Determination of Traces of Selenium in Plant Materials by Cathodic Stripping Voltammetry

Cathodic Stripping Voltammetry法에 依한 植物體 中 極微量 셀렌의 分析

문동철 .^{홍성화 • 박만기* • 김중기* • 이광우* *}

忠北ᄎ學校 藥學ᄎ學. *서 울ᄎ學校 藥學ᄎ學 • **韓國標準硏究所 (Received April 28，1985)

Determination of Traces of Selenium in Plant Materials by Cathodic Stripping Voltammetry

Dong Cheul Moon, Seung Hwa Hong, Man Ki Park,*

Joong Ki Kim** and Kwang Woo Lee**

Chung Buk National Universityy Cheong Ju, 310, Korea, ^College of Pharmacy, Seoul National University, Seoul, 151t Korea and **Korea Standard Research Institute, Daejun, 300’ Korea

A b stractᅳCathcdic stripping voltarrrretric determination of traces of selenium in plant samples was studied. Stripping peak of selenium (1/) from Cu-Se intermettalic deposit in acidic media containing copp- er( JO ion is specific, highly sensitive and well defined, is successfully used for the quantitative determin­

ation of selenium down to the level of lng/m l. Sample is burnt in a calorimeter bomb under the oxygen pressure of 40atm. and the selenium is absorbed in 0 .1M NaOH. After the solution is filtrated, concentra­

ted and acidified with HC1, then passed through a column of cation exchange resin in the H'form(Dowex 50X-8). The column eluate is analyzed for selenium by differential pulse cathodic stripping voltammetric method. Analytical results of selenium for NBS SMR is well agreement with the certified values. Results are given for a series of plant materials.

微 量 元 素 설렌은 ᄉ間에 있어서 過 剩 時 皮 膚 損 傷 ， 胃 腸 障 害， 貧 血 등 을 ， 缺 乏 時 는 成 長 障 碍 둥 을 유발함이 보 고 되 었 으 며 ， 이미 必須微量元 素 임이 確 立 되 었 다 .1내 R otruck둥에 의하면 셀렌 은 生體內에서 glu tath io n peroxidase와 關與하여 赤血細胞의 酸 化 的 分 解 를 防 止 한 다. 3) 生 物 體 또 는 植 物 體 中 微量 내지 極 微 量 함유되어 있는 셀텐 分析의 正 確 性 은 生 理 活 性 과 毒 作 用 을 나타 내 는 量이 僅 少 한 差異밖에 없 다 는 점에서 더욱 중 요 하 다. 셀텐의 기존 분 석 법 으 로 中性 子 放 射 化 分 析 法 은 感 度 가 높 고 正 確 度 가 比 較 的 우 수 하 지 만 特 殊 裝 置 및 技術이 필요하고 放 射 化 學 的 分 離 없 이 는 상당한 時間이 耍 求 된 다. 4> 原 子 吸 光 度 法 은 수소화물의 정량적 發生에 共存元素들의 영향이 매 우 심 하 다. 蟹 光 分 析 法 은 試料의 分解產 物 中 일부 未分解 有 機物 들 이 蜜光反應에 防害 영향이 심하며 試藥자체의 경시변 화 가 심하 다. 51

水 銀 電 極 등 에 서 의 S tripping V oltam m etry法을 利 用 한 分析法이 다수 發表된 바 있 다. 6ᅳ7> 그러 나 셀렌 分 析 時 測定溶液內의 極 微 量 포 함 된 有機不純物에 依 해 서 도 電極反應이 크게 영향을 받 으 므 로 正確度에 문제점이 많 다. 따라서 著 者 들 은 Cu-Se金屬間化合物의 形 成 을 利用하여 Catho­

dic S tripp ing Voltam m etry (C SV ) 法에 있어서의 分 析 條 件 을 檢 討 하 였 다. 한 편, 試料分析에서 매 트 릭 스組成 이 매 우 복 잡 한 試料의 分 解 法 으 로 서 는 산소 봄 베를 이용한 燃 燒 法 을 檢 討 하 고 前處 理 조 작 분 리 둥 을 검토하여 양 호한 結 果 를 얻 었 다.

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實 驗 方 法

試藥 및 標 準 溶 液 一 本 實驗에 使用 한 모 든 試 藥 은 分 析 用 試 藥 (Baker’s anal, reagents) 을 더 이상 精製하지 않고 그 대 로 사 용 하 였 다. 셀렌 (W) 保 存 溶 液 은 Selenium dioxide를 알카리 溶 液 에 녹 이 고 염 산 으 로 中 和, pH 3〜4되게 하여 폴 리에 틸 렌 용기에 保 存 하 고 필 요 시 마 다 희 석 하 여 사 용 하 였 다(1，000사g/ml), 脫 이온 수 는 charcoal컬럼 및 mixed bed型 이온 교 환 컬 럼과 0. 2사m membrane여과기를 통 한 脫이온수 (Nanopure water purifier,Orion Research Co. resistivity, 18Mfi/

cm) 를 사 용 하 였 다. 한편 본 실험에서 사 용 한 모 든 용 기 는 6M질산에서 24시간 침적시킨 후 脫이 이 온 수 로 充分히 행 구 고 사 용 하 였 다.

機 器 및 裝 置 一S tripping voltam m etry의 實 驗 은 PAR (EG & G Princeton A p p lie d Research Co.) Model 384 polarographic analyzer를이용 하 였 다. 이때 作 業 電 極 은 P A R m odel 303 S M D E 이며 參照 電 極 은 Ag-AgCl (KC1 포 화 )이 고 對 電 極 은 白金 線 을 사 용 하 였 다. 용액의 提 样 은 PAR model 305 synchronous stirrer를 사 용 하 였 고 voltammogram은 PAR model RE-0082 digital plotter 로 얻 었 다. 한편 試料의 燃 燒 에 는 熱 量計用 산소봄베 Parr model 102 A5롤 사 용 하 였 다.

標準物質 (Standard Reference Materials; SRM) 및 試料ᅳNational Bureau of Standard (N B S ) 의 biological & botanical S R M Bovine Liver, Rice Flour, Orchard Leaves를 分析標 準 物 質 로 사용하였으며 標 準 物 質 의 組 成 은 T able I 에 서 와 같 다. 한편 分 析 試 料 는 모 두 冷 凍乾燥 시 켜 粉 末 化 한 市 販 品 을 그 대 로 사용 하 였 다.

컬 럼 操 作 및 溶 離 曲 線 測 定 ᅳ 강 산 성 이 온 교 환수지 (Dowex 50X-8, H+ form , 300〜 400 mesh) 를 컬럼 (30cmx lcm(O.D.)) 에 홉착제 Table I IᅳTypical instrum ental settings for the

determination of selenium (17).

Table IᅳCertified and informational elemental concentrations in NBS biological and botanical standard reference materials, ppm unless indicated.

Element

SRM 1577 (bovine

liver)

SRM 1568 (rice flour)

SRM 1571 (orchard

leaves)

N (% ) 10.6 — 2.76

Ca(% ) 0.0123 0. 014 2. 09

K (% ) 0. 97 0.112 1.47

Mg 605 — 6’ 200

P ᅳ — 2，100

Fe 270 8.7 300

M n 10.3 20.1 91

Na 2,430 6.0 82

Pb 0. 34 — 45

B — — 33

Zn 130 19.4 25

As 0.055 0.41 11

Cu 193 2.2 12

Rb 130 7 12

Ni — 0.16 1.3

Hg 0. 016 0.006 0.155

Cd 0.27 0.029 0.11

Se 1.10±0.1* 0. 4 土0.1* 0.08+0.01*

Standard deviations given here only for Se.

Parameters Conditions

working electrode H M D E (medium)

purging time 240s

deposition potential - 0 . 5V

potential scan rate 2mv/s

potential scan direction cathodic deposition time (stirring) 120s deposition time (equilibrate) 30s solution stirring rate 700rpm

pulse height 50mv

blank sub traction No

calculation method standard addition

final potential - 0 . 9V

，

I y o p h i li z e d 9 b o ta n ic a l and b io lo g ic a l sample

1) Make about l-2g o f the ground sample in t o a p e l l e t

2) Weigh i t in to ig n i t i o n boat C a lo rim e te r Bomb,

I n s e r t t e f lo n coated magnetic bar A tta c h Ni fu se w ire

Add about 10ml o f 0.1M NaOH

as absorbing l i q u i d and assemble the bomb.

Use above 40 atm . o f 02 and i g n i t e . Cool bomb in ta p water fo r about 10 m ins.

S t i r fo r about 3ᄋ m in.

R elease excess 02 over a p e rio d o f 1 h r . Wash contents o f the bomb in t o 250m l.beaker u s in g sm all p o r tio n s o f water from wash b o ttle * B eak er(T eflon)

A g ita te on u lt r a s o n ic a g it a t o r

Heat slow ly and evaporate to about 50 m l.

F i l t e r the s o lu t io n through g la ss f i l t e r in to a no th er beaker ( a lk a lin e s o lu t io n )

F i l t ra te

1) Evaporate to a bou t 5ᄋ m l.

2) A d ju s t pH 2-3 w ith H Cl#

3) Heat on water* b a th to alm ost dryness.

4) Wash in to a c a tio n exchange column w ith sm all p o rtio n s o f 0*01M H Cl,

Io n exchange Column (Dowex 급，WO-AOOmesh)

1) E lu te w ith 0.01M HCl

E lu a te , 2 5•ᄋm l•

1) P ip e tte 10 .0 m l. in t o a c e l l . 2 ) Spike C u ( l l ) f 1000 ppm, 5-10 u l*

C e ll Do a t le a s t I 1) three stan dard 1 2) a d d it io n

Deaerate w ith N2 D e p o sit in t o a

fo r 10-15 m ins.

H>£DE, then s t r ip p e d . measurements

F ig. 1ᅳFlow diagram for the determination of selenium in organic matrices.

J. Pharm. Soc. Korea

標 準 操 作一生 物 體 또는 植 物 體 같 은 有 機 體 試料의 灰 化 및 分解法인 산 소 봄 베 에 서 의 燃 燒 (산 소압력 : 40기 압 )， 이온교환컬럼에 의 한 셀렌 分 離 등 을 포 함 한 前 處 理 過 程 및 C S V法에 의 한 分 析의 흐 름 도 는 Fig. 1에 서 와 같으며 기기는 Table 표와 같은 條件에서 分 析 하 였 다.

實 驗 結 果 및 考 察

염산 및 과염소산등의 산성 持持電解 質에 서 c s v法에 의 한 셀 렌( m 분 석 은 溶 液 內 極 微 量 으 로 存 在 하 는 여러 不純物이 온들 이 共 電 着 되 거 나 金 屬 間 化 合 物 形 成 으 로 인해 셀렌의 환 원 피 이 크 가 여러개로 갈라져 나 오 거 나 피 이 크 電位의 移動이 심 하 므 로 正 確 度 있는 分 析 結 果 를 얻 을 수 없다. 8) 따라서 비소 ， 아연 및 셀 렌 등 과 金 屬 間 化 合 物 形成이 용 이 한9> 구리 ( I I )이 온 을 과 량 添 加하여 셀렌 을 金 屬 間 化 合 物 로 電 着 시 킨 후 C u (H g )S e의 셀 렌 (一2 )로의 환 원 피 이 크 를 利用 하 여 설 렌 (W) 의 分 析 條 件 들 을 검 토 하 였 다.

電着電位의 影響 檢討一 셀 렌 (W ) g o n g /m l에 구리 ( n ) 5 5 0 n g /m l되게 添 加 한 후 전착전 위를 0. I V에서 一0 .5 V까지 변화시키면서 Se-2로의 환 원 피 이 크 전 류 를 측 정 한 결 과 는 F ig . 2에 서 와 같 다. 구리 ( I I )를 철가하지 않은 경우에 비하여 C u (H g )S e의 電 着 效 率 은 전착전위 ᅳ0 .4 V보 다 음 성전위에서 최 대 감 도 를 가지며 따라서 이하 실험에서 전 착 전 위 를 一0 .5 V로 정 하 였 다.

구 리( I I ) 濃度의 影響■一F ig. 3은 電 着 電 位 0 .1 , —0 .2，ᅳ 0 .5 V일때 셀텐 ( r / ) 5 0 n g /m l에 구리 ( J O 롤 1, 10, 100 및 1,000배 첨 가 시 켰 을 때 피이 크 電 流 의 변 화를 나 타 낸 다. 電 着 電 位 一 0 .5 V이고 구리 (11) 와 셀 렌 ( I f ) 의 比 가 1 0 ~ 1，000사이일 때 간도가 가 장 우 수 하 며 피 이 크 전 류 도 거의 일 정 하 였 다. 따라서 測 定 時

Fig.

DEPOSITION POTENTIAL

2—Dependence of selenium peak currents on deposition potential in the presence of cop per ion.

(1) peak potential: — 0. 65V (vs. Ag-Ag- Cl), Se(I7): 50ppb.

(2) peak potential: — 0 .76V (vs. Ag-Ag- Cl), S e (I/) 50ppb+Cu( H ) 550ppb.

supporting electrolyte: 0 . 1M HC1.

COPPER(II) CONCENTRATION, PPM

F ig. 3—Effects of copper ( II) concentration on the stripping currents of selenium (17 ).

Se(I7): 50ppb, supporting electrolyte:

0 .1M HC1,

，

HCl CONCENT R A T I ON

Fig. 4—Effects of HCl concentration on peak curr­

ents.

Se(I7) ： 20ppb, Cu( H ) ： 2. 5ppm, deposi­

tion potential: —0. 5V.

용 액 중 구리 ( n) 를 1〜 lO ppm되게 첨가하였 다.

鹽酸濃度의 影 響 ᅳio-3, io-2, 5 x i( r 2, i으1, 5 X 1 0 - 1, 1M 및 2 M의 염산을 각각 持 持 電 解 質로 사용하여 셀렌 2 0 n g /m l일 때 피 이 크 전 류의 변 화 를 조사하면 F ig. 4와 같 다. 최종 측 정 용 액 중 염산 농 도 가 l( r 2~10_1M일 때 감 도 가 우수하며 標 準 物添加法 에 依 한 分 析結 果 에 영향을 미치지 않 았 다. 5 X 1 0 _1M 이상에서 는 재현성이 좋지 않 았 다. 따라서 最終 測定 溶 液 中 염 산농 도 가 10_2~1으1M이 되도록 하 였 다.

檢 量 및 檢 出 限 界 ᅳF ig. 5는 구리 ( B ) 20 ᄍg/ml에서 셀렌(W ) 2 0 n g /m l~ 2 0 0 n g /m l일때 의 검 량 선 을 나 타 낸 다. 일정과량의 구리 ( n ) 共 存 時 셀 렌 농 도 20ppb이하의 범 위 에 서 도 피 이 크 전 류 는 셀렌 ( m 농도에 비 례 하 였 다. 한 편, 檢 出 限 界 는 電 着 時 間, 電着時의 溶 液 回 轉 速 度, 電解質의 濃度 및 測定溶液의 組 成 바 탕 전류값등에 좌 우 되 지 만 본 硏究에서의 測

S E L E N I U M (IV) CONCENTRATI ON

Fig. 5—Calibration curves for selenium (17).

Cu ( II): 20ppm, deposition potential:

—0. 5V, deposition time: 60s, equilibra­

tion: 30s, potential scan rate: 4mv/s, supporting electrolyte: 0 .1M HCl.

10 20

E luate volume (ml) 30

Fig. 6——Elution of selenium (17 ) by cation excha­

nge column,

exchanger: Dowex 50X-8, 300〜400mesh， H-form column, bed volume: 3ml, Elu­

ent： 0 .1M HCl.

J. Pharm. Soc. Korea

定條件에서 셀렌피이크로서 측정될수 있는 크기를 갖고 피이크전위도 정확한 것을 기준으로 했 을 때 0. lng/ml였다.

시료 분해산물로 부터 셸렌의 分 離 一양이온 교환컬럼에 의한 셀렌 (17) 의 溶離曲線은 Fig. 6과 같다. 溶離液 10ml 에서 94% 20ml 에서 98% 溶離되었다. 한편, 셀렌 (Jf) 2 .5^g 및 양이온들인 Cu(n), Pb(B), F e (ffl), Zn(H). C d(n) 을 각각 20；«g 혼합한 용액을 본컬럼에 통과시킨 후용

리액 25m l로 S e ( I7 )의 회수율을 구한 결과 양이온들은 완전 흡착제거되었고 Selenite이온은 컬럼

에 흡착되지 않고 전부 용리되었다. 그러나 C u ( I) 가 100배以上의 경우 완전분리가 되지않고,

F e ( I ) °1 많이 포함된 試料의 경우 용출속도가 느린 결과로 나타났다. 따라서 흡착제 부피가 더

커야 되겠으나 전처리과정에서 어느정도 제거되고 특히 식물체 시료등의 경우 본 컬럼의 교환능

으로도 충분하였다.

T est Sample

| ComDus t io n

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Media A!>sori)in^ riedi.a

An A liq u o t

A c id if y w ith IInUJ lie a t and C o ncentrate

Ail A]

A c id it y w ith ilwO) C o n c e n tra tio n F i l t r a t i o n

F i 1 tr a t e F i l t r a t e

C o nce nx ra tio n F i l t r a t i o n

Add lio l Heat and C o nce ntrate

F i l t r a t e Add HNu5

lio a t and C o nce ntra te

i 'i 1 t r a t e

i'V.

Add HC1 lle a t

C o n ce n tra te

And HCl' Heat

b)

Fr • 1

F ig . 7ᅳSchematic diagram a) Bovine liver 2g

for testing proper pretreatment after combustion.

was used as a test sample, b) Reduction of Se(\l) to Se(17) was carried out by heating the solution (1 〜4M HCl) on water bath.

試料의 分解 및 前 處 理 操 作 檢 討 ᅳ 시료의 연 소 및 전처리 과정에 따른 회 수 율 을 검토하기 위해 bovine liver 각각 2g에 대해서 Fig. 7에 서 와 같은 순 서 로 시험 했을 때 Table ni 에서 보 는 바와 같이 전처리과정 중 알카리성에서 의 여 과조 작 을 거친 Fr. 4에서 셀 렌은 거의 100% 에 가까운 회 수 율 을 나타내었디•. 한 편 ， 물, 0 .1M 염산 및 0 .1M NaOH를 吸收劑로 하여 산소봄베 (30기압)에서의 연소시 Se75의 회 수 율 은 모두 100% 로 보고된 바 있지만10> 본 실험에서 산성에서 여 과 하 는 경우 상당량의 Selenite이온이 공존 F e ( I) 이 온 과 함께 컬럼 분리과정에서 잔 류 되 므 로 Fr. 3 및 Fr. 4에서

POTENTIAL,V. va.Ag-AgCX

Fig. 8ᅳStripping voltammograms for the determi- nation of selenium in ginseng.

(a) and (a'): sample, (b) and (bO： +50 ng SeOO/m l, (c) ： +100ng SeO O / ml, (a) (b) (c) ： deposition at —0. 5V, Cu( 표 ) : 2ppm, (aO (b') ： deposition at

~ 0. 2V.

Table I I I —Effect of pretreatment on the recove- rie of selenium in bovine liver.

Fraction

Number Amount of Se found,

서g/g Recovery, % 1. 1. 09a±0.14c 99±12.7

2. 0. 02b 1.8

3. 0. 55b 50

4. 0. 53b 48

a) mean of six determination, b) mean of duplicate determination, c) standard devia­

tion.

Table IV —Results of cathodic stripping voltamm- etric determination of Se in NBS biological and botanical standard refer­

ence materials.

SRM 1577 (bovine

liver)

SRM 1568 (rice flour)

SRM 1571 (orchard leaves) Certified (1.1±0.1) (0.4±0.1) (0. 08±0. 01)

1.15 0. 30 0. 082 1.08 0. 35 0. 068 0. 99 0. 37 0.070 0. 89 0. 38 0.076 1. 26 0. 42 0. 058

1.21 0. 42 0.100

Mean, ppm 1.09 0. 37 0.075 S.D.，ppm 0.14 0. 05 0.014

C.V., % 13.8 13.5 18.6

Table V—Analytical results of Se in a series of plant materials.

Sample Amounts of Se found, fig/g Rice 1.54이土0. 24b)

Zinger 0.76±0.10

Garlic 0.10 土 0.002 Job, tears 1.66 士 0.25 Tobacco 1. 34 土 0.11 Wheat 0.60 土 0.08 Pollen 0. 01 ± 0.002

Ginseng 0.28±0. 04

a) mean of triplicate determination, b) standard deviation.

J. Pharm. Soc. Korea

의 회수율이 나 빴 다. 111

標 準 試 料 및 試料 中 셀렌의 分析 一 본 분석법에 의해 매 트 릭 스 組成이 다른 3종의 標 準 試 料 에 對한 S e (F O의 分 析 結 果 는 Table 17와 같다. 분 석 결 과 正 確 度 및 정밀성이 만 족 할 만 하 였 다. 한 편 몇가지 식물체시료에 對 한 分 析 結 果 를 Table 꾸에 나 타 내 었 고 참고로 인 삼 중 S e O O分析의 voltam m ogram은 F ig . 8과 같 다.

수은전극에서 CSV法을 이용 한 셀텐분석에서 셀렌의 stripping 피이크 는 피이크전위 ᅳ0.7V (Vs. Ag-AgCl) 부근에서 나 타나 고 피 이 크 전 류 는 셀렌의 적 은 농 도 범 위 에 서 도 비 례 하 였 다. 본 법 에 의한 셀렌 (以)의 검 출 한 계 는 O.lng/ml 이 었 다. 본 분 석 법 은 식 물 체 중 미 량 내지 극미량분석 에 이용가능하리라 사 료 된 다.

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