선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이번 연구의 목적은 물 시료의 안정동위원소 조성 분석을 위해 최근 도입된 IRIS 방식의 동위원소분석기기와 관련하여 IRIS의 분석원리와 환경 분야에서의 적용 사례, 해당 장비의 분석 성능을 평가한 결과를 소개함으로써 다양한 분야에서 안정동위원소를 이용한 연구 영역을 확대하는데 기여하는 것이다.
- (2009)는 해당하는 H2O 농도범위에서 δ18O, δ2H의 조성 변동특성이 가장 낮은 변화폭이 나타나는 것으로 보고한 바 있다. 이에 권장되는 광학 공동 내 농도 범위이내에서 KWS-N2와 GISP를 표준 시료, KWS-N1과 KWS-D를 분석시료로 각 6차례 분석된 값을 가지고 시료 주입량에 따라 분석값의 보정에는 어떠한 영향을 미치는지 파악해 보았다.
- 추가적으로 표준시료와 분석시료 사이에 표준시료의 범위 안에 포함되는 δ18O, δ2H 조성을 갖는 증류수(δ18O = -8.35 ‰, δ2H = -57.18 ‰)를 배치함으로써 std 4에 해당하는 가장 낮은 δ18O, δ2H 조성을 갖는 표준시료에 대한 미지 시료의 잔류효과 (memory effect)의 영향을 최소화하고자 하였다.
제안 방법
- WS-CRDS 방식을 이용한 동위원소 조성 분석의 정밀도를 제시하기위해 총 4회에 걸쳐 VSMOW2, SLAP2를 보정용 표준시료로 사용하여 서로 다른 동위원소 조성의 3개 시료(KWS-N1, KWS-N2, KWS-D) 를 각 4차례 분석하였다(Table 4). 이때 모든 시료는 8회 주입하였으며, 마지막 4개의 분석자료 중 가장 낮은 표준편차를 갖는 3개 분석값의 평균을 대푯값으로 취하였다.
- WS-CRDS를 이용한 변동성 검사는 2차 표준물질을 이용하여 KWS-N1과 KWS-D를 초기에만 배치하여 보정을 위한 표준시료로, KWS-N2를 분석시료로 설정하여 약 24시간에 걸쳐 변동의 경향과 분석값에 대한 신뢰성을 평가해 보았다. 모든 분석은 동일조건에서 수행되었으며, 한 시료 당 최대 주입 횟수는 12회 이하인 8회로 제한함으로 써 시료주입과정에서 발생할 수 있는 증발에 관한 영향을 최소화시켰다(IAEA, 2009).
- WS-CRDS를 이용한 액체상태 물의 안정동위원소 분석기의 성능을 평가하기 위해 다양한 분석조건에서 δ18O, δ2 H에 대해 1차 표준물질과 2차 표준물질을 이용하여 분석값의 변동성, 잔류효과, 지표성능실험을 진행하였다.
- WS-CRDS에 나타나는 이전 시료의 영향을 알아보 기 위해 VSMOW2, GISP, SLAP2를 표준시료로 설정 하여 각 5회에 걸쳐 SLAP2에서 KBSI-B, VSMOW2 에서 GISP로 넘어갈 때 나타나는 잔류 효과를 파악해 보았다(Fig. 8). 이때 한 시료당 시료의 주입횟수는 12회 이하로 설정하여 분석과정에서 증발에 의한 영향을 최소화하였다(IAEA, 2009).
- WS-CRDS의 직선성을 파악하고자 1차 표준물질과 2차 표준물질을 이용하여 높은 동위원소 조성에서 낮은 동위원소 조성 순으로 3개 조합을 설정하여 각각의 R2(R-square)와 기울기, 절편을 구해보았다(Fig. 6). 모든 분석은 동일조건에서 한 시료당 8회 주입이 이루어지게 설정하여 진행하였다.
- 이를 평가하기 위해 극단적인 δ18O, δ2H 조성차를 갖는 시료들을 분석할 때 연속 분석하여 잔류 효과가 분석값에 미치는 영향을 조사하였다. 또한, 주입되는 시료량에 따른 동일 시료의 분석 오차를 평가하고, 마지막으로 표준물질을 미지시료로서 반복 분석하여 분석 정밀도를 결정하였다.
- 물의 안정동위원소 조성 분석을 위한 WS-CRDS 방식의 동위원소분석기의 검증은 다음 다섯 단계로 구성 된다. 먼저 장비의 안정성을 평가하고 보정 주기를 결정하기 위해 24시간동안 동일 시료를 분석하여 측정값의 변동을 평가하는 변동성 시험을 실시하였다. 이 장비는 VSMOW - SLAP 조성 범위에서 좋은 직선성을 보이는 것으로 알려져 있는데, IAEA의 1차 표준물질과 USGS에서 분석된 2차 표준물질을 이용하여 분석 대상 범위에서 알려진 동위원소 조성에 대한 측정값의 직선성을 평가하였다.
- 6). 모든 분석은 동일조건에서 한 시료당 8회 주입이 이루어지게 설정하여 진행하였다. 3개 조합의 표준시료들의 δ18O와 δ2H의 직선성은 모두 R2가 0.
- 물 시료 분석을 위한 동위원소분석기는 운송 가스의 유속을 2.5 psi로, 자동시료분배장치의 주사기(5 µL syringe, 001982 5F-C/F-5/0.47, 24920, Restek)를 통해 증발 장치에 주입되는 시료량을 1.9 µL로, 매 시료 주입 마다 methyl-2ptrrolidinone anhydrous (99.5%) 용액을 이용해 주사기를 일 회 세척하게 설정하였다.
- 변동성 검사를 위해 약 24시간 동안 KWS-N2를 168회 주입하였으며 이때 δ18O과, δ2 H의 표준편차(σ) 는 각각 0.06 ‰과 0.23 ‰였다(Fig. 5).
- (2010)은 식품이나 음료의 기원을 추적하기 위한 방법의 하나로 이용되는 이들 내에 포함된 물의 안정동위원소 분석에서 WS-CRDS 방식의 IRIS (L1102-i, Picarro)의 적용성을 평가하였다. 우유, 병입수, 탄산음료, 주스, 맥주 등의 다양한 음료를 대상으로 IRIS와 IRMS의 분석 결과를 비교하였다. 음료에서 추출한 물에 대해서는 알코올을 함유한 시료를 제외하고 δ18O, δ2H 두 항목 모두 잘 일치하는 결과를 보여주었다.
- 먼저 장비의 안정성을 평가하고 보정 주기를 결정하기 위해 24시간동안 동일 시료를 분석하여 측정값의 변동을 평가하는 변동성 시험을 실시하였다. 이 장비는 VSMOW - SLAP 조성 범위에서 좋은 직선성을 보이는 것으로 알려져 있는데, IAEA의 1차 표준물질과 USGS에서 분석된 2차 표준물질을 이용하여 분석 대상 범위에서 알려진 동위원소 조성에 대한 측정값의 직선성을 평가하였다. IRIS 장비는 높은 안정성과 좋은 직선성을 가지는 반면, 연속된 시료간의 잔류 효과가 있는 것으로 알려져 있다.
- 이를 평가하기 위해 극단적인 δ18O, δ2H 조성차를 갖는 시료들을 분석할 때 연속 분석하여 잔류 효과가 분석값에 미치는 영향을 조사하였다.
- 이들은 반복 분석 시 초기 2회는 이전 시료의 영향이 큰 것으로 판단하고 자료로 활용하지 않은 것이 좋다고 제안하였다. 이후의 실제 연구사례에서는 초기 3회를 제외하는 방법을 적용하였다 (Lyon et al., 2009; Birkel et al., 2010). WS-CRDS 방식에 대해서는 Gupta et al.
대상 데이터
- 시료용기(Sample tray)에서 물 시료의 배치는 IAEA. 2009와 Penna et al. (2010)를 고려하여 설정하였으며, 각 표준시료 세트 사이에는 6개의 미지 시료를 배치하였다 (Fig. 4). 추가적으로 표준시료와 분석시료 사이에 표준시료의 범위 안에 포함되는 δ18O, δ2H 조성을 갖는 증류수(δ18O = -8.
- 5%) 용액을 이용해 주사기를 일 회 세척하게 설정하였다. 기기 보정을 위한 표준물질은 International Atomic Energy Agency(IAEA)의 일차표준물질 3종, 한국기초과학연구원(KBSI)의 내부 표준물질 2종, 이번 연구를 위해 IRMS로 분석하여 준비된 이차 표준물질 3종을 이용하였다(Table 2).
- 이번 연구에 이용된 동위원소 조성 분석 장비는 IRIS의 여러 방식 중 WS-CRDS방식인 Picarro사의 2세대 모델인 L2120-i이다. 이 장비는 크게 자동시료분배장치(Auto sampler : PAL HTC 9-LEAP; CTC Analytics), 분석기(analyzer), 증발장치(vaporizer), 진공 펌프(vacuum pump), 결과출력장치(display device)의 비교적 단순한 구성을 가진다(Fig.
데이터처리
- 5 mL glass vial)에 담아 분석에 사용하였다. 분석을 통해 얻어진 CRDS의 기본 자료는 동일한 방식의 스프레드시트(spreadsheet)를 사용하였으며, 분석 상에 나타날 수 있는 변동성(drift)와 편중성(bias)는 동일한 시료의 분석값을 기준으로 표준편차를 이용하여 제거하는 방식으로 보정하였다.
이론/모형
- 3. Schematic diagram of Picarro L2120-i H2O isotope analyzer using WS-CRDS analysis methods.
- 이들은 강수와 하천수에서 매일, 호수와 용천수에 대해서는 매주, 지하수에 대해서는 매월 조사를 실시하여 지하수와 호수의 영향이 큼을 보여주었으며, 물의 이동 경로와 혼합 특성을 규명하기 위한 수학적 모형을 구축하였다. 두 연구에서 방대한 양의 시료에 대한 동위원소 분석은 모두 Model DLT-100을 이용하여 수행되었다.
성능/효과
- 1.5 µL에서 2.4 µL 사이의 시료 주입량에 변화에 따른 표준시료와 분석시료의 실측값의 표준편차는 KWS-N1의 δ18O은 0.09 ‰, δ2H은 0.3 ‰이며 KWSD의 δ18O은 0.07 ‰, δ2H은 0.22 ‰로 변화가 거의 나타나지 않으며, 표준시료를 이용한 보정되어진 값 역시 시료 주입량의 변화에 관계없이 오차범위 δ18O을 ±0.1 ‰, δ2H을 ±1.0 ‰을 기준으로 IRMS에 대등하는 값을 보여주었다(Fig. 7).
- 168회 시료주입이 이루어지는 동안 δ18O는 전반적으로 45회에서 90 회, 105회에서 130회 구간에서 미세한 분석값의 증감 경향이 나타났으나 전반적으로 방향성을 갖는 변화는 관찰되지 않는다.
- 3개 조합의 표준시료들의 δ18O와 δ2H의 직선성은 모두 R2가 0.999 이상의 높은 직선성이 나타나 이전 시료에 의한 잔류효과 영향이 적은 것으로 판단할 수 있었다.
- 4차례 분석된 각 시료의 모든 분석값에 대한 표준편차는 δ18O는 최소 0.05 ‰에서 최대 0.06 ‰, δ2 H는 최소 0.31 ‰에서 최대 0.37 ‰ 로 δ18O의 재현성이 δ2 H에 비해 우수함을 알 수 있다.
- KWS-N1과 KWS-D의 6차례 분석값의 평균과 표준편차를 바탕으로 시료 주입량에 따른 광학 공동 내 주입된 H2O 농도와 δ18O 와 δ2H 조성 변화 간에는 δ18O와 δ2H의 조성차를 고려했을 때 두 시료 모두 권장되는 H2O 농도범위 내에서는 큰 경향성이 나타나지 않는다고 판단된다.
- WS-CRDS 방식을 통한 정밀도 분석결과 동일일자의 각 시료 당 표준편차는 δ18O는 최소 0.02 ‰에서 최대 0.07 ‰, δ2 H는 최소 0.02 ‰에서 최대 0.46 ‰ 의 산포정도를 보였다.
- 동일일자의 각 시료 당 δ18O와 δ2 H 평균값은 IRMS 를 통해 분석된 값을 기준으로 δ18O은 ±0.1 ‰, δ2 H 은 ±1 ‰의 분석오차를 만족하였다.
- 88 ‰ 이내에서 차이를 보이여 IRMS와 비교했을 때 유사한 수준의 분석 오차를 나타냄을 확인 할 수 있었다(Table 3). 따라서 WS-CRDS를 이용한 물의 안정동위원소 분석은 변동성의 특이성이 관찰되지 않는 시간범위 내에서 높은 분석값에 대한 정확도를 갖는다고 판단된다.
- 또한 4차례 분석 된 각 시료의 모든 분석값에 대한 평균값도 δ18O은 최대 0.04 ‰, δ2 H은 최대 0.5 ‰ 이하의 값 차이를 보여 WS-CRDS를 이용한 동위원소 분석의 정확성이 IRMS에 필적할만한 분석 수준을 가지고 있음을 파악 할 수 있었다.
- 또한 동일 시료를 가지고 4차례에 걸쳐 교차분석을 실시하였을 때 IRMS에 의해 분석된 값과의 차이는 δ18O은 최대 0.04 ‰, δ2 H은 최대 0.5 ‰ 이하로 IRMS가 갖는 분석오차를 고려했을 때 매우 높은 정확성을 확보한 것으로 판단된다.
- 또한 지표성능 실험에서 나타난 표준편차는 δ18O는 최대 0.06 ‰, δ2 H는 최대 0.37 ‰이하로 IRMS보다 대등하거나 우수한 재현성이 확보되었다고 할 수 있다.
- H에 대해 1차 표준물질과 2차 표준물질을 이용하여 분석값의 변동성, 잔류효과, 지표성능실험을 진행하였다. 변동성의 경우 동일 시료에 대해 24시간 내에서 뚜렷한 경향성은 나타나지 않았으며, 분석값의 변동은 IRMS의 통상적인 분석오차이내임을 확인할 수 있었다. 연속분석에서 이전시료와의 동위원소 조성 차이에 따른 잔류효과는 시료의 배치와 시료 주입횟수 변동을 통해 분석값에 대한 오차를 최소화 할 수 있었다.
- 연속된 3개 분석값의 평균을 대푯값으로 취할 경우 이전 시료와의 동위원소 조성 차이에 따른 잔류효과의 영향범위는 1회 시료주입 당 18O 는 12.82 ‰, δ2 H 는 58.82 ‰ 이하로, 이를 기준으로 잔류효과의 영향이 나타나는 시료 주입횟수를 구분하고 대푯값의 선정 시 제외시켜야 정확한 동위원소 조성을 구할 수 있을 것으로 판단된다.
- 변동성의 경우 동일 시료에 대해 24시간 내에서 뚜렷한 경향성은 나타나지 않았으며, 분석값의 변동은 IRMS의 통상적인 분석오차이내임을 확인할 수 있었다. 연속분석에서 이전시료와의 동위원소 조성 차이에 따른 잔류효과는 시료의 배치와 시료 주입횟수 변동을 통해 분석값에 대한 오차를 최소화 할 수 있었다. 또한 동일 시료를 가지고 4차례에 걸쳐 교차분석을 실시하였을 때 IRMS에 의해 분석된 값과의 차이는 δ18O은 최대 0.
- 위의 결과를 바탕으로 동일조건에서 VSMOW2, GISP, SLAP2를 표준시료로, KWS-N1, KWS-N2, KWS-D를 분석시료로 설정하여 KWS-N1, KWS-N2, KWS-D의 순서로 6차례 분석한 후 그 대푯값을 IRMS의 분석결과와 비교했을 때, δ18O는 최대 0.13 ‰, δ2H는 최대 1.11 ‰의 차이를 보였으나 평균적으로 18O는 0.05 ‰, δ2 H는 0.88 ‰ 이내에서 차이를 보이여 IRMS와 비교했을 때 유사한 수준의 분석 오차를 나타냄을 확인 할 수 있었다(Table 3).
- 음료에서 추출한 물에 대해서는 알코올을 함유한 시료를 제외하고 δ18O, δ2H 두 항목 모두 잘 일치하는 결과를 보여주었다.
- 따라서 한 시료 당 몇 회의 시료주입을 통해 잔류효과를 최소화 할 수 있는지 파악하는 것은 미지의 시료분석에 있어 분석의 오류를 최소화할 수 있다. 이를 통해 WSCRDS를 이용한 동위원소 조성 분석에 있어 시료 당 주입횟수에 따른 최적의 표준시료의 배치와 미지의 시료의 분석에 있어 재분석 유무를 판단할 수 있는 기준을 마련할 수 있다.
- 하지만 IRMS를 통한 참값이 갖는 오차범위(δ18O = ±0.05 ‰, δ2H = ±1.2 ‰)와 시료 개수를 기준으로 분석된 마지막 4회 분석값 중 가장 낮은 표준편차를 보이는 3개 값을 평 균했을 때 모두 해당범위를 만족한다는 점에서 광학특성에 따른 변동성은 매우 낮으며 분석을 진행하는데 있어 신뢰성과 분석값에 대한 정확성을 보증할 수 있을 것으로 판단된다(Fig. 5).
후속연구
- , 2009). 따라서 유기물 오염이 명백하게 우려되는 시료들을 제외한다면 일반적인 자연수에서 물의 안정동위원소 조성 분석에서 IRIS는 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- IRIS로 음료에서 추출한 물을 분석한 경우와 음료를 직접 주입하여 분석한 경우를 비교했을 경우에는 δ18O는 맥주를 제외한 모든 음료에서 잘 일치하였으나 δ2H의 경우는 상당수 종류의 음료에서 차이를 보여주었다. 이러한 결과는 IRIS가 개별 시료의 특성을 고려하여 적절한 주의를 취한다면 장시간이 소요되는 추출작업 없이 빠르게 음료의 기원을 추적할 수 있는 방법으로 활용될 수 있음을 보여주고 있다.
- 등의 안정동위원소를 현장에서도 측정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 장점을 잘 활용한다면 앞으로 많은 분야의 연구에서 물의 안정동위원소 분석과 관련하여 IRIS 기반의 장비가 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.