한국환경분석학회지제 15 권 ( 제 4 호 ) 275~281, 2012 J. of the Korean Society for Environmental Analysis 한약재중중금속분석의정도관리에관한연구 황병훈 1 전인철 2 강호철 3 서용찬 1 1 상지대학교환경공학과, 2 인천재능대학교화장품과, 3 한국화학연구원융합화학연구본부 Quality Control for the Analysis of Heavy Metals in Herbal Medicine Byeong-Hun Hwang 1, Inchul Jun 2, Ho-Cheol Kang 3, and Yong-chan Seo 1 1 Department of Environmental Engineering, Sangji University, Wonju 220-702, Korea 2 Department of Cosmetics, Jeiu University, Incheon 401-714, Korea 3 Korea Research Institute of Chemical Technology, Daejeon 305-600, Korea Received December 14, 2012/Revised December 21, 2012/Accepted December 26, 2012 Control measures for the analysis of toxic compounds such as metals, and sulfur dioxide should be developed to assure the safety of herbal medicines. Various herbal medicine was properly selected and analysed by KFDA and other methods. Samples either prepared by microwave or hot plate digestions were analysed by AA (either flame or furnace), ICP, and/or ICP-MS. Method detection limits for various metals and methods were reviewed based on applicability of these methods on the equivalency of KFDA methods. Proper quality control criteria for matrix spike recoveries (accuracy indicator) will be 70~130% for metal analysis in herbal medicine. Relative errors expressed in relative percent difference for duplicate analysis (precision indicator) will be 15% for the same analysis. Laboratories for herbal medicine analysis can produce and report reliable data by implementing proper standardized quality control (QC) measures. Key words: Quality control, herbal medicine, heavy metal 1. 서론한약재의소비가늘어나면서, 질병치료목적으로사용되는한약재의오염 ( 수확, 수집, 가공, 운반등 ) 으로인한중금속오염등이한의학계및국민건강에상당한문제로대두되고있다. 1,2) 현재많은오염매개체들로인하여재배되는채소및약재들이여러중금속에많이노출되어있다. 한약재 ( 식물한약재 ) 는그특성상토양같은자연환경을기반으로자라기때문에주변환경오염에많은영향을받을수밖에없다. 실제로교통량이과밀한도로나고속도로근처토양과가로수, 채소는금속오염수준이높은등주변환경에영향을받는것으로보고된다. 3,4) 따라서중금속에많이노출될수밖에없는환경에있다. 기본적으로농산물의중금속축적도토양내의중금 속이흡수되어발생하는것이므로 5) 한약재도간과하여서는안된다. 이러한한약재를안전하게복용하기위해서는약재를정확하게분석하여사람들이복용하는데있어서안정성을높일필요가있다. 이에한약재분석기관은과학적으로타당하며법적으로변호받을수있는체계적이며표준화된정도관리 (quality control, QC) 를통해신뢰성있는분석결과를생산, 보고하여야한다. 분석의정도관리의목적은대표성있는시료를확보하고그시료를분석할때품질의지표라고할수있는정밀도 (precision) 와정확도 (accuracy) 를분명히파악하여문제가있을때적절한대응책 (correctional action) 을마련누구나신뢰할수있는자료를계속적으로생산하는데있다. 6-8) 국내외적으로한약재의중금속함량에관한연구는 To whom correspondence should be addressed. Tel: +82-33-730-0446, Fax: +82-33-730-0444, E-mail: ycseo@sangji.ac.kr
276 황병훈 전인철 강호철 서용찬 많아지고있다. 수종한약재를대상으로유해금속, 유전독성이있는납, 카드뮴, 비소, 수은의중금속의함량을조사한연구 9) 와약용식물과그재배토양의토성별중금속함량분포와상관성연구 10) 등여러연구결과가보고되고있다. 그러나지금까지의연구는한약재에대한몇가지중금속의오염정도를측정하였으며, 일부약재나전처리방법의차이등결과의대표성에문제점이있었다. 이런것들을예방하기위해서분석보장이필수적이다. 다양한분석정도관리 (Analytical Quality Control, AQC) 는분석결과에대한분석의책임을나타내기에, 결과를이용하는모든사람들에게신뢰감을준다. 11) 국제적으로도 GLP (good laboratory practice), GMP (good manufacturing practice), 환경분석의 QA/QC, ISO 17025 등분석정도관리방안을도입하여검사기관의인증 (certification) 등을통한분석의신뢰성을확보해나가는것이국제적인추세이다. 특히한약재는치료, 보약및건강보조식품의개념으로광범위하게사용되고있으며때로는병약자에게사용되고있어안전한한약재의확보는국민의건강증진을위해필수적이다. 현재대한약전, 식약청고시등에는분석의신뢰성을확보하기위한제도적장치가미비하여분석의신뢰성을확보하는것이중요하기때문에분석회수율과정밀도에대한 QC criteria 설정이필요하다. 2. 실험방법 2.1. 재료근경류의감초 (Glycyrrhizae Radix), 산약 (Dioscoreae Rhizoma), 황기 (Astragali Radix), 인삼 (Ginseng Radix), 반하 (Pinelliae Tuber), 향부자 (Cyperi Rhizoma), 원지 (Polygalae Radix) 종자류의치자 (Gardeniae Fructus), 백자인 (Thujae Semen) 피류의두충 (Eucommiae Cortex), 그리고전초류의인진호 (Artemisiae Capillaris Herba) 총 11종으로실험을실시하였다. 간머문후실험을종료하며, 식힌후꺼낸다. 식힌시료를 filter paper(watman 41) 에거른후최종부피는 100 ml로한다. 11) 2.2.2 습식분해테프론비커에시료 0.5~1.0 g을넣고질산을 20 ml 주입한후에하룻밤방치한후에 90 o C ± 5 o C에서가열시킨다. 12) Fig. 1. Diagram of microwave digestion. 1시간후갈색연기가생기면질산을다시넣어주며이과정은갈색연기가나지않을때까지반복한다. 갈색연기가나지않으면 2시간동안환류시켜주고시료가식어완전히반응이끝났을때증류수 2mL와과산화수소 1mL를각각첨가한다. 이때과산화수소의 2.2. 전처리방법 2.2.1. Microwave digestion Vessel 에시료 0.5 g을넣고질산 12 ml를주입한후 15분간환류시킨후 Microwave로전처리한다. Microwave 모델은 Mars XP-1500으로 CEM에서제조한것으로분석조건은다음과같다. 10분동안 160 o C까지상승시킨후 160 o C에서 15분간머물고다시 10분동안 170 o C까지온도를다시상승시켜 15분 Fig. 2. Diagram of hot plate acid digestion.
한약재중중금속분석의정도관리에관한연구 277 양은 10 ml 이상넣지말아야하며다식은시료를 filter paper(watman 41) 에거른후최종부피는 100 ml로한다. 2.3. 기기분석위와같이전처리한시료를 ICP(Varian, Vista MPX), ICP-MS(Varian, 820-MS) 그리고 AA(Varian, AA 240Z) 로분석하였으며, 분석조건은각각 Table 1, 2, 3에제시하였다. Table 1. ICP operating conditions for metal analysis Instrument Parameters Setting range for Normal Sensitivity - Plasma flow (L/min) 15.0 - Auxiliary flow (L/min) 2.25 - Nebulizer pressure (kpa) 200 - Sample uptake delay (s) 20 - Power (kw) 1.00 - Pump rate (rpm) 20 - Instrument stabilization delay (s) 20 - Rinse time (s) 20 - Replicates 3 - Replicate read time (s) 5 Table 2. ICP-MS operating conditions for metal analysis Instrument Parameters Setting range for Normal Sensitivity Gas flow (L/min) - Plasma flow 17.5 - Auxiliary flow 1.50 - Sheath Gas 0.15 - Nebulizer flow 1.01 - RF Power (kw) 1.35 Sample Instruction - Sampling Depth (mm) 5.5 - Pump rate (rpm) 6 Ion Optics (volts) - First extraction Lens -1 - Second extraction Lens -173 - Third extraction Lens -211 - Corner Lens -243 - Mirror Lens Left 62 - Mirror Lens Right 31 - Mirror Lens Bottom 30 - Entrance Lens -2 - Fringe Bias -2.4 - Entrance Plate -32 - Pole Bias 0.0 Table 3. GF/AAS operating conditions for metal analysis As Cd Pb Instrument Type Furnace Conc. Units ug/l Sampling Mode AutoMix Calibration Mode Concentration Measurement Mode Peak Height Expansion Factor 1.0 Minimum Reading Disabled Smoothing 7 point Conc. Dec. Places 2 3 2 Wavelength 193.7 nm 228.8 nm 283.3 nm Slit Width 0.5R nm 0.5 nm 0.5 nm Lamp Current 10.0 ma 4.0 ma 10.0 ma Lamp Position 1 Background Correction BC Off 3. 결과및고찰 문헌상으로얻을수있는낮은농도의검출한계수준으로중금속을증류수에 spike한후분석절차와같은방법으로전처리하여각각의분석장비를이용하여 MDL을계산하였으며 7개시료의표준편차에 3.14 를곱하여나타냈다. 이분석에앞서, 검량선작성후공인시료를측정하여검량확인 (calibration check) 을실시하였고매 20개시료를측정한후에공인시료를다시측정하여기기의안정성을주기적으로검토하였다. Fig. 3은 7개의증류수에카드뮴을 spike한후식약청고시에따라 microwave 로분해한후 ICP, GFAA, ICP-MS 로분석한결과를바탕으로 MDL을계산한것을보여준다. 카드뮴의 MDL은 ICP는 0.17 mg/kg, GFAA는 0.044 mg/kg 그리고 ICP-MS는 0.003 mg/kg 으로 ICP-MS가가장낮은 MDL 값을나타내었다. Table 3은각전처리방법과기기에따라실험에의해얻어진 MDL 또는물시료등의 MDL로부터추산하여얻은 MDL 값들을정리한것이다. 대부분금속의 MDL은 ICP>GFAA>ICP-MS의순서로나타나 ICP- MS가가장낮은양호한검출한계를갖는것으로나타났다. 그리고현재와같이 0.5 g 정도의시료를습식또는 microwave로분해한후최종부피를 100 ml로맞춘경우에는 ICP 또는 flame AA로는 As, Cd, Pb 등의유해물질을낮은농도에서측정하는것은현실적으로어려운실정이다. 예를들어한약재의카드뮴기준이
278 황병훈 전인철 강호철 서용찬 Fig. 4. Relationship between relative percent difference and lead concentration - ICP. Fig. 3. Calculation of method detection limit for cadmium analysis. 0.3 mg/kg일경우에도 ICP 또는 flame AA의약 0.5 g의시료를분해하여최종부피를현재와같이 100 ml로할경우현기준의준수여부를결정하는데어려움이있어최종부피를 20 ml로하여희석효과를상쇄하는방향으로분명하게시험법에서규정해야할필요가있으며향후기준이더강화될경우농축배수를늘이거나더욱감도가좋은 ICP-MS 또는흑연로원자 흡광광도계 (graphite furnace atomic absorption spectrometer) 와같은장비의사용이반드시필요하다. Fig. 4는 microwave digestion 후 ICP로납을분석하였을때이중시료에대한상대오차 (relative percent difference, RPD) 와납의농도의상관관계를표시한것으로낮은농도에서측정값의상대적인신뢰성이떨어짐을볼수있다. 즉 MDL과비슷한수준에서는분석값의정밀도가떨어지나 MDL의 10배이상의경우에는 RPD가 10% 이내로안정적인정밀도를보여준다. 이런경향은모든분석에서비슷한형태를보이고따라서어떤유해성기준을설정할때정밀도를고려한다면시험검출한계는기준보다최소한 10배이하낮은값을가져야한다. 따라서기준이낮을경우에는검출한계가낮은분석법인 GFAA 또는 ICP-MS 방법을채택해야하며실험결과도이런기기를사용할경우상대적으로낮은농도에서도안정적인정밀도를보여주고있어기준이강화될경우이런기기의사용이필수적일것으로판단된다. 또 EPA 등에서정밀도의평가기준을 MDL의 20배를기준으로평가기준을달리하는것도동일한이유이며 ( 중금속분석시, 측정농도 <20 MDL의경우 RPD 25% 이하, 측정농도 >20 MDL 의경우 RPD 10% 이하 ) 우리도 QC criteria를정할때이런점을고려해야한다. 정밀도 (precision) 를분석하기위하여모든시료에대해이중시료분석을실시하였으며 Fig. 5는납을 ICP로분석한결과를비교한것으로낮은농도의경우상대적으로오차가크게나타났다. Table 5는각원소에대한정밀도를보여주고있으며기기별로큰차이는나타나지않았다. 분석의정확도를위하여같은시료를두개씩취하여각각에기지 ( 旣知 ) 농도의중금속을 spike하여 (MS/
한약재중중금속분석의정도관리에관한연구 279 Table 4. Method detection limit by instrument unit: mg/kg Fig. 5. Comparison of duplicate analysis (Lead) - microwave digestion/icp. Element ICP GFAA ICP-MS Measured (Estimated) Measured (Estimated) Measured (Estimated) Ag 0.33 (0.4) (0.1) 0.17 (0.02) Al 30 (4) (0.6) 3.6 (0.2) As 4.2 (1.6) 0.054 (0.2) 0.2 (0.28) Ba 1.4 (0.2) (0.4) 1.9 (0.16) Be 0.058 (0.06) (0.4) 0.10 (0.06) Ca 27 (2) - - Cd 0.17 (0.2) 0.044 (0.01) 0.087 (0.1) Co 0.31 (0.4) (0.2) 1.5 (0.018) Cr 0.3 (0.8) (0.4) 1.4 (0.18) Cu 3.9 (0.6) (0.2) 0.44 (0.1) Fe 160 (6) (0.2) - K 19 (60) - - Mg 8.5 (4) - - Mn 0.47 (0.2) (0.04) 0.19 (0.02) Mo 0.75 (0.8) (0.2) 3.7 (0.06) Na 66 (6) - - Ni 0.85 (1) (0.2) 1.2 (0.1) Pb 1.4 (2) 0.27 (0.2) 0.16 (0.12) Sb 8.9 (1.6) (0.6) 0.22 (0.08) Se 7.6 (4) (0.4) 0.86 (1.58) Sr 0.63 (0.06) - 0.023 Tl 26 (0.2) - 0.20 (0.06) V 0.068 (0.6) - 0.23 (0.5) Zn 4.3 (0.6) - 1.7 (0.36) Hg - 0.64(CVAA) (0.09) MSD) 회수율을검토하였다. Fig. 6은주요규제대상물질인 ICP로분석한비소, 카드뮴, 납에대한회수율을나타낸것으로모두 80% 이상의양호한회수율을나타내었고다른금속의경우에도 ICP와 ICP-MS 분석에대한회수율이양호하였으나 ( 은, 철제외 ) GFAA 의회수율은조금낮게나타났으며 (Table 4), 두시료 (MS와 MSD) 간의정밀도는대부분양호하게나타났다 (Table 4). 4. 결론 Fig. 6. Arsenic, cadmium and lead recovery for herbal medicine analysis - Microwave digestion/icp-ms. 현행방법으로주로사용되는 microwave와 hot plate digestion( 습식분석 ) 과 ICP 또는 Flame AA를사용하는경우시험검출한계가높아한약재안전성기준평가에문제가발생할수있다. 따라서 GFAA 또는 ICP-MS 법을도입하거나시료를농축하여야할것이
280 황병훈 전인철 강호철 서용찬 Table 5. Precision and accuracy by duplicate and spike recovery test Element MS/MSD RPD Recovery, % Sample RPD ICP GFAA ICP/MS ICP GFAA ICP/MS ICP GFAA ICP/MS Al 20.8±23.2-10.6±10.4 91.7±29.4-92.8±27.0 12.4±9.3-16.2±10.6 As 5.0±4.2 5.7±6.0 12.4±15.1 90.6±6.0 71.6±7.1 87.8±12.0-50.7±19.5 16.5±8.4 Ba 9.7±18.9-5.9±3.5 97.6±5.1-98.5±9.7 11.6±11.7-14.7±16.2 Be 2.2±2.5-3.8±1.9 87.6±5.3-87.1±7.4 9.51±6.13-20.7±16.7 Cd 2.2±2.3 7.0±3.1 2.4±2.4 84.2±5.0 79.9±5.9 81.2±5.4 13.2±9.5 24.0±11.5 4.45±4.55 Co 2.4±2.5-2.2±1.5 84.5±5.5-82.7±82.6 17.5±13.1-11.1±14.1 Cr 2.8±2.5-3.4±5.1 84.8±5.3-80.4±5.7 17.8±14.1-19.2±16.5 Cu 3.1±2.4-5.0±4.8 180.9±10.6-89.8±6.7 9.5±7.9-10.1±8.0 Fe 34.2±44.0-5.0±11.0 139.3±111.4-94.0±9.3 12.3±8.6-13.8±13.4 Mn 10.7±25.4-6.1±3.9 88.4±11.7-112.3±14.2 8.4±9.5-13.4±18.8 Mo 2.3±2.5-4.9±4.2 91.3±5.9-83.5±7.2 - - - Ni 3.1±2.8-5.6±4.9 87.6±5.7-80.6±6.6 8.7±8.4-13.4±12.1 Pb 3.3±2.2 4.6±3.8 5.9±7.8 85.0±6.0 45.7±5.0 85.8±6.3 18.6±10.6 11.7±13.3 15.4±12.9 Sb 6.4±3.5 - - 91.6±9.2 - - 22.4±16.6 - - Se - - 1.5±1.6 - - 83.5±3.0 - - - Sr 5.2±5.3-4.5±3.4 88.7±9.0-110.2±21.6 6.7±6.3-5.3±5.6 V 2.4±2.5-4.0±4.5 91.1±91.8-87.3±5.5 2.2±2.6-12.7±11.9 Zn 5.3±5.1-13.1±11.5 80.1±6.3-103.7±18.8 16.0±9.4-13.5±9.0 며모든분석기관은사용하는분석법에대한시험검출한계를정기적 ( 최소 1년에 1회이상또는기기등분석법이달라졌을경우 ) 으로검토할것을 QC의의무사항으로설정해야할것이다. ICP-MS의실제시료에대한 matrix spike recovery는일부항목에대해낮게나타났으나안정성평가대상항목중비소는 76~ 119%, 카드뮴은 74~92% 를그리고납은에서는 75~ 98% 의회수율을얻었다. 현재수질오염공정시험기준에의한회수율은 75~125% 를제시하고있으며 14), 토양오염공정시험기준에서는회수율 70~130% 를제시하고있다. 15) 이에한약재의안전율을고려하여비소카드뮴및납분석회수율에대한 QC criteria로 70~130% 정도로제시하는것이합당할것으로판단된다. 이값은미국 EPA 에서유기물등방해물질이거의없는토양을분석할때도대부분의중금속에대해 75~125% 의회수율을 QC criteria로사용하는것을고려하면적절하다고판단된다. 본연구에서이중시료, 또는 MS/MSD 분석을통해얻은이중시료분석에대한 RPD(%) 는 GFAA로분석한비소를제외하고 20% 내였으며이중분석에이용된시료들이비교적낮은농도로존재하기때문에안전율을고려하여 30% 의 RPD 를 QC기준으로사용할수있을것으로판단된다. 수질오염공정시험기준과토양오염공정시험기준에의한 RPD 는각각 25% 와 30% 를나타내고있고, 14,15) 비교적방해물질이없는토양의중금속분석시에도측정농도 <20 MDL의경우 RPD 25% 이하의값을 criteria 로사용하고있는미국 EPA 와비교해도이기준은별로손색없는기준으로평가된다. 감사의글 본연구는식품의약품안정청의 한약재분석기관정도관리표준화기법연구 ( 과제번호 07092생약안306) 와 한약재분석기관유해물질정도관리연구 ( 과제번호 08112생약안218) 과제의지원을받아수행되었습니다. 이에감사한다. 참고문헌 1. 이근주, 코메디닷컴, http://www.kormedi.com/news/ news/orient_medi/1183134_2904.html, 2007. 2. 노의근, 보건신문, http://www.bokuennews.com/news/ article.html?no=20563, 2007. 3. 박기학, 교통량과밀도로주변의토양과가로수, 대기중 Pb, Cu, Zn 중금속농도와그상관성에관한연구. 한국환경보건학회지, 18(2), 19-25, 1992. 4. 홍사오, 박승희, 토양및채소중의중금속오염에관한
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