수소 반응가스를 이용한 ICP-MS 생체시료에 함유된 미량 크롬(52Cr) 분석
크롬은 메탈 임플란트에 사용되는 몇몇 금속합금에 주요 성분 중 하나입니다. 비활성 표면 코팅이 되어 있지만 생물부식(biocorrosion)의 결과로 시간이 지남에 따라 손상될 수 있습니다.
삽입된 임플란트에서 메탈 이온이 주변의 뼈, 조직, 체액으로 들어갈 경우, 심각한 건강 문제를 일으킬 수 있습니다. 메탈 자체의 독성은 낮지만, 크롬(52Cr) 이온이 체내로 들어갈 경우 잠재적인 건강 위험이 있을 수 있습니다. 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)에서, 크롬(52Cr) 시그널은 백그라운드 플라즈마 아르곤(40Ar)과 탄소(12C)가 포함된 특정 시료 매트릭스의 재조합으로부터 간섭에 영향 받을 수 있습니다. 정확한 크롬(52Cr) 분석을 위해 이러한 간섭을 없앨 수 있는 수소를 collision-reaction 셀에서 반응가스로 사용할 수 있습니다.
혈액, 혈장, 소변 그리고 체액 내 표준 임상 기준의 크롬(52Cr)을 사용한 분석 결과는 collision gas로 수소를 사용할 경우 아르곤-탄화물 결합으로 발생하는 다원자성 간섭을 제거하는데 효과가 있음을 입증해 주었습니다. 이번 연구를 통해 ICP-MS는 복잡한 매트릭스의 메탈 이온의 임상 관찰에 효과적인 방법이며, collision-reaction 셀 반응 가스로의 수소는 분석의 정확도를 높여주며 임상 매트릭스에서 보다 낮은 수준의 함유량을 분석하는데 도움이 되었습니다.
ICP-MS는 25년에 걸쳐 사람의 체액에 미량 및 극미량의 물질 감지 및 정량화에 중요한 방법으로 자리잡고 있습니다. ICP-MS는 혈액 및 혈장과 같이 어려운 매트릭스에 있는 다양한 물질의 프로파일을 확인할 수 있어 인기를 얻게 되었습니다. ICP-MS 임상 어플리케션 중 하나는 인공 관절 및 보철 삽입물을 따라 흐르는 체액에 함유된 메탈 이온을 측정할 수 있습니다.
둔부, 무릎 대체물과 같은 메탈 임플란트는 다양한 정형외과 및 치과 어플리케이션에 사용됩니다. 1956년 메탈 둔부 인공 삽입물 이식되었고 지난 20~30년 동안 인공 임플란트를 이식한 환자가 100만명 이상 증가하였습니다. 메탈 및 금속합금은 뛰어난 내식성, 내구성 및 낮은 수준의 독성으로 널리 알려져 있으며 최근 임플란트는 비활성 표면 코팅이 되어 있지만 시간이 지날수록 닳거나 생물부식(biocorrosion)이 발생할 수 있습니다. 생물부식(biocorrosion)은 화학 반응, pH 변화 혹은 임플란트와 주변 근육 및 뼈의 신체적 상호작용과 같은 다양한 요소에 의해 야기됩니다. 낮은 수준의 메탈 이온이 주변의 뼈, 조직 및 체액에 들어갈 경우 심각한 건강 문제 혹은 알레르기를 일으킬 수 있습니다.
크롬(52Cr)은 금속합금에 주요 성분이며, 다양하게 사용되는 코발트-크롬(Co-Cr)은 크롬 함유량이 대략 30% 정도 됩니다. 외과 및 정형외과에서 사용되는 스테인리스 스틸 (SS316L) 및 생체에 사용 가능한 스테인레스 스틸은 16~18% 정도의 크롬(Cr)이 함유되어 있습니다. 보철물 사용이 확산되는 가운데, 비록 메탈의 독성이 낮지만 크롬 이온이 체내 들어가 특히 혈액, 혈장, 체액에 들어가 이동할 경우 고농도로 신체 전체에 독성이 퍼지는 심각한 문제를 야기할 수 있습니다. 소변에서 크롬(52Cr)이 확인 될 수 있습니다.
----ICP-MS 간섭 물질을(Interfereing masses) 줄이기 위한 수소 사용----
분광 간섭은 타겟 분석물질과 동일한 질량대전하비(mass-to-charge ratio)를 가진 원자 및 분자 이온에 의해 발생됩니다. 다원자성 이온은 다양한 원천의 시료 매트릭스, 시료 준비 시약, 플라즈마 가스 그리고 대기 가스로부터 흔히 발생합니다. ICP-MS에서 흔한 간섭은 아르곤(Ar), 플라즈마 이온들(O, N, H))과 다른 매트릭스 이온들(Cl, Na, Ca) 사이에 형성된 다원자성 이온 과 동중 원소의 간섭의 결과로 철(56Fe), 셀리니움(78Se), 칼슘(40Ca), 비소(75As), 크롬(52Cr)과 같은 원소에서 보여집니다 (Table I)
헬륨은 ICP-MS의 KED(Kinetic energy discrimination) 모드에서 발생하는 광범위한 다원소 간섭을 제거하는데 효과적이기 때문에 collision cell에서 종종 사용됩니다. 하지만 아르곤과 결합된 다원소 간섭이 발생할 때 헬륨은 간섭 이온을 완전히 제거할 수 없어 보다 높은 수준의 백그라운드 시그널을 발생시킬 수 있습니다. 이에 대한 대안으로 수소는 간섭이온을 효과적으로 제거하고 타겟 이온의 정확한 정량화를 위해 다원자성 이온과 반응하는데 사용될 수 있습니다.
탄소(12C )는 타겟 동위원소와 동일한 질량을 가진 다원자성 이온들을 형성하는데 반응할 수 있습니다. 이러한 탄소(12C) 가 포함된 특정 시료 매트릭스 혹은 아르곤(40Ar) 백그라운드 플라즈마로부터 재결합은 크롬(52Cr) 시그널이 영향을 받을 수 있습니다. 이번 연구에서 분석되는 혈액, 혈장, 소변과 같은 생물학적 시료는 매우 높은 탄소 매트릭스를 가지고 있으며, 아르곤과 결합할 경우 크롬(52Cr) 수준을 정량화 하는데 상당한 영향을 끼칠 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수소 반응 가스는 보다 정확한 크롬(52Cr) 분석을 위해 간섭을 효과적으로 제거할 수 있습니다.
수소는 대기 중 농도가 폭발하한계(LEL/Lower explosion limit)인 4.1%에 도달하면 폭발 위험이 있습니다. 실험실에서 LEL에 도달하기 위해서는 2000-5000 리터 용량의 수소가 일반적으로 필요합니다. 이번 연구에서 수소 반응가스의 위험을 줄이기 위해 수소 제너레이터를 사용하였습니다. 수수소 제너레이터는 낮은 용량 및 압력으로 필요로 하는 수소가스를 생산하지만 ICP-MS에 필요한 용량의 반응 가스 및 순도의 수소를 공급해 줍니다.
----실험----
실험장비
Analytik Jena PlasmaQuant MS ICP-MS system
Peak Scientific Precision Hydrogen 300cc
시료
혈액, 혈장, 소변에 크롬 함유량을 정확하고 정밀하게 측정하기 위해 인증된 표준물질 사용
(ClinChek Whole Blood level I, II, and III, Plasma level I and II, and Urine level I and II, Recipe, Germany)
The diluent solution contained 2% ammonia, 0.1% EDTA, 0.01% Triton-X, 1% isopropanol, and 200 ppb gold. Urine and serum samples were diluted 1:10. Blood samples were diluted 1:20.
Calibration
0.1 ~ 10μg / L 범위의 5 단계 Calibration curve가 설정되었습니다 (그림 1). 기기 작동 조건은 Table II에서 확인할 수 있습니다.

(그림 1)
----결과----
Collision 가스로 수소를 사용할 경우 blank에서 백그라운드를 현저히 감소시켜 55C/S정도만 감지되는 것을 Calibration 결과를 통해 확일 할 수 있습니다. (그림 1) 이러한 수준의 백그라운드는 헬륨 collision 가스를 사용한 calibration 시료 분석 대비 매우 낮은 수준으로 줄어들어 분석을 정확도를 높여주며, 헬륨가스 이용 시 크롬(52Cr)대한 blank 리딩은 955c/s였습니다. Calibration 표준의 직선성(Linearity)은 상관 계수 R2=0.999999로 매우 우수하였습니다. Calibration 결과는 1ppt 정도의 크롬을 감지할 수 있으며, 수소 collision 가스를 사용했을 때에는 그 이하 수준으로 감도를 높일 수 있는 반면, 헬륨은 증가된 background 노이즈 때문에 감도가 한 자릿수 정도로 감소하는 결과가 나왔습니다.
측정된 크롬(52Cr) 농도 Vs 표준 물질(Reference Materials)
분석 측정 가능 범위(AMR/analytical measurement range)를 확장하기 위해 사용되는 희석, 농축 또는 다른 전처리 과정 후에도 정량적 결과를 보고할 수 있도록 측정된 농도는 지정된 임상 보고 가능 범위(CRR/Clinical reportable range)에 들어가야 합니다. 다른 표준 물질에서 측정된 크롬 농도는 인증된 제어 범위와 완벽하게 일치하여 이 연구에 사용 된 method의 정확도를 보여줍니다(Table III). 따라서 이 method를 이용한 크롬(52Cr)의 정략적 측정은 임상 시료 측정에도 유효합니다.
---요약----
지난 25년간 ICP-MS는 특히 임상 어플리케이션에서 복잡한 매트릭스의 메탈 이온 분석에 주요 기술로 부상했습니다. 생물부식(biocorrosion) 과정은 조직 주변에 삽입된 보철물이 메탈 이온이 나올 수 있게 하여 멀리 있는 장기까지 이동 되며 체액에서 감지될 수 있습니다. 임플란트 주변 조직으로 이온 방출은 금속 알레르기, 육아종 형성, 때로는 상피성 암을 일으킬 수 있습니다. 따라서 임플란트 환자가 보철물에 상당한 생물부식이 일어날 경우 적시에 개입할 수 있도록 체액에서 메탈 이온 수준을 안정적으로 감지할 수 있어야 합니다.
메탈 임플란트에 사용되는 여러 가지 합금의 주요 구성요소인 크롬(52Cr) 이온은 생물부식(biocorrosion)으로 인해 방출될 때 건상에 영향을 끼칠 수 있습니다. 아르곤(40Ar)과 반응하는 특정 매트릭스 탄소(12C)의 다원자 간섭은 collision 셀에서 헬륨을 사용할 경우 간섭 이온이 효과적으로 제거되지 않아 크롬(52Cr)의 정확한 미량 검출을 어렵게 합니다.
수소는 다원자성 이온과 반응하여 간섭을 제거할 수 있는 향상된 메커니즘을 제공할 수 있습니다. 이 연구를 통해 collision 반응 가스로 수소를 사용할 경우 다원자 12C4Ar의 background level은 무시될 수 있을 만한 수준임을 확인할 수 있으며, 이는 더 낮은 검출 한계가 가능하다는 것을 의미합니다.
체액 매트릭스는 잠재적인 간섭의 측면에서 어려운 과제가 될 수 있습니다. 이번 연구는 collision 반응 가스로 수소를 사용할 때 혈액, 혈장 및 소변에서 크롬(52Cr) 관찰이 가능하다는 것을 보여주며, 3가지 매트릭스 모두에서 높은 수준에서의 직선성(linearity)을 나타내었습니다.
표준 시료에서 크롬(52Cr)의 결과는 제조업체의 지정된 오류범위 내에 있었으며, 매트릭스에 상관없이 크롬(52Cr)이 parts-per-trillion 수준으로 미량 검출이 안정적으로 가능하였습니다.
----참조문헌----
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----자료출처----