ICP/MS 를이용한혈액및요중중금속 분석방법확립을위한연구 (I) 환경측정기준부무기물질분석연구과, 측정기준연구과 * 이정섭, 김영희, 박재성, 이정희 *, 임태효 *, 강학구, 홍은진, 조재석, 정기택, 차준석, 정광용 Establishment of analytical

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1 ICP/MS 를이용한혈액및요중중금속 분석방법확립을위한연구 (I) 환경측정기준부무기물질분석연구과, 측정기준연구과 * 이정섭, 김영희, 박재성, 이정희 *, 임태효 *, 강학구, 홍은진, 조재석, 정기택, 차준석, 정광용 Establishment of analytical method for blood and urine using ICP/MS(I) Jung-Sub Lee, Young-Hee Kim, Jae-Sung Park, Jung-Hi Lee, Tae-Hyo Im, Hak-Gu Kang, Eun-Jin Hong, Jae-Seok Jo, Gi-Taeg Jeong, Jun-Seok Cha, Kwang-Yong Jung Inorganics Analysis Research Division Environmental Measurement Standards Department National Institute of Environmental Research 2008 국립환경과학원

2 요약문 1. 제목 ICP/MS 를이용한혈액및뇨중중금속분석방법확립을위한연구 (Ⅰ) 2. 목적혈액및뇨중중금속분석방법으로서 ICP/MS를이용한분석방법을확립하고현재 국민혈중중금속농도조사연구 사업에서사용되고있는흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 과비교 검토하여향후국민중금속생체노출조사사업에활용가능한시험방법과기초자료를제시하고자수행하였다. 3. 연구내용및방법 가. 관련자료및문헌조사납, 카드뮴, 망간, 셀레늄등조사대상항목의특성, 인체유입 배출경로및인체위해성을조사하고미국, 유럽및국내중금속생체노출정도와그분석방법을조사하였다. 나. 혈액및뇨중미량금속분석을위한 ICP/MS 분석방법의연구흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 분석방법의검출한계, 처리속도등의문제점을개선하기위하여희석법-ICP/MS을이용해시료의전처리방법및기기조건, 정확도, 재현성, 검출한계, 정량한계등을확인하였다. ICP/MS 분석방법으로실제생체시료에대한적용성을검토하였으며, ICP/MS 분석방법과 GFAAS 분석방법과의측정값편차정도를파악하기위하여동일시료에대한 - i -

3 비교분석을수행하였다. 3. 연구결과혈액및뇨중미량금속분석에대한국내 외분석방법과일반인의농도범위를조사하고, 시료의전처리방법및분석조건을확립하였다. 또한기존에많이사용하는분석방법인원자흡광광도법 (GFAAS) 과희석법-ICP/MS 분석방법간의측정값편차정도를확인하기위하여동일시료에대한비교분석을수행한결과, 다음과같은결과를얻었다. 가. ICP/MS를이용한혈액및뇨중미량금속분석방법중마이크로웨이브 -ICP/MS 분석방법은전처리과정의긴시간소요등의문제점으로인해미국, 유럽등에서인체노출평가사업의미량금속분석방법으로희석법 -ICP/MS 분석방법을채택하고있다. 나. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴의방법검출한계는 1.14 μg /L, 0.09 μg /L로조사되어, GFAAS 분석방법의방법검출한계 3 ug/l, 0.3 μg /L 보다약 3배정도낮은검출한계를보였다. 그외망간, 니켈, 셀레늄, 코발트의방법검출한계는 1.53 μg /L, 0.55 μg /L, 5.42 μg /L, 0.10 μg /L 로조사되었다. 다. 혈액표준물질에대한희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 망간, 셀레늄의정확도는 103.7, 105.9, 100.5, 100.3% 로조사되었으나, 니켈과코발트의정확도는 80.7%, 123.7% 로다소낮게나타났다. 동일시료를 4회반복하여구한니켈의정밀도 13.6% 를제외하면 5% 이내의재현성을나타내었다. - ii -

4 라. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 코발트, 망간, 니켈, 셀레늄 의방법검출한계는 0.13 μg /L, 0.17 μg /L, 0.07 μg /L, 0.28 μg /L, 0.62 μg /L, 3.79 μg /L 로조사되었다. 마. 뇨표준물질에대한희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 망간, 셀레늄, 니켈의정확도는 98.6, 106.8, 105.0, 96.29, 107.1% 의좋은값을나타내었으나, 코발트는 123.7% 로다소낮게조사되었다. 동일시료를 4회반복하여구한정밀도조사대상항목모두 10% 이내의재현성을나타내었다. 바. 혈액및뇨에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선직선성은조사 대상항목모두 r 2 이 이상을, 검정곡선교정계수 (RSD%) 는망간, 셀 레늄을제외하고 10% 이내의직선성을나타내었다. 사. 매질표준물질에대한혈액및뇨중납과카드뮴항목의분석방법간유의성검증을위해기존의 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법의측정값을분산분석및상관성을분석한결과혈중납 (p=0.97>0.05, R=0.99) 과카드뮴 (p=0.99>0.05, R=0.99), 뇨중납 (p=0.80>0.05, R=0.99) 과카드뮴 (p=0.92>0.05, R=0.99) 을나타내두분석방법의결과값은유의한차가없는것으로나타났으며, 측정값간에도유의한상관관계를보였다. 현장시료에대한유의성검증결과역시통계적으로유의한차를나타내지않았지만분석방법간에측정값의편차가존재하였다. 측정값의편차의정도를파악하기위해서는더많은시료에대해유의성검증을하여야한다고판단된다. 아. 희석법 -ICP/MS 분석방법은동시에많은항목을분석할수있기때문에 - iii -

5 GFAAS 분석방법에비해분석시간을크게단축할수있으며, 검출한계도 GFAAS 분석방법보다낮은장점이있다. 따라서희석법-ICP/MS 분석방법은분석대상물질이극미량으로존재하는혈액및뇨와같은생체시료를다량으로분석해야하는미량금속생체노출조사사업의분석방법으로사용가능하다고판단된다. 자. 확립한희석법 -ICP/MS 분석방법 ( 안 ) 은 2 차년도연구사업에서좀더많은 현장시료에대한적용성을검토한후 생체시료중환경오염물질분석방 법 에제공하여국내인체노출평가사업의분석방법으로활용할예정임. 5. 연구결과의활용및건의분석방법의국제적동등성확보를위한추가연구사업을거쳐폐금속광산주민건강영양조사사업, 지역주민환경오염노출수준및생체지표모니터링사업, 국민생체시료중유해물질실태조사사업과같은미량금속생체노출조사사업의분석방법에활용될것으로사료된다. - iv -

6 Abstract This study was performed to develop the analytical methods using ICP-MS for toxic trace metals in human blood and urine. The characteristics, fates and toxicities of target metals were reviewed and the trends and benefits of analytical methods were also studied. Biomonitoring of trace elements in human blood and urine samples has become an important indicator for occupational and environmental health. For frequently determined elements in blood, such as Pb, Cd, the analytical methods using GFAAs (Graphite-furnace atomic absorption spectroscopy) were well established and validated. However, the methods have limitations of low repeatability, low sample throughput and single-element determination. Recently, by the application of inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS), the fast and accurate routine multi-element determination in biological samples become possible. Therefore, we have established and validated the ICP-MS methods with HNO 3-dilution pretreatment by analyzing commercially avaliable control materials such as SERO and Lyphochek. The method detection limits (MDLs) of the methods in blood samples were determined as 1.14 μg /L for Pb and 0.09 μg /L for Cd, which were around 3 times lower than those of GFAAs (3.00 μg /L for Pb and 0.30 μg /L for Cd). For, Mn, Ni, Se and Co, the MDLs were 1.53 μg /L, 0.55 μg /L, 5.42 μg /L and 0.10 μg /L, respectively. The MDLs of Mn and Se were not sufficient to determine elemental background levels in human blood, thus they will be redetermined. The accuracies of the methods in blood - v -

7 samples were 101.6~107.3%(aver %), 100.3~109.9% (aver %) and 80.7~123.7% for Pb, Cd and other metals, respectively. The precisions of the methods were within 5%, except for Ni of 13.6%. The method detection limits (MDLs) in urine samples were determined as 0.13 μg /L for Pb, 0.17 μg /L for Cd, 0.07 μg /L for Co, 0.28 μg /L for Mn, 0.62 μg /L for Ni and 3.79 μg /L for Se, respectively. All the MDLs were sufficient to determine elemental background levels in human urine samples. The accuracies of the methods in blood samples were 90.9~102.7%(aver. 98.6%), 87.9~133.4% (aver %) and 95.9~104.9% for Pb, Cd and other metals, respectively. The precision of the methods were within 10%. The methods were also validated with widely used analytical methods such as GFAAs by analysing control materials and human samples. The analytical results from two methods were in good aggrement (p=0.9>0.05) and showed good correlations (R=0.99). Therefore, it is considered that the established ICP-MS methods showed good accuracies and precisions with high detection powers, which can be possibly used in biomonitoring project in near future. - vi -

8 목 차 요약문 ⅰ Abstract ⅴ 목차 ⅶ 표목차 ⅹ 그림목차 ⅻ Ⅰ. 서론 1 Ⅱ. 연구내용및방법 3 1. 관련자료및문헌조사 3 2. 혈액및뇨중미량금속분석을위한 ICP/MS 분석방법연구 3 Ⅲ. 결과및고찰 5 1. 관련자료및문헌조사 5 가. 조사대상물질의특성 5 나. 국내 외인체노출평가조사현황및일반인의혈액과뇨중미량금속농도 8 (1) 국내 외인체노출평가사업 (Biomonitoring) 현황 8 (2) 일반인의혈액과뇨중미량금속농도 11 다. 혈액및뇨중미량금속분석방법 13 (1) 유도플라즈마발광광도법 (ICP AES) 13 (2) 흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 13 (3) 유도결합플라즈마질량분석법 (ICP/MS) 15 - vii -

9 ( 가 ) 마이크로파분해법 - 유도결합플라즈마질량분석법 18 ( 나 ) 희석법 - 유도결합플라즈마질량분석법 19 ( 다 ) 고분해능유도결합플라즈마질량분석법 희석법 - 유도결합플라즈마질량분석방법연구 21 가. 혈액시료분석방법 21 (1) 시료의전처리및검정곡선의작성 21 (2) 정확도및정밀도 23 (3) 검출한계및정량한계 26 (4) 현장시료에대한적용성검토 27 (5) 분석방법간비교 28 ( 가 ) 혈중납에대한분석방법별유의성검증 29 ( 나 ) 혈중카드뮴에대한분석방법별유의성검증 32 나. 뇨시료분석방법 35 (1) 시료의전처리및검정곡선의작성 35 (2) 정확도및정밀도 38 (3) 검출한계및정량한계 39 (4) 현장시료에대한적용성검토 40 (5) 분석방법간비교 41 ( 가 ) 뇨중납에대한분석방법별유의성검증 41 ( 나 ) 뇨중카드뮴에대한분석방법별유의성검증 혈액및뇨중희석법 -ICP/MS 분석방법 ( 안 ) QA/QC 허용범위 45 Ⅳ. 결론 51 - viii -

10 Ⅴ. 참고문헌 54 부록 희석법 -ICP/MS 를이용한생체시료중미량금속분석방법 ( 안 ) 57 - ix -

11 표목차 표 1. 납, 카드뮴, 망간의유입 배출경로및위해성 6 표 2. 코발트, 셀레늄, 니켈의유입 배출경로및위해성 7 표 3. 국내외인체노출평가 (biomonitoring) 사업현황 10 표 4. 국내 외일반국민의혈액및뇨중미량금속농도 12 표 5. 흑연로원자흡광광도법의전처리및검정곡선의작성 14 표 6. 흑연로원자흡광광도계의기기분석조건 14 표 7. 흑연로원자흡광광도계의온도설정조건 15 표 8. ICP/MS 분석방법의항목별동중원소간섭원 16 표 9. 혈액에대한희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선작성 22 표 10. 혈액에대한희석법-ICP/MS 분석방법의기기분석조건 23 표 11. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법 : 검정곡선의교정계수 24 표 12. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 25 표 13. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의방법검출한계및정량한계 27 표 14. 현장시료에대한혈액-희석법-ICP/MS 분석결과 28 표 15. 혈액표준물질에대한납의분석방법간비교결과 29 표 16. 혈액표준물질에대한납의분석방법간분산분석결과 30 표 17. 혈중납에대한분석방법간상관관계분석결과 31 표 18. 현장시료에대한분석방법별혈중납분석결과 31 표 19. 혈액표준물질에대한카드뮴분석결과 33 표 20. 현장시료에대한혈중카드뮴의분석방법간비교결과 34 표 21. 뇨에대한희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선작성 35 표 22. 뇨에대한희석법-ICP/MS 분석방법의기기분석조건 36 표 23. 뇨-희석법-ICP/MS 분석방법 : 검정곡선의교정계수 36 표 24. 뇨-희석법-ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 38 - x -

12 표 25. 뇨-희석법-ICP/MS 분석방법의방법검출한계및정량한계 40 표 26. 뇨시료에대한희석법-ICP/MS 분석결과 41 표 27. 뇨표준물질에대한납의분석방법간비교결과 42 표 28. 뇨표준물질에대한카드뮴의분석방법간비교결과 43 표 29. 현장시료에대한뇨중카드뮴의분석방법간비교결과 44 표 30. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의 QA/QC 허용범위 49 표 31. 뇨-희석법-ICP/MS 분석방법의 QA/QC 허용범위 50 - xi -

13 그림목차 그림 1. 충돌반응장치 (CRI) 방식의간섭원제거방법 17 그림 2. 반응셀 (DRC) 방식의간섭원제거방법 17 그림 3. 마이크로웨이브분해 - ICP/MS 분석방법의전처리방법 19 그림 4 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선 24 그림 5. 혈액표준물질에대한희석법-ICP/MS 분석방법의정확도 25 그림 6. 혈액표준물질에대한납의분석방법간정확도비교결과 29 그림 7. 현장시료에대한혈중납의분석방법간비교결과 32 그림 8. 현장시료에대한혈중카드뮴의분석방법간비교결과 34 그림 9. 뇨-희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선 37 그림 10. 뇨표준물질에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 39 그림 11. 뇨표준물질에대한납의분석방법간정확도비교결과 42 그림 12. 현장시료에대한뇨중카드뮴의분석방법간비교결과 44 - xii -

14 Ⅰ. 서론 산업의고도화와다양한인간활동으로인하여미량유해금속, POPs 물질과같은다양한유해화학물질의방출이증가하고있다. 특히미량유해금속은쉽게분해되지않기때문에환경내에오랫동안잔류하다가대기나음식물을통해체내로흡입, 섭취되어면역기능의저하, 생리기능장애등인체에유해한영향을미친다. 1) 인체가미량금속에노출되는경로는다양하며, 개인마다흡수및대사, 노출기간등이매우달라식품및환경시료에의한노출량조사만으로생체노출량을정확히알아낸다는것은불가능하다. 따라서인체의중금속노출평가를위해서는생물학적지표를이용하여보다정확한노출정도를예측하고위 험도를평가하는것이바람직하다. 2) 생물학적지표는유해물질의영향을직접 받는표적장기나그와연관성이좋은매개물질이대상이되는데주로사용되는시료가혈액, 뇨, 모발등이다. 이러한생물학적지표를이용하여인체내함유된유해물질의노출량을조사하고, 유해물질이인간에미치는영향및건강위험도를평가하며예방수단을강구하기위하여많은국가에서생물학적모니터링 (Biomonitoring) 사업을수행하고있다. 미국과 EU에서는국가인체노출평가조사 (National human exposure assessment survey, NHEXAS) 와유럽인체모니터링 (European human biomonitoring, EHB) 과같은모니터링사업을통해오래전부터일반인에대한유해물질노출량을조사하고, 예방차원의조치를취하고있다. 국 내외에서생체시료에대한미량금속분석방법으로흑연로원자흡광광분석기 (Graphite furnace atomic absorption spectrometry, GFAAS) 를이용한분석방법이오랜기간동안사용되어왔으나높은검출한계와긴분석시간, 낮은재현성, 조작의어려움등으로인해모니터링분석방법으로사용하기에는 - 1 -

15 부분적인제한점이있다. 따라서흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 의대안으로낮은검출한계와다항목동시분석이가능한유도결합플라즈마질량분석기 (Inductively coupled plasma/mass spectrometry, ICP/MS) 의사용이증가하고있다. 최근들어, ICP/MS를이용한혈액 3)4) 및뇨 5)6)7) 분석방법에대한많은연구가수행되고있으며, 2000년이후미국과유럽에서는모니터링분석방법으로 ICP/MS 분석방법을채택하여 GFAAS 분석방법과함께운영하고있다. 우리나라의경우혈액및뇨에대한중금속분석방법에대한연구는많이이루어지지않았으며, 산업체근로자, 산단지역거주자등과같이소규모집단을대상으로하는인체노출량조사가실시되어왔다. 일반인을대상으로하는대규모의노출량조사사업은 2005년 국민혈중의중금속농도조사연구 를시작으로일반인에대한생체모니터링사업을수행하고있으나, 중금속에대해서는납, 카드뮴, 망간, 수은, 비소에대해서만조사가이루어지고있고, 분석방법도 GFAAS나수은분석기를이용하는흡광광도법만을인정하고있다. 그러나인체내함유된유해물질의노출량, 인간에미치는영향및건강위험도를평가하고예방수단을강구하기위해서조사대상항목및대상자의수등모니터링사업의규모가확대되어야한다. 따라서본연구는검출한계가낮으며, 여러항목을동시에분석할수있는 ICP/MS를이용한분석방법 ( 안 ) 을마련하고미량금속생체노출평가조사사업에자료를제시하고자수행되었다

16 Ⅱ. 연구내용및방법 혈액및뇨에대한미량금속분석은특정작업장등산업보건분야에서오래전부터 GFAAS를이용하여카드뮴, 납, 수은등의특정항목에대한조사가이루어져왔다. 그러나최근들어오염에노출되지않은일반국민의건강상태를파악하고예방대책을강구하기위한생체모니터링사업이수행됨에따라조사대상자의수와항목이크게증가하고있다. 이에따라보다많은항목을빠른시간내에낮은농도까지분석할수있는분석방법이요구되고있다. 본연구에서는 2000년이후선진외국에서모니터링분석방법으로도입 운영중인희석법-유도결합플라즈마질량분석법 (ICP/MS) 을검토하여국내생체모니터링분석방법으로도입하기위한선행연구로연구사업을수행하였다. 1. 관련자료및문헌조사 노동부 25)26) 와미국질병관리본부 (Centers for Disease Control, CDC) 18)22)23)24) 등의국내 외문헌자료에서납, 카드뮴, 셀레늄등조사대상 항목의특성, 인체유입 배출경로및인체위해성에대한자료를수집하였다. 또한미국의인체노출평가조사 (NHEXAS) 4), 국민생체시료중유해물질노출조사 15) 등에서국내 외인체모니터링사업현황과관련분석방법 2)5)6)20)21) 등에대한자료를조사 정리하였다. 2. 혈액및뇨중미량금속분석을위한 ICP/MS 분석방법의연구흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 분석방법의검출한계, 처리속도등의문제점을개선하기위하여희석법-ICP/MS을이용해시료의전처리방법및기기조건, 정확도, 재현성, 검출한계, 정량한계등을확인하였다. ICP/MS 분석방법으로실제생체시료에대한적용성을검토하였으며, ICP/MS 분석방법과 - 3 -

17 GFAAS 분석방법과의측정값편차정도를파악하기위하여동일시료에대한 비교분석을수행하였다

18 Ⅲ. 결과및고찰 1. 관련자료및문헌조사 가. 조사대상물질의특성환경에존재하는납, 카드뮴과같은중금속성분은화산폭발, 산불, 풍화와같은자연적인오염에의해서대기, 수질, 토양등에배출되어잔류하게된다. 그러나현대사회의급속한산업화에따라금속에대한요구, 에너지소비등이기하급수적으로증가하면서제련, 화력발전등인위적인오염원으로인해환경내부하가크게증가하고있다. 한번환경내로방출된중금속은분해가되지않아다양한형태로생태계에존재하다대기, 음식물, 식수등을통해인체내로유입되어다양한질병을유발할수있다. 대부분의경우중금속인체유입경로는호흡기, 경구, 피부를통해서이루어지며, 체내유입정도는흡수율에따라다르게나타날수있다. 중금속이인체에유입되는가장주요한경로는호흡기를통해서이다. 일반인은주로대기를통해중금속에노출되나, 고농도노출군의경우작업장내흄 (Fume) 또는분진에의해서노출된다. 음식물등경구를통한유입은장내흡수율이비교적낮기때문에유입된중금속중많은양이체내에잔류하지않고대변이나뇨로배출된다. 그러나호흡기를통해유입된중금속은폐포내적혈구와결합하여체내로흡수되기때문에경구를통한흡수보다훨씬많은양이체내로유입된다. 따라서많은국가에서작업장에대한허용기준을설정하여관리하고있다. 미량금속은인체의영향정도에따라납, 카드뮴과같이독성을나타내는독성중금속 (Toxic element) 과셀레늄, 코발트와같이생리활성에영향을미치는필수중금속 (Essential trace element) 으로나눌수있다. 본연구에서수행한납, 카드뮴, 셀레늄등조사대상물질의노출원, 위해성, 관리기준등은표 1, 2와같다

19 표 1. 납, 카드뮴, 망간의유입 배출경로및위해성 노출원 유입및 배출경로 납 (Pb) 카드뮴 (Cd) 망간 (Mn) 납광석채굴, 납제련, 카드뮴합금, 코팅, 제련, 망간광석채굴, 아연 납땜, 용접, 유리착색, 페인트, 도자기제조 정련과정 담배한개비 : 1~2 μg 제련, 약품제조시노출 음식물, 음용수 ( 이중 10% 체내에흡수 ) 유입경로 : 호흡기 (30~85 유입경로 : 대부분호흡기, 유입경로 : 호흡기노출이 %), 소화기 (10~15 %) 입자크기, 용해도, 호흡 체내철분부족시흡수량 체내철분부족시, 간장 량에따라흡수정도다름 배출경로 : 소변, 대변, 땀 배출경로 : 소변, 대변등 이나젖, 체모, 상피세포 소화기 (5~8 %) 증가 생물학적반감기 :16~38 년 소화기노출의 2.5 배 질환시흡수량이증가 장내흡수율 : 3~5% 배출경로 : 대변 (90%) 급성중독 : 신장계이상 급성중독 : 구토, 복통의 급성중독 : 식욕감퇴, 철 및복통, 경련, 구토, 메스 꺼움등의증상침, 두통, 폐손상의증상위해성 만성중독 : 빈혈, 권태감, 만성중독 : 만성호흡기질 만성중독 : 파킨슨씨유사 기준 체중감소, 근육통, 떨림, 신근마비, 환각이나흥분 등신경장애의증상 국내산업안전노출기준 - TWA :0.05 mg/m 3 - 산업안전보건법의특수 건강진단제도 노출기준 : 혈중납 40 μg / dl, : 요중납 150 μg /g 생물학적 국외작업환경노출기준 - 미국 ACGIH-TWA : 0.05 mg/m 3 - ACGIH-BEI : 혈액 30 μg /dl, : 뇨 150 μg /g 미만 증상이빠르게나타남. 기 환, 신장염, 뼈의연화, 심 혈관계장애의증상 국내산업안전노출기준 - TWA :0.05 mg/m 3 - 산업안전보건법의특수 건강진단제도 노출기준 생물학적 : 혈중카드뮴 5 μg /L, : 요중카드뮴 5 μg /g 국외작업환경노출기준 - 미국 ACGIH-TWA : 0.01 mg/m 3 - ACGIH-BEI : 혈액 5 μg /L, : 뇨 5 μg /g 미만 흡수장애, 폐기능저하 병 ( 수면장애, 집중력부족, 근육경련, 말초신경마비, 언어장애, 자세이상등 ) 국내산업안전노출기준 -TWA :5.0 mg/m 3 ( 분진 ) -TWA :1.0 mg/m 3 ( 흄 ) 국외작업환경노출기준 - 미국 ACGIH-TWA : 0.01 mg/m 3 - 독일 TWA: 0.5 mg/m 3 - 영국 TWA: 0.5 mg/m 3 - 프랑스 TWA:0.2 mg/m 3 국내노출기준과큰차 이를보이고있음주 1) TWA : Time weighted average, 1 일작업시간동안의시간가중평균노출기준 주 2) ACGIH : American conference of government industrial hygienists 주 3) BEI : Biological exposure indicator - 6 -

20 표 2. 코발트, 셀레늄, 니켈의유입 배출경로및위해성 코발트 (Co) 셀레늄 (Se) 니켈 (Ni) 노출원유입및배출경로위해성 합금공정, 유리 및 세라 반도체공정, 광전지나약품 동전이, 철화합물, 보석 믹 공장, 도자기, 자석 제조, 고무경화제, 안료제조 등과 같은 니켈 도금물 제조 음식물, 음용수 음식물, 음용수 질, 비누, 기름, 담배연기 음식물, 음용수 유입경로 : 대부분음식물 유입경로 : 음식물 ( 일반적 ), 유입경로 : 음식물 (5% 만 호흡기 ( 작업장 ) 호흡기 ( 작업장 ) 흡수 ), 흡연시니켈카르 * 흡수율은비타민B 12 의합 * 항산화. 항암 효과로 인해 보닐형태로흡입 성과 분해에 의해 크게 영양보충제로 섭취로 인한 화학적형태에따라흡수 좌우됨 과다복용문제유발 정도다름 성인몸에약 12mg정도존재 배출경로 : 주로소변, 소 배출경로 : 소변 60%( 주로 24 배출경로 : 소변 ( 체내 ), 대 량은담즙으로배출 시간안에배출 ), 섭취가많을 변 ( 흡수되지 않은 니켈 ), 시호흡으로도배설됨 땀, 젖, 체모, 상피세포 급성중독 : 메스꺼움, 구토 급성중독 : 재채기, 기침, 충 급성중독 : 두통, 현기증, 증상 혈, 어지러움, 두통, 호흡곤 구토, 불면증, 과민성, 호 란, 피부발진증상 흡곤란, 청색증증상 만성중독 : 출혈성 심근 만성중독 : 복통, 신경통, 저 만성중독 : 만성기관지 증, 사지마비, 청각장애, 색소성빈혈증, 머리카락및 염, 폐기종, 폐활량감소 다혈구증, 폐섬유증등 치아빠짐, 손톱발톱변화 등호흡기질환증상 기준 국내산업안전노출기준 -TWA:.0.05mg/m 3 ( 흄, 분진 ) 국외작업환경노출기준 -미국ACGIH TLV-TWA : 0.02mg/m 3 ( 금속흄, 분진 ) : 0.1mg/m 3 ( 코발트카르보닐 ) -일본, 스웨덴 TWA : 0.05 mg/m 3 - 캐나다, 호주 TWA : 0.02mg/m 3 ( 금속흄, 분진 ) 국내산업안전노출기준 국내산업안전노출기준 - TWA : 0.2 mg/m 3 -TWA : 1.0mg/m 3 ( 금속니켈 ) -TWA : 0.1 mg/m 3 * 대부분경구에의한노출이 ( 수용성무기화합물 ) 기때문에작업장노출기 국외작업환경노출기준준을정한나라는많지않음 - 미국 ACGIH-TWA : 1.5 mg/m 3 ( 금속니켈 ), : 0.1mg/m 3 ( 수용성무기화합물 ) - 독일TWA : 0.5 mg/m 3 ( 금속, 수용성니켈화합물 ) - 7 -

21 나. 국내 외인체노출평가사업현황및일반인의혈액과뇨중미량 금속농도 (1) 국내 외인체노출평가사업 (Biomonitoring) 현황 생체지표를이용한국가인체노출평가사업은많은국가에서이미이루어지고있다.( 표 3) 미국의경우주요질병의유병율과위험요인및건강지표들의국가적분포를파악하기위하여질병통제관리본부 (CDC) 에서는 1971년부터 1994년까지 3단계에걸쳐국민의식이조사, 임상적검진, 설문조사를실시하였다. 그리고생체시료 (blood, urine, serum) 중미량금속, 잔류농약, PAH 등 100여개항목을분석하는국민건강영향조사 (National human and nutrition examination survey, NHANES,) 8) 사업을수행하여 99 년부터 환경화학물질노 출에대한국가보고서 를작성하여제공하고있다. 또한 1995년부터 EPA 주관으로질병관리본부내국립환경보건원 (National institute of environmental health, NIEHS) 과국립환경보건센터 (National center for environmental health, NCEH) 에서공동으로섭취내역이나일일생활사, 인구사회통계에대한설문을실시하고, 생체시료 ( 혈액, 뇨, 모발 ) 중중금속및농약류등 120개항목을분석하여, 지역사회및지역적수준에서다양한화학물질로부터초래되는건강위해성및복합화학물질에대한노출을종합적으로평가하고역학조사에사용할수있는노출평가모델을마련하기위하여국가인체노출평가조사 (NHEXAS) 사업을수행하고있다. 국가인체노출평가조사사업의 1단계사업은연구기획및세부진행계획에대한평가이고, 2단계사업은일반국민의유해물질노출수준 (Reference value) 을알아보기위해비노출군 2,200명을대상으로조사하였으며, 3단계는심화연구로유해물질에높은농도로노출되어있는집단이나민감집단등을선정하여노출원및노출경로를파악하는연구로진행되고있다

22 유럽의경우유럽위원회 (EU) 에의해유럽의환경보건전략의보건영역을환경정책에중심을두고통합하는방법을제안한 2004년 환경과보건실행계획 (The european environment and health action plan ) 에따라당사국간의밀접한협력을통한인체모니터링사업을수행하고있다. 9) 이사업의목적은환경오염수준과건강영향의상관관계규명을위하여오염수준과분포, 노출요인의시공간적특성, 유전적감수성및잠재적관계에초점을맞춘생물지표 (bio-marker) 를사용하여사람의활동을모니터링하는방법을사용한다. 독일의경우는 1985년부터일반국민을대상으로영양조사와연계하여환경 조사 10) (German environmental survey, GerES,) 를실시하고있으며, 사업의 목적은전체국민또는가장문제가되는민간집단의생체내오염물질의노출수준을파악하고, 이결과를토대로오염물질의노출경로및노출원을파악하여차단하기위해서이다. 사업수행은 1단계 ( 85-86년) 는일반성인 2,731 명, 2단계 ( 90-92) 는일반성인 4,287명과어린이 812명, 3단계 ( 98년) 는일반성인 4,822명, 4단계 ( 03) 는일반성인및어린이를대상으로혈액, 모발, 소변을분석하고, 개인의실내환경및지역사회등을조사하였다. 조사된결과는 DB로구축되어국가평균오염값 (Reference value) 도출및각각의환경매질이신체부하율에미치는기여율평가와노출평가모델의개발에이용된다. 포루투칼은 ProVEpAs라는사업을통해고형쓰레기소각장배출물에의한생체폭로유형을조사하기위하여대상인원을신생아, 산모, 어린이, 성인으로나누어모니터링을실시하고이와동시에중금속, 다이옥신및그유사물질등을조사하고있다. 덴마크는 ChildrenGeno Network는사업을통해태아, 신생아를대상으로유전자독성물질, 환경오염물질, 담배등과유전자와의상호작용을파악하기위하여세포유전학적생체지표를조사하고있다

23 표 3. 국내외인체노출평가 (biomonitoring) 사업현황 국가사업명내용 미국 NHANES NHEXAS CDC 주관의국민건강영향조사로나이, 성별, 인종등설문조사외환경화학물질노출량조사, 중금속등 148 개항목 EPA 주관의인체노출평가조사로환경오염물질및위해물질의잠재적인체노출위해도에대한노출평가 유럽연합 EHB ESBIO 에서운영, 오염수준과분포, 노출요인의시공간적특성, 환경노출과질병과의상관성규명 독일포루투칼덴마크한국 GerES ProVEpAs ChildrenGeno Network 국민혈중의중금속농도조사연구 (2005) 국민생체시료중유해물질실태조사 ( ) 오염물질노출로인한인체부담의결정요인분석과분포를조사 고형쓰레기소각장배출물생체폭로유형과공간시간조사, 잠재적공중보건영향분석 유전자독성물질노출과공해를포함한환경요인평가를위해태아, 신생아, 유아기동안의유전자와환경상호작용연구 보건복지부의국민건강영향조사와연계, 전국 20 세이상의성인을 2,000 명을대상으로혈중납, 수은, 카드뮴의농도를조사 인체내축적된오염물질의오염원과오염경로를파악하기위하여환경부단독으로매년약 2000 명의성인을대상으로납, 수은, 카드뮴, 망간및농약, VOCs 등을조사 주4) NHANES : National human and nutrition examination survey 주5) NHEXAS : National human exposure assessment survey 주6) EHB : European human biomonitoring 주7) GerES : German environmental survey

24 국내의경우산단지역또는폐광지역주민등오염우려지역주민을대상으로하는사업 11)12)13)14) 은오래전부터수행되어왔으나, 일반국민을대상으로하는모니터링사업 15)16) 은 2005년도보건복지부의국민건강영향조사와연계하여전국 20세이상의성인 2,000명을대상으로환경부에서조사한 국민혈중의중금속농도조사연구 가처음으로혈중납, 수은, 카드뮴의농도를조사하였다. 그후인체내축적된오염물질의오염원과오염경로를파악하기위하여환경부단독으로매년약 2000명의성인을대상으로납, 수은, 카드뮴, 망간및농약, VOCs 등을조사하는 국민생체시료중유해물질실태조사 사업을수행하고있으나외국의모니터링사업과비교할때조사대상자의규모및조사항목이미흡한실정이다. (2) 국내 외일반인의혈액및뇨중미량금속의농도대상매질의분석방법확립을위해우선적으로고려하여야하는점은분석대상시료의검출농도수준으로분석방법을적용할수있어야한다는점이다. 일반주민에대한생체모니터링사업에사용할분석방법을마련하기위해서일반인의혈액및뇨중미량금속의농도수준을조사하여다음의표 4에정리하였다. 혈액및뇨중납에대한산업안전생물학적노출기준은우리나라의경우각각 40 μg /dl, 150 μg /L, 미국의 ACGIH-BEI는 30 μg /dl, 150 μg /g crea. 미만으로규정하여관리하고있다. 정상인에대한권고기준은 WHO의경우혈중납은 10 μg /dl 이하이고, 독일의인체노출평가사업은혈액및뇨에대하여 15 μg /dl, 150 μg /g 이하로규정하고있으나, 많은나라에서는이러한기준을갖고있지않다. 우리나라일반국민의혈중납농도는 2007년도조사결과 1.72 μg /dl로나타났는데이는미국의 1.56 μg /dl 보다는높은값을나타내었으나, 독일의 3.07 μg /dl보다는낮은값을보였으며, 2005년도조사결과인 2.66 μg /dl 보다낮은값을보였다

25 표 4. 국내 외일반국민의혈액및뇨중미량금속농도 ( 단위 : μg /L) 항목 시료 기준값한국미국유럽 WHO GHBM NHANES III ( 99-02) GerES III ( 98) Pb Cd Mn Se Co Ni Cr Blood < 100 < Urine ) ( 0.75 ) - Blood < Urine < 2 < ( 0.27 ) 0.8 Blood ) Urine ) Blood ) Urine ) ) Blood - - < ) Urine ) < 1.0, ) Blood ) Urine ) Blood - - < Urine - - < ) 혈액및뇨중카드뮴의생물학적노출기준은우리나라와미국모두각각 5 μg /L, 5 μg /g 이하로규정하고있다. WHO의권고기준은혈중카드뮴은비흡연자의경우 0.3 ~ 1.2 μg /L, 흡연자의경우 0.6 ~ 3.9 μg /L 이하로, 뇨중카드뮴의경우 WHO나독일의인체노출평가사업에서 2 μg /g 이하로규정하고있다. 우리나라의경우혈중카드뮴농도수준은대략 1 ~ 2 μg /dl로조

26 사되었는데, 이는미국의 0.47 μg /dl보다는 2배정도높은값을나타내지만독일과는유사한값을보였다. 그외망간, 코발트, 셀레늄, 니켈, 크롬의경우생물학적노출기준및권고기준은국내 외적으로설정되어있지않기때문에미국과독일자료등연구논문을참고로정상인의혈액및뇨중농도수준을파악하였다. 다. 혈액및뇨중미량금속분석방법 (1) 유도결합플라즈마발광광도법 (ICP AES) 유도결합플라즈마발광광도법 (ICP AES) 은과거산업보건분야에서직업적노출된사람을대상으로조사할때사용한방법으로검출한계 (1μg/dL) 가비교적높고, 전처리단계가복잡하며, 많은양의시료를필요로하기때문에지금은많이사용하지않는다. NIOSH 1) 8005 분석법은혈액및조직내미량금속을분석하기위한분석방법으로혈액및뇨시료 10 ml에내부표준물질로이트륨 (Yttrium) 을넣은후질산, 과염소산, 황산의혼합액 10 ml을넣고 110 에서 2시간가열, 분해한후열판의온도를올려 250 로하여시료의양이 1 ml가되도록농축한다음 ICP로정량한다. 정량을위한검정곡선은절대검정곡선법 (External standard method) 이나내부표준법 (Internal standard method) 으로작성한다. (2) 흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 는현재산업보건분야및생체모니터링분석방법으로국내 외에서가장많이사용되는방법으로우리나라뿐만아니라미국질병관리본부와독일, EU에서채택하고있는시험방법이다. GFAAS 분석방법은시료를희석액으로희석한후시료자동주입기를사용 1) NIOSH(National institute for occupational safety and health) : 미국의국립직업안전건강연구소

27 하여희석한시료약 20 ul를 GFAAS에장착된흑연관에주입한후흑연로의온도를변화시켜시료를건조하고, 유기물을회화시켜제거한후대상물질을원자화시켜흡광도를측정하는방법이다. 시료의희석에사용하는희석액의조성및시료의희석배수는연구자와분석항목에따라다소차이가있으나표 5와같이 0.2% triton X-100을사용하여시료를 10-20배희석한후분석하며, 정량을위한검정곡선은매질의차이를보완하기위하여표준물첨가법 (Standard addition method) 으로작성한다. GFAAS의분석기기조건은표 6, 7과같다. CDC 분석방법에기술된 GFAAS 분석방법의항목별검출한계는혈액의경우납 0.3 μg /dl, 카드뮴 0.3 μg /L이고, 뇨의경우크롬과니켈은 0.3 μg /L, 1.5 μg /L이다. 17) 표 5. 흑연로원자흡광광도법 (GFAAS) 의전처리및검정곡선의작성 검정곡선 전처리 구분 Blank Add 1 Add 2 Add 3 Add 4 Add 0 시료 희석액 (ul) 표준용액 (ul) 표준시료 (ul) 시료 (ul) 희석액 : Triton X-100 2ml, (NH 4 ) 2 2g --> DW로 1000 ml - 표준용액 : Pb(10 μg /dl), Cd(20 μg /L), Mn(10 μg /L) - 표준시료 : Biorad -1 를희석액으로 10 배희석 - 시료 : 전혈시료를희석액으로 10 배희석 표 6. 흑연로원자흡광광도계의기기분석조건 구 분 Pb Cd Mn 측정파장 (nm) 측정방식 피크면적 피크면적 피크면적 램프에너지 10 ma 4 ma 20mA 슬릿폭

28 표 7. 흑연로원자흡광광도계온도설정조건 항목진행단계설정온도 ( ) 승온시간 (sec) 유지시간 (sec) Pb Cd Mn 건조 회화 원자화 세척 건조 회화 원자화 세척 건조 회화 원자화 세척 (3) 유도결합플라즈마질량분석법 (ICP/MS) 유도결합플라즈마질량분석법 (ICP/MS) 은혈액및뇨시료를전처리 ( 산분해, 또는희석 ) 한후 ICP/MS에도입하여유도플라즈마에의해이온화된조사대상물질의이온을질량분리기 (Quadro poll, magnetic sector) 를이용하여분리한후검출기로정량하는방법이다. 이는 GFAAS를사용한분석방법보다검출한계가낮고, 동시에여러항목을측정할수있어분석시간이빠르다는장점을가진다. 그러나혈액과뇨와같은생체시료에존재하는다량의공존원소 (Ca, Cl, P, Na, K, C, S) 와매질에존재하는산소, 질소및플라즈마생성에사용되는알곤이온에의한동중간섭 (Isobaric interference) 및매질차이에서오는간섭이크게나타날수있다 18). 매질에따른간섭은내부표준법, 표준물첨가법, 동위원소희석법으로사용하여보정할수있으나, 동중간섭은측정원소와거의같은질량을갖는원자이온및분자이온에의한것이기때문에검량곡선의선택만으로는해결할수

29 없다. 동중원소에의한간섭은간섭이없는다른동위원소를선택하거나소수자리까지질량을구분할수있는고분해능유도플라즈마질량분석기 (Sector field inductively coupled plasma/mass spectrometry, SF-ICP/MS) 를사용하여피할수있으며, 그렇지못할경우시료를전처리하여간섭원을제거하거나, hydride 생성법등특수한시료주입장치를사용하여측정원소와공존원소를분리하여야한다. 이외에간섭원제거장치인충돌반응장치 (Collision reaction interface, CRI) 나반응셀 (Dynamic reaction cell, DRC) 이있는분석장비를사용하여간섭원을제거할수있다. 표 8. ICP/MS 분석방법의항목별동중원소간섭원 항목 m/z 존재비 (%) 간섭원항목 m/z 존재비 (%) 간섭원 Cr Ti, V, SO ArC, ArO, ClOH, 36 S 16 O, ClO Ge, 40 Ar 34 S, 37 Cl 2, Ge, 40 Ar 36 Ar, ClO, 40 Ar 13 C Ar 37 Cl, Se Fe, ArN, 37 ClOH Kr, 40 Ar 38 Ar, Mn ArNH, 39 K 16 O, ClO Kr, 40 Ar 2, Ar Ca Fe, 40 Ar 18 O, Kr, 34 S 16 O 3 Ni CaO, C 16 O Pd, ZrO ScO Pd, ZrO, MoO CaO, Na 16 2 O, Pd, ZrO, MoO Zn, S 2, ArC2, TiO, CaO, Na 16 2 O ZrO, MoO Cd Sn, ZrO, MnO In, MoO Co CaO Sn, MoO Sn, MoO

30 그림 2. 충돌반응장치 (CRI) 의간섭원제거방법 그림 3. 반응셀 (DRC) 방식의간섭원제거방법

31 간섭원제거장치중충돌반응장치 (CRI) 는수소, 헬륨과같은반응성이낮은기체를다중극자로이루어진셀에주입하여생성된다원자이온들과충돌시켜간섭원을제거하는방식이며, 반응셀 (DRC) 은암모니아, 메탄, 산소와같은반응성이큰기체를사중극자가들어있는셀내에주입하여방해성분을중성의화학종또는분석질량과겹치지않는화학종으로변환시켜간섭원을제거하는방법이다. ( 가 ) 마이크로파분해-유도결합플라즈마질량분석법 (Microwave digestion-icp/ms) 마이크로파분해-유도결합플라즈마질량분석법 (Microwave digestion-icp/ms) 은시료에존재하는유기물의탄소와알곤플라즈마에의해생성되는알곤탄소 (ArC) 의간섭을제거하기위하여혈액및뇨시료에질산을넣고마이크로웨이브를사용하여고온, 고압을가해시료중에존재하는유기물질을제거한후 ICP/MS로시료의농도를측정하는방법으로, 시료와표준용액에동일하게넣어준내부표준물질 (Internal standard) 과분석대상항목의반응비로시료의 농도를구한다. 검정곡선은외부검량선법 (External calibration method) 19) 이나 표준물첨가법 (Standard addition method) 으로작성한다. 마이크로파분해-유도플라즈마질량분석법은마이크로파를이용해유기물을제거하여간섭원이적고균질화된시료를분석기기에주입할수있다는장점이있다. 그러나마이크로파를이용하여시료를분해후시료의산농도가높아분석기기에영향을미칠수있기때문에열판에서과잉의산을휘산시켜제거하는과정이요구된다. 이과정에서많은시간소요 ( 약 2-3시간 ) 와교차오염의문제를유발할수있다. 따라서시료의요구량이비교적많고, 전처리단계의복잡성에의한시간소요및교차오염의문제등으로인해다량의시료를분석해야하는생체모니터링분석방법으로적용하는데는제약이있다

32 그림 3. 마이크로웨이브분해 - ICP/MS 분석방법의전처리방법 ( 나 ) 희석법-유도결합플라즈마질량분석법 (Dilution-ICP/MS) 희석법-유도결합플라즈마질량분석법 (Dilution-ICP/MS) 은미국, EU 등많은국가에서혈액및뇨에대한미량금속생체모니터링분석방법으로채택하고있는분석방법으로 20)21) 소량의시료를희석액으로희석한후 ICP/MS에직접주입하여분석한다. 사용하는희석액의조성과희석배수는연구자마다다르나희석액은혈액의경우시료내적혈구를파괴시켜분석대상물질을용출시키기위해소량의 triton X-100 ( 0.05 ~ 0.1%) 을주로사용하며, 용출된분석대상물질의안정화를위해서소량의질산 (0.1%~0.5%) 을넣어주거나, 시료와표준용액의유기물함량비율을보정하기위하여 1% Butanol 이나 1% TMAH (Tetramethyl ammonia hydroxide) 를소량넣어주기도한다. 뇨의경우 1% 질

33 산용액을주로희석액으로사용한다. 특별히시료를분해하는전처리방법을사용하지않기때문에매질에따른물리적인간섭이매우크다. 이러한이유로표준물첨가법으로검정곡선을작성하여보정하며, 화학적간섭 ( 동중원소에의한간섭 ) 은간섭이온제거장치 (CRI, DRC) 를사용하여제거한다. 시료의정량은표준용액및시료에동일농도로표지한내부표준물질과의반응비로구한다. 이방법은희석이외에는특별한전처리를하지않기때문에검정곡선작성에사용하는기준시료 (pooled whool blood, base urine) 는분석시료와동일하거나, 특성이유사한시료를사용하여야한다. 기준시료는여러개의용기에소량씩분주하여냉동보관하며분석할때마다이를사용하여검정곡선을작성하는것이좋다. 기준시료를바꿀경우분석시료와의동일성을확인하여야한다. 기준시료의조건은미국 CDC의경우납은 20 μg /L, 카드뮴 0.5 μg /L 이하의혈액으로, base Urine는납 0.75 μg /L, 카드뮴과코발트는 0.25 μg /L 이하의뇨로규정하고있다. 미국 CDC에서제시한희석법-유도결합플라즈마질량분석법의검출한계는혈액의경우납 0.25 μg /L, 카드뮴 μg /L로기존의 GFAAS의분석방법에제시된납과카드뮴의검출한계 3 μg /L, 0.3 μg /L 보다훨씬낮은값을제시하고있다. 이는일반인의혈중카드뮴의농도가 1 μg /L 내 외인점을고려할때낮은농도의일반인을대상으로하는모니터링분석방법으로더유용하게사용될수있다. 뇨의경우희석법-유도결합플라즈마질량분석법의검출한계는납 0.22 μg /L, 카드뮴 0.09 μg /L, 망간 0.24 μg /L, 코발트 0.10 μg /L을제시하고있다. ( 다 ) 고분해능유도플라즈마질량분석법 (SF-ICP/MS) 고분해능유도플라즈마질량분석법 (SF-ICP/MS) 은시료및시약에서오는다양한간섭 (spectral and non-spectral interference) 의방해요인을제거하기위해서고분해능유도플라즈마질량분석기를이용하여혈액및뇨를분석하는

34 방법으로분해능이높아동종간섭의영향을받지않아이온선택성은좋으나고비용및조작의어려움, 청정환경의요구 (1,000 class의 clean room 요구 ) 등의제약으로인해모니터링분석방법으로는거의사용되지않고주로연구용이나매질표준시료 (control material), 인증표준물질 (Certified reference material, CRM) 등의인증값분석에주로이용된다. 분석방법은소량의시료를취해산을넣어마이크로웨이브로분해하거나, 고압회화법 (high-pressure ashing) 등의전처리후시료를 10 ~ 30배정도희석하고 SF-ICP/MS의낮은기기검출한계를이용하여시료를정량한다. 2. 희석법-유도결합플라즈마질량분석방법연구미국 CDC의시험절차지침 (laboratory procedure manual), 독일의 Essential biomonitoring method, 국내의과학연구소등국내 외문헌자료를검토하고, 희석후침전물의생성유무, 분석기기도입시분무상태등을고려하여희석방법및희석배수와같은전처리방법을설정하였다. 또한매질표준물질을사용하여정확도및재현성을확인하였으며, 분석기기 (PerkinElemer DRC II) 의분석조건을확립하였다. 실험에사용된매질표준물 질은혈액의경우 Seronorm R trace elements whole blood control level 1 ~ 3 (Sero AS, billingstad, norway) 과 Lyphochek R quantitative whole blood 1 ~ 3 (Bio-Rad laboratories, irvine, CA, USA) 이었고, 뇨는 Seronorm R trace elements urine, urine blank (Sero AS, billingstad, norway) 와 Lyphochek R quantitative urine 1( Bio-Rad laboratories, irvine, CA, USA) 을사용하였다. 가. 혈액시료분석방법 (1) 시료의전처리및검정곡선의작성 시료의전처리방법확립을위해희석배수및희석액의조성, 분석기기의

35 조건등에대한정확도및정밀도실험을통해시료를 30 배희석하여분석하 는방법을선택하였다. 혈액시료및혈액표준물질 (blood control material) 의희석에사용할희석 액은산으로세척한 1L 용량플라스크에 3 차증류수 500 ml 를넣고 triton X-100 (Sigma-aldrich, seelze, germany) 0.5 ml 와고순도질산용액 1 ml 를 넣은후내부표준물질로로듐 (Rhodium) 을최종농도가 5 μg /L 가되도록표지 하여전량이 1L 가되도록표선을맞추었다. 검정곡선작성을위해 1000 mg/l 다원소표준용액 (Multi-element stock solution) 을 0.1% 질산용액으로단계희석하여 1, 3, 6, 9, 30, 60, 90, 300, 600 μg /L 가되도록 9 개의표준용액을조제하였다. 검정곡선작성을위해 Sero whole blood 1 을기준혈액 (pooled whole blood) 으로사용하였고, 시료및표 준용액의희석방법, 분석기기의조건은표 9, 10 과같다. 검정곡선은내부표준 물질과분석대상물질의감응비를구하여표준물첨가법으로작성한후외부검 정곡선법으로전환시켰다. 정량에사용된이온질량은자연계존재비가가장큰질량을선택하였으 며, 분석항목별정량이온의질량은납은 208, 카드뮴 114,, 코발트 59, 망간 55, 셀레늄 80 이었고, 니켈의경우혈액에많이존재하는철 (Fe) 이온의간섭 을배제하기위하여 60 을선택하였다. 표 9. 혈액에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선작성 ( ml ) 구분 검정곡선 Blank Add 0 Add 1 Add 2 Add n 시료 희석액 표준용액 표준용액 표준용액 n % 질산 증류수 기준혈액 시 료

36 표 10. 혈액에대한희석법-ICP/MS 분석방법의기기분석조건 구 분 설정조건 Nebulizer gas flow rate 1.1 L/min Auxiliary Gas Flow 1.2 L/min Plasma Gas Flow 20 L/min Ion Lens voltage Auto lens ( 6 voltage ) RF power 1.5 KW DRC mode Se methane gas : 1.5 ml/min,rpq : 0.8 Standard mode Pb, Cd, Mn, Ni, Co RPq : 0.25 그림 4와같이납, 카드뮴, 망간, 코발트는 1 ~ 90 μg /L, 니켈, 셀레늄은 9 ~ 600 μg /L 범위에서조사대상항목모두검정곡선의결정계수 (Determonation coefficient), r 2 이 이상의좋은직선성을나타내었다. 또한표 11과같이표준물질의농도와기기감도간의평균비인검정곡선의교정계수 (Calibration factor, CF) 의상대표준편차 (Relative standard deviation, RSD) 는망간 25% 를제외하고 10% 이내의값을보여검정곡선사용에유효하다고알려진 15% 이내의값을보였다. 22) 검정곡선교정계수의상대표준편차가높게나타난망간에대해서는 2차년도연구에서추가로재산정할계획이다. (2) 정확도및정밀도 분석방법의정확도및정밀도를확인하기위하여혈액표준물질 (Blood control material) 2 개사 6 종에대해시료와동일한방법으로전처리및측정 하여인증값에대한회수율과허용범위로정확도를평가하였으며, 정밀도는 동일시료를 4 회측정하여그표준편차를농도로나눈상대표준편차 (RSD%) 로 구하였다

37 표 11. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법 : 검정곡선의교정계수 표준용액 ( μg /L) Pb Cd Mn Se Ni Co 1 4.0E-3 1.8E-3 2.7E-3 3.7E E-3 1.8E-3 2.4E-3 4.1E E-3 1.8E-3 3.0E-3 3.6E E-3 1.7E-3 3.2E-3 7.6E-4 3.8E E-3 1.7E-3 4.4E-3 1.6E-4 8.9E-4 3.8E E-3 1.6E-3 4.3E-3 1.3E-4 8.8E-4 3.8E E-3 1.7E-3 4.4E-3 1.5E-4 8.6E-4 3.9E E-3 1.7E-3 4.7E-3 1.6E-4 9.1E-4 4.1E E-3 1.7E-3 4.7E-3 1.6E-4 4.0E-3 Mean 3.6E-3 1.7E-3 3.7E-3 1.5E-4 8.6E-4 3.9E-3 SD 2.0E-4 4.6E-5 9.1E-4 1.2E-5 5.9E-5 1.6E-4 RSD 그림 5. 혈액 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선

38 Seronorm사혈액표준물질에대한항목별정확도와정밀도는표 12와그림 5와같다. 납및카드뮴등조사대상항목모두정확도는표준물질의허용범위내에서측정되었으며, 정밀도역시니켈을제외하고 5% 이하의우수한재현성을보였다. 표 12. 혈액 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 항목 혈액표준물질 인증값 농도 ( μg /L ) 측정값 정확도 (%) 정밀도 (%) Pb Seronorm WB ± ± Cd Seronorm WB ± ± Mn Seronorm WB ± ± Co Seronorm WB ± ± Ni Seronorm WB ± ± Se Seronorm WB ± ± 그림 6. 혈액표준물질에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도

39 정확도실험에사용한 3~5 종의혈액표준물질의분석결과셀레늄을제외하 고모든항목에서정확도허용범위인 % 를만족하였다. 셀레늄항목의 경우제일고농도인 Sero-3 에서만허용범위를초과하였다. (3) 검출한계및정량한계검출한계를구하기위해서는정량한계부근의농도를가진시료를이용하여분석해구하여야하나, 생체시료의경우시료에함유되어있는농도로인해이조건을만족하는시료를구하기어렵다. 따라서납과카드뮴, 셀레늄은현장시료중가장낮은농도의시료로, 그외다른항목은혈액표준물질중가장낮은농도값을갖는 Sero-1 으로검출한계값을구하였다. 방법검출한계는동일시료를 7회분석하여구한표준편차에 99% 신뢰구간의 T 값인 3.14 를곱하여구하였으며, 정량한계는 10을곱하여구하였다. 납과카드뮴의방법검출한계 ( 정량한계 ) 는 1.14 μg /L (3.6 μg /L), μg /L, (0.28 μg /L) 를나타내었고, 이는 CDC의 GFAAS의방법검출한계 3 μg /L, 0.3 μg /L 보다 3배이상좋은감도를나타내었으며, ICP/MS법의 0.25 μg /L, μg /L 보다는높은값을나타내었다. 셀레늄, 코발트의방법검출한계 ( 정량한계 ) 는 5.42 μg /L (17.3 μg /L), 0.10 μg /L (0.32μg/L) 로조사되었으며, 이는일반인의함유량인셀레늄 ( μg /L), 코발트 (1 μg /L 이하 ) 를고려하여볼때충분히분석방법으로적용가능할것으로판단된다. 그러나망간, 니켈의방법검출한계는 1.53, 0.55 μg /L로나타나일반인의혈중농도값인망간 4 ~ 18 μg /L, 니켈 1.32 μg /L을고려하면검출한계값이비교적높게조사되어검출한계를낮추기위하여 2차년도연구에서추가로방법검출한계를재산정할계획이다

40 표 13. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의방법검출한계및정량한계 Pb Cd Mn Se Ni Co 평균 표준편차 검출한계 정량한계 (4) 현장시료에대한적용성검토혈액-희석법-ICP/MS 시험방법의현장시료적용성을검토하기위하여조사연구사업수행을위해확보 보관하던시료중폐기예정인혈액시료에서 10건에시료를확보하였다. 혈액-희석법-ICP/MS 분석방법의분석결과는표 12와같이납, 카드뮴의평균농도는각각 μg /L, 1.24 μg /L로 2005년도환경부조사결과 (26.6μg/L, 1.52μg /L) 나국 내외연구에서제시한직업적으로노출되지않은일반인의농도수준과비슷한값을보였다. 혈중망간은 7.27 μg /L로국민생체시료중유해물질실태조사의 11.8 μg /L 보다는낮은수준을보였으나미국국민의건강영양조사 (4 ~ 12 μg /L) 와독일환경조사 (4.8 ~ 18 μg /L) 에서제시하는일반인의농도범위내에있었다. 혈중코발트는개인간의농도차이는거의없었으며, 평균 0.25 μg /L으로조사되어외국의조사결과와유사한값을보였다. 그러나셀레늄과니켈항목은현장시료분석결과일반인의농도수준에비해비정상적으로높은측정값을나타내, 분석방법으로제시하기위해서는추가적인연구가필요하며, 2차년도에추진할계획이다

41 표 14. 현장시료에대한혈액 - 희석법 -ICP/MS 분석결과 ( 단위 : μg /L) 시료 Pb Cd Mn Co A 27.44± ± ±0.10 B 29.59± ± ± ±0.04 C 36.57± ± ± ±0.01 D 14.88± ± ± ±0.04 E 27.77± ± ± ±0.01 F 27.13± ± ± ±0.04 G 22.92± ± ± ±0.06 H 21.78± ± ± ±0.05 J 27.74± ± ± ±0.05 K 33.86± ± ± ±0.01 평균 (5) 분석방법간비교혈액-희석법-ICP/MS 분석방법을모니터링분석방법으로사용하기위해서는 GFAAS 분석방법과의측정값의편차여부등분석방법간유의성을검증하여야한다. 분석방법간의측정값의편차여부를파악하기위하여국내에서모니터링되고있으며, GFAAS 시험방법이있는혈중납과카드뮴, 뇨중카드뮴에대하서만분석방법간비교분석을하였다. 유의성검증을위해혈액표준물질과 10건의현장시료를대상으로 GFAAS, 희석법-ICP/MS, 마이크로웨이브분해-ICP/MS 분석방법으로납과카드뮴을각각분석한후, 그결과를분산분석및상관분석을통하여분석방법간의유의성을검증하였다

42 ( 가 ) 혈중납에대한분석방법별유의성검증 5종의혈액표준물질에대한납의분석방법별측정값은표 15와같으며, Sero-3에대한 GFAAS의분석값을제외하고모든분석결과가인증값범위내에서분석되었다. 분석방법간측정값의비교를위하여 5종의혈액표준물질의인증값에대한회수율로정확도를비교한결과 3가지분석방법모두제시된정확도허용범위 80 ~ 120% 를만족하고있으며, 3가지분석방법중희석법 -ICP/MS 분석방법이정확도및정밀도에서가장우수한것으로나타났다 ( 그림 6). 표 15. 혈액표준물질에대한납의분석방법간비교결과 ( μg /L) control GFAAS Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS materials 인증값 측정값 인증값 측정값 인증값 측정값 Sero-1 21±4 23.2± ± ± ± ±0.8 Sero-2 396± ± ± ± ± ±4.6 Sero-3 437± ± ± ± ± ±9.1 BioRad ± ±2.0 99± ±0.8 BioRad ± ± ± ±2.0 BioRad ± ±32 530±110 - 그림 7. 혈액표준물질에대한납의분석방법간정확도비교결과

43 각각의분석방법의분석결과를일원배치법에의한분산분석및상관성분석한결과는표 16, 17과같다. GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법간에는유의한차가없는것으로나타났으며 (p=0.97>0.05), 측정값과는유의한상관관계 (R=0.99) 를보였다. 또한희석법-ICP/MS와마이크로웨이브분해-ICP/MS (p=0.56>0.05, R=0.97), GFAAS와마이크로웨이브분해-ICP/MS (p=0.68>0.05, R=0.98) 분석값에서도유사한결과를보였으나, GFAAS 분석방법과보다유의한상관성을나타내는 ICP/MS 분석방법은희석법-ICP/MS 분석방법으로나타났다. 표 16. 혈액표준물질에대한납의분석방법간분산분석결과 분석방법 인자 관측수 합 평균 분산 GFAAS Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS 비교자료 1 vs 2 변동의요인 제곱합 자유도 제곱평균 F 비 P-값 F 기각치 처리 잔차 계 처리 vs 3 잔차 계 처리 vs 3 잔차 계 : GFAAS, 2 : Dilution-ICP/MS, 3 : Microwave-ICP/MS

44 표 17. 혈중납에대한분석방법간상관관계분석결과 구분분석방법 GFAAs Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS control material GFAAs Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS GFAAs 시료 Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS 건의현장시료에대한분석방법별분석결과는표 18과같다. 분석방법별유의성분석을위한분산분석및상관성분석결과는 GFAAS와희석법 -ICP/MS는 p=0.43>0.05, R=0.96, 희석법-ICP/MS와마이크로웨이브-ICP/MS (p=0.84>0.05, R=0.98), GFAAS와마이크로웨이브-ICP/MS는 p=0.23>0.05, R=0.93으로 control material 분석결과와유사한경향을보였다. 표 18. 현장시료에대한분석방법별혈중납분석결과 ( μg /L ) 시료명 GFAAs Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS A 23.87± ± ±0.12 B 26.73± ± ±0.02 C 33.34± ± ±1.06 D 8.36± ± ±0.01 E 23.2± ± F 24.22± ± ±0.25 G 19.69± ± ±0.16 H 17.19± ± ±0.55 I ± ±0.26 J 26.11± ± ±0.89 K 36.05± ± ±0.25 Mean

45 그림 8. 현장시료에대한혈중납의분석방법간비교결과 혈액표준물질및현장시료에대한납의측정값은 3가지분석방법모두통계적으로유의한차가나타나지않았으나, 희석법-ICP/MS 분석방법이 GFAAS 분석방법과보다유의한상관성을나타내며, 전처리과정이보다간편하여혈중납분석을위한모니터링분석방법으로사용할수있다고판단된다. ( 나 ) 혈중카드뮴에대한분석방법별유의성검증 3종의혈액표준물질에대한카드뮴의분석방법별측정값은표 19와같으며, Sero-3에대한 GFAAS의분석값을제외하고모든분석결과가정확도허용범위를만족하였으며, 희석법-ICP/MS 분석방법이정확도및정밀도에서가장우수한것으로나타났다. 혈중카드뮴에대한분석방법간상호유의성검증을위하여분석방법별분석결과를일원배치법에의한분산분석및상관성분석을실시하였다. 혈액표준물질의카드뮴에대한 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법간에는유의한차가없는것으로나타났으며 (p=0.988>0.05), 측정값간에는유의한상관관계

46 (R=0.99) 를보였다. 또한희석법-ICP/MS와마이크로웨이브-ICP/MS (p=0.69>0.05, R=1.00), GFAAS와마이크로웨이브-ICP/MS (p=0.68>0.05, R=1.00) 분석값에서도유사한결과를보였다. 혈중납의경우와같이혈중카드뮴에서도 GFAAS 분석방법과더유의한상관성을나타내는 ICP/MS 분석방법은희석법-ICP/MS 분석방법으로나타났다. 표 19. Control material 에대한혈중카드뮴의분석방법간비교결과 control materials GFAAS dilution-icp/ms Microwave-ICP/MS 인증값측정값인증값측정값인증값측정값 Sero-1 0.7± ± ± ± ± Sero-2 5.1± ± ± ± ± ±0.19 Sero-3 8.9± ± ± ± ± ± 건의현장시료에대한분석방법별측정결과는표 20과같다. 분석방법별분산분석및상관성분석결과는 GFAAS와희석법-ICP/MS는 p=0.75>0.05, R=0.97로혈액표준물질의분석결과와유사한결과를보였다. 그러나희석법 -ICP/MS와마이크로웨이브-ICP/MS (p=0.07>0.05, R=0.79), GFAAS와마이크로웨이브-ICP/MS는 p=0.08>0.05, R=0.83으로분석방법간에유의성이비교적낮게조사되었다. 그러나혈액-희석법-ICP/MS 분석방법을혈중카드뮴의모니터링시험방법으로사용하기위해서는조금더많은현장시료에대한시험방법간비교가필요하다고판단된다

47 표 20. 현장시료에대한분석방법별혈중카드뮴분석결과 ( μg /L ) 시료 GFAAs Dilution-ICP/MS Microwave-ICP/MS A ± ± ± 0.02 B ± ± ± 0.01 C ± ± ± 0.05 D ± ± ± 0.01 E ± ± ± 0.01 F ± ± ± 0.01 G ± ± ± 0.01 H ± ± ± 0.01 J ± ± ± 0.01 K ± ± ± 0.01 Mean 그림 9. 현장시료에대한혈중카드뮴의분석방법간비교결과

48 나. 뇨시료분석방법 (1) 시료의전처리및검정곡선의작성뇨및뇨표준물질의희석에사용할희석액은산으로세척한 1L 용량플라스크에 3차증류수 500 ml를넣은후고순도질산용액 10 ml을넣고내부표준용액으로로듐 (Rhodium) 을표지하여최종농도가 5μg /L 가되도록표지한후표선을맞추었다. 검정곡선작성을위해 1000 mg/l 다원소표준원액 (Multi-element stock solution) 을사용하여 1% 질산용액으로단계희석하여 1, 3, 6, 9, 30, 60, 90 μg /L 가되도록 7개의표준용액을조제하였다. 검정곡선작성을위한 Blank urine은 Sero urine blank을사용하였으며, 분석기기의조건및조제방법은아래와같다. 검정곡선은내부표준물질과분석대상물질의감응비를구하여표준물첨가법으로작성한후외부검정곡선법으로전환시켰다. 표 21. 뇨에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선작성 (ml) 검정곡선 구분 Blank Add 0 Add 1 Add 2 Add n 시료 희석액 표준용액 표준용액 표준용액 n % 질산 증류수 기준뇨 시 료

49 표 22. 뇨에대한희석법-ICP/MS 분석방법의기기분석조건 구 분 설정조건 Nebulizer gas flow rate 1.1 L/min Auxiliary Gas Flow 1.2 L/min Plasma Gas Flow 20 L/min Ion Lens voltage Auto lens ( 6 voltage ) RF power 1.5 Kw DRC mode Se,Mn methane gas : 1.5 ml/min,rpq : 0.8 Standard mode Pb, Cd, Ni, Co RPq : 0.25 정량에사용된이온질량은카드뮴을제외하고자연계존재비가가장큰 질량을선택하였으며, 분석항목별정량이온의질량은납은 208, 카드뮴 111, 코발트 59, 망간 55, 셀레늄 80 이다. 표 23. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법 : 검정곡선의교정계수 농도 항목 Pb Cd Mn Se Ni Co 1-8.0E-3 4.9E E E-3 5.2E E E-2 7.4E-3 5.3E-3-9.5E-3 3.6E E-2 7.4E-3 5.3E-3 1.1E-4 8.0E-3 3.5E E-2 7.8E-3 5.3E-3 1.0E-4 8.4E-3 3.6E E-2 7.6E-3 5.3E-3 1.2E-4 8.3E-3 3.6E E-2 7.5E-3 5.3E-3 1.1E-4 8.0E-3 3.6E-2 평균 4.1E-2 7.6E-3 5.2E-3 1.1E-4 8.4E-3 3.6E-2 표준편차 4.9E-3 2.3E-4 1.4E-4 5.2E-6 6.1E-4 9.4E-4 상대표준편차

50 그림 9와표 23과같이납, 카드뮴등조사대상항목모두 1 ~ 90 μg /L 셀레늄 (1~120μg/L) 범위에서검정곡선의결정계수 r 2 이 이상의좋은직선성을나타내었고, 표준물질의농도와기기감도간의평균비인검정곡선의교정계수 (CF) 의상대표준편차 (RSD) 는납의 11.8% 를제외하고 10% 이내의값을보였으며, 조사대상항목모두검정곡선사용에유효하다고알려진 15% 이내의값을보였다. 그림 10. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선

51 (2) 정확도및정밀도분석방법의정확도및정밀도를확인하기위하여뇨표준물질 2개사 3종에대해시료와동일한방법으로전처리및측정하여인증값에대한회수율과허용범위로정확도를평가하였으며, 정밀도는동일시료를 4회측정하여그표준편차를농도로나눈상대표준편차 (RSD %) 로구하였다. 뇨표준물질에대한항목별정확도와정밀도는표 24와그림 10과같다. 정확도는조사대상항목모두표준물질허용범위내에서측정되었으며, 정밀도는 10% 이내의좋은재현성을보였다. 그러나카드뮴의경우뇨표준물질중가장낮은농도를나타낸 Seronorm urine blank에대한정밀도 ( 상대표준편차 ) 가 16.1% 로비교적높은값을나타내었으나, 다른 2종류의뇨표준물질에대한정밀도는조사대상항목모두 10% 이내의양호한값을보였다. 표 24. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 항목 Control materials 인증값 농도 ( μg /L ) 측정값 정확도 (%) 정밀도 (%) Pb Sero Urine blank 0.75 ± ± Cd Sero Urine 4.6 ± ± Mn Sero Urine blank 1.2 ± ± Co Sero Urine blank 0.28 ± ± Ni Sero Urine blank 2.4 ± ± Se Sero Urine blank 21.7 ± ±

52 그림 11. 뇨표준물질에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도및정밀도 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의정확도는저농도, 중간농도, 고농도의값을 갖는 3 종의뇨표준물질에대해서조사대상항목모두정확도허용범위인 % 를만족하였다. (3) 검출한계및정량한계검출한계및정량한계를구하기위하여뇨표준물질중가장낮은농도값을갖는 Sero urine blank를사용하여정확도분석에사용된사용한방법과동일한방법으로희석하여 7개의시료를만든후측정하였다. 방법검출한계는동일시료를 7회분석하여구한표준편차에 99% 신뢰구간의 T value 값인 3.14를곱하여구하였으며, 정량한계는 10을곱하여구하였다. 표 25와같이납, 카드뮴, 코발트의방법검출한계 ( 정량한계 ) 는 0.13 μg /L (0.43 μg /L), 0.17 μg /L, (0.53 μg /L), 0.07 μg /L (0.22 μg /L) 로조사되었는데이는 CDC의 ICP/MS법의방법검출한계인 0.1, 0.06, 0.07 μg /L와유사하거나다소높은값을나타내었다. 셀레늄, 납, 카드뮴, 코발트의방법검출한계는표

53 에제시한일반인의농도수준을고려할때충분히분석할수있을정도로낮게조사되었으나, 망간, 니켈의방법검출한계는 0.28 μg /L, 0.62 μg /L로높게산정되어모니터링시험방법으로사용하기위해서 2차년도사업에더낮은농도의시료로방법검출한계를재산정할계획이다. 표 25. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의방법검출한계및정량한계 ( μg /L) 구분 Pb Cd Mn Se Ni Co 평균 표준편차 방법검출한계 정량한계 (4) 현장시료에대한적용성검토뇨-희석법-ICP/MS 분석방법의현장시료적용성을검토하기위하여 10건의뇨에대한분석결과는표 26와같다. 뇨중납및카드뮴의평균농도는 1.79 μg /L, 0.75 μg /L을, 코발트, 망간, 셀레늄은 0.48 μg /L, 0.83 μg /L, 35.3 μg /L로조사되었다. 적용성검토를위한 10건의현장시료는니켈항목을제외하고국 내외연구에서제시된직업적으로노출되지않은일반인의농도수준과비슷한값을보였다

54 표 26. 뇨시료에대한희석법-ICP/MS 분석결과 ( μg /L) 시료 Pb Cd Mn Se Co Ni A 2.60± ± ± ± ± ±0.28 B 1.11± ± ± ± ± ±0.19 C 0.93± ± ± ± ± ±0.14 D 1.50± ± ± ± ± ±0.29 E 0.89± ± ± ± ± ±0.13 F 2.06± ± ± ± ± ±0.35 G 1.60± ± ± ± ± ±0.30 H 2.19± ± ± ± ± ±0.18 J 2.20± ± ± ± ± ±0.28 K 2.85± ± ± ± ± ±0.40 평균 (5) 분석방법간비교뇨-희석법-ICP/MS 분석방법과 GFAAS 분석방법간의유의성검증은혈액의경우와동일하게뇨표준물질과 10건의뇨현장시료에대하여 GFAAS 분석방법과희석법-ICP/MS 분석방법으로납과카드뮴항목에대해각각분석한후, 그결과를분산분석및상관분석을통하여분석방법간의유의성을검증하였다. ( 가 ) 뇨중납에대한분석방법별유의성검증 3종의뇨표준물질에대한뇨중납의분석방법별측정값은표 27과같으며, Sero-3에대한 GFAAS의분석값을제외하고모든분석결과가인증값범위내에서분석되었다

55 표 27. 뇨표준물질에대한납의분석방법간비교결과 뇨표준물질 GFAAS 희석법 -ICP/MS 인증값측정값인증값측정값 Sero urine blank ± ±0.04 Sero ± ± ± ±1.01 BioRad ± ± ± ±0.20 그림 12. 뇨표준물질에대한납의분석방법간정확도비교결과 분석방법간측정값의비교를위하여 3종의뇨표준물질의인증값에대한회수율로정확도를비교한결과 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법모두정확도허용범위인 80 ~ 120% 를만족하고있으며, 희석법-ICP/MS 분석방법이정밀도에서가장우수한것으로나타났다.( 그림 11) 분석방법간상호유의성검증을위하여 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법별분석결과를일원배치법에의한분산분석및상관성을분석한결과분석방법간에는유의한차가없는것으로나타났다 (p=0.80>0.05). 10건의현장시료에대한분석방법간유의성비교는 GFAAS 분석방법의검출한계가 6.8 μg /L

56 로높아현장시료의농도를분석할수없어비교를할수없었다. ( 나 ) 뇨중카드뮴에대한분석방법별유의성검증 3종의뇨표준물질에대한카드뮴의분석방법별측정값은표 28과같이두분석방법모두뇨표준물질에서요구하는정확도허용범위를만족하였으며, 정밀도역시양호한결과를나타내었다. 표 28. 뇨표준물질에대한카드뮴의분석방법간비교결과 뇨표준물질 GFAAS 희석법 -ICP/MS 인증값측정값인증값즉정값 Sero urine blank 0.31± ± ± ±0.05 Sero urine 4.6± ± ± ±0.26 BioRad-1 9.6± ± ± ±0.08 카드뮴에대한분석방법간상호유의성검증결과뇨표준물질에대해서는 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법간에유의한차가없는것으로나타났으며 (p=0.916>0.05), 측정값간에는유의한상관관계 (R=0.999) 를보였다. 뇨현장시료의경우도뇨표준물질과같이분석방법간에는유의한차가없는것으로나타났으며 (p=0.458>0.05), 측정값간에는유의한상관관계 (R=0.96) 를보였다. 따라서보다많은현장시료에대한비교실험후뇨-희석법-ICP/MS 분석방법을 GFAAS 분석방법과병행하여사용할수있는것으로나타났다

57 표 29. 현장시료에대한뇨중카드뮴의분석방법간분석결과 ( μg /L) 시료명 GFAAs Dilution-ICP/MS A 0.38 ± ± 0.08 B 0.83 ± ± 0.05 C 0.37 ± ± 0.05 D 0.75 ± ± 0.09 E 0.21 ± ± 0.04 F 1.35 ± ± 0.10 G 0.44 ± ± 0.08 H 0.46 ± ± 0.05 J 0.35 ± ± 0.02 평균 그림 13. 현장시료에대한뇨중카드뮴의분석방법간비교결과

58 3. 혈액및뇨중희석법-ICP/MS 분석방법 ( 안 ) QA/QC 허용범위 QA/QC 허용기준항목은 2005년도 6월국립환경과학원예규에고시된 환경오염공정분석방법제정체계표준화지침 에따라방법검출한계및정량한계, 검정곡선의검증, 정밀도와정확도항목에대한절차를검토하였다. 허용기준을도출하기위해사용된통계적절차는 EPA 분석방법 1625 개발에 사용된실험실비교실험결과로부터유도된것이다. 23)24) 이번연구에서는매 질표준물질및현장시료에대한분석방법간유효성검증이이루어진카드뮴 및납과망간, 셀레늄항목에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의 QA/QC 결과 를바탕으로 QA/QC 허용범위를제시하고자한다. 검정곡선의작성을위해분석하고자하는시료의농도를고려하여 5 개이 상의표준용액을사용하는 5 point calibration 으로, 내부표준물질을이용한상 대검정곡선법으로작성한다. 검정곡선의직선성에대한허용기준은 RSD CAL (RSD CAL, max) 로아래의절차에따라산정하였다. 작성된검정곡선으로부터표준용액에의해산출된평균감도계수 ( Response factor, RF) 를구한다. RF = ( CPS STD /CPS I.S )/ 표준용액의농도 ( 식 1) 평균교정계수 RF = (RF 1 + RF 2 + RF RF n)/n ( 식 2) 여기서, CPS STD : 표준용액의 CPS CPS I.S : 내부표준물질의 CPS 구한평균감도계수와표준편차로부터상대표준편차 (RSD) 를구한다. RSD CAL = 상대표준편차 (SD) / 감도계수 (RF) 100 ( 식 3)

59 검정곡선직선성의최대허용 RSD 값은아래의식에의하여구하며, 계산 된 RSD CAL, max 가 35% 이상이면허용가능한최대값을, 35% 그이하면계산 된값을사용한다. RSD CAL, max = Minimin ( 35%, k RSD CAl ) ( 식 4) 여기서, k : 검정곡선 point 수에해당하는자유도의 95% F 분포값의제곱근 ( n=5, k=2.5) 본연구에서는조사된검정곡선의 RSD CAL 에검정곡선작성에서사용된표준용액의수가 5 일때의 k값 2.5를곱하여 RSD CAL, max 를구하였다. 혈액-희석법-ICP/MS 분석법으로구한항목별검정곡선상대표준편차 (RSD CAL ) 는납 5.44%, 카드뮴 2.66%, 망간 24.98%, 셀레늄 7.53% 에 k값을곱하여 13.6%, 6.7%, 62.5%, 18.8% 로계산되었다. 안전도및표기자릿수등을고려하여납은 15%, 카드뮴 10%, 셀레늄 20% 를, 망간은최대허용치를적용하여 35% 를혈액 -희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선의직선성허용기준으로제시하였다 ( 표 30). 혈액과동일한방법으로구한뇨에대한항목별검정곡선상대표준편차 (RSD CAl ) 는납 29.5%, 카드뮴 7.7%, 망간 6.5%, 셀레늄 11.8% 로나타났으나뇨 -희석법-ICP/MS 분석방법의검정곡선의직선성허용기준으로납 30%, 카드뮴 10%, 망간 10%, 셀레늄 15% 을제시하였다 ( 표 30). 비교적높은값을보인혈중망간과셀레늄, 뇨중납에대해서는 2차년도사업에서재산정할계획이다. 방법검출한계및정량한계는도출된방법검출한계와정량한계를적용하여안전계수를고려하여제시하였다. 혈액에대한항목별방법검출한계와정량한계는납 1.14 μg /L와 3.6 μg /L, 카드뮴은 0.09 μg /L와 0.28 μg /L, 망간 1.53 μg /L와 4.87 μg /L, 셀레늄은 5.42 μg /L와 17.3 μg /L로조사되었으나, 안전계수

60 및표기의편리성을위해표 30과같이제시하였다. 뇨에대한항목별방법검출한계와정량한계는납 0.13 μg /L와 0.43 μg /L, 카드뮴 0.17 μg /L와 0.53 μg /L, 망간 0.28 μg /L와 0.90 μg /L, 셀레늄 1.21 μg /L와 3.79 μg /L로조사되었으나, 안전계수및표기의편리성을위해표 31과같이제시하였다. 혈중망간의방방검출한계는 1.53 μg /L로일반인의농도수준 ( 4-18 μg /L) 을고려하면비교적높게조사되어방법검출한계에대한재산정이필요하다. 방법바탕시료 ( 시료 blank) 는혈액및뇨분석방법모두정량한계미만을허용기준으로제시하였다. 정밀도와정확도는매질표준물질중에서가장낮은농도의시료를선택하여회수율및회수율에대한상대표준편차 (RSD IPR) 를구하여구하였다. 정밀도는회수율의상대표준편차의 3배를, 정확도허용범위는평균회수율과회수율의표준편차에 5.3을곱하여구한값을 ± 하여산정하였다. 정밀도 (RSD IPR,max ) = 3.0 RSD IPR 정확도허용기준 (%) = X ± 5.3 SD 여기서, X = control material 에대한회수율 혈액표준물질에대한항목별정밀도에 3을곱하여구한정밀도허용기준은납과카드뮴은 6.68% 와 14.1% 를, 망간및셀레늄은 13.8% 와 8.1% 로조사되었으나, 안전도와표기의편리성을위해납과셀레늄은 10% 를, 카드뮴과망간은 15% 를혈액에 ICP/MS 시험방법의정밀도허용기준으로제시하였다. 뇨에대한정밀도허용기준은혈액과동일한방법으로계산하였을때납과카드뮴은 16.8% 와 16.2% 를, 망간및셀레늄은 21.6% 와 17.4% 로조사되었으나, 조사대상항목모두뇨에 ICP/MS 시험방법의정밀도허용기준으로 20% 를제시하였다

61 혈액에대한정확도허용범위는납과카드뮴은 92 ~115.4%, 81~ 130.8% 로, 망간과셀레늄은 76.1 ~ 124.9%, 86. ~ 114.6% 로계산되었으나상하편차를고려하여표 31과같이혈액에대한 ICP/MS 분석방법의항목별정확도허용기준제시하였다. 뇨에대한정확도허용범위는납과카드뮴은 68.9 ~ %, 78.2~ 135.4% 로, 망간과셀레늄은 66.8 ~ 143.2%, 65.6 ~ 127.0% 로계산되었으나상하편차를고려하여표 32와같이뇨에대한 ICP/MS 분석방법의항목별정확도허용기준을제시하였다. 그러나뇨에대한정확도허용기준범위가생체시료분석매뉴얼의정확도허용범위 (75 ~ 125%) 를초과하고있어, 2차년도사업에서정확도허용범위를확인, 재산정할계획이다

62 표 35. 혈액 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의 QA/QC 허용범위 항목구분 QA/QC 결과 QA/QC 허용범위 방법검출한계 1.14 μg /L 1.5 μg /L Pb 정량한계 3.6 μg /L 5 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 5.44% ( r 2 = ) 15%(5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 2.2% 10% 정확도평균 103.7%, 표준편차 2.2% 85 ~ 115 % 방법검출한계 0.09 μg /L 0.1 μg /L Cd 정량한계 0.28 μg /L 0.3 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 2.66% ( r 2 = ) 10%(5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 4.7% 15% 정확도평균 105.9%, 표준편차 4.7% 75 ~ 125% 방법검출한계 1.53 μg /L 1.5 μg /L Mn 정량한계 4.87 μg /L 5.0 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 24.98% ( r 2 = ) 10%(5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 4.6% 15% 정확도평균 103.7%, 표준편차 4.6% 75 ~ 125 % 방법검출한계 5.42 μg /L 6.0 μg /L Se 정량한계 17.3 μg /L 20.0 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 7.53% ( r 2 = ) 20%(5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 2.7% 10% 정확도평균 106.7%, 표준편차 2.7% 85 ~ 115%

63 표 36. 뇨 - 희석법 -ICP/MS 분석방법의 QA/QC 허용범위 항목구분 QA/QC 결과 QA/QC 허용범위 Pb Cd 방법검출한계 0.13 μg /L 0.2 μg /L 정량한계 0.43 μg /L, 0.5 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 11.8% ( r 2 = ) 30% (5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 5.6% 20% 정확도평균 98.6%, 표준편차 5.6% 70 ~ 130% 방법검출한계 0.17 μg /L 0.2 μg /L 정량한계 0.53 μg /L 0.5 μg /L 검정곡선의직성성 평균 3.07%, ( r 2 = ) 10% (5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 5.4% 20% 정확도평균 106.8%, 표준편차 5.4% 70 ~ 130% Mn Se 방법검출한계 0.28 μg /L 0.3 μg /L 정량한계 0.90 μg /L, 1.0 μg /L 검정곡선의직성성 평균 RSD 2.60% ( r 2 = ) 10% (5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 7.2% 20% 정확도평균 105.0%, 표준편차 7.2% 60 ~ 140% 방법검출한계 3.79 μg /L 4.0 μg /L 정량한계 μg /L 15.0 μg /L 검정곡선의직성성 평균 4.70%, ( r 2 = ) 15% (5 point calibration) ( r 2 = 이상 ) 바탕시료정량한계미만정량한계미만 정밀도 (n=4) 5.8% 20% 정확도평균 96.3%, 표준편차 5.8% 70 ~ 130%

64 Ⅳ. 결론 혈액및뇨중미량금속분석에대한국내 외분석방법과일반인의농도범위를조사하고, 시료의전처리방법및분석조건을확립하였다. 또한기존에많이사용하는분석방법인 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법간의측정값편차정도를확인하기위하여동일시료에대한비교분석결과, 다음과같은결과를얻었다. 1. ICP/MS를이용한혈액및뇨중미량금속분석방법중마이크로웨이브 -ICP/MS 분석방법은전처리과정의긴시간소요등의문제점이있어미국, 유럽등에서인체노출평가사업의미량금속분석방법으로희석법 -ICP/MS 분석방법을채택하고있다. 2. 혈액에대한희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴의방법검출한계는 1.14 μg /L, 0.09 μg /L로조사되어, GFAAS 분석방법의방법검출한계 3 μg /L, 0.3 μg /L 보다약 3배정도낮은검출한계를보였다. 그외망간, 니켈, 셀레늄, 코발트의방법검출한계는 1.53 μg /L, 0.55 μg /L, 5.42 μg /L, 0.10 μg /L로조사되었다. 3. 혈액표준물질에대한희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 망간, 셀레늄의정확도는 103.7, 105.9, 100.5, 100.3% 로조사되었으나, 니켈과코발트의정확도는 80.7%, 123.7% 로다소낮게나타났다. 동일시료를 4회반복하여구한니켈의정밀도 13.6% 를제외하면 5% 이내의재현성을나타내었다

65 4. 뇨에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 코발트, 망간, 니켈, 셀레늄의방법검출한계는 0.13 μg /L, 0.17 μg /L, 0.07 μg /L, 0.28 μg /L, 0.62 μg /L, 3.79 μg /L 로조사되었다. 5. 뇨표준물질에대한희석법-ICP/MS 분석방법의납및카드뮴, 망간, 셀레늄, 니켈의정확도는 98.6, 106.8, 105.0, 96.29, 107.1% 의좋은값을나타내었으나, 코발트는 123.7% 로다소낮게조사되었다. 동일시료를 4회반복하여구한정밀도조사대상항목모두 10% 이내의재현성을나타내었다. 6. 혈액및뇨에대한희석법 -ICP/MS 분석방법의검정곡선직선성은조사대 상항목모두 r 2 이 이상을, 검정곡선교정계수 (RSD%) 는망간, 셀레 늄을제외하고 10% 이내의직선성을나타내었다. 7. 매질표준물질에대한혈액및뇨중납과카드뮴항목의분석방법간유의성검증을위해기존의 GFAAS와희석법-ICP/MS 분석방법측정값의분산분석및상관성을분석한결과혈중납 (p=0.97>0.05, R=0.99) 과카드뮴 (p=0.99>0.05, R=0.99), 뇨중납 (p=0.80>0.05, R=0.99) 과카드뮴 (p=0.92>0.05, R=0.99) 모두두분석방법의결과값에유의한차가없는것으로나타났으며, 측정값간에도유의한상관관계를보였다. 현장시료에대한유의성검증결과역시통계적으로유의한차를나타내지않았지만분석방법간에측정값의편차가존재하였다. 측정값의편차의정도를파악하기위해서는더많은시료에대해유의성검증을하여야한다고판단된다

66 8. 희석법-ICP/MS 분석방법은동시에많은항목을분석할수있기때문에 GFAAS 분석방법에비해분석시간을크게단축할수있으며, 검출한계도 GFAAS 분석방법보다낮은장점이있다. 따라서희석법-ICP/MS 분석방법은분석대상물질이극미량으로존재하는혈액및뇨와같은생체시료를다량으로분석해야하는미량금속생체노출조사사업의분석방법으로사용가능하다고판단된다. 9. 확립한희석법 -ICP/MS 분석방법 ( 안 ) 은 2 차년도연구사업에서좀더많은 현장시료에대한적용성을검토한후 생체시료중환경오염물질분석방 법 에제공하여국내인체노출평가사업의분석방법으로활용할예정이다

67 Ⅴ. 참고문헌 1) 김선희, 2002, 한국인의체내중금속오염도조사연구, The annual report of KNTP, Vol 1, ) 이수연, 2004, 유도결합플라즈마질량분석기를이용한체내미량금속분석, 대한진단검사의학회지. 제 24권, 제6호, ) Peter Heitland and Helmut D.Koster, 2006, Biomonitoring of 37 trace elements in blood samples from inhabitants of northern Germany by ICP-MS, Jr. of Trace Elements in medicine and Biology, Vol 20, ) Beatrice BOCCA et al, 2005, Development of method for the quantification of essential and toxic elements in human biomonitoring, Ann 1st super Sanita, Vol 41(2), ) Peter Heitland and Helmut D.Koster, 2004, Fast, Simple and reliable routine determination of 23 elements in urine by ICP-MS, Jr. Anal. At, Spectrom, Vol 19, ) P. Schramel, I. Wndler, et al, 1997, The determination of metals(antimony, bismuth, lead, cadmium, mercury, palladium, platinum, tellurium, tin and tungsten) in urine samples by inductively coupled plasma mass spectrometry, Int Arch Occup. Environ, health, Vol 69, ) Alessandro Alimonti, Francesco Petrucci, 2000, Reference Values for chromium, nickel and vanadium in urine of youngsters from urban area of Rome, J. Environ, Monit, Vol 2,

68 8) Department of Health and Human Services, Center for Disease control and prevention. 2005, Third National Report on Human Exposure to Environmental Health 9) Jesper Kristiansen, Jytte Molin Christensen, et al, 1997, Toxic trace element reference levels in blood and urine ; influence od gender and lifestyle factor, the science of the total environment, Vol 204, ) Becker K, Kaus S et al, 2002, German Environmental Survey 1998(GerES III) : environmental pollutants in blood of the german population. Int J Hyg Environ Health 2002 ; 205 ; ) 국립환경과학원, 2007, 폐금속광산주민건강영향조사 ( 대구 경북권역 ) 보고서 12) 국립환경과학원, 2007, 폐금속광산주민건강영향조사 ( 강원 경기권역 ) 보고서 13) 국립환경과학원, 2007, 지역주민환경오염노출수준및생체지표모니터링 ( 울산 ) 보고서 14) 국립환경과학원, 2007, 지역주민환경오염노출수준및생체지표모니터링 ( 광양 ) 보고서 15) 국립환경과학원, 2008, 제 2차국민생체시료중유해물질실태조사보고서 16) 환경부, 2005, 국민혈중의중금속농도조사연구보고서 17) CDC, Laboratory methods fot the Elemental Analysis of blood and Urine Sample 18) Thomas W. May, Ray H. Wiedmeyer, A table of Polyatomic Interference in ICP-MS, Atomic spectroscopy, Vol 19, ) 국립환경과학원, 2008, 생체시료중환경오염물질분석매뉴얼 Ⅱ 20) CDC, 2004, Laboratory Procedure Manual : Blood lead, cadmium, mercury ICPDRCMS,

69 21) CDC, 2003, Laboratory Procedure Manual : Urine Multi-Element ICPDRCMS, ) USEPA, 1999, Ptotocol for EPA Approval of New methods for organic and Inorganic analytes in wastewater and drinking water, EPA-821-B method, usepa 23) Appendix I, "Estimation of variance components", of the Interlaboratory Validation of US EPA method ) CDC, Agency for Toxic Substance and Disease Registry, 2003, Toxicological profile for Selenium 25) 노동부, 박정덕, 2005, 카드뮴 26) 노동부, 박정덕, 2005, 니켈

70 생체시료시험방법 금속 - 희석법 - 유도결합플라즈마질량분석법 2009 Metals in Biological Fluid - dilution-icp/ms 1.0 개요 1.1 목적이시험방법은생체시료 ( 혈액및뇨 ) 중의미량금속을정량하기위하여사용한다. 생체시료를적절한희석액을사용하여희석한후유도결합플라즈마에서분석대상물질을이온화하여질량분리기 (quadropole) 에도입 분리한후질량검출기로정량하는방법이다. 1.2 적용범위 이방법은혈액 (Whool blood) 과뇨 (urine) 시료에존재하는납, 카드뮴, 셀레늄, 망간등의금속원소측정에적용한다 이방법에의한생체시료중금속원소의방법검출한계 (MDL, method detection limit) 와정량한계 ( 정량범위 ) 는표 1과같다. 1.3 간섭물질 동중원소간섭다른원소의동위원소 (isotope) 가 1가또는 2가로이온화되면서측정하려는원소의질량과동일한경우발생하는간섭으로, 간섭을갖지않는동위원소의질량을선택하여간섭효과 (interference effect) 의영향을배제할수있다