휴대용 XRF를 사용하여 물과 식품 내 미네랄 및 오염 물질 식별

가정의 수도꼭지에서 나오는 물은 그냥 H₂O일까요? 대답은 그렇게 간단하지 않습니다. 물에는 육안으로 보이지 않는 용해된 물질이 들어 있을 수 있습니다. Olympus Vanta™ 휴대용 XRF 분석기와 같은 휴대용 X선 형광(pXRF) 기기는 식수에 숨겨진 미네랄과 오염 물질을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

물의 미네랄 및 오염 물질 식별

우리가 마시는 물이 그저 H₂O라고 생각할 수 있지만 유리잔 안에는 종종 다른 물질이 용해되어 있습니다. 이런 물질 중 충치를 예방하는 데 도움이 되는 불소와 같이 일부는 우리에게 유익합니다. 다른 일반적인 미네랄로는 전해질 함유 화합물인 염화칼슘(CaCl₂)이 있는데, 이것은 물에 존재할 때 탈수를 방지하는 데 도움이 됩니다. 염화칼슘은 마그네슘, 나트륨, 염화칼륨 등 다른 일반적인 염화물과 함께 지질학적 과정을 통해 암석에서 식수로 침출될 수 있습니다. 아래 그래프(그림 1)는 1000ppm에서 20ppm까지 용존 칼슘을 측정할 때 Vanta pXRF 분석기의 정밀도를 보여줍니다.

그림 1. ICP 참조 샘플을 사용한 Vanta pXRF의 용존 칼슘 분석 성능(낮은 농도를 보여주는 그림)

그러나 물에는 질산염(NO₃-), 망간(Mn), 철(Fe), 중탄산염(HCO₃-) 등 잠재적으로 유해한 물질이 들어 있을 수 있습니다. 이런 원소와 화합물은 파이프 및 온수기 손상, 물때 형성 및 박테리아의 성장을 포함하여 다양한 건강 및 기반 시설 문제를 일으킬 수 있습니다.

Vanta™ 시리즈를 사용하여 수행되는 휴대용 X선 형광(pXRF) 분석과 같은 원소 분석 기술을 사용하여 이런 유해 물질 중 일부를 식별하고 정량화할 수 있습니다. pXRF는 또한 식수 오염 물질 중에서 가장 크고 가장 유해한 그룹 중 하나인 중금속을 식별하는 데 도움을 줄 수 있습니다.

식수의 중금속 오염

일반적으로 크롬(Cr), 니켈(Ni), 구리(Cu), 비소(As), 카드뮴(Cd), 수은(Hg), 납(Pb)을 포함한 중금속은 식수에 존재할 때 다양한 문제를 일으킬 수 있습니다. 이런 금속은 암석의 자연 풍화, 석탄 화력 발전소 및 광산과 같이 인간 및 지질학적 활동을 통해 물에 들어갈 수 있습니다. 이런 금속이 지하수에 들어가면 물을 보다 산성 또는 알칼리성으로 만들 수 있습니다. 결과적으로 그 물은 잠재적으로 마시기에 유독하고 파이프 및 기타 물 기반 시설을 파괴합니다. 이런 금속은 또한 물의 pH를 변경함으로써 다양한 유형의 유해 박테리아의 생장을 촉진할 수 있습니다.

다양한 종류의 식수

다행히 대부분의 식수 및 음용수는 일부 여과 또는 기타 정화 과정을 거쳤습니다. 우리가 쉽게 이용할 수 있는 다양한 종류의 식수는 다음과 같습니다.

• 수돗물
• 증류수
• 여과수
• 샘물
• 정제수

일반적으로 가장 쉽게 접근할 수 있는 수돗물은 몇 가지 과정을 거칩니다. 지하수에서 이물질과 대부분의 기타 용해된 입자를 제거하기 위해 일부 화학물질이 첨가됩니다. 그런 다음, 맑은 물을 여과하고 염소로 소독하며, 일부 지역에서는 불소를 첨가합니다. 증류수는 끓여서 수증기를 생성한 다음, 마실 수 있는 물로 다시 응축시켜서 거의 모든 오염 물질을 제거합니다. 여과수는 수돗물과 유사하지만 일부는 최종 정화 단계로 병에 담기 전에 박테리아를 죽이기 위해 오존으로 처리합니다. 여과수와 마찬가지로 샘물은 오존 처리 외에도 수돗물과 같은 정화 단계를 거칩니다. 마지막으로 정제수에는 역삼투압법, 증류법, 탈이온법 등 많은 정수 기술이 포함됩니다. 이런 각 기술은 용해된 특정 물질과 오염 물질을 제거하고 일부는 남깁니다. Vanta pXRF 분석기를 사용하면 이런 다양한 종류의 물에서 어떤 용해 물질이 제거되지 않았는지 식별할 수 있습니다.

Vanta pXRF 분석기를 사용한 물 분석

pXRF가 어떻게 작동하는지 보여주기 위해 Vanta 분석기를 사용하여 앞서 언급한 5가지 종류의 물과 빗물을 검사한 후 그 결과를 정량적으로 분석했습니다. 이 검사는 1분이 소요되었으며, 물의 오염 물질과 미네랄을 빠르게 식별할 수 있었습니다(그림 2).

그림 2. 5가지 물 종류에 대한 Vanta pXRF 분석은 다양한 용해 물질을 보여줍니다.

모든 종류의 물은 육안 검사에서는 동일하게 보이지만 샘플에는 다양한 용해 물질이 포함되어 있습니다. 증류수 및 정제수와 같이 많은 정화 단계를 거친 물에는 검출 가능한 수준의 용해된 미네랄, 염 또는 금속이 들어 있지 않습니다. 샘물 및 여과수와 같이 수원에 더 가까운 물에는 인 및 황과 같은 유기 물질의 일부 ​원소와 칼슘 및 염소 같이 지질학적 과정에 의한 염이 포함되어 있습니다. 수돗물에는 이런 유기 물질과 염이 포함되어 있을 뿐만 아니라 물을 운반하는 일부 파이프에서 나온 미량의(여전히 안전한) 철과 아연이 포함되어 있습니다. 이 철분은 몸에서 필요한 미네랄로 사용될 수 있지만 가정의 수도 설비에 붉은 얼룩을 남길 수도 있습니다. 다행히도 검사된 물 중에는 검출될 수 있을 정도의 어떠한 중금속도 없었습니다.

Vanta™ pXRF 분석기는 원소 농도를 계산하는 것 외에도 다양한 염의 농도를 계산할 수 있습니다. 예를 들어, 샘물과 수돗물을 사용하면 Vanta 분석기는 실시간으로 즉시 염화칼슘의 농도를 측정할 수 있습니다(그림 3).

그림 3. Vanta pXRF 분석기를 사용한 샘물(왼쪽)과 수돗물(오른쪽)의 염화칼슘(CaCl2) 즉시 계산

폐수 내 중금속 오염물질 식별

Vanta™ pXRF 분석기는 또한 폐수 또는 산업 및 농업용으로 사용된 물에서 중금속 오염을 식별할 수 있습니다. 이런 중금속 중 일부는 1ppm(1mg/L) 이상일 때 Vanta 분석기로 직접 검출할 수 있지만 일부 오염 물질은 그 수준 이하로 존재합니다. TIERS(Time-lapse Ion Exchange Resin Sachets)¹와 같은 샘플 준비의 발전으로 Vanta 분석기는 ppb(part per billion) 수준 또는 1mg/L의 분율까지 중금속 및 염 농도를 검출할 수 있습니다. 이 간단하고 저렴한 샘플 준비 기술은 물의 농도를 100~1000배까지 증폭할 수 있어 더 비싼 기술에 필적하는 검출 한계가 가능해집니다.

TIERS 또는 기타 이온 교환 수지를 사용하면 공업 및 농업 용수에 불법적으로 방출되는 것을 검출하고¹, 농지의 중금속 오염을 평가하고², 보다 큰 수역에서 오염 물질을 식별하는 데 도움이 됩니다³. 이런 기술은 폐수 지문 작성의 개발로 이어졌으며, 연구자들은 특정 오염 물질이나 오염원이 어디에서 왔는지 식별할 수 있습니다. pXRF로 ppb 검출 한계를 달성하므로 폐수 분석 및 오염 물질 식별에 유용합니다.

식품 및 음료의 오염 물질

물이 중금속 오염 물질을 포함할 수 있는 유일한 식품이나 음료는 아닙니다. 곡물 및 설탕과 같이 일반적으로 소비되는 기타 품목도 중금속에 오염될 수 있습니다. 식품에서 완전한 금속 조각을 식별하는 것 외에도 인간 및 환경 활동에서 발생하는 미량 금속도 식품을 오염시킬 수 있습니다. 철, 아연과 같은 금속이 기계 장비의 고장, 비료의 오염 물질, 다양한 제분 및 가공 기술을 통해 우연히 식품에 첨가될 수 있습니다. 오염 물질은 가공에 사용되는 오염된 물과 사탕수수를 재배한 토양에 존재하는 오염 물질을 통해 설탕에 추가될 수 있습니다. 물을 검사하는 것과 유사하게 Vanta™ pXRF 기기로 소비자 등급 밀가루, 쌀, 설탕을 검사하고 그 결과를 정량적으로 분석해 보았습니다. 검사는 1분이 걸렸으며, 이런 일반적인 저장용 식료품의 오염에 대한 정보를 신속하게 제공했습니다(그림 4).

그림 4. 설탕(왼쪽), 밀가루(가운데), 쌀(오른쪽)을 포함한 일반적인 식품의 Vanta pXRF 분석기 스캔.

용해된 물질은 육안으로는 볼 수 없지만 이런 식품에 분명히 존재합니다. 검출된 모든 원소는 이런 미네랄, 염분 및 영양소에서 자연적으로 발생합니다. Vanta 분석기는 단백질 분말이나 대마초와 같이 다양한 제품을 검사하는 데도 사용할 수 있습니다.

이런 원소 분석은 소비자 식품 및 음료의 오염을 명확하게 드러내어 Vanta 휴대용 XRF 분석기의 분석 성능을 보여줍니다.

참고 문헌

1. Shih, P.K., Chiang, L.C., Lin, S.C., Chang, T.K. and Hsu, W.C., 2019. 산업 및 농업 혼합 지역의 불법 폐수 방출을 검출하기 위한 TIERS(Time-Lapse Ion Exchange Resin Sachets)의 적용, 대만. 지속 가능성, 11(11), p.3129.

2. Huang, J.J.S., Lin, S.C., Löwemark, L., Liou, S.Y.H., Chang, Q., Chang, T.K., Wei, K.Y. and Croudace, I.W., 2019. 이온 교환 수지 주머니와 마이크로 XRF 코어 스캐닝을 사용한 중금속 오염의 신속한 평가. 과학 보고서, 9(1), pp.1-6.

3. Pan, S.Y., Syu, W.J., Chang, T.K. and Lee, C.H., 2020. 수역에서 중금속을 포획하는 타임랩스 캡슐의 성능을 평가하기 위한 다중 모델 접근 방식. RSC Advances, 10(28), pp.16490-16501.