대한치과의사협회 자재·표준위원회에서는 국제표준화기구 치과기술위원회(ISO/TC 106)에서 심의가 끝나 최근 발행된 치과 표준을 소개하는 기획연재를 2014년 2월부터 매달 게재하고 있습니다. 환자 진료와 치과산업 발전에 많은 도움이 되기를 바랍니다.
 

불소(fluorine, 弗素)는 할로겐에 속하는 원소군의 하나로써, 전기음성도가 가장 크고, 원자 크기가 작기 때문에 반응성이 매우 크다. 이러한 특성에 기인하여 불소는 치아의 법랑질 표면에 결합하여 내산성을 강화시키고, 구강 세균의 산생산성을 낮추며, 칼슘과 인산의 침전을 유도하여 재광화를 향상시킨다.

이러한 불소의 화학적 특성을 활용해서 치의학 분야에서는 ‘치아우식증’ 예방을 위해 치약, 겔, 구강 양치액 및 불소 바니쉬 같은 다양한 치과 제품에 활용하고 있다. 그러나 성장기 아동에게 과량의 불소가 반복적으로 노출될 경우 ‘치아불소증’과 같은 부작용이 나타날 수 있으므로 적정농도의 모니터링이 필수적이다.

국제 표준을 관장하는 ISO의 치과의료기기 분과(Technical Committee 106) 중에서 구강관리용품(Oral care products) 세부분과(SC 7)에는 총 10개의 작업반이 존재한다. 이번 호에서는 SC 7의 10개의 작업반(수동 칫솔, 전동 칫솔, 치약, 구강 양치액, 치간 칫솔, 치실, 불소바니시, 치아 미백제, 의치 접착제, 구강관리용품 분석 방법) 중 다양한 용품에 함유된 불소의 농도를 측정할 수 있는 불소 이온·검출능 전극을 이용한 수용액의 불소 농도 분석 방법에 대해 다루고자 한다.

현재 불소 농도 분석을 위한 국제 표준(ISO 19448 Dentistry - Analysis of fluoride concentration in aqueous solutions by use of fluoride ion-selective electrode)은 2018년에 최초로 제정되었다. 해당 문서에서는 불소 이온·검출능 전극(Fluoride-Ion Selective Electrode, F-ISE)을 이용하여 수용액 샘플의 전체 불소 함유량을 분석하기 위한 방법을 설명하며, 제품 유형에 따른 침지, 증류와 같은 시료 준비 방법은 해당 고유 표준에 기술된 사항을 참고하도록 한다.

원리
불소 이온·검출능 전극의 검출 소자는 유로퓸(II)이 도핑된 불소란탄, LaF₃의 단일 결정체로 구성되어 있다. 검출 소자가 불소 이온을 함유하고 있는 수용액과 접촉하면, 검출 소자를 가로질러 전극의 전위가 발생한다. 수용액 속의 자유 불소 이온{F^―}의 활성에 의한 이 전위는 일정한 기준 전극 전위와 대비되어 디지털 pH/mV 측정기나 ISE(농도) 전위계로 측정된다. 전위(E)는 네른스트 방정식을 따라 용액 속의 불소 이온{F^―} 활성 지수의 로그값에 비례하여 발생한다.

불소 이온{F^―}의 (활성)지수는 용액 속의 자유 불소이온의 활성도 또는 ‘유효 농도’ 이다. 불소이온의 활성도는 활성계수를 매개로 자유 불소이온 농도 [F]에 비례한다. 활성계수는 용액의 이온 강도에 비례한다. 이 측정을 하는 동안 샘플과 표준의 이온 강도는 이온강도 조정용 완충 용액(Total Ionic Strength Adjustment Buffer, TISAB)을 사용해서 일정하게 유지된다. 용액의 이온 강도를 설정하기 위해 TISAB을 사용할 때, 전위는 용액의 불소 이온 농도에 비례한다. 기타 여러 가지 간섭 요소가 있을 수 있으며, 그것을 적절하게 식별하는 것은 사용자의 샘플 준비과정에서 중요한 부분이다.

알려진 표준 용액의 측정된 전위 대 불소이온 농도로그값의 상관관계를 이용하여 표준 검정곡선 그래프를 그린다. 이후 미지의 샘플 전위를 측정하면, 그 샘플의 불소이온 농도는 표준검정곡선으로부터 산출할 수 있다.

샘플은 각각의 샘플 유형에 맞는 고유 방식으로 사전 처리되어야 하며, 최종 구성물은 최소 1 mL 부피의 수용액 샘플이다. 0.01 mol/L F(190 mg/L F) 이상을 함유한 샘플은 탈이온수를 사용하여 0.01 mol/L F 미만의 농도로 희석해야 한다. 자세한 분석 과정은 다음과 같이 진행한다. 

[직접 분석 방법]
① 각기 별도의 플라스틱 약병(또는 비커 또는 작은 용기)에 각 샘플 용액을 같은 부피의 TISAB과 함께 50：50으로 넣어 희석하고 완전히 혼합한다.
② (혼합을 위해) 저으면서 F-ISE와 기준 전극을 샘플 용액이 담긴 플라스틱 약병의 액에 삽입한다.
③ mV 전위계를 사용하여 안정된 전위차에 도달했을 때의 밀리볼트 눈금을 0.1 mV까지 읽어 기록한다.
④ 샘플 용액에서 전극을 제거하고, 전극을 탈이온수로 세척하여 물기를 부드럽게 닦아 말린다.
⑤ 두 측정값 사이의 차이가 0.2 mV 미만이 될 때까지, 밀리볼트 단위의 측정을 최소한 2회 수행한다.
⑥ 다른 샘플 용액 각각에 대해 ①부터 ⑤까지 반복한다.
⑦ 겉보기 불소 농도가 1×10^-2 mol/L보다 크면, 샘플을 TISAB 맹검액으로 100배 희석하여 샘플을 다시 분석한다.

[표준 첨가 방법]
이 방법은 불소 이온과 결합해 있을지도 모르는 샘플이나, 미지의 샘플이 다른 물질에 오염되어 시험결과에 영향을 미칠 가능성이 있는 경우에 적합하다.
① 4개의 각기 다른 플라스틱 약병(또는 비커 또는 작은 용기)에 똑같이 알려진 부피(4.0 mL)의 샘플 용액을 넣어 표준 첨가 시리즈를 준비한다.
② 한 샘플에 1.0 ml의 탈이온수를 첨가한다.
③ 남아 있는 샘플 용액 각각에 대해, 1×10^-3 mol/L, 5×10^-3 mol/L, 1×10^-2 mol/L 등과 같이 서로 다른 농도의 NaF 표준 용액 1.0 mL를 첨가한다.
④ 각 샘플에 TISAB 5.0 mL를 50：50으로 넣어 희석하고 완전히 혼합한다.
⑤ 샘플 용액이 담긴 첫 번째 플라스틱 약병의 용액을 저으면서 F-ISE/기준 전극을 삽입한다.
⑥ mV 전위계를 사용하여 안정된 전위차에 이를 때 밀리볼트의 눈금을 0.1 mV까지 읽어 기록한다.
⑦ 샘플 용액에서 전극을 제거하고, 전극을 탈이온수로 헹구어 부드럽게 닦아 물기를 말린다.
⑧ 두 측정값 사이의 차이가 0.2 mV 미만이 될 때까지, 밀리볼트 단위의 측정을 최소한 2회 수행한다.
⑨ 표준 첨가 시리즈의 첫 번째 샘플의 겉보기 불소 농도가 1×10^-2 mol/L보다 크면, TISAB 맹검액으로 100배 희석하고 ①로 돌아간다.
⑩ F-ISE/기준 전극을 샘플에서 제거하고, 전극을 탈이온수로 헹구어 부드럽게 닦아 말린다.
⑪ F-ISE/기준 전극을 시리즈의 두 번째 샘플 용액 안에 넣는다.
⑫ mV 전위계를 사용하여 안정된 전위차에 이를 때 밀리볼트의 눈금을 0.1 mV까지 읽어 기록한다.
⑬ 샘플 용액에서 전극을 제거하고, 전극을 탈이온수로 헹구어 부드럽게 닦아 물기를 말린다.
⑭ 두 측정값 사이의 차이가 0.2 mV 미만이 될 때까지, 밀리볼트 단위의 측정을 최소한 2회 수행한다.
⑮ 시리즈의 세 번째, 네 번째 샘플 용액에 대해서 ⑪부터 ⑭까지 반복한다.

[희석 분석 방법]
이 방법은 소량의 샘플 분석에 적합한 방법이다.
① TISAB 맹검액 4.950 mL를 막대가 있는 플라스틱 약병에 넣는다.
② mV 전위계를 사용하여 안정된 전위차에 이를 때 TISAB 맹검액의 mV 눈금을 ±1 mV 이내까지 읽어 기록한다.
③ 저으면서 50 μL 의 샘플을 4.950 mL 맹검액에 첨가한다.
④ 안정된 mV 전위를 ±0.1 mV 이내로 측정하여 기록한다.
⑤ 다른 샘플 용액 각각에 대해서 ①부터 ④까지 반복한다.

[다중 샘플 첨가 방법]
이 방법은 복합 기질의 샘플이나 이용할 수 있는 샘플이 소량밖에 없는 경우 또는 샘플의 농도가 아주 높은 경우에 적합한 방법이다.
① TISAB 맹검액 4.950 mL를 막대가 있는 플라스틱 약병에 넣는다.
② mV 전위계를 사용하여 안정된 전위차에 이를 때 TISAB 맹검액의 밀리볼트 눈금을 ±0.1 mV 이내까지 읽어 기록한다.
③ 용액 안에 F-ISE/기준 전극과 함께, 50 μL 의 샘플을 4.950 mL 맹검액에 저으면서 첨가한다.
④ 안정된 mV 전위를 ±0.1 mV 이내로 측정하여 기록한다.
⑤ 추가로 50 μL의 샘플을 용액에 저으면서 첨가한다.
⑥ 안정된 mV 전위를 ±0.1 mV 이내로 측정하여 기록한다.
⑦ ⑤와 ⑥에 기술된 절차를 두 번 더 반복한다.

시험 보고
mol/L (μg/g)의 각 샘플에 대해 평균과 표준편차 및 반복 분석의 회수를 분석 날짜와 함께 보고한다.