식품 중 PFAS 다성분 분석 (QuEChERS · SPE · LC-MS/MS)
우유·계란·버터·치즈·생선 매트릭스를 Luna Omega PS C18로 1 ng/g → 0.1 ng/g까지
TN-0124 · Phenomenex Technical Note
30초 요약
2단 정제 전략
roQ QuEChERS 추출 + PSA dSPE로 매트릭스 중 1 ng/g 회수, 추가 Strata-X-AW SPE 정제로 0.1 ng/g까지 감도 향상
양전하 C18 광역 선택성
양전하 표면을 가진 Luna Omega 1.6 µm PS C18이 C1~C17 지방족 범위의 23종 PFAS를 4분 그라디언트로 분리, 분지 이성질체까지 구분
완충액 최적화 + 광역 선형
4종 이동상 완충액 스크리닝에서 Ammonium Formate가 최고 이온화· 감도, 0.05~1000 ppb 검량(LLOQ 0.05 ppb)
공식 데이터 vs 컬럼피아 실무 인사이트
제조사 공식 Spec
- 분석 컬럼: Luna Omega 1.6 µm PS C18, 100 × 2.1 mm (00D-4752-AN)
- 전처리: roQ Extraction Kit(KS0-8910) + roQ QuEChERS dSPE Kit(KS0-9511, 150 mg MgSO₄ + 50 mg PSA)
- 2차 정제: Strata-X-AW 200 mg / 3 mL SPE(8B-S038-FBJ), 0.3% NH₄OH/ACN 용출
- Mobile Phase A: 5 mM Ammonium Acetate / B: Acetonitrile, 0.55 mL/min, 40 °C, Agilent 6460 QQQ — 검량 0.05~1000 ppb, LLOQ 0.05 ppb
컬럼피아 실무 인사이트
- Luna Omega PS C18의 양전하 표면(positive surface charge) → 음이온성 PFAS를 정전기적으로 보유해 C1~C17 광역 선택성 확보
- 지방·색소가 많은 식품 매트릭스엔 PSA dSPE가 최적 → 물+ACN 추출과 조합 시 5개 매트릭스 모두 우수한 회수율
- Strata-X-AW 2차 SPE(혼합모드 역상-약음이온 교환)로 매트릭스 감도를 1 ng/g → 0.1 ng/g로 강화
- 이온화 완충액은 Ammonium Formate가 최적 → 감도와 분지 이성질체 분리를 동시에 확보
🛋️ The Interpreter: 기술 용어 쉽게 풀기
🧪 QuEChERS + dSPE란?
QuEChERS(Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe)는 시료에 아세토니트릴·물과 염(MgSO₄/NaCl)을 넣어 분석물을 유기층으로 뽑아내는 빠른 추출법입니다. 이어지는 dSPE(분산형 고체상 추출)는 추출액에 MgSO₄와 PSA(1차·2차 아민) 소르벤트를 "분산"시켜 지방산·유기산· 색소 같은 매트릭스 성분을 흡착 제거하는 정제 단계입니다. 마치 채반으로 건더기를 거르듯, 원하는 PFAS는 남기고 방해 물질만 걷어냅니다.
🧲 왜 Luna Omega PS C18 (양전하 표면)인가?
PFAS는 카복실·설포네이트 등 음이온성 작용기를 갖는 경우가 많아, 일반 C18에서는 짧은 사슬(C1~C4)일수록 보유가 약합니다. Luna Omega PS C18은 표면에 양전하(Positive Surface, PS)를 도입한 신규 C18 화학으로, 소수성 상호작용에 정전기적 인력을 더해 초단쇄부터 장쇄(C1~C17)까지 넓은 범위를 한 번에 보유·분리합니다. 여기에 고분해능 없이도 QQQ MRM 검출로 감도를 확보합니다.
실험 조건 및 데이터
LC-MS/MS 분석 조건
| 파라미터 | 조건 |
|---|---|
| 분석 컬럼 | Luna Omega 1.6 µm PS C18, 100 × 2.1 mm (00D-4752-AN) |
| Mobile Phase A | 5 mM Ammonium Acetate in Water |
| Mobile Phase B | Acetonitrile |
| Gradient | 0–0.5분 40% B → 3.0분 90% B → 3.1분 100% B → 4.0분 100% B |
| Flow Rate | 0.55 mL/min |
| Temperature | 40 °C |
| Injection | 20 µL |
| UHPLC System | Agilent 1290 |
| Detection (MS) | Agilent 6460 QQQ (ESI −, MRM) |
| 검량 범위 | 0.05~1000 ppb, LLOQ 0.05 ppb (중간 수준 0.5 ppb) |
※ 방법 조건표에는 이동상 A로 5 mM Ammonium Acetate가 기재되어 있으나, 완충액 스크리닝(Figure 1) 결과 Ammonium Formate가 최고의 이온화 효율·감도를 주면서 분지 이성질체 분리를 유지한 것으로 보고됩니다. 최종 완충액 선정에 대한 단일 확정 값은 원본에 명시적으로 정리되어 있지 않아, 두 정보를 그대로 병기합니다.
시료 전처리 (QuEChERS → dSPE → SPE)
| 단계 | 키트 / 소모품 | 조건 요약 |
|---|---|---|
| Step 1. QuEChERS 추출 | roQ Extraction Kit (KS0-8910) | 균질화 시료 1 g + 아세토니트릴 10 mL + 물 10 mL, 염 4 g MgSO₄ + 1 g NaCl 첨가(발열 반응) 후 격렬히 흔들어 균질화·30초 볼텍싱, 원심분리로 층 분리 |
| Step 1b. dSPE 정제 | roQ QuEChERS dSPE Kit (KS0-9511) | 상등 아세토니트릴 1 mL을 dSPE 튜브(150 mg MgSO₄ + 50 mg PSA)로 옮겨 30초 볼텍싱·원심분리, 깨끗한 상등 1 mL 회수 |
| Step 2. SPE 정제 | Strata-X-AW 200 mg / 3 mL (8B-S038-FBJ) | 정제 ACN 500 µL을 물로 ~15 mL 희석 → 조건화 3×2 mL 0.3% NH₄OH/ACN, 평형화 3 mL 물, 로딩 ~15 mL, 세척 5 mL 물, 용출 4 mL 0.3% NH₄OH/ACN, 건조 후 500 µL 재구성 |
분석 대상 23종 PFAS (Figure 4·5 피크 번호 기준)
| No. | Analyte | No. | Analyte |
|---|---|---|---|
| 1 | PFBA | 13 | Me-FOSE |
| 2 | PFPeA | 14 | 8:2 FTS |
| 3 | PFBS | 15 | Me-FOSA |
| 4 | PFHxA | 16 | PFDA |
| 5 | PFHpA | 17 | Et-FOSE |
| 6 | PFHxS | 18 | Et-FOSA |
| 7 | 6:2 FTS | 19 | PFDS |
| 8 | PFOA | 20 | PFUdA |
| 9 | PFHpS | 21 | PFDoA |
| 10 | PFOS | 22 | PFTrDA |
| 11 | PFNA | 23 | PFTeDA |
| 12 | FOSA |
매트릭스별 회수율·감도 요약 (n=4)
| 매트릭스 | 정제 방식 | 감도 | 비고 |
|---|---|---|---|
| 우유·버터·참치·치즈·계란 | QuEChERS (PSA dSPE) | 1 ng/g | 물+ACN 추출 + PSA dSPE가 5개 매트릭스 모두 최적 회수(Fig 7–11) |
| 계란 | QuEChERS + Strata-X-AW SPE | 0.1 ng/g | 2차 SPE 정제로 매트릭스 감도 10배 향상(Fig 12) |
※ 원문 Figure 7–12는 각 매트릭스·분석물별 회수율을 박스플롯으로 제시하며, 대부분 분석물이 약 80~120% 범위에 분포합니다. 개별 분석물별 정확한 회수율 수치표는 원본에 별도 수록되지 않았습니다.
Figure 1. Mobile phase buffer sensitivity screens
4종 이동상 완충액(Ammonium acetate, Acetic acid, Ammonium formate, Ammonium fluoride)의 감도 비교. Ammonium formate가 대상 PFAS 화합물에서 가장 강한 신호(이온화 효율)를 보여, 최종 이온화 완충액 후보로 선정되었습니다.
Figure 2. Branched isomer resolution using Ammonium Formate Buffer
Ammonium formate 완충액에서 PFBA·PFHxS·PFOS의 크로마토그램. 이온화 효율을 최적화하면서도 선형(linear)·분지(branched) 이성질체를 구분해, 규제 대응에 필요한 이성질체 분해능을 유지합니다.
Figure 4. Chromatogram of a 0.05 ppb LLOQ
최저 정량한계(LLOQ) 0.05 ppb 표준의 크로마토그램. 23종 PFAS가 4분 이내 그라디언트에서 번호 순으로 분리·검출되며, 저농도에서도 명확한 피크를 확보해 광역 검량(0.05~1000 ppb)의 하단을 뒷받침합니다.
Figure 6. Water + Acetonitrile with PSA dSPE. From left to right: Blank, Butter, Cheese, Egg, Milk, and Fish.
물+아세토니트릴 추출과 PSA dSPE 정제를 거친 5개 식품 매트릭스 (버터·치즈·계란·우유·생선)와 블랭크의 시각적 비교. 지방·색소가 많은 매트릭스에서도 상등액이 깔끔하게 분리되어, PSA dSPE 조합이 식품 매트릭스 정제에 효과적임을 보여 줍니다.
데이터 해석 및 실무 제언
감도를 단계적으로 끌어올리는 2단 정제 설계
QuEChERS 추출과 PSA dSPE만으로도 우유·버터·참치·치즈·계란 매트릭스에서 1 ng/g 수준의 회수가 가능하며, 필요 시 Strata-X-AW(혼합모드 역상-약음이온교환) 카트리지로 2차 정제를 추가하면 매트릭스 감도가 0.1 ng/g까지 향상됩니다. 규제 요구 감도에 맞춰 dSPE 단독 또는 dSPE+SPE로 단계적으로 설계할 수 있습니다.
매트릭스 특성에 맞는 dSPE 소르벤트 선택
원본에서는 C18 dSPE, C18+GCB dSPE, 헥산 병용 dSPE, PSA dSPE 등 다양한 QuEChERS 계열 전처리를 스크리닝했습니다. 그 결과 전통적 물+아세토니트릴 추출과 PSA dSPE 조합이 5개 식품 매트릭스 모두에서 가장 우수한 회수율을 보였습니다. 지방·색소 등 매트릭스 성분에 따라 최적 소르벤트가 달라질 수 있으므로, 도입 전 대표 시료로 검증하는 것이 좋습니다.
완충액은 감도와 이성질체 분리를 동시에 좌우
음성 이온 모드에서는 Ammonium fluoride가 흔히 신호 증강 첨가제로 쓰이지만, 본 연구의 스크리닝에서는 Ammonium formate가 대상 PFAS에서 최고의 이온화 효율·감도를 제공하면서 분지 이성질체 분리를 유지했습니다. 이온화 완충액 선택이 감도뿐 아니라 이성질체 분해능에도 직결되므로, 실제 분석물 목록에 맞춰 완충액을 스크리닝하는 접근을 권장합니다.
전문가 제언
01. 식품 매트릭스는 매트릭스별로 dSPE를 검증하세요
버터의 지방, 치즈·계란의 단백질, 생선의 색소 등 매트릭스마다 방해 프로파일이 다릅니다. 여러 dSPE 옵션 중 본 연구에서는 PSA dSPE가 5개 매트릭스 모두에서 최적이었으나, 신규 매트릭스 도입 시 대표 시료로 회수율·이온 억제를 재확인하는 절차를 권장합니다.
02. 초저농도(0.1 ng/g)엔 Strata-X-AW 2차 SPE를 더하세요
dSPE 정제만으로 부족한 저농도 요구 시, Strata-X-AW로 2차 정제를 추가하면 매트릭스 감도가 0.1 ng/g까지 향상됩니다. 0.3% NH₄OH/ACN 조건화·용출과 물 세척, 건조 후 500 µL 재구성이라는 표준 흐름을 지키면 재현성 있는 농축·정제를 얻을 수 있습니다.
03. PFAS 배경 오염을 시스템 차원에서 관리하세요
PFAS는 비접착 소재·포장재 등 환경 전반에 편재해 배경 오염이 흔합니다. PP 소모품 사용, 유리 용기 회피, 블랭크 관리 등 배경 기여를 최소화하는 실험실 관행이 저농도 신뢰성을 좌우합니다. (본 기술노트에는 delay column 등 별도의 배경 분리 장치는 수록되지 않았습니다.)
참고 자료 및 원문
TN-0124: Per- and Polyfluorinated Alkyl Substances (PFAS) from Milk, Eggs, Butter, Cheese, and Fish using QuEChERS, SPE, and LC-MS/MS
Agustin Pierri, PhD (Weck Laboratories, Industry, CA); Scott Krepich (Phenomenex, Inc., Torrance, CA)
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