에 과채류와 과실류 열매의 당도를 감소시킬 수 있다.
무기태 질소 중에서 질산태 질소는 인간의 보건과 환경에 큰 영향이 미치는데, 질산태 질소는 식물에 흡수되어 세포의 액포에 필요이상으로 많은 양이 저장될 수 있고, 흡수되고 남아 있는 질산태 질소의 일부는, 질산태 질소가 음이온이기 때문에 같은 음이온인 토양교질(土壤膠質) 입자에 흡착되지 못하므로, 쉽게 물과 함께 하층토로 이동되어 지하수를 오염시키게 된다. 질산태 질소 농도가 높은 야채류나 지하수를 다량 섭취하면 체내에서 발암물질인 니트로소아민(nitrosoamine)이 생성되어 암에 걸리기 쉽고, 신생아에게는 청색증(methemoglobinemia)라는 치명적인 병을 유발시키는 것으로 보고되고 있다. 수확기 식물체의 질산태 질소 농도를 줄이기 위해서는 적당량의 비료 사용과 강한 광조건에서 질소 공급을 조절하는 방법 등이 알려져 있다(Marschner H. 1995. Mineral nutrition of higher plants. second edition, Annals of botany, v.78, no.4, pp.527-528 (1996)). 이와 같이 작물의 생산성을 높이고 질소시비에 의한 환경으로의 영향을 최소화하기 위해서는 적시 적량의 질소시비량 결정 방법이 필요하다.
현재 토양 중 질산태질소 함량 분석방법은 표준분석법으로 자동기기를 이용한 분석법과 이온선택성 전극법이 있으며, 간이 검출방법으로는 검색지(Test strip)를 이용하는 방법이 있다(2010 한국토양비료학회 추계학술발표회 논문 초록집, p.130). 자동분석기(Auto analyzer)를 이용한 분석법의 경우 중금속인 카드뮴(cadmium) 칼럼을 이용하므로, 잠재적 독성이 있으며 샘플 수에 좌우되는 분석시간에 따른 분석 정확도에 있어 많은 편차를 가진다. 이온선택성 전극법의 경우 방해이온 효과가 있다는 단점을 가지고 있다. 또한 검색지를 이용한 방법은 여과가 필요하며, 발색에 의한 방법으로 검색지의 보관상태, 유효기간에 따라 오차가 크게 발생한다는 단점이 있다.
이에 본 발명자들은 중금속인 카드뮴 칼럼을 사용하지 않으면서, 보다 편리하고 경제적인 방법으로 토양 중의 질산태질소 농도를 측정하기 위한 검출 키트 및 방법을 개발하여 본 발명을 완성하였다.
Marschner H. 1995. Mineral nutrition of higher plants. second edition, Annals of botany, v.78, no.4, pp.527-528 (1996).
2010 한국토양비료학회 추계학술발표회 논문 초록집, p.130.
본 발명의 목적은 토양 중의 질산태질소 농도 검출용 키트를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트를 제공하며, 구체적으로 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 제1시약; 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 제2시약; 및 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 제3시약;을 포함하는 토양 중의 질산태질소 농도 검출용 키트를 제공한다.
보다 상세하게는, 본 발명은 0.10~0.30%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 제1시약;
0.10~0.30%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 제2시약; 및
0.005~0.015%(w/v)의 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 제3시약;을 포함하는 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트를 제공한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "질산태질소(NO3-N)"란 질산성질소(Nitrate nitrogen)라고도 하며, 질산염(R-NO3)의 형태로 존재하는 질소를 의미한다. 질산태질소는 토양에 화합물로서 존재하는 질소 중 중요한 무기태 질소이다. 배수가 잘 되는 밭토양은 산화조건에 있기 때문에 토양유기물이나 토양에 가해준 퇴·구비의 분해에 의해서 생기는 암모늄 이온이나 시비에 의한 암모늄 이온은 질산화 작용에 의하여 질산태질소로 산화된다.
본 명세서에서 사용된 용어, "토양 중의 질산태질소 농도 검출"이란 토양 내 질산태질소의 농도를 분석하는 것을 의미한다. 토양 내에 질산태질소가 과잉되면 장해증상이 발생하기 쉽다. 따라서 작물의 생산성을 높이고 질소시비에 의한 환경으로의 영향을 최소화하기 위해서는 적시 적량의 질소시비량 결정 방법이 필요하다. 본 발명에 따라 토양 중의 질산태질소 농도 검출을 통해 질소시비량의 결정이 가능하므로, 시설재배지 질소 과다시비와 이로 인한 염류장해, 지하수의 질산태질소 농도 증가 등을 예방하는데 기여할 수 있다.
상기 제1시약은 0.10~0.30%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 것이 바람직하며, 0.16%(w/v) 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 것이 더욱 바람직하고, 50 mL의 1M 염산(HCl)에 80 mg의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride)를 용해시켜 제조한 시약인 것이 가장 바람직하다.
상기 제1시약의 바나듐(Vanadium)은 질산태질소(NO3-N; Nitrate nitrogen)를 아질산태질소(NO2-N; Nitrite nitrogen)로 환원시킬 수 있다. 기존의 질산태질소 표준분석법으로 알려져 있는 자동 분석기(Auto analyzer)를 이용한 분석법의 경우, 질산태질소를 아질산태질소로 환원시키는 환원제로서 중금속이 충진된 카드뮴 반응기(cadmium reactor)를 이용하므로 독성 물질이라는 단점이 있었다. 그러나 본 발명에 따라 질산태질소를 아질산태질소로 환원시키는 환원제로 바나듐을 이용하면 인체에 직접적인 독성이 없다는 장점이 있다.
상기 제2시약은 0.10~0.30%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 것이 바람직하며, 0.20%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 것이 더욱 바람직하고, 100 mL의 5%(v/v) 염산(HCl)에 200 mg의 술파닐아미드(sulfanilamide)를 용해시켜 제조한 시약인 것이 가장 바람직하다.
상기 제3시약은 0.005~0.015%(w/v)의 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 것이 바람직하며, 0.010%(w/v)의 NEDD 수용액인 것이 더욱 바람직하고, 100 mL의 증류수에 10 mg의 NEDD를 용해시켜 제조한 시약인 것이 가장 바람직하다.
본 명세서에서 사용된 %농도 중 w/v는 용액 100ml 속에 녹아있는 용질의 g수를 의미하는 것으로 단위는 g/ml이다. 예를 들어, 0.16%(w/v)란 용액 100ml 속에 용질이 0.16g 녹아있음을 의미한다. 또한 %농도 중 v/v는 용액 100ml 속에 녹아있는 용질의 ml수를 의미하는 것으로 단위는 ml/ml이다. 예를 들어, 5%(v/v)란 용액 100ml 속에 용질이 5ml 녹아있음을 의미한다.
상기 제2시약 및 제3시약은 질산태질소로부터 환원된 아질산태질소와 반응하여 핑크색의 화합물을 생성할 수 있다.
상기 제1시약, 제2시약 및 제3시약은 분석하고자 하는 토양 시료에 순차적으로 첨가하는 것이 바람직하다.
상기 키트를 이용하여 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하기 위하여, 토양 시료를 2M KCl로 추출한 용액에 대해 시약의 첨가 비율은 제1시약:제2시약:제3시약 = 2:1:1의 부피 비율로 첨가하는 것이 바람직하고, 제1시약 2 ml, 제2시약 1 ml, 제3시약 1 ml을 첨가하는 것이 가장 바람직하나, 이에 제한하지 않고 시약과 질산태질소를 반응시키기 위해 통상적으로 필요한 양을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 토양 중의 질산태질소 농도 검출용 키트는 제1시약, 제2시약 및 제3시약이 하나 이상의 용기에 담긴 키트일 수 있다.
본 발명에 따른 토양 중의 질산태질소 농도 검출용 키트는 도 1의 키트일 수 있으나, 이에 한정하지 않는다.
또한, 본 발명은 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도를 검출하는 방법을 제공하며, 구체적으로
1) 염화칼륨(KCl)을 이용하여 토양으로부터 NO3-N을 추출하는 단계;
2) 상기 추출된 시료에 0.10~0.30%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 제1시약; 0.10~0.30%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 제2시약; 및 0.005~0.015%(w/v)의 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 제3시약을 첨가하는 단계;
3) 시료에 포함된 질산태질소와 상기 첨가된 시약을 반응시킨 후, 540 nm에서 흡광도를 측정하는 단계; 및
4) 측정된 흡광도를 표준검량식에 대비하여 질산태질소의 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도를 검출하는 방법을 제공한다.
구체적으로, 토양을 KCl용액으로 추출하여 측정하고자하는 질산성 질소가 포함된 시료를 제조한다. 상기 시료에 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액 일정량을 첨가하여 아질산태 질소(NO2-N)로 전환시키는 반응이 일어나고, 상기 반응이 일어나는 동안 술파닐릭산 용액(Sulfanilic acid solution)과 만난 아질산태 질소(NO2-N)는 술파닐릭산과 만나 중간 형성 물질인 디아조늄염(Diazonium salt)이 생성된다. 이 디아조늄염이 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylene diamine dihydrochloride; NEDD) 수용액과 만나 색변화를 유도하고, 상기 유도된 발색 정도를 표준액에 대한 흡광도법을 이용하여 질산태질소 농도를 검출하는 방법을 제공한다.
상기 단계 1)의 염화칼륨은 2M KCl인 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.
상기 단계 2)의 시료는 토양 시료에 증류수(Deionized water)를 추가적으로 첨가하여 제조한 시료인 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다. 증류수를 첨가하는 이유는 NO3-N 추출 용액을 만들기 위함이다.
상기 단계 2)의 시약 첨가는 제1시약, 제2시약 및 제3시약을 순차적으로 첨가하는 것이 바람직하나, 이에 한정하지 않는다.
상기 단계 2)의 시약 첨가는 제1시약:제2시약:제3시약 = 2:1:1의 부피 비율로 첨가하는 것이 바람직하며, 시료:제1시약:제2시약:제3시약 = 1:2:1:1의 부피 비율로 첨가하는 것이 더욱 바람직하고, 시료 1ml, 제1시약 2ml, 제2시약 1ml, 제3시약 1ml을 첨가하는 것이 가장 바람직하나, 시료 중의 질산태질소와 시약을 반응시키기 위해 통상적으로 필요한 양을 적절히 선택하여 사용할 수 있다.
상기 단계 3)의 반응 온도는 65~95℃이고, 반응 시간은 5~60분인 것이 바람직하며, 반응 온도는 70℃이고, 반응 시간은 20분인 것이 가장 바람직하나, 이에 한정하지 않는다. 반응 온도가 낮아지면 발색 정점에 도달하는 반응시간이 지연될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 본 발명의 검출 방법을 이용할 때 시료와 시약의 최적의 반응 조건을 알아보기 위한 실험을 하였다. 그 결과, 반응온도 70℃에서 20 분간 반응시키는 것이 가장 적절한 것으로 판단되었다(도 5). 따라서 본 발명에 따른 질산태질소 검출 방법을 이용하면 검출 시간이 단축되며, 측정 시간에 따른 편차가 심하지 않아 정확한 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명은, 기존의 질산태질소 표준분석법인 자동분석기(Auto analyzer)를 이용한 분석법의 경우 샘플 측정수가 많아지고 분석시간이 지연됨에 따른 분석효율성에 대한 편차가 심하다는 단점을 해결한 것이다.
상기 단계 3)의 흡광도 측정은 흡광도법을 이용할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 흡광도법은 시료 용액 중의 목적 성분을 적당한 시약으로 광흡수 물질로 변화시켜 특정 파장에서 광흡수 정도를 측정하여 목적 성분의 농도를 구하는 통상의 방법을 의미한다.
본 발명의 흡광도법은 람버트 비어 법칙을 적용하여 목적 성분의 농도를 구하는 것으로 통상의 흡광광도 분석장치는 통상 광원부, 파장선택부, 시료부, 측광부 등으로 이루어져 있다. 흡광도법에서 농도를 측정하는 방법으로는 색의 발색정도를 이용하는 비색법, 시료 용액의 현탁정도를 이용하는 비탁법 등이 있다. 본 발명에서 흡광도 측정을 위해 사용하는 흡광도 분석장치는 UV 분광광도계(UV spectrophotometer)인 것이 바람직하나, 반드시 이로 제한되는 것은 아니다.
흡광도법은 시료액에 대응하는 대조액을 만들어 흡광도를 측정하고 이에 따라 검량선을 작성한 후 시료액의 흡광도를 측정하여 상기 검량선과 비교하여 농도를 측정하게 된다.
상기 단계 4)의 표준검량식은 Y=0.4717X 일 수 있다. 따라서 시료의 흡광도를 측정하여 표준검량식에 대비하여 토양 중의 질산태질소 농도를 산출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하는 방법은 다음과 같다. 1) 토양 10g에 2M KCl 50ml를 넣어 토양시료를 추출하여 질산태질소 분석 샘플(Sample)을 제조한다. 2) 3 ml의 증류수(Deionized water)가 담겨진 용기에 분석 샘플 1ml을 첨가한 후 혼합한다. 3) 제1시약, 제2시약 및 제3시약을 순차적으로 용기에 첨가한다. 구체적으로, 2ml의 바나듐 용액 시약(제1시약)을 첨가한 다음, 1ml의 술파닐아미드 용액 시약(제2시약)을 첨가한 후, 1ml의 NEDD 용액 시약(제3시약)을 첨가한다. 4) 모든 시약이 첨가되면 70℃에서 20분간 반응시킨 후, 540 nm에서 흡광도를 측정한다. 구체적으로, UV 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 흡광도를 측정한다. 5) 측정된 흡광도를 표준검량식에 대입하여 질산태질소(NO3-N)의 농도를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에서, 기존의 질산태질소 표준분석법인 자동분석기(Auto analyzer)를 이용한 분석법과 본 발명에 따른 검출 방법을 비교하였다. 그 결과, UV 분광광도계를 이용한 본 발명에 따른 검출 방법의 경우, 직선 회귀선의 기울기가 1에 가깝고 결정계수(R2) 값도 0.9859로 매우 높아 고도의 유의성이 있는 것으로 나타났다(표 1, 도 3). 또한, 임의의 토양 샘플 20개에 대하여 질산태질소 농도(mg/kg)를 측정한 결과, 본 발명에 따른 질산태질소 검출 방법이 기존의 자동 분석기를 이용한 방법과 측정값이 거의 일치하여 정확도가 높음을 확인할 수 있었다(도 4).
본 발명은 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트 및 이를 이용한 질산태질소 농도 검출 방법에 관한 것이다. 본 발명의 검출 방법에 따라 질산성질소를 측정할 경우 기존의 방법 대비 동등 이상의 정확도를 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 측정시간에 있어서도 질산성질소와 발색시약의 반응시간을 획기적으로 단축하는 장점이 있다. 또한 고가의 분석 장비가 필요하지 않으며, 중금속을 사용함에 따른 단점을 보완하여 인체에 무해한 질산태질소 검출 시약의 제공이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 질산태질소 농도 검출 키트를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명에 따른 질산태질소 농도 검출 방법을 이용하여 질산태질소 표준 용액(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 mg L- 1)에 대하여 흡광도를 측정한 후 작성한 검량선 및 표준검량식을 나타낸 도이다.
도 3은 표준 용액(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 mg L- 1)에 대하여 기존의 자동 분석기를 이용한 분석과 본 발명의 검출키트 방법에 따른 분광광도계(U.V) 분석을 이용한 질산태질소(NO3-N) 측정값(mg L-1)을 나타낸 그래프이다:
uv, 본 발명의 질산태질소 농도 검출 방법에 따른 UV 분광광도계(UV spectrophotometer) 측정값 및 직선회귀선; 및
A.A, 기존의 자동분석기(Auto analyzer; A.A)를 이용한 측정값 및 직선회귀선.
도 4는 20개의 토양 샘플에 대하여 자동 분석기를 이용한 분석과 본 발명의 검출키트 방법에 따른 UV 분광광도계 분석을 이용한 질산태질소(NO3-N) 측정값(mg kg-1)을 나타낸 그래프이다:
U.V, 본 발명의 질산태질소 농도 검출 방법에 따른 분석키트를 이용한 UV 분광광도계(UV spectrophotometer) 측정값; 및
A.A, 기존의 자동분석기(Auto analyzer; A.A)를 이용한 측정값.
도 5는 질산태질소 표준 용액(1~10 ppm(1~10 mg L-1))에 대하여 본 발명의 질산태질소 농도 검출키트 방법에서 샘플과 시약의 반응 온도를 50℃ 또는 70℃, 반응 시간을 10, 20, 30, 40, 50, 60 분으로 각각 설정하여 반응시킨 후, UV 분광광도계를 이용하여 측정한 흡광도 값을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명에 따른 질산태질소 농도 검출 방법을 이용하여 질산태질소 표준 용액(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 mg L- 1)에 대하여 흡광도를 측정한 후 작성한 검량선 및 표준검량식을 나타낸 도이다.
도 3은 표준 용액(0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 mg L- 1)에 대하여 기존의 자동 분석기를 이용한 분석과 본 발명의 검출키트 방법에 따른 분광광도계(U.V) 분석을 이용한 질산태질소(NO3-N) 측정값(mg L-1)을 나타낸 그래프이다:
uv, 본 발명의 질산태질소 농도 검출 방법에 따른 UV 분광광도계(UV spectrophotometer) 측정값 및 직선회귀선; 및
A.A, 기존의 자동분석기(Auto analyzer; A.A)를 이용한 측정값 및 직선회귀선.
도 4는 20개의 토양 샘플에 대하여 자동 분석기를 이용한 분석과 본 발명의 검출키트 방법에 따른 UV 분광광도계 분석을 이용한 질산태질소(NO3-N) 측정값(mg kg-1)을 나타낸 그래프이다:
U.V, 본 발명의 질산태질소 농도 검출 방법에 따른 분석키트를 이용한 UV 분광광도계(UV spectrophotometer) 측정값; 및
A.A, 기존의 자동분석기(Auto analyzer; A.A)를 이용한 측정값.
도 5는 질산태질소 표준 용액(1~10 ppm(1~10 mg L-1))에 대하여 본 발명의 질산태질소 농도 검출키트 방법에서 샘플과 시약의 반응 온도를 50℃ 또는 70℃, 반응 시간을 10, 20, 30, 40, 50, 60 분으로 각각 설정하여 반응시킨 후, UV 분광광도계를 이용하여 측정한 흡광도 값을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명을 하기 실시예에서 보다 상세하게 기술한다. 다만, 하기의 실시예는 본 발명의 내용을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하거나 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 상세한 설명 및 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술자가 용이하게 유추할 수 있는 것은 본 발명의 권리범위에 속하는 것으로 해석된다.
<실시예 1> 질산태질소 분석 시약의 준비
토양 중의 질산태질소를 분석하기 위하여 검출시약을 하기와 같이 제조하였다. 또한 본 발명에 따른 토양 중 질산태질소 검출을 위한 분석용 키트를 도 1에 나타내었다.
<1-1> 제1시약 - 바나듐(Vanadium) 용액 시약의 제조
토양중의 질산태질소(NO3-N)를 아질산태질소(NO2-N)로 환원시키기 위하여, 50 ml의 1M HCl에 80 mg 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride; VCl3)를 용해시켜 0.16%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드 산성수용액을 제조하였다.
<1-2> 제2시약 - 술파닐아미드(Sulfanilamide) 용액 시약의 제조
100 ml의 5%(v/v) HCl 용액에 200 mg 술파닐아미드(sulfanilamide)를 용해시켜 0.2%(w/v)의 술파닐아미드 산성수용액을 제조하였다.
<1-3> 제3시약 - NEDD 용액 시약의 제조
100 ml의 증류수에 10 mg N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD)를 용해시켜 0.01%(w/v)의 NEDD 수용액을 제조하였다.
<실시예 2> 질산태질소 검출 방법 및 표준검량식의 산출
<2-1> 질산태질소 검출 방법
상기 실시예 1에서 제조한 시약들을 이용하여 토양 중의 질산태질소(NO3-N)의 농도를 검출하는 방법은 다음과 같다.
1) 토양 10g에 2M KCl 50ml를 넣은 토양시료를 진탕기에 넣어 교반 속도 140 rpm에서 30분간 진탕한 후 여과한 용액을 이용하여 질산태질소 분석 샘플(Sample)을 제조한다.
2) 3 ml의 증류수(Deionized water)가 담겨진 용기에 분석 샘플 1ml을 첨가한 후 혼합한다.
3) 상기 실시예 1에서 제조한 제1시약, 제2시약 및 제3시약을 순차적으로 용기에 첨가한다. 구체적으로, 2ml의 바나듐 용액 시약(제1시약)을 첨가한 다음, 1ml의 술파닐아미드 용액 시약(제2시약)을 첨가한 후, 1ml의 NEDD 용액 시약(제3시약)을 첨가한다.
4) 모든 시약이 첨가되면 70℃에서 20분간 반응시킨 후, 540 nm에서 흡광도를 측정한다. 구체적으로, UV 분광광도계(spectrophotometer)를 이용하여 흡광도를 측정한다.
5) 측정된 흡광도를 표준검량식에 대비하여 질산태질소(NO3-N)의 농도를 산출한다.
<2-2> 표준용액에 대한 검량선 및 표준검량식의 작성
먼저 KNO3를 이용하여 질산태질소(NO3-N) 표준용액을 제조하였다. 질산태질소 표준용액 1~7 mg/L를 단계적으로 각각의 시험관에 넣고, 상기 실시예 <2-1>의 검출 방법으로 시험하여 질산태질소의 각각의 농도와 흡광도와의 관계를 구하였다.
표준용액에 대하여 흡광도를 측정하여 검량선(Standard Curve)을 작성한 결과, 람버트-비어(Lambert-Beer)의 법칙에 일치함을 확인하였다(도 2). 표준검량식을 작성한 결과, Y=0.4717X 였으며 결정계수(R2) 값은 0.9872로 높아 고도의 유의성이 있는 것으로 확인되었다.
따라서 상기 실시예 <2-1>의 검출 방법은 흡광도가 질산태질소 농도에 비례하므로 질산태질소 농도를 검출하는 방법으로 적합함을 확인하였다.
<실시예 3> 자동분석기(Auto analyzer)를 이용한 분석 방법과의 비교 실험
<3-1> 기존방법인 자동분석기기를 이용한 질산태질소의 분석 방법
1) 2M KCl 용액으로 토양시료를 추출한다.
2) 추출한 토양시료 용액을 분석용 시험관에 넣어 자동 분석기(Auto analyzer)에 장착한다.
3) 시료 용액이 카드뮴 반응기(cadmium reactor)를 통과하게 되면 질산태질소가 아질산태질소로 환원된다. 질산으로부터 환원된 아질산과 시료에 존재하던 아질산이 합쳐져 술파닐아미드(Sulfanilamide)와 다이아조(Diazo)화 되고 NEDD(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride)와 짝을 이루어 540 nm에서 측정가능한 red-puple complex를 형성한다. 이러한 원리를 이용하여 질산태질소의 농도를 알 수 있다.
<3-2> 자동 분석기를 이용한 분석방법과 본 발명에 따른
분석키트를
이용한 질산태 질소 검출 방법의 비교
표준 용액에 대하여 기존의 자동 분석기를 이용한 분석 방법과 본 발명의 실시예 2-1에 따른 검출 방법을 비교하였다.
구체적으로, 0~6 mg/L의 표준 용액에 대하여 자동 분석기(Auto analyzer; A.A)를 이용한 분석과 실시예 2-1에 따른 분석키트를 이용한 UV 분광광도계(UV spectrophotometer; uv) 분석을 각각 수행하여 질산태질소 측정값을 얻었다. 각각 분석 방법을 이용한 질산태질소 측정값을 도 3에 나타내었으며, 이를 통계 분석하여 하기 표 1에 나타내었다.
본 발명에 따른 UV 분광광도계를 이용한 분석 방법의 경우, 직선 회귀선의 기울기가 1에 가깝고 결정계수(R2) 값도 0.9859로 매우 높아 고도의 유의성이 있는 것으로 나타났다.
| 분석 기기 | 직선 회귀선 | R 2 | Dependencies |
| 키트 [UV 분광광도계(uv)] | Y=0.9258X+0.3215 | 0.9859 | 0.808 |
| 자동분석기기(A.A) | Y=0.8339X+0.1741 | 0.9976 | 0.808 |
또한, 국립농업과학원 옥수수 재배에 따른 탄소격리를 위한 연구 포장의 사양토 및 식양토 토양 샘플 20개에 대하여 각각 자동분석기기를 이용한 분석 및 본 발명의 실시예 2-1에 의한 분석키트를 이용한 UV 분광광도계 분석을 수행하여 측정한 질산태질소 농도(mg/kg)를 도 4에 나타내었다. 이 결과로부터 본 발명에 따른 질산태질소 검출 방법이 기존의 자동분석기를 이용한 방법과 측정값이 거의 일치하여 정확도가 높음을 확인할 수 있었다.
<실시예 4> 최적의 반응온도 및 반응시간 확인 실험
상기 실시예 2-1에 따른 질산태질소 검출 방법의 분석키트를 이용한 UV 분광광도계 측정을 위한 적정 반응 시간을 알아보기 위한 실험을 하였다.
구체적으로, 질산태질소 표준 용액 1~10 mg/L(1~10 ppm)에 대하여 상기 실시예 2-1의 단계 4)에서 반응 온도를 50℃ 또는 70℃, 반응 시간을 10, 20, 30, 40, 50, 60 분으로 각각 설정하여 흡광도를 측정하였다.
도 5에 나타난 바와 같이, 반응온도 70℃에서 20 분간 반응시키는 것이 가장 적절한 것으로 판단된다.
따라서 본 발명에 따른 질산태질소 검출 방법을 이용하면 측정 시간이 단축되며, 고가의 장비를 대체할 수 있으며, 측정 시간에 따른 편차가 심하지 않아 정확한 검출이 가능함을 확인할 수 있었다.
Claims (5)
- 0.10~0.30%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 제1시약;
0.10~0.30%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 제2시약; 및
0.005~0.015%(w/v)의 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 제3시약;을 포함하는 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도 검출용 키트.
- 1) 염화칼륨(KCl)을 이용하여 토양으로부터 토양 시료를 추출하는 단계;
2) 상기 추출된 시료에 0.10~0.30%(w/v)의 바나듐(Ⅲ) 클로라이드(Vanadium(Ⅲ) chloride) 산성수용액인 제1시약; 0.10~0.30%(w/v)의 술파닐아미드(sulfanilamide) 산성수용액인 제2시약; 및 0.005~0.015%(w/v)의 N-(1-나프틸)-에틸렌디아민 디하이드로클로라이드(N-(1-naphthyl)-ethylenediamine dihydrochloride; NEDD) 수용액인 제3시약을 첨가하는 단계;
3) 시료에 포함된 질산태질소와 상기 첨가된 시약을 반응시킨 후, 540 nm에서 흡광도를 측정하는 단계; 및
4) 측정된 흡광도를 표준검량식에 대비하여 질산태질소의 농도를 산출하는 단계;를 포함하는 토양 중의 질산태질소(NO3-N) 농도를 검출하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 단계 2)의 시약 첨가는 제1시약, 제2시약 및 제3시약을 순차적으로 첨가하는 것을 특징으로 하는 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 단계 2)의 시약 첨가는 제1시약:제2시약:제3시약 = 2:1:1의 부피 비율로 첨가하는 것을 특징으로 하는 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 단계 3)의 반응 온도는 65~95℃이고, 반응 시간은 5~60분인 것을 특징으로 하는 토양 중의 질산태질소 농도를 검출하는 방법.
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| CN111442960A (zh) * | 2020-04-20 | 2020-07-24 | 北京仪达仪器有限责任公司 | 一种快速提取土壤中重金属的试剂盒和方法 |
| CN114112614A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 浙江大学 | 利用水质氨氮快速检测试剂盒测定土壤中氨氮的方法 |
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