한국환경분석학회지제 11 권 ( 제 4 호 ) 247~253, 2008 J. of the Korean Society for Environmental Analysis IC-CD 및 IC-MS 를이용한하천수중퍼클로레이트분석특성 박재성 김영희 이정섭 강학구 차준석 정광용 국립환경과학원무기물질분석연구과 Analytical Characteristics for Perchlorate in Surface Water using IC-CD and IC-MS Jae Sung Park, Young Hee Kim, Jung Sub Lee, Hak Gu Kang, Jun Seok Cha, and Kwang Yong Jung Inorganics Analysis Research Division, National Institute of Environmental Research, Incheon 404-708, Korea Perchlorate is an environmental contaminant of growing concern due to its potential human health effect including respiratory stimulation, skin sensitization and thyroid malfunction. It is commonly found in wastewater from explosives- or LCD manufacturing-factories in Korea. In this research, EPA314.0 and EPA332.0 methods were applied to analyze perchlorate in surface fresh water collected from different locations. The collected samples contain high concentrations of matrix anions that would interfere with analysis via conventional Ion Chromatography (IC-CD). With field samples of various anions, the conventional IC-CD (EPA314.0) did not provide satisfactory quantifying ability; the method could not detect perchlorate at the level below 0.5 µg/ L and overestimation close to 10 µg/l compared with while EPA332.0 method using Ion Chromatography- Mass Spectrometer(IC-MS) showed good analytical ability in the range of 0.1-10 µg/l. Perchlorate of 22.3 mg/ L and 95.6 mg/l has been observed in samples from tap water source and Nak-dong River, respectively. Recently there has been considerable interest in the development of IC methods not only for measument of perchlorate in drinking water to check if it meets regulatory requirements, but also for that in surface water pollutant. For the accurate analysis of perchlorate in surface water, the EPA332.0 method using IC-MS should be considered as the official method in the future. Key words : Perchlorate, IC-MS, River water, Surface water 1. 서론퍼클로레이트는미국 EPA, 유럽연합, 세계보건기구에서발암물질로규정되어있지는않지만호흡기, 피부등에자극성이며장기노출시갑상선기능저하유발물질로알려져있다. 1) 또한, 이화합물은로켓이나미사일, 조명탄등에서고체연료추진제로사용되는물질로물에용해성이높고화학적으로안정하여쉽게분해되지않는안정된물질이다. 퍼클로레이트는주로과염소산암모니아 (NH 4 ClO 4 ), 과염소산나트륨 (NaClO 4 ), 과염소산칼륨 (KClO 4 ) 및과염소산 (HClO 4 ) 등과같이염의형태로존재하며, 국내에서는화약제조공정이나 LCD제조공장에서제품의세척공정세정제로사용되고있다. 자연에서유래는칠레 Atacama 사막에서사용된퇴비인질소산화물에서도유래하는것으로보고되고있고대기중에서자연적인반응에의해형성되는것으로알려져있다. 2) 퍼클로레이트분석방법으로는 EPA314.0과 EPA332.0 등의방법이있다. EPA314.0 방법은 SO 4 이온으로인한퍼클로레이트피크간섭작용으로일반적인하천수나폐수에적용하기어렵기때문에먹는물에국한되어적용되고있는시험방법이다. 3) 그러나먹는물이외에도하천수나폐수와같은시료에서퍼클로레이트를분석하기위하여 MS검출기를이용하여정량하는 EPA To whom correspondence should be addressed. E-mail: gaia94@korea.kr
248 박재성 김영희 이정섭 강학구 차준석 정광용 332.0 시험방법이개발되었다. 4) EPA 332.0 시험방법은기존 EPA314.0에비하여적용가능한수질시료의범위가넓고내부표준물질을이용하기때문에정확도정밀도측면에서크게보완되어먹는물뿐만아니라하천수나폐수에대해서도적용한사례가보고되고있다. 5) 국내에서는 EPA314.0 시험방법을적용하여한강, 금강, 영산강, 낙동강등주요수계의수돗물의퍼클로레이트를분석한결과, 낙동강수계의수돗물에서는최고 22.3 µg/l가검출되었고하천수에서는최고 95.6 µg/l 가검출되었다는보고가있었다. 6) 하지만, EPA314.0 시험방법은먹는물분석을위하여공인된방법이기때문에, 다양한간섭물질을함유하고있는하천수나폐수와같은수질시료중퍼클로레이트에적용하는것은어려움이있다. 국내에는퍼클로레이트를위한공인시험방법이없는실정이므로원수에함유된퍼클로레이트의오염원관리를위해서는행정적정책적으로보다정확한시험분석방법의도입이시급하다. 미국 EPA 에서는이온크로마토그래피-전기전도도검출기 (IC-CD) 의피크중첩에서나타나는퍼클로레이트위양성 (false positive), 위음성 (false negative) 결과로인한문제를해결하기위하여이온크로마토그래프-질량분석기 (IC-MS) 를이용한 EPA332.0 방법의공인을검토하고있다. MS 검출기를이용하는방법은 eluent로인한염생성이검출기관로에막힘현상을일으켜분석종료즉시관리해주어야하고이로인해한분석배치에시료수가 20개전후로제한되며분석비용이많이드는단점이지적되어왔다. 그러나이러한단점에도불구하고고농도의간섭성분이함유된수질시료에서현존하는방법중에서유일하게퍼클로레이트를분리정량할수있는시험방법이며 7), 수질시료뿐아니라인체요와같은생체시료중미량퍼클로레이트분석에서도적용되는방법이다. 8) 또한내부표준물질을이용하여정확도와정밀도를높일수있고분석결과에대한회수율을파악하여보다정확한분석결과를제시할수있는장점이있기때문에수질관리를위해서는시료의성상과분석목적에따라 IC-CD 또는 IC-MS를선택하여사용할필요가있다. 본연구에서는다양한성분을함유한하천수시료중퍼클로레이트분석을위하여각각 IC-CD와 IC-MS를이용하는 EPA314.0 시험방법과 EPA332.0 시험방법의국내하천수시료동시분석결과를비교검토함으로써시험방법의현장적용성을검토하였다. 2. 실험재료및시험방법 2.1. 시약초자및소모품본연구에서사용한퍼클로레이트는 997±6 µg/ml의농도인표준품 (Inorganic Ventures, USA) 을사용하였고, Cl 18 O 4 0.5 µg/l을내부표준물질 (Dionex, Part No. 062923) 로사용하였다. 본분석조건에서다른음이온의영향을보기위하여이용된음이온표준물은 7개음이온표준물 (7 Anion Standard II, Dionex) 을구입하여사용하였다. 모든시약은 GR급이상의것을이용하였다. 실험에서사용된모든증류수는이온성분오염을최소화하기위하여 Barnsted US/A56220-8(Iowa, USA) 을이용하여 2번증류한 3차증류수로 18.1MO 이상의것을제조하여사용하였다. 이온크로마토그래피에이용된이온가드컬럼은 IonPac AG20(2 50 mm, Dionex) 이었고, 분리컬럼은 IonPac AS20(2 250 mm, Dionex) 을이용하였다. Conductivity Suppressor 는 Dionex사의 ASRS-MS, 2-mm를이용하였다. 2.2. 분석기기및장치퍼클로레이트성분의분리정량을위하여이용한이온크로마토그래피 (IC) 분석기기는 Dionex사의 ICS-3000 으로 RFIC-EG(Reagent Free Ion Chromatography- Eluent Generator) 시스템을사용하였다. Carbonate와같은이온방해성분의영향을제거하기위하여 CR- ATC(Continuously Regenerated Anion Trap Column) 와 CRD(Carbonate Removal Device) 를사용하였다. EPA314.0에서규정하고있는퍼클로레이트의분석을위하여 Conductivity 검출기의 Current 를 56 ma로유지하였고, 이온성분들의분리검출을위한용매의분석조건은 0~8분까지 Hydroxide Eluent를 23.262 mm 농도로하고 8분에서 15.5분까지 75 mm로흘려준다음 16분까지 23.262 mm로조정하여흘려주었다. Eluent는 0.3 ml/min 의속도를유지하였고, 보조펌프를이용하여분석전 1.5분동안증류수로 MS를세정한후분석하고, 분석종료후다시증류수로 MS를세정하도록하여분석하였다. EPA332.0에서규정하고있는 MS 검출기는 Surveyor MSQ(Thermo, USA) 를이용하였다. MS는 SIM Mode로퍼클로레이트는분자량 (m/z) 99, 101 이온들을분석하고내부표준물질인 ClO 18 의확인을위하여분자량 (m/z) 107 이온도동시에검출하였다.
IC-CD 및 IC-MS 를이용한하천수중퍼클로레이트분석특성 249 2.3. 분석시료현장시료에포함되어있는다양한방해성분의영향을검토하기위하여 2005년내분비계장애물질실태조사를위해채취보관된하천수시료를이용하였다. 분석에이용된시료는총 19건으로자연하천, 생활하천, 공단인근하천등에서채취되어다양한성분특성을가지고있는시료들이다. 본시료들은보관기일과는관계없이 EPA314.0 및 EPA332.0 분석방법을통한퍼클로레이트분석데이터비교검토가목적인시료들이다. 모든시료는 0.2 µm 공극의 DISMIC-25 AS 시린지필터 (Adventec, Japan) 를이용하여거른후 IC 자동시료주입기용 10 ml 용기 (Dionex, USA) 에담아분석하였다. 과량간섭성분을함유한폐수의경우온가드컬럼을사용하도록권장하기도하나본연구의분석대상시료중이에해당되는시료는없었다. 3. 결과및고찰 IC-CD와 IC-MS를이용하여분석한퍼클로레이트피 크는 14.6분대에분리검출되었다. IC-MS에서 source voltage를각각 50 및 70 V로하고 SIM mode로 99 및 101 m/z에서퍼클로레이트농도를 0.1, 0.5, 1, 5, 10 µg/l로하여얻은정량선의 R 2 값은 0.9990~ 0.9997 범위에있어모두양호한직선성이나타났다. 모든시료들은첨가된내부표준물질인 Cl 18 O 4 을 107 m/z에서정량하여규정된신호비를만족하는것을확인할수있었다. 본연구에서는 EPA 332.0에서규정된 source voltage 70, 101 m/z에서정량된값을선택하여사용하였고내부표준물질을이용하여회수율체크하였다 (Fig. 1). 검출기의차이에서나타나는분리능을검토하고자표준물과시료에서얻은 IC-CD, IC-MS 각각의피크를비교한결과는 Fig. 2와같다. 간섭영향파악을위하여 7개음이온성분의표준물을수십 µg/l 수준으로첨가하여 10 µg/l 농도의표준물을분석하였을때 (Fig. 2b), IC-CD와 IC-MS 모두에서명확한피크가나타났다. 반면 0.1 µg/l의퍼클로레이트분석결과에서 IC-CD는간섭피크에중첩되어분석하기어려웠으나 IC-MS 피크 Fig. 1. Perchlorate standards curve with IC-MS.
250 박재성 김영희 이정섭 강학구 차준석 정광용 Fig. 2. Perchlorate standard and sample peaks for IC-CD and IC-MS.
IC-CD 및 IC-MS 를이용한하천수중퍼클로레이트분석특성 251 는기저선에서명확히분리되어나타났고첨가된 0.5 µg/l의내부표준물질도 14.5분대에명확히분리되어나타났다 (Fig. 2a). 고농도의간섭성분을함유하고있는하천수 (S-1) 의분석결과에서도 IC-MS에서는함유된퍼클로레이트뿐만아니라첨가된내부표준물질까지다른간섭피크의영향을받지않고명확히분리정량되었다 (Fig. 2c). 현장시료의적용성검토를위하여 source voltage를 50, 70으로하여모든시료를분석하였다. 이중에서 70에서정량된값을선택하여 SIM mode 101에서얻은정량값을기준으로 IC-CD 결과와비교하였다 (Table 1). IC-MS로분석된값은 0.1 µg/l 전후농도부터양호한검출피크가나타난반면 IC-CD는 1 µg/l 이상에서검출피크의정량이가능하였고 10 µg/l부터양호한검출피크가나타났다. 이같은결과는먹는물과달리여러간섭물질이포함된경우퍼클로레이트분석을위해서별도의시험방법조정이필요함을보여주는결과이다. 특히 EPA314.0 시험방법에서규정되어있는바와같이 10 µg/l 이하에서 IC-CD로검출하려면시료량을 1mL 전후로증가시키면분석가능하다. 본연구에서는 MS의특성상검출기오염가능성을줄이고동량의시료에대한분석을위해시료량을 200 µl로제한하여동시분석하였다. 또한시료량을증가시켜도 간섭물질량이동시에증가하기때문에피크의분리능은별차이가없는경우도검토해볼수있다. 현장시료의분석피크를비교한결과 IC-MS는 200 µl의적은시료량에서도타음이온성분과관계없이양호한검출피크가보였다. 반면 IC-CD에서는분리가되지않아대부분정량이불가능하였고 10 µg/l 전후시료에서는과다정량하는경향이나타났다. 모든시료에서유사한값을보이는결과가없었고 S-2에서는 20 배, S-6에서 78배, S-12에서 7배, S-16에서 2배이상 IC-CD가높은값을보였다. 이외의시료에서는 IC-MS 가 0.5이하의값을보인시료가 IC-CD에서는검출되지않았다. 이같은결과는다른연구에서도지적되고있는것으로낮은수준의퍼클로레이트를함유하고있는하천수나폐수처리장방류수시료에함유된간섭물질이퍼클로레이트분석에장애가될수있다. 차이가나타나는대부분시료의특성은배경피크가떨어지지않거나미지의피크가크게나타나퍼클로레이트피크가어깨피크로나타나는경우적분값이크게차이나는경우였다. IC-CD와 IC-MS를이용한방법간의결과차이는검출기의차이에서나타나는것이며특히 MS검출기는시료중검출대상물질의질량을정확하게선택하여분석할수있기때문에참값을찾기위해적용되는방법이다. 따라서본연구결과와같이기존 IC-CD를 Table 1. Comparison of perchlorate in surface fresh water using IC-MS and IC-CD (µg/l) Sample IC Results (µg/l) IC-MS(EPA 332.0) IC-CD(EPA 314.0) Description for difference S-1 0.316 ND Not quantifiable with IC-CD S-2 0.364 7.336 Over estimated with IC-CD S-3 1.442 ND Too small peak to detect with IC-CD S-4 0.392 ND Too small peak to detect with IC-CD S-5 0.228 ND Too small peak to detect with IC-CD S-6 0.37 28.973 Over estimation of peak with IC-CD S-7 2.714 ND Too small peak to detect with IC-CD S-8 0.266 ND Too small peak to detect with IC-CD S-9 0.015 2.973 Over estimation of peak with IC-CD S-10 0.985 ND Too small peak to detect with IC-CD S-11 ND ND Too small peak to detect with IC-CD S-12 3.464 21.821 Over estimation of peak with IC-CD S-13 0.184 ND Too small peak to detect with IC-CD S-14 3.771 ND Too small peak to detect with IC-CD S-15 NA 2.046 Controversial separated peak with IC-MS S-16 3.35 6.081 Over estimation of peak with IC-CD S-17 0.26 ND Too small peak to detect with IC-CD S-18 0.418 ND Too small peak to detect with IC-CD S-19 NA ND Too small peak to detect with IC-CD
252 박재성 김영희 이정섭 강학구 차준석 정광용 이용한분석치가방해성분으로인한간섭피크의영향으로선택성이떨어지는것을보완하기위해서는 MS 검출기를이용하여확인하는것이바람직하다. 그러나 IC-MS를이용한방법은분석비용이비싸고장비의유지관리가어렵우므로비용-편익을고려하여야한다. 컬럼의특성에따라분리능의차이가나타나는것도검토해볼수있다. 본연구에서사용된 AS20 컬럼은교차연결된 quaternary condensation polymer를사용하는컬럼으로방향족이온성분을분리시키지않는특성을가진다. EPA314.0에서제시한 AS16 컬럼은 vinyl aromatic monomer를이용하는컬럼으로퍼클로레이트와같은분극성이온성분이나방향족성분이보다오래머무르도록하는특성을지니고있다. 퍼클로레이트피크가 1 ppm 전후의 chloride, bicarbonate, sulfate 등의피크와중첩이되면퍼클로레이트의피크가상대적으로작게나타나서정확히피크를적분하기가어렵다. AS20 컬럼과 IC-MS용으로개발된 AS21 컬럼은 eluent의농도에따라퍼클로레이트가다른성분보다나중에분리정량되도록설계되어다른이온성분영향을덜받도록할수있다. 비교분석데이터를보면 eluent의농도를조절하면 chloride, bicarbonate, sulfate로인한영향은받지않으나상대적으로저농도이기때문에미지성분피크에서분리확인되지못하였다. 본연구의분석대상시료들은모두하천수시료로한정하여분석하였기때문에폐수와같은고농도방해성분을함유하고있는경우가없었다. 따라서방해성분제거를위한별도의전처리는필요하지않았다. 그러나기존 IC-CD로분석이어려웠던원인은기존의검량한계이하인퍼클로레이트시료를적은량의시료를이용하여분석하였기때문에분리정량이어려웠던것으로판단된다. 연구시설이나분석장비의제한으로인해 IC- MS 사용이어려운경우에는 EPA314.0 시험방법에따라전처리또는주입량을늘리는등분석조건을조정하여 IC-CD로분석할수있다. 실리카와알루미나흡착제또는이들을상용화한방해성분제거카트리지를사용하여분석하는것도가능하다. EPA314.0 시험방법을단순적용하면본연구결과와같이상이한분석결과가나타날수있으므로다른분석조건으로동일시료에대한재현성을검토한후최종결과치를선택할필요가있다. 하천수보다더복합적인매질특성을지닌생체시료에서도이같은방법으로전처리하면양호한분리정량이가능한것으로알려져있다. 9) 그러나전처리를 하더라도미지성분이간섭작용을일으키는하천수시료에서미량의퍼클로레이트분리정량이불가능한경우에는 IC-MS로분석하는것이해결책이될수있다. 본연구결과는퍼클로레이트분석을위한기존먹는물시험방법인 EPA314.0 및 EPA332.0을이용하여국내하천수의특성을감안하여현장시료를직접방법별로비교검토하였다는데의의가있다. 국내에서는현재퍼클로레이트에대한수질기준을정하고있지않으나하천수가이드라인을 6µg/L로설정하여정책적으로관리를유도하고있다. 그러나하천수에서퍼클로레이트가검출되고있다는점, 향후수질기준설정이필요하다는점등을감안하여기존 IC-CD로분석이어려운경우 IC-MS를이용한시험방법을도입하여측정분석기반을구축할필요가있다. 4. 결론하천수시료중퍼클로레이트분석을위하여미국 EPA 의먹는물공인방법인 EPA314.0 시험방법과 EPA332.0 시험방법을이용하여현장시료동시분석결과를비교검토하였다. IC-MS를사용하는 EPA332.0 시험방법은 0.1~10ppb 범위의하천수퍼클로레이트현장시료에대하여정밀도가높은검출결과를나타내었다. 반면 IC-CD를단순적용하는경우에는 0.5ppb 내외의하천수시료에서검출을못하였고 10ppb 전후시료에서는과다정량하는경향이있어하천수시료에적용하기위해별도의분석조건조정이필요한것으로나타났다. 본연구는국내퍼클로레이트오염원관리에필요한하천수수질시료의시험방법도입을위하여 IC- CD와 IC-MS를이용하는기존시험방법의국내현장시료적용성을비교검토하였다는데의의가있다. 최근한강, 금강, 영산강, 낙동강등국내주요수계에서퍼클로레이트를조사한결과, 낙동강수계의수돗물에서최고 22.3 µg/l가검출되어미국 EPA 권고기준인 24.5 µg/l에근접하고있었다. 또한낙동강하천수에서는최고 95.6 µg/l까지검출되었다는결과를감안하여볼때수돗물원수및하천수수질관리를위하여보다정확한분석치를확보할필요가있다. 향후국내에서도하천수중퍼클로레이트분석을위하여본연구에서검토한 EPA 332.0 시험방법의도입을검토할필요가있다. 본연구에서제시된비교분석결과는향후국내하천수중퍼클로레이트실태조사와모니터링에기초자료로활용될수있을것이다.
IC-CD 및 IC-MS 를이용한하천수중퍼클로레이트분석특성 253 참고문헌 1. NRC, 2005, Health Implications of Perchlorate Digestion, National Academies Press. 2. J. Mathew, J. Gandhi, J. Hedrick, J. of Chromatography A, 2005, 1085, 54-59. 3. United States Environmetal Protection Agency, 1999, Determination of Perchlorate in Drinking Water using Ion Chromatography, Rev.1.0, EPA-815-B-00-003. 4. United States Environmetal Protection Agency, 2005, Determination of perchlorate in drinking water by ion chromatography with suppressed conductivity and electrospray ion mass spectrometry, rev.1.0, EPA-600- R-05-049. 5. R. Slingsby, C. Pohl, C. Saini, Analytica Chimica Acta 2006, 567, 57-65. 6. 김현구, 김정화, 이연희, 한국물환경학회지, 2007, 23(6), 822-828. 7. R. Roehl, R. Slingsby, N. Avdalovic, P. E. Jackson, Jr. of Chromatography A, 2002, 956, 245-254. 8. B. Ells, D. A. Barnett, R. W. Purves, R. Guevremont, Jr. Environ. Monit., 2000, 2, 393-397. 9. J. J. Ellington, J. J. Evans, Jr of Chromatography A, 2000, 898, 193-199.