무기원소 분석(ICP) 식품안전연구센터 이가영

차례 무기 분석을 위한 시료의 전처리 - 전처리 기술의 중요성 ICP의 원리 및 기기 - ICP의 정의 - 시료 전처리 방법

무기 분석을 위한 시료 전처리 (pretreament of Sample for inorganic Analysis)

전처리 기술의 중요성 분석 기기의 작동기술-초등학교 학생이라 해도 가능, 단시간 내에 습득이 가능하다 전 처리가 잘못 되면 분석 결과의 신뢰 불가 최첨단 분석 장비를 사용해도 분석 결과 신뢰 불가 경력 풍부 분석자라 해도 전처리를 잘못할 수 있음 잘못된 관행(전처리-신입사원, 측정-고참사원) 전처리와 측정을 동일인이 수행=>가장 좋은 결과 산출 시료에 따라, 분석 성분에 따라, 보유 분석 장비(정량방법)에 따라 다른 전 처리 기술을 적용해야만 함

시료(Sample) 얼마를 취하든 소량으로도 전체를 대표해야만 함 분석에 소요되는 시료량(mg~kg) 전체를 대표할 수 있도록 균질화 시킴 불균일할수록 시료 채취량을 증가시킴 재분석의 50% 이상이 전체를 대표할 수 없는 시료 분석에서 유래

시료의 예비 분해 실험 소량의 시료를 채취하여 각종 전 처리 방법을 시도함으로써 가장 신속하고 확실한 전처리 방법을 찾음 - 무기물 : 물, 산류 또는 알칼리 등으로 처리 - 유기물 : 연소, 산화성 산 등으로 처리 예비 분해 실험을 수행함으로써 얻는 소득 - 분석 시간 단축 - 사용시약 절감으로 바탕 시험치 저하 - 오염 및 손실을 최소화 - 분석 기술 향상 노련한 분석자라 해도 반드시 예비 실험을 수행

금속 성분 분석을 위한 시료 전처리 파괴 분석 물 가용성 음이온 또는 양이온으로 전환하는 조작 - 산 처리 : HCl(Cl-), HNO3(NO3-), H2SO4(SO4-), HClO4(ClO4-), HF(F-), HBr(Br-), HI(I-) - 알칼리 처리: NaOH, KOH(알미늄 합금 분석) - 용융: 1) 산성 융제 : KHSO4, KHF2, H3BO3 2) 알칼리성 융제 : NaOH, KOH, Na2CO3, K2CO3, Na2B4O7, Na2O2, LiBO2, Li2B4O7 가열과 압력을 보조 수단으로 활용 Final에는 acidic clear solution(산성 투명 용액)을 얻어야만 분석 가능 오염과 손실을 최소로 할 것 (극미량 분석- 심각한 영향 초래) 사용하는 산류의 순도: 대단히 중요

열판 분해(Hot plate digestion)-1 장점 - 100년 이상 사용되어온 방법 - 단순 조작 - 시료량이나 산의 양 – 조절 용이 - 분해 용기로부터의 오염 극소 - 반응의 진행 과정 – 육안 관찰 분해 가능 - 저렴한 전처리 방법

열판 분해(Hot plate digestion)-2 단점 - 반응이 느리다 - 가열함으로써 산의 세기 감소 - 휘발성 원소들의 손실 가능 - 반드시 시료의 반응 과정을 지켜 봐야만 함 - 다량의 산을 사용함으로써 바탕 시험 값 상승 - 시료와 반응하여 폭발이나 화상 등을 유발 - 산류의 증기 - 대기 및 수질의 오염 문제 발생

알칼리 융해(Alkali fusion) 전처리 방법의 최후 수단 매트릭스 일치시키는 기술이 절대적으로 필요함 Flux(융제)로부터 오염이 지극히 큼 휘발성 원소의 손실이 발생 어느 전처리 방법보다 신속한 전처리 방법 시료량의 5-30배의 융제 사용(시료 0.5g- 융제 15g 사용) 내화성 시료의 분해에 적합 원자 분광법(AAS,ICP : 최종 가용성 물질 농도 - 10g/L 이하 추천) ICP/MS : 최종 가용성 물질 농도 - 10g/L 이하 추천) -물리적인 방해(점도 증가) – 부의 오차 발생 -이온화 방해 -비특정 흡수(산란 또는 분자 흡수 발생) -바탕 시험치 상승

초단파 분해- 1 장점 - 시료의 오염이나 손실이 거의 없음 - 휘발성 원소의 손실이 극히 적음 - 소량의 시약 사용- 시약으로부터 오염 문제 감소 - 산이 증발하거나 세기가 감소하지 않음 - 산의 증기로 인한 환경 오염 문제 감소 - 산의 증기로 인한 fume hood의 부식 감소

초단파 분해-2 단점 - 다량의 시료 처리 불가(무기물 1g, 유기물 최고 0.5g 정도 가능) - 휘발성 성분이 teflon 속으로 확산 침투 가능 - 조건에 따라 침투된 성분이 침출 되어 분석 결과에 영향을 미칠 수 있음 - 장치를 세척하고 조립하는 것이 귀찮음 - 장치의 값이 고가임에도 구입하여 사용하는 이유는 전처리 기술의 어려움을 반증

초단파 분해 시 안전상의 주의 (초단파 분해)-3 미지 시료는 예비 분해 실험으로 반응성을 확인할 것. 미지 시료나 유기물 고 함유 시료 0.5g 이하 분해. 미지 시료인 경우에는 열린 상태에서 15분 이상 분해 시도 후 초단파 분해. H2O2나 HClO4를 사용할 때에는 열린 상태에서 충분히 분해 후에 초단파 분해. 분해 용기의 외부 수분 제거. 제작사 권고 산의 최고 허용 부피를 초과하지 말 것. 황산이나 인산의 bp는 teflon의 mp보다 높기 때문에 단독으로 사용하지 말 것.

건식 회화(Dry ashing)-1 Advantages - Simple - No limit on sample size(1g~500g) - Require little monitoring - Using small amount of reagent - Contamination from reagent is small

건식 회화(Dry ashing)-2 Disavantages(단점) - Slow - Volatile element(as hydrides, halides, oxides) - Severe contamination from furnace, container , and environment - Formation of insoluble compds. - Physical and chemical interference from ashing-aid(회화보조제)->Difficult to match the matrices

건식 회화(Dry ashing)-3 휘발성이 없는 성분의 전처리에만 적용 가능 피해야만 할 전처리 조작 중의 하나

습식 회화(Wet ashing) 산화성 산류에 의한 유기물 분해 조작 휘발성 성분을 포함하는 시료의 전처리에 적합 하지만 안전에 세심한 주의 필요 PbSO4의 생성과 HClO4의 안전 문제 고려

시료의 전처리 수칙 (Rule in dissolution of sample) 가능한 한 소량의 시약을 사용 무조건 가열하지 말 것 불용성 물질이 남으면 안 됨 원소에 따라 다른 전처리 방법 분석 장비에 따라 다른 전처리 항상 안전 문제를 고려 예비 분해 실험을 반드시 수행

재분석(Recheck) 전체를 대표할 수 없는 시료를 분석하면, 예비 분해 실험을 수행하지 않으면, 분석 성분의 특성을 무시하면, 시료의 history를 전혀 모르면, 환경이나 용기가 청결하지 않으면, 분석 목적에 부합되지 않는 시약을 사용하면, 시험 방법의 오류 또는 미 검정 시험 방법을 사용하면 재분석

원자 분광 분석용 시약 원자 분광 분석(극미량 분석) 부적합 시약 -EP, GR, AR, RG, CP, KP, USP, JP, TG etc. 중금속 분석용 시약: 고가-(50,000~70,000)원/500g) 반도체 가공용 시약(금속 성분 철저 제거 시약) - 초고순도의 산류(acids) : 원자 분광 분석 적합 - 저렴(20,000원 이하/3.8L), 수시 공급 가능 - 장기간 저장으로 HDPE 내의 금속 성분들이 침출 가능하므로 가장 최근에 생산된 시약을 구입할 것

ICP-AES Inductively Coupled Plasma- Atomic Emission Spectrometry 유도결합플라스마 - 원자방출분광법

. ICP의 정의 Plasma ICP (Inductively Coupled Plasma) 유도결합플라스마 상당량이 이온화된 뜨거운 기체 ICP (Inductively Coupled Plasma) 유도결합플라스마 유도코일에 의해 유도된 전자장이 결합된 플라스마

Energy Level of Atom (Bohr Model / Energy Level Model)

방출분광법의 광원 2. Electrical Discharge 3. Plasma 1. Flame ac Spark dc Arc ICP DCP CMP MIP 4. Glow Discharge

ICP에서 플라스마의 생성

ICP의 작동순서 Ar + e-(seed electron) → Ar* + e- Ar + e-(seed electron) → Ar+ + e- + e-                              Ar+ + e-(seed electron) → Ar+* + e-  

Characteristics of ICP 1. High Temperature 2. Chemically Inert Atmosphere Low Detection Limit Large Dynamic Range (104∼106) Up to 80 Elements (Refractory Metals) Low Interferences High Precision (1-5%) Simultaneous Detection No Hazardous Gas No Electrode

Disadvantage of ICP Ionization Interference alkaline metals Spectral Interference Organic Solvent Low Molecular Weight Solvents (No Oxygen)

ICP의 지역적 명명법 Yttrium 용액 주입 IR; 유도지역 Induction Region PHZ; 가열 전 지역 Preheating Zone IRZ; 최초의 복사지역 Initial Radiation Zone NAZ; 보통의 분석지역 Normal Analytical Zone

ICP에서의 들뜸 온도(excitation temperature)

ICP 분광기의 기본 장치

Pneumatic(공기압력식), 분무효율이 큼, Noise가 작음 Concentric Nebulizer Pneumatic(공기압력식), 분무효율이 큼, Noise가 작음 염의 농도가 큰 용액 사용제한 됨

Crossflow Nebulizer

Pneumatic, 큰 에어로졸 생성, impact ball 사용 Barbington Nebulizer Pneumatic, 큰 에어로졸 생성, impact ball 사용

고주파 기계 파(초음파) 사용, 분무효율 큼, 검출한계 좋음, Desolvation 장치, D=0.34λ Ultrasonic Nebulizer 고주파 기계 파(초음파) 사용, 분무효율 큼, 검출한계 좋음, Desolvation 장치, D=0.34λ

Glass-frit Nebulizer High memory effect High Nebulization efficiency, up to 60% Small sample volume up to 0.03 mL/min Chromatographic Detector

안개상자(Spray Chamber) double pass (Scott type) (A) single pass (B)

Parameters to be controlled in trace analysis

방해영향과 작동조건 방해영향 물리적 방해영향 이온화 방해영향 분광학적 방해영향 작동조건 관측위치 RF Power 운반기체의 사용량

Physical Interference of Several Acids

Chemical Interferences of AA and ICP

Ionization Interference by Alkali metals Production of electron by alkali metals Excitation by collision M + e(v1) → M* + e(v2) Ionization by collision M + e(v1) → M+ + e(v2) + e(v3) Recombination M+ + e → M

Spectral Interference (Fe Spectrum)

Spectral Interference One Point Background Correction

Spectral Interference Two Points Background Correction

Spectral Interference Direct Spectral overlap 1. Interelement correction using correction factor 2. Separation of analyte or matrix 3. Choose another spectral line

작동조건의 영향 RF 주파수 주파수 증가 -> RF Power 운반기체의 사용량 바탕세기에 대한 스펙트럼선의 비를 증가시킴 RF Power 운반기체의 사용량 - soft line - hard line