본 연구에서는 물속 As(III)와 As(V)의 종 규명분석에 필요한 HPLC와 DRC-ICP-MS의 최적조건을 설정하고, 이를 이용하여 한강 팔당수계 10개 지류 천으로부터 채취한 시료중의 As(III)와 As(V)를 분석 검토하였다. 종 분리를 위한 HPLC의 이동상으로는 10 mM ammonium nitrate와 10 mM ammonium phosphate monobasic을 사용하였으며, flushing solvent로는 5% v/v 메탄올을 사용하였다. 검출기는 DRC-ICP-MS를, 반응기체는 산소를 사용하였다. 최적 분석조건을 설정하기 위하여 이동상의 pH, 유량 및 시료 주입량과 DRC의 산소 유량을 달리하여 검토한 결과, 이동상의 pH는 9.4, 유량은 1.5 mL/min, 시료 주입량은 100 $\mu$L, 산소의 유량은 0.5 mL/min이었을 때 가장 좋은 분석조건으로 나타났다. 검정곡선은 As(III)와 As(V)에 대해 모두 r$^2$ = 0.998 이상의 선형성을 나타냈으며, As(III)의 검출한계는 0.10 $\mu$g/L, 정확도(RSD)는 4.3%, 회수율은 95.2%, As(V)의 검출한계는 0.08 $\mu$g/L, 정확도(RSD)는 3.6%, 회수율은 96.4%로 나타났다. 분석시간은 4분이었다. 설정된 파라미터를 적용하여 한강 팔당수계 유입 10개 지류 천에서 채수한 시료를 분석한 결과, As(III)는 0.10$\sim$0.22 $\mu$g/L, As(V)는 0.44$\sim$1.19 $\mu$g/L의 범위로 나타났으며, 총 비소의 93.5%가 As(V)의 형태인 것을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 물속 As(III)와 As(V)의 종 규명분석에 필요한 HPLC와 DRC-ICP-MS의 최적조건을 설정하고, 이를 이용하여 한강 팔당수계 10개 지류 천으로부터 채취한 시료중의 As(III)와 As(V)를 분석 검토하였다. 종 분리를 위한 HPLC의 이동상으로는 10 mM ammonium nitrate와 10 mM ammonium phosphate monobasic을 사용하였으며, flushing solvent로는 5% v/v 메탄올을 사용하였다. 검출기는 DRC-ICP-MS를, 반응기체는 산소를 사용하였다. 최적 분석조건을 설정하기 위하여 이동상의 pH, 유량 및 시료 주입량과 DRC의 산소 유량을 달리하여 검토한 결과, 이동상의 pH는 9.4, 유량은 1.5 mL/min, 시료 주입량은 100 $\mu$L, 산소의 유량은 0.5 mL/min이었을 때 가장 좋은 분석조건으로 나타났다. 검정곡선은 As(III)와 As(V)에 대해 모두 r$^2$ = 0.998 이상의 선형성을 나타냈으며, As(III)의 검출한계는 0.10 $\mu$g/L, 정확도(RSD)는 4.3%, 회수율은 95.2%, As(V)의 검출한계는 0.08 $\mu$g/L, 정확도(RSD)는 3.6%, 회수율은 96.4%로 나타났다. 분석시간은 4분이었다. 설정된 파라미터를 적용하여 한강 팔당수계 유입 10개 지류 천에서 채수한 시료를 분석한 결과, As(III)는 0.10$\sim$0.22 $\mu$g/L, As(V)는 0.44$\sim$1.19 $\mu$g/L의 범위로 나타났으며, 총 비소의 93.5%가 As(V)의 형태인 것을 확인할 수 있었다.
In this study, a technique of speciation and determination of the trace inorganic arsenic(As(III) and As(V)) in water sample using HPLC-DRC-ICP-MS has been developed. Isocratic mobile phase of 10 mM ammonium nitrate and 10 mM ammonium phosphate monobasic was used and methanol(5 v/v%) was used as flu...
In this study, a technique of speciation and determination of the trace inorganic arsenic(As(III) and As(V)) in water sample using HPLC-DRC-ICP-MS has been developed. Isocratic mobile phase of 10 mM ammonium nitrate and 10 mM ammonium phosphate monobasic was used and methanol(5 v/v%) was used as flushing solvent. Selection of the best flow rate of reaction gas, O$_2$, and optimization of the parameters such as pH and flow rate of mobile phase, and injection volume of sample for the separation and detection of arsenic species were carried out. The oxygen flow rate of 0.5 mL/min, pH of 9.4 and flow rate of 1.5 mL/min of mobile phase, and injection volume of sample of 100 $\mu$L were found to be the best parameters for the speciation and determination of arsenic species. The analytical features of the method were detection limit 0.10 and 0.08 $\mu$g/L, precision(RSD) 4.3% and 3.6%, and recovery 95.2% and 96.4% for As(III) and As(V), respectively. Analysis time was 4 minutes per sample. Linear calibration graphs with r$^2$ = 0.998 were obtained for both As(III) and As(V). Speciation analysis of arsenic species in the raw water samples collected from the tributary streams to Han River and main stream of Paldnag were performed by the proposed method. The concentrations of As(III) ranged from 0.10 to 0.22 $\mu$g/L and As(V) concentrations ranged from 0.44 to 1.19 $\mu$g/L, and 93.5% of total arsenic was found to be As(V).
In this study, a technique of speciation and determination of the trace inorganic arsenic(As(III) and As(V)) in water sample using HPLC-DRC-ICP-MS has been developed. Isocratic mobile phase of 10 mM ammonium nitrate and 10 mM ammonium phosphate monobasic was used and methanol(5 v/v%) was used as flushing solvent. Selection of the best flow rate of reaction gas, O$_2$, and optimization of the parameters such as pH and flow rate of mobile phase, and injection volume of sample for the separation and detection of arsenic species were carried out. The oxygen flow rate of 0.5 mL/min, pH of 9.4 and flow rate of 1.5 mL/min of mobile phase, and injection volume of sample of 100 $\mu$L were found to be the best parameters for the speciation and determination of arsenic species. The analytical features of the method were detection limit 0.10 and 0.08 $\mu$g/L, precision(RSD) 4.3% and 3.6%, and recovery 95.2% and 96.4% for As(III) and As(V), respectively. Analysis time was 4 minutes per sample. Linear calibration graphs with r$^2$ = 0.998 were obtained for both As(III) and As(V). Speciation analysis of arsenic species in the raw water samples collected from the tributary streams to Han River and main stream of Paldnag were performed by the proposed method. The concentrations of As(III) ranged from 0.10 to 0.22 $\mu$g/L and As(V) concentrations ranged from 0.44 to 1.19 $\mu$g/L, and 93.5% of total arsenic was found to be As(V).
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문제 정의
이에 본 연구에서는 HPLC-DRC-ICP-MS를 이용하여 물속의 무기 비소 종, As(III)와 As(V)를 종 규명분석하려고 하였다. HPLC에 의한 화학종의 분리와 DRC-ICP-MS에 의한 정량분석에 필요한 최적 파라미터를 구하기 위해 이동상의 pH와 유량 및 시료의 주입량과 반응기체인 산소의 유량에 관해 연구하였다. 또한 이렇게 설정된 분석방법을 적용하여 한강수계 10개 지류 천에서 채취한 시료 중의 As(III)와 As(V)의 농도를 측정 검토하고자 하였다.
HPLC에 의한 화학종의 분리와 DRC-ICP-MS에 의한 정량분석에 필요한 최적 파라미터를 구하기 위해 이동상의 pH와 유량 및 시료의 주입량과 반응기체인 산소의 유량에 관해 연구하였다. 또한 이렇게 설정된 분석방법을 적용하여 한강수계 10개 지류 천에서 채취한 시료 중의 As(III)와 As(V)의 농도를 측정 검토하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 HPLC-DRC-ICP-MS를 이용하여 물속의 무기 비소 종, As(III)와 As(V)를 종 규명분석하려고 하였다. HPLC에 의한 화학종의 분리와 DRC-ICP-MS에 의한 정량분석에 필요한 최적 파라미터를 구하기 위해 이동상의 pH와 유량 및 시료의 주입량과 반응기체인 산소의 유량에 관해 연구하였다.
Ronkart 등12)은 HPLC-ICP-MS에 의한 비소의 종분리 분석에서 pH 10일 때 양호한 분리결과를 얻었으나 As(V)의 용출시간이 길어지는 문제가 있었다고 하였다. 이에 본 연구에서는 사용한 기기조건, 즉 HPLC-DRC-ICP-MS에 적합한 pH를 찾기 위해 이동상의 pH를 ammonium hydroxide를 사용하여 pH 9.0으로부터 9.6까지 0.2의 간격으로 조정하고 HPLC에 주입하여 비소 종의 분리에 미치는 영향을 검토하였다. 이 때 DRC에 주입된 반응 기체인 산소의 유량은 0.
이에 본 연구에서는 산소의 유량을 0.1 mL/min으로부터 1.0 mL/min까지 0.1 mL/min의 간격으로 변화시켜 DRC에 주입하면서 AsO+의 최적 생성조건을 확인하고자 하였다. 바탕시료는 이동상(10 mM ammonium nitrate + 10 mM ammonium phosphate)에 염산(65%)을 주입하여 산 농도를 약 3%로 조절한 후 1,000 mg/L 비소 표준원액으로부터 조제한 0.
비소 종 규명분석을 위하여 HPLC 이동상으로 10 mM ammonium nitrate와 10 mM ammonium phosphate monobasic을 혼합한 단일이동상을 사용하였으며, flushing solvent로는 5% v/v MeOH를 사용하였다. 검출기 DRC-ICP-MS에는 반응기체로 산소를 주입하여 플라스마에서 생성된 비소이온(As+)과 반응시켜 질량위치 m/z = 91(AsO+)에서 측정하였다. As(III)와 As(V)의 종 규명분석의 최적 분석조건을 설정하기 위해 이동상의 pH, 유량 및 시료 주입량과 반응기체의 유량을 달리하여 검토한 결과, 이동상의 pH 9.
검출기는 DRC-ICP-MS(PerkinElmer-SCIEX ELAN DRC II, Canada)를 사용하였으며, HPLC에 연결하기 전에 비소 표준용액을 사용하여 최적화하였으며, HPLC 컬럼과 ICP-MS nebulizer는 PEEK tubing(0.25 mm i.d.)을 사용하여 연결하였다. 반응기체로는 산소를 사용하여 질량위치 m/z = 91(AsO+, 90.
)을 사용하여 연결하였다. 반응기체로는 산소를 사용하여 질량위치 m/z = 91(AsO+, 90.9)에서 비소 농도를 측정하였으며, 플라스마 기체 내부에서 생성된 비소이온(As+)과의 반응으로 AsO+(m/z = 91)가 생성될 때의 최적조건을 설정하기 위해 산소 주입량을 0로부터 1.0 mL/min으로 변화시켜 최적 반응조건을 설정하고자 하였다.
토치위치 조절 놉(knob)을 사용하여 토치와 콘(cone) 사이를 최적화 하였다. 분석에 사용된 아르곤(Ar) 기체의 유속은 plasma gas, 15.5 L/min, auxiliary gas, 1.2 L/min, nebulizer gas, 1.1 L/min으로 조절하였으며, lens voltage는 8.75 V, RPq(rejection parameter Q)는 0.45 N/A, RF power는 1,250 W, integration time은 3,000 ms, dwell time은 100 ms로 조절하여 측정하였다. 시료 도입장치는 cyclonic spray chamber와 meinhardt type nebulizer를 사용하였으며 auto-sampler는 AS/90을 사용하였다.
비소 종 규명 분석을 위해 채취된 시료는 산 처리 없이 직접 0.45 µm membrane filter로 여과한 후 HPLC-ICP-MS를 이용하여 위의 비소 종 규명분석 방법으로 측정하였다.
시그널의 적절한 크기와 검출한계의 확인에 용이한 시료 주입량을 판단하기 위하여 As(III)와 As(V)를 혼합한 3 µg/L 혼합표준용액을 50 µL와 100 µL를 주입하여 검토하였다.
시료는 1 L PE 용기를 사용하여 채취하여 실험실로 운반한 후 0.45 µm membrane filter를 이용하여 여과한 후 분석하였다.
이동상의 유량도 컬럼내에서의 머무름 시간과 시그널의 분리(resolution)에 영향을 미친다. 적절한 분석조건을 설정하기 위해, 이동상의 유량을 0.5 mL/min로부터 2.0 mL/min까지 0.5 mL/min의 간격으로 변화시켜 검토하였다. 이때 DRC에 주입된 반응기체의 유량은 0.
토치위치 조절 놉(knob)을 사용하여 토치와 콘(cone) 사이를 최적화 하였다. 분석에 사용된 아르곤(Ar) 기체의 유속은 plasma gas, 15.
표준 시료로부터 설정된 기기조건을 적용하여 한강과 팔당 수계에서 채취한 실제 시료를 분석하였다. 검정곡선은 Spex사 1,000 mg/L As(III)와 1,000 mg/L As(V) 표준원액을 탈염수로 단계별로 희석하여 0.
대상 데이터
2005년 9월부터 2006년 9월까지 1년 동안 3회(12월, 4월, 8월)에 걸쳐 한강․팔당수계 지류 천 중 유량과 오염도를 고려하여 10 지점을 선정하여 채취한 30점의 시료를 대상으로 As(III)와 As(V)의 함량을 조사하였다. 시료는 1 L PE 용기를 사용하여 채취하여 실험실로 운반한 후 0.
Flushing solvent로 사용된 메탄올은 HPLC-grade(Burdick & Jackson Co., Muskegon, MI, USA)를 구입하여 탈염수로 희석(5% v/v)하여 사용하였고, 시료 전처리에 사용된 질산과 염산은 Eco-Research, Inc.,의 UP-10N(65%)과 UP-10H(30%)를 사용하였다.
HPLC의 이동상은 ammonium nitrate(99.999%)와 ammonium phosphate monobasic(NH4H2PO4, 99.9%)을 구입(Sigma-Aldrich, Steinheim, Germany)하여 각각 탈염수에 녹여 10 mM 수용액을 조제하고 혼합하여 단일 이동상(isocratic mobile phase)으로 사용하였다. 이동상의 pH는 ammonium hydroxide(1:1)를 사용하여 9.
바탕시료는 이동상(10 mM ammonium nitrate + 10 mM ammonium phosphate)에 염산(65%)을 주입하여 산 농도를 약 3%로 조절한 후 1,000 mg/L 비소 표준원액으로부터 조제한 0.8 µg/L 표준용액을 분석시료로 사용하였다.
비소 종 규명분석을 위하여 HPLC 이동상으로 10 mM ammonium nitrate와 10 mM ammonium phosphate monobasic을 혼합한 단일이동상을 사용하였으며, flushing solvent로는 5% v/v MeOH를 사용하였다. 검출기 DRC-ICP-MS에는 반응기체로 산소를 주입하여 플라스마에서 생성된 비소이온(As+)과 반응시켜 질량위치 m/z = 91(AsO+)에서 측정하였다.
비소 표준원액은 SPEX Lertiprep(Stanmore, UK)의 1000 mg/L As(III)와 1,000 mg/L As(V)를 구입하여 순수제조장치(Elga, UK)로부터 얻은 탈염수(18 MΩcm-1)로 단계별로 희석하여 0.10, 0.5, 0.7, 1.0, 3.0, 5.0, 7.0 및 9.0 µg/L 표준용액을 조제하여 사용하였으며 분석할 때마다 1,000 mg/L 표준원액으로부터 새로 조제하여 사용하였다.
,의 UP-10N(65%)과 UP-10H(30%)를 사용하였다. 실험에 사용된 초자기구는 5% 질산(HNO3, Aldrich)에 하루 동안 담근 다음 탈염수로 헹구고 자연건조 후 사용하였다.
비소 종은 알칼리성 이동상 속에서 음이온 형태로 존재하는 음이온 교환수지에 적합한 해리 상수를 가지고 있어서 그 분리에 음이온 교환수지 컬럼이 사용된다. 이동상으로는 Na2HPO4와 NaH2PO4가 자주 사용되고 있으나 HPLC의 시료 연결 장치(sampling interface)에 염의 축적을 일으켜 시그널이 빠르게 붕괴되고 불안정해 지기 때문에 염의 축적이 적고 시그널이 안정한 것으로 알려진 ammonium phosphate monobasic을 사용하였다.12)
성능/효과
4) 일반적으로 무기 비소 화합물은 유기 비소화합물보다 독성이 강하며 무기 비소 화합물 중에서도 As(III)는 As(V) 보다 10배 정도 독성이 강하고 MMA, DMA 등의 유기 비소들에 비해서는 70배 정도 독성이 강하다.5) 이와 같이 비소는 그 화학종의 형태에 따라 독성이 다르므로 그 영향을 정확하게 평가하기 위해서는 아주 낮은 검출한계를 가진 분석 장치에 의한 종 규명분석(speciation analysis)이 반드시 필요하다.
As(III)와 As(V)의 종 규명분석의 최적 분석조건을 설정하기 위해 이동상의 pH, 유량 및 시료 주입량과 반응기체의 유량을 달리하여 검토한 결과, 이동상의 pH 9.4, 유량 1.5 mL/min, 시료 주입량 100 µL, 반응기체 산소의 유량이 0.5 mL/min이었을 때 시그널이 가장 뚜렷하고 분리(resolution)가 잘되었다.
검정곡선은 As(III)와 As(V)에 대해 모두 r2 = 0.998 이상의 우수한 선형성을 나타냈으며, As(III)에 대해 검출한계는 0.10 µg/L, 정확도(RSD)는 4.3%, 회수율은 95.2%로 나타났고, As(V)에 대해 검출한계는 0.08 µg/L, 정확도(RSD)는 3.6%, 회수율은 96.4%로 나타났다.
검정곡선은 Fig. 4와 5에 나타낸 바와 같이 As(III)와 As(V)에 대해 모두 r2 = 0.998 이상의 우수한 선형성을 나타내었으며, Table 3에 서와 같이 As(III)에 대해 검출한계, 0.10 µg/L, 정확도(RSD), 4.3%, 회수율, 95.2%로 나타났고 As(V)에 대해서는 검출한계, 0.08 µg/L, 정확도(RSD), 3.6%, 회수율은 96.4%로 나타났다.
모두 우수한 바탕 값과 분리도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 그러나 DRC에 주입하는 반응기체의 유량이 0.5 mL/min일 때가 ICP-MS 플라스마에서 생성된 이동상 중의 비소이온이 산소와 정량적으로 반응하여 AsO+로 생성되는 것이 확인되고 시그널이 가장 크고 분명하므로 이 유량이 본 연구에서 사용한 기기조건에서의 최적 유량인 것으로 판단되었다.
6에서는 바탕선이 약간 높아지고 시그널의 분리도가 낮아지는 것이 확인되었다. 따라서 본 연구에서의 이동상의 pH는 9.4가 가장 적합한 것으로 판단되었다.
2에서는 분석 감도가 비교적 낮고 머무름 시간이 길어져 분석에 많은 시간이 소요되는 것을 알 수 있었다. 또한 pH 9.6에서는 바탕선이 약간 높아지고 시그널의 분리도가 낮아지는 것이 확인되었다. 따라서 본 연구에서의 이동상의 pH는 9.
3은 As(III)와 As(V)를 혼합하여 3 µg/L 혼합 표준용액을 조제한 후 HPLC-DRC-ICP-MS의 TotalChrom 프로그램을 이용하여 반응기체의 유량에 따른 As(III)와 As(V)의 측정 결과를 동일한 scale로 overlap한 크로마토그램을 나타낸 것이다. 모두 우수한 바탕 값과 분리도를 나타내는 것을 알 수 있었다. 그러나 DRC에 주입하는 반응기체의 유량이 0.
분석결과, As(III)는 총 30점의 시료 중 5점의 시료에서 0.10∼0.22 µg/L(평균 0.15 µg/L) 범위로 검출되었으며, 그 외의 시료에서는 검출한계(< 0.10 µg/L) 이하로 검출되지 않은 반면, As(V)는 30점의 시료 모두에서 0.44∼1.19 µg/L(평균 0.86 µg/L)의 농도 범위로 검출되었다.
분석결과, Fig. 3에서와 같이 pH 9.4에서 감도가 높고 분리도도 양호하게 나타났으며, pH 9.0과 9.2에서는 분석 감도가 비교적 낮고 머무름 시간이 길어져 분석에 많은 시간이 소요되는 것을 알 수 있었다. 또한 pH 9.
위의 결과로부터 한강 · 팔당수계 지류천 비소의 형태는 As(III)보다 주로 As(V)의 형태로 존재하는 것을 알 수 있었으며 총 비소의 약 93.5%가 As(V)의 형태로 존재하는 것을 확인하였다.
5 mL/min일 때가 가장 적절한 것으로 판단되었다. 유량이 이보다 많을 때는 As(III)와 As(V) 머무름 시간이 짧아지고, 시그널 모양은 sharp하나 바탕 값이 높아지는 것을 확인할 수 있었다. 또한 이동상의 유량이 적을 때는 머무름 시간이 길어지고, peak가 broad하게 나타나는 것을 볼 수 있었다.
4, 시료 주입량은 100 µL로 하였다. 이동상의 유량은 컬럼내의 머무름 시간, 분석 감도, 분리도에서 1.5 mL/min일 때가 가장 적절한 것으로 판단되었다. 유량이 이보다 많을 때는 As(III)와 As(V) 머무름 시간이 짧아지고, 시그널 모양은 sharp하나 바탕 값이 높아지는 것을 확인할 수 있었다.
한강․팔당수계 유입 10개 지류 천으로부터 채취한 실제 시료중의 As(III)와 As(V)를 분석한 결과, As(III)는 0.10∼0.22 µg/L(평균 0.15 µg/L), As(V)는 0.44∼1.19 µg/L(평균 0.86 µg/L)의 농도 범위로 나타났으며, 총 비소의 93.5%가 As(V)의 산화된 형태로 존재하는 것을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
비소는 어떻게 물과 공기중에 유입되는가?
비소는 지각과 생물환경 중에 널리 분포되어 있으며 암석, 광물, 토양 등의 침식을 통한 자연적인 원인에 의해 물과 공기 중에 유입된다. 또한 반도체와 염료 제조, 목재 보존재, 농약 등의 인간 활동에 의해서도 환경 계에 유입되며 전 세계적으로 광범위한 지역에서 검출되고 있다.
비소는 어떠한 인간 활동에 의해 환경계에 유입되는가?
비소는 지각과 생물환경 중에 널리 분포되어 있으며 암석, 광물, 토양 등의 침식을 통한 자연적인 원인에 의해 물과 공기 중에 유입된다. 또한 반도체와 염료 제조, 목재 보존재, 농약 등의 인간 활동에 의해서도 환경 계에 유입되며 전 세계적으로 광범위한 지역에서 검출되고 있다.1)
비소는 어떠한 형태로 존재하는가?
비소는 무기비소인 arsenite(AsIII), arsenate(AsV)와 유기비소인 monomethylarsonic acid(MMA), dimethylarsinic acid(DMA), arsenobetaine, arsenocholine 및 trimethylarsenic oxide 등 다양한 형태로 존재하며, 담수에서는 주로 As(III)와 As(V) 형태의 무기 비소 화합물이 발견되며 유기 비소 화합물은 거의 포함되지 않는다.4) 일반적으로 무기 비소 화합물은 유기 비소화합물보다 독성이 강하며 무기 비소 화합물 중에서도 As(III)는 As(V) 보다 10배 정도 독성이 강하고 MMA, DMA 등의 유기 비소들에 비해서는 70배정도 독성이 강하다.
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