서
론
수자원환경 내에는 중금속과 수많은 유기화합물들이 silt, clay 등의 미세 침전물들과 결합되어 있다. 이러한 오염물들의 거동은 오염된 수환경의 부유 또는 미세한 침전물들의 동력학적 특성과 연루되어 있다. 부유사의 거동에 관한 연구는 다양한 환경연구에 포함되어 있는 주요 연구활동 중의 하나이다. 부유사에 결합된 오염물 의 개별적 방류, 항구와 저수지로부터 준설된 오염물의 수환경으로의 투기에 따른 단기간 확산연구 또는 하천, 만, 강어귀, 저수지 등에서 부유된 자연 침전물의 거동특 성 등에 관한 연구가 특히 관심의 대상이다 (정 등 2002). 방류에 의해 하천에 유입된 오염된 부유 침전물을 장 시간 동안 추적함으로써 이의 이류 (advection), 확산 (dis-persion), 희석 (dilution)과 침전속도 (sedimentation rate) 등에 대한 현장 (in-situ)의 정량적인 계측결과를 구할 수 있다 (Aun and Bandeira, 1995). 이러한 변수들은 고체상 과 액상의 거동을 동시에 고려하는 수력학 수치모델의 교정을 위해서도 매우 중요하다 (IAEA, 2009).Wentworth 침전물 분류법 (US Army-CERC, 1975)에
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미세부유사의 수력학적 연구 활용을 위한
흡착성 방사성표지물로서의
99mTc
제조기법 연구
정성희*∙김종범∙문진호∙홍영돈 한국원자력연구원 동위원소이용기술개발부Reserach of a Labelling Technique for Using
99mTc as an
Adsorbable Radiotracer for Hydrodynamics Studies of
Fine Sediments in Suspension
Sung-Hee Jung*, Jong-Bum Kim, Jinho Moon and Young-Don Hong Radiosiotope Research Division, Korea Atomic Energy Research Institute,
Daejeon 305-353, Korea
Abstract-- The radioisotope labelling study was carried out for the sediment transport investiga-tion. The fate of suspended solid materials is deeply related to the harbour siltation and the shore-line deformation that take place as a result of the artificial development of coastal area. In the experiment, 99mTcO
4--was chemically reduced and labelled in such a way that the labelled particles have the similar settling characteristics with the natural sediment. The radioisotope labelling techni-ques can be widely used for the natural resource exploration where the hydraulic dynamics of underground water and surface water are of importance.
Key words : Radiotracer, Labelling technique, Sediment transport, Gamma radiation
* Corresponding authors: Sung-Hee Jung, Tel. +82-42-868-8057, Fax. +82-42-862-6980, E-mail. [email protected]
의하면, 진흙 (mud)으로 알려진 fine 또는 pelitic 침전물 은 62.5μm 이하의 크기로서 silt (3.9⁄Φ⁄62.5 μm), clay (0.2⁄Φ⁄3.9 μm)와 colloid (Φ⁄0.2 μm) 등으로 구성된 다. 특정 진흙들은 구성성분의 특이성, 입경분포, 침강곡선 등으로 특성 지워진다. 콜로이드 상태는 전하를 띤 부유 입자들과 수용액 상의 이온들 간의 평형상태의 특성으로 분류된다. 환경 내에서 이온의 농도가 변하거나 침전입자 가 물질을 흡수하면 부유물의 평형이 바뀌어 응집 (floc-culation)이나 분산 (deflocculation)이 발생한다 (Bougault,
1970). 이러한 콜로이드 성질은 외부 유입 물질에 따른 반응정도에 영향을 미치게 되고 환경 내 염도의 양에 따 른 침강속도의 변화에서와 같이 부유물의 물리적 특성을 변화시킬 수 있다. 방사성동위원소 (198Au, 46Sc, 51Cr)들은 미세한 침전물 을 표지하는데 사용되어 왔으며 부유 침전물의 동력학적 거동 연구에 활용되어 왔다. 미세 부유 토양의 연구수행 에 있어서 방사성추적자에 대응할 만한 다른 추적자는 없다. 표지법에서는 추적자로 사용될 방사성동위원소의 화학적 형태를 조절하여 추적대상 물질에 확실히 흡착시 키는 것이 무엇보다 중요하다 (Bougault, 1970). 핵의학적 용도로 광범위하게 사용되는 99mTc는 99Mo/ 99mTc 발생장치로부터 pertechnate (99mTcO 4-)의 형태로 추출된다. 일반적으로 전기적으로 음성인 부유침전입자 에 표지하기 위해서 99mTcO 4-는 전기적으로 양성인 화 합물 형태로 환원되어야 한다. 이러한 환원과정을 위하 여 HCl (0.3%) 용액에 용해된 SnCl2∙H2O 용액을 사용 하였다. 방사성화합물의 흡착에 의한 미세부유입자의 표지에 는 두 가지 사항이 고려되어야 한다. 화학적 처리과정이 가능한 완만하고 단순해야 하며, 표지물과 실제 침전사 의 거동에 있어서의 유사성이 확실해야 한다 (Bougault, 1970). 99mTcO 4-의 표지법 연구에서는 (a) 표지기법의 개 발, (b) 표지물과 비표지 침전사의 수력학적 거동의 비교 가 주요 관심의 대상이다. 우선적으로 표지 부유사가 실 제 부유사와 수력학적으로 동일하게 거동하는지의 여부 가 확인될 필요가 있다. 따라서 수중에서 두 부유사 (표 지, 비표지)에 대하여 누적 질량분율이 입자의 침강속도 와 연관되는 침강거동 특성시험을 수행하였다.
부유사의
99mTc
표지실험
하천에서 채취한 흙을 공기 중에서 건조시킨 후 표준 망체 (sieve no. 200)를 이용하여 입경이 75μm 이하인 시 료를 준비하였다. 핵의학적 용도로 광범위하게 사용되는 99mTc는 99Mo/99mTc 발생장치 (삼영유니텍)로부터 99mTcO 4-의 형태로 추출된다. 일반적으로 전기적으로 음 성 (-)인 미세 부유사에 표지하기 위해서99mTcO 4-는 전 기적으로 양성 (++)인 화합물 형태로 환원시켜야한다. 이 러한 환원과정을 위하여 HCl용액에 녹인 SnCl2를 환원 제로 사용하였다. 그러나 높은 HCl의 농도 (~10%)에서 99mTc을 표지할 때 응집현상 (flocculation)이 보고된 바 가 있어 (Bandeira et al. 2002) 1% 이하의 낮은 농도에서 실험을 수행하였으며, 그 농도를 Table 1에 나타내었다. 증류수와 환원용액 (S1, S2, S3) 0.5 ml에 99mTc 0.7 mCi 를 넣어 환원시키고, 0.5 ml의 증류수에 100 mg의 미세 부유사를 혼합시켜 놓은 vial에 넣어 5분간 흔들어 주었 다. 표지여부를 확인하기 위하여 얇은 막 크로마토그래 피 (Thin Layer Chromatography) 방법을 이용하였다. 실리 카겔이 도포된 TLC plate의 3 cm 지점에 시료 10μl씩 떨 어뜨린 후 생리식염수와 유기용매인 MEK (methyl ethylketone)를 전개용액으로 사용하여 전개시켰다. 그리고
TLC Radio-scanner (TRACERMATSTER20, Berthold)로 위치에 따른 방사능을 계측하였다. Fig. 1에서 알 수 있듯이 환원제를 넣지 않은 실험 (a) 와 (b)에서는 미량 (약 3%)의 99mTc만이 처음 위치에 남 아있을 뿐 대부분의 99mTc이 용매와 함께 올라간 것을 알 수 있다. 이것은 대부분의 99mTc이 시료에 흡착되지 않고 용액 내에서 이온상태로 존재한다는 것을 의미한 다. 그러나 환원제를 넣은 실험 (c)~(h)에서는 거의 모든 99mTc이 처음 위치에 머물러 있는 것으로 보아 시료에 잘 흡착되어 있는 것을 알 수 있으며, 환원제 SnCl2함 량에 따른 표지 효율을 Table 2에 나타내었다. 99m
Tc
표지 부유사의 침강거동 특성
표지된 부유사가 실제 부유사와 수력학적으로 동일하 게 거동하는지의 여부를 확인하기 위하여 자연상태의 부 유사와 표지된 부유사에 대하여 입도분포를 확인하는 실 험을 수행하였다. 입도분포 측정방법으로는 체 분석법, 침강분석법, 광 산란법 등 여러 가지 방법이 있으나, 방 사선 차폐가 비교적 간단한 침강분석법으로 실험을 수행Table 1. Test condition of TcO4-reduction
Test SnCl2conc. (mg ml-1) HCl conc. (%)
S1 10 0.3
S2 5 0.1
하였다. 침강분석법은 공기나 물과 같은 유체 속에 있는 고체 또는 액체 입자의 종말 침강속도가 입도의 제곱에 비례한다는 Stokes 법칙의 원리에 근거한다. 침강시험은 시험관과 Andreasen 피펫을 이용하고 농도 5 g l-1의 부 유물 시료를 사용하였다. Migniot (1968), Bougault (1970) 에 따르면, 5 g l-1이하의 농도에서는 부유물의 침강이 방해받지 않는 것으로 알려져 있다. gD2p(ρs-ρ) l Us==mmmmmmmmmm==mm (1) 18μ t 여기서, Us는 침강속도, g는 중력가속도, Dp와 ρs는 분 체의 직경과 밀도, ρ와 μ는 액체의 밀도와 점도 그리고 l은 액면의 높이 등을 의미한다. 식(1)에 의하여 입자가 일정한 거리를 침강하는데 걸리는 시간을 측정하여 침강
Fig. 1. Radio-TLC chromatograms.
(a) H2O++Saline solution (b) H2O++MEK
(c) S1++Saline solution (d) S1++MEK
(e) S2++Saline solution (f) S2++MEK
(g) S3++Saline solution (h) S3++MEK
0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 0 4 8 12 16 20 [cm] 124 [cts] 1764 [cts] 3874 [cts] 1714 [cts] 5377 [cts] 4699 [cts] 6945 [cts] 3669 [cts] 0 0 0 0 0 0 0 0
속도를 구함으로서 분체의 직경 (Dp)를 계산할 수 있다. 이렇게 결정된 입도 Dp는 침강하는 입자의 형상이 고려 되지 않고 구형인 것처럼 계산된 값으로 Stokes 상당입 도라고 한다. 또한 Andreasen pipette을 이용하여 미립체 의 입도분포를 알고자 할 때, 경과한 시간 t와 10 ml를 빨아올릴 때의 액면의 높이 l의 값으로부터 Stokes 법칙 에 의해 Dp를 다음 식을 이용해 계산한다. 18μl Dp== mmmmmmmm (2) (ρs-ρ)gt 채취시료 중 입자의 농도 Ci는 식(2)에 의해 계산된 입경 Dp이하 입자들의 농도일 것이며, 이로부터 입경 Dp 이하인 입자의 적산분포 S는 다음 식과 같이 결정된다. Ci mV S==mmm==mmmmm (3) C0 10 M 시료의 양은 현탁액의 농도가 5 g l-1가 되도록 하면서 시료는 소량의 증류수와 잘 혼합하여 Andreasen pipette 에 넣고, 침강액을 추가하여 표선 l (500 ml)까지 채운다. Andreasen pipette을 서서히 흔들어 균일한 현탁액이 되 면 이때의 시간을 기점으로 적당한 시간간격 (30, 90, 180, 300, 480, 720, 1020, 1380 sec)에 피펫으로 10 ml씩 추출해 vial에 옮기고 건조시킨 후 그 질량을 측정하여 입도분포를 계산하였다. 마찬가지로 동일한 침강실험을 앞서 제조한 환원제와 99mTc로 표지된 부유사에 대하여 수행하였다. 2.5 g의 부유사를 표지하는데 5 mCi의99mTc 을 사용하였으며, 환원용액 (S1, S2, S3)을 각각 2.5 ml씩 사용하였다. Fig. 2는 비표지 부유사 (X)와 표지된 부유 사 (S1, S2, S3)의 입도분포를 보여준다. 실제 부유사와 표지된 시료의 입도분포가 큰 차이가 없는 것을 알 수 있다.
결과 및 논의
실험을 통한 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.(a) 환원제로서 SnCl2(stannous chloride)를 사용하여
99% 이상의 효율로 99mTc을 미세 부유사에 용이하게 표 지할 수 있다. (b) 자연부유사와 표지된 시료의 입도분포 결과로부터 표지부유사의 침강거동은 실질적으로 자연부유사와 동 일한 것으로 확인되었다. 아울러, 표지 수용액 속의 동일한 농도의 침전부유사 에 대해서도 그 양을 증가시킴으로서 흡착효율을 증가 시킬 수 있을 것으로 예상된다. 환원된 99mTc 화합물의 표지는 비교적 빠르게 진행되어 5분간의 Tc (IV) 용액의 혼합으로도 99% 수준의 표지를 기록하였다.
결
론
응집 유무 조건 하에서 미세 부유사에 대한 99mTc의 표지실험을 수행하였다. 미세 부유사의 표지효율은 90% 이상으로 매우 높았으며, 최소 두시간 이상에서 현저한 탈리현상이 없는 비가역적 반응으로 진행되었다. 핵의학에서 광범위하게 사용되고 있는 방사성표지물 을 미세 부유사가 중금속 또는 다른 오염물질 수송의 수 단이 되는 수환경에서의 연구에 활용될 수 있음을 확인 하였다. 99mTc은 비교적 취급과 활용이 용이한 장점이 있다. �99Mo/99mTc 발생기로부터 간단한 조작으로 용출하여 다양한 조건의 실험현장에서 사용하고, 낮은 에너지 의 방출 감마선 (140 keV)은 비교적 간단한 차폐를 요구한다. �핵의학에서 널리 사용되는 핵종으로서 방사성동위 원소 생산을 위한 원자로 및 관련시설이 없는 곳에 0 20 40 60 80 100 0 2 4 6 8 10 Integration distribution (%), S Stokes’ radius (μm), Dp X S1 S2 S3Fig. 2. Stokes’ radius vs. integration distribution. Table 2. Labelling efficiency on the SnCl2concentration
Test SnCl2(mg) Labelling efficiency (%)
no reduction 0 3
S1 5 ¤99
S2 2.5 ¤99
서도 활용을 위한 취득이 용이하다. 66시간에 이르는 모 핵종의 반감기로 인하여 환경실험 현장에서 99mTc을 1 주일 이상 사용할 수 있는 가능성을 제공한다. 이는 유 사한 실험에 사용될 수 있는 198Au를 원자로에서 생산 하고 운반하여 사용해야 하는 것과 비교해 볼 때 그 활 용성이 매우 높다고 할 수 있다. 방사성동위원소 표지 부유사를 이용한 연안환경에서 의 실험을 위해서는 실험지역 자연수의 pH 조건에서의 표지효율 및 자연 입도분포에 따른 최적의 부유사 농도 의 영향에 관한 추가적인 연구가 필요하다.
사
사
이 논문은 교육과학기술부의 재원으로 시행하는 한국 과학재단의 방사선기술개발사업으로 수행되었습니다 (연구과제 관리코드: 2010-0005240).참 고 문 헌
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Manuscript Received: January 25, 2010 Revision Accepted: February 11, 2010
