미국 환경보호청(EPA) 1633에 따른 수중 PFAS 분석

초록

환경 내 잔류성과 잠재적 건강 영향으로 알려진 퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)은 수질 관리에서 중요한 관심사이다. 본 연구는 EPA 방법 1633을 활용하여 수질 시료 내 40종의 PFAS 화합물을 분석 및 정량하는 방법을 제시한다. 본 기술은 Supelclean^™ ENVI-WAX^™ SPE 카트리지를 이용한 고상 추출(SPE) 후 액체 크로마토그래피-이중 질량 분석법(LC-MS/MS)을 활용한다. 이 절차는 다양한 매트릭스에서 PFAS 분석물의 고감도 검출 및 정량화를 가능하게 한다. 성능 평가 결과, 40종의 모든 PFAS 화합물과 24종의 동위원소 표지 표준물질(EIS)에 대한 회수율이 70~130%의 전형적인 EPA 허용 범위 내에 있으며, 이에 상응하는 낮은 표준편차로 높은 정밀도와 견고성을 나타냄을 확인하였다. 본 방법이 환경 시료의 포괄적 PFAS 분석에 적합하다는 점은 규제 준수 및 환경 모니터링에 있어 그 가치를 입증한다.

섹션 개요:

• 서론
• 실험
• 결과
• 결론
• 관련 제품

서론

퍼플루오로알킬 및 폴리플루오로알킬 물질(PFAS)은 '영원히 사라지지 않는 화학물질'로도 불리며, 1950년대부터 소비재에 적용된 4700종 이상의 합성 불소화 지방족 화합물을 포괄하는 광범위한 범주입니다. 지질과 물에 대한 저항성으로 잘 알려진 PFAS는 강한 탄소-불소 결합으로 인해 매우 안정적입니다. 주로 얼룩 방지제나 소방용 거품제 등의 표면 활성제로 사용되지만, 분해 속도가 느려 환경에 잔류하는 특성이 있습니다.

다양한 소비자 및 상업적 용도로 광범위하게 사용되면서 PFAS는 물, 토양, 심지어 인간과 동물의 혈류까지 오염시키는 문제로 큰 주목을 받고 있습니다. 이는 PFAS의 잔류성과 환경 및 인간 건강에 미치는 영향을 강조합니다. 미국 환경보호청(US EPA)과 유럽연합(EU)은 생태계와 인구를 보호하는 데 필수적인 PFAS 검사에 대한 엄격한 규제 지침을 마련하는 데 핵심적인 역할을 했습니다.1,2,3

미국 환경보호청은 음용수용 EPA 방법 533 및 537과 같은 확립된 분석 방법 개발을 통해 다양한 환경 시료 내 PFAS 수준을 철저히 평가하기 위한 포괄적 전략을 채택했습니다. 동시에 EU는 화학물질 등록, 평가, 허가 및 제한(REACH) 체제 하에 엄격한 규제를 시행해 왔습니다.4 이 규제는 액체 크로마토그래피-이중 질량 분석법(LC-MS/MS)과 같은 첨단 분석 도구를 활용하여 다양한 화학 물질 내 PFAS를 모니터링함으로써 분석 능력 향상과 환경 및 인간 건강 보호에 대한 헌신을 보여주고 있습니다.

EPA 방법16331은 LC-MS/MS를 활용하여 9개 화합물 군에 속하는 40종의 PFAS를 수성, 고체, 바이오솔리드 및 조직 시료에서 분석하는 실험실 검증 접근법입니다. 이 "성능 기반" 방법은 모든 요구 사항이 충족될 경우 성능 향상을 위한 조건 조정이 가능하며, 동위원소 표지 표준물을 사용한 PFAS 분석물의 정확한 교정 및 정량화를 위한 안정적인 플랫폼을 제공합니다. EPA 음용수 분석법 533 및 537.1의 분석물까지 포함함으로써, EPA 방법 1633은 신종 PFAS 계열을 다루어 다양한 시료 유형에 걸친 시험의 일관성, 범위, 민감도 및 적용성 측면의 중요한 공백을 메우고, PFAS 오염이 야기하는 복잡한 과제를 해결하며 공중 보건 및 환경 보호를 보장하는 데 기여합니다.

본 응용 노트의 목적은 PTFE 프리 Visiprep^™ SPE 진공 매니폴드 상의 Supelclean^™ ENVI-WAX^™ SPE 카트리지를 이용한 고상 추출(SPE) 후 LC/MS-MS 분석을 통해 PFAS 첨가 수질 시료에서 40종의 PFAS 분석물 정량법을 입증하고, 얻어진 분석법 성능 특성을 EPA 1633에 명시된 기준과 비교하는 것입니다.MS-MS 분석을 수행하는 방법을 제시하고, 얻어진 방법 성능 특성을 EPA 1633에 명시된 기준과 비교하는 것입니다.

실험적

용액 및 표준 물질 준비

시료 채취 및 전처리는 EPA 방법 1633 절차에 따름.

네이티브(40) 및 동위원소(31) 표지된 PFAS 표준 물질은 메탄올 50 µg/mL 스톡 용액으로 사용되었습니다. 표지된 화합물은 추출 내부 표준(EIS, 24개 화합물) 또는 비추출 내부 표준(NIS, 7개 화합물)으로 사용됩니다. EPA1633 방법의 권장 사항에 따라, 이 원액 용액을 사용하여 다양한 농도의 천연 PFAS 화합물을 함유한 7개의 교정 용액(CS1 - CS7; EPA1633 방법의 표 4에 명시된 바와 같이, CS1의 경우 0.2~5 ng/mL, CS7의 경우 62.5~1560 ng/mL 범위의 화합물별 농도)를 사용하여 MS 기기의 작업 범위를 커버했습니다.

시료 전처리

PFAS 분석법 성능 평가

EPA 1633 방법에 따라, 방법 성능은 물 시료를 대상으로 조사되었습니다. 500 mL의 물(Milli-Q^® 시스템의 수돗물)을 라이너가 없는 폴리프로필렌 캡이 달린 HDPE 병에 채취했습니다. 수질 시료는 EPA 1633 방법(표 3)에 따라 40종의 천연 PFAS로 3가지 농도(CS1의 2배, 12.5배, 40배)로 농축 처리하고, 24종의 동위원소(13C또는 13D) 표지 표준물질(추출 내부 표준물질 – EIS)을 첨가하였다. SPE 추출을 위해 Supelclean^™ ENVI-WAX^™ SPE 튜브(500 mg/6 mL, 54057-U)에 대용량 SPE 저장소(25 mL, 54258-U)를 장착하고 PTFE 프리 Visiprep^™ 진공 매니폴드(57030-U)에 배치했습니다. 튜브는 메탄올에 용해된 1.0%_NH4OH15mL로 컨디셔닝한 후, 0.3M 포름산 수용액 5mL로 평형화했습니다. 수질 시료(500 mL)를 카트리지에 주입하여 통과시킨 후, 세척 단계로 물 5 mL를 2회 및 0.1M 포름산/메탄올(1:1 (v/v)) 5 mL를 추가하였다. 이후 카트리지를 1분간 건조시킨 후 메탄올에 용해된 1.0%_NH₄OH5 mL를 사용하여 분석물을 용출시켰다. 추가 정제를 위해 용출액에 농축 초산 25µL와 약 10mg의 Supelclean^™ ENVI-Carb^™ (57210-U) 분말을 첨가하고, 보텍스 셰이커로 5분 미만 혼합한 후 4000g에서 10분간 원심분리하였다. 그 후, 상층액을Millex^® Nylon 0.2 µm 주사기 필터(SLGNX13)로 여과하여, LC-MS/MS 분석 전에 추가로 7개의 동위원소 표지(13C또는 18O)된 표준 물질(비추출 내부 표준 물질 – NIS)이 들어 있는 수집 튜브로 옮겼습니다. 이 시료 전처리 과정은 원수 시료 대비 최종 추출물에서 1:100의 농축을 나타냅니다.

기기 분석

LC-MS/MS 분석은 Agilent 6495C 삼중 사중극자 질량 분석기와 결합된 Agilent 1290 Infinity II 기기를 사용하여 수행했습니다(표 1). 크로마토그래피 분리는Ascentis^® Express PFAS 90 Å (5 cm x 2.1 mm, 2.7 µm, 53557-U) 분석 컬럼을 사용하여 수행했습니다. 또한, 혼합 밸브 이후 및 자동 시료 주입기 이전에Ascentis^® Express PFAS Delay 컬럼 90 Å (5 cm x 3.0 mm, 2.7 µm, 53572-U)를 설치하여 LC 시스템(예: 펌프, 튜빙, 피팅, 필터)에서 발생할 수 있는 PFAS 오염을 상쇄하였습니다. 유리 표면에 PFAS가 흡착될 가능성을 방지하기 위해 표준 유리 바이알 대신 폴리프로필렌 스냅 캡 바이알을 사용했습니다.

안정 동위원소 희석법을 기반으로 한 천연 PFAS 정량화를 위해 표 2에 제시된 MRM 전이(MRM transitions)를 사용했습니다. EIS 화합물은 EPA1633에 명시된 내용에 따라 할당되었습니다.

결과 및 고찰

40종의 천연 화합물을 함유한 교정용액 5(CS5)의 크로마토그램은 그림 1에 제시되어 있다. 표 3에서 알 수 있듯이, 모든 PFAS 분석물에 대해R² ≥ 0.99의 선형 교정 곡선이 얻어졌다.

표적 원생 PFAS 분석물은 SPE 추출 전 시료에 첨가된 추출 내부 표준물질(EIS)을 이용한 안정 동위원소 희석법에 기반하여 정량화되었다. EIS 대용물질의 회수율은 정제 단계 후 농축 추출물에 첨가된 비추출 내부 표준물질(NIS)을 사용하여 결정되었으며, 내부 표준물질 할당은 EPA 1633 방법에 따라 수행되었다. 표 3과4는 실험 연구에서 얻은 회수율과 RSD를 보여줍니다. 이 연구에서는 40종의 천연 PFAS 화합물(표 2)을 세 가지 다른 농도 수준으로 물 시료에 첨가하고, 추출 전에 24종의 EIS 대용물(표 4)을 첨가하였습니다. 모든 회수율은 84.0%에서 110.7% 사이였으며, RSD는 0.2%에서 18.1% 사이였습니다. 모든 결과는 EPA 방법 1633의표 5 및 6에 명시된 수성 매트릭스에서의 회수율 허용 한도 내에 잘 들어맞았습니다.

결론

본 응용 노트는 Supelclean^™ ENVI-WAX^™ 카트리지를 이용한 SPE 추출을 적용한 후, 대량 Supelclean^™ ENVI-Carb^™ 흡착제를 이용한 추가 분산 정제 및Ascentis^® Express PFAS 분석 컬럼과 지연 컬럼을 사용한 LC-MS/MS 정량 분석을 통해 수질 시료 내 40종의 PFAS 화합물을 분석하는 EPA 방법 1633의 워크플로를 제시합니다. 이 방법은 권장된 세 가지 농축 수준에서 방법에 명시된 수성 매트릭스에 대한 허용 한도 내에서 모든 40개 PFAS 화합물과 24개 추출 내부 표준(EIS)에 대해 우수한 회수율을 보이며 견고한 성능을 입증했습니다. 계산된 RSD는 20% 미만으로 만족스러운 정밀도를 추가로 입증하였습니다. 이는 PTFE 프리 Visiprep^™ SPE 진공 매니폴드와 Supelclean^™ ENVI-WAX^™ SPE 카트리지가 수질 시료에서 PFAS 화합물 추출에 적합하며, Supelclean^™ ENVI-Carb^™가 EPA 1633에 따른 후속 LC-MS/MS 분석 전 정제에 적합함을 증명합니다.

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