[논문]흑연로 원자 흡광 광도기와 유도 결합 플라즈마 질량 분석기를 이용한 인체 혈중 카드뮴 농도 비교

권정연; 김병권; 임현주; 서정욱; 강민경; 김유미; 홍영습

doi:10.5668/jehs.2018.44.5.491

흑연로 원자 흡광 광도기와 유도 결합 플라즈마 질량 분석기를 이용한 인체 혈중 카드뮴 농도 비교
Comparison of Human Blood Cadmium Concentrations using Graphite Furnace Atomic Absorption Spectrometry (GF-AAS) and Inductively Coupled Plasma-mass Spectrometry (ICP-MS) 원문보기

韓國環境保健學會誌 = Journal of environmental health sciences, v.44 no.5, 2018년, pp.491 - 501

권정연 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 김병권 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 임현주 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 서정욱 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 강민경 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 김유미 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터) , 홍영습 (동아대학교 중금속 노출 환경보건센터)

Abstract ▼ AI-Helper

Objectives: The aims of this study were to compare concentrations and the correspondence of human blood cadmium by using graphite furnace atomic absorption spectrometry (GF-AAS) and inductively coupled plasma-mass spectrometry (ICP-MS), which are representative methods of heavy metal analysis. Methods: We randomly selected 79 people who agreed to participate in the research project. After confirming the linearity of the calibration curves for GF-AAS and ICP-MS, the concentrations of cadmium in a quality control standard material and blood samples were measured, and the correlation and the degree of agreement were compared. Results: The detection limit of ICP-MS (IDL: $0.000{\mu}g/L$, MDL: $0.06{\mu}g/L$) was lower than that of GF-AAS (IDL: $0.085{\mu}g/L$, MDL: $0.327{\mu}g/L$). The coefficient of variation of the quality control standard material showed stable values for both ICP-MS (clinchek-1: 5.35%, clinchek-2: 6.22%) and GF-AAS (clinchek-1: 7.92%, clinchek-2: 5.22%). Recovery was relatively high for both ICP-MS (clinchek-1: 95.1%, clinchek-2: 92.8%) and GF-AAS (clinchek-1: 91.4%, clinchek-2: 98.8%), with more than 90%. The geometric mean, median, and percentile of blood samples were all similar. The agreement of the two instruments compared with the bias of the analytical values found that about 81% of the analytical values were within ${\pm}30%$ of the deviation from the ideal reference line (y=0). As a result of the agreement limit, the value included in the confidence interval was about 94%, which shows high agreement. Conclusion: In this study, we confirmed there was no significant difference in concentrations of a quality control standard material and blood samples. Since ICP-MS showed lower concentrations than GF-AAS at concentrations below the method detection limit of GF-AAS, it is expected that more precise results will be obtained by analyzing blood cadmium with ICP-MS.

주제어

표/그림 (8)

표 Table 1. GF-AAS, ICP-MS equipment conditions
표 Table 2. Temperature program of GF-AAS
표 Table 3. Limits of Detection µg/L
표 Table 4. Quality control standard material in each equipment (µg/L)
표 Table 5. Level of Cd in blood of 79 subjects
그림 Fig. 1. Comparison between the AAS and the ICP-MS measurements and Bias plot displaying the difference of the two methods in percentage
그림 Fig. 2. Bland-Altman plot-limits of agreement
그림 Fig. 3. Distribution pattern of the differences between methods for each sample

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 79명의 일반인(여성)에서 혈액을 이용, 두 장비간의 농도차이를 확인하고자 하였다. 두 장비에서의 평균값(GF-AAS: 0.
이 연구에서는 특성이 다른 장비를 이용하여 같은 물질을 분석, 두 장비간의 일치성 정도를 파악하고자 하였다. 검출한계의 경우, ICP-MS가 GF-AAS에 비해 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다.
우리나라에서는 혈액의 카드뮴과 납 분석을 직접적으로 비교 및 평가한 논문은 거의 없다. 이에 한국인의 노출 중금속 중 대표적인 카드뮴을 대상으로 중금속 분석의 대표적인 방법인 GF-AAS와 ICP-MS(희석법)를 비교하여 혈중 카드뮴 농도 측정을 하고 두 장비간의 분석 값이 차이가 있는지, 일치성이 얼마나 나타내는지를 확인해 보고자 하였다.

제안 방법

10 mg/L Multi-element calibration standard을 이용하여 0.05-20 μg/L 사이의 검정표준용액을 제조하였다.
4) 매질의 영향을 줄이기 위하여 내부표준물질인 Rhodium을 사용하였고, ORS (octopole reaction system)을 사용하여 Quadrupole mass를 이용하여 분석하였다.
4) 카드뮴 표준용액을 이용하여 100 μg/L로 만든 후, 단계적 희석(serial dilution)을 통하여 0.5-4.0 μg/L의 농도로 제조하였다.
GF-AAS는 카드뮴 표준용액(1000 mg/L, Sigma, USA)을 이용하였고, ICP-MS는 10 mg/L Multielement calibration standard (Agilent Technologies, USA)을 이용하여 검정곡선을 작성하였다.
GF-AAS와 ICP-MS 두 장비 모두 표준물질(CRM; certified reference material)을 사용하여 시험방법을 검증하였고, 이때 사용된 표준물질은 ClinChek level 1, 2 (RECIPE Chemicals, Germany)로 매 검사마다 측정법의 신뢰성을 확보하였다.
두 장비로부터 얻어진 농도간의 상관관계 및 일치도를 확인하기 위해 분석값 분포도를 확인하였다. Fig.
이 연구에서 검출한계를 확인한 후, 표준물질 및 동일한 혈액 시료를 이용하여 카드뮴의 농도를 비교 및 일치도 정도를 확인하였다. 그 결과, 검출한계는 ICP-MS가 GF-AAS보다 낮게 도출되었으며 표준물질 및 혈액시료의 농도는 두 장비에서의 차이는 나타나지 않음을 확인할 수 있었고, 일치정도도 높음을 확인하였다.
이 연구에서는 혈중 카드뮴을 분석하는 방법인 GFAAS와 ICP-MS를 이용하여 두 장비에서 측정된 농도 값을 비교, 일치도를 확인하였다.
표준물질로 두 장비의 값을 비교한 후, 동일한 현장시료를 이용하여 GF-AAS와 ICP-MS 장비에서 값의 일치성 정도를 비교 및 일치성 상관계수를 구하였다.
혈액 시료는 상온에 꺼내어 roll mixer로 30분에서 1시간 이상 교반한 후 사용하였으며, 검체 20개마다 표준물질 및 검량선의 일정 농도를 이용하여 검정곡선을 확인하였다.
혈액은 항응고제(EDTA)가 들어있는 혈액채취용기 (Vacutainer, Beckton & Dickton, Franklin Lakes, NJ, USA)를 사용하여 대상자의 정맥에서 채취하였다.
0 μg/L의 농도로 제조하였다. 희석액에 농도별로 제조된 표준용액 희석액을 섞은 후, base blood를 섞어 검정곡선을 작성하고(혈액첨가법), 분석 시료는 희석액에 탈이온수과 함께 섞어서 분석하였다(13배 희석).
05-20 μg/L 사이의 검정표준용액을 제조하였다. 희석액에 표준용액을 원하는 농도에 맞게 섞은 후, base blood를 섞어 검정곡선을 작성하고(혈액첨가법), 분석 시료는 희석액에 섞어서 분석하였다(10배 희석). 각 기기의 조건은 Table 1, 2와 같다.

대상 데이터

GF-AAS를 이용한 혈중 카드뮴 분석에 사용한 희석액은 0.2% palladium matrix modifier (Merck, USA), 1% Triton X-100 (Sigma, USA), 1.3% Nitric acid (동우화인캠(주), 한국)을 탈이온수에 혼합하여 제조하였다. 희석액 제조에 사용하는 3차 증류수(18.
ICP-MS를 이용한 혈중 카드뮴 분석에 사용한 희석액은 2% 1-butanol (99.7%, Sigma, USA), 0.05% EDTA (99.995%, Aldrich, USA), 0.05% Triton X100 (Sigma, USA), 1% NH4OH (28-30%, Sigma, USA)을 탈이온수에 혼합하여 제조하였다. ICP-MS로 분석 시 사용하는 희석액의 pH는 11.
ICP-MS에 사용한 내부표준물질은 Rhodium(Agilent Technologies, USA)을 사용하였다.
중금속 노출 환경보건센터(heavy metal exposureenvironmental health center, HM-EHC)의 연구사업 참여에 동의한 사람들 중 무작위로 선정(79명)된 사람들의 혈액을 사용하였다. 혈액은 항응고제(EDTA)가 들어있는 혈액채취용기 (Vacutainer, Beckton & Dickton, Franklin Lakes, NJ, USA)를 사용하여 대상자의 정맥에서 채취하였다.

데이터처리

GF-AAS와 ICP-MS 장비의 기기검출한계(IDL, Instrument Detection Limit)는 공시료를 7회 반복 분석하여 표준편차(SD)를 구하고 그 값에 3.14 (신뢰도 99%)를 곱하여 나타내고, 방법검출한계(MDL, Method Detection Limit)는 검정곡선에서 제일 낮은 농도를 7회 반복 분석하여 산출한 표준편차에 3.14 (신뢰도 99%)를 곱하여 계산하였다. 검출한계는 Table 3에 나타내었으며, GF-AAS (IDL: 0.
4, SAS Institute, Cary, NC)를 사용하였다. 두 가지 다른 방법에 의해 분석된 혈중 카드뮴의 농도 분포를 확인하기 위하여 중심위치 및 산포 추정치를 제시하였고, 이들 중심위치에 대한 paired t-test, Wilcoxon signed rank test를 실시하였다. 두 방법 간 일치성의 정량적 평가로 일치도 상관계수는 CCC (concordance correlation coefficient)를 제시하였고, bias plot 및 Bland-Altman plot으로 일치성 정도를 평가하였다.
두 가지 다른 방법에 의해 분석된 혈중 카드뮴의 농도 분포를 확인하기 위하여 중심위치 및 산포 추정치를 제시하였고, 이들 중심위치에 대한 paired t-test, Wilcoxon signed rank test를 실시하였다. 두 방법 간 일치성의 정량적 평가로 일치도 상관계수는 CCC (concordance correlation coefficient)를 제시하였고, bias plot 및 Bland-Altman plot으로 일치성 정도를 평가하였다. Bland-Altman plot은 2개 분석 값에 대한 일치 정도를 확인하기 위한 그림으로 x축은 2개 분석 값의 평균을 제시하며, y축은 그 값의 차이를 나타내었다.
통계 분석은 SAS (Version 9.4, SAS Institute, Cary, NC)를 사용하였다. 두 가지 다른 방법에 의해 분석된 혈중 카드뮴의 농도 분포를 확인하기 위하여 중심위치 및 산포 추정치를 제시하였고, 이들 중심위치에 대한 paired t-test, Wilcoxon signed rank test를 실시하였다.

성능/효과

14) 일본의 유사 연구에서도 기하평균 및 중간 값이 ICP-MS보다 GFAAS가 더 높음을 볼 수 있었다.
22) ET-AAS와 ICP-MS로 혈중 카드뮴 분석 비교한 국외 논문에서도 두 장비의 데이터 값이 0.1-11 μg/L의 수준에서 좋은 일치율을 보임을 확인하였다.
GF-AAS에 의한 산술평균은 0.41 μg/L로 ICP-MS의 0.43 μg/L와 비교하여 0.02 μg/L 정도의 차이를 보였고, 중앙값은 각각 0.39, 0.40 μg/L, 기하평균은 동일하게 0.40 μg/L으로 두 방법 간 중심위치 추정치는 매우 유사한 수준으로 확인되었으며 통계적으로 유의한 차이가 없는 것으로 나타났다.
GF-AAS와 ICP-MS에서 검정곡선을 작성하였을 때 두 장비 모두 상관계수(R2)는 0.999 이상으로 좋은 직선성을 나타냄을 확인할 수 있었다.
이 연구에서는 특성이 다른 장비를 이용하여 같은 물질을 분석, 두 장비간의 일치성 정도를 파악하고자 하였다. 검출한계의 경우, ICP-MS가 GF-AAS에 비해 낮은 값을 나타냄을 확인할 수 있었다. 일본의 유사한 연구¹⁾의 검출한계보다 본 연구에서 사용한 장비에서 더 낮은 검출한계(일본의 방법검출한계, Cd: 0.
고농도에 비해서 상대적으로 저농도 수치에서 편향이 증가하는 경향성이 나타났는데, 약 0.32 μg/L 기준으로 미만 구간에서는 GF-AAS의 분석 값이 대체로 ICP-MS와 비교하여 상대적으로 더 높은 수치를 보였고 이상 구간에서는 반대의 경우가 조금 더 많았다(이 부분은 Table 5에서 확인한 부분이다. ).
2)됨에 따라, 두 기기에서의 일치정도는 비교적 높은 것으로 보인다. 국외 문헌에서 GF-AAS와 ICP-MS를 이용하여 생체시료에서 다양한 중금속을 분석 비교하였는데, 모든 ICP-MS 및 GF-AAS 결과는 목표 값의 허용한계 이내에 있으며 두 장비의 상관관계가 우수함을 확인하였다.²²⁾ ET-AAS와 ICP-MS로 혈중 카드뮴 분석 비교한 국외 논문에서도 두 장비의 데이터 값이 0.
이 연구에서 검출한계를 확인한 후, 표준물질 및 동일한 혈액 시료를 이용하여 카드뮴의 농도를 비교 및 일치도 정도를 확인하였다. 그 결과, 검출한계는 ICP-MS가 GF-AAS보다 낮게 도출되었으며 표준물질 및 혈액시료의 농도는 두 장비에서의 차이는 나타나지 않음을 확인할 수 있었고, 일치정도도 높음을 확인하였다. 그러나 GF-AAS의 검출한계 이하의 농도에서의 혈중 카드뮴 값은 ICP-MS의 값이 GFAAS보다는 낮게 도출됨을 확인하였다.
그 결과, 검출한계는 ICP-MS가 GF-AAS보다 낮게 도출되었으며 표준물질 및 혈액시료의 농도는 두 장비에서의 차이는 나타나지 않음을 확인할 수 있었고, 일치정도도 높음을 확인하였다. 그러나 GF-AAS의 검출한계 이하의 농도에서의 혈중 카드뮴 값은 ICP-MS의 값이 GFAAS보다는 낮게 도출됨을 확인하였다. 장기적으로 GF-AAS의 검출한계 이하의 농도에서 지속적으로 추가적인 연구를 통해 두 장비의 장단점을 보완할 필요가 있고 낮은 검출한계는 일반적으로 저 농도 노출로 인한 중금속 건강영향 분석에 있어 매우 중요한 부분을 차지할 것으로 예상되므로 이러한 연구에서 ICP-MS의 활용이 보다 더 많아지기를 기대한다.
두 분석 값의 차이에 대한 산술평균이 0.02 μg/L로 이상적인 중심 추정치인 0 μg/L에 매우 근사, 농도에는 그 차이가 거의 없는 것으로 보였으나, 농도의 표준편차는 0.11 μg/L로 상대적으로 큰 산포를 보였다.
표준물질의 제시된 중간 값보다는 두 장비에서 검출된 카드뮴의 농도가 낮게 나왔지만, 회수율(recovery)은 90% 이상으로 높았다. 두 장비에서 얻어진 농도의 변이계수(CV, coefficient of variation)가 10% 미만으로 평균이 안정적으로 나오는 것을 확인 할 수 있었고 두 장비간의 차이는 없었다.
두 장비에서의 평균값(GF-AAS: 0.41±0.13 μg/L, ICPMS: 0.43±0.15 μg/L), 기하평균(GF-AAS: 0.40 (0.37-0.42) μg/L, ICP-MS: 0.40 (0.37-0.43) μg/L), 중간값(GF-AAS: 0.39 (0.18-0.79) μg/L, ICP-MS: 0.40(0.19-0.87) μg/L) 및 백분위를 비교하였는데, 유의적으로 차이가 없음을 확인하였다.
이러한 연구들을 근거로 일반인의 혈중 카드뮴 농도가 낮다는 점을 고려하였을 때, ICP-MS가 GF-AAS보다 더 유용할 것이라 예측할 수 있다. 또한 표준물질을 이용하여 두 장비의 값을 비교한 결과, 회수율(recovery) 및 변이계수(CV)는 두 장비에서 큰 차이를 나타내진 않았다. GFAAS와 ICP-MS를 이용하여 혈중 카드뮴을 분석한 국외 논문에서도 같은 표준물질에서의 회수율(recovery)이 두 장비에서 차이나지 않았다.
분석 값의 산점도는 양의 경향성을 보였고 피어슨 상관계수(Pearson’s correlation coefficient)는 0.662, 일치도 상관계수는(concordance correlation coefficient)는 0.652로 나타났다.
분석 값의 편향으로 일치성을 비교하였을 때, 분석 값의 약 81%가 이상적인 참조선(y=0)에서 편향 ±30% 내에 존재함을 확인하였다.
767 수준으로 나타났다. 완전히 농도가 일치한다고 볼 수 있는 기울기가 1인 직선과 비교 시, 일정 농도를 기준으로 낮은 농도에서는 GFAAS 값이 ICP-MS 값보다 높게 도출되었으나, 농도가 높아짐에 따라 GF-AAS 값보다는 ICP-MS 값이 조금 높게 도출됨을 확인 할 수 있다(Table 5에서 P75부터 ICP-MS값이 GF-AAS보다 높게 도출되었다.). 분석 값의 산점도는 양의 경향성을 보였고 피어슨 상관계수(Pearson’s correlation coefficient)는 0.
이 연구에서 두 장비의 분석 값 차이의 평균은 0.01 μg/L이며 이에 대한 95% 신뢰구간은 −0.21에서 0.23 μg/L로 전체 자료 중 해당 구간 내 포함되는 분석값은 전체의 약 94%에 해당하였다.
일본의 유사한 연구1)의 검출한계보다 본 연구에서 사용한 장비에서 더 낮은 검출한계(일본의 방법검출한계, Cd: 0.1 μg/L for ICP-MS and 0.5 μg/L for GFAAS)를 보였고, ICP-MS가 GF-AAS에 비해 낮은 값을 나타내는 패턴은 유사함을 볼 수 있었다.
652로 비교적 높은 일치도를 보였으나, 이상적인 참조선을 벗어나는 농도 값이 일부 있음을 볼 수 있었고 그로 인해 일치도가 약간 떨어짐을 알 수 있다. 일치한계를 이용한 농도의 산점도를 확인하였을 때, 대부분의 농도가 신뢰구간 안에 포함됨을 확인(Fig. 2)됨에 따라, 두 기기에서의 일치정도는 비교적 높은 것으로 보인다. 국외 문헌에서 GF-AAS와 ICP-MS를 이용하여 생체시료에서 다양한 중금속을 분석 비교하였는데, 모든 ICP-MS 및 GF-AAS 결과는 목표 값의 허용한계 이내에 있으며 두 장비의 상관관계가 우수함을 확인하였다.
). 전체 분석값 중에서 약 66%가 ICP-MS의 분석값이 더 높은 것으로 확인되었다.
두 장비로 분석한 표준물질 값은 Table 4에 나타내었다. 표준물질의 제시된 중간 값보다는 두 장비에서 검출된 카드뮴의 농도가 낮게 나왔지만, 회수율(recovery)은 90% 이상으로 높았다. 두 장비에서 얻어진 농도의 변이계수(CV, coefficient of variation)가 10% 미만으로 평균이 안정적으로 나오는 것을 확인 할 수 있었고 두 장비간의 차이는 없었다.

후속연구

4) 이미 ICP-MS를 이용하여 체내 중금속을 분석하는 연구가 진행되기도 했지만,6) 저농도로 중금속에 노출되는 국민들을 대상으로 하는 연구가 향후 지속적으로 진행될 가능성이 있고 앞으로의 모니터링 사업의 규모를 확대 및 많은 대상자에 대한 분석을 위해서는 단일 물질 분석 방법인 흡광 광도법 뿐만 아니라 저농도 측정이 장점인 ICP-MS를 이용한 분석이 이루어져야 할 것이다.
). 이 부분은 추후 더 많은 시료를 이용하여 GF-AAS의 검출한계 부근의 농도에서 두 장비의 비교가 필요할 것으로 보인다.
이 연구에서 확인한 ICP-MS와 GF-AAS의 높은 일치성을 토대로 저농도 노출을 대상으로 한 혈중 카드뮴 노출평가에 대한 모니터링 사업에 GF-AAS와 더불어 ICP-MS도 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것이라 생각한다.
그러나 GF-AAS의 검출한계 이하의 농도에서의 혈중 카드뮴 값은 ICP-MS의 값이 GFAAS보다는 낮게 도출됨을 확인하였다. 장기적으로 GF-AAS의 검출한계 이하의 농도에서 지속적으로 추가적인 연구를 통해 두 장비의 장단점을 보완할 필요가 있고 낮은 검출한계는 일반적으로 저 농도 노출로 인한 중금속 건강영향 분석에 있어 매우 중요한 부분을 차지할 것으로 예상되므로 이러한 연구에서 ICP-MS의 활용이 보다 더 많아지기를 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	카드뮴이란?	카드뮴(Cd, Cadmium)은 대표적인 독성오염물질로 일반적 환경에서 많이 존재하고 있는 중금속 중 하나이다.1,2) 카드뮴의 인체로의 유입 경로는 오염된 물의 섭취, 오염된 토양에서 재배한 음식물의 섭취 및 연근해 해산물 섭취, 호흡기계를 통한 경로가 일반적이다.
	카드뮴의 일반적인 인체 유입 경로는?	카드뮴(Cd, Cadmium)은 대표적인 독성오염물질로 일반적 환경에서 많이 존재하고 있는 중금속 중 하나이다.1,2) 카드뮴의 인체로의 유입 경로는 오염된 물의 섭취, 오염된 토양에서 재배한 음식물의 섭취 및 연근해 해산물 섭취, 호흡기계를 통한 경로가 일반적이다.3) 환경오염에 의한 중금속 노출은 개개인의 생활 습관에 따라 그 정도가 달라지므로 식품 및 주변 환경에 의한 노출량 조사만으로 생체 노출량을 정확히 조사하기가 어려운 실정이다.
	인체에 유입된 카드뮴의 노출 정도는 생물학적 지표를 이용하여 보다 정확하게 평가하는 것이 바람직한 이유는?	1,2) 카드뮴의 인체로의 유입 경로는 오염된 물의 섭취, 오염된 토양에서 재배한 음식물의 섭취 및 연근해 해산물 섭취, 호흡기계를 통한 경로가 일반적이다.3) 환경오염에 의한 중금속 노출은 개개인의 생활 습관에 따라 그 정도가 달라지므로 식품 및 주변 환경에 의한 노출량 조사만으로 생체 노출량을 정확히 조사하기가 어려운 실정이다.4) 따라서 인체에 유입된 카드뮴의 노출 정도는 생물학적 지표(혈액, 소변 등)를 이용하여 보다 정확하게 평가하는 것이 바람직하다.

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저자의 다른 논문 :

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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