LC-MS를 이용한 고감도 PFAS 분석을 위한 초순수 생산
Milli-Q® 시스템의 초순수는 EPA Method 1633 따라 PFOA 및 PFOS를 포함한 PFAS 테스트를 하였습니다. LC-Pak® 폴리셔가 장착된 Milli-Q® IQ 7000 시스템의 채수 장치에서 생산된 초순수에서는 검사한 40종의 PFAS 화합물 중 단 하나도 검출되지 않아, LC-MS/MS를 통한 가장 민감한 PFAS 분석에 적합함을 입증하였습니다.
과불화화합물(PFAS)은 흔히 "영원히 사라지지 않는 화학물질"로 불리며, 변동 길이의 탄소 사슬과 매우 안정적인 탄소-불소 결합으로 구성된 인공 화학물질입니다(그림 1). 독특한 방수, 기름 및 얼룩 방지 특성으로 식품 포장, 논스틱 조리기구, 발수성 및 얼룩 방지 섬유, 화장품, 소방용 폼 등 다양한 제품에 활용되고 있습니다.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 보건 문제
안타깝게도 이러한 화합물의 유용성을 만드는 특성들은 환경 내 광범위한 오염으로 이어집니다. PFAS는 강한 탄소-불소 결합 때문에 쉽게 분해되지 않아 '영원한 화학물질'이라 불립니다. 탄소 원자를 많이 포함할수록 환경 내 잔류성이 더 강해집니다. 가장 잘 알려진 두 가지 PFAS인 과불화옥탄산(PFOA)과 과불화옥탄술폰산(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 규제
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 과불화 카르복실산, 염 및 전구체는 화학물질 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH) 규정에 따라 제한됩니다.⁴ 미국의 환경보호청(EPA)은 2024년 초 여러 PFAS 물질에 대한 국가 기본 식수 규정(NPDWR)을 발표했습니다.⁵
EPA Method 1633 따른 PFAS 화합물 검사
EPA Method 1633은 폐수 및 기타 환경 시료 내 PFAS 분석을 위해 LC-MS/MS를 활용하는 실험실 검증 시험법입니다.6 적용 가능한 시료에는 수성, 고체(토양, 바이오솔리드, 퇴적물) 및 조직 시료가 포함됩니다. 본 시험법은 지정된 시료 내 40종의 대상 PFAS 화합물 분석에 적합합니다. 또한 시료 채취, 보존, 추출 및 분석 단계를 규정하여 결과의 정확성과 신뢰성을 보장합니다. 본 연구에서 EPA 1633을 선택한 이유는 탁월한 감도와 분석 범위 때문입니다. 이 방법은 일반적으로 EPA Method 537.1(7)의 감도를 충족하거나 상회하는 것으로 평가받으며, 더 광범위한 PFAS 화합물과 다양한 시료군을 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. 백그라운드 오염은 불소 중합체(예: PTFE)를 포함한 LC 장비나 이동상 용매로부터 발생할 수 있습니다. 특정 PFAS delay column을 사용하면 백그라운드 PFAS 오염이 샘플 확인을 방해하는 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 시스템의 PFAS 제거 성능
실험 설정
PFAS 화합물은 실험실 환경에서 흔히 발견되며 많은 플라스틱 및 기기의 구성 요소에 존재할 수 있습니다. Milli-Q® 정제수 시스템이 (1) 수돗물 내 PFAS를 제거하고 (2) 자체적으로 PFAS를 방출하지 않는지 확인하기 위해 두 가지 유형의 물을 가지고 테스트했습니다.
- 미국 매사추세츠주 벌링턴에 위치한 실험실에서 채취한 수돗물.
- Milli-Q® IQ 7000 시스템으로 생산된 초순수. 민감한 유기 분석(LC-Pak® Polisher)용으로 특수 설계된 폴리셔를 채수 출구에 장착했습니다. 초순수 시스템에는 Milli-Q® HX 7 시리즈의 순수가 공급되었습니다(그림 3).
샘플은 EPA Method 1633에 따라 제3의 실험기관에서 분석하였습니다. 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 정제 기술
대부분의 PFAS 분자는 역삼투(RO) 멤브레인과, 활성탄에 의해 효율적으로 제거된다는 것이 입증되었습니다.8 또한 PFAS는 전하를 띤 분자이기 때문에 이온 교환 수지와 전기적 탈이온화(EDI)를 통해 제거될 수 있습니다. 따라서 RO, 활성탄 및 Elix® EDI를 결합한 Milli-Q® 정제 시스템은 PFAS 함량이 낮은 순수(TypeⅡ)를 안정적으로 제공합니다.
LC-MS 분석에는 유기물과 이온 함량이 매우 낮은 초순수가 필요합니다. 이러한 오염물질은 활성탄, 광산화 및 이온교환 수지를 통해 제거됩니다. 이러한 정제 기술은 PFAS를 더욱 효과적으로 제거하는 데 도움이 됩니다.
LC-MS 또는 LC-MS/MS를 수행할 때는 C18 역상 실리카를 포함한 LC-Pak® 폴리셔를 사용하는 것도 권장됩니다. 이는 미량의 유기물(PFAS 포함)을 완전히 제거해 민감한 분석의 간섭을 방지합니다.
신뢰할 수 있는 PFAS 분석을 위한 고품질 초순수
결론적으로, 본 연구는 정제수 시스템으로 유입되는 물에 일부 PFAS 분자가 존재할 수 있더라도 시스템을 신중하게 선택하면 생산된 초순수 내에 PFAS가 불검출 수준으로 유지되는 것을 보장할 수 있음을 입증합니다.
All-in-one 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® 폴리셔와 함께 사용할 경우, 민감한 PFAS 분석에 적합한 초순수를 공급합니다.
PFAS 테스트를 수행하는 과학자들의 요구를 충족하도록 맞춤화된 다양한 정제 솔루션 제공됩니다.
재료 및 방법
테스트는 미국 매사추세츠 벌링턴에 위치한 Milli-Q® HX 7150 및 Milli-Q® IQ 7000 시스템을 사용하였습니다. 수돗물과 LC-Pak® 폴리셔를 장착한 Milli-Q® IQ 7000 시스템에서 초순수를 동시에 2회씩 채취했습니다.
PFAS 검사의 어려움 중 하나는 실험실에서 사용되는 다양한 공급품에 PFAS가 존재할 수 있다는 점입니다. 따라서 시료가 PFAS 화합물로 오염될 가능성을 철저히 차단하기 위해 각별한 주의를 기울였습니다. PFAS 화합물이 유리 표면에 흡착될 수 있으므로, 수용성 시료는 유리 용기나 피펫과 절대 접촉하지 않도록 했습니다. 시료 채취에는 폴리프로필렌 공중합체 용기를 사용했습니다.
물 샘플은는 제3자 시험 기관(미국 펜실베이니아주 랭커스터 소재 Eurofins Lancaster Laboratories Environment Testing)에서 EPA Method 1633에 따라 분석되었습니다.6 모든 시험은 중복으로 수행되었습니다.
PFAS 분석은 모든 단계에서 정밀도가 요구됩니다. 검증된 제품과 서비스를 통해 PFAS 분석 워크플로우 전반에 걸쳐 데이터의 신뢰성을 확보하십시오. Sigma-Aldrich.com/PFAS
정제 솔루션
PFAS 검사 용품
감사의 글
저자들은 매사추세츠주 벌링턴에 소재한 Vivek Joshi 박사님과 Lindsay Lozeau 박사님께 기술적 전문성과 지원에 대해 감사드립니다.