Journal of the Korean Chemical Society 213, Vol. 57, No. 1 Printed in the Republic of Korea http://dx.doi.org/1.512/jkcs.213.57.1.4 LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 정재학 이영규 명승운 정남용,, * KOTITI 시험연구원미래환경사업본부 영남대학교중앙기기센터 경기대학교화학과 KATRI 환경분석센터 ( 접수 212. 1. 24; 게재확정 212. 11. 21) Determination of PFOS in LDPE and the Result for Proficiency Testing Jung Jae Hak, Lee Young Kyu, Myung Seung Woon, and Cheong Nam Yong,, * Future Environmental Business Division, KOTITI Testing & Research Institute, Seongnam 462-87, Korea Yeungnam University Center for Research Facilities, Gyeongsan 712-749, Korea Department of Chemistry, Kyonggi University, Suwon 443-76, Korea Environmental Analysis Center, KATRI, Seoul 13-7, Korea. * E-mail: nycheong@katri.re.kr (Received October 24, 212; Accepted November 21, 212) 요약. 전기전자부품및제품상에서주로사용되는 Plastic 중함유된 Perfluorooctanesulfonic acid (PFOS) 의정량분석법을개발하기위해 LDPE 시료를대상으로 soxhlet 용매추출과액체크로마토그래피 / 질량분석법 (LC/MS) 을사용하여시험방법유효화를진행하였다. 그결과검출한계 (LOD) 와정량한계 (LOQ) 는각각 2.58 µg/l, 7.82µg/L 였으며, 회수율은 96 12% 를나타내었다. LC/MS의검량선은 7.82 1 µg/l 농도범위에서 r 2 값.9992의직선성을확인하였다. 또한 EU 환경규제대응을위한전기전자제품중의 PFOS 분석법표준화를위해서국내외시험기관을대상으로비교숙련도시험을실시하였다. 그결과참여한 1개시험기관중 3개시험기관이이상값을제출하였다. 이에 19 F 핵자기공명분광분석법 ( 19 F NMR) 을사용하여이상값의원인을규명한결과그주요원인이표준시약및시료중에존재하는 PFOS 이성질체들에대한결과처리의오류였음을확인하였다. 주제어 : 탄화플루오르옥탄술폰산, 액체크로마토그래프 / 질량분석기, 비교숙련도, 19 F 핵자기공명분광분석 ABSTRACT. In order to develop a quantitation method for Perfluorooctanesulfonic acid(pfos) contained in plastics that are mainly used in electric and electronic equipment, this study consisted of conducting method validations with LDPE samples using soxhlet solvent extraction and LC/MS. As a result, the limits of detection and quantitation (LOD, LOQ) were 2.58 µg/l and 7.82 µg/l, respectively. Additionally, the recovery was 96 12%. For the correlation coefficient of LC/MS, the r 2 value was.9992 in the concentration range of 7.82 1 µg/l, which confirmed its linearity. Furthermore, for the standardization of the analysis method for PFOS in electric and electronic equipment to correspond to EU environmental regulations, we conducted a proficiency test with a number of domestic and international testing laboratories. Three of the ten testing laboratories that participated in the proficiency test submitted outliers. Accordingly, we examined the cause of the outliers using the 19 F NMR, finding that the main cause was an error in the processing of the results for isomers in PFOS that existed in standard solutions and samples. Key words: PFOS, LC/MS, Proficiency testing, 19 F NMR 서론 PFOS (perfluorooctane sulfonate) 는과불소화합물 (perfluorochemicals, PFCs) 의일종으로방수성과발유성이우수하여주로반도체, 섬유, 전기전자분야에서코팅, 표면처리, 계면활성제, 종이및각종첨가제에서특수한기능을부여하는물질로널리사용되어왔다. 그러나 PFOS 물질의특성상지속성, 생물축적, 독성및장거리이동잠재성을 가지는잔류성유기오염물질 (persistent organic pollutants, POPs) 로서대량섭취시발육의장애를줄수있고간암이나면역체계에영향을줄수있다고알려져있어 EU의경우예외조항을제외하고제조및수출입모두를금지하고있는상황이다. 1,2,3 EU PFOS 규제의주요내용으로물질또는조제물의성분으로사용될경우 5 mg/kg 미만이며, 반제품및완제품의경우 1 mg/kg 미만을금지하고있으며직물 (textiles) 과기타코팅된자재 (coated materials) -4-
LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 41 의경우그허용기준을 1 µg/m 2 로정하고있다. 1 최근에는미국환경청또한이규제를추진하고있으며, 호주및캐나다등에서도이와관련된규제를준비중이고한국의경우환경부를중심으로 POPs 후보물질로서규제를위한연구가지속적으로이루어지고있다. 4 PFOS 관련된외국의연구사례를보면 LC/MS 또는 LC/MS/MS가상용화되어활용된 2년이후에주로환경시료에서는 ng/kg 수준으로, 인체혈액시료의경우 µg/kg 수준으로검출에대한연구가많이이루어지고있음을알수있었다. 5-8 또한일본의경우다이옥신및과불소화합물과같은다양한유기불소화합물에대한효율적이면서도빠른분석이가능한 screening 방법으로연소IC (combustion ion chromatography) 를채택하여총불소의정량을측정하는방법에대해서 26년이후지속적인연구가되고있다. 9 11 한국의경우는 28년연소IC를이용한플라스틱중할로겐물질을정량하는방법에관한연구중에서브롬계난연제및 PFOS 를포함한다양한할로겐함유유해물질에대한 screening 방법에대해서발표하였고, 12 LC/ESI/TOF/MS를활용한인체혈액에대한 PFOS 및 PFOA (perfluorooctanoic acid) 함유량조사연구가발표되기도하였다. 13 이에본연구에서는 EU의 PFOS 환경규제 1 에대응하고자전기전자제품중플라스틱에함유되어있는 PFOS의함유량을정량분석하기위해 LDPE (low density polyethylene) 매질의시료에대하여 soxhlet 추출과 LC/MS를사용하여시험방법에대한유효화를한후, 국내외 1개시험기관을대상으로비교숙련도시험을주관하여실시하였다. 그결과이상값을기록한시험기관들의문제점이무엇인지를파악하기위해 19 F NMR을사용하였다. 결론적으로이상값의원인을규명함으로써전기전자부품및제품중에함유된 PFOS의정량에적합한시험방법을제시하고자한다. 실험방법 질은 methanol을사용하여 1 µg/l의농도로만든후냉장고에저장하였고, 사용시는 methanol로희석하여사용하였다. 본연구에사용한 LC/MS는 Thermo Finnigan사 (San Jose, CA, USA) 의 LCQ Deca XP plus를사용하였고 LC column 은 Agilent사 (Palo Alto, CA, USA) 의 Eclipse XDB C18 (2.1 mm I.D., 1 mm length, 3.5 µm particle size) 을사용하였다. PFOS의이성질체의분석에사용된 NMR은 Agilent 사의 6 MHz FT-NMR spectrometer (Palo Alto, CA, USA) 이며, 19 F NMR 기준물질인 ααα-trifluorotoluene (.5% in deuterobenzene) 은 Agilent사 (Palo Alto, CA, USA) 에서구입한 NMR standard 를사용하였고, NMR 용매인 methanol-d4 (99.8%) 는 Cambridge Isotope Lab. 사 (Andover, MA, USA) 에서공급하는용매를사용하였다. 시료전처리화학적전처리가필요한 LC/MS에적용되는고체시료의전처리과정은크게시료분쇄, 용매추출및정제의순서로구성된다. 모든고체시료들은추출효율을최대로하기위해 5 µm 이하의분말상태로분쇄되었다. 사용된분쇄기는 Fritsch사 (Oberstein, Germany) 의 Speed rotor mill (Analysette 3PRO) 과 Vibratory micro mill (Pulverisette 14) 을사용하였고, 추출효율을좋게하기위해서분쇄된시료는 5 µm sieve를통과한시료만을활용하였다. 분쇄된시료의추출은속슬렛추출기를사용하였으며본연구에서는 LDPE 시료의추출에적합한용매로 methanol 을선정하였다. 분쇄된시료는 1 g을칭량하여 25 ml의 flask에투입후 methanol 1 ml로눈금을맞춘다음 5 C 온도조건에서 9시간동안속슬렛추출을실시하였다. 추출된시료에대한정제는추출된용액을 Zymark사 (Hopkinton, MA, USA) 의 Turbovap LV evaporator를이용하여 1 ml로농축한다. 이후농축된용액은.45 µm 지용성 filter를이용하여정제하였다. 시약및기기본연구에서사용된 PFOS 표준용액은 AccuStandard사 (New Haven, CT, USA) 의 PFOS (potassium perfluorooctanesulfonate, 1 µg/ml) 를구입하였고, 내부표준물질로는 Wellington사의 MPFOSi (Sodium perfluoro-1-[1,2,3,4-13c4]- octanesulfinate, 5 µg/ml) 를사용하였다. 용매로사용된 methanol, acetnitrile은 Burdick & Jackson사 (Muskegon, MI, USA) 의 HPLC grade 시약을구입하였고, 1 mm ammonium acetate (97%) 는 Sigma Aldrich사 (St. Louis, Mo, USA) 의고순도시약을사용하였다. 증류수는모두비저항값이 18 MΩ-cm 이상인 Millipore사 (Bedford, MA, USA) 의 Milli-Q plus 시스템의정제수를사용하였고, 표준용액, 내부표준물 표준시료 PFOS에대한분석법개발을위해외부기관의도움을받아 sheet 상태로표준시료를제작하였다. PFOS 검출용시료제작에사용된 PFOS는 Fluka 사 (Milwaukee, WI, USA) 의 PFOS potassium salt (C 8HF 17O 3S.K, 98 wt%) 가사용되었고매질로서는 LG화학 (Korea) 의 LDPE (LDPE CB23, 99 wt%) 를사용하였다. 제조된 PFOS 시료 (PFOS_L, PFOS_H) 는 EU PFOS 규제 1 농도를고려하여 3 mg/kg 및 25 mg/kg 농도로제작되었다. 비교숙련도용시료의균질성조사시험기관간비교숙련도를위해서준비한시료는외부 213, Vol. 57, No. 1
42 정재학 이영규 명승운 정남용 기관에서제조된 LDPE 재질의저농도 (PFOS-L) 와고농도 (PFOS-H) 2종으로이들숙련도평가용시료들을각시험기관에배포하기전에시료의균질성평가를실시하였다. 각각의시료들은독일 Fritsch사의냉동분쇄기 (Pulverisette 14) 를사용하여 5 µm 이하로분쇄후균질하게섞은다음원추사분법으로시료를 5 ml centrifuge tube에각농도 1개씩나누어담아서시료균질도조사용으로사용하였다. 각 tube에서.1 g의시료를취하여 LC/MS를사용하여균질성평가를실시하였다. 분석기기조건최적화 LC/MS: PFOS 분석을위한 LC/MS의컬럼에서유속은 1 µl/min, column 온도는 25 C로유지하였다. Gradient 용매조건은 acetonitrile ( 용매A) 과 1 mm ammonium acetate ( 용매B) 를 A : B = 3% : 7% 로 1분간유지시키고, 7분까지용매A를 95% 로만든후 15분까지유지하였다. LC/MS의이온화방법으로는전자분무이온화 (electrospray ionization, ESI) 법의음이온모드를사용하였으며, 각종파라미터는 Table 1에그리고 PFOS 분석을위한전처리및분석절차를 Fig. 1에나타내었다. NMR: 본연구에서는 6 MHz FT-NMR (Varian NMR Systems 6) 에서 19 F NMR (564 MHz) 스펙트럼을얻었다. PFOS 표준시료및표준용액의모든 19 F NMR 실험은 5 mm broad band probe를사용하여 25 o C에서 9 o 펄스로 5초이상의이완시간을주어서측정하였고, ααα-trifluorotoluene (.5% in deuterobenzene) 을 external reference ( 63 ppm) 로사용하였다. 시험법유효화시험방법유효화시에참조한시험규격으로는전처리방법으로 EPA Method 354C 14 이며, 분석장비관련시험 Fig. 1. Flow diagram of the sample preparation and analysis. 규격으로는 EPA Method 8C 15 를참조하였다. 유효화방법론전개는 International Conference on Harmonization (ICH) 가이드 16 를근거로시험법에대한유효화를실시하였다. PFOS 표준용액을이용하여직선성을검토하였고, 각표준용액을 2, 5, 7 µg/l 농도별로 7회반복측정하여각농도에대한 area와 retention time (RT) 의표준편차 (standard deviation, SD) 와상대표준편차 (relative standard deviation, RSD) 를구하여정밀성을검토하였다. 회수율을측정하기위하여표준용액을 spiking하여회수율을 7회반복측정하였다. 검출한계 (limit of detection, LOD) 및정량한계 (limit of quantitation, LOQ) 는다음과같은계산식으로구하였다. Table 1. LC-MS conditions for the determination of the PFOS Parameter Conditions Column Eclipse XDB C18, 2.1 mm I.D., 1 mm length, 3 µm particle size Mobile phase A: acetonitrile B: 1 mm ammonium acetate Gradient Time (min) 7 15 Solvent A (%) 3 95 95 Column flow rate 1 µl/min Injection volume 1 µl Column temperature 25 o C Ionization mode Negative ion electrospray Gas temperature 25 o C Gas flow 8 L/min (N 2) Nebulizer 35 psi Characteristic ions (m/z) Confirmation and quantitation ion (499) Journal of the Korean Chemical Society
LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 43 LOD = 3.3 (σ/s), LOQ = 1 (σ/s), σ는공시료를분석한표준편차이며 S는검량선의기울기를나타낸다. 숙련도시험시료균질도가검증된 2종의시료를준비하여국내외 1개시험기관에게시료를배분하였다. 시료중측정대상성분의농도수준은제조기준으로 3 mg/kg과 25 mg/ kg으로서숙련도시료들은 PFOS-L, PFOS-H로각각표기하였다. 시험에참여한각기관에송부된시료량은 5 g/ 종이다. 참여한 1개시험기관중 8개의국내시험기관은모두 ISO/IEC 1725 인정을받은국제공인시험기관이며, 그외에홍콩및일본내 PFOS 전문시험기관이본시험기관간비교숙련도에참여하였다. 시료전처리는모든시험기관이속슬렛추출법을사용하였으며, 동일추출시간 (9 시간이상 ) 과동일한용매로 methanol를사용하도록하였다. 그외분석방법은각시험기관이적용하고있는방법들을사용하도록하였으며적용된시험장비에대해서결과회신시같이제출하도록하였다. 결과및고찰시험방법의유효화직선성 : Fig. 2는 1, 2, 4, 6, 8, 1 µg/l 6개의농도로표준용액을조제한다음 LC/MS를사용하여각농도별 3회씩반복측정한평균값으로검량선을작성한결과이다. 이때얻어진검량선의 r 2 값은.9992를나타냄에따 Fig. 2. Calibration curve with standard solutions of d by LC-MS. 라직선성이양호하여본분석방법은적합함을알수있었다. 정밀도 : 직선성내범위에서 PFOS 3개의농도로각각 7회반복측정하여각농도에대한 peak area와 retention time 의표준편차와상대표준편차를측정한결과를 Table 2에서보여주고있다. Peak area 값의경우 RSD가.34.72% 수준이었으며, retention time의경우.31.65% 수준으로양호한결과값을보여주었다. Fig. 3에서는 PFOS 2 µg/l 농도가함유된표준용액을 LC/MS로측정한결과를보여주고있다. 회수율 : 표준용액을이용하여 spiking한후 PFOS의회수율을측정한결과를 Table 3에나타내었다. 각각 7회반복시험한결과평균회수율은 96 12% 의결과를보였다. 또한반복시험에의한정밀도 (RSD) 는.39 2.33% 로나타났다. 검출한계 (LOD), 정량한계 (LOQ) 및측정범위 (Range): Table 4에서는 LC/MS를사용하여측정된검출한계와정량한계를보여주고있다. LC/MS를사용하여 PFOS의검출한계를구하기위해서표준용액을직선성검정에서사용하였던농도로제조하고각각 3회씩시료주입하여얻은 intensity로 slope 값과 y 절편값을 ICH 가이드 16 계산식에대입하여검출한계를추정하였다. PFOS의검출한계는 2.58 µg/l이었고, 정량한계는 7.82 µg/l이었다. 측정범위는직선성, 정밀도, 정확도가유지되는구간은 7.82 1 µg/l 농도범위에서유지되는것으로나타났다. 숙련도평가결과시료의균질성평가결과 : 본연구에사용된시료의균질성평가는 LC/MS로수행되었으며특정이온을선택하여검출하는 selected ion monitoring (SIM법) 으로 m/z 499 로설정하여정량을실시하였다. 그결과는 Table 5와같다. 각시료별로균질성평가결과, 상대표준편차값이저농도 (PFOS-L) 는 1.6% 고농도 (PFOS-H) 가 1.59% 로균질한결과를보여주었다. 정밀분석결과 : Table 6에서는각시험기관에서제출한결과값, 분석전처리방법및분석장비를보여주고있다. 측정한결과를비교해보면저농도 (PFOS-L) 의경우시험기관평균 3.5 mg/kg, 표준편차는 7.4, 고농도 (PFOS-H) 의경우시험기관평균 25 mg/kg, 표준편차는 64.9, 시험 Table 2. Relative standard deviations (RSD) of retention times and peak areas of standard solutions (PFOS), (n=7) Analyte PFOS Concentration Peak area (µs min) Retention time (min) (µg/l) Average SD RSD (%) Average SD RSD (%) 2 127,336,994 916,526.72 1.86.12.653 5 269,33,861 1,77,186.4 1.87.14.739 7 353,875,9 1,199,372.34 1.87.6.39 213, Vol. 57, No. 1
44 정재학 이영규 명승운 정남용 Fig. 3. Chromatogram and mass spectra of PFOS (2 µg/l) and ISTD (MPFOS, 1 µg/l) detected by LC/MS. Journal of the Korean Chemical Society
LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 45 Table 3. Recoveries of PFOS (n=7) Analyte Spiked level (µg/l) Con. Average (µg/l) SD Recovery (%) RSD (%) 3 3..7 1 2.33 PFOS 4 38.2.3 95.5.79 5 51.2.2 12.5.39 Table 4. Limits of detection and quantitation (LOD, LOQ), range of the PFOS Linear regression Analyte LOD (µg/l) LOQ (µg/l) Range (µg/l) Regression equation Correlation coefficient (r 2 ) PFOS 2.58 7.82 y =.236x.363.9992 7.82 1 LOD = 3.3 (σ / S), LOQ = 1 (σ / S), σ : Standard deviation of y-intercept, S : Slope of the calibration curve Table 5. Homogeneity test results of PFOS sample by using LC/MS Sample Results (mg/l) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Average RSD (%) PFOS-L 3.7 31.7 3.8 31.6 31.5 31.9 3.4 31.2 31.7 31.2 31.3 1.6 PFOS-H 269 263 27 273 27 263 269 259 266 265 267 1.59 Table 6. Proficiency testing result of PFOS by using precision method Lab. Code PFOS_L PFOS_H Con. (mg/kg) Z-Scores Con. (mg/kg) Z-Scores Instrument Pretreatment L-1 32.4.12 26. Thermo (Deca-XP plus) L-2 32.. 256.7 Thermo (LTQ) L-3 33..29 273.22 Agilent (11) L-4 32.3.9 3.68 Agilent (12 SL) L-5 31.9.3 34.75 Agilent (12 SL) Soxhlet L-6 27.8 1.23 219.7 Agilent (11 Trap XCT) extraction L-7 22. 2.93 221.67 Shimadzu (Quattro Premier XE) L-8 17.4 4.28 93. 2.85 Agilent (12 SL) L-9 43.6 3.4 323 1.8 Waters (ZQ 4) L-1 33..28 25.17 Thermo (TSQ) SD 7.4 64.9 Average 3.5 25 RSD (%) 23.1 26. 기관별 RSD값이 23.1 26.% 수준으로몇개시험기관에서제출한상이한결과값의영향을많이받은것으로보여진다. 전체결과중에저농도 (PFOS-L) 의경우 L-8, L-9 두시험기관의결과가전체시험기관평균값대비큰차이를보이고있으며, 고농도 (PFOS-H) 는 L-8의경우전체시험기관평균값대비큰차이를나타내었다. Robust Z-score 검토결과 : 시험기관별각원소별로 Robust Z-score에대한결과를 Fig. 4에서보여주고있다. 각도표의 x축하단의숫자는참가한시험기관의번호이며 y축의값은 Z-score를나타낸다. Z-score는기준값보다는전체시험기관측정결과의중위수 (median) 와의상대적인차이및분산정도에의해결정되는상대적인값이다. 따라서다른시험기관측정결과와의상대적인비교값 이며, 두개시료간의재현성정도를나타내는값이다. Z-score가 에가까우면다른시험기관들의결과와잘일치한다는것을의미한다. 일반적으로 Z-score는절대값기준으로하여 2 이하이면만족을, 2에서 3 사이이면의심을, 3 이상이면불만족으로평가된다. Fig. 4에서 PFOS-L ( 저농도 ) 의경우 L-7, L-8, L-9 시험기관을제외하고는모두 Z-score 가절대값기준으로 ±2 이하로양호한결과를보여주고있으며, PFOS-H ( 고농도 ) 의경우전체 1개기관중에서 L-8 시험기관만 2.85 의이상값 (outlier) 이발생되었다. Fig. 5에서는중위수와평균값을기준으로하여각시험기관의측정결과와불확도측정값에대한분포를볼수있다. 불확도를산출하는방법이각시험기관마다상이하므로절대적으로비교는어렵지만 213, Vol. 57, No. 1
46 정재학 이영규 명승운 정남용 Fig. 4. Proficiency testing results of PFOS-L and PFOS-H. Fig. 5. Proficiency testing Z-score results of PFOS-L and PFOS-H. Fig. 6. Comparison of the PFOS chromatogram according to the laboratories. 시료전처리방법과분석방법을통일화하여실시한숙련도시험임을고려할시 L-6 시험기관의불확도가타시험기관대비상대적으로큼을볼수있었다. 상기 Z-score 값에서이상값이발생한원인을밝히기위해각시험기관에서제출한 LC/MS의크로마토그램및검량선작성용표준용액을비교검토하였다. Fig. 6에서볼수있듯시험기관별로 PFOS 크로마토그램에는모두앞또는뒤에이성질체가존재함을확인할수있었다. 시 험기관에서검량선을작성시, 이러한이성질체를 PFOS 값과합하여반영한시험기관과반영하지않은시험기관 (L-7, L-8) 과의차이가이상값발생의주요원인으로확인되었다. Z-score가 2 보다낮게평가된기관은모두이성질체를검량선에서부터반영하지않았고, 실제숙련도용시료에서도그결과처리에서이성질체를결과값합산에누락함에따라서전체적으로 Z값이낮은경향의이상치를보여준것으로확인되었다. 이는이성질체를결과값에 Journal of the Korean Chemical Society
LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 47 Fig. 7. 19 F NMR spectrum (32 h) and PFOS structure of PFOS standard solution (Wellington 5 µg/ml). 합산할경우숙련도평가에서 Z-score가절대값기준으로 2 이하의양호한시험기관들의결과와유사함을확인하였다. 그러나 L-9 시험기관에서제출한 +3.4 값에대한이상값발생의원인판명은불가하였다. NMR 측정결과상기숙련도평가결과에서문제점으로도출된표준시약및시료에대한이성질체들및불순물여부등에대한정확한분석이필요한바 19 F NMR을사용하여숙련도시험에사용된표준시약및시료에대해서 PFOS의구조적 분석을실시하였다. 표준시약에대한측정결과 : Fig. 7은 9 o 펄스로 32시간동안측정한 PFOS 표준물의 19 F NMR (564 MHz) 스펙트럼및구조식을보여주고있다. 19 F NMR 측정에사용된표준물은 LC/MS/MS에서순도가가장우수한것으로모니터링된 5 µg/ml 농도의 Wellington사의제품이다. PFOS는한종류의화합물이아니라, 여러개의이성질체를포함하는것으로 G. Arsenault 등은연구결과 17 에서소개하였고, 그 11개의 PFOS 이성질체의구조들을 Fig. 8에나타내었다. Fig. 7에서보듯 Wellington사의표준시약은 Fig. 8. Structures of the 11 major PFOS isomers. 17 213, Vol. 57, No. 1
48 정재학 이영규 명승운 정남용 Fig. 9. 19 F COSY spectrum of PFOS standard solution (Wellington 5 µg/ml). 거의 99.9% 순도의 PFOS 형태만이존재하는표준물임을확인할수있었다. 숙련도에사용한시료들의 19 F NMR 측정결과 G. Arsenault 등이소개한이성질체들을포함하기는하나, 실온에서는일반적인체인형의 PFOS의구조를가지는것으로나타났다. 원소들중에수소가없는탄소와전기음성도가가장큰불소들로이루어진 PFOS의정확한구조분석을위하여분자내결합 (bond) 에의한상관관계정보를제공하는 19 F COSY 스펙트럼을측정하여 Fig. 9에나타내었다. 19 F COSY 스펙트럼을분석한결과, 8번탄소와 SO 3 작용기의영향력이가장작은 6번 CF 2 가불소들중에서전자의차폐정도가가장큰 127 ppm에나타나가장안정하고전자가풍부한것으로나타났다. 이는전기음성도가매우큰불소의특성으로간주된다. 두번째로오른쪽에나타난 123 ppm 봉우리는 6번 CF 2 에반해차폐효과가약하지만전자가풍부한 7번 CF 2 를나타내고, 6번과 7번불소의영향으로전자가매우부족해진 8번 CF 3 는 82 ppm에서나타나게된다. 8번 CF 3 와상대적으로, SO 3 작용기가공명구조때문에전자적으로안정한형태를취하고있기는하지만전자들을당기는유발효과 (-I effect) 로인하여 1번 CF 2 가 115 ppm에서봉우리를보인다. 121 ppm에나타난봉우리는 SO 3 작용기의영향으로전자밀도가조금벗겨진 2번 CF 2 에해당한다. 122 ppm 영역에나타난 3개의 봉우리는왼쪽부터 3, 4, 5번탄소에붙은 CF 2 들로나타났다. Fig. 1에는각제조사별 PFOS 표준시약들을측정한 19 F NMR 스펙트럼들을나타내었다. (A) 와 (A1) 은 AccuStandard 사에서공급하는표준시약의스펙트럼이고, (B) 는 Wellington 사에서공급하는표준시약을각각측정한스펙트럼이다. 이스펙트럼들을비교하여보면고순도로확인된 Wellington 사와유사하게공인된표준물제조사인 AccuStandard 사의순도차이가매우크다는것을알수있다. 앞서설명한것과같이 Wellington사의경우, 불순물이거의없는 PFOS 구조의스펙트럼을얻었으나, AccuStandard사의스펙트럼에서는 71 ~ 81 ppm 영역에서일반적 PFOS 의구조와는무관한불소봉우리들이다수존재하는것을알수있다. 이는주된 PFOS 이외에유사한구조의또다른이성질체또는불소화합물의불순물들이존재하는것으로예측할수있다. 그리고상대적인불소의양에관계된봉우리들의면적을비교해볼때가장큰봉우리인 82 ppm의면적값에대해 73 ppm의불순물봉우리가약 1/3의면적을차지하는것으로보아이성질체또는불순물들이상당양존재하는것으로파악된다. 본스펙트럼들은각각 6시간씩측정한결과로써불순물의여부를확인할수있는충분한시간동안측정한것이다. NMR의특성상고농도일경우짧은측정시간에도봉우리가나타나는특성을고려할때, 상단우측 (A1) 에나타낸 15분동안측정한 AccuStandard사 Journal of the Korean Chemical Society
LDPE 중 PFOS의 분석법 개발과 비교숙련도 결과 49 Fig. 1. 19F NMR spectra of PFOS standard solution for each manufacturing companies (A) AccuStandard 1 µg/ml (6 h), (A1) AccuStandard 1 µg/ml (15 min), (B) Wellington 5 µg/ml (6 h). Fig. 11. 19F NMR spectra of raw material (PFOS standard) used in proficiency test. 의 스펙트럼을 살펴보면 이미 73 ppm에서 불순물 봉우 리가 나타나는 것으로 보아 앞서 설명한 논리를 뒷받침하 213, Vol. 57, No. 1 고 있다. 표준시료에 대한 측정 결과: Fig. 11에는 금번 비교 숙
5 정재학 이영규 명승운 정남용 Table 7. Determination of the distribution in PFOS by 19 F NMR spectroscopy 17 Isomers PFOS-3M PFOS-TCI PFOS-Matrix PFOS-Fluka PFOS-Fluka#2 a br-pfosk L-PFOSK 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 75.4 1.53 1.13 3.66 3.27 4.65 8.99.2.4.72.45 67. 3.18 1.57 5.4 4.75 6.94 9.64.27.8 1.1.27 68.3 1.15 1.57 4.86 4.53 6.97 1.92.34.92.41 78.9.99.61 2.3 2.24 4.47 9.93.25.4.46.7 78.8 1.19.62 1.93 2.22 4.5 1.2.22.3.4.7 76.6.84 1.3 2.74 3.23 4.88 9.89.22.4.2 99.2.98 a19 F NMR repeated on a separate PFOS-Fluka sample originating from the same lot. 련도용표준시료제작에사용된원재료의 19 F NMR 스펙트럼을보여주고있다. 이번숙련도제작용원료물질은공업용고순도화합물이지만시판되고있는수입용표준시약대비순도가많이떨어지는것으로판단된다. Fig. 1에나타낸표준시약제조사별스펙트럼들과비교하여볼때, 일반적 PFOS 구조의불소봉우리들과함께많은영역에서이성질체또는불순물로보이는봉우리들이존재함을확인할수있다. Fig. 11에서 box (A) 영역의봉우리들은표준시약제조사인 AccuStandard사의 PFOS에서도확인된불순물들과동일한것으로파악되지만 box (B1), box (B2) 와 box (C) 영역의봉우리들은다른제조사들의표준물에서는측정되지않은새로운이성질체또는불순물로판단된다. Box (A) 의경우는 CF 3 곁가지가많거나체인이더긴형태의불순물구조로예측되며 ( 예를들어 Fig. 8의 7번, 8번, 9번, 1번, 11번 ), box (B1) 의경우는 SO 3 작용기에가까운 1, 2번탄소의 CF 3 줄기영역 (Fig. 8의 1번, 2번, 3번 ), box (B2) 의봉우리들은 5, 4, 3번탄소의 CF 2 줄기영역 (Fig. 8의 4번, 5번, 6번 ) 에서변형된다른형태의화합물구조가예측된다. Box (C) 의경우는 8개탄소체인이아닌작은크기의탄소불소단량체화합물의불순물로예측해볼수있지만, 일반적인 PFOS 구조이외에표준시약에포함된이성질체및불순물등의구조는좀더연구해볼필요가있을것이다. Table 7에는 G. Arsenault 등이연구한논문 15 에소개된바와같이각시판되는 PFOS 고순도표준시약들도마찬가지로다양한 PFOS의이성질체가존재함을보여주고있다. 본표준시료제작에사용된 Fluka사의 PFOS 시약도마찬가지로다양한이성질체가존재함을알수있었다. 또한금번숙련도에서어느회사의표준시약을사용해검량선을구하고정량값을얻었느냐에따라서도희석배수를고려할때측정값차이가일부있을수있기때문에표준화작업을위해서는표준물및숙련도시료제조에좀더면밀한검토가필요할것으로사료된다. 결론본연구에서는 LDPE 중의 PFOS 정량분석을 LC/MS를사용하여개발하였다. 유효화를실시한결과 7.82 1 µg/l 농도범위에서 r 2 =.9992 값을보였고, 검출한계 (LOD) 는 2.58 µg/l, 정량한계 (LOQ) 는 7.82 µg/l의결과를얻었다. 본결과를토대로국내최초로 EU의 PFOS 규제대응을위한국내외 1개시험기관과숙련도시험을통하여 PFOS 규제대응에필요한시험기관별분석방법비교를하였으며, 숙련도평가결과에서대부분의기관들이 Z-Scores < ±2를만족하는유사한값을제출하였는데, 그중에서 L-8, L-9 두시험기관의경우낮은결과값을보였다. 이에그원인을파악하기위해서 19 F NMR을사용하여표준시약및표준시료를확인한결과, 이상치를보인기관들은표준시약및시료의순도로인하여이성질체에대한표준검량선및시료결과처리에문제가발생하였음을확인하였다. 본연구를통해노출된표준시약의이성질체에대한문제점을보완함으로서실험조건에서제시된속슬렛용매추출의시료전처리과정과 LC/MS를사용한 PFOS 분석방법이 EU PFOS 규제대응에는적합한방법임을확인하였다. 추가적으로 19 F NMR 측정결과에서보듯현재널리사용하고있는 PFOS 표준물질에대한순도와표준물질및시약에포함된다양한이성질체들또는불순물의분리및구조분석은추후발전된분석기술을이용하여규명해야하는과제로남아있다. Acknowledgments. 본연구를위해표준시료를제작해주신 LS전선과시험기관간비교숙련도에참여해주신국내외시험기관에게감사를드립니다. REFERENCES 1. The European parliament and of the council of 12 December Journal of the Korean Chemical Society
LDPE 중 PFOS 의분석법개발과비교숙련도결과 51 26, directive 26/122/EC, restrictions on the marketing and use of certain dangerous substances and preparations (perfluorooctane sulfonates, PFOS). 2. Danish EPA, More environmentally friendly alternatives to PFOS-compounds and PFOA; 25. 3. OECD, Hazard Assessment of Perfluorooctane Sulfonate (PFOS) and its Salts; Report ENV/(NV/JM/RD(22)17/ FINAL; Paris, 22. 4. Ministry of Environment, Master plan of the 2nd hazardous chemical substances management; 26. 5. Schröder, H. F. Determination of fluorinated surfactants and their metabolites in sewage sludge samples by liquid chromatography with mass spectrometry and tandem mass spectrometry after pressurised liquid extraction and separation on fluorine-modified reversed-phase sorbents. J. Chromatogr., A 23, 12, 131. 6. Tseng, C.; Liu, L.; Chen, C.; Ding, W. Analysis of perfluorooctanesulfonate and related fluorochemicals in water and biological tissue samples by liquid chromatography-ion trap mass spectrometry. J. Chromatogr., A 26, 115, 119. 7. González, S.; Barceló, D.; Petrovic, M. Advanced liquid chromatography-mass spectrometry methods applied to wastewater removal and the fate of surfactants in the environment. TrAC Trends in Analytical Chemistry 27, 26, 116. 8. Xiao-Lan, H.; Hui-Qin, W.; Fang, H.; Xiao-Shan, L.; Zhi- Xin, Z. Determination of perfluorooctane sulphonate in fabrics and leathers using liquid chromatography-mass spectrometry. Chinese Journal of Analytical Chemistry 27, 35, 1591. 9. Miyake, Y.; Kato, M. and Urano, K. J. Chromatogr., A 27, 1139, 63. 1. Miyake, Y.; Yamashita, N.; Rostkowski, P.; So, M. K.; Taniyasu, S.; Lam, P. K. and Kannan, K. J. Chromatogr., A 27, 1143, 98. 11. Miyake, Y.; Yamashita, N.; Rostkowski, P.; So, M. K.; Taniyasu, S.; Lam, P. K. and Kannan, K. J. Chromatogr., A 27, 1154, 214. 12. Jung, J. H.; Kim, H. K.; Lee, Y. H.; Lee, L. S.; Shin, J. K.; Lee, S. H. Determination of halogen elements in plastics by using combustion ion chromatography. Korea Society of Analytical Sciences 28, 21, 284-295. 13. Chung, J.; Yoon, H.-S.; Ryu, H.-Y.; Won, J. U.; Paeng, K.- J.; Kim, Y. The survey of exposure level for PFOS and PFOA in human plasma from several residential areas in Korea. Korea Society of Analytical Sciences 28, 21, 183-19. 14. USEPA (United States Environmental Protection Agency), Method 354C, Soxhlet Extraction; Washington, DC, 1996. 15. USEPA (United States Environmental Protection Agency), Method 8C, Determinative Chromatographic Separations, Revision 3; Washington, DC, 23. 16. ICH Steering Committee, Validation of analytical procedures; METHODOLOGY Q2B; Nov 6, 1996. 17. G. Arsenault, B. Chittim, A. McAlees, R. McCrindle, N. Riddell, B. Yeo, Some issues relating to the use of perfluorooctanesulfonate samples as reference standards. Chemosphere 28, 7, 616. 213, Vol. 57, No. 1