LC-MS를 이용한 민감한 PFAS 분석을 위한 초순수 확보
Milli-Q® 정수 시스템에서 생산된 초순수에 대해 EPA 1633 초안 방법에 따라 PFOA 및 PFOS를 포함한 PFAS를 검사했습니다. LC-Pak® 폴리셔가 장착된 Milli-Q® IQ 7000 시스템의 출수점에서 생산된 초순수에서는 검사한 40종의 PFAS 화합물 중 단 하나도 검출되지 않아, LC-MS/MS를 통한 가장 민감한 PFAS 분석에 적합함을 입증하였습니다.
퍼- 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)은 흔히 "영원히 사라지지 않는 화학물질"로 불리며, 변동 길이의 탄소 사슬과 매우 안정적인 탄소-불소 결합으로 구성된 인공 화학물질이다(그림 1). 이들의 독특한 특성, 즉 물, 기름, 얼룩에 대한 저항성은 식품 포장, 논스틱 조리기구, 발수성 및 얼룩 방지 직물, 화장품, 소방용 거품 등 다양한 제품에 이상적입니다.1 또한 PFAS는 의료 기술, 반도체, 배터리, 휴대폰, 자동차, 비행기 등 필수 제품의 제조에 중요한 역할을 합니다. 자연과 수많은 일상 제품에서 PFAS의 존재가 드러나면서, 이러한 화합물의 환경적·건강적 영향을 이해하는 것이 점점 더 중요해지고 있습니다.
Figure 1.Chemical structures of two common PFAS compounds: perfluorooctanoic acid (PFOA) and perfluorooctanesulfonic acid (PFOS).
PFAS 오염의 환경 및 건강 영향
안타깝게도 이러한 화합물의 유용성을 만드는 특성들은 환경 내 광범위한 오염으로 이어집니다. PFAS는 강한 탄소-불소 결합으로 인해 분해에 저항할 수 있어 '영원한 화학물질'이라 불립니다. 탄소 원자를 많이 포함할수록 환경 내 잔류성이 더 강해집니다. 가장 잘 알려진 두 가지 PFAS인 퍼플루오로옥타노산(PFOA)과 퍼플루오로옥탄설폰산(PFOS)은 환경 내 잔류성이 가장 높습니다.2
연구에 따르면 혈중 특정 PFAS 농도가 높을 경우 인체 건강에 영향을 미쳐 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다:
- 콜레스테롤 수치 증가
- 소아의 백신 반응 저하
- 임산부의 고혈압 또는 자간전증 위험 증가
- 신장암 또는 고환암 발병 위험 증가.3
따라서 환경 내 PFAS 오염 문제를 해결하는 것은 공중 보건을 보호하는 데 매우 중요합니다.
PFAS 규정
PFAS는 전 세계적인 관심사입니다. 많은 국가들이 이미 일부 화합물들의 사용을 단계적으로 중단했거나, 중단 또는 규제할 계획을 세우고 있습니다. 특정 잔류성 유기 오염물질(POPs)에 관한 국제 협약인 스톡홀름 협약은 여러 PFAS를 글로벌 차원에서 규제합니다. 유럽에서는 EU의 POPs 규정에 따라 PFOS가 제한되며, 여러 퍼플루오르화 카르복실산, 염 및 전구체는 화학물질 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH) 규정에 따라 제한됩니다.⁴ 미국에서는 환경보호청(EPA)이 2024년 초 여러 PFAS 물질에 대한 국가 1차 음용수 규정(NPDWR)을 발표했습니다.⁵
EPA 방법 1633에 따른 PFAS 화합물 검사
EPA 방법 1633은 폐수 및 기타 환경 시료에서 PFAS를 분석하기 위해 LC-MS/MS를 활용하는 실험실 검증 접근법이다.6 유효 매트릭스에는 수성, 고체(토양, 바이오솔리드, 퇴적물) 및 조직 시료가 포함된다. 본 방법은 지정된 매트릭스 내 40개 대상 PFAS 화합물 분석에 적합하다. 본 방법은 시료 채취, 보존, 추출 및 분석 단계를 규정하여 결과의 정확성과 신뢰성을 보장합니다. 본 연구에서 EPA 1633을 선택한 이유는 그 민감도와 분석 범위로, 일반적으로 EPA 방법 537.1(7)의 민감도를 충족하거나 초과하는 것으로 간주되며 더 광범위한 PFAS 화합물과 다양한 매트릭스를 포괄하기 때문입니다.
PFAS 검사를 위한 수질 요구 사항
액체 크로마토그래피-이중 질량 분석법(LC-MS/MS)은 민감한 PFAS 분석에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이러한 분석의 어려움 중 하나는 많은 실험실 시약 및 장비가 일부 PFAS를 용출하여 결과에 잠재적으로 간섭할 수 있다는 점에 있습니다. 배경 오염은 불소수지(예: PTFE)를 포함한 LC 구성품이나 이동상 용매에서 비롯될 수 있습니다. 특정 PFAS 지연 컬럼을 사용하면 배경 PFAS 오염이 시료 결과에 간섭하는 것을 방지할 수 있습니다(그림 2).
시약수는 PFAS의 미량 분석에서 중요한 역할을 합니다. 유리 기구 및 SPE 카트리지 세척부터 이동상, 교정 표준 및 블랭크 준비에 이르기까지 분석 워크플로우의 여러 단계에서 사용됩니다. 지연(또는 트랩) 컬럼 사용으로 일부 배경 문제를 완화할 수 있지만, 지연 컬럼이 도움이 되지 않는 단계(예: 표준 및 시료 전처리)에서도 물이 사용되므로 검출 가능한 PFAS가 없어야 합니다. PFAS의 신뢰할 수 있고 정확한 분석을 얻으려면 검출 가능한 수준의 PFAS가 없는 초순수(ultrapure water)를 사용하는 것이 중요합니다.
그림 2.PFAS 지연 컬럼을 포함한 LC-MS/MS 기기.
연구: Milli-Q® IQ 7000 시스템으로 정제한 물은 PFAS 검사에 적합한가?
실험 설정
PFAS 화합물은 실험실에서 흔히 발견되며 많은 플라스틱 및 계측기 부품에 존재할 수 있습니다. Milli-Q® 정제수 시스템이 (1) 수돗물에서 미량의 PFAS를 제거할 수 있고 (2) 정제수에 PFAS를 방출하지 않는지 확인하기 위해 두 가지 유형의 물을 테스트했습니다.
- 미국 매사추세츠주 벌링턴에 위치한 실험실에서 채취한 수돗물.
- Milli-Q® IQ 7000 시스템으로 생산된 초순수. 민감한 유기 분석(LC-Pak® 폴리셔)을 위해 특별히 설계된 폴리셔를 채수 출구에 장착했습니다. 초순수 시스템은 대용량 Milli-Q® HX 7 시리즈 시스템에서 공급된 순수를 사용했습니다(그림 3).
시료는 EPA 1633 초안 방법에 따라 제3자 실험실에서 분석되었습니다.⁶
그림 3.시험된 초순수를 공급하는 정제 시스템 설치를 나타낸 개략도. 수돗물은 고속 정제 시스템(Milli-Q® HX 7 시리즈)으로 공급되었으며, 이 시스템은 분배 루프를 통해 Elix® 순수를 공급하여 공급 지점에 역상 C18 실리카 기반 카트리지(LC-Pak® 폴리셔)가 장착된 초순수 시스템(Milli-Q® IQ 7000)으로 전달되었습니다.
실험실 수돗물에서 극소량이지만 일부 PFAS 화합물(PFHxA, PFHpA, PFOA, PFNA)이 검출되었습니다(표 1). 그러나 LC-Pak® 폴리셔가 장착된 Milli-Q® IQ 7000 시스템으로 공급된 초순수에서는 검출 가능한 수준의 PFAS가 발견되지 않았습니다. 이러한 결과는 시험된 정제수 시스템이 수돗물에 존재하는 미량의 PFAS를 제거하고 검출 가능한 양의 PFAS가 없는 고순도 물을 공급했음을 보여줍니다.
결과
PFAS 제거를 위한 정수 기술
대부분의 PFAS 분자는 역삼투막(RO)에 의해 걸러질 만큼 충분히 크며, 활성탄에 의해 효율적으로 제거된다는 것이 입증되었습니다.8 또한 PFAS는 전하를 띤 분자이기 때문에 이온 교환 수지와 전기 이온 제거(EDI)를 통해 제거될 수 있습니다. 따라서 RO, 활성탄 및 Elix® 전기 이온 제거를 결합한 Milli-Q® 정수 시스템은 PFAS 함량이 낮은 순수한(Type 2) 물을 안정적으로 공급할 것으로 기대됩니다.
LC-MS 분석에는 유기물과 이온 함량이 매우 낮은 초순수가 필요합니다. 이러한 간섭성 미량 오염물질은 활성탄, 광산화 및 이온교환 수지를 통해 양질의 순수에서 제거됩니다. 이러한 정화 기술은 PFAS를 더욱 효과적으로 제거하는 데도 도움이 됩니다.
LC-MS 또는 LC-MS/MS를 수행할 때는 C18 역상 실리카를 포함한 사용 지점 정제기를 사용하는 것도 권장됩니다. 이러한 정제기는 유기물(PFAS 또는 기타)의 미량도 이러한 민감한 분석에 간섭하지 않도록 보장합니다.
신뢰할 수 있는 PFAS 분석을 위한 고품질 초순수
결론적으로, 본 연구는 정수 시스템으로 유입되는 물에 일부 PFAS 분자가 존재할 수 있더라도 시스템을 신중하게 선택하면 생산된 초순수에서 검출 가능한 수준의 PFAS가 존재하지 않도록 보장할 수 있음을 입증합니다.
올인원 Milli-Q® IQ 7 시리즈 시스템 또는 Milli-Q® HX/IX 시리즈와 같은 고품질 전처리 시스템과 Milli-Q® IQ 7000 초순수 시스템과 같은 정제 시스템을 조합하여 LC-Pak® 정제기와 함께 사용할 경우, 민감한 PFAS 분석에 적합한 초순수를 공급합니다.
PFAS 테스트를 수행하는 과학자들의 요구를 충족하도록 맞춤화된 다양한 정수 솔루션이 제공됩니다.
재료 및 방법
Milli-Q® HX 7150 및 Milli-Q® IQ 7000 정수 시스템은 미국 매사추세츠주 벌링턴에 위치해 있었다. LC-Pak® 폴리셔가 장착된 Milli-Q® IQ 7000 시스템에서 나온 수돗물과 초순수는 동시에 이중으로 채취되었다.
PFAS 검사의 어려움 중 하나는 실험실에서 사용되는 다양한 공급품에 PFAS가 존재할 수 있다는 점이다. 따라서 시료가 PFAS 화합물로 오염될 가능성을 철저히 차단하기 위해 각별한 주의를 기울였다. PFAS 화합물이 유리 표면에 흡착될 수 있으므로, 수성 시료는 유리 용기나 피펫과 절대 접촉하지 않도록 했다. 시료 채취에는 폴리프로필렌 공중합체 용기를 사용했다.
수질 시료는 제3자 시험 기관(미국 펜실베이니아주 랭커스터 소재 Eurofins Lancaster Laboratories Environment Testing)에서 EPA 1633 초안 방법에 따라 분석되었습니다.6 모든 시험은 중복으로 수행되었습니다.
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정수 솔루션
PFAS 검사 용품
감사의 글
저자들은 매사추세츠주 벌링턴에 소재한 Vivek Joshi 박사님과 Lindsay Lozeau 박사님께 기술적 전문성과 지원에 대해 감사드립니다.