수자원연구원 KIWE-WARC-09-01 Final Report 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 (3 차년도 ) StandardizationofMulti-residualAnalysis usingmassspectrometry(3styear) 2009.12
KOREA WATER RESOURCES CORPORATION
질량분석법을 이용한 다항목동시분석법 표준화에 관한 연구 2 0 0 9 12
수자원연구원 KIWE-WARC-09-01 Interim Report 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 (3 차년도 ) StandardizationofMulti-residualAnalysis usingmassspectrometry(3styear) 2009.12 - iv -
제출문 사장 귀하 이보고서를 2009 년도수자원연구원수돗물분석연구센터에서수행한 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 의 3 차년도연 구보고서로제출합니다. 2 0 0 9. 1 2. 3 1 연구책임자 : 수자원연구원 기술 2급김용연 연구수행자 : 환경 3급오은정 책임연구원 최일환 책임연구원 최재원 선임연구원 김학철 선임연구원 이규철 환경 4급 김정희 환경 4급 김윤석 보조직 문부식 특수직 장제헌
[ 과제번호 : ] 연구개발결과활용보고서 (1) 연구개발과제명질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 (3 차년도 ) (2) 수행부서수돗물분석연구센터 (3) 연구책임자 성명 소속 김용연 수돗물분석 연구센터 전화번호 629-2020 E-mail kyyn @kwater.or.kr (4) 연구기간 2009. 1. ~ 2009. 12. ( 총 12 개월 ) 총액 116,560 (6) 협동기관 - (5) 총연구개발비 ( 천원 ) 정부 - (7) 참여기업 - 기업 - (8) 기술분야 - (9) 참여연구원 10 명 / 1 년 1. 연구 총괄 (10) 연구개발목표 1) 질량분석기반의다항목동시분석기술의구축과수질검사시스템개선 ( 전문성 ) -기존항목및신규오염물질에대한분석결과의정확성및신속성개선 2) 분석시간단축및분석비용절감화를통해합리적경영지원 ( 경제성 ) 3) 국제공동연구성과의활용도및국제네트워크강화 ( 실용성 ) (11) 주요연구내용 1) 국제공동연구 2차년도참여분야인 유기인계농약류동시분석법정립및수계실태조사 2) 국제공동연구 2차년도영문보고서및작성 배포 3) 미국제안시험법의유효성검증 나이트로사민계소독부산물의분석법비교 4) 일본제안시험법의유효성검증및실용화 잔류성유기오염물질분석지침서제작및예비실태조사 수행 6) 현장포집장치적용성검토및상용화추진 다이옥신및잔류성유기오염물질적용 7) 신규오염물질분석법정립 폴리브롬계난연제 (PBDE) 27항목 7) 연구성과물로서 SCI 저널 1편, 국내논문 2편등 3편의연구논문게제와국제학회, 한국물환경학회, 한국환경분석학회등 10편의성과를학회발표하였음 - ii -
2. 연구 성과 활용 유형 및 주요 연구 성과 3. 경제적 효과 (12) 연구결과의활용 구분 실용화완료 기술실용화 실용화추진중 실용화보류 ( 중단 ) 선행연구 설계기준, 교육및지도정책활용시방서, 지침에활용 기타 1) 유기인계농약류고도분석법정립후한강수계실태조사에활용 2) 잔류성유기오염물질분석지침서제작및실태조사에활용 3) 신규휘발성유기화합물동시분석법의국책과제활용 : 수계별잠정관리유해 물질실태조사및예측시스템개발 ( 09.1~ 09.12) (13) 주요연구성과및기술개발단계 기술명 : 1) 자동 SPE, MS/MS 및 HRMS 에의한 동시분석기술고도화 2) 대용량포집장치를이용한잔류성유 기오염물질현장포집 기술특성 : 1) 첨단질량분석분야로서기존방법들보 다정확도, 정밀도및방법검출한계가매 우우수한방법임 2) 국내독자적인포집장치고안 (14) 현장적용실적 1 공사현장 정보 2 공사 현장별 적용효과 공사명 가. 현장명 구분 공사비 ( 백만원 / m2 ) 1) 유지관리비 ( 백만원 / m2 ) 1) 기타비용절감 ( 백만원 / m2 ) 1) 사고율 ( 명 /UC) 고용 ( 명 /UC) 공기 ( 일 /UC) 내구성 ( 年 ) 공사기간 기존 (A) 개선 (B) 기술의완성도기초, 탐색연구단계 ( ), 응용연구단계 ( ), 개발연구단계 ( ) 기업화준비단계 ( ), 상품화완료단계 ( ) 기술수명주기기술개념정립기 ( ), 기술실험기 ( ) 기술적용시작기 ( ), 기술적용성장기 ( ) 기술적용성숙기 ( ), 기술적용쇠퇴기 ( ) 물량 ( 총물량 ) 단위효과 (C=A-B) 발주기관 현장총물량 (D) 시공기관 R&D 참여자역활 향상도적용현장 ( A-B A X100) 총효과 (C D) - iii -
(15) 기술개발목표달성도 구분지표명 ( 단위 ) 고도분석기술기술 (%) 성능지표 개발전 당개발사업 개발결과 현재국내 국내수준 최종목표치 실제달성치 기술수준 세계최고기술수준 80 100 110 80 120 4. 기술적 효과 (16) 산업재산권 ( 발명특허 실용신안 의장 s/w ) 구분명칭출원국출원및등록자잔류성김용연 특허 유기오염물질 시료포집장치 (17) 건설신기술지정 한국 최재원 문부식 출원 등록 출원일 출원번호 등록일 등록번호 08.12.10 10-200-0 125165 명칭출원일고시일보호기간지정번호 (18) 기타등록및지정현황 ( 상품, 서비스등록, KT 마크등 ) 명칭출원일고시일보호기 간 기 타 (19) 국내외전문학술지게재 5. 학술적 효과 구분논문제목학술지명국명통권, 호년, 월 SCI 학술지 일반학술지 Particle-size-fractioned transfer of dioxins from sediments to water columns by resuspension process 물시료대용량현장추출을위한 PUF-ACF-PUF 방식의소형포집장치개발과적용 중급분해능질량분석장치를적용한환경시료의측정성평가 (20) 학술회의발표 Environmental Pollution 한국환경분석학회지 한국환경분석학회지 미국 157 2009.2 한국 12 2009.12 한국 12 2009.12 논문제목학술회의명칭국명연도 호 고상추출법간비교및 GC-HRMS 를이용한 유기인계농약의동시분석방법과시료적용등 ( 총 10 편 ) 한국상하수도학회 한국환경분석학회 한국물환경학회등 ( 국제 ) 환경화학토론회 한국 일본 2009 - iv -
(21) 법 제도 ( 설계기준, 시방서, 지침 ) 등에활용 구분 명칭및조항 1) 시행일시 기존내용 신규내용 법규정 / 지침기준시방서 (22) 정책수립에활용 시책명 시책추진실적 시책추진일시 담당부처 팀 기대효과 (23) 교육및지도에활용 6. 공공적 효과 구분교육명교육내용교육대상교육시간교육인원교육회수공무원동시분석법등유기물분석, 사내직원수질분석수질기준및교육훈련기술과총 15시간총110명총 7회 Kwater기술지자체수질기준전문가과정공무원동향외국인과정기술상담 현장기술지도 (24) 사회적성과 - v -
요약문 2007 년 :1 차년도 1. 연구제목 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 (1 차년도 ) 2. 연구기간 2007. 1. 1 ~ 2007. 12. 31 3. 연구목적 기존운영 250항목및신규분석항목에대해질량분석법을기반으로한다항목동시분석법으로구축하므로써신속, 정확한분석시스템운영및효율개선 분석시간단축및분석비용절감화를통해합리적경영지원 선진기관기술교류를통한국제네트워크구성 분석기술선진화로수질검사, 수처리기술지원, 정부과제수행등활용극대화 4. 연구내용 계열별질량분석법을이용한동시분석화가. 소독부산물Ⅰ: 할로아세토니트릴및할로아세트산 19항목동시분석법정립나. 유기인계농약류 : 파라티온등 17항목동시분석법정립다. 유기염소계농약류 : 알라클로어등 23항목동시분석법정립라. 이취미물질 : 2,4,6-트리클로로아니솔등 10항목동시분석법정립마. 소독부산물Ⅱ: 니트로사민등 9항목동시분석법정립바. 휘발성유기화합물 : n-부틸벤젠등 52항목동시분석법정립사. 의약품 : 설파계항생제등 34 항목동시분석법정립아. 과불소화합물 : PFOA 등 4 항목동시분석법정립자. 유기인계농약류 : 메빈포스등 16항목동시분석법정립차. 합성피레스로이드계농약류 : 테플루스린등 7항목동시분석법정립 동시분석화에따른분석프로세스절감효과분석 - vi -
동시분석화대상항목의수처리공정별제거효율데이터베이스구축 5. 연구결과 계열별질량분석법을이용한동시분석화 가. 소독부산물Ⅰ: 할로아세토니트릴류및할로아세트산류 19항목동시분석법정립기존에별도의전처리방법으로항목마다분석하던할로아세토니트릴류및할로아세트산류 19항목을동시에전처리하여질량분석기에서각성분을확인후, 크로마토그래프방법에의한 19항목동시분석법을정립하였다. 본분석방법은문헌상보고사례없는최초의시도로판단되며단일방법과의검출한계, 정도관리유의차가발견되지않았으며동시분석에의한분석프로세스절감효과는 32% 로나타났다. 나. 유기인계농약류 : 파라티온등 17항목동시분석법정립법정항목을포함한 250 항목내의유기인계농약류 17종에대한질량확인및크로마토그래프에의한동시분석법을정립하였다. 앞으로현재사용중인검출기인 NPD 보다감도, 정확성이높은질량분석법으로고도화가필요하여 2차년도과제에보완예정이다. 다. 유기염소계농약류 : 알라클로어등 23항목동시분석법정립 250 항목내의 23종유기염소계농약류에대한질량확인및크로마토그래프에의한동시분석법을정립하였으며 1μg/L 이내의검출한계 (MDL) 와정밀도 6% 이내, 정확도 95~108% 범위를나타내었으며국제공동연구를통해고분해능질량분석법을도입할예정이다. 라. 이취미물질 : 2,4,6-트리클로로아니솔등 10항목동시분석법정립조류, 세균류에서발생되는 10종의이취미물질에대한 SPME-GC-MS를이용한동시분석법을구축하였고검출한계 (MDL) 1.3 ~ 11.7 ng/l 범위에서극미량분석이가능하였고 92~108% 범위의우수한정확도를나타냈다. 향후맛냄새제거공정기술에활용도가높은분석기술로판단된다. 마. 소독부산물 Ⅱ: 니트로사민등 9 항목동시분석법정립 액 - 액추출 - 트리플사중극자질량분석법을이용하여 NDMA 등 9 항목동시분석을 - vii -
정립하였다. 각화합물에적용할 MS-MS 법의최적인자를결정하였으며물질별 검출한계는 0.20 ~ 0.65 μg /L, 정밀도 3.2 ~ 12.3 %, 정확도 96 ~ 107 % 로극 미량분석에적합한동시분석법이정립되었다. 바. 휘발성유기화합물 : n-부틸벤젠등 52항목동시분석법정립 Purge&Trap-GC-MS에의한 52개휘발성유기화합물의동시분석법을정립하였으며, 전성분의분리분석이한번의분석으로가능하였고정확도 84~107%, 정밀도 3.8~11.3% 범위에서양호한직선성및극미량분석에적합한 0.13 0.41 μg/l 이내의검출한계범위를제시하였다. 분석시간절감효과는기존동시분석방법에비해 23% 향상된것으로나타났다. 본방법은환경부수탁과제인 수계별잠정관리유해물질실태조사및예측시스템개발 ( 07.4~ 07.12) 의휘발성유기화합물의모니터링에적용되어 3차조사까지수행중이다. 사. 의약품 : 설파계항생제등 34 항목동시분석법정립의약품을극미량동시분석법으로검출하기위해고상추출-트리플사중극자질량분석기-MRM 방식을이용하여설파계항생제등 34 항목동시분석법을정립하였다. 이는기존문헌자료보다훨씬많은항목에대한동시분석방법이며 33% 의분석시간절감효과및정밀도 1.7~32.5% 범위에서검출한계는 0.9~36.7 ng/l로나타나정수와같은극미량분석용으로적합하였다. 국제공동연구참여과제이며 9월에독일 TZW 와기술교류를추가실시하였다. 아. 과불소화합물 : PFOA 등 4 항목동시분석법정립고상추출-트리플사중극자질량분석법-MRM 방식을이용하여 PFOA 등 4 항목동시분석법을정립하였다. 카트리지비교를통해 HLB에의한방법등최적의전처리조건을정립하였으며분석방법의정확도 90 105 %, 정밀도 7 9 % 의범위에서검출한계 (MDL) 는 0.02 0.025 μg/l 였고문헌에서보고된것보다훨씬낮은검출한계를달성하였다. 자. 유기인계농약류 : 메빈포스등 16항목동시분석법정립신규유기인계농약류 16종에대한고상추출-GC-HRMS 방법은문헌상사례가없는최초의고도분석방법으로판단되며, 분석방법의정밀도는 2.3 13.4 %, 정확도는 72 99 % 이며, 검출한계 (MDL) 은 0.34 1.59 μg/l로나타났다. 본연구를 - viii -
통해향후고분해능질량분석분야의기술기반이구축되었다. 차. 합성피레스로이드계농약류 : 테플루스린등 7항목동시분석법정립신규합성피레스로이드계농약류에대한고상추출-GC-HRMS 방법은기존문헌자료보다많은항목수를동시분석하였으며, 분석방법의정밀도는 2.3 13.4 %, 정확도는 72 99 % 이며, 검출한계 (MDL) 은 0.64 1.11 μg/l로나타났다. 본방법은현장관리단관할수계의골프장주변지역하천수의피레스로이드계농약분석관련기술지원 ( 밀양댐관리단-2170, 07.03.27) 에적용되었다. 동시분석화에따른분석프로세스절감효과분석기존운영항목및신규도입항목에대한동시분석법의적용에따른분석시간절감효과를정량화하였다. 분야별분석시간프로세스단축효과는 23 ~ 37% 범위였으며동범위의비용절감효과가예상된다. 향후신규항목의검토방향은기존동시분석법과의통합및질량분석법을중심이된신속 동시분석화와함께분석실무에적용을위한합리적정도관리절차의표준화가중요한요소가될것으로예상되므로이에대비해야한다. 동시분석화대상항목의수처리공정별제거효율데이터베이스구축향후동시분석법활용에따른실태조사시, 또는수질오염사고등의상황이발생하여대상오염물질이검출되었을때현장의신속한대응을위한자료제공을목적으로국내외주요수질오염물질의처리공정별제거효율또는기술사항을요약, 연차별데이터베이스를구축하였으며 1차년도는항생제를포함하는의약품, 잔류유기오염물질 (POPs), 페놀류, 휘발성유기물질 (VOCs), 농약류및내분비계장애물질에대해 Water Research에서추출한처리공별제거율등을요약하여제시하였다. 과제의성과관리 1 차년도수행기간동안 SCI 논문 1 편, 국내저널 2 편및학회발표 13 건을실시하였다. - ix -
요약문 2008 년 :2 차년도 1. 연구제목 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준 화에관한연구 (2 차년도 ) 2. 연구기간 2008. 1. 1 ~ 2008. 12. 31 3. 연구목적 기존운영 250항목및신규분석항목에대해질량분석법을기반으로한다항목동시분석법으로구축하므로써신속, 정확한분석시스템운영및효율개선 분석시간단축및분석비용절감화를통해합리적경영지원 선진기관기술교류를통한국제네트워크구성 분석기술선진화로수질검사, 수처리기술지원, 정부과제수행등활용극대화 4. 연구내용 계열별질량분석법을이용한동시분석화가. 소독부산물Ⅰ: 할로아세토니트릴및할로아세트산 19항목동시분석법정립나. 유기인계농약류 : 파라티온등 17항목동시분석법정립다. 유기염소계농약류 : 알라클로어등 23항목동시분석법정립라. 이취미물질 : 2,4,6-트리클로로아니솔등 10항목동시분석법정립마. 소독부산물Ⅱ: 니트로사민등 9항목동시분석법정립바. 휘발성유기화합물 : n-부틸벤젠등 52항목동시분석법정립사. 의약품 : 설파계항생제등 34 항목동시분석법정립아. 과불소화합물 : PFOA 등 4 항목동시분석법정립자. 유기인계농약류 : 메빈포스등 16항목동시분석법정립차. 합성피레스로이드계농약류 : 테플루스린등 7항목동시분석법정립 - x -
LVS 1 차년도성과의영문보고서제작 5. 연구결과 계열별질량분석법을이용한동시분석화 가. 소독부산물Ⅰ: 할로아세토니트릴류및할로아세트산류 19항목동시분석법정립기존에별도의전처리방법으로항목마다분석하던할로아세토니트릴류및할로아세트산류 19항목을동시에전처리하여질량분석기에서각성분을확인후, 크로마토그래프방법에의한 19항목동시분석법을정립하였다. 본분석방법은문헌상보고사례없는최초의시도로판단되며단일방법과의검출한계, 정도관리유의차가발견되지않았으며동시분석에의한분석프로세스절감효과는 32% 로나타났다. 나. 유기인계농약류 : 파라티온등 17항목동시분석법정립법정항목을포함한 250 항목내의유기인계농약류 17종에대한질량확인및크로마토그래프에의한동시분석법을정립하였다. 앞으로현재사용중인검출기인 NPD 보다감도, 정확성이높은질량분석법으로고도화가필요하여 2차년도과제에보완예정이다. 다. 유기염소계농약류 : 알라클로어등 23항목동시분석법정립 250 항목내의 23종유기염소계농약류에대한질량확인및크로마토그래프에의한동시분석법을정립하였으며 1μg/L 이내의검출한계 (MDL) 와정밀도 6% 이내, 정확도 95~108% 범위를나타내었으며국제공동연구를통해고분해능질량분석법을도입할예정이다. 라. 이취미물질 : 2,4,6-트리클로로아니솔등 10항목동시분석법정립조류, 세균류에서발생되는 10종의이취미물질에대한 SPME-GC-MS를이용한동시분석법을구축하였고검출한계 (MDL) 1.3 ~ 11.7 ng/l 범위에서극미량분석이가능하였고 92~108% 범위의우수한정확도를나타냈다. 향후맛냄새제거공정기술에활용도가높은분석기술로판단된다. - xi -
마. 소독부산물Ⅱ: 니트로사민등 9항목동시분석법정립액-액추출-트리플사중극자질량분석법을이용하여 NDMA 등 9항목동시분석을정립하였다. 각화합물에적용할 MS-MS 법의최적인자를결정하였으며물질별검출한계는 0.20 ~ 0.65 μg /L, 정밀도 3.2 ~ 12.3 %, 정확도 96 ~ 107 % 로극미량분석에적합한동시분석법이정립되었다. 바. 휘발성유기화합물 : n-부틸벤젠등 52항목동시분석법정립 Purge&Trap-GC-MS에의한 52개휘발성유기화합물의동시분석법을정립하였으며, 전성분의분리분석이한번의분석으로가능하였고정확도 84~107%, 정밀도 3.8~11.3% 범위에서양호한직선성및극미량분석에적합한 0.13 0.41 μg/l 이내의검출한계범위를제시하였다. 분석시간절감효과는기존동시분석방법에비해 23% 향상된것으로나타났다. 본방법은환경부수탁과제인 수계별잠정관리유해물질실태조사및예측시스템개발 ( 07.4~ 07.12) 의휘발성유기화합물의모니터링에적용되어 3차조사까지수행중이다. 사. 의약품 : 설파계항생제등 34 항목동시분석법정립의약품을극미량동시분석법으로검출하기위해고상추출-트리플사중극자질량분석기-MRM 방식을이용하여설파계항생제등 34 항목동시분석법을정립하였다. 이는기존문헌자료보다훨씬많은항목에대한동시분석방법이며 33% 의분석시간절감효과및정밀도 1.7~32.5% 범위에서검출한계는 0.9~36.7 ng/l로나타나정수와같은극미량분석용으로적합하였다. 국제공동연구참여과제이며 9월에독일 TZW 와기술교류를추가실시하였다. 아. 과불소화합물 : PFOA 등 4 항목동시분석법정립고상추출-트리플사중극자질량분석법-MRM 방식을이용하여 PFOA 등 4 항목동시분석법을정립하였다. 카트리지비교를통해 HLB에의한방법등최적의전처리조건을정립하였으며분석방법의정확도 90 105 %, 정밀도 7 9 % 의범위에서검출한계 (MDL) 는 0.02 0.025 μg/l 였고문헌에서보고된것보다훨씬낮은검출한계를달성하였다. 자. 유기인계농약류 : 메빈포스등 16 항목동시분석법정립 신규유기인계농약류 16 종에대한고상추출 -GC-HRMS 방법은문헌상사례가없 - xii -
는최초의고도분석방법으로판단되며, 분석방법의정밀도는 2.3 13.4 %, 정확도 는 72 99 % 이며, 검출한계 (MDL) 은 0.34 1.59 μg/l 로나타났다. 본연구를 통해향후고분해능질량분석분야의기술기반이구축되었다. 차. 합성피레스로이드계농약류 : 테플루스린등 7항목동시분석법정립신규합성피레스로이드계농약류에대한고상추출-GC-HRMS 방법은기존문헌자료보다많은항목수를동시분석하였으며, 분석방법의정밀도는 2.3 13.4 %, 정확도는 72 99 % 이며, 검출한계 (MDL) 은 0.64 1.11 μg/l로나타났다. 본방법은현장관리단관할수계의골프장주변지역하천수의피레스로이드계농약분석관련기술지원 ( 밀양댐관리단-2170, 07.03.27) 에적용되었다. 동시분석화에따른분석프로세스절감효과분석기존운영항목및신규도입항목에대한동시분석법의적용에따른분석시간절감효과를정량화하였다. 분야별분석시간프로세스단축효과는 23 ~ 37% 범위였으며동범위의비용절감효과가예상된다. 향후신규항목의검토방향은기존동시분석법과의통합및질량분석법을중심이된신속 동시분석화와함께분석실무에적용을위한합리적정도관리절차의표준화가중요한요소가될것으로예상되므로이에대비해야한다. 과제의성과관리 2 차년도수행기간동안 SCI 논문 1 편, 국내저널 4 편및학회발표 10 건을실시하였다. - xiii -
요약문 2009 년 :3 차년도 1. 연구제목 질량분석법을이용한다항목동시분석법표준화에관한연구 (3 차년도 ) 2. 연구기간 2009.1.1~ 2009.12.31 3. 연구배경및목적 오늘날환경호르몬, 신규농약류, 잔류성유기오염물질 (POPs), 의약물질및 PPCP 등신규수질오염의검출빈도가증가하는경향에있다. 이들화합물은상수원뿐아니라외국의경우극미량으로정수에서검출됨에따라수질분석시스템이종래의기준 & 감시항목위주의보수적모니터링에서사전모니터링및예방시스템구축이라는선도적능동적대응시스템으로변화하고있다. 또한전처리분야에서자동화를갖춘고상추출 (SPE,SPME) 기술발전으로전처리시간의단축과삼중사중극자 (MS/MS) 및고분해능 (HRMS) 기술과같은첨단의질량분석방법이확산됨에따라신규오염물질에대한분석환경이급변하고있다. 이에따라본연구는 250 항목및신규오염물질에대한국내외공인방법이부재한시점에서자체연구및독일, 일본, 미국의선진분석기관과 4개국국제공동연구를통한분석방법의공동정립 & 개발을목적으로새로운분석기술에대한노하우를조기에획득하여신규오염물질에대한신속 정확한대응을하고자한다. 4. 연구내용 1. 국제공동연구 1차년도제안방법의자체검증 1미국제안 ) 나이트로사민류소독부산물의이온화방법에따른검출한계개선 2일본제안 ) 대용량포집장치를적용한 POPs 동시분석방법검토및실태조사 2. 국제공동연구 2차년도수행및영문보고서작성 1유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 2유기인계농약대사물질동시분석법정립 ( 일본농업환경기술원 ) - xiv -
3염화나프탈렌및염화파라핀동시분석법정립 ( 국립환경과학원 ) 4하수처리장시료의의약물질동시분석법정립 ( 독일수도기술원 ) 5분석법비교를통한정도관리개선 ( 미국오렌지카운티수도국 ) 6영문보고서작성 3. 신규오염물질의동시분석법정립 : 폴리브롬계난연제 PBDE 27 항목동시분석법 5. 연구결과 5.1 국제공동연구 1차년도제안방법의자체검증 1 미국제안 ) 나이트로사민류소독부산물의이온화방법에따른검출한계개선나이트로사민화합물은정수처리공정에서극미량으로생성하는소독부산물이므로정확한분석을위해방법검출한계 (MDL) 가낮은분석방법을적용하는것이매우중요하다.EI( 전자충격이온화, 센터방법 ) 및 CI( 화학이온화, 미국오렌지카운티수도국제안 ) 방법간에동일조건에서검출한계 (MDL), 정량한계 (PQL) 를비교한결과, NDMA 의경우두방법의검출한계는 0.5 μg/l 로서차이가없었으나,NDPhA 를제외한 7개화합물은모두 CI 방법의검출한계가 34~69% 낳은경향을보였다. 또한시료양을기존 500mL 에서 1000mL 로증가할경우현재 250 항목에서운영하는나이트로사민계화합물의검출한계는전반적으로 4배정도개선될수있을것으로판단된다. 2 일본제안 ) 대용량포집장치를적용한 POPs 동시분석방법검토및실태조사잔류성유기오염물질 (POPs) 및다이옥신류의동시분석과관련하여 1차년도에일본 NIAES 는고상추출- 고분해능질량분석방법을제안하였으며수돗물분석연구센터는정수장조사를고려하여낮은검출한계를달성하기위해 2차년도에대용량포집장치를개발,3차년도에다이옥신과 POPs 에대한분석방법의타당성을검토하고정수장시료에적용하였다. 다이옥신의경우, 기존포집시스템에서얻어지는데이터와의비교를통해평균독성등가 (TEQ) 가 134% 였으며이는인증표준물질 (CRM) 을이용한측정편차가동일범위인것을고려하면개발포집장치와기존고가 고용량포집장치의성능은대등한것으로판단하였다. 한편,11 종의 POPs 에대해본방법을적용시 70% 를초과하는양호한회수율과방법검출한계 (MDL) 가 0.8~2.8 ng/l 까지개선되었다. 수계별대표정수장에대한분석방법적용을통해원수중에일부대상물질의극미량존재를확인하였으며본방법은 2010 년부터정수장실태조사에활용할예정이다. 5.2 국제공동연구 2 차년도수행및영문보고서작성 - xv -
1 유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 유기인계농약의동시분석법은전처리에역상폴리머계열의고상추출과기기분석은범용성을고려한 GC-MS/MS, 극미량분석수요를고려한 GC-HRMS 방법을연계한 ng/l 범위에서적용가능한동시분석방법을정립하였다. 본방법은모든유기인계농약류를높은회수율로분석하는데한계가있으나낮은수준의 ng/l 동시분석이가능하였다. 본분석방법을이용하여 09 년 5월에채수한한강수계하천수시료를모니터링한결과, 일부농약이낮은 ng/l 범위에서분포가확인되었다. 이들농약은북한강유역에서는거의전항목이검출되지않았으며농업활동의영향을받는유역주변에서검출되는특징을보였다. 2 유기인계농약대사물질동시분석법정립 ( 일본농업환경기술원 ) 국제공동연구 2차년도에서수돗물분석센터가유기인계농약류를제안함에따라일본 NIAES 는최근에물환경에서검출가능성이보고된유기인계농약의대사물질 metabolite10 항목에대한동시분석방법의정립으로참여하였다. 이들은정수장에서염소처리에의해 oxon 타입으로산화생성할가능성이지적되었고실험실생성테스트에서확인된화합물들을대상으로하였다.Oxon 대사물질은물에녹는성질이증가함에착한하여 HLB 계열의고상추출SPE 을이용한전처리방법을정립하였고기기분석은일반적인 GC-MS 방법과 GC-HRMS 방법검토를병행하였다. 방법검출한계 (MDL) 는시료의메트릭스특성과분석화합물에따라차이가있으며, 하천수, 지하수, 먹는물의 MDL 의범위는 SPE-GC-MS 적용시 0.5~40μg/L,SPE-GC-HRMS 적용시 0.05~0.8μg/L 를제안하였다. 후자의방법을이바라키현근처의하천수에적용한모니터링에서는전항목이불검출이었으나향후수돗물분석연구센터에서는분석방법을최적화, 검증하여실제수처리공정에서의생성및검출여부를확인하는조사에활용할예정이다. 3 염화나프탈렌및염화파라핀동시분석법정립 ( 국립환경과학원 ) 본분석법은염화파라핀의정성및정량을위해하천수, 지하수, 먹는물을대상으로액-액추출후, 방해물질제거를위한다층실리카겔과플로리실을이용한정제방법의최적화및 GC-MS 방법을검토하였으며염화나프탈렌의분석에는일반적방법및고분해능질량분석방법을병행하여제안하였다. 염화나프탈렌중에서, 물환경에서검출가능성이높은동족체는 mono~tricn 사이로예상되므로국립환경과학원은액-액추출방법을제안하였으나, 향후물분석최적화를위해우리센터에서는옥타데실계열의고상추출방법을고려할필요가있으며정량분석도고분해능분석방법의 - xvi -
적용이실용적일것으로판단하였다. 또한단쇄염화파라핀의물분석방법은분석시간과비용절감을위해정제단계를생략에대한검토가필요하며기기분석은감도와선택성측면에서 MS/MS 방법이검량곡선에대한직선성도우수하였고,pg 범위의낮은검출한계를가지므로가장효과적인분석방법으로판단하였다. 4 하수처리장시료의의약물질동시분석법정립 ( 독일수도기술원 ) 의약물질의분석에오랜경험을가진독일수도기술원은 1차년도정수장관련분석방법의제안에이어 2차년도에는하수처리장의유입 & 유출수의의약물질분석법을최적화하여제안하였다. 하수처리장시료분석의최대난점인다양한간섭물질과복잡한매트릭스를함유하여정확하지않은분석결과를초래하는것이었다. 이를보완하기위한중요한시도로서, 첫번째인희석법적용으로매트릭스의영향을효과적으로감소시켰고쉬운적용성과저비용분석의장점을제안하였다. 두번째인내부표준법은분석및전처리과정에서매트릭스에대한영향을줄여주며, 적용성이용이하다. 그러나, 고가의분석법으로의약물질에개별적용이단점이었고내부표준물질의종류선택도중요한요소로지적되었다. 세번째인표준물첨가법은분석시노동집약적이고시간소비가많지만, 결과에대하여매우높은신뢰성을제공하였다. 결론적으로독일측이제안한분석방법에대해각기관의최적화및분석과정의데이터축적이매우중요하다. 5 분석법비교를통한정도관리개선 ( 미국오렌지카운티수도국 ) 미국측은고상추출방법을이용한시료전처리에있어서정도관리향상을위한개선점, 주의점, 한계성등을비교분석하여각기관에서분석방법을정립하는데있어서참고할만한사례들들제시하였다. 다환방향족탄화수소류를사례로액-액추출법과세가지디스크타입고상추출법을비교하였다. 액-액추출법의회수율은 SDB 또는단일 C18 방법에비해근소하게우수하였고 C18 을 2매적용시전반적으로회수율이향상되었으나분석단가가상승하는점을지적하였다. 실제디스크고상추출은카트리지방식에비해분석시간단축효과는크지만, 시료수에제한을받고정밀도가커지는경향이단점으로지적되고있다. 따라서이러한방법을적용하는기관은세부적인요소를고려하여추출시스템을선정할필요가있다. 6 영문보고서작성 09 년 5월에종료한 2차년도국제공동연구는 5개참여기관의담당분야에대한분석방법을영문으로작성하였다. 우리센터는유기인의분석방법을 MS/MS 방법과 HRMS 방법으로분리하여제안함에따라 1,2 장을작성하였다.3장은 NIAES 에서 - xvii -
유기인농약대사물의분석방법,4장은국립환경과학원에서염화나프탈렌과염화파라핀분석방법을작성하였다. 독일수도기술원은하수처리장시료의분석방법과공정별제거특성을 5장,6 장에별도작성하였으며미국오렌지카운티수도국은 7장에정도관리의비교결과를요약하였다. 분석절차서중심으로작성한 1차년도영문보고서에비해 2차년도영문보고서는 1~4 장은분석절차서,5~7 장은연구보고서형태로작성하였다. 5.3 신규오염물질의동시분석법정립 : 폴리브롬계난연제 PBDE27 항목 EPA method 1614 는 7항목을고려한분석방법인점에비해본연구는 27 종을대상으로폭넓은물리화학적특성을고려한동시분석방법을정립하였다. 또한분자량이최대 960 에이르는이성체의동시분석을효율적으로구축하기위해 15m 길이의컬럼을사용하 40 분이내의분석조건을정립하였다. 또한고감도분석을위해이온화특성을고려하여 tribde 이내의 10 개화합물은분자량중심의선택이온을조합, 저분자그룹으로설정하고 tetra~decabde 에속하는 17 개화합물은분자에서브롬이 2개적은 [M-2Br] 을중심으로고분자그룹분석조건을설정하였다. 역상폴리머인 RP-1 을전처리방법으로적용하고기기분석은 15m 컬럼을이용한고분해능질량분석법을적용하여, 동위원소희석법으로정량하는분석방법을구축하여검출한계를산출한결과, 평균적으로 0.999 이상의검량곡선직선성과대부분 1ng/L 이하의우수한 MDL 을만족하였다. 향후, 본방법을모니터링에적용하여 PBDE 의실태조사를실시할예정이다. 6. 연구성과 (3 년간 ) 1.250 항목및신규오염후보물질의질량분석기반동시분석법구축 1SCI1 편및국내저널 2편게재 (3 년간 SCI3 편, 국내저널 8편게재 ) 2국내 국제학술발표회총 10 건발표 (3 년간국내외학회 33 건발표 ) 2. 국제공동연구수행및 R&D 글로벌화실현 1총 20 계열 190 항목의첨단동시분석법개발및공유, 비용절감 2국제심포지움 3회개최를통한성과홍보 3영문보고서발간 (2008,2009 년 2회 ) 3. 특허 1건출원 (2 차년도, 진행중 ) 7. 활용계획 1. 첨단질량분석법을이용한동시분석기술의실태조사적용 1 잔류성유기오염물질, 극미량오염물질의고분해능질량분석방법 - xviii -
2농약류, 의약물질, 나이트로사민등의삼중사중극자질량분석방법 3자동화고상추출기술의 250 확대적용을통한정도관리향상 4고상마이크로추출법의항목확장과전처리비용절감 5각종기술지원 2. 잔류성유기오염물질포집장치상용화 3. 국책과제 ( 한강수계잠정유해물질모니터링 2단계사업등 ) 수주 4. 수질분석분야글로벌 R&D 네트워크지속 - xix -
SU M M A R Y Main works of the 3dr yesrs project were divided into 3 parts. First, validation study for the suggested methods for nitrosamines and persistent organic pollutants(pops) by the international cooperative researches in 2007~2008. CI method for the simultaneous measurement of 9 nitrosamines was suggested by Orange County Water District. There were no differences in MDL just for NDMA by the both ionization methods up to 0.5 ng/l.however, CI method showed improved MDL ranges for 34~69% than those by EI methods.in future,cimethodsshould beapplied in multi-residuemonitoring fortreated water.multi-residuemethod wascombined usinglargevolumefield samplerbykwaterand samplecleanup and GC-HRMSmethodsbyNIAES.By this method,monitoring forboth PCDD/Fsand POPs are available.reliable recovery ratesand relative TEQswith 134% to the conventionalmethod was obtained.hcb and DDE werewidelydetected from raw watersamplesfrom 6 DWTP with now ng/l ranges.popscompoundsshould be surveyed widely from nextyearincludingtreated watertovalidated theremovalrates. Second, international collaborative researches for the 2nd year were completed with great success. Participants and main topics were as following ; 17 organophosphours pesticides using GC-MS/MS and GC-HRMS by Water Analysis & Research Center, K water; polychlorinated Naphthalenes and Polychlorinated Paraffins by GC-MS and GC-HRMS by NIER (Korea); 67 human pharmaceuticals from Waste water treatments by TZW (Germany); 10 metabolites of organophosphorous pesticides by NIAES (Japan); improvement of Quality Control and Quality Assurances of Unregulated Contaminants Monitoring Rule II by OCWD (USA). Reports written by English version covers for 7 chapters. Each parts of reports details about validated analytical procedures for emerging contaminants up to 138 lists. Third, multi residue method for most potent brominated flame retardants PBDE(Polybrominated Diphenyl Ethers) was developed by SPE-GC-HRMS. This method covers more congeners up to 27 lists for mono~decabde than those by EPA method 1614 often found in environmental metrices including surface water. Averaged slope of calibration curves were >0.999 with low MDL belows 1ng/L. This method will be applied surface water survey in 2010, particularly for the four big river project. - xx -
< 제목차례 > 제출문 i 연구개발결과활용보고서 ii 요약문 vi < 제목차례 > xxi < 표차례 > xxiii < 그림차례 > xxv 제 1 장수질오염물질확대와동시분석의배경 1 1.1 연구배경 1 1.1.1 수질오염물질의기존분석체계와동시분석의필요성 1 1.1.2 국내 외신규물질의수질동향 2 1.1.3 국내 외동시분석기술현황 2 1.1.4 국제공동연구추진현황 3 1.2 연구목표및주요내용 5 1.2.1 연구의목표 5 1.2.2 연구의주요내용 5 제 2 장동시분석기술개발내용및방법 6 2.1 다항목동시분석체계 6 2.2 첨단장비를활용한고감도동시분석체계 6 제 3 장연구결과 10 - xxi -
3.1 국제공동연구 1차년도제안방법의자체검증 10 3.1.1 미국제안 ) 나이트로사민류소독부산물의이온화방법에따른검출한계개선 10 3.1.2 일본제안 ) 대용량포집장치를적용한 POPs 동시분석방법검토및실태조사 15 3.1.3 잔류성유기오염물질의분석방법최적화및분석지침서제작 20 3.2 국제공동연구 2차년도수행및영문보고서작성 41 3.2.1 유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 41 3.2.2 유기인계농약대사물질동시분석법정립 ( 일본농업환경기술원 ) 50 3.2.3 염화나프탈렌및염화파라핀동시분석법정립 ( 국립환경과학원 ) 54 3.2.4 하수처리장시료의의약물질동시분석법정립 ( 독일수도기술원 ) 58 3.2.5 분석법비교를통한정도관리개선 ( 미국오렌지카운티수도국 ) 61 3.2.6 영문보고서작성 63 3.3 신규오염물질의동시분석법정립 : 67 3.3.1 분석원리및분석대상물질 67 3.3.2 표준물질및시약 68 3.3.3 기기및장치 70 3.3.4 시험방법 71 3.3.5 시험결과 : 항목별크로마토그램및스펙트럼 78 3.3.6 검량곡선 81 3.3.7 검출한계및회수율 84 3.3.8 요약 86 제 4 장결론 87 참고문헌 89 서지자료 96 - xxii -
< 표차례 > 표 1. 나이트로사민류의 MS/MS 분석조건, 검출시간 (RT) 및검출시간편차 11 표 2. 나이트로사민이성체의이온화방법별정확도 (accuracy), 정밀도 (precision) 13 표 3. 대용량포집방법 (20L) 및고분해능질량분석법을조합한 POPs의검량선, 회수율및방법검출한계 (MDL) 와정량한계 (PQL) 18 표 4. 적용대상 POPs 물질 21 표 5. POPs 분석을위한 GC 조건 30 표 6. POPs 분석을위한 HRMS 조건 30 표 7. POPs 분석조건 31 표 8. POPs 구조및성질 32 표 9. 대상유기인계농약의화학물질등록번호, 화학구조및분자량 41 표 10. GC-MS/MS에서최적화한 MRM 측정조건 42 표 11. GC-HRMS 측정시저분자분석그룹의선택이온조합 44 표 12. GC-HRMS 측정시고분자분석그룹의선택이온조합 44 표 13. RP-1 및 GC-HRMS 측정에의한대상화합물의직선성, 회수율 ( 수돗물 ) 및방법검출한계 (MDL) 48 표 14. 유기인농약대사물질의등록번호, 구조식, 분자량및 Kow 50 표 15. 유기인대사물질측정을위한 GC-MS 분석조건 51 표 16. 유기인대사물질측정을위한 GC-HRMS 분석조건 52 표 17. SCCPs 대상표준물질농도및염소함유량 55 표 18. GC/MS(CI) 와 GC/MS/MS(EI) 를이용한 SCCPs 분석조건 56 표 19. GC/MS와 GC/HRMS를이용한 PCNs 분석조건 57 표 20. 폐수시료의의약물질분석시먹는물분석법과폐수분석법적용결과 (Unit;µg/L) 59 표 21. 하수중의 iopamidol와 amidotrizoic acid 분석시희석법, 내부표준법, 표준첨가법의분석결과 61 표 22. 국제공동연구 2차년도참여기관및참여분야 65 표 23. 분석대상물질 68 - xxiii -
표 24. 표준물질제조사및물품번호 70 표 25. 가스크로마토그래피분석조건 71 표 26. 질량분석장치운영조건 75 표 27. 수공분석법특이사항 76 표 28. 항목별검출시간 84 표 29. PBDE 분석방법검출한계 85 - xxiv -
< 그림차례 > 그림 1. 분석에사용한고감도질량분석장치 7 그림 2. 트리플사중극자질량분석장치의구조 8 그림 3. 고분해능질량분석장치의주요구성요소 8 그림 4. 고분해능질량분석장치에서분해능변화에따른다이옥신의교차피크제 거효과 9 그림 5. 나이트로사민혼합표준물질을측정한동시분석크로마토그램 12 그림 6. 나이트로사민이성체의이온화방법별방법검출한계 (μg/l) 12 그림 7. 본과제에서개발한샌드위치방식 (PUF-ACF-PUF) 의대용량시료포집장치 16 그림 8. 시료적용을통한다이옥신적용성비교 17 그림 9. 대용량시료포집방법과고분해능질량분석방법을조합한 POPs 분석절차 18 그림 10. 정립한 POPs 분석방법을이용한수계별정수장원수의적용결과 (ng/l) 19 그림 11. 1 POPs의자연및동위원소표지된크로마토그램비교 ( 계속 ). 38 그림 12. 유기인계농약류의 GC-MS/MS 크로마토그램 43 그림 13. 고분해능질량분석방법에의한유기인계화합물크로마토그램 45 그림 14. 고상추출방법의전처리절차및자동화고상추출시스템 (Autotrace) 46 그림 15. RP-1의용출용매조건에따른유기인화합물의회수율 47 그림 16. 5월한강수계지점별 iprobenfos (Kitazine) 의분포특성 49 그림 17. 유기인계농약의대사에의한구조및물성변화 50 그림 18. GC-MS에서의유기인계농약류대사물질크로마토그램 52 그림 19. GC-HRMS에서의유기인계농약류대사물질크로마토그램 53 그림 20. POPs 후보물질인나프탈렌과파라핀화합물의 2000년유럽권배출동향54 그림 21. 플로리실컬럼을이용한염화파라핀의정제 55 그림 22. 실리카겔컬럼을이용한염화파라핀의정제 56 그림 23. SCCP중 C10계열에대한의 GC-MS/MS 분석크로마토그램 57 그림 24. 희석한하수처리장유입수의표준물첨가법에의한 iopamidol 과 amidotrizoic acid 정량 60 - xxv -
그림 25. PAH의전처리방법별회수율비교25 62 그림 26. PAH의옥타데실고상추출에서추출용매별회수율 63 그림 22. 국제공동연구 2차년도참여기관및담당분야 64 그림 27. 2차년도영문보고서및 7개분야별목차 64 그림 28. PBDE 분석모식도 77 그림 29. PBDE 동시분석크로마토그램 78 그림 30. PBDE 동시분석에서동족체별정량, 정성이온의조합비교 79 그림 31. DeBDE의 M+ 및 [M-2Br]+ 사이의상대적감도비교 79 그림 32. PBDE 동시분석크로마토그램 (Mono BDE ~ Tetra BDE) 80 그림 33. PBDE 동시분석크로마토그램 (Penta BDE ~ Deca BDE) 80 그림 34. 검량곡선-1 (Penta BDE ~ Hexa BDE) 82 - xxvi -
제 1 장수질오염물질확대와동시분석의배경 1.1 연구배경 1.1.1 수질오염물질의기존분석체계와동시분석의필요성 최근수질오염을일으키거나물에서검출되는새로운유기화합물의종류가급증하고있다. 90년대후반부터일상생활에서사용하고있는알킬페놀류등의환경호르몬과농약이수중에서검출되기시작하였고, 2000년을지나면서각종항생제가하수처리장을중심으로지표수에서검출되는사례가보고되고있다. 최근에는과불화화합물이외국의사례뿐아니라국내의주요하천에서도검출가능한수준으로미량존재하는것이밝혀지고있다. 이와같이일상생활과밀접하게관련된화합물을최근에는 PPCP (pharmaceuticals and personal care products) 라는용어로명칭하며널리사용하고있다. PPCP는일상생활에서쉽게사용하기때문에직접폭로가능성의빈도가높지만, 기존하수처리시스템에서처리효율이낮아인체및생태계에만성영향을미치는것으로알려져있다. 그러나이러한 PPCP에대한음용수수질기준이세계적으로전무한상황이기때문에역학조사를장기적으로수행할필요성이있다. 또한분석과관련한주요이슈는수용성물질이뚜렷하게증가한다는점이다. 이는기존유해물질분석용주요장비인 GC-MS로검출이쉽지않음을의미한다. 여기에다국내에서주로사용하고있는화학물질의종류만하더라도농약류 200여종, 환경부지정환경호르몬 67종, 수백종에이르는의약품, 일상생활용품유래물질등헤아릴수없이많으며일상생활에서인간이접하는화학물질은 10 만여종에이른다. 또한, 최근에시료의전처리기술, 예를들면대용량시료포집장치와고상추출방법이발전하여많은종류의오염물질에대한동시포집과분석법의검출한계가개선되는효과를나타내고있다. 여기에기기분석관련기술이진보하여기존의검출한계인μg /L(ppb) 보다낮은범위, 즉 ng/l 혹은 pg/l 까지분석이가능한시대가되었다. 특히트리플사중극자질량분석법과고분해능질량분석법기술은향후유해물질의극미량동시분석기술을확보하는데핵심적인역할을할것으로전망된다. 이러한기술동향을배경으로최근학술지나언론을통하여우리의일상생활에서쉽게사용하고규제없이폐기한다양한종류의화학물질들의수중검출 - 1 -
사례가증가하고있다. 따라서, 공사기술로드맵중 실시간동시분석기술 에해당하는질량분석법을이용한다항목동시분석법의구축은안전한수원확보및관리와기존공정체계에서의이러한신규물질에대한수질관리측면에서매우중요한사안으로판단된다. 2007년 7월환경부는먹는물수질항목의개정과더불어먹는물공정시험법에질량분석법의확장과동시분석법도입의필요성을강조하였다. 현재 OECD회원국들은위에서언급한유기화합물의분석에질량분석법과내부표준법을체계적으로적용하고있으며우리나라는아직미흡한실정이다. 이러한배경을고려할때본연구과제에서추진중인첨단질량분석법과새로운전처리방법을적용하여시도한분석방법이향후공정시험법의확립에기여할것으로예상된다. 1.1.2 국내 외신규물질의수질동향미국, 유럽등선진연구기관에서 2000년을기점으로신규오염물질의모니터링을시작하였고, 미국의경우전국지표수조사에서의약품이 83종검출되었다. 한편, 국내하수처리장의폐수혹은하천수에서신규물질의검출사례는 05년부터본격적으로보고되고있다. 항생제등의약품의경우, 우리나라는 OECD 회원국중단위당가장많은양을사용하는국가로분류되었으며, 수중검출량에있어서하수처리장에서는최고μg /L(ppb) 까지검출되었고, 일반하천에서는 ng/l(ppt) 의수준까지검출되었다. 국립환경과학원은 06년부터테트라싸이클린계항생제를시작으로분석방법구축및주요지점모니터링을시작하였으며 08년에도항생제등인체의약물질 26개항목즉, 전국수계별로의약물질노출실태조사 (2006~2007) 에서검출된 21종과호르몬제등 5항목을포함한잔류농도조사대해조사를진행하고있다. 또한주방가열제품, 패스트푸드포장용기를비롯하여다양한용도로사용되고있는과불소화합물의경우도국외사례에서수많은종류의검출사례가보고되고있으며, 우리나라에서는 05년부터하천에서도검출한계를초과하는농도로분포하고있다는연구사례가있다. 그리고, 외국의연구사례를응용한새로운수계오염물질로우리나라에서진행중에있는생활관련화학물질로는머스크, 트리클로산등과계면활성제인알킬페놀류, 브롬계난연제가있으며, 신규소독부산물로니트로사민계화합물및퍼클로레이트그리고 MX가있다. 1.1.3 국내 외동시분석기술현황 최근수질오염물질공정시험법이전부개정 ( 환경부고시제 2004-88 호, 2007. 07) 되었다. 주요개정배경으로는 1) 국제규격에상응하는분류체계등국제적동등성 - 2 -
을확보한시험방법에대한개선이필요하고, 2) 먹는물수질기준강화에대비한극미량시험방법및 다성분동시분석방법등추가필요성 이다. 이에따라국제규격에상응하는분류체계에따라시험방법별고유분류번호부여와시험항목별작성체계일원화및용어, 단위통일, 그리고시험방법별정도보증및정도관리체계확립이중점적으로보완되었다. 한편, 분석절차간소화를위한다성분동시분석방법신설과항목별시험방법다양화를위한신규분석방법이추가되는등새로운분석방법이유연하게검토되었다. 이러한움직임은국내분석체계가국제적으로널리통용되는분석방법과기술을적극적으로도입하는방향으로전환하였다는점을시사하며특히유기화합물분석분야에서는새로운전처리기술과함께질량분석법을유력한수단으로서도입한다는것을의미한다. 최근의선진분석기술동향은 EPA 등이새로운개정을통해질량분석법을더욱고도화하고있으며고감도, 동시분석을위한기술이축적, 확장되고있는상황이다. 이에따라본연구과제도국내표준을적용함과동시에간편하고신속한시료농축기술, 전처리방법과조합한 MS/MS 및 HRMS등첨단질량분석기술을도입하여위에서언급한새로운오염물질에적극적으로대비할필요성이증대되었다. 1.1.4 국제공동연구추진현황본연구과제는 1차년도 (2007-2008) 에이어국제공동연구 2차년도 (2008-2009) 를수행하는것에동의하고특히 2차년도에는국립환경과학원의신규참여가포함되어총 5기관이 9계열 138항목의신규오염물질 (emerging contaminants) 에대해동시분석방법의표준화, 하천 ~ 하수처리장등실태조사와공정제거율을평가하고정도관리향상방안을도출하는것을목적으로하였다. 총 7개분야에이르는영문보고서를작성하고 8월에성과보고회를개최하여분석분야기술교류를추진하였다. 2차년도참여기관별수행분야는다음과같다. 1유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 2유기인계농약대사물질동시분석법정립 ( 일본농업환경기술원 ) 3염화나프탈렌및염화파라핀동시분석법정립 ( 국립환경과학원 ) 4하수처리장시료의의약물질동시분석법정립 ( 독일수도기술원 ) 5분석법비교를통한정도관리개선 ( 미국오렌지카운티수도국 ) 수공외 4 개기관에서참여할분야는새로운하수처리장의인체의약품분석법및거 - 3 -
동연구 ( 독일 ), 미규제오염물질모니터링프로그램인 UCMR2에포함된목록들에대한정도관리향상방안 ( 미국 ), 유기인계농약류의대사물질 ( 일본 ) 및염화파라핀, 염화나프탈렌류 ( 국립환경과학원 ) 등으로서대부분이국내에서아직검토가충분히이뤄지지않은신규오염물질로구성되었다. 이러한선진기관과공동연구를통해우선적으로검토해야할신규오염물질에대한연구수행기간의단축과비용절감효과가도출될것으로예상하며, 수질분석분야에서선진기술력확보및글로벌네트워크구축이효율적으로수행될것으로기대된다. 본과제는향후에도지속적인공동연구를통해기관관의실무협력은물론수자원관리, 위해성평가, 제거기술에이르는전반적인교류를위한계기가될것으로판단된다. - 4 -
1.2 연구목표및주요내용 1.2.1 연구의목표 본연구의목표는다음과같다. 가. 수질검사체계선진화 : 크로마토그래피법에서질량분석법으로의단계적전환나. 정확성및경제성향상 : 분석데이터의정확도확보및동시분석극대화에따른경제성향상다. 활용도확장 : 실태조사운영에반영및정부국책과제수행등라. 글로벌화추진 : 선진국연구기관과공동연구를통한선진분석기술축적및분석분야글로벌화 1.2.2 연구의주요내용 3 차년도과제의주요연구내용은다음과같다. 1. 자체수행 ) 국제공동연구 1 차년도제안방법의자체검증 1 미국제안 ) 나이트로사민류소독부산물의이온화방법에따른검출한계개선 2 일본제안 ) 대용량포집장치를적용한 POPs 동시분석방법검토및실태조사 2. 국제공동연구 2 차년도수행및영문보고서작성 1 유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 2 영문보고서작성 3. 신규오염물질의동시분석법정립 : 폴리브롬계난연제 PBDE 27 항목동시분석법 - 5 -
제 2 장동시분석기술개발내용및방법 2.1 다항목동시분석체계 수질오염물질의측정에서동시분석방법을사용하는목적은주로분석프로세스단축과경비절감등이다. 즉, 최소한의시료를사용하여최대한의분석성분정보를취하는접근방법이며아래와같이크게세가지로나눌수있다. 첫째, 의약품과같이다양한종류의화합물군을기존개별전처리방법으로정제후, positive 혹은 negative 측정모드또는분석컬럼별로나누어분석하는경우로써분석결과의정확도를최소화하며전처리방법의단일화를검토한다. 둘째, 기존에전처리방법과기기분석방법이개별적으로존재시에시료의전처리방법을통합하고, 기기분석도동시에할수있도록검토한다. 예를들어유기염소계농약과유기인계농약은유사한전처리방법과기기분석을사용함에도기존에크로마토그래프또는사중극자 MS를적용하였다. 이러한화합물은전처리및기기분석, 특히 MS/MS방법으로동시에통합함으로써동시분석법을검토하였다. 셋째, 기존의분석체계에유사화합물을추가함으로써동시분석체계를확장하는방식으로가장일반적이다. 250 항목중에휘발성유기화합물, 농약류, 알데히드류는측정시기의분산에따라부분적인동시분석법이적용되어왔다. 이들분석체계는각각분석통합화및신규물질의추가를통해동시분석법의확장을검토하였다. 위와같은동시분석화검토를통해분석시간의단축, 비용절감에기여할것으로판단되며, 250 항목의운영주기조정에반영하여검사업무의효율을높이는효과가있을것으로예상된다. 2.2 첨단장비를활용한고감도동시분석체계 본연구는크로마토그래프외에도다양한질량분석장치를사용하여단계적으로동시분석고도화를검토한다. 최근에국제적인수질분석을포함한오염물질의분석기술동향은기존의크로마토그래프위주의방식에서점차탈피하여질량분석화, 고감도화, 동시분석화가큰흐름으로진행되고있다. 특히수질분석의경우, 다양한전처리기술의진보와더불어분석장비의고감도화, 고성능화가이뤄지고있으며이에따라국내외주요공정방법의재검토가진행되고있으며올해환경부에서도먹는 - 6 -
물수질오염공정시험법의전부개정이고시되었다. 본연구에서검토하는동시분석의부분적고도화역시이러한방향에부합하도록진행하였으며, 특히트리플사중극자질량분석장치와고분해능질량분석장치의활용이분석법고도화의핵심이다. 액체크로마토그래프트리플사중극자질량분석장치는기존의 GC-MS에의한정성 정량분석법적용이어려운극성, 이온, 열적불안정, 비휘발성등의특성을가진화합물의분석에적합하다. 이러한화합물에대해 GC-MS를적용할경우, 적절한유도체화를통해분석할수있으나, 분석단계가복잡해지고, 검토사항이추가적으로소요된다. 사전분리수단으로써액체크로마토그래프를장착한 LC-MS-MS를이용할경우이러한과정이필요없기때문에분석시간을크게단축시킬수있는장점이있다. 이장비를사용한정량분석에는 MRM (multiple reaction monitoring) 방식이주로사용되며그원리는분석성분의분자화합물을 Q1에서특정하고 Q2에서에너지를가하여그화합물에서만발생한특징적인조각이온성분을추출하여선택적으로검출, 그림 1. 분석에사용한고감도질량분석장치 - 7 -
그림 2. 트리플사중극자질량분석장치의구조 정량하는방식으로감도가매우높은특징이있다. 따라서복잡한메트릭스와함께대상물질이미량으로존재할경우, 방해이온질량에대한제거기능이뛰어나며, LC-MS 와같은단일질량분석장치보다훨씬높은선택성을가지고정확한정량이가능하다. 이방식은기체크로마토그래프를장착한 GC-MS-MS 방식에서도뛰어난감도와선택성을가지고있어향후, 휘발성 비휘발성화합물의미량분석분야의주도가전망된다. 또한기존에주로다이옥신과같은극미량할로겐화합물의분석에사용되었던고분해능질량분석장치 (high resolution mass spectrometer, HRMS) 가최근에잔류성유기오염물질 (persistent organic pollutants, POPs) 의극미량분석수단으로응용되면서향후휘발성화합물의고감도분석장치로널리응용될것으로예상된다. HRMS의메커니즘은복잡하며고가인단점이있으나, 정밀질량수를넷째자리까지설정하여대상화합물검출정확성이뛰어나고분해능 10,000 전후의고분해능에서감도또한개선되어왔다. 그림 3. 고분해능질량분석장치의주요구성요소 이장치의사용목적은대상화합물에다양한이성체가존재하거나시료의고배율농 축으로인한메트릭스에서유래하는유사질량조각을효과적으로분리 제거하는방식 - 8 -
이다. 예를들어, 중간정도의분해능인 5,000에서나타나는두종류의 TCDD 동위원소간교차피크가분해능을 11,430으로향상하면방해피크가제거된다. 여기에기기감도가낮은 pg 수준에서검출하므로고감도분석이가능한점이다. 따라서기존의 GC-MS에서검출되지않은낮은농도의화합물이본장비를사용하므로써정확한측정결과를얻을수있는점이다. 그림 4. 고분해능질량분석장치에서분해능변화에따른다이옥신의교차피크제거효과 - 9 -
제 3 장연구결과 3.1 국제공동연구 1 차년도제안방법의자체검증 3.1.1 미국제안 ) 나이트로사민류소독부산물의이온화방법에따른검출한계개선가. 개요나이트로사민류는 R2N-N=O 의화학구조를가진물질이며, 일반적으로아질산염류 (nitrite) 와아민류 (amine) 의강한산화반응에의해생성되는것으로알려져있다. 국제암연구소 (IARC) 는인체발암물질 B2 등급으로분류하고있으며정수처리과정중소독부산물로서의생성이보고되고있어 USEPA 는신규모니터링항목 (UCMR2) 으로규정하고있다. 이항목에대해 250 항목분석방법은이온화시에전자충격이온화 (EI) 를사용하고있으나미국오렌지카운티수도국은화학이온화 (CI) 방법을적용하여동시분석에서낮은검출한계달성방안을제안하였다. 따라서상호분석방법의검증차원에서 EI 방법과 CI 방법을비교하여유효성을검증하고장단점및적용성을검토하였다. 연구대상물질은다이메틸나이트로소아민 (NDMA) 을포함한유사화합물 9종이다. 나. 방법간비교결과 9종의이성체에대한삼중사중극자질량분석장치 (MS/MS) 에서의다중반응검출 (MRM) 방식으로정립한분석조건을아래표에나타내었다.2 종의내부표준물질과분석대상 9개화합물은 18 분이내의짧은분석시간에도구별가능한선택 & 조각이온의조합으로검출을시도하여낮은농도에서도높은감도로검출가능하도록조건을정립하였다. 여기서선택 & 조각이온조합은검출시간의반복측정에도 NDMA 와해당내부표준물질을제외하곤 0.1% 이내의변동계수를보여주어안정된 MRM 조건이정립되었음을시사하였다. 한편,EI 및 CI 방법간에검출한계 (MDL), 정량한계 (PQL) 를비교하기위해혼합표준물질을 2μg/L 으로첨가하여각각의이온화방법별로 7회반복측정을통해얻어진측정값의표준편차, 상대표준편차 (RSD) 를이용하여 MDL 을산출하였다. 분석결과는그림 2에도식하였다. 검출한계를비교한결과, 미국에서제안한 CI 방법에의한검출한계가 NDMA 는약 0.5 ng/l 로서양방법간차이가없거나,NDPhA 처럼 EI 에서 11% 정도낮은것을제외하면, 나머지 7개화합물은 - 10 -
모두 CI 방법의검출한계가 EI 방법에비해 34~69%, 평균적으로 43% 이상낮은것으로나타났다. 따라서전처리를활성탄재질의고상추출을적용하고처리시료를기존 500mL 에서 1000mL 로증가할경우현재 250 항목에서운영하는나이트로사민계화합물의검출한계는전반적으로 4배정도개선될수있을것으로판단된다. 표 1. 나이트로사민류의 MS/MS 분석조건, 검출시간 (RT) 및검출시간편차 Compounds Selected ions RT(min) % RSD ofrt NDMA 75 58 6.076 0.250% NDMA- 13 C 2D 4 (SR) 83 66 6.068 0.365% NMEA 89 61 8.075 0.172% NDEA 103 75 9.128 0.170% NMOR 117 87 12.021 0.112% NPYR 101 55 12.218 0.067% NDPA 131 89 11.658 0.132% NDPA-D 14 (IS) 145 97 11.649 0.103% NPIP 115 69 12.408 0.128% NDBA 159 103 13.573 0.100% NDPhA 170 92 16.208 0.096% - 11 -
그림 5. 나이트로사민혼합표준물질을측정한동시분석크로마토그램 CI EI 1.5 1 0.5 0 NDMA NMEA NDEA NPYR NDPA NMOR NPIP NDBA NDPhA 그림 6. 나이트로사민이성체의이온화방법별방법검출한계 (μg/l) - 12 -
표 2. 나이트로사민이성체의이온화방법별정확도 (accuracy), 정밀도 (precision) Compounds Spiked conc. (μg/l) EI measured Accuracy conc(μg/l) (%) Precision measured (% RSD) conc(μg/l) CI Accuracy (%) Precision (% RSD) NDMA 2.000 2.071 103.5 3.92 1.797 89.8 7.95 NMEA 2.000 1.913 95.3 10.80 2.339 117.0 11.43 NDEA 2.000 2.048 102.8 8.97 1.844 92.2 5.55 NPYR 2.000 2.130 106.7 12.29 1.903 95.2 3.45 NDPA 2.000 2.137 106.9 9.63 2.107 105.3 3.29 NMOR 2.000 2.057 102.9 4.41 1.865 93.3 4.86 NPIP 2.000 2.072 103.7 10.78 1.983 99.1 3.40 NDBA 2.000 2.127 106.4 3.19 2.067 103.4 2.49 NDPhA 2.000 1.954 97.5 3.98 2.263 113.2 8.65 한편,2 μg/l 농도를 7회조제하여이온화방법별로측정한결과를이용하여분석방법의정확도및정밀도를산출하여비교하였다. 정확도 ( 회수율 ) 측면에서 EI 및 CI 방법간의유의차는보이지않았으나 CI 방법에서정확도의범위가다소큰편이었고정밀도는대부분 CI 방법에서 10% 를밑도는것으로나타났다. 다. 고찰유기화합물의질량분석방법응용중이온화방법의가장대표격인전자충격이온화 (EI) 방법은이온화소스의필라멘트로부터방출되는전자를이용하여시료중의분석대상물을직접이온화시키는방법이다.EI 방법은약 70eV 의높은이온화에너지를분자에가하게되므로대부분의분석대상물질은분자이온 (molecularion) 과상당히넓은범위의조각이온 (fragmentation ion) 들을생성하게된다.EI 방법은높은수율의반응물을얻을수있고생성되는이온들의해석이명확하여, 고감도분석에유리하나나이트로사민류처럼분자량이낮은화합물의경우대부분의분자들이작은이온으로쪼개져특징적인이온검출이제한되는측면이있었으나최근의질량분석장치는이를보완하고자 20eV 의낮은에너지로도재현성이우수한이온화를할수있는방법을제공하고있다.NDMA 등수돗물분석센터에서정립해온나이트로사민류분석법의이온화방법은 EI 였으며 MS/MS 방법의도입에도 EI 와조합한방법을 1차년도에정립하여실태조사에적용하였다. 한편, 공동연구기관인미국 OCWD 는화학이온화 (CI) 방법을적용한이온트랩방식의질량분석법을나이트로사민류정량분석법으로오랫동안사용하고있다.CI 방식에서반응가스로는메탄 (CH4) 를사용하며, 이들은전자이온화에의하여 CH4-13 -
+,CH3+,CH2+,CH+,H+ 등의이온들이생성되며이들은다시부가적반응에의해 CH5+ 와 C2H5+ 이온들이생성되어다음반응과같이분석대상물을이온화시킨다. M + CH + 5 MH + + CH 4 (M+1ion) M + C 2 H + 5 MH + + C 2 H 4 (M+1ion) CI 에의한이온화에너지는약 15eV 로서매우약한이온화에너지를가지고있어분석대상물의분자이온이주로생성된다. 따라서분석대상물의분자량확인에매우유용한방법이나낮은이온화에너지로인해반응물의수율이낮으며, 생성되는이온들이매우여러종 (M+1,M+19,M+29 등 ) 생성되어질량스펙트럼의해석이어려워지는단점이있다. 본연구를통해 EI 법은이온생성패턴의확인이용이하고낮은에너지를이용한 MRM 방법의구축이가능하였으나나이트로사민과같은수용성이낮고, 분자량이작으며구조적인안정성이강하지않은화합물은 EI 보다는 CI 방법에의한분석방법의검출한계및정밀도가상대적으로낮은것으로나타났다.NDMA 만을측정대상으로할경우,EI 및 CI 방법간에는큰차이점이없으나약 9종에이르는유사구조화합물을극미량동시분석하는경우에는 CI 방법이타당한것으로판단되었다. 이에따라향후센터에서적용하는나이트로사민류의이온화방법을 CI 로전환해야한다는결론에도달하였다. - 14 -
3.1.2 일본제안 ) 대용량포집장치를적용한 POPs 동시분석방법검토 및실태조사 가. 개요스톡홀름협약 (Stockholm Convention on PersistentOrganicPolutants,POPs) 에서는잔류성유기오염물질 ( 이하 POPs)12 종을규제물질로규정하고, 국제적규모의모니터링 (GMP:GlobalMonitoring Program) 및관리정책을시행중에있으며신규 POPs 가추가되어관리목록의범위가확장되고있다. 따라서,POPs 물질들에대한환경노출량을평가하고국제협약에능동적으로대응하기위하여국내및국제적으로인정받을수있는다양한매체별미량측정분석방법이지정되거나개발되어사용중이다. 국제공동연구 1차년도 ( 07.4~ 08.4) 에일본농업환경기술연구소 (NIAES) 에서제안한고분해능질량분석기술을적용한 POPs 분석방법은하천수의시료양을 12L 으로설정하고옥타데실디스크를이용한고상추출방법을전처리방법으로이용한동시분석방법을제안하였다. 본연구는 POPs 분석법의적용을실용화과제로지정하였다. 전처리방법은정수장적용을고려하여보다낮은검출한계를달성하기위해 2차년도에제작한 POPs 대용량포집장치 ( 출원10-200-0125165) 에의한현장추출방법을적용하며고분해능질량분석법을기기분석방법으로조합하여표준절차서를제작하였다. 분석방법검토는현장포집방법의다이옥신 (PCDD/Fs) 및 POPs 적용성과전처리 ~ 기기분석방법의정확도 ( 회수율 ), 검출한계 (MDL) 를검토하였고대표정수장의원수시료에적용하여실태를파악하였다. - 15 -
그림 7. 본과제에서개발한샌드위치방식 (PUF-ACF-PUF) 의대용량시료포집장치 (1 전원,2 전원연결수단,3 유량계,4 유속조절밸브,5 단속밸브,6 고압수공급부, 7 저압수공급부,8 배출부,9 추출부,10 커버 ) 나. 주요결과우선선행연구였던 2차년도에대용량포집장치를다이옥신에적용하여내부표준물질의회수율이 50~120% 이내로서공정법정도관리 (QA/QC) 의허용범위내에있음을증명하였으며,3 차년도는동일조건의실시료에반복포집을통해기존시스템과의성능을비교하였다. 실시료의분석결과, 본연구에서개발한포집장치와시판포집장치는각각 3회및 1회측정에서내부표준물질의회수율범위가 77~102%, 82~91% 로나타나양시험간의전처리과정은정도관리의범위를만족하였다. 실제측정값의범위는시판포집장치의독성등가TEQ 를 100% 로볼때자체개발포집장치는 110~164% 범위로다소상회하는경향을보였으며평균 TEQ 는 134%, 상대표준편차는 20.7% 였다.3 회의반복포집결과중에서 164% (1 차포집시료 ) 를제외하면상대표준편차는 9.4% 로서현장시료 100L 포집임을고려하면컴팩트포집장치는기존포집장치의성능과큰차이를보이지않는것으로판단하였다. - 16 -
1 8 0 1 6 0 Relative concentration(%) 1 4 0 1 2 0 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 0 Com pact1 Com pact2 Com pact3 Com pact Ave. Conventional LVS 그림 8. 시료적용을통한다이옥신적용성비교 [Y 축 : 상대독성등가,TEQs,X 축 :COMPACT, 개발포집장치 (n=3), ConventionalLVS, 기존시판장치 (n=1)] 다음으로 11 종의잔류성유기오염물질 (POPs) 에대한포집성능을 PUF- ACF-PUF 와 PUF-PUF 방식으로나누어회수율을비교하였으며분석결과두포집구성간의회수율차이는유의성이없는것으로나타났다. 그러나실험실에서사용한 20L 보다많은양을포집하는경우를고려하여대표정수장의원수시료포집에는 PUF-ACF-PUF 방식으로실시하였다. 우선기기분석에서고분해능질량분석기를적용하여검량선의직선성을검토한결과 0.997~0.999 로서직선성은매우우수한것으로나타났다. - 17 -
그림 9. 대용량시료포집방법과고분해능질량분석방법을조합한 POPs 분석절차 표 3. 대용량포집방법 (20L) 및고분해능질량분석법을조합한 POPs 의검량선, 회수 율및방법검출한계 (MDL) 와정량한계 (PQL) Compound Linearity Rec% Tap MDL(ng/L) PQL(ng/L) HCB 0.999 76 1.4 6.8 g-hch 0.999 82 0.8 4.2 b-hch 0.999 77 1.0 5.0 Dieldrin 0.997 70 1.7 8.5 DDE 0.999 75 0.9 4.6 DDD 0.997 82 0.9 4.3 DDT 0.998 87 2.8 14.1 Mirex 0.999 78 2.6 12.8 Oxychlordane 0.999 93 0.9 4.6 Heptachlorepoxide 0.999 87 1.2 6.2 Trans-nonachlor 0.998 80 1.7 8.3 수돗물 20L 에표준물질을 10ng/L 되도록첨가하여대용량포집방법을적용 하고, 전처리하여분석한결과,11 종의 POPs 회수율은 70~93% 이었으며방법검출 한계는 0.8~2.8 ng/l, 정량한계는 4.2~14.1 ng/l 로서, 자체개발한대용량포집 - 18 -
장치와일본에서제안한기기분석방법의조합을통해검출한계가 3 ng/l 의매우낮은분석법이정립되었다. 다음으로 3분기에실시한수계별정수장원수에대한분석방법의적용하였으며분석결과를아래그림에요약하였다. 시범적으로실시한 6개정수장의원수에서검출한계를초과하여검출된화합물은 HCB, DDE, dieldrin 등이었으며석성정수장원수에서만감마, 베타-HCH 가미량검출되었다. 16 12 8 B A NSON G 4 SUKSUNG 0 HWA NGJI HCB g-hch b-hch DDE DDD DDT Dieldrin Mirex Oxychlordane Heptachlor epoxide Trans-nonachlor GUM I SUNGNA M B A NWORL 그림 10. 정립한 POPs 분석방법을이용한수계별정수장원수의적용결과 (ng/l) 다. 고찰잔류성유기오염물질및다이옥신류의동시분석과관련하여 1차년도에일본 NIAES 는고상추출-고분해능질량분석방법을제안하였으며수돗물분석연구센터는 2차년도에방법검출한계향상을위해대용량포집장치를개발하여 3차년도에다이옥신과 POPs 에대한분석방법의타당성을검토하고정수장시료에적용하였다. 다이옥신의경우, 기존포집시스템에서얻어지는데이터와의비교를통해평균적으로독성등가TEQ 가 134% 였으며이는일반적으로인증표준물질 (CRM) 을이용한실험실내반복측정의편차가 TEQ 농도로 30% 전후의범위에서분포하는것을고려하면개발포집장치와기존고가, 고용량포집장치의성능은대등한것으로판단하였다. 한편,11 종의 POPs 에대해본방법을적용하여 70% 를초과하는양호한회수율과 - 19 -
함께방법검출한계MDL 을 0.8~2.8ng/L 까지개선하는것이가능하였다. 이를통해수계별대표정수장의분석방법적용을통해 HCB,DDE,dieldrin,HCH 등이극미량으로존재하는것을확인하였다. 검출이성체는 POPs 중에서도환경중에미량으로널리분포하고있는것으로보고된화합물들이며매우낮은농도로균일하게검출되어지역특이적오염보다는백그라운드레벨을보여주는것으로판단하였다. 단,DDE 는지역에따라농도차이가보여지므로향후 4분기시료측정및 2010 년이후정기적인모니터링를통해경향파악이가능할것으로판단된다. 이상과같이외국에서시판된기존의다이옥신전용대용량포집장치들의단점, 한계점을개선하고소형 경량이면서, 동등한포집성능과편의성및확장성을갖춘컴팩트한대용량포집장치개발과일본에서제안한 POPs 분석방법을최적화하여다이옥신류및 11 개잔류성유기오염물질에대한극미량분석방법을정립하고시료적용을통한유효성이확립되었다. 본연구에서정립한분석방법의세부절차는다음장에표준절차서를요약하였다. 3.1.3 잔류성유기오염물질의분석방법최적화및분석지침서제작 가. 개요본절차서는 2차년도에개발한대용량포집장치와국제공동연구 1차년도성과물인일본농업환경기술연구소의분석방법을조합한것으로잔류성유기오염물질분석방법을자체환경에최적화한분석지침서이다. 본지침서를활용하여 3.1.2 의정수장원수모니터링을수행하였다. 나. 적용범위잔류성유기오염물질 (Persistent Organic Pollutants, POPs) 는장기간에걸쳐환경에머무르며, 생체농축성을갖지고있으며, 인간및환경에다양한영향을주는화학물질이다. 본연구는지표수, 지하수, 음용수에서의 POPs의정량및동시분석법개발을목적으로진행되었으며, 표 4에본연구에서대상으로한물질들을나타내었다. - 20 -
표 4. 적용대상 POPs 물질 POPs Cas No. Principle uses Hexachlorobenzene (HCB) 118-74-1 곰팡이제거제공업용중간산물 Aldrin 309-00-2 살충제 Dieldrin 60-57-1 살충제 aldrin 대사물질 Endrin 72-20-8 살충제 isodrin 대사물질 P,p -DDT 50-29-3 살충제 O,p -DDT 789-02-6 p,p -DDT 불순물 P,p -DDD 72-54-8 살충제 DDT-대사물질 O,p -DDD 789-02-6 o,p -DDT 대사물질 P,p -DDE 72-55-9 DDT-대사물질 O,p -DDE trans-chlordane cis-chlordane trans-nonachlor cis-nonachlor Oxychlordane 3424-82-6 o,p -DDT 대사물질 5103-74-2 chlordane 성분 5103-71-9 살충제 chlordane 성분 39765-80-5 Technical chlordane 성분 5103-73-1 Technical chlordane 성분 27304-13-8 cis-chlordane 대사물질 Heptachlor 76-44-8 살충제 Heptachlor epoxide alpha-hexachlorocyclohexane (-HCH) beta-hexachlorocyclohexane (bhch) delta-hexachlorocyclohexane (ghch) gamma-hexachlorocyclohexan e (dhch) (Lindane) Mirex 1024-57-3 319-84-6 Heptachlor 대사물질 technical chlordane 성분 / 대사물질다양한 HCH 이성질체를포함하는살충제혼합물성분 a-benzene hexachloride (BHC) 으로알려짐 319-85-7 HCH (BHC) 성분 58-89-9 HCH (BHC) 성분 319-86-8 살충제 HCH (BHC) 성분 2385-85-5 살충제소화용제 - 21 -
수중의유기오염물질을극미량농도로분석하기위해서는추출 / 농축과정이필요하다. 또한추출 / 농축과정은시료에존재하는간섭물질만을효과적으로제거하도록구성되어야한다. POPs 분석을위하여동위원소희석고분해능가스크로마토그래프 / 질량분석기 (HRGC/HRMS) 가사용되며, 정제과정을거친후추출액을농축하여분석용시료로한다. 기기분석전내부표준물질을추출액에각각첨가하고, 일부를가스크로마토그래프로주입한다. POPs는 HRGC에의해분리되며, 분해능 10,000 이상의질량분석기로최종확인한다. 시험결과는검정곡선의재현성, 추출, 정제, HRGC/GRMS 시스템운영의적정성을토대로유효성을평가하게된다. 방법정량한계 (MDLs) 는분석대상물질의종류, 시료의매질과관련된다. 지표수, 지하수, 음용수의경우 MDLs는 0.1-0.4 pg/l 범위를갖는다. 따라서분석범위는 0.1-1000 pg/l이다. 고농도시료의경우추출전희석과정이필요하다. 다. 정의 (1) 시험실시약바탕 (Laboratory Reagent Blank, LRB) 모든초자, 장비, 용매, 시약, 내부표준물질, surrogate 와접촉하는시약수또는바탕매질을시료와같이동일하게분석하며, 이를 LRB로한다. LRB는시험실환경, 시약, 기구등에잔류하는분석물질또는간섭물질의존재여부를확인하기위하여사용된다. (2) 시험실강화바탕 (Laboratory Fortified Blank, LFB) 분석물질일부를시약수, 바탕매질등에임의로첨가한다. LFB는시료와동일하게분석하며, 시험방법상문제가없는지여부와시험실이정확하고정밀한측정수행이가능한지를평가할수있다. (3) 표준원액 (Stock Standard Solution) 하나이상분석물질을포함하는농축용액으로, 공신력있는 RM 등을 구매하여사용한다. (4) 1 차표준용액 (PDS) 표준원액으로부터준비된 7~8 개의분석물질을포함하는용액으로, 검정곡선과 기타필요한표준용액제조를위해사용된다. - 22 -
(5) 검정곡선용표준용액 (CAL) 1차표준용액또는표준원액, 내부표준용액, surrogate으로부터제조되며, 검정곡선용용액은분석물질의농도에대응하는기기의감응도를검정하기위하여사용된다. (6) 품질관리용시료 (QCS) LRB 또는시료의매질을보증하기위해사용되는임의농도의분석물질로, QCS는검정곡선용표준물질과다른회사제품의물질을사용한다. QCS를사용하는목적은외부소스를이용한시험실분석평가방법의일종이다. (7) 절차표준검정정량용표준물질은시료와동일한방법 ( 퍼징, 추출, 유도체화등 ) 으로처리하여야한다. 모든시험과정은시료보존제첨가부터기기분석까지정량과정에포함된다. 표준정량과정은시험과정의효율성저하는보정해준다. 라. 간섭 (Interferences) (1) LRB의분석물질검출은오염가능성을시사한다. LRB에서간섭피크검출시, 기기, 초자, 시약, 용매등모든가능성있는오염원을추적한다. 최종시험결과에서바탕값으로보정하는작업은허용되지않는다. (2) 고농도시료분석후저농도시료분석시간섭효과가나타날수있다. 이러한간섭배체를위하여환경시료간에는바탕시료분석을수행한다. (3) 폐수시료는농축및분석과정에서발생할수있는간섭을막기위하여 반드시희석하여야한다. 마. 분석기기 (1) 가스크로마토그래프 : Trace2000 GC(Thermo Fischer, Germany) (2) 고분해능질량분석기 : Finnigan MAT XP (Thermo Fischer, Germany) (3) 전처리정량펌프시스템 : DPU-8B (GL Science Inc., Japan) (4) SPE 추출장치 : Aquatrace 799 (GL Science, Japan) (5) 기구및장비 : - 23 -
( 가 ) 컬럼 : ENVI-8MS( 분리용컬럼 ), 60m x0.25mm i.d., film thickness 0.25μm from Kanto Chemical Co. ( 나 ) 유리병 : 1000 ml ( 다 ) 마개있는유리병 : 500 ml ( 라 ) 바이알 : interlock vial with fused glass insert, volume 300 μl ( 마 ) 속실렛추출장치 (Shibata, Japan) ( 바 ) 메스실린더 : 100 ml, 250 ml, 500 ml, 1000 ml ( 사 ) 부피플라스크 : 10 ml ( 아 ) 둥근바닥플라스크 : 100 ml, 200 ml ( 자 ) 시린지, 10 µl, 100 µl, 500 µl ( 차 ) 분석저울 바. 시약 (1) 용매및시약모든용매와시약은 PCB 분석급으로사용하며, 상온에서보관한다. ( 가 ) 아세톤 ( 나 ) 디클로로메탄 ( 다 ) 헥산 ( 라 ) 황산나트륨 (2) 대용량포집장치 폴리우레탄폼 - 활성탄펠트 - 폴리우레탄폼방식의대용량포집장치 (3) 필터 유리섬유필터 GMF150 (Whatman) (4) 정제카트리지 ( 가 ) Bond Elut MEGA BE-FL, 5 g 200 ml (Varian) ( 나 ) Supelclean ENVI-Carb SPE Tube bed wt. 500 mg, volume 6 ml(supelco) (5) POPs 표준물질 (native compounds and labeled internal standards) - 24 -
검정곡선용, 정량및회수율측정을위한표준물질을 Cambridge Isotope Laboratories 와 Wellingtone Isotope Laboratories 에서구매하였다. 사. 재고표준물질 POPs 는데칸에안정하므로데칸용매에녹여서냉동보관한다. 아. 시료채취와보관 (1) 시료채취시료채취는자체개발한대용량포집방법을적용하여정수는 100L, 원수및하천수는 20L를채수하며고농도가예상되는시료는 1000 ml 갈색유리병에한다. (2) 시료보관시료는 4 C에서냉장보관하며, 3주이내에분석한다. 추출액은냉동보관하며약 2주간안정하다. 자. 분석절차 (1) 추출 POPs 동위원소치환체를 10~50 L의시료에첨가한다. 입자상물질이없는시료를대용량포집장치를이용하여여과한다. 폴리우레탄폼과활성탄펠트를속실렛추출법으로추출용매는아세톤을사용하여 16~24시간수행한다. 추출액은다음정제과정을위하여농축한다. (2) 정제 (Clean-up) 추출액은헥산으로사전에세정한플로리실카트리지에 100 ml 의디클로로메탄과헥산 1:3 비율의용매로흘려보낸다. 유량은약 2.5 ml/min 이며, 용리액은회전증발농축기로농축한다. 용리액이점도가높고색깔을띨경우활성탄카트리지 (ENVI-Carb) 10 ml 헥산으로추가정제한다. 이때용리속도는 2.0 ml/min 이다. 최종용리액은감압하여농축하고, 회수용표준물질을첨가한다. 질소로최종농축하여 HRGC/HRMS 분석을위한최종부피가 100 ul이되도록한다. (3) HRGC/HRMS 분석 HTGC/HRMS 기기분석조건은부록의표에나타내었다. - 25 -
( 가 ) HRGC/HRMS 운영조건기본적인 HRGC/HRMS 운영조건은운전매뉴얼에따른다. 환경시료분석을위해서는압력조건확인을위하여 blank run을수행하며, 용매로컬럼을세척한다. 선택이온모니터링 (SIM) 모드는각화합물의 M+ and (M+2)+ ions 을추척하는데사용된다. POPs 분석을위해서는 most intensive 이온분석을수행한다. 210~300 m/z 범위의저질량범위에서는 HCH, aldrin, dieldrin, endrin, DDTs, heptachlor, hexachlorobenzene, mirex 분석을수행한다. 350~420 m/z 범위의 heptachlor epoxide, chlordane, nonachlor and oxy- chlordane을분석한다. POPs 분석시내부표준법이이용되며 RRF를수행한다. 두개의 surrogate 표준물질 13C-labeled PCB, #81 and #153 이최종용리액에첨가되며, 내부표준물질로서회수율측정에사용된다. HRMS는 EI 와 SIM 모드로분리능 10000에서수행한다. 시스템수행정도를확인하기위하여시그널높이, 머무름시간, 피크퍼포먼스를이용한다. ( 나 ) 검정곡선각배치마다또는 QA/QC 시료의실패시새로운검정곡선을작성한다. 차. 정성및정량분석 (1) 정성분석시료와내부표준물질간머무름시간일치여부를확인한다. 질량분석기를이용한정성시, 동위원소로표지된내부표준물질과표물질간의머무름시간차는 3초이내여야한다. SIM 모드에서동위원소비는이론값의 20% 범위내에들어야한다. (2) 상대감응계수 (Relative Response Factor, RRF) RRF 는표준물질분석에의해결정되며, 시료내분석물질의농도계산시 사용된다. RRF 계산은다음의식을이용한다. As Cis RRF = Ais Cs 여기서e: A S = 표 7에서주어진 m/z에서분석하고자하는물질질의정량이온 SIM 감응도 ( 피크면적 ) C is = 표준용액에포함된내부표준물질의농도. - 26 -
A is = 표 7 에주어진 m/z 에서내부표준물질정량이온의 SIM 감응도 ( 피크면적 ) C S = 표준용액내분석하고자하는물질의농도 분석범위의 RRF 가일정하다면 ( 상대표준편자 10% 이하 ) 평균 RRF 는분석시 사용할수있다. 또한결과는감응비 (A s/a is) 대농도비 (C s/c is) 의검정곡선식을 위하여사용될수있다. (3) 내부표준물질회수율, R is 시료추출시내부표준물질회수율을계산한다. 회수율계산식은아래와같다. Ais Qrs R is = 100 Ars RFr Qis 여기서 : A rs = 회수용표준물질정량이온의 SIM 감응도 ( 피크면적 ) Q is = 각시료에첨가된내부표준물질의양 Q rs = 회수용표준물질의양 (ng) RRF = 시료첨가량과정제과정첨가량의상대적인감응계수 (4) 수중의 POPs 농도 다음식을이용하여계산한다. Qis As Cw = Ais RRF 1 W 여기서 Q is = 각시료에첨가된내부표준물질의양 A S = 분석물질정량이온의 SIM 감응도 - 27 -
A is = 내부표준물질정량이온의 SIM 감응도. RRF = 차. (2) 에서얻어진 W = 분석에사용된시료부피 카. 결과보고정도관리결과보고는다음과같다. pg/l 단위표시 ( 유효숫자 2자리 ) 13 C surrogate 표준물질의회수율로결과보정 모든시료에대해정량된분석물질데이터를 2~3개씩기록 불검출항목에대해 1개의시험기록으로정량한계표기 타. 정도관리 (1) QC 요구사항정도관리 (QC) 과정은시험전과정에걸쳐수행되고기록되어야한다. QC과정에서얻어진분석결과는최종시험결과에대한유효성검증에사용된다. 분석물질의방법검출한계 (MDL) 또한확정되어야한다. 모든시험실은시험결과를뒷받침할수있는모든기록을유지하여야한다. (2) 시험실바탕값 각시료배치마다 LRB 를분석하여시험실환경을모니터링해야한다. (3) 검정곡선확인검정곡선확인을위하여, 각배치마다 LFB를분석한다. 각분석방법에서 LFB는첨가된농도의 30% 이내의회수율을보여야하며, 첨가된농도와측정된농도의차이가일정범위를넘을경우, 시료분석이전측정과정에대한검증을다시실시해야한다. (4) 정도관리차트 QA/QC 컨트롤차트를매일작성한다. 파. 폐기물처리 - 28 -
(1) SPE 카트리지는 1 회사용후폐기한다. (2) 용매를포함하는용액은유리병에모아규정에맞도록처리한다. - 29 -
부록 표 5. POPs 분석을위한 GC 조건 캐필러리컬럼이동상기체모드최대오븐온도평형시간시작온도 ( C) 시작시간 (min.) 주입모드초기압력 (kpa) 퍼지압력 (kpa) 퍼지시간 (min.) Oven: ENVI-8MS, 60m x 0.25mm i.d., film thickness 0.25μm 헬륨정속유량 360.00 0.00 120.00 0.50 1μL splitless 주입 1.00 45.00 1.00 time(min.) Rate( C/min) Temp( C) 0.00 10.0 180 1.0 4.0 210 17.0 10.0 300 표 6. POPs 분석을위한 HRMS 조건 시스템이온화온도이동온도이온화에너지필라멘트전류분해능모드e Finnigan MAT XP 240 C 280 C 50eV 0.5mA >10,000 (10 % valley definition) EI+ 기타다른조건들은분석물질에따라결정되며, 시험실에서기록된다. - 30 -
모든분석물질들은 SIM 모드로분석되며, 상세한정량질량과비율정량값을 아래에나타내었다. 표 7. POPs 분석조건 Compound Quan. Mass Ratio Mass Hexachlorocyclohexane 218.9116 216.9145 13C Hexachlorocyclohexane 224.9317 222.9347 DDT, DDD 235.0081 237.0052 13C DDT, DDD 247.0484 249.0454 DDE 246.0003 247.9974 13C DDE 258.0406 260.0473 Aldrin, Dieldrin, Endrin 262.857 264.854 13C Aldrin, Dieldrin, Endrin 269.8804 271.8775 Mirex, Heptachlor 271.8102 273.8072 13C Mirex, Heptachlor 276.8269 278.824 Hexachlorobenzene 283.8102 285.8072 13C Hexachlorobenzene 289.8303 291.8273 13C PCB (Syringe Spike) 243.0583 245.0553 Lock mass 280.9824 Compound Quan. Mass Ratio Mass trans,cis-heptachlorepoxide 352.8442 354.8413 13C trans,cis-heptachlorepoxide 362.8778 364.8748 trans,cis-chlordane 372.826 374.823 13C trans,cis-chlordane 382.8595 384.8566 oxy-chlordane 386.8052 388.8023 13C oxy-chlordane 396.8388 398.8358 trans,cis-nonachlor 406.787 408.784 13C trans,cis-nonachlor 416.8205 418.8176 13C PCB (Syringe Spike) 371.8817 373.8788 Lock mass 380.976-31 -
표 8. POPs 구조및성질 Hexachlorobenzene Formula; C6Cl6 IUPAC Name; 1,2,3,4,5,6-hexachlorobenzene CAS; 118-74-1 M.W.; 284.78 b.p.; 323~326 C LogPow; 5.23~6.18 Aldrin Formula; C12H8Cl6 IUPAC Name; (IR,4S,5S,8R)-1,2,3,4,10,10-hexachloro- 1,4,4a,5,8,8a-hexahydro-1,4:5,8-dimethanonapht halene CAS; 309-00-2 M.W.; 364.9 b.p.; 145 C LogPow; 3.01~6.75 Dieldrin Formula; C12H8Cl6O IUPAC Name; (IR,4S,5S,8R)-1,2,3,4,10,10- hexachloro -1,4,4a,5,6,7,8,8a-octahydro-6,7-epoxy-1,4:5,8- dimethanonaphthalene CAS; 60-57-1 M.W.; 380.91 b.p.; 385 C LogPow; 4.7~5.61 Endrin Formula; C12H8Cl6O IUPAC Name; (1R,4S,4aS,5S,6S,7R,8R,8aR)-1,2,3,4, 10,10-hexachloro-1,4,4a,5,6,7,8,8a-octahydro-6, 7-epoxy-1,4:5,8-dimethanonaphthalene CAS; 72-20-8 M.W.; 380.91 b.p.; 245 C LogPow; 5.22-32 -
p,p -DDT o,p -DDT 0p,p -DDD o,p -DDD Formula; C14H9Cl5 IUPAC Name; 1-chloro-4-[2,2,2-trichloro-1-(4- chlor ophenyl)ethyl]benzene CAS; 50-29-3 M.W.; 354.5 b.p.; 260 C LogPow; 6.19~6.38 Formula; C14H9Cl5 IUPAC Name; 1-chloro-2-[2,2,2-trichloro-1-(4-chloro phenyl)ethyl]benzene CAS; 789-02-6 M.W.; 354.49 b.p.; - LogPow; 5.98 Formula; C14H10Cl4 IUPAC Name; 1-chloro-4-[2,2-dichloro-1-(4-chloro phenyl)ethyl]benzene CAS; 72-54-8 M.W.; 320.04 b.p.; 193 C LogPow; 6.02 Formula; C14H9Cl5 IUPAC Name; 1-chloro-2-[2,2,2-trichloro-1-(4-chloro phenyl)ethyl]benzene CAS; 789-02-6 M.W.; 354.49 b.p.; - LogPow; 5.98-33 -
p,p -DDE o,p -DDE trans-chlordane cis-chlordane Formula; C14H8Cl4 IUPAC Name; 1-chloro-4-[2,2-dichloro-1-(4-chloro phenyl)ethenyl]benzene CAS; 72-55-9 M.W.; 284.78 b.p.; 323~326 C LogPow; 5.23~6.18 Formula; C14H8Cl4 IUPAC Name; 1-chloro-2-[2,2-dichloro-1-(4-chloro phenyl)ethenyl]benzene CAS; 3424-82-6 M.W.; 318.03 b.p.; - LogPow; - Formula; C10H6Cl8 Alternate Names; 1,2,4,5,6,7,8,8-octachloro-2,3,3a,4,7,7ahexahydr o-4,7-methano-1h-indene CAS; 5103-74-2 M.W.; 409.78 b.p.; 175 C LogPow; - Formula; C10H6Cl8 Alternate Names; 1,2,4,5,6,7,8,8-octachloro- 2,3,3a,4,7,7ahexahydro-4,7-methano-1H-indene CAS; 5103-71-9 M.W.; 409.78 b.p.; - LogPow; - - 34 -
trans-nonachlor cis-nonachlor Oxychlordane Heptachlor Formula; C10H5Cl9 Alternate Names; 1,2,3,4,5,6,7,8,8-nonachloro- 2,3,3a,4,7,7a-hexahydro-4,7-methano-1H-inden e CAS; 39765-80-5 M.W.; 444.23 b.p.; - LogPow; - Formula; C10H5Cl9 Alternate Names; 1,2,3,4,5,6,7,8,8-nonachloro- 2,3,3a,4,7,7a-hexahydro-4,7-methano-1H-inden e CAS; 5103-73-1 M.W.; 444.23 b.p.; - LogPow; - Formula; C10H4Cl8O IUPAC Name; 2,3,4,5,6,6a,7,7-octachloro- 1a,1b,5,5a, 6,6a-hexahydro-2,5-methano-2H-indeno(1,2,b)o xirene CAS; 27304-13-8 M.W.; 423.76 b.p.; - LogPow; - Formula; C10H5Cl7 IUPAC Name; 1,4,5,6,7,8,8-heptachloro-3a,4,7,7a-tetrahydro-4,7-methanoindene CAS; 76-44-8 M.W.; 373.32 b.p.; 145 C LogPow; 3.87~6.13-35 -
Heptachlor epoxide α-hch β-hch γ-hch Formula; C10H5Cl7O Alternate Names; 2,3,4,5,6,7,7-heptachloro- 1a,1b,5, 5a,6,6ahexahydro-2,5-methano-2H-indeno=(1,2 -b)oxirene CAS; 1024-57-3 M.W.; 545.54 b.p.; 323.4 C LogPow; 6.89 Formula; C6H6Cl6 Synonyms; 1a,2a,3b,4a,5b,6b-hexachlorocyclohexane CAS; 319-84-6 M.W.; 290.83 b.p.; 288 C LogPow; 3.8 Formula; C6H6Cl6 Synonyms; 1a,2b,3a,4b,5a,6b-hexachlorocyclohexane CAS; 319-85-7 M.W.; 290.83 b.p.; 60 C LogPow; 3.78 Formula; C6H6Cl6 IUPAC Name; 1α,2α,3β,4α,5α,6β-hexachlorocyclohexane CAS; 58-89-9 M.W.; 290.83 b.p.; 323.4 C LogPow; 3.72-36 -
δ-hch Mirex Formula; C6H6Cl6 Synonyms; 1a,2a,3a,4b,5a,6b-hexachlorocyclohexane CAS; 319-86-8 M.W.; 290.83 b.p.; 60 C LogPow; 4.14 Formula; C10Cl12 IUPAC Name; dodecachloropentacyclo[5.3.0.02,6.03,9.04,8]dec ane CAS; 2385-85-5 M.W.; 545.54 b.p.; 323.4 C LogPow; 6.89-37 -
HCH 60000 a-hch?-hch ß-HCH d-hch aldrin_dieldrin_endrin 50000 40000 aldrin dieldrin endrin ity s n te In 40000 ity s n te In 30000 20000 20000 10000 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.8 13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 Retention Time (min) 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 Retention Time (min) 13 C HCH 13 C aldrin_dieldrin_endrin 3000000 2000000 ity s n te In 2000000 1000000 ity s n te In 1000000 0 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.8 13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 Retention Time (min) 0 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0 18.5 19.0 19.5 20.0 20.5 Retention Time (min) DDE 300000 o,p -DDE p,p -DDE DDD 300000 o,p -DDD p,p -DDD 250000 250000 ity s n te In 200000 150000 ity s n te In 200000 150000 100000 100000 50000 50000 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 Retention Time (min) 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 21.6 Retention Time (min) 13 C DDE 13 C DDD 12000000 15000000 ity s n te In 8000000 4000000 10000000 ity s n te In 5000000 0 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 Retention Time (min) 0 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 21.6 Retention Time (min) 그림 11. POPs 의자연및동위원소표지된크로마토그램비교. - 38 -
DDT Heptachlor 300000 250000 o,p -DDT p,p -DDT 50000 40000 ity s n te In 200000 150000 100000 ity s n te In 30000 20000 50000 10000 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 21.6 22.0 Retention Time (min) 12.4 12.8 13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 Retention Time (min) 13 C DDT 13 C Heptachlor 6000000 2000000 ity s n te In 4000000 2000000 ity s n te In 1000000 0 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 21.6 22.0 Retention Time (min) 0 12.4 12.8 13.2 13.6 14.0 14.4 14.8 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 Retention Time (min) HCB Mirex 300000 160000 250000 ity s n te In 200000 150000 ity s n te In 120000 80000 100000 40000 50000 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.8 13.2 Retention Time (min) 0 20.8 21.2 21.6 22.0 22.4 22.8 23.2 23.6 24.0 24.4 24.8 Retention Time (min) 13 C HCB 13 C Mirex 12000000 8000000 ity s n te In 8000000 4000000 ity s n te In 4000000 0 0 10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0 12.4 12.8 13.2 Retention Time (min) 20.8 21.2 21.6 22.0 22.4 22.8 23.2 23.6 24.0 24.4 24.8 Retention Time (min) 그림 11. POPs 의자연및동위원소표지된크로마토그램비교 ( 계속 ). - 39 -
heptachlor_epoxide 80000 chlordane 160000 trans-chlordane cis-chlordane 120000 ity s n te In 60000 40000 ity s n te In 80000 20000 40000 0 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 Retention Time (min) 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 Retention Time (min) 13 C heptachlor_epoxide 13 C chlordane 4000000 3000000 6000000 ity s n te In 2000000 1000000 ity s n te In 4000000 2000000 0 0 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 Retention Time (min) 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 Retention Time (min) nonachlor trans-nonachlor cis-nonachlor Oxy-CHL 160000 30000 ity s n te In 120000 80000 ity s n te In 25000 20000 15000 40000 10000 0 5000 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 Retention Time (min) 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 Retention Time (min) 13 C nonachlor 13 C Oxy-CHL 8000000 1200000 ity s n te In 4000000 ity s n te In 800000 400000 0 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 19.6 20.0 20.4 20.8 21.2 Retention Time (min) 0 15.2 15.6 16.0 16.4 16.8 17.2 17.6 18.0 18.4 18.8 19.2 Retention Time (min) 그림 11. POPs 의자연및동위원소표지된크로마토그램비교 ( 계속 ). - 40 -
3.2 국제공동연구 2 차년도수행및영문보고서작성 3.2.1 유기인계농약류동시분석법정립 ( 수돗물분석연구센터 ) 가. 개요유기인계화합물은주로살충제로개발되어사용되고있으나살균제, 제초제등으로도개발되어실용화되어있다. 또한유기인계농약은결합된산소 (O) 및황 (S) 의위치에따라서포스페이트 (phosphate), 포스포로티오에이트 (phosphorothioate), 포스포네이트 (phosphonate), 포스포로디티오에이트 (phosphorodithioate) 등여러가지로세분화된다. 산소원자대신치환된황의원자가많을수록화학적인안정성이길어지고약효기간도증가하는경향이있으며유기염소계에비해지속성이적어잔류의위험이적으며, 살충력이강해적용해충의범위가넓다. 그러나인 축에대한독성이강한약제가많으며지속성이적어많은양이사용되고있다. 국제공동연구 2차년도를수행함에있어서수돗물분석센터의참여분야는주요유기인계농약류동시분석방법의정립이었으며하천수에서원, 정수에이르는범위의액상시료분석을적용범위로설정하였다. 대상물질은센터에서운영하는 250 항목중에포함된유기인계농약류 18 종을선정하여자동화고상추출방법 (SPE) 과조합된 GC-MS/MS,GC-HRMS 방법이함께검토되었다. 표 9. 대상유기인계농약의화학물질등록번호, 화학구조및분자량 Compound CASNumber ChemicalFormula MW Bromacil 314-40-9 C 9 H 13 BrN 2 O 2 261 Cyanazine 21725-46-2 C 9 H 13 ClN 6 241 Dichlorovos(DDVP) 62-73-7 C 4H 7Cl 2O 4P 220 Chloropryfos 2921-88-2 C 9 H 11 Cl 3 NO 3 PS 349 Isoproturon 34123-59-6 (CH 3 ) 2 CHC 6 H 4 NHCON(CH 3 ) 2 206 Metribuzin 21087-64-9 C 8H 14N 4OS 214 Phorate 298-02-2 (C 2H 5O) 2P(S)SCH 2SC 2H 5 260 Propazine 139-40-2 C 9 H 16 ClN 5 230 Terbufos 13071-79-9 (C 2 H 5 O)-p-(O)SCH 2 SO 2 C(CH 3 ) 3 288 Trifluralin 1582-09-8 F 3C(NO 2) 2C 6H 2N(C 3H 7) 2 335 Edifenphos 17109-49-8 C 14H 15O 2PS 2 310 Molinate 2212-67-1 C 9 H 15 NOS 187 Iprobenfos(kitazine) 26087-47-8 C 13H 21O 3PS 288-41 -
Diazinon 333-41-5 C 12 H 21 N 2 O 3 PS 304 Parathion-methyl 298-00-0 C 8H 10NO 5PS 263 Parathion-ethyl 56-38-2 C 10 H 14 NO 5 PS 291 Fenitrothion 122-14-5 C 9H 12NO 5PS 277 Simazine 122-34-9 C 7 H 12 CIN 5 201 나. 주요결과기기분석방법의기본적인조건은 2차년도부터검토를시작하였으며 3차년도는특히기기검출한계, 전처리방법의최적화를통한방법검출한계MDL 를 GC-MS/MS, GC-HRMS 별로비교, 검토하여하천수시료모니터링에적용하여분석방법의적용성을검토하였다. 우선, 기기분석은 GC-MS/MS 에서내부표준물질을포함한 MRM 방법을다음표와같이최적화하였다. 표 10.GC-MS/MS 에서최적화한 MRM 측정조건 Compounds RT Q1 Q3 Energy(eV) dichlorovos(ddvp) 9.2 220 185 10 molinate 12.6 187 126 10 isoproturon 13.15 178 146 10 phorate 13.5 260 75 10 trifluralin 13.59 306 264 10 propazine 14.52 229 214 10 terbufos 14.7 231 129 25 diazinon 14.76 304 179 10 iprobenfos(kitazine) 15.28 204 122 15 metribuzin 15.7 198 110 10 parathion-mehtyl 15.79 263 109 10 Chloroprifos-d10(IS*) 16.21 324 260 15 chloroprifos 16.3 314 286 5 bromacil 16.31 205 188 15 Fenthion-d5(SS*) 16.36 284 115 20 parathion-ehtyl 16.56 291 109 15 cyanazine 16.56 225 189 10 fenitrothion 16.9 277 260 5 simazine 18.92 201 173 5 edifenphos 18.99 173 109 10-42 -
본측정조건을통해얻어진동시분석크로마토그램은아래그림과같으며대상물질들은 20 분이내에, 특히짧은시간대에서모두검출된것으로부터이들은구조적, 물리화학적특성이매우유사한점을시사하였다. 이는 1번총이온크로마토그램에서보듯이검출시간이중복하는피크들이많아 NPD 와같은 GC 검출기로는동시분석이불가능함을나타내었다. 또한구조적유사성과검출시간이근접하는특성은단일질량분석에의한동시분석법도성분분리에한계를가질가능성이높아진다. 이런경우 MS/MS 에의한다중반응검출MRM 방식에서방해이온의영향을최소화하며성분을분리하는방법이유효하다고판단된다. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 그림 12. 유기인계농약류의 GC-MS/MS 크로마토그램 1.TIC,2.Dichlorovos(DDVP),3.Molinate,4.Trifluralin,5.Phorate,6. Isoproturon,7.Propazine,8.Terbufos,9.Diazinon,10.Iprobenfos(kitazine),11. Metribuzin,12.Parathion-methyl,13.Fenitrothion,14.Chloropyrifos,15.Bromacil, 16.Cyanazine,17.Parathion-ethyl,18.Edifenphos,19.Simazine - 43 -
한편, 고분해능질량분석방법의검토는 2 차년도에는주로감도가우수한조각 이온을중심으로검토하였으나,3 차년도에는분자량중심의정량이온과확인용조각 표 11.GC-HRMS 측정시저분자분석그룹의선택이온조합 Compound(low mass) Quan.Mass Qual.Mass Molinate 187.1031 126.0919 Metribuzin 214.0888 198.0701 Simazine 201.0781 186.0546 Bromacil 260.0160 161.9554 Dichlorovos(DDVP) 219.9459 184.9771 Propazine 229.1094 214.0859 Cyanazine 240.0890 225.0656 SimazineD10(surogate) 193.1094 LinuronD6(surogate) 254.0589 AtrazineD5(internalstd.) 205.1094 Lockmass 180.9883 Calibrationmass 242.9851 표 12.GC-HRMS 측정시고분자분석그룹의선택이온조합 Compound(highmass) Quan.Mass Qual.Mass Phorate 260.0128 230.9737 Parathion-mehtyl 263.0017 232.9548 Fenitrothion 277.0174 124.9826 Terbufos 288.0441 153.0139 Iprobenfos(kitazine) 288.0949 246.0479 Parathion-ehtyl 291.0330 154.9932 Diazinon 304.1010 137.0715 Edifenphos 310.0251 172.9826 Trifluralin 335.1093 264.0232 Chlorpyrifos 313.9574 348.9263 LinuronD6(surogate) 254.0589 FenthionD6(surogate) 284.0670 Parathion-ethylD10(surogate) 301.1113 ChlorpyrifosD10(internalstd.) 324.0357 Lockmass 242.9851 Calibrationmass 330.9787-44 -
이온을설정하는조건으로확립하였다. 측정조건은검출시간대가좁은것을고려하여시간으로그룹을나누지않고저분자및고분자범위로그룹을분리하였고다음표와같이각각의조건에적합한내부표준물질을설정하여, 저분자그룹에서는 Atrazine D5 와 Linuron D6, 고분자그룹에서는 Parathion-ethyl D10 와 ChlorpyrifosD10 각 2종류씩선정하여검토하였다. Dichlorovos Simazine Molinate Trifluralin Dimethoate Dimethoate Propazine Terbufos Diazinon Iprobenfos Metribuzin Parathion-mehtyl Fenthion D6 Isoproturon Parathion-ehtyl D10 Fenitrothion Parathion-ehtyl Phorate Cyanazine Bromacil Edifenphos Chlorpyrifos D10 Lock mass 그림 13. 고분해능질량분석방법에의한유기인계화합물크로마토그램 - 45 -
시료의전처리방법은자동화고상추출방법을검토하였으며농약류분석에사용빈도가높은역상폴리머계열인 RP-1, 플로리실 FL-PR, 옥타데실계 C18 (GL Science), Pesticide (Varian), 옥타데실계열인 ENVI18, 실리카계열인 LRC-SI (Supelco) 등 6종의카트리지타입고상추출재질에대해자동고상추출시스템 (Autotrace,Dionex,USA) 을사용하여동일컨디셔닝, 용출용매및유속조건을적용하여각 3회분석한평균회수율결과, 적정회수율로고려한 70~130% 이내의회수율을모든화합물에대해만족하는카트리지제품은없었으나 RP-1 이가장우수한성능을가진것으로나타났다. 카트리지별회수율은 RP-1 > Pesticide > C18>ENVI18>FL-PR >LRC-SI 순이었으며본시험에서전반적으로우수한회수율을보인농약은 parathion-ehtyl,fenitrothion,parathion-mehtyl,edifenfos 등이었으며 trifluralin,phorate,terbufos 는 6종의제품에대해매우낮은회수율을보였다. Water sample (0.5L) Conditioning (DCM-MeOH-DIW) Add Surrogate Sample loading SPE validation RP-1 (GL Science) FL-PR (GL Science) Dehydration C18 (GL Science) Pesticide (Varian) N 2 Elution 5% ACE/DCM ENVI18 (Supelco) LRC-SI (Supelco) Concentration Turbo Vap Add IS GC-MS/MS or HRMS 그림 14. 고상추출방법의전처리절차및자동화고상추출시스템 (Autotrace) - 46 -
DCM 5%ACE/DCM 120 100 Recovery (%) 80 60 40 20 0 molinate trifluralin phorate bromacil propazine terbufos diazinon iprobenfos methribuzine parathion-ehtyl fenitrothion parathion-mehtyl chlorpyrifos 그림 15.RP-1 의용출용매조건에따른유기인화합물의회수율 다음으로 RP-1 을이용하여용매조건을 5% 아세톤 / 디클로로메탄및디클로로메탄단일용출조건으로하여비교한결과에서대부분의농약은 5% 아세톤의첨가에의해회수율이크게상승한것으로나타났다. 이는고상추출분석조건에서질소퍼지에의한 30 분간수분제거단계에서카트리지내에남아있는미량의수분이용출용매와반발하여회수율에영향을미치는점이시사되었다. 정립한기기분석및전처리방법을조합한유기인계농약의동시분석방법은 RP-1 고상추출과 GC-HRMS 가최적인것으로판단하였으며 MS/MS 를포함한방법검출한계 (MDL,method detection limit) 을산출하여비교하였다. 표준물질은 20ng/L 로설정하여실험실의수돗물에첨가한후 7회반복실험하였으며측정값의표준편차에 3.14 를곱하여 MDL 을산출하였다. 본방법에의한 MDL 값의범위는 2.2-10.6ng/L 였으며 molinate,simazine 을제외하면 10ng/L 의매우낮은검출한계값을가지는것으로나타났다. - 47 -
표 13.RP-1 및 GC-HRMS 측정에의한대상화합물의직선성, 회수율 ( 수돗물 ) 및방법검출한계 (MDL) Compound Linearity Rec% Tap MDL(ng/L) Bromacil 0.999 103 3.9 Dichlorovos(DDVP) 0.999 82 9.7 Metribuzin 0.999 65 5.9 Phorate 0.999 110 8.3 Propazine 0.999 64 6.5 Terbufos 0.998 43 6.5 Trifluralin 0.999 67 2.8 Edifenphos 0.999 101 8.3 Molinate 0.999 40 10.0 Iprobenfos(kitazine) 0.999 111 7.0 Diazinon 0.999 59 3.6 Parathion-ehtyl 0.999 106 2.2 Fenitrothion 0.999 110 5.6 Parathion-mehtyl 0.995 51 9.0 Simazine 0.996 55 10.6 Chloropyrifos 0.999 79 8.9 본분석방법을이용하여 5월에채수한한강수계하천수시료를모니터링한결과, iprobenfos(kitazine) 이가장광범위한분포로존재하는것으로나타났으며다음으로 chloropyrifos 가검출한계에근접한낮은 ng/l 범위에서검출되었다. 이들농약은농업활동이진행되는유역주변에서검출되는특징을보였으며따라서북한강유역에서는거의전항목이검출되지않았다. - 48 -
180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 L-NHW01 L-NHW04 L-NHW06 L-NHW09 L-NHW11 L-SHW03 L-SHW05 L-SHW07 L-SHW10 L-SHW12 L-SHW15 L-SHW17 L-SHW19 L-SHW22 L-HW0 4 L-HW07 L-HW09 L-HW13 L-GW02 L-GW04 L-GW07 L-GW10 L-ASW01 L-NHW7 L-SHW2 L-HW10 L-GW5 SHW21 그림 16.5 월한강수계지점별 iprobenfos(kitazine) 의분포특성 다. 고찰유기인계화합물의동시분석법에서는전처리에역상폴리머계열의자동화고상추출방법과기기분석에는 GC-MS/MS,GC-HRMS 방법의검토를통해낮은 ng/l 에서동시분석이가능한분석방법을정립하였다. 현재까지정립한방법은모든유기인계농약류를높은회수율로분석하는데제한점이있으나낮은 ng/l 수준의동시분석이가능하였다. 향후 MS/MS 를적용한유기인농약분석은염소계농약에비하여검출한계가높으므로감도최적화를위한기기분석조건의세밀한검토가요구되며 HRMS 방법을적용한검출한계개선에서 10ng/L 이하를가지고있으므로정수장정수등의모니터링에적합한것으로판단되었다. - 49 -
3.2.2 유기인계농약대사물질동시분석법정립 ( 일본농업환경기술원 ) 가. 개요국제공동연구 2차년도에서유기인계농약류의동시분석방법은수돗물분석센터가정립을담당한것에대해일본 NIAES 는지금까지물환경에서검출가능성이보고된유기인계농약의대사물질metabolite10 항목에대한동시분석방법의정립으로참여하였다. 이들대사물질은모화합물보다세포독성이더큰것으로보고되었으며정수장에서는염소처리에의해생성가능성이지적되어실험실생성테스트에서확인된화합물들이다. CH 3 H 3 C CH N N O O P O O CH 3 C H 2 CH 2 CH 3 CH 3 Name Formula CAS MW LogKow Diazinon C 12 H 21 N 2 O 3 PS 333-41-5 304 5.22 Diazinon Oxon C 12 H 21 N 2 O 4 P 962-58-3 288 1.95 그림 17. 유기인계농약의대사에의한구조및물성변화 표 14. 유기인농약대사물질의등록번호, 구조식, 분자량및 Kow OP Oxons CasNo. Formula M.W LogKow DiazinonOxon 962-58-3 C 12H 21N 2O 4P 288.28 1.95 Tolclofos-methylOxon 97483-08-4 C 9H 11Cl 2O 4P 285.06 - MEPOxon 2255-17-6 C 9 H 12 NO 6 P 261.17 - MPPOxon 6552-12-1 C 10 H 15 O 4 PS 262.26 - - 50 -
ChlorpyrifosOxon 5598-15-2 C 9 H 11 Cl 3 NO 4 P 334.52 - IsofenphosOxon 31120-85-1 C 15H 24NO 5P 329.33 2.89 ProthiofosOxon 38527-91-2 C 11H 15Cl 2O 3PS 329.18 - ButamifosOxon 56362-05-1 C 13H 21N 2O 5P 316.29 - IsoxathionOxon 32306-29-9 C 13H 16NO 5P 297.24 - EPN Oxon 2012-00-2 C 14H 14NO 5P 307.24 2.67 나. 주요결과시료의전처리는고상추출방법을최적화하였으며세부절차는다음과같다. 500mL 시료에내부표준물질 (phenanthrened10) 을검량선농도구간에따라적당량첨가하고, 시료는입자가많을경우유리섬유여지를사용하여 100 ml/min 의유속으로진공여과한다.HLB 와같은고상SPE 카트리지는 5mL의디클로로메탄, 5 ml 의메탄올,5 ml 의증류수순서로컨디셔닝한다. 이후,Air 가스를 500 ml/min 의유속으로 1분건조시킨다음, 시료를 10 ml/min 유속으로여과한다. 유기인대사물질의고상용출은디클로로메탄 5mL로하여용리액은질소기류하에농축하여분석용매로 100 μl 재용리한다. 또한최적화한 GC-MS,GC-HRMS 의분석조건은아래와같다. 표 15. 유기인대사물질측정을위한 GC-MS 분석조건 MScondition Quan.Mass RatioMass DiazinonOxon 273 288 Tolclofos-methylOxon 249 285 MEP Oxon 244 109 MPP Oxon 262 109 ChlorpyrifosOxon 270 197 IsofenphosOxon 229 201 ProthiofosOxon 162 139 ButamifosOxon 244 216 Isoxathion Oxon 161 105 EPN Oxon 141 169-51 -
표 16. 유기인대사물질측정을위한 GC-HRMS 분석조건 HRMScondition Quan.Mass RatioMass DiazinonOxon 273.3918 288.9824 Tolclofos-methylOxon 249.3353 285.2859 MEP Oxon 244.2815 109.0780 MPP Oxon 262.3322 109.0848 ChlorpyrifosOxon 270.2779 197.1536 IsofenphosOxon 229.2617 201.2068 ProthiofosOxon 162.2433 139.1794 ButamifosOxon 244.2815 216.0877 Isoxathion Oxon 161.3475 105.2786 EPN Oxon 141.0866 169.4978 Lockmass 118.9920 Centmass 280.9824. 기기분석 후, 유기인계 농약 대사물질은 검량곡선의 상대감도계수 (Relative ResponseFactor,RRF) 를이용한내부표준법으로정량한다. 고분해능질량분석조건은 EI 와선택이온모니터링방법에서 10,000 이상의분해능으로분석한다. 유기인계농약 대사물질의크로마토그램을 GC-MS 와 GC-HRMS 에서측정한결과별로아래그림에 나타내었다. 그림 18.GC-MS 에서의유기인계농약류대사물질크로마토그램 - 52 -
D ia z in o n O x o n T o lclo fo s -m eth y l O x o n 1 0.2 1 0. 6 1 1.0 1 1.4 1 1. 8 1 2.2 12.6 1 3.0 1 3.4 13.8 R e te n tio n Ti me (m in ) 1 2.2 1 2. 6 1 3. 0 1 3. 4 13.8 14. 2 1 4. 6 15.0 1 5.4 R e te nt ion T im e (mi n ) M E P O xo n M P P O xo n 1 1.2 1 1. 6 1 2.0 1 2.4 1 2. 8 1 3.2 13.6 1 4.0 1 4.4 14.8 R e te n tio n Ti me (m in ) C h lo rp y rifo s O x o n 11.5 1 2.0 1 2. 5 13.0 1 3.5 1 4. 0 1 4. 5 1 5.0 1 5.5 1 6.0 1 6.5 R e te nt ion T im e (mi n ) Iso f en p h o s O x o n 1 4.2 1 4.6 15.0 1 5.4 15.8 1 6. 2 1 6.6 17.0 1 7.4 1 7. 8 R e te nt io n T im e (m in ) 1 4.2 1 4. 6 1 5. 0 1 5.4 15.8 1 6.2 16.6 1 7. 0 1 7.4 1 7.8 R e te n tio n Ti me (m in ) P ro th io fo s O x o n B u t am if o s O x o n 1 5.2 1 5. 6 1 6.0 1 6.4 1 6. 8 1 7.2 17.6 1 8.0 1 8.4 18.8 R e te n tio n Ti me (m in ) 1 6.2 1 6.6 17.0 1 7.4 17.8 1 8. 2 1 8.6 19.0 1 9.4 1 9. 8 R e te nt io n T im e (m in ) E P N O x o n Iso x a th io n O xo n 2 5.2 2 5. 6 2 6.0 2 6.4 2 6. 8 2 7.2 27.6 2 8.0 2 8.4 28.8 R e te n tio n Ti me (m in ) 17.5 1 8.0 1 8. 5 19.0 1 9.5 2 0. 0 2 0. 5 2 1.0 2 1.5 2 2.0 2 2.5 R e te nt ion T im e (mi n ) 그림 19.GC-HRMS 에서의유기인계농약류대사물질크로마토그램다. 고찰일본 NIAES 는 oxon 대사물질이모화합물보다수용성이크게증가함에착안하여액액추출을사용하는대신 HLB 계열의고상추출을이용한전처리방법을정립하였고기기분석은일반적인 GC-MS 방법과 GC-HRMS 방법검토를병행하였다. 방법검출한계 (MDL) 는시료의메트릭스특성과분석화합물에따라차이가있으나, 하천수, 지하수, 먹는물의 MDL 의범위는 SPE-GC-MS 적용시 0.5~40 μg/l, SPE-GC-HRMS 적용시 0.05~0.8μg/L 를제안하였다. 특히고분해능질량분석법의적용은문헌상보고사례가없는최초의방법으로판단된다. 이방법을이바라키현근처의하천수에적용한모니터링에서는 10 개시료에서전항목이불검출이었으나향후수돗물분석연구센터에서는분석방법을최적화, 검증하여실제수처리공정에서의생성및검출여부를확인하는조사에활용할예정이다. - 53 -
3.2.3 염화나프탈렌및염화파라핀동시분석법정립 ( 국립환경과학원 ) 가. 개요염화나프탈렌 (Polychlorinated Naphthalenes,PCNs) 과염화파라핀 (Shortchain chlorinated parafins, SCCPs) 은생산및사용이제한된잔류성유기오염물질 (POPs) 후보물질이다. 특히염화파라핀은최근에러시아, 중국등에서대량으로생산하여유통하고있는화합물로서향후국내산업에서의포함물질의사용및환경중확산이우려되는물질로서단쇄구조를가지므로물환경으로의유입및영향이예상된다. 본분석법은하천수, 지하수, 먹는물을대상으로액-액추출후, 방해물질제거를위한다층실리카겔과플로리실을이용한정제방법의최적화및 GC-MS 방법을검토하였으며염화나프탈렌의분석에는일반적방법및고분해능질량분석방법을병행하여제안하였다. 그림 20. POPs 후보물질인나프탈렌과파라핀화합물의 2000 년유럽권배출동향 - 54 -
표 17.SCCPs 대상표준물질농도및염소함유량 Compound Concentration(ng/µL) Cl% C10-C13 100 55.50 나. 주요결과추출과정은다음과같은절차로요약된다.1000mL 의시료를 ph 7로조정하고 2000mL 의분액여두에옮긴다. 시료추출은디클로로메탄 60mL 를첨가한다음약 2분간진탕하고, 수층과용매층의분리를위하여약 10 분간정치시킨다. 위와같은추출작업을 3회반복하고, 용매층 ( 디클로로메탄 ) 의수분을무수황산나트륨으로제거한다. 정제는다층실리카겔컬럼과플로리실컬럼 (20g) 을병행하며두방법에서헥산 100mL 와 50% 디클로로메타 / 헥산 (v/v)100ml 로각각용출하여염화파라핀을두번째분획에서정제하였다. Florisil Column (activated or 1.2% water) Hexane Hexane:CH 2 Cl 2 (1:1, v/v) PCBs, HCBs, DDTs, Toxaphene,, etc. SCCPs (heptachlor epoxide, dieldrin) 그림 21. 플로리실컬럼을이용한염화파라핀의정제 - 55 -
Silicagel Column (3% or 5% water) Hexane Hexane:CH 2 Cl 2 (1:1, v/v) PCBs, HCBs, DDTs, Toxaphene,, etc. SCCPs 그림 22. 실리카겔컬럼을이용한염화파라핀의정제 한편,SCCP 와 PCNs 의 GC/MS,GC/MS/MS,HRGC/HRMS 에서분석조건을 최적화하여다음표와같이측정방법을제안하였다. 표 18.GC/MS(CI) 와 GC/MS/MS(EI) 를이용한 SCCPs 분석조건 System GC/MS(CI)and GC/MS/MS(EI) Column DB-5MScapilarycolumn, (15m 0.25 mm I.D. 0.25 μm film thickness) Oventemp. 100 40 min 250 40 min 300 (15min) (4min) (10min) Inlettemp. 275 Injectionvolume 1μL Injectionmode splitless Flow rate 1.0mL/min(He99.999%),CI:8.6Torr(CH4),EI:1.5mTor(Ar) Sourcetemp. 160 (CI),200 (EI) Quardrupoletemp. 150 Interfacetemp. 280 Ionizationmode CI(150eV),EI(70eV) Detection mode SIM - 56 -
표 19.GC/MS 와 GC/HRMS 를이용한 PCNs 분석조건 System GC/MSand HRMS Column DB-5MScapilarycolumn (60m 0.25 mm I.D. 0.25 μm film thickness) Oventemp. 90 10 min 160 2 min 260 10 min 300 (1min) (2min) (10min) Inlettemp. 260 Injectionvolume 1μL Injectionmode splitless Flow rate 1.0mL/min(He99.999%) Sourcetemp. 230 (MS),260 (HRMS) Quardrupoletemp. 150 Interfacetemp. 230 Ionizationmode EI70eV(MS),EI35eV(HRMS) Detection mode SIM, Resolution(HRMS) 10,000 1Cl : [C10H21] + 2Cl : [C10H20Cl] + 3Cl [C5H8Cl] + 139-103 [C5H6Cl] + 173-101 [C5H7Cl2] + 173-137 4Cl 5Cl 6Cl 7Cl 8Cl 9Cl 10Cl 11Cl 그림 23. SCCP 중 C10 계열에대한의 GC-MS/MS 분석크로마토그램 다. 고찰 염화나프탈렌은매우안정적인화학구조를가지며염소가최대 8 개까지치환된 화합물이과거사용되었고 4~5 개의염소가치환된동족체가퇴적물및대기환경에서 - 57 -
주요분석대상이될것으로보여지며물환경에서검출가능성이높은동족체는 mono~tricn 사이로예상된다. 따라서국립환경과학원은액-액추출방법을제안하였으나, 향후본분석방법의물분석최적화를위해수돗물분석센터에서는옥타데실계열의고상추출방법을고려할필요가있으며정량분석도고분해능분석방법의적용이실용적일것으로판단하였다. 또한단쇄염화파라핀의물분석방법은분석시간과비용절감을위해정제단계를생략할수있는지에대한검토가필요하며기기분석방법은감도와선택성측면에서 MS/MS 방법이검량곡선에대한직선성도우수하였고,200~500pg 의낮은검출한계를가지므로가장효과적인분석방법으로판단하였다. 3.2.4 하수처리장시료의의약물질동시분석법정립 ( 독일수도기술원 ) 가. 개요수중의의약물질분석법은매트릭스이영향이적은시료 ( 하천수, 지하수, 먹는물 ) 에대하여적용되고발전하였다. 그러나, 공장배수시료의경우매우복잡하고다양한매트릭스가존재하기때문에이러한간섭들은전처리및분석결과에영향을줄수있다. 특히,LC-MS 를기반으로하는분석법은이러한매트릭스에쉽게영향을받을수있다. 독일수도기술원은하수처리장유출수의의약물질에대해먹는물분석법과하수분석법으로분석한결과를다음표와같이제시하여, 적용한분석법에따라결과값이전혀달라질수있음을경고하였다. 의약물질의분석에오랜경험을가진독일수도기술원은공동연구 1차년도에정수장관련분석방법의제안에이어 2차년도 (09 년 6월종료 ) 에는하수처리장의유입 & 유출수의의약물질분석법을최적화하여제안하였다. - 58 -
표 20. 폐수시료의의약물질분석시먹는물분석법과폐수분석법적용결과 (Unit;µg/L) Analyte "Cleanwatermethod" "Wastewatermethod" Bezafibrate 0.02 0.06 Carbamazepine 0.03 0.70 Diclofenac 0.01 0.39 Ibuprofen 0.15 1.4 Paracetamol 0.75 3.5 Amidotrizoicacid 0.48 1.7 Iopamidol 0.35 1.3 나. 주요결과우선, 전처리방법중증류수를이용하여하수시료를희석하는희석법을적용한결과, 장점으로서 1) 고상추출SPE 과정에서유기물질의감소와회수율이증가하고, 2)MS 의감도가향상되며,3) 분석시정량한계가낮아지는것을밝히고, 기기분석에서희석한의약물질의검량곡선은더욱양호한직선성을나타내었다. 두번째로는내부표준법의최적화로서하수분석의매트릭스영향을피하는방법으로내부표준물질의적절한사용을제안하였다. 내부표준물질은분석화합물과화학적으로유사한구조를가지고, 매트릭스의영향을피하는최적의방법으로서본연구의분석방법에널리적용되었으며, 하수처리장유출수의의약물질분석시시료를희석하고내부표준물질을사용하여정량하는방법을시도하였다. 그결과, 내부표준물질을사용하지않은결과와비교하여결과의편차가적게나타났으며, 이는내부표준물질에의해효과적으로매트릭스의영향을상쇄시켜주는것으로설명하였다. 세번째방법으로는표준물첨가법의적용이다. 표준물첨가법의장점은검량곡선을시료에직접적용하는것으로서아래그림은내부표준물질을사용하지않은하수처리장유입수와유출수의 iopamidol 과 amidotrizoic acid 의분석결과를비교하였다. 본방법은매트릭스의영향을감소시키기위하여희석배수를 20 과 10 으로조절한다음, 표준물질을단계별로첨가한것으로서이방법에서시료의분석대상물질양은 X축절편으로부터구한다. 아래그림에서알수있는것처럼하수시료의회귀곡선의직선성은매우양호하였으며이는표준물질첨가법이하수시료매트릭스의영향을받지않는것으로신뢰할수있는결과값이얻어짐을제안하였다. 표준물첨가법의결과를내부표준법및희석방법과비교시, 분석결과의편차가 10% 이내로나타났다. 수도기술원의평가에의하면이러한결과는먹는물시료의불확도크기와 - 59 -
비슷한수준으로설명하고있다. 단, 표준물첨가법은높은신뢰성에도불구하고, 분석시노동집약적이고분석에소모되는시간소비가많은점을지적하였으며특히, 시료의농도를예측할수없기때문에반복적인첨가실험을하여야하는단점을가지고있다. 따라서하수시료의분석에는시료의특성과농도범위에따라독일에서제안한방법의각기관최적화가중요하다. 200000 1800000 180000 1600000 160000 1400000 Peak area 140000 120000 100000 80000 y = 48,859x + 33564 R 2 = 0,9997 Peak area 1200000 1000000 800000 y = 446,36x + 372129 R 2 = 0,9924 60000 600000 40000 400000 20000 200000 0-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 c = 658 ng/l c in ng/l (A) iopamidol (D = 20) 0-1000 -500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 c = 674 ng/l c in ng/l (B) amidotrizoic acid (D = 20) 300000 3000000 250000 2500000 Peak area 200000 150000 y = 62,35x + 86925 R 2 = 0,9999 Peak area 2000000 1500000 y = 630,28x + 848241 R 2 = 0,9999 100000 1000000 50000 500000 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 c = 1386 ng/l c in ng/l (C) iopamidol (D = 10). 0-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 c = 1353 ng/l c in ng/l (D) amidotrizoic acid (D = 10). 그림 24. 희석한하수처리장유입수의표준물첨가법에의한 iopamidol 과 amidotrizoicacid 정량 - 60 -
표 21. 하수중의 iopamidol 와 amidotrizoicacid 분석시희석법, 내부표준법, 표준첨가법의분석결과 Concentration(ng/L) Dilution InternalStandard Standard addition WWTP influent Iopamidol 12,000 12,000 13,160 Amidotrizoicacid 10,000 11,000 13,480 WWTP efluent Iopamidol 16,000 17,000 13,860 Amidotrizoicacid 14,000 15,000 13,530 다. 고찰하수처리장시료의분석은시료에다양한간섭물질과복잡한매트릭스를함유하여정확하지않은분석결과값을초래할수있다. 그러나하수시료의의약물질분석시에신뢰도향상을위한중요한시도를제안하였다. 희석법은매트릭스의영향을감소시키는데충분한희석배수를검토할필요가있으며, 쉬운적용성과저비용분석의장점을가진다. 내부표준법은분석및전처리과정에서매트릭스에대한영향을줄여주며, 적용성이용이하다. 그러나, 동위원소는고가이기때문에, 의약물질에개별적으로사용하기는쉽지않다. 또한, 내부표준물질의종류선택은중요한요소로서오히려부정확한결과를초래할수있다. 표준물첨가법은분석시노동집약적이고시간소비가많지만, 결과에대하여매우높은신뢰성을제공한다. 따라서이렇게제안된분석방법에대한각기관의최적화및분석과정의데이터축적이매우중요한요소라할수있다. 3.2.5 분석법비교를통한정도관리개선 ( 미국오렌지카운티수도국 ) 가. 개요유기화합물의전통적인추출방법인액액추출법은노동집약성, 비친환경성과함께정확 정밀도의편차에대한시험자간영향을크게받는방법이므로고상추출방법 (SPE) 이약 10~15 년전부터농약류등많은항목의추출과정을대체해왔다. USEPA 도먹는물과폐수분석을위한다양한환경분석법을제시하는과정에서고상추출방법을정도관리측면에서중요한기술로제안하였다. 오렌지카운티수도국은고상추출방법의적용을통한시료의전처리에있어서정도관리향상을위한개 - 61 -
선점, 주의점, 한계성등을비교분석하여각기관에서분석방법을정립하는데있 어서참고할만한사례들들제시하였다. 나. 주요결과 SPE 의추출조건은극성, 용해도, 휘발도, 화합물의안정성과같은요소에따라다양하다.SPE 가최적의상태가된다면결과값은과거전통적인액액추출법보다재현성과분석방법의민감도가향상할것이다. 아래그림에서는다환방향족탄화수소류를전처리하는데액-액추출법과세가지디스크타입고상추출법을비교하였다. 이사례에서고전적인액-액추출법의회수율은스티렌디비닐벤젠또는단일 150 100 50 0 Naphthalene Acenaphthylene Acenaphthene Fluorene Phenanthrene Anthracene Fluoranthene Pyrene Bnezo(a)anthracene Chrysene Benzo(b)fluoranthene Benzo(k)fluoranthene Benzo(a)pyrene Dibenzo(a,h)anthrace ne Benzo(g,h,I)perylene Indeno(1,2,3- c,d)pyrene Liquid - Sing C-18 Sing C-18 Double C-18 SDB Liq uid-liquid 그림 25.PAH 의전처리방법별회수율비교 25 옥타데실타입의고상추출에비해근소하게우수한경향을나타내었으며옥타데실을 2매적용하면 doublec18 이전반적으로회수율이향상되었으나분석단가가상승하는점이고려되어야한다. 실제디스크형고상추출은카트리지방식에비해분석시간단축효과는크지만, 시료수에제한을받고정밀도가커지는경향이단점으로지적되고있다. 따라서이러한방법을적용하는기관은세부적인요소를고려하여추출시스템을선정할필요가있다. - 62 -
100 50 0 Naphthalene Acenaphthylene Acenaphthene Fluorene Phenanthrene Anthracene Fluoranthene Pyrene Benzo(a)anthracene Chrysene Benzo(b)fluoranthene Benzo(k)fluoranthene Benzo(a)pyrene Dibenzo(a,h)anthrace ne Benzo(ghi)perylene Indeno(1,2,3- cd)pyrene Ac etonitrile Acetonitrile Methylene Chloride 그림 26.PAH 의옥타데실고상추출에서추출용매별회수율 위사례는고상추출에서의최적의추출용매조건을비교한것으로서대상물질 ( 농도포함 ), 고상카트리지재질및용출용매의특성모두가고려되어야비로서 정도관리기준을만족하는추출방법이달성됨을제안하였다. 다. 고찰다성분동시분석방법을정립하는데기본원칙인한가지분석방법에서최대한의오염물질정보를얻어내는것이전처리와기기분석법의구축에핵심이다. 모든요소를만족하는 sorbent 는존재하지않으므로시판의고상추출시스템을이용하더라도많은요소에대한고려와경험이필요하며고상추출의자동화는시험자간, 실험실간분석의오차요소를줄이는데매우효과가크며현실적인정도관리개선방안의대안으로고려할필요가있다. 3.2.6 영문보고서작성 가. 참여분야및보고서구성의특징 09 년 5 월에종료한국제공동연구 2 차년도는협약서합의사항에근거하여 5 개 참여기관의담당분야에대한분석방법을영문으로제작하였다. 수돗물분석연구센터는 - 63 -
유기인농약류의분석방법이 MS/MS 방법과 HRMS 방법으로분리하여제안함에 따라 1,2 장을작성하였다.3 장은 NIAES 에서유기인농약대사물의분석방법,4 장은 국립환경과학원에서염화나프탈렌과염화파라핀의분석방법을작성하였다. P ha rm a c - O P pe stic id e e utic a ls (W A R C ) in W W T P (TZ W ) M e tho d De v elo p m e nt & A pp lic a at tio n s O P Q A /O C m eta b o lite s (O C W D ) (to ta l 1 3 38 8) ) (N IA ES) PC Ns C Ps (N IER) 그림 22. 국제공동연구 2 차년도참여기관및담당분야 그림 27. 2 차년도영문보고서및 7 개분야별목차 - 64 -
표 22. 국제공동연구 2 차년도참여기관및참여분야 참여기관참여분야대상항목및적용분석기술 수돗물분석 연구센터 (WARC) 한국 국립환경 과학원 (NIER) 한국 수도기술 연구원 (TZW) 독일 농업환경 기술연구소 (NIAES) 일본 오렌지카운티 수도국 (OCWD) 미국 유기인계 농약류 (17 항목 ) 분석방법 염화나프탈렌 (16 항목 ) 합계 Diazinon,Parathion(ethyl,methyl),Fenitrothion,Bromacil, Cyanazine, Dichlorovos, Dimethoate, Isoproturon, Metribuzin, Simazine, Phorate, Propazine, Terbufos, Trifluralin,Edifenphos,Iprobenfos,Molinate 시료의전처리 : 액-액추출 (LLE) 및자동고상추출방법 (SPE) 기기분석 :GC-MS/MS 및 GC-HRMS PCN 2,6,13,28,52,66,73,75,27,36,46,48,50,53,69,72 염화파라핀 ( 혼합물 ) C10-C13Mixture 분석방법 하수처리장 의약물질 (67 항목 ) 분석방법 유기인계농약류대사물질 (10 항목 ) 분석방법 미규제오염물질 UCMR2 (28 항목 ) 분석방법 기기분석 :GC-MS/MS 및 GC-HRMS Bezafibrate, Carbamazepine, Clofibric acid, Diazepam, Diclofenac, Etofibrate, Fenofibrate, Fenofibric acid, Fenoprofen, Gemfibrozil, Ibuprofen, Indometacine, Ketoprofen, Naproxene, Pentoxifyline, Atenolol, Betaxolol, Bisoprolol, Clenbuterol, Metoprolol, Pindolol, Propranolol, Salbutamol, Sotalol, Terbutaline, Phenazone, Dimethylaminophenazone, Propyphenazone, Simvastatine, Cyclophosphamide, Ifosfamide, Iopamidol, Iopromide, Iomeprol, Amidotrizoicacid,Ioxitalamicacid,Ioxaglicacid,Iohexol,Iotalamic acid, Chloramphenicol, Oleandomycin, Anhydro-Erythromycin, Roxithromycin, Clarithromycin, Spiramycin, Tylosin, Sulfadiazine, Sulfadimidine, Sulfamerazine, Sulfamethoxazole, Trimethoprim, Metronidazole, Ronidazole, Amoxicilin, Oxacilin, Cloxacilin, Dicloxacilin, Nafcilin, Penicilin G, Penicilin V, Cefaclor, Cefadroxil,Cefalexin,Cefixim,Ceftiofur,Ceftriaxon,Cefuroxim 시료의전처리 : 자동고상추출방법 (SPE) 기기분석 :LC-MS/MS butamifosoxon,chlorpyrifosoxon,diazinon oxon,epn oxon,fenitrothion oxon,fenthion oxon,isoxathion oxon, isofenphosoxon,prothiofosoxon,pyridaphenthionoxon 시료의전처리 : 고상추출방법 (SPE) 기기분석 :GC-MS/MS 및 GC-HRMS EPA 521:NITROSAMINES,EPA 527:PBDEs, EPA 529:EXPLOSIVES,EPA 528:PHENOLS 시료의전처리 : 고상추출방법 (SPE) 기기분석 :GC-MS/MS 및 GC-HRMS 138 항목이상 - 65 -
독일수도기술원은하수처리장시료의분석방법과공정별제거특성을 5장,6 장에별도작성하였으며미국오렌지카운티수도국은 7장에정도관리의비교결과를요약하였다. 분석절차서로서작성한 1차년도영문보고서에비해 2차년도영문보고서는 1~4 장은 12 개표준절차에따라작성하고 5~7 장은연구보고의형태로작성하였다. 나. 향후과제영문보고서는참여기관의합의사항에따라 12 개표준절차항목을근간으로분석절차서로구성되어있다. 분석방법의적용범위에서표준물질, 내부표준물질의범위와전처리및기기분석의필수절차및정도관리사항을기재하였다. 부록으로검량곡선제작용표준물질의준비와크로마토그램, 기기분석조건등을예시하여각기관에서실용적인참고자료가되도록제작되었다. 본영문분석절차서의보완으로서향후에는정도관리의실제데이터와시료분석사례의수록여부에대한논의가필요할것으로사료된다. - 66 -
3.3 신규오염물질의동시분석법정립 : 폴리브롬계난연제 PBDE 27 항목동시분석법 3.3.1 분석원리및분석대상물질 물시료를고상추출방법으로, 역상폴리며계열인 RP-1(GL Science) 을적용, 분석시간을단축하기위하여 15 m 의 DB-5 컬럼을장착한 GC/HRMS 를이용하여 정성및정량하는방법이다. 표 1 에분석대상화물인 PBDE 27 종을나타내었다. 표 23. 분석대상물질 PBDE No Compound CAS No. 1 4-MoBDE(3) 101-55-3 2 2,4'-DiBDE(7) 171977-44-9 3 2,4'-DiBDE(15) 2050-47-7 4 2,2',4-TriBDE(17) 147217-75-2 5 2,2,4'-TriBDE(28) 41318-75-6 6 2,2',4,4'-TeBDE(47) 5436-43-1 7 2,2',4,5'-TeBDE(49) 243982-82-3 8 2,3',4,4'-TeBDE(66) 189084-61-5 9 2,3',4',6-TeBDE(71) 189084-62-6 10 3,3',4,4'-TeBDE(77) 40088-47-9 11 2,2',3,4,4'-PeBDE(85) 182346-21-0 12 2,2',4,4',5-PeBDE(99) 60348-60-9 13 2,2',4,4',6-PeBDE(100) 189084-64-8 14 2,3',4,4',6-PeBDE(119) 189084-66-0 15 3,3',4,4',5-PeBDE(126) 366791-32-4 16 2,3',3,4,4',5'-HxBDE(138) 182677-30-1 17 2,2',4,4',5,5'-HxBDE(153) 68631-49-2 18 2,2',4,4',5,6'-HxBDE(154) 207122-15-4 19 2,3,3',4,4',5-HxBDE(156) 36483-60-0 20 2,2',3,4,4',5',6-HpBDE(183) 207122-16-5 21 2,2',3,4,4',6,6'-HpBDE(184) 68928-80-3 22 2,3,3',4,4',5',6-HpBDE(191) 68928-80-3 23 2,2',3,3',4,4',5,6'-OcBDE(196) 32536-52-0 24 2,2',3,3',4,4',6,6'-OcBDE(197) 32536-52-0 25 2,2',3,3',4,4',5,5',6-NoBDE(206) 63387-28-0 26 2,2',3,3',4,4',5,6,6'-NoBDE(207) 437701-79-6 27 DecaBDE(209) 1163-19-5-67 -
3.3.2 표준물질및시약 가. 증류수 : 시약용정제수를사용하거나순수제조장치로정제된물을사용한다. 단공시험할때표준물질의피크부근에불순물피크가없는것을사용한다. 나. 노난및데칸 : 고순도 ( 특급이상 ) 를사용한다. 다. 아세톤, 디클로로메탄, 핵산, 톨루엔 : 잔류농약 PCB 시험용또는다이옥신분 석용을사용한다. 라. 표준원액및내부표준원액 : EPA 1614 규격상당의검량선용표준원액 (labelled compound stock solution), clean up standard spiking solution, internal standard spiking solution, precision and recovery stock solution을사용하며노난용액내에있는것을이용한다. 마. 표준용액 : 검량선용표준용액키트 (Wellington Laboratories) 와 clean up standard spiking solution (Wellington Laboratories) 은희석하지않고사용한다. - 68 -
표 24. 표준물질제조사및물품번호 물질명제조사물품번호 4-MoBDE(3) PBDE 2,4'-DiBDE(7) 2,4'-DiBDE(15) 2,2',4-TriBDE(17) 2,2,4'-TriBDE(28) 2,2',4,4'-TeBDE(47) 2,2',4,5'-TeBDE(49) 2,3',4,4'-TeBDE(66) 2,3',4',6-TeBDE(71) 3,3',4,4'-TeBDE(77) 2,2',3,4,4'-PeBDE(85) 2,2',4,4',5-PeBDE(99) 2,2',4,4',6-PeBDE(100) 2,3',4,4',6-PeBDE(119) 3,3',4,4',5-PeBDE(126) 2,3',3,4,4',5'-HxBDE(138) 2,2',4,4',5,5'-HxBDE(153) 2,2',4,4',5,6'-HxBDE(154) 2,3,3',4,4',5-HxBDE(156) 2,2',3,4,4',5',6-HpBDE(183) 2,2',3,4,4',6,6'-HpBDE(184) 2,3,3',4,4',5',6-HpBDE(191) 2,2',3,3',4,4',5,6'-OcBDE(196) 2,2',3,3',4,4',6,6'-OcBDE(197) 2,2',3,3',4,4',5,5',6-NoBDE(206) 2,2',3,3',4,4',5,6,6'-NoBDE(207) DecaBDE(209) Wellington BDE-CVS-E 3.3.3 기기및장치 가. 시험기기 : 가스크로마토그래프 (GC) - 고분해능질량분석기 (HRMS) 나. 분석컬럼 : 이성체간또는방해물질과의최적의분리용출을위해 Supelco 의 DB-5 으로측정에사용할수있으며, 이와동등또는그이상의성능을가진컬럼 을선택할수있다. - 69 -
다. SPE 카트리지 : 역상폴리며계열인 RP-1(GL Science) 3.3.4 시험방법 가. 시료전처리 : 시료의전처리는고상추출방법 (solid phase extraction) 을적용하였으며자동화전처리방식을이용하여고상카트리지의종류간성능을비교, 검토하였다. EPA method 1614가디스크방식의스티렌디비닐벤젠계열재질을채택한반면, 본연구에서는역상폴리며계열인 RP-1(GL Science) 을적용하여, 이러한과정에따라정제된시료를 GC-HRMS로측정한다. 나. 시험 ( 기기분석조건 ) (1) 가스크로마토그래피분석조건 표 25. 가스크로마토그래피분석조건 Capilarycolumn Temperatureprogram Injectortemperature 280 Injectionmode Injectionvolume Cariergas Flow rate DB-5(15m,0.25mmID,0.25μm) GC oven:120 for2.0min 1stRate:15 /min Finaltemperature:230 for15min 2nd Rate:10 /min Finaltemperature:330 for5.80min Splitless 1μL Helium Transferlinetemperature 280 Splitlessand purgeoftime 1.0mL/min(constantflow) 1.0min (2) 질량분석기 (mass spectrometer) 분석조건 진공상태의확인, 튜닝과질량교정후바탕시험및검량선의상대감도계수 (RRF) 확인 GC/HRMS에의한다이옥신류의분석은분석하고자하는대상동족체에대 - 70 -
한 2개이온을선택이온검출법 (SIM) 으로검출하며, 검출된선택이온은면적비, 체류시간, 질량검정피크의상태등 PBDE류의확인과정을거치게된다. 일단확인된선택이온에대해서는가스크로마토그래프의피크면적으로부터내부표준법으로정량한다. 다. 표준검량선작성내부표준법에의한 PBDE의정성및정량을위한검량선작성에이용되는표준물질로, Native compounds 및 Labeled compounds가 1.0 2000 ng/ml 의농도범위에서 5단계로혼합된것을사용하여검량곡선을작성한다. 라. 정성및정량 (1) 피크면적강도비의확인 : 얻어진크로마토그램으로부터, 각표준물질에대응하는 2개의질량수의이온의피크면적의강도비를구해, 염소원자의동위체존재비로부터추정된이온강도비와일치하는것을확인한다. (2) 상대감도의산출상대감도의산출은다음과같다. 각표준물질및내부표준물질의피크면적을구하고, 각표준물질에대응하는 Clean-up spike에의한내부표준물질에대한피크면적의비와주입한표준액중그표준물질과내부표준물질의농도비를이용하여검량선을작성하고, 상대감도 (RRFcs) 를산출한다. RRFcs는다음식에의해각농도값을구한것을평균하고, 데이터의변동계수가 5 % 이내가되어야한다. 또한, 최소자승법으로 1차회귀직선을구하고, 그기울기가 RRFcs 로사용되기도한다. 여기서, RRFcs는측정대상물질과 Clean-up spike에의한내부표준물질과의상대감도 ; As : 측정대상물질의피크면적 Acs : Clean-up spike에의한내부표준물질의피크면적 Qs : 측정대상물질의양 (pg) Qcs : Clean-up spike에의한내부표준물질의양 (pg) 이다. - 71 -
한편, Clean-up spike에의한내부표준물질과 Syringe spike에의한내부표준물질에대한상대감도 (RRFrs) 는다음에의해산출한다. 여기서, RRFrs는 Clean-up spike에의한내부표준물질과 Syringe spike에의한내부표준물질과의상대감도 Ars : Syringe spike에의한내부표준물질의피크면적 Acs : Clean-up spike에의한내부표준물질의피크면적 Qrs : Syringe spike에의한내부표준물질의양 (pg) Qcs : Clean-up spike에의한내부표준물질의양 (pg) 이다. (3) 검량선의확인 : 검량선작성용표준액을 SIM 측정작업에따라측정하고, 각이성체와그에대응하는 Clean-up spike에의한내부표준물질에대한상대감도 (RRFcs) 를구한다. 또한, Clean-up spike에의한내부표준물질에대응한 Syringe spike에의한내부표준물질에대한상대감도 (RRFrs) 를구한다. 이러한상대감도가검량선작성시의상대감도 (RREcs 및 RRFrs) 에대해 ±20 % 이내인것을확인하고, 범위를벗어나는감도의경우, 그원인을찾아제거하고, 다시측정한다. (4) 감도의확인 : 일정주기 ( 예를들어, 일상분석시 1~2일 1회정도 ) 로서검량선작성용표준용액의중간정도농도인것을선정하고, 측정작업에따라측정하고, 각이성체의정제용내부표준물질에대한상대감도 (RRFcs) 를구한다. 이값이측정한값에대해 ±20 % 이내에있는것을확인하고, 이범위를벗어나서감도가변동하는경우, 그원인을찾아제거하고, 시료를다시측정한다. 또한, 체류시간에대해서도, 그변동을조절하고, 체류시간이일일 ( 하루 ) 에 ±5 % 이상, 내부표준물질과의상대체류비가 ±2 % 변동하는경우에는, 그원인을찾아제거하고, 그값이전에행해진일련의시료를다시측정한다. (5) 관리차트 (Control chart) 의작성 : 관리차트는시험기기, 시험조건및시험실환경등이장기적으로어떻게변화되고있는지를측정하기위하여사용한다. 관리차트는시험실에서실시되는분석이항상동일한조건에서실시되고있음을입증하는자료이며, 분석기기의성능저하여부, 표준물질의안정성등을확인할수있는수단이될수도있다. 분석자들은이러한관리차트를활용시험기기의점검, 교정주기및소모품등의교체주기를설정할수있다. 시험시마다측정된관리시료의측 - 72 -
정결과를관리차트에추가하여측정세기의분포상태를파악한다. 만약경고수준을초과한경우에는시험기기나시험조건등의상태변화여부를점검하여야하며관리수준을초과한경우는원인규명을실시하여오류를수정후재측정을실시한다. (6) 정성및정량 : 모니터한 2개이상의이온에대한크로마토그램상의피크면적비율이자연계에서의동위체자연존재비로부터추정된이온강도비에대해 ±15 % 범위이내이어야하며, 만일그범위를벗어나는경우에는피크분리능및방해물질존재여부를평가하여다이옥신류여부를확인한다. 동위체피크면적비에대한계산결과는시료분석결과와함께제시되어야한다. 정량은시료중동정된 DLPCB의양 (Qi) 은, 그에대응하는정제용내부표준물질의첨가량을기준으로하여내부표준법으로다음에의해구한다. 다른이성체에대해서도마찬가지로구한다. 여기서, Qi : 이성체의양 (pg) Ai : 크로마토그램상의이성체피크면적 Acsi : 대응하는정제용내부표준물질의피크면적 Qcsi : 대응하는정제용내부표준물질의첨가량 (ng) RRFcs : 대응하는정제용내부표준물질과의상대감도이다. 농도의산출얻어진각이성체의양으로부터, 시료중의농도를다음에의해산출하고, 특히지정이없는경우는 KS A 0021의규정에의해수치를구하고, 유효숫자를 2자리로한다. 여기서, Ci : 시료중의이성체의농도 (pg/l) Qi : 추출액전량중이성체의양 (pg) - 73 -
Qt : 바탕시험에서의이성체의양 (pg) V : 시료채취량 (L) 이다. 표 26. 질량분석장치운영조건 항목 Instrument Sectortype MAT-95XP 내용 doublefocusingmagneticsector Resolution R>10,000( 13 C 12-OCDF 를내부표준으로사용시 12,000) Ionization mode EImode Ionsourcetemp. 280 Interfacetemp. 280 Ionization current Ionization voltage Accel.voltage SIM monitoring Cal.Curve PeakDetection Identification Quantification 0.5mA 42V 5kV -ionsmonitored aremorethantwolockmassmethod -window analysisformultiiondetection 5stepsofcalibrationstandardsforRRF S/N>2.5 RT and relativeisotoperatioswithin15% thesame retentiontimewithinternalstandards isotopedilutionmethod 마. 참고문헌및분석법 ( 참고분석법 Method) 본시험방법은 EPA 1614 및 JIS K 0312 를참고로하였으며다항목동시분석 을시도하였다. - 74 -
표 27. 수공분석법특이사항 Reference(EPA method 1614) 본연구의분석방법 분석대상물질내부표준물질 (IS) 전처리방법비교 PBDE (8 종 ) PBDE (27 종 ) 2,2,4'-TriBDE(28) 2,2',4,4'-TeBDE(47) 2,2',4,4',5-PeBDE(99) 2,2',4,4',6-PeBDE(100) 2,2',4,4',5,5'-HxBDE(153) 2,2',4,4',5,6'-HxBDE(154) 2,2',3,4,4',5',6-HpBDE(183) DecaBDE(209) 4-MoBDE(3) 2,4'-DiBDE(7) 2,4'-DiBDE(15) 2,2',4-TriBDE(17) 2,2,4'-TriBDE(28) 2,2',4,4'-TeBDE(47) 2,2',4,5'-TeBDE(49) 2,3',4,4'-TeBDE(66) 2,3',4',6-TeBDE(71) 3,3',4,4'-TeBDE(77) 2,2',3,4,4'-PeBDE(85) 2,2',4,4',5-PeBDE(99) 2,2',4,4',6-PeBDE(100) 2,3',4,4',6-PeBDE(119) 3,3',4,4',5-PeBDE(126) 2,3',3,4,4',5'-HxBDE(138) 2,2',4,4',5,5'-HxBDE(153) 2,2',4,4',5,6'-HxBDE(154) 2,3,3',4,4',5-HxBDE(156) 2,2',3,4,4',5',6-HpBDE(183) 2,2',3,4,4',6,6'-HpBDE(184) 2,3,3',4,4',5',6-HpBDE(191) 2,2',3,3',4,4',5,6'-OcBDE(196) 2,2',3,3',4,4',6,6'-OcBDE(197) 2,2',3,3',4,4',5,5',6-NoBDE(206) 2,2',3,3',4,4',5,6,6'-NoBDE(207) DecaBDE(209) 탄소동위원소 (13C) 내부표준물질및시린지표준물질 고상추출방법으로, 디스크방식고상추출방법으로, 역상폴리며계열의스티렌디비닐벤젠계열재인 RP-1(GL Science) 을적용질을채택 GC/HRMS, SIM mode 기기분석 조건비교 GC oven : 100 for 1 min 1st Rate : 180 /min Final temperature : 220 for 6min 2nd Rate : 5.0 /min Final temperature : 300 GC oven : 120 for 2.0 min 1st Rate : 15 /min Final temperature : 230 for 15 min 2nd Rate : 10 /min Final temperature : 330 for 5.80 min - 75 -
Water sample (0.5~1L) Conditioning (DCM-MeOH-DIW) Add Surrogate Sample loading SPE (RP-1, GL Science) Dehydration N 2 Elution HEX Concentration Turbo Vap Add IS GC-HRMS 그림 28. PBDE 분석모식도 - 76 -
3.3.5 시험결과 : 항목별크로마토그램및스펙트럼 가. PBDE 항목별크로마토그램및스펙트럼본연구에서는 27종의 PBDE 이성체에대해고상추출장치로추출및전처리하고 GC/HRMS를사용하여분석하였다. 수중의 PBDE 분석시, 27개의이성체를분석해야하기때문에, 분석감도를높이기위하여 Mono~Tetra BDE( 저브롬화물 ) 과 Penta~Deca BDE( 고브롬화물 ) 2개의그룹으로나누어분석하였다. 측정이온을선정하기위하여각각의동족체별 M + 와 [M-2Br] + 의감도를측정하였다. 그림 5에서와같이 M + 와 [M-2Br] + 의감도를비교해보면저브롬화물에서고브롬화물로갈수록 [M-2Br] + 감도가상대적으로좋아지는것을확인할수있다. 그림 6의동족체별 PBDE 정량, 정성이온의조합비교에서도 [M-2Br] + 의감도가상대적으로높게나타나며, 그림 7에 DeBDE의 M + 와 [M-2Br] + 의상대적인감도를피크크기로나타내었다. 위와같은결과로 PBDE 분석시각동족체별측정이온은 M + ( 저브롬화물 ) 와 [M-2Br] + ( 고브롬화물 ) 을기본으로사용하였다. 그림 29. PBDE 동시분석크로마토그램 - 77 -
그림 30. PBDE 동시분석에서동족체별정량, 정성이온의조합비교 그림 31. DeBDE 의 M + 및 [M-2Br] + 사이의상대적감도비교 선택된측정이온을이용하여 PBDE를분석하였으며, 분석시간을단축하기위하여 15m 길이의컬럼을사용하였다. 분석결과 PBDE의총분석시간은 40분이내로 EPA method와비교하여 10여분단축되었다. 그림 8과 9에 PBDE의 27개이성체별크로마토그램을나타내었으며, 검출시간및정밀질량의차이를이용하여동시분석이가능하였다. 또한, 검출한계를더욱낮게유지하기위하여동족체별그룹을세분화하여분석하였다. - 78 -