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표제지
목차
제출문 2
요약문 3
Abstract 18
제1장 서론 29
1. 연구배경 및 필요성 29
가. 국내외 나노물질 산업 동향 32
나. 국내외 나노물질에 대한 환경 규제 및 정책 37
다. 환경 내 나노물질 분석기술의 중요성 및 필요성 40
2. 연구목적 및 달성목표 44
가. 최종목적 44
나. 세부목적 44
다. 달성목표 44
제2장 연구 내용 및 방법 46
1. 과제의 주요 내용 46
2. 과업의 범위 46
3. 연구 방법 46
가. 대상 나노물질 선정 및 선행 연구결과 조사 46
나. 수질 환경시료 대상의 나노입자 분리ㆍ분석기술 개발 48
다. 나노물질 분석에 관한 표준작업지침서 및 정도관리 방안 마련 59
4. 연구 추진 체계도 61
5. 연구진 구성 62
가. 연구원 편성표 62
제3장 연구 결과 및 고찰 63
1. 대상 나노물질 선정 및 선행 연구결과 조사 결과 63
가. 환경매질 내 나노물질 분석 63
나. 생물시료 내 나노물질 분석 70
다. 나노물질 분석을 위한 전처리기술 73
라. 수질 중 나노물질 전처리 기술 78
마. 생물체 내 나노물질 전처리 기술 79
바. DGUR을 이용한 나노물질 분리 82
2. 수질 환경시료 대상의 나노입자 분리ㆍ분석기술 개발 85
가. 나노 표준물질 및 시료물질의 특성 분석 85
나. 매질별 수질 화학적 특성 분석 103
다. 매질 특성을 고려한 나노물질의 전처리기법 개발 107
라. 2차 분리기술 및 분리장비 효용성 평가 168
3. 정도관리 방안 171
가. 최적 실험실 환경 조건 제시 171
나. SP-ICP-MS 정도관리 172
제4장 요약 및 결론 183
1. 결과 요약 및 주요 결론 183
가. 대상 나노물질 선정 및 선행 연구결과 조사 183
나. 수질 환경시료 대상의 나노입자 분리ㆍ분석기술 개발 186
다. 2차 분리기술 및 분리장비 효용성 평가 190
라. 정도관리 방안 191
제5장 기대성과 활용방안 및 향후 연구 제안 193
1. 기대성과 및 활용 방안 193
2. 향후 연구 제안 195
참고문헌 200
[부록] 실시간 단일입자 유도결합 플라스마 질량분석기(Real Time Single Particle Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy, RTSP-ICP-MS)를 이용한 환경 시료 내 나노물질 분석 표준절차 211
1. 개요 212
1.1. 목적 및 원리 212
1.2. 적용범위 214
2. 용어 214
3. 분석기기 및 기구 215
3.1. 장치의 구성 215
3.2. 장치의 설치조건 216
3.3. 장치의 조작 216
4. 표준물질 및 시료 217
4.1. 표준물질 217
4.2. 공시료 및 희석수 217
5. 시료 채취 및 관리 217
5.1. 시료의 채취방법 217
5.2. 시료의 보관방법 218
6. 정도보증/정도관리(QA/QC) 219
6.1. 재현성 219
6.2. 민감도 219
6.3. 검출한계 219
6.4. 정밀도 220
6.5. 정확도 221
7. 분석절차 221
7.1. 전처리 221
7.2. 분석법 224
7.3 자료처리(data processing) 226
7.4. 분석 시 주의사항 228
[별첨 1] Nano Composix - 100 nm Citrate NanoXact Silver 규격서 230
[별첨 2] Nano Composix - 100 nm PVP NanoXact Silver 규격서 231
Table 1-1. 2010년 국내 나노물질 유통량 조사 - 입자크기 별 제조량 및 수입량 분석(환경부, 2011) 35
Table 1-2. 2010년 국내 나노물질 유통량 조사 - 나노물질 종류별 분석 (환경부, 2011) 35
Table 1-3. OECD 제조나노물질 작업반의 안전성 시험대상 물질별 유통량 통계 36
Table 1-4. 제1차 나노 안전관리 종합계획(2012-2015)의 중심분야 및 추진과제 39
Table 1-5. 제1차 나노 안전관리 종합계획의 제1중점분야 주요추진과제및 세부 과제 43
Table 2-1. 전처리 기법의 분류 50
Table 3-1. 환경매질 내 나노물질 분석 연구 사례 65
Table 3-2. 생물시료 내 나노물질 분석 연구 사례 71
Table 3-3. 나노물질 분석을 위한 전처리기술 75
Table 3-4. 수질 환경 시료 내 나노입자의 전처리 기법 78
Table 3-5. 생물 시료 내 나노입자의 전처리 기법 81
Table 3-6. DGUR 분리 기법을 이용한 나노물질의 분리 84
Table 3-7. 본 연구에서 사용된 나노물질과 제조사에서 제공한 나노입자의 직영 85
Table 3-8. 나노물질 분석 시 적용된 DLS 기기 조건(국립환경과학원, 2013) 86
Table 3-9. DLS 및 TEM을 이용하여 측정된 citrate로 코팅된 은 나노물질(Cit-AgNP)의 크기(직경, nm)(국립환경과학원, 2013) 88
Table 3-10. DLS 및 TEM을 이용하여 측정된 PVP로 코팅된 은 나노물질(PVP-coating)의 크기(직경, nm)(국립환경과학원, 2013). 93
Table 3-11. DLS 및 TEM을 이용하여 측정된 금 나노물질(NIST-AuNP)의 크기(직경, nm)(국립환경과학원, 2013) 96
Table 3-12. DLS 및 TEM을 이용하여 측정된 이산화티타늄 나노물질(NIST-TiO2)의 크기(직경, nm) 99
Table 3-13. Citrate로 코팅된 은 나노입자와 PVP로 코팅된 은 나노입자의 입자 수 농도 101
Table 3-14. Citrate, PVP로 코팅된 은 나노입자와 이산화티타늄 나노입자의 입자 수 농도(국립환경과학원, 2013) 102
Table 3-15. NIST사 금 나노입자(NIST AuNP)의 원액 농도 103
Table 3-16. NIST사 금 나노입자(NIST- AuNP)의 입자 수 농도 103
Table 3-17. 하천수 수질 정보 104
Table 3-18. 2012년 지하수수질측정망 운영결과(2013. 12, 환경부) 105
Table 3-19. 전국 하수처리장의 유입수 및 방류수 수질 현황 106
Table 3-20. Citrate로 코팅된 75 nm 은나노입자의 필터 특성에 따른 여과 회수율 116
Table 3-21. PVP로 코팅된 75 nm 은나노입자의 필터 특성에 따른 여과 회수율 118
Table 3-22. 다양한 배경용액의 농도 변화에 따른 Citrate 코팅된 은나노입자의 시간에 따른 크기 변화율 125
Table 3-23. 바탕용액의 pH 및 온도변화에 따른 은 나노물질의 응집속도 129
Table 3-23. 바탕용액의 pH 및 온도변화에 따른 은 나노물질의 응집속도(1 ppb, 100nm Citrate-AgNP in 10mM Ca(NO₃)₂) 129
Table 3-24. 채취한 자연수의 물리화학적 특성 141
Table 3-25. SP-ICP-MS 분석을 통해 확인한 0.45 ㎛ 이하 은나노입자의 크기 및 회수율 145
Table 3-26. SP-ICP-MS 분석을 통해 확인한 재분산 처리 적용 후 0.45 ㎛ 이하 은나노입자의 크기 및 회수율 145
Table 3-27. 수산화테트라메틸암모늄 (TMAH)를 이용한 은나노입자 분리 실험 조건 148
Table 3-28. Proteinase K를 이용한 은나노입자 분리 실험 조건 150
Table 3-29. 생물시료에서 TMAH 용출법과 proteinase K 용출법으로 분리ㆍ용출된 은나노입자의 평균 크기 및 회수율 164
Table 3-30. FFF의 분류 169
Table 3-31. 미연방규격[FED-STD-209D(Air Cleanliness Class Levels)] 171
Table 3-32. 나노입자 분석을 위한 SP-ICP-MS의 기기 및 분석 조건 (ElanDRCII, PerkinElmer) 173
Table 3-33. SP-ICP-MS 분석의 dwell time에 따른 금 나노입자의 크기 178
Table 3-34. SP-ICP-MS 분석의 입자 수 농도에 따른 금 나노입자의 크기 180
Table 4-1. 본 연구에서 사용된 나노물질의 TEM 및 DLS 특성평가(국립환경과학원, 2013) 186
Table 4-2. 하천수 수질 화학적 특성 187
Table 4-3. 지하수 수질 화학적 특성 187
Table 4-4. 하수의 유입수 및 유출수 평균 수질 현황 187
Fig. 1-1. 수계에서 탐지된 나노물질 및 환경 내 나노물질의 순환 및 향후 나노물질의 환경 유출 증가에 의한 수질 기준 초과 예상 29
Fig. 1-2. 지표생물의 체내에 침투한 나노물질(Ryman-Rasmussen et atl, 2009; Pace et al., 2010). 30
Fig. 1-3. NNI의 나노기술 전략연구 보고서 중 나노물질을 위한 최우선 과제 목록(NNI, 2008). 31
Fig. 1-4. 나노기술이 적용된 제품수의 증가 추이(Woodrow Wilson International Center). 32
Fig. 1-5. 지역별 나노기술이 적용된 제품의 생산 추이(Woodrow Wilson International Center). 33
Fig. 1-6. 세계 나노산업 시장 규모 변화 추이 (Lux research). 33
Fig. 1-7. 분야별 국내 나노기술 산업 현황 (교육과학기술부, 2010) 34
Fig. 1-8. 미국 NNI에서 제시한 나노 안전성 관련 연구개발의 중요도 및 우선순위(Alvarez et al., 2009). 41
Fig. 3-1. 산화아연 나노입자의 TEM 분석을 위한 전처리 공정(Majedi 등, 2012). 80
Fig. 3-2. 생물시료 내 은나노입자 및 금나노입자의 분리ㆍ분석(Gray 등, 2013). 82
Fig. 3-3. UV-Vis를 이용하여 측정된 citrate로 코팅된 은 나노입자(Cit-AgNP)의 1st peak position(국립환경과학원, 2013). 87
Fig. 3-4. DLS를 이용하여 측정된 pH 변화에 따른 은 나노입자(Cit-AgNP)의 제타 전위(국립환경과학원, 2013). 87
Fig. 3-5. TEM으로 찍은 citrate로 코팅된 은 나노입자(Cit-AgNP)의 사진(국립환경과학원, 2013). (a) 60 nm, (b) 100 nm 88
Fig. 3-6. TEM으로 측정한 citrate로 코팅된 은 나노입자(Cit-AgNP)의 크기에 대한 히스토그램 및 입도분포(국립환경과학원, 2013). 90
Fig. 3-7. TEM으로 측정한 citrate로 코팅된 은 나노입자(Cit-AgNP)의 크기에 대한 누적분포도(국립환경과학원, 2013). 91
Fig. 3-8. UV-Vis를 이용하여 측정된 PVP로 코팅된 은 나노입자(PVP-AgNP)의 1st peak position(국립환경과학원, 2013). 92
Fig. 3-9. DLS를 이용하여 측정된 pH 변화에 따른 PVP로 코팅된 은 나노입자(PVP-AgNP)의 제타 전위(국립환경과학원, 2013). 92
Fig. 3-10. TEM으로 찍은 PVP로 코팅된 은 나노입자(Cit-AgNP)의 사진(국립환경과학원, 2013). (a) 60 nm, (b) 100 nm. 93
Fig. 3-11. TEM으로 측정한 PVP로 코팅된 은 나노입자(PVP-AgNP)의 크기에 대한 히스토그램 및 입도분포(국립환경과학원, 2013). 94
Fig. 3-12. TEM으로 측정한 PVP로 코팅된 은 나노입자(PVP-AgNP)의 크기에 대한 누적분포도(국립환경과학원, 2013). 95
Fig. 3-13. DLS를 이용하여 측정된 pH 변화에 따른 NIST사 나노입자(NIST-AuNP)의 제타 전위(국립환경과학원, 2013 96
Fig. 3-14. TEM으로 찍은 NIST사 금 나노입자(NIST-AuNP, 60nm)의 사진(국립환경과학원, 2013). 96
Fig. 3-15. TEM으로 측정한 NIST사 금 나노입자(NIST-AuNP)의 크기에 대한 히스토그램 및 입도분포(국립환경과학원, 2013). 97
Fig. 3-16. TEM으로 측정한 NIST사 금 나노입자(NIST-AuNP)의 크기에 대한 누적분포도(국립환경과학원, 2013). 98
Fig. 3-17. DLS를 이용하여 측정된 pH 변화에 따른 NIST사 TiO2 나노입자(NIST-TiO2)의 제타 전위 98
Fig. 3-18. TEM으로 찍은 NIST사 Ti 나노입자(NIST-TiO2, 100nm)의 사진 100
Fig. 3-19. TEM으로 측정한 NIST사 금 나노입자(NIST-AuNP)의 크기에 대한 히스토그램 및 입도분포 99
Fig. 3-20. TEM으로 측정한 NIST사 나노입자(NIST-TiO2)의 크기에 대한 누적분포도 101
Fig. 3-21. 물환경정보시스템(WIS) 104
Fig. 3-22. 국가지하수정보센터 105
Fig. 3-23. 국가수자원관리종합정보시스템 106
Fig. 3-24. Citrate (좌)와 PVP (우)로 코팅된 60 nm 크기의 은나노입자의 TEM 이미지 110
Fig. 3-25. 카올리나이트의 SEM 이미지 110
Fig. 3-26. Citrate와 PVP로 코팅된 은나노입자 (0.1 ppm)와 카올리나이트 (10 ppm)의 상호작용에 따른 용액의 pH별 여과 회수율 (필터: 0.45 ㎛, cellulose acetate). 111
Fig. 3-27. Citrate로 코팅된 은나노입자 (0.1 ppm)와 Suwannee River NOM(10 ppm)의 상호작용에 따른 용액의 pH별 여과 회수율(필터 : 0.45 ㎛, cellulose acetate). 113
Fig. 3-28. Citrate로 코팅된 은나노입자 (0.1 ppm)와 카올리나이트 (10 ppm) 및 Suwannee River NOM (10 ppm)의 상호작용에 따른 용액의 pH별 여과 회수율(필터 : 0.45 ㎛, cellulose acetate). 114
Fig. 3-29. Citrate 코팅된 은나노입자의 필터특성 및 pH에 따른 여과 회수율 117
Fig. 3-30. SEM을 통해 확인한 필터의 표면. (좌) Cellulose acetate (중) PTFE (우) Nylon 119
Fig. 3-31. Citrate 코팅된 은나노입자의 필터 공극 크기에 따른 여과 회수율 121
Fig. 3-32. 다양한 배경용액의 농도변화에 따른 Citrate 코팅된 은나노입자의 시간에 따른 크기 변화(10ppm Citrate-AgNP). 124
Fig. 3-33. 다양한 배경용액의 농도변화에 따른 Citrate 코팅된 은나노입자의 attachment efficiency 변화 (10ppm Citrate-AgNP). 127
Fig. 3-34. Citrate 코팅된 은나노입자의 입자농도변화에 따른 응집속도 변화. (10ppm, 100nm Citrate-AgNP in 10mM Ca(NO3)2) 128
Fig. 3-35. 원심분리에 따른 나노입자와 kaoilnite 및 montmorillonite 입자의 침전 양상 (K : Kaolinite, M : Montmorillonite, Ag : Silver nanoparticles). 131
Fig. 3-36. 이온강도에 따른 입자의 가역ㆍ비가역성 132
Fig. 3-37. 시간에 따른 투석막 내부 및 외부 용액의 전기전도도 변화 134
Fig. 3-38. DLS를 통해 관찰한 초음파 처리 시간에 따른 은나노입자(좌)와 이산화티타늄 입자(우)의 입자 피크가 발생되는 크기의 변화 135
Fig. 3-39. 100 mM (NaNO3) 이온강도에서 citrate로 코팅된 60 nm 은나노입자의 Z-average 변화 135
Fig. 3-40. 초음파 분산 (50 W)처리에 따른 응집된 입자의 Z-average 크기 변화 136
Fig. 3-41. 세가지 이온강도 (10, 25, 100 mM)에서 자연상 유기물 농도에 따른 은나노입자의 Z-average 크기 변화. 자연상유기물 농도. 0 mg/L (위), 5 mg/L (중간), 20 mg/L (아래) 138
Fig. 3-42. 현장에서 채취한 자연수 시료 139
Fig. 3-43. 자연수 내 나노입자 분석을 위한 분류 모식도 140
Fig. 3-44. 여과(0.45 ㎛)된 하수처리장 유출수 내 은나노입자의 spICP-MS 분석 결과 142
Fig. 3-45. 재분산 처리 적용 후 하수처리장 유출수 내 은나노입자의 spICP-MS 분석 결과 142
Fig. 3-46. 자연수 (수돗물, 강물, 하수처리장 유입수와 유출수)에 노출된 은나노입자의 시간에 따른 입자의 크기 비율 변화 143
Fig. 3-47. 연수 (수돗물, 강물, 하수처리장 유입수와 유출수)에 노출된 은나노입자의 0.45 ㎛ 이하 입자의 재분산 처리 적용에 유/무에 따른 비율 144
Fig. 3-48. Tetramethylammonium hydroxide (TMAH)를 이용한 돼지간과 은나노입자 혼합시료 용출 전ㆍ후 시료 147
Fig. 3-49. Proteinase K를 이용한 돼지간과 은나노입자 혼합시료 용출 전ㆍ후 시료 149
Fig. 3-50. 생물시료 내 나노입자 용출을 위한 최적의 Proteinase K용출과 TMAH용출 과정 152
Fig. 3-51. TMAH 용출 실험의 온도 (20, 37, 60 ℃)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율 153
Fig. 3-52 TMAH 용출 실험의 용출온도 (20, 37, 60 ℃)에 따른 입자의 크기분포. 1:40의 시료와 용출액의 고액비에서 4시간 동안 용출. 154
Fig. 3-53. TMAH 용출 실험의 고액비 (1:4, 1:8, 1:20, 1:40)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율 155
Fig. 3-54. TMAH 용출 실험의 고액비 (1:4, 1:8, 1:20, 1:40)에 따른 입자의 크기분포. 37℃에서 4시간 용출 결과. 156
Fig. 3-55. TMAH 용출 실험의 반응시간 (2h, 4h, 6h, 12h, 24h)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율 157
Fig. 3-56. TMAH 용출 실험의 반응시간 (2h, 4h, 6h, 12h, 24h)에 따른 입자의 크기분포. 37℃, 1:40의 시료와 용출액의 고액비에서 용출. 158
Fig. 3-57. Proteinase K 용출 실험의 고액비 (1:4, 1:8, 1:20, 1:40)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율 160
Fig. 3-58. Proteinase K 용출 실험의 고액비 (1:4, 1:8, 1:20, 1:40)에 따른 입자의 크기분포. 37℃에서 4시간 용출. 161
Fig. 3-59. Proteinase K 용출 실험의 반응시간 (2h, 4h, 6h, 12h, 24h)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율 162
Fig. 3-59. Proteinase K 용출 실험의 반응시간 (2h, 4h, 6h, 12h, 24h)에 따른 입자의 크기와 질량 및 입자수에 따른 회수율. 37℃, 1:40의 시료와 용출액의 고액비에서 용출. 162
Fig. 3-60. Proteinase K 용출 실험의 반응시간 (2h, 4h, 6h, 12h, 24h)에 따른 입자의 크기분포. 37℃, 1:40의 시료와 용출액의 고액비에서 용출. 163
Fig. 3-61. 동물시료에서 TAMH 용출과 proteinase K용출법을 통해 용출된 은나노입자의 spICP-MS 분석에 따른 입도분포 165
Fig. 3-62. 식물시료에서 TAMH 용출과 proteinase K용출법을 통해 용출된 은나노입자의 spICP-MS 분석에 따른 입도분포 166
Fig. 3-63. 물벼룩 체내에서 TMAH용출과 proteinase K 용출로 추출된 은나노입자의 spICP-MS 분석에 따른 입도분포 167
Fig. 3-64. SP-ICP-MS 분석에서 dwell time에 따른 검량선의 신호세기 174
Fig. 3-65. SP-ICP-MS 분석에서 dwell time에 따른 2 ㎍/L 표준 용존 용액의 신호세기 및 그 변동폭(count variation). 175
Fig. 3-66. SP-ICP-MS분석에서 dwell time에 따른 입자의 크기 검출한계 176
Fig. 3-67. SP-ICP-MS 분석의 dwell time (5, 10, 20 50 ms)에 따른 금나노입자의 크기 분포 178
Fig. 3-68. SP-ICP-MS 분석 시 입자 수 농도 (5*10₂, 5*10³, 5*10⁴, 5*105particles/mL)에 따른 금 나노입자의 크기 분포. 180
Fig. 3-69. Citrate로 코팅된 60 nm와 100 nm 은나노입자의 SP-ICP-MS 동시 분석 결과 및 이를 10배 희석한 시료의 SP-ICP-MS 동시 분석 결과 181
Fig. 3-70. SP-ICP-MS를 이용한 citrate로 코팅된 60 nm 은나노입자와 0.5 ppb 용존 은이온의 동시분석 182
Fig. 3-70. SP-ICP-MS를 이용한 citrate로 코팅된 60 nm 은나노입자와 0.5 ppb 용존 은이온의 동시분석. (좌) 초기 시료의 분석 신호. (중) 10배 희석된 시료의 분석 신호, (우) 100배 희석된시료의 분석 신호 182
그림 1. ICP-MS(좌) 및 RTSP ICP-MS(우)의 측정 원리 213
그림 2. 실시간 단일입자모드의 유도결합플라즈마질량분석법(RTSP-ICP-MS) 분석과정. a : 표준용액의 농도에 대한 신호 검량선, b : 질량에 대한 신호의 검량선, c : 미지의 시료에... 227
그림 3. RTSP-ICP-MS를 이용한 citrate로 코팅된 60 nm 은나노입자와 0.5 ppb 용존 은이온의 동시분석. (좌) 초기 시료의 분석 신호, (중) 10배 희석된 시료의 분석 신호, (우) 100배 희석된 시료의 분석 신호 228
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