[논문]반응속도론적 인광 분석기를 이용한 환경 시료 중 우라늄 동위원소 분석에 대한 연구

이명호; 박예은; 남종수; 손세철; 송규석

doi:10.5806/ast.2010.23.6.518

반응속도론적 인광 분석기를 이용한 환경 시료 중 우라늄 동위원소 분석에 대한 연구
A study on the analysis of uranium isotopes in environmental samples using a kinetic phosphorescence analyzer 원문보기

분석과학 = Analytical science & technology, v.23 no.6, 2010년, pp.518 - 523

이명호 (한국원자력연구원 원자력화학연구부) , 박예은 (한국원자력연구원 원자력화학연구부) , 남종수 (한국원자력연구원 원자력화학연구부) , 손세철 (한국원자력연구원 원자력화학연구부) , 송규석 (한국원자력연구원 원자력화학연구부)

초록
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본 논문에서는 반응속도론적 인광 분석기(Kinetic Phosphorescence Analyzer, KPA)를 이 용하여 환경 시료 중의 우라늄 동위원소 분석에 대한 연구를 기술하였다. 극초단파 산분해 기술을 이용하여 토양 및 유리 재질 시료로부터 우라늄 성분을 추출한 후, UTEVA 수지를 통해서 우라늄 동위원소를 순수하게 분리하였고 KPA로 우라늄 농도를 정량하였다. 우라늄 표준용액을 사용하여 KPA를 이용한 우라늄 측정법에 대한 선형성 및 재현성 실험을 수행하였다. 우라늄 표준용액, 지하수 및 인증 표준시료에 대해 KPA를 사용하여 우라늄 농도를 측정하여 KPA를 이용한 우라늄 분석법에 대한 신뢰도를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the study of analysis of uranium isotopes in environmental samples with a kinetic phosphorescence analyzer (KPA) was described. After leaching uranium fraction from soil and glass material with microwave acid digestion technology, uranium isotopes were purified with UTEVA column, and then measured using KPA. Linearity and repeatability tests for measurement of uranium isotopes were carried out in the uranium standard solution with KPA. The reliability for analytical method of uranium with KPA was validated by its application to uranium standard solution, ground water, IAEA and NIST reference samples.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

515 nm 파장의 방출 필터(emission filter, yellow-green)를 사용하여 발광(luminescence) 신호를 거르고 레이저 펄스로부터 90° 각도로 방출되는 우라닐 이온의 인광을 고감도 광전자 증배관(PMT)을 사용하여 측정하였다.
IAEA SOIL-7 시료 0.1 g을 취한 후, 진한 질산 8 mL와 H₂O₂ 1 mL를 첨가하고 20분 동안 극초단파 산분해 시스템을 사용하여 토양 matrix를 분해하였다. NIST SRM-611 유리 재질 시료는 0.
Jobin Yvon Model의 ICP-AES와 VARIAN의 ICPMS를 사용하여 토양, 유리 및 물 시료에 대한 우라늄 농도를 측정하여 KPA로 측정한 우라늄 농도 값과 비교하여 KPA를 사용한 우라늄 분석법을 검증하였다.
단 수명(short-lived) 형광 및 발광을 제거하기 위해 감쇠도(decay profile)로부터 65 µs 펄스를 제거한 후, 65µs에서 585 µs 간격의 펄스를 제 1차 감쇠 속도식을 이용하여 분석하였다.
우라늄 표준 용액과 지하수 시료에 대해 KPA 및 ICP-MS로 분석한 우라늄 농도값은 매우 유사하게 측정되었다. 또한 IAEA 및 NIST에서 제공되는 인증 표준물질에 대하여 KPA로 측정한 우라늄 농도값은 IAEA 및 NIST에서 보고된 인증 표준값과 신뢰구간 내에서 일치하여 KPA를 이용한 우라늄 분석법에 대한 신뢰도를 확인하였다.
본 연구에서는 IAEA SOIL 7과 NIST SRM 611 인증 표준시료에 대하여 극초단파 산분해 시스템을 사용하여 시료를 용해하였고, UTEVA를 사용하여 우라늄 동위원소를 순수하게 분리한 후,^9-10 KPA를 이용하여 시료 중의 우라늄을 정량하고 그 결과를 인증 표준값과 비교하였다. 또한 KPA를 이용하여 지하수 중의 우라늄 방사능 농도를 측정한 후, ICP-MS 측정값과 비교하였다.
또한 표준편차값에 3배인 0.00876 µg/L를 검출한계치(detection limit)로 설정하였고,8 표준편차값에 10배인 0.0292 µg/L를 정량한계치(quantitation limit)로 설정하였다.
따라서 KPA에서는 우라늄을 분석하기 전에 산성 조건하에서 H₂O₂와 같은 과산화물을 이용하여 U⁴⁺를 U⁶⁺로 완전히 산화시켜 주는 조작이 필요하다. 본 연구에서는 IAEA SOIL 7과 NIST SRM 611 인증 표준시료에 대하여 극초단파 산분해 시스템을 사용하여 시료를 용해하였고, UTEVA를 사용하여 우라늄 동위원소를 순수하게 분리한 후,^9-10 KPA를 이용하여 시료 중의 우라늄을 정량하고 그 결과를 인증 표준값과 비교하였다. 또한 KPA를 이용하여 지하수 중의 우라늄 방사능 농도를 측정한 후, ICP-MS 측정값과 비교하였다.
시간 게이트 폭(time gate width)을 13 µs로 설정하여 13 µs마다 인광 방출감도(emission intensity)를 측정하였다.
시료를 용해시키기 위해서는 극초단파 산분해 시스템(Milestone, MLS-1200 MEGA, Italy)을 사용하였고, 시료 중 존재하는 matrix 성분을 제거하고 순수한 우라늄을 분리하기 위해서 100~150 µm의 입자 크기를 가지는 UTEVA 수지(Part No. UT-B100-A Eichrom, USA)를 사용하였다.
인증 표준시료인 IAEA SOIL 7과 NIST SRM 611을 사용하여 KPA를 이용한 우라늄 분석법을 검증하였다. 우라늄 착화제(complexing agent)인 Uraplex (Chemchek Instruments, USA)를 사용하여 우라늄 이온을 안정화하여 우라늄 성분 측정 시 방해요인을 제거하고 용매로부터 유발되는 소광효과(quenching effect)를 최소화하였다.
우라늄을 정량분석하기 위해 우라늄 표준용액을 사용하여 광범위 우라늄 농도범위(0~1000 µg/L)의 보정 곡선을 작성하였다.
8 M HNO₃ 용액 5 mL 를 사용하여 우라늄 성분을 용해하였다. 우라늄을 정량하기 위해서 플라스틱 셀에 용해된 시료 1.0 mL를 넣고 Uraplex 1.5 mL 첨가한 후 잘 섞은 다음 KPA를 사용하여 우라늄 농도를 측정하였다.
보정곡선을 작성하기 위해서 100 mg/L 우라늄 표준 용액을 이용하여 1~1000 µg/L 표준용액을 만들어 사용하였다. 인증 표준시료인 IAEA SOIL 7과 NIST SRM 611을 사용하여 KPA를 이용한 우라늄 분석법을 검증하였다. 우라늄 착화제(complexing agent)인 Uraplex (Chemchek Instruments, USA)를 사용하여 우라늄 이온을 안정화하여 우라늄 성분 측정 시 방해요인을 제거하고 용매로부터 유발되는 소광효과(quenching effect)를 최소화하였다.
KPA는 중성 및 산 매질 하에서 실험하기 때문에 질산의 농도가 우라늄 정량 결과에 영향을 미칠 수 있다. 질산의 농도를 달리하면서 실험해 본 결과 Table 2에서 볼 수 있듯이 HNO₃의 농도가 1 M 이상이 되면 KPA를 이용한 우라늄의 측정값이 기준값과 비교하여 결과값이 점점 낮아짐을 관찰 할 수 있어서 본 연구에서는 질산농도가 0.8 M 이하인 조건에서 실험하였다.
플라스틱 재질의 분리관의 아래쪽에 폴리에틸렌 필터 디스크를 끼워 넣고, 일정량의 UTEVA 수지를 4 cm정도 채운 다음, 상부에 다시 폴리에틸렌 필터 디스크를 끼워 넣고 깔때기를 연결시켰다. 충전 분리관에 0.01 M HNO₃ 용액 2 mL를 흘려 분리관을 정제한 다음, 5 M HNO₃ 용액을 2 mL씩 2회 흘려보내어 UTEVA 수지가 포함된 컬럼 조건을 시료조건과 동일하게 조절하였다.
토양과 유리재질의 시료들을 극초단파 산분해 시스템을 이용하여 용해한 결과, 토양 시료의 경우는 불용 물질이 관찰되어 0.47 µm membrane 필터를 사용하여 불용성 성분으로부터 우라늄 성분을 분리하였다.

대상 데이터

시간 게이트 폭(time gate width)을 13 µs로 설정하여 13 µs마다 인광 방출감도(emission intensity)를 측정하였다. 시료 1개 분석 시(50 s) 1,000레이저 펄스가 이용되었다(20-pulse/s repetition cycle). 단 수명(short-lived) 형광 및 발광을 제거하기 위해 감쇠도(decay profile)로부터 65 µs 펄스를 제거한 후, 65µs에서 585 µs 간격의 펄스를 제 1차 감쇠 속도식을 이용하여 분석하였다.
실험에는 65% HNO₃ (Merck)와 30% H₂O₂ (Merck)를 사용하였으며, HNO₃는 초순수 증류수(18 MΩ/cm)로 희석하여 0.02~3 M HNO₃를 조제하여 사용하였다. 보정곡선을 작성하기 위해서 100 mg/L 우라늄 표준 용액을 이용하여 1~1000 µg/L 표준용액을 만들어 사용하였다.

이론/모형

순수한 우라늄을 분리해내기 위하여 UTEVA 수지를 이용하였으며, 질산 및 염산 매질에서 산농도 변화에 따른 악티나이드 원소들에 대한 분배계수의 값은 Fig. 3에 나타내었다. 95 M HNO₃ 용액을 사용할 경우 우라늄의 분배계수가 102이상이므로 5 M HNO₃용액 20 mL를 사용하여 우라늄을 UTEVA 수지에 흡착시킨 후 0.

성능/효과

Uraplex에 의한 착물 형성으로 인해 용매 소광이 감소하여 우라닐 이온의 수명(lifetime)을 증가시켰다(285 µs). 그 결과로 S/N(signal to noise)비를 증가시켜서 분석 감도를 향상시켰다. 또한 우라늄의 농도 변화(0~1000 µg/L)에 따른 인광세기를 측정하여 KPA 보정곡선을 작성하는 것도 우라늄 정량 시 필요하다.
우라늄 분석결과는 인증 표준값과 신뢰 구간범위 내에서 일치하였다. 따라서 본 연구에서 검토된 KPA를 이용한 환경시료에서 우라늄 측정법에 대한 신뢰도를 확인할 수 있었다.
우라늄 표준용액 (0.5 µg/L)을 사용하여 우라늄 측정값에 대한 재현성을 확인하기 위해 5회 반복 측정한 결과(Table 3 참조), 평균값은 0.481±0.00292 µg/L로 상대표준편차 (relative standard deviation, RSD)가 매우 적어서 (0.607%) 측정값에 대한 신뢰도를 확인할 수 있었다.
8 M 이하)에서 수행하였다. 우라늄 표준용액을 사용하여 선형성 실험 결과 높은 선형성이 관찰되었고, 재현성 실험결과 상대 표준편차가 1% 미만으로 측정되었다. 우라늄 표준 용액과 지하수 시료에 대해 KPA 및 ICP-MS로 분석한 우라늄 농도값은 매우 유사하게 측정되었다.
KPA 결과의 신뢰성을 확인하기 위해 ICP-MS를 이용하여 표준용액 및 지하수에 대한 우라늄 측정값을 비교하여 Table 4 및 Table 5에 나타내었다. 표준용액의 경우에 KPA와 ICP-MS 결과가 거의 일치함을 보였다. 또한 지하수 시료의 경우에는 KPA와 ICP-MS 로 분석한 우라늄 농도값은 오차범위 내에서 거의 비슷한 값을 얻었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우라늄 동위원소 분석을 쉽게 할 수 있는 이유는 무엇인가?	환경 시료 중 수용액 시료에서 우라늄 동위원소 분석은 시료 전처리 및 분리조작이 비교적 간단하여 우라늄 동위원소 분석을 쉽게 할 수 있다. 토양시료에 함유된 미량의 우라늄을 분석하는 경우에는 다양한 형태의 유기물과 무기물들이 matrix 형태로 토양 내에 존재하기 때문에 분석대상 시료에서 우라늄만을 선택적으로 완벽하게 분리하는 것은 매우 중요하다.
	분석대상 시료에서 우라늄만을 선택적으로 완벽하게 분리하는 것이 중요한 이유는 무엇인가?	환경 시료 중 수용액 시료에서 우라늄 동위원소 분석은 시료 전처리 및 분리조작이 비교적 간단하여 우라늄 동위원소 분석을 쉽게 할 수 있다. 토양시료에 함유된 미량의 우라늄을 분석하는 경우에는 다양한 형태의 유기물과 무기물들이 matrix 형태로 토양 내에 존재하기 때문에 분석대상 시료에서 우라늄만을 선택적으로 완벽하게 분리하는 것은 매우 중요하다.1 토양시료에 포함된 미량의 우라늄을 분석하기 위하여 우선 질산이나 염산 등을 사용하여 시료를 용해한 다음 화학적인 조작을 통해 우라늄만을 선택적으로 순수하게 분리한다.
	질량분석기를 이용할 경우의 장단점은 무엇인가?	2 분리된 우라늄은 유도결합 플라즈마 질량분석기(inductively coupled plasma mass spectrometer, ICP-MS)나 열 이온화 질량분석기(thermal ionization mass spectrometer, TIMS)를 사용해서 우라늄의 질량을 정량하거나 알파 분광분석기(alpha spectrometer, AP)를 사용해서 방출되는 우라늄의 에너지를 계측하여 정량하는 방법을 주로 사용한다. 질량분석 장비를 사용하는 경우에는 분석대상 핵종의 검출 하한치가 매우 낮고 고감도라는 장점을 가지고 있지만 장비가 매우 고가인 단점이 있어 일상적인 환경시료 분석에는 많이 이용되지 않는다.3 알파 분광 분석기를 이용하는 경우에는 전기전착 등의 전통적인 방식을 사용하면 분석 감도가 좋아질 수 있으나, 악티나 이드 원소가 전착 도중에 중합과정을 통하여 전기전착 판에 국부적으로 전착될 우려가 있고 전착도중에 pH를 정확하게 조절하기가 어려우며,4-5 전기전착 판에 철 등의 방해 원소가 간혹 전착되어서 피크 분해능(full width at half maximum, FWHM)이 저하되어 우라늄 동위원소들 중에 235U를 정확하게 정량하 기가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

참고문헌 (11)

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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