플루오로퀴놀론 계 항생제들의 전기화학적 거동을 카본 페이스트 전극 (carbon paste electrode ; CPE)을 사용하여 순환 전압전류법 (cyclic voltammetry)과 네모파 흡착 벗김 전압전류법 (square wave adsorptive stripping voltammetry)으로 연구하였다. Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofloxacin (CIP), Ofloxacin (OFL), Levofloxacin (LEV) 등 5가지 플루오로퀴놀론 계 항생제에 대한 전기화학적 분석을 수행하였다. pH 4.5인 아세트산완충 용액 (acetate buffer) 에서 플루오로퀴놀론 계 항생제의 산화 전위는 Ag/AgCl 기준 전극에 대하여 각각 ENR : 0.952V, NOR : 1.052 V, CIP : 1.055 V, OFL : 0.983 V, LEV : 0.990 V 의 값을 나타내었으며, 네모파 흡착 벗김 전압전류법에 의한 산화 전류는 $0.2\;{\mu}M$에서 $1\;{\mu}M$ 사이의 농도영역에서 각 항생제의 농도와 선형을 나타내었다.
플루오로퀴놀론 계 항생제들의 전기화학적 거동을 카본 페이스트 전극 (carbon paste electrode ; CPE)을 사용하여 순환 전압전류법 (cyclic voltammetry)과 네모파 흡착 벗김 전압전류법 (square wave adsorptive stripping voltammetry)으로 연구하였다. Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofloxacin (CIP), Ofloxacin (OFL), Levofloxacin (LEV) 등 5가지 플루오로퀴놀론 계 항생제에 대한 전기화학적 분석을 수행하였다. pH 4.5인 아세트산 완충 용액 (acetate buffer) 에서 플루오로퀴놀론 계 항생제의 산화 전위는 Ag/AgCl 기준 전극에 대하여 각각 ENR : 0.952V, NOR : 1.052 V, CIP : 1.055 V, OFL : 0.983 V, LEV : 0.990 V 의 값을 나타내었으며, 네모파 흡착 벗김 전압전류법에 의한 산화 전류는 $0.2\;{\mu}M$에서 $1\;{\mu}M$ 사이의 농도영역에서 각 항생제의 농도와 선형을 나타내었다.
Electrochemical behavior of fluoroquinolone antibacterial agents on carbon paste electrode (CPE) were investigated by cyclic voltammetry and square wave adsorptive stripping voltammetry. The fluoroquinolone antibacterial agents tested in this study were Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofl...
Electrochemical behavior of fluoroquinolone antibacterial agents on carbon paste electrode (CPE) were investigated by cyclic voltammetry and square wave adsorptive stripping voltammetry. The fluoroquinolone antibacterial agents tested in this study were Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofloxacin (CIP), Ofloxacin (OFL) and Levofloxacin (LEV). In acetate buffer at pH 4.5, the oxidation peak potentials of the fluoroquinolone antibacterial agents of ENR, NOR, CIP, OFL, and LEV were 0.952 V, 1.052 V, 1.055 V, 0.983 V, and 0.990 V (vs. Ag/AgCl), respectively. And their oxidation peak currents from square wave adsorptive stripping voltammograms are proportional to the concentration of each antibacterial agent over the range from $0.2\;{\mu}M$ to $1\;{\mu}M$.
Electrochemical behavior of fluoroquinolone antibacterial agents on carbon paste electrode (CPE) were investigated by cyclic voltammetry and square wave adsorptive stripping voltammetry. The fluoroquinolone antibacterial agents tested in this study were Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofloxacin (CIP), Ofloxacin (OFL) and Levofloxacin (LEV). In acetate buffer at pH 4.5, the oxidation peak potentials of the fluoroquinolone antibacterial agents of ENR, NOR, CIP, OFL, and LEV were 0.952 V, 1.052 V, 1.055 V, 0.983 V, and 0.990 V (vs. Ag/AgCl), respectively. And their oxidation peak currents from square wave adsorptive stripping voltammograms are proportional to the concentration of each antibacterial agent over the range from $0.2\;{\mu}M$ to $1\;{\mu}M$.
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문제 정의
이 측정법을 이용하여 매우 낮은 농도의 항생제를 검출할 수 있음을 보이고, 항생제의 종류와 관계없이 항생제의 총량을 측정하였다. 이로써 축수산 현장에서 사용되는 각 항생제의 종류와 종류별 농도에 대한 정보는 불분명하더라도 그 총량을 규제할 수 있는 빠르고 간편한 방법론을 제시하고자 한다.
제안 방법
CPE는 실험에 사용된 후 전극 표면에 흡착된 항생제가 완전히 제거되지 않고 남아 있어서 같은 전극으로 반복 측정할 경우 감도에 영향을 미치기 때문에 실험한 후에는 카본 페이스트를 교체하여 새로운 전극 표면으로 측정하였다.
그런 다음 유리관으로 구멍이 있는 전극 몸체를 만들어 카본 페이스트를 채워 넣은 후 유산지에 연마작업을 하여 전극 표면이 매끄러워지게 만들었다. 각 측정 실험 후에는 CPE의 사용된 표면을 제거하고 새로운 표면으로 교체해 사용하였다.
그 다음 각 10µM 의 항생제에 대한 순환 전압전류도를 얻고 0.2µM에서 1µM 사이의 다양한 농도에서 네모파 흡착 벗김 전압전류법으로 보정 곡선을 얻었다.
이렇게 혼합된 시약의 산화 피크가 하나로 나타나지 않는 경우, 항생제 각각에 대하여 보정 곡선을 얻은 경우와 달리, 산화 피크의 크기를 측정하여 보정 곡선을 도시하는 것은 적절하지 않다. 그 대신 각 농도에서 산화 전류가 흐르는 면적을 측정하여 보정 곡선을 얻었다. 이런 방법을 통하여 얻은 결과로부터 항생제의 총 농도와 측정한 면적 간에 비례 관계가 있음을 확인하였다.
먼저, 다섯 가지 항생제 가운데 ENR에 대하여 순환 전압전류법으로 전기화학적인 거동을 살펴보고, 네모파 전압전류법으로 보정 곡선을 구하였다. Fig.
모든 전기화학 측정은 CHI660A 전기화학 워크스테이션 (CH Instrument, USA) 에서 수행하였다. 카본 페이스트 전극 (CPE)을 작업 전극으로, 백금선과 Ag/AgCl, KCl (3 M) 전극을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용하였다.
0의 인산 완충용액13) 등 이다. 본 연구에서는 각 항생제들이 혼합되어 있는 시료에서의 총량 분석을 고려하여 0.1M 아세트산 완충용액 (pH 4.5)를 전해질로 사용하였다.
본 연구에서는, 플루오로퀴놀론 계 항생제인 Enrofloxacin (1-Cyclopropyl-7-(4-ethyl-1-piperazinyl)-6-fluoro-1,4-dihydro-4-oxo-3-quinolone carboxylic acid ; ENR), Norfloxacin (1-ethyl-6-fluoro-4-oxo-7-piperazinyl1H-quinoline-3-carboxylic acid ; NOR), Ciprofloxacin (1-cyclopropyl-6-fluoro-4-oxo-7-piperazinyl-quinoline-3- carboxylic acid ; CIP), Ofloxacin (9-fluoro-2,3-dihydro-3-methyl-10-(4-methyl-1-piperazinyl)-7-oxo-7Hpyrido[1,2,3-de]-1,4-benzoxacine-6-carboxylic acid; OFL), Levofloxacin ((-)-(S)-9-fluoro-2,3-dihydro-3-methyl-10-(4-methyl-1-piperazinyl)-7-oxo-7H-pyrido[1,2,3-de]-1,4-benzoxazine-6-carboxylic acid hemihydrate (I) ; LEV) 등 5 가지의 물질에 대한 전기화학적인 거동을 확인하였다. 아울러 네모파 흡착 벗김 전압전류법 (square wave adsorptive stripping voltammetry)으로 각 항생제들을 검출하였다.
항생제의 검출을 위하여 본 연구에서 적용한 네모파 흡착 벗김 전압전류법은 전기화학적 검출 방법 중 매우 빠르고 민감한 측정법이다. 이 측정법을 이용하여 매우 낮은 농도의 항생제를 검출할 수 있음을 보이고, 항생제의 종류와 관계없이 항생제의 총량을 측정하였다. 이로써 축수산 현장에서 사용되는 각 항생제의 종류와 종류별 농도에 대한 정보는 불분명하더라도 그 총량을 규제할 수 있는 빠르고 간편한 방법론을 제시하고자 한다.
476µA µM−1이며, 검출한계는 1µM에 미치지못한다. 이러한 민감도와 검출 한계는 항생제 센서로써 적절하지 못하므로 민감도와 검출 한계를 향상하기 위하여 각 항생제가 녹아 있는 용액에 CPE를 0 V vs. Ag/AgCl 에서 120초 동안 노출하여 항생제가 전극 표면에 충분히 흡착되도록 한 후 순환 전압전류법를 이용해 산화 거동을 관찰하였다.
이와 같은 실험 결과가 축수산 현장에서도 의미가 있는지 검증하기 위하여 실제로 농장에서 닭들이 마시는 축산용 음용수를 채취하여 실험하였다. 이 음용수에는 ENR이 항생제로 포함되어 있는데, 실험해 본 결과 산화 전위 영역 내에서 ENR에 해당하는 산화 반응 외에 다른 산화 반응은 관찰되지 않았다.
측정실험 전처리 단계로 CPE를 0V~1.2 V vs. Ag/AgCl 영역(0.1 M Acetate buffer, pH 4.5)에서 안정적인 전류도가 나올 때까지 전압 순환시킨 후에 항생제의 산화 전위를 측정하였다.
대상 데이터
카본 페이스트 전극 (CPE)은 100 mg그래파이트 파우더 (graphite powder) 와 1 mg 미네랄 오일을 혼합하여 제조되었다. 그런 다음 유리관으로 구멍이 있는 전극 몸체를 만들어 카본 페이스트를 채워 넣은 후 유산지에 연마작업을 하여 전극 표면이 매끄러워지게 만들었다.
모든 전기화학 측정은 CHI660A 전기화학 워크스테이션 (CH Instrument, USA) 에서 수행하였다. 카본 페이스트 전극 (CPE)을 작업 전극으로, 백금선과 Ag/AgCl, KCl (3 M) 전극을 각각 상대 전극과 기준 전극으로 사용하였다. 작업 전극의 겉보기 면적은 0.
플루오로퀴놀론 계 항생제인 Enrofloxacin (ENR), Norfloxacin (NOR), Ciprofloxacin (CIP), Ofloxacin (OFL), Levofloxacin (LEV) 은 Sigma-Aldrich 에서 구매하였다. 각 항생제 표준용액 (1 mM)은 증류수에 제조되었다.
이론/모형
본 연구에서는, 플루오로퀴놀론 계 항생제인 Enrofloxacin (1-Cyclopropyl-7-(4-ethyl-1-piperazinyl)-6-fluoro-1,4-dihydro-4-oxo-3-quinolone carboxylic acid ; ENR), Norfloxacin (1-ethyl-6-fluoro-4-oxo-7-piperazinyl1H-quinoline-3-carboxylic acid ; NOR), Ciprofloxacin (1-cyclopropyl-6-fluoro-4-oxo-7-piperazinyl-quinoline-3- carboxylic acid ; CIP), Ofloxacin (9-fluoro-2,3-dihydro-3-methyl-10-(4-methyl-1-piperazinyl)-7-oxo-7Hpyrido[1,2,3-de]-1,4-benzoxacine-6-carboxylic acid; OFL), Levofloxacin ((-)-(S)-9-fluoro-2,3-dihydro-3-methyl-10-(4-methyl-1-piperazinyl)-7-oxo-7H-pyrido[1,2,3-de]-1,4-benzoxazine-6-carboxylic acid hemihydrate (I) ; LEV) 등 5 가지의 물질에 대한 전기화학적인 거동을 확인하였다. 아울러 네모파 흡착 벗김 전압전류법 (square wave adsorptive stripping voltammetry)으로 각 항생제들을 검출하였다. 실험에 사용한 5 가지 항생제의 구조식은 Fig.
성능/효과
에틸기와 수소의 중간 정도 되는 전자 주게 작용기인 메틸 기 (methyl group)를 N4 위치에 가지고 있는 OFL과 LEV는 서로 비슷한 산화 전위를 가지고 있으며, ENR과 CIP의 사이의 값임을 보여주고 있다. 결론적으로 플루오로퀴놀론 계 항생제에서 N4의 위치에 어떤 작용기가 결합해 있는가에 따라 산화 반응에 의한 검출을 위해서 요구되는 전위가 달라져야 함을 알 수 있다.
카본 페이스트 전극에서 네모파 흡착 벗김 전압전류법을 이용하여 플루오로퀴놀론 계 항생제 (ENR, NOR, CIP, OFL, LEV)를 매우 낮은 농도까지 검출이 가능하다. 또한 항생제의 종류와 관계없이 항생제의 총량을 측정함으로써 항생제의 종류와 종류별 농도에 대한 정보는 부재하더라도 그 총량을 규제할 수 있는 빠르고 정확하게 분석할 수 있음을 보였다.
각 항생제의 민감도를 서로 비교하였을 때의 결과는 산화 전위의 비교 결과와는 조금 다른 경향을 보여주고 있다. 산화 전위를 비교하면 중간 정도의 산화 전위를 가지고 있는 OFL과 LEV가 민감도 측면에서는 ENR보다 더 큰 값을 가지고 있는 것으로 나타났다. 전체적으로 반응 속도 면에서는 OFL ≈ LEV > ENR > NOR > CIP 순으로 나타났다.
축수산물 가공 전후에 잔류 항생제 검출 검사가 반드시 필요한데, 현재 보고되어 있는 항생제의 검출 방법으로는 high performance liquid chromatography (HPLC),3-7) UVvisible,8) fluorescence Detection6,9)을 이용한 분석법이 있다. 이 분석법들은 정확한 검출이 가능하고 극미량의 검출에도 좋은 성능을 보여준다. 그러나 장비의 가격이 비싸며 장비를 사용하기 위한 별도의 공간이 필요하고 사용하는데 있어 해당장비에 충분히 숙련된 전문가가 필요하다는 단점이 있다.
이와 같은 실험 결과가 축수산 현장에서도 의미가 있는지 검증하기 위하여 실제로 농장에서 닭들이 마시는 축산용 음용수를 채취하여 실험하였다. 이 음용수에는 ENR이 항생제로 포함되어 있는데, 실험해 본 결과 산화 전위 영역 내에서 ENR에 해당하는 산화 반응 외에 다른 산화 반응은 관찰되지 않았다.
그 대신 각 농도에서 산화 전류가 흐르는 면적을 측정하여 보정 곡선을 얻었다. 이런 방법을 통하여 얻은 결과로부터 항생제의 총 농도와 측정한 면적 간에 비례 관계가 있음을 확인하였다. 항생제의 총량 검출 실험에서 얻은 민감도는 1.
전체적으로 반응 속도 면에서는 OFL ≈ LEV > ENR > NOR > CIP 순으로 나타났다.
즉, 네모파 흡착 벗김 전압전류법과 같은 전기화학적 측정법으로 항생제의 개별적인 검출뿐만 아니라 축수산 현장에서 개별적인 항생제에 대한 정보가 없다 하더라도 현장에서 사용하고 있는 항생제의 총량을 검출해 낼 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 각 항생제 및 총량 분석에 있어서 검출 한계를 더 낮추기 위하여 탄소 페이스트에 촉매 또는 전자 매개체 (electron mediator) 등을 첨가하여 전극의 반응 속도를 증가시키거나 전극 표면에 기능성 막을 적용하여 좀더 우수한 퀴놀론 계 항생제 검출 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
후속연구
전체적으로 반응 속도 면에서는 OFL ≈ LEV > ENR > NOR > CIP 순으로 나타났다. 이 부분에 대해서는 전극의 표면 상태, 각 항생제의 흡착 정도 등의 변수를 고려하여 좀 더 자세한 후속 실험과 고찰이 필요한 것으로 보인다.
즉, 네모파 흡착 벗김 전압전류법과 같은 전기화학적 측정법으로 항생제의 개별적인 검출뿐만 아니라 축수산 현장에서 개별적인 항생제에 대한 정보가 없다 하더라도 현장에서 사용하고 있는 항생제의 총량을 검출해 낼 수 있는 가능성을 확인할 수 있다. 이러한 연구 결과를 바탕으로 각 항생제 및 총량 분석에 있어서 검출 한계를 더 낮추기 위하여 탄소 페이스트에 촉매 또는 전자 매개체 (electron mediator) 등을 첨가하여 전극의 반응 속도를 증가시키거나 전극 표면에 기능성 막을 적용하여 좀더 우수한 퀴놀론 계 항생제 검출 기술이 개발될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
플루오로퀴놀론 계 항생제는 어떤 기능과 효과를 가지고 있는가?
날리딕식산 (nalidixc acid)으로부터 합성되는 플루오로퀴놀론 (fluoroquinolone)계 항생제는 이종방향족 (heteraromatic), 이중환 (bicyclic structure)을 가지고 있어 DNA 복제에 필요한 효소인 DNA 자이레이스 (DNA gyrase)와 결합하여 DNA 합성 자체를 막아 세균의 증식을 억제하는 것으로 알려져 있으며, 그람 양성 세균, 그람 음성 세균등의 미생물에 탁월한 효과를 가지는 것으로 보고되고 있어 의학과 수의학 분야에서 치료 목적으로 널리 사용되고 있다.1) 또한, 축산물과 수산물의 세균성 질병의 방지 및 치료를 위해서 축수산용 항생제로 플루오로퀴놀론 계 항생제를 많이 사용하기도 한다.
잔류 항생제가 인체에 미치는 영향은?
그러나 이들 항생제의 오남용으로 인한 문제들도 또한 심각한 문제가 되고 있다. 예컨대, 식품 중에 잔류하고 있는 항생제를 사람이 섭취하게 되면 잔류 항생제 때문에 체 내의 세균들이 항생제에 대한 내성을 가지게 되고, 세균들이 내성을 지니게 된 후에는 질병의 치료를 위하여 항생제를 투여하여도 치료가 안되거나 더디게 되는 부작용이 발생한다. 이와 같이 잔류 항생제가 인체에 미치는 영향은 간과할 수 없는 심각한 문제로 지적되고 있다.
현재 사용되고 있는 잔류 항생제 검출 검사 방법은?
2) 이러한 문제는 축수산물의 경우에도 마찬가지이다. 축수산물 가공 전후에 잔류 항생제 검출 검사가 반드시 필요한데, 현재 보고되어 있는 항생제의 검출 방법으로는 high performance liquid chromatography (HPLC),3-7) UVvisible,8) fluorescence Detection6,9)을 이용한 분석법이 있다. 이 분석법들은 정확한 검출이 가능하고 극미량의 검출에도 좋은 성능을 보여준다.
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