초록 ▼

○ 연구결과
1. 농산물 내 중금속 측정법 개발
○ 농산물 내 중금속 추출
- 산 분해법 적용
시료 적당량(5g)을 취하여 비이커 또는 킬달플라스크에 넣고 여기에 질산 5ml와 유리구 4-5개를 넣은 다음 서서히 가열하여 액량이 약 15ml가 될 때까지 가열 혹은 water bath(70-80℃)에서 가온한다. 질산 5ml와 황산 5ml를 넣어 가열을 계속하여 백색의 황산가스가 발생하기 시작하면 가열을 중지한다. 이때 유기물의 분해가 완전히 끝나지 않아 액이 맑지 않을 때에는 다시 질산 5ml를 넣고 가열을 한

○ 연구결과
1. 농산물 내 중금속 측정법 개발
○ 농산물 내 중금속 추출
- 산 분해법 적용
시료 적당량(5g)을 취하여 비이커 또는 킬달플라스크에 넣고 여기에 질산 5ml와 유리구 4-5개를 넣은 다음 서서히 가열하여 액량이 약 15ml가 될 때까지 가열 혹은 water bath(70-80℃)에서 가온한다. 질산 5ml와 황산 5ml를 넣어 가열을 계속하여 백색의 황산가스가 발생하기 시작하면 가열을 중지한다. 이때 유기물의 분해가 완전히 끝나지 않아 액이 맑지 않을 때에는 다시 질산 5ml를 넣고 가열을 한 후 물로 2-3회 씻어준 다음 분해액과 씻은 액을 합하여 정확히 50ml로 한다.
- 현장 분석 시스템을 위한 Peltier Type 온도조절시스템 개발
온도 조절 시스템은 펠티어로 구동되며, 펠티어는 가열/냉각에 필요한 전력을 공급하기 위한 드라이버가 필요하다. 본 과제에서는 향후 상품화 및 여러 채널에 변경 적용하기 위하여 펠티어 드라이버를 자체 개발하였다.
○ 폴리펩티드를 이용한 중금속 측정법 개발
식물들은 중금속이 체내로 유입되면, 중금속의 흡수를 저해하거나, 흡수된 중금속을 세포 소기관에 격리 저장하거나, 중금속 결함물질에 결합시켜, 세포내 중금속의 농도를 일정한 수준이하로 유지하는 기능을 가지고 있다. 이러한 식물의 기능 중 대표적인 것이 PCs(phytochelatins)이다.
PCs(phytochelatins)는 식물 체내 효소에 의해 중금속 혹은 oxyanions와 반응하여 유도되는 아주 작은 폴리펩티드 화합물이다.
농산물에 들어있는 중금속들을 효과적으로 검출하기 위해서 식물과 조류내에 존재하는 중금속 결합 단백질인 phytochelatins을 인위적으로 합성하여 폴리펩티드를 이용한 농산물 내 중금속 분석을 위한 현장 kit로 사용하는 것이 본 과제의 목표이며, 다양한 PCs 중 실험을 통해 EC4가 중금속과 가장 효율적인 반응을 하고 있음을 알 수 있었다.
As, Hg, Cd, Zn, Cu, Pb 6개의 중금속을 대상으로 현장에서 적용가능한 휴대용 측정 kit에 적용가능하도록 EC4와 결합하여 특정파장에서의 흡광도의 발현 여부를 조사하여 보았다.
대부분의 중금속들이 peptide EC4와 반응성이 있음을 확인할 수 있었다. 실험의 대상이었던 As, Hg, Cd, Zn, Cu, Pb 6개의 원소 중 Cd와 Cu는 각각 550nm와 700-800nm에서 흡광도를 나타내며 1ppm 이하로도 정량이 가능한 반응성을 나타내었으며 Zn과 Pb는 290-300nm에서 흡광도를 나타내었으나 두 원소의 최대 흡광도가 서로 비슷한 영역대에 존재하고 각각의 파장에 대하여 간섭이 일어남으로서 두 원소의 총량으로 정량을 해야 하는 단점이 있었다. 이 문제는 차후 제품화 과정에서 침전이나 불활성화 같은 방법으로 각각의 물질을 분리하여 흡광도를 측정함으로서 문제점을 해결해야 할 것으로 본다. Hg는 일정농도 이상에서의 반응성은 다른 원소들보다 좋으나 peptide와 결합하는 최소농도가 10ppm 이상이어야 하여서 실제 환경시료에 적용하기에는 적합하지 않았다. 따라서 추후 첨가제나 peptide와의 혼합비율의 변경 등으로 제품화 이전에 최소 반응농도를 낮추는 과정이 필요하다고 본다.
각각의 중금속원소들에 대하여 실제 환경시료에서 적용가능한 범위인 0.5 ~ 50ppm 수준의 농도에서 EC4와 반응 시키고 선택영역에서의 흡광도에 대한 검량곡선을 그려본결과 Zn, Pb, Cd, As는 일차함수 곡선에서의 직진선과 높은 r 값을 나타내었으며 이는 현장 kit로서의 활용가능성을 나타내어 주는 것이라 판단되어진다.
2. 측정시스템의 개발
○ 다파장 광도계 개발
시험 분석을 할 수 있도록 Optical LED를 이용 photometer를 구성하였다. 초기 목표였던 ELISA를 이용한 분석의 경우, 서로 다른 발색단을 선정하여 최대 4개의 파장을 이용해 동시에 측정하는 것이 가능하기 때문에, 다파장 광도계를 개발하였으며, 이는 휴대형 photometer로 활용되고 있다.
○ CCD array type spectrophotometer 개발
현재 가장 많이 사용되는 범용 분광광도계(Spectrophotometer)는 대부분 광원을 분광하여 단색광을 Photo diode 면에 파장 별로scan하는 방식이 주를 이루고 있다. 그러나 이러한 방식은 모터 구동에 의해 순차적으로 데이터를 읽어내기 때문에 뛰어난 분해능이라는 커다란 장점에도 불구하고 기계적인 동작에 소요되는 시간이 오래 걸리고 계측기의 부피가 크다는 단점이 응용분야를 제한하는 경우가 있다. 실시간으로 넓은 광학적 파장범위를 스캔 할 수 있으면서 소형화하기 위해 본 과제에서는 CCD array를 이용하였다. 초소형 분광계(Monochrometer)와 CCD Array를 이용하여 중금속 측정용 분광광도계(Spectrophotometer)를 구현하였다. 초소형 광학계, PDA 구동회로, A/D 변환 및 인터페이스 회로를 직접 설계 & 제작하였다.
본 과제에서 수행 중인 분광 시스템은 분광 소자로서 평면형 회절격자 또는 오목형 회절격자를 사용하였고, 검출 소자로서는 CCD를 사용하였다. 이와 같은 분광 시스템은, 시스템의 분광 영역 전체에 대한 정보를 CCD의 한 샘플링 시간 내에 얻을 수 있기 때문에, 빠른 측정이 가능하다.
또한 시간의 흐름에 대한 물성의 변화를 보는 경우 (kinetic analysis), 기존 분광 시스템은 한 파장 대역에서만 정보를 얻을 수 있는데 비해, 개발된 분광 시스템은 여러 파장 대역에서의 물성변화를 동시에 측정할 수 있는 큰 장점을 갖고 있다.
- 분광계 파장 분광 영역 = 220 ～ 1000 nm
- 분광계 파장 대역폭 = 2 nm
- 분광계 파장 정밀도 = ±0.5 nm
CCD Chip은 내부에 각 Pixel에 해당하는 물리적인 Address를 생성하는 카운터회로가 순차적으로 동작하도록 되어있으며, 이 카운터 회로는 외부에서 정확한 시간간격으로 인가되는 Pulse에 의해 0번 Pixel에서 2047번 Pixel까지 순차적으로 Synchronize된 Video신호를 출력한다. 광신호의 세기에 따라 Pulse의 시간간격이 가변적으로 설계되어야 하며, Scan 시작신호도 외부에서 인가되어야 하는데 이 신호는 특별한 시간적인 제약을 받는 것이 일반적이다.
CCD는 광학적인 포화(Saturation)가 빨리 일어나는 특성 때문에 고속으로 Video Data를 출력하는데, Windows 상에서 구동되는 응용프로그램과 정확한 시간적인 Synchronizing이 어렵게 된다.
이를 해결하기 위하여 PC Slot Interface 회로에 메모리(RAM)를 장착하여 Data를 저장하고, 응용프로그램은 CCD의 동작 상태를 확인하면서 이 Data를 순차적으로 읽어 가도록 설계하므로 서 시간적인 충돌 없이 안정적으로 동작할 수 있다.
CCD는 제작사 마다 구동 Pulse가 다르고 Driver 설계 요소에 따라 신호구성이 다르므로 보통의 경우 PLD(Programmable Logic Device)를 이용하여 전용 신호 발생 Chip을 제작하게 된다.
이번 프로젝트를 위해 CCD는 일본 Sony사의 2048 Pixel의 ILX551A를 선정하였고, PLD Chip은 PALCE 29MA16H를 이용하여 Pulse 구동 및 각종 제어신호를 생성하도록 설계하였다.
개발된 분광시스템은 표준인증물질을 이용하여 투과도 테스트를 시행하였으며, 훌륭한 성능을 보여주고 있다.

Abstract ▼

Ⅳ. Results and Applications
1. Developing Heavy Metal detecting method in agricultural products
○ Extraction heavy metals from agricultural products
- Acid Extraction Method
Put the sample (5g) into the beaker or kildalflask. add 5ml of nitric acid and 4 or 5 glassballs. Heat slowly unti

Ⅳ. Results and Applications
1. Developing Heavy Metal detecting method in agricultural products
○ Extraction heavy metals from agricultural products
- Acid Extraction Method
Put the sample (5g) into the beaker or kildalflask. add 5ml of nitric acid and 4 or 5 glassballs. Heat slowly until the solution volume reaches to 15ml. add 5ml of nitric acid and 5ml of sulfuric acid and keep heating. Stop heating when you see the white sulfuric gas. If the solutions are not transparent, add 5ml of nitric acid and heat. Then wash 2 or 3 times with water and make 50ml with extracted solution and washed solutiuon.
- Peltier Type Temperature control system
Temperature control system is mainly operationed by Peltier device, and Peltier devices need drivers that supply power for heating and cooling.
○ Developing Heavy Metal detecting method with PolyPeptides when plants once uptake the heavy metal, they have function to maintain stable concentrations of heavy metal by inhibiting it or storing it in cell plasts or combining it with another compounds. The most well-known compound is PCs(phytochelatins). PCs(phytochelatins) is polypeptide compound that combines to heavy metal or oxyanions as the result of enzyme reaction.
To detect heavy metals effectively in agricultural products, we use the PCs, especially EC4 in the plants. We checked the ABS change of EC4 compounds with As, Hg, Cd, Zn, Cu and Pb.
Most heavy metals showed the reactivity with peptide EC4. Cd showed reactivity at 550nm and Cu at 700-800nm and both of them can be detected below 1ppm.
Zn and Pb showed reactivity at 290-300nm, but it is too close wavelength that we cannot detect separately. This problem can be solved in further research of precipitation or inhibition. Hg showed better reactivy than other heavy metals, but the minimum concentration of reaction is 10ppm that is too high for detection.
We came to the conclusion that it could be used for online heavy metal detection kit, because it showed the linear calibration curves with high R2 value between concetration ranges of 0.5 ~ 50ppm.
2. Developing Heavy Metal detecting system in agricultural products
○ Multi-wavelength photometer
Developed photometer using Optical LED. Maximum 4 wavelength(bandwidth<10nm) can be selectable for ELISA assay. And developed as portable type.
○ CCD array type spectrophotometer
To detect over an entire spectrum, the detector must proceed in one of two ways. The first is to scan across the entire spectral region, which may be accomplished by a scanning monochromator spectrometer. A standard scanning monochromator spectrometer uses a tungsten or deuterium lamp that emits a continuous light source. The light is then directed across a grating or prism which reflects the light through an exit slit to the sample cell. The sample is then detected by a photomultiplier tube. The wavelength of the light can be adjusted by rotating the grating or prism, but only one region can be scanned at a time. Subsequently, data points are obtained at different times, which may hinder efficiency and accuracy. The second method involves monitoring the entire UV-Vis region simultaneously. to use the array of detector spectrophotometer which measures in the 190-1100 nm region simultaneously. No monochromatic light is needed and data can be retrieved in milliseconds. The versatility of array type rapid detection allows additional applications such as analyzing kinetic or chemical intermediates, or separating and analyzing overlapping chromatographic peaks using spectroscopy. We use the CCD array for the detector and concave grating for the dispersion device.
- Wavelength Ranges = 220 ～ 1000 nm
- Bandwidth = 2 nm
- Wavelength Accuracy = ±0.5 nm
3. Applications
If an actual product is released, everyone can detect the heavy metals with detection KIT and system relatively in short time and cheap cost. It is beneficial for public health since we can provide the safe food after experiments on domestic/imported agricultural products. And furthermore it makes on-line monitoring possible and is beneficial for the structured management of heavy metals.
And replacement of AAS or ICP, all the expensive imported instrument makes economical effects. Or With easy use heavy metal detecting system, we can make some exportations conversely.
But in most cases the new method has difficulties in wide spread because it is not offical method. To solve this problem, the political help of government organizations are strongly demanded.

목차 Contents

• 제출문 ... 1
• 요약문 ... 2
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 15
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 17
• 제1절 연구개발과제의 개요 ... 17
• 1. 농산물 내 중금속 성분 분석을 위한 측정 시스템의 개발 ... 17
• 제2절 연구 개발의 필요성 ... 18
• 1. 개발의 필요성 ... 18
• 2. 국내외 농산물 중금속 관리현황 ... 19
• 제3절 연구개발의 목표 및 내용 ... 22
• 1. 연구개발의 목표 및 내용 ... 22
• 제2장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제1절 국내외 중금속 분석기술 현황 ... 24
• 1. 일반적인 공인 시험법 ... 24
• 2. 기타 중금속 성분 분석 시스템 ... 25
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 26
• 제1절 중금속 추출법 확립 ... 26
• 1. 농작물 시료에서 중금속 추출방법 확립 ... 26
• 제2절 중금속에 특이적인 Chelate 스크리닝 및 합성 ... 33
• 1. 중금속에 특이적인 Chelate 스크리닝 및 합성 ... 33
• 제3절 중금속 킬레이트와 단백질 결합 연구 ... 36
• 1. 연구 1. ELISA - 항체 생성을 위한 carrier 단백질 결합 연구 ... 36
• 2. 연구 2. Chelate에 새로운 화합물을 첨가 ... 37
• 3. 연구 3. 아미노산 리간드를 이용한 중금속 결합 연구 ... 38
• 제4절 폴리펩티드를 이용한 중금속 검출 ... 38
• 1. phytochelatins의 연구 배경 ... 39
• 2. phytochelatins와 Metal ion의 결합 ... 41
• 3. 연구 목표 ... 44
• 4. 연구결과 ... 45
• 제5절 농작물시료에의 적용 ... 56
• 1. 작물체 시료의 적정한 추출 조건 조사 ... 56
• 2. 추출된 시료의 EC4반응을 통한 분석 가능성 탐색 ... 61
• 제6절 검출시스템의 개발 ... 69
• 1. 시험 분석용 다파장 광도계 개발 ... 69
• 2. 중금속 분석용 CCD Array Type Spectrophotometer 개발 ... 70
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 102
• 제1절 연구 목표 달성도 ... 102
• 제2절 관련 분야에의 기여도 ... 103
• 1. 국민건강 증진 효과 ... 103
• 2. 사회·경제적 기대효과 ... 103
• 3. 환경기술적 기대효과 ... 103
• 제5장 연구개발결과의 활용계획 ... 104
• 제1절 추가연구의 필요성 ... 104
• 1. Zn, Pb 분리 연구 ... 104
• 2. Hg 결합 유도 첨가제 연구 ... 104
• 3. 제품화 연구 ... 104
• 제2절 활용방안 및 사업화 계획 ... 105
• 1. 활용방안 ... 105
• 2. 사업화 계획 ... 105
• 제6장 참고문헌 ... 106
• 끝페이지 ... 108